靜脈輸液流速監(jiān)控裝置設(shè)計

李宗為，張祥忠

（中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中一種重要治療手段，它不僅作為一種給藥途徑，也是為患者提供體液和營養(yǎng)的直接方式。在很長的時間里，靜脈輸液一直沿用人工管理的辦法[1]，這樣不僅會加重醫(yī)護人員的任務(wù)，更有可能因為人員疏忽或輸液管阻塞等問題導(dǎo)致患者出現(xiàn)危險。目前在相關(guān)方面已有的一些研究存在弊端，如參考文獻[2～4]中提出的靜脈注射網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法，其局限性在于裝置只能進行本地監(jiān)控或主控機與控制器之間采取有線連接，在靈活性、擴展性等方面存在缺陷；參考文獻[5～7]雖提出了動態(tài)組網(wǎng)的概念，但是在導(dǎo)管輸液控制方面存有不足。本設(shè)計提出的一種靜脈輸液滴速監(jiān)控裝置[8]，填補了上述不足之處，提高了工作效率和安全保障程度。

1 總體設(shè)計

靜脈輸液流速監(jiān)控裝置由主站與從站構(gòu)成，主站置于醫(yī)護人員工作室，從站置于病房當中，相互之間使用無線通信，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主從站無線通信、滴速監(jiān)控、空瓶報警、輸液管閉路等功能，從站對液體滴速實時監(jiān)測并將結(jié)果無線傳輸?shù)街髡撅@示，主站可通過鍵盤輸入數(shù)值反饋到從站，控制從站伺服電機傾角進而實現(xiàn)液滴調(diào)速。當從站監(jiān)測到液面低于警戒時，會向主站發(fā)出聲光報警信號，并且若在規(guī)定的中斷時間內(nèi)未得到答復(fù)，將控制伺服電機對導(dǎo)管進行閉路操作以防止血液回流，等待醫(yī)護人員清除警報。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，要求具備如下性能：

1）能對液滴進行實時測速，并通過矩陣鍵盤的輸入對滴速進行設(shè)定；

2）對滴瓶內(nèi)的液位高度進行監(jiān)測，當達到報警的液面時，從站能發(fā)出報警信號，主機能無線接收到報警信號，并能通過主站鍵盤輸入信號清除警報信息；

3）當報警信息經(jīng)過預(yù)定延時后未被清除時，從站能自動對滴管進行閉路操作，避免血液回流。

主站和從站的軟件流程圖如圖2及圖3所示。

圖2 主站程序流程圖

圖3 從站程序流程圖

2.2 方案設(shè)計

2.2.1 從站滴速及液位監(jiān)測

對滴速和液位的監(jiān)測，理論上可選用電容式傳感器[9]、紅外傳感器及光敏傳感器等電路，但在實驗中發(fā)現(xiàn)，電容式傳感器雖然具有靈敏度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但是該電路的安裝及測量較為困難；采用脈沖調(diào)制的紅外傳感器線性度好、抗干擾能力強，但卻易出現