一种早产儿医源性失血监测分析系统的设计
顾希1，董建成2，杨小红3，韩玉珠1
1. 南通市妇幼保健院 设备科，江苏 南通 226018；2. 南通大学医学院 信息中心，江苏 南通 226001；3. 南通市第一人民医院 新生儿科，江苏 南通 226001
[摘 要]为了减少医源性贫血的发生率，设计一种用于早产儿医源性失血监测分析系统。此系统包括数据采集、传输和分析。数据采集模块由超声液位探测仪测量采血量，电子标签读写器读取患儿基本信息，微处理器处理后，通过无线网络GSM传输到监测分析模块。监测分析模块对采血量、标本种类、血红蛋白值等数据进行分析，为医生开具采血医嘱时机和护士计划采血量提供参考值。系统拥有大数据仓储平台，支持多家医院的数据分析和存储。经实验测试：该系统超声液位探测分辨率0.01 mL，量程4.5 cm，精度±0.2%，声束宽度5 cm，网络传输速度2 MB/s，数据库存储量大于1 T。该系统为目前普遍存在的因医源性失血而导致贫血风险的患者提供一种新的治疗方案。
[关键词]医源性失血；超声液位探测；远程网络传输；大数据分析；数据挖掘
引言
早产儿是指出生时胎龄＜37周的新生儿。随着二胎生育政策的放开，高龄孕妇及各种妊娠并发症的发生几率有增多趋势，早产儿发生率也随之增高[1]；由于环境改变，不孕不育增多，随着医疗技术的发展，试管婴儿出生率也越来越高，英国医学协会一项研究报告称，试管婴儿早产率比正常怀孕早产率高3倍[2]。近年来，美国早产儿发生率为10%～12%，我国早产儿发生率由5%上升至8.3%，每年大约有166万早产儿出生，早产儿已成为新生儿领域最重要的问题[3]。早产儿生理性贫血比足月儿发生更早，更为明显[4]。尽管以往对该疾病进行了许多研究，但至今早产儿贫血仍是早产儿的常见病，并且可严重影响患儿的生长发育及其它身体机能的成熟[5]。引起早产儿贫血的原因很多。由于病情的需要，早产儿必须接受频繁血标本的采集来监测其内环境的变化，因此生后数周内采血进行众多的实验室检查也成为早产儿失血的重要原因，采血量为7.5～15 mL即造成早产儿失血达总血容量的5%～10%[4]。一项研究显示NICU中重症的早产儿生后第一周内的采血量可达38.9 mL，这是一个惊人的数字，因为这些婴儿的血容量大约只有80 mL/kg[4]。可见大量静脉采血导致的失血是早产儿医源性贫血的一个独立重要危险因素。当贫血发生后，多采取输异体血进行治疗，而异体输血常出现输血相关性副作用，危害包括病毒感染、移植物抗宿主反应、电解质及酸碱平衡紊乱、溶血及免疫抑制等[4]。可见，检验性失血是早产儿贫血及输血治疗的高危因素。
目前，医源性贫血的预防首先通过改善采血和检验技术来减少由常规静脉采血导致的失血量[6]；其次，可采用重组人促红细胞生成素疗法治疗贫血[7]，减少危重患者输血；最后，可通过限制性输血，减少异体输血来防止贫血[8]。可用非侵入性监测技术来减少采血量，但作用很有限[4]；重组人促红细胞生成素治疗早产儿贫血仍未有统一标准，仍不能作为早产儿贫血的标准治疗方法进行推广[5]。有相关研究指出，医源性失血是早产儿生后2周内贫血发生的最常见的原因之一。避免2周内累计采血量超过10 mL/kg，可大大降低早产儿发生医源性贫血的风险[5]。因此我院在新生儿日常护理中，主要通过规范采血技术，减少血液标本的浪费[9]来尽量减少早产儿贫血。规范采血就是做到尽量降低住院期间的抽血总量和抽血次数，尽量减少医源性的失血[10]。我们通过为每个早产儿建立采血单，及时记录每次的采血量，以此积极控制采血时机和采血量。但从中发现，由于主客观原因，会出现漏记现象，且所记录的采血量与实际采血量存在偏差。随着医院信息化建设的不断推进，以监测采血量为重心，建立更加有效快捷的体系成为需要。此系统能准确及时记录每次的采血量，为医护人员结合早产儿病情及血红蛋白等指标，提供采血的警惕数值。
通过查新，国内外无可以监测早产儿血液标本采集量的系统。本项目的研制，可用于早产儿的临床诊治，对医源性失血提供防控技术，对早产儿检验性失血与贫血之间相关性的研究提供数据基础。本项目提供专家支持系统，可提供参考值和警惕值，以支持医护人员的决策分析；可通过统筹检验项目等功能来控制管理早产儿的采血量和采血时机以达到减少早产儿医源性贫血的发生率。
1 系统设计
所设计的早产儿医源性失血监测分析大数据系统由数据采集、远程网络传输、监测分析中心、大数据仓储平台等组成。系统网络拓扑图，见图1。
图1 系统网络拓扑图
1.1 数据采集
数据采集系统由超声液位探测[11]，电子标签读写器，微处理器及无线传输组成（图2）。将采集的血标本试管放进仪器的试管套。电子标签读写器可以读取早产儿采血相关信息 如患儿姓名、性别、出生体重、孕周、住院日期、采血日期、采血量、血标本种类等信息。液位探测器测出血标本液位，并换算成采血量[12-13]。一并送入微处理器，微处理器将以上信息通过无线网络传输至监测分析系统。
图2 数据采集系统构成图
1.2 监测分析中心系统和大数据仓储平台
监测分析中心系统接收数据采集系统发来的信息，将早产儿的采血相关信息准确无误地提供到医护共享分析平台，为医生开具采血医嘱时机和护士计划采血量提供参考价值。网络服务器端拥有大数据仓储平台。具体来说，当日积月累的早产儿数据摆在眼前，针对医护人员或研究人员可能关注的方面，按照一定的主题域进行组织，形成数据仓库；再通过联机分析处理（OLAP）对信息的多种可能的观察形式进行快速、稳定一致和交互性的存取，形成多个维度的信息[14-15]；再通过数据挖掘技术[16]，发现早产儿数据内部隐含的规律并展示给用户，以指导用户决策。
1.3 远程网络传输
早产儿医源性失血监测分析大数据系统信息平台间的无线网络采用GSM。GSM全球移动网络是目前覆盖范围最广的移动通信网络，短消息服务（Short Message Service，SMS）是GSM终端之间通过服务中心进行文本信息收发的应用服务。SMS以其实现简单、抗干扰能力强、通信成本低等特点，在远程无线监控系统、数据采集系统、远程无线传输、车辆监控定位系统等领域中得到了广泛的应用。
本系统GSM的无线通信模块的工作电压为3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1800 MHz两个频段，它提供RS232数据口，符合GSM0707和GSM0705标准，模块采用AT指令集接F1，支持Block、文本和PDU模式的短消息。数据接口通过40引脚的ZIF连接器和AT命令，可双向传输指令和数据，可选波特率为300 bit/s～115 kbit/s。自动波特率为 1.2～115 kbit/s（图 3）。
图3 无线通信模块原理图
2 超声液位探测仪电路设计及显示
本系统所设计的超声测液仪是用来测量婴儿血样本。超声波接收头和运算放大器组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经运算放大器的2级放大1000倍（60 dB），第1级放大100倍（40 dB），第2级放大10倍（20 dB），见图4。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而本装置电源用的是单电源 供电，为保证其可靠工作，这里用R1和R2进行分压，这时在运算放大器的同相端有1/2 VCC的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。
图4 超声波检测和放大电路图
一般婴儿抽血量在2～3 mL,试管直径一般1 cm，因此，需要满足高精度、小盲区的要求。采用2.5 MHz的超声探头，通过反复试验，此超声液位探，量程：0～4.5 mL；精度：±0.2%；最小分辨率：0.01 mL；重复精度1‰；盲区＜0.06 m,基本达到了设计要求[17-18]。
每次测量显示本次采血量和住院期间总采血量，见图5。此系统能准确及时记录每次的采血量，为医护人员结合早产儿病情及血红蛋白等指标，提供采血的警惕数值。
图5 系统实物图
3 讨论和结论
本系统初步的测试证明，为医护人员控制采血时机和采血量提供了有力的数据基础和决策分析能力，不再盲目的凭经验，采血量比人工测量和记录提高了±0.2%的精度[19]。通过2 MB/s实时无线传输，使医生及时掌握患儿的采血情况。
大数据系统可同时支持多个医院和病区上传数据，使大数据挖掘和分析成为可能。系统初步支持1 T的存储量[20]。形成多个维度的信息，可对个案独立跟踪分析，亦可对比案例分析。
该系统可对早产儿医源性失血提供一种新的治疗方案，并可推广应用于其他重症住院患者，减少其贫血的发生。对检验性失血与贫血之间相关性的研究提供大数据分析技术。本系统数据采集传输处理的模式可复制应用于临床其他领域，以达到数据的全球共享。本课题的研究只是一个开始，要研制适合临床试用的系统，还需要进一步解决许多问题，比如，测量的精度，网络传输速度，大数据的有效挖掘。
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Design of a Premature Iatrogenic Blood Loss Monitoring Analysis System
GU Xi1, DONG Jiancheng2, YANG Xiaohong3, HAN Yuzhu1
1. Department of Equipment, Nantong Maternal and Children Health Care Service Hospital, Nantong Jiangsu 226018, China;2. Information Center, Medical School of Nantong University, Nantong Jiangsu 226001, China;3. Department of Neonatology, The First People’s Hospital of Nantong, Nantong Jiangsu 226001, China
Abstract:To reduce the incidence of iatrogenic anemia, an iatrogenic blood loss monitoring and analysis system for premature infants was designed. This system included data acquisition, transmission and analysis modules. The amount of blood collected by ultrasonic liquid level detector was measured by the data acquisition module. Then the basic information of children was read by electronic label reader. After processing of the microprocessor, the data were transmitted to the monitoring analysis module through the wireless network GSM. In the following, the data of blood capacity taken, specimen type, hemoglobin valuea and so on were analyzed by the monitoring analysis module, which could provide references for the timing of doctor prescribed blood collection and the nurse’s planned blood capacity taken. The system had a large data storage platform and supported data analysis and storage in several hospitals. The test results showed that the system’s ultrasonic liquid level detection resolution was 0.01 mL, measuring range was 4.5 cm, accuracy was within ±0.2%, the sound beam width was 5 cm, network transmission speed was 2 MB/s and database storage was greater than 1 T. The system can provide a new treatment program for patients with anemia risk due to the iatrogenic blood loss.
Keywords:iatrogenic blood loss; ultrasonic liquid level detection; remote network transmission; big data analysis; data mining
[文章编号]1674-1633(2018)10-0054-03
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2018.10.013
[文献标识码]A
[中图分类号]TH776
作者邮箱：guxi12@163.com
基金项目：南通市市级科技指令性计划项目（MS22016021）。
修回日期：2017-11-21
收稿日期：2017-10-22
本文编辑 袁隽玲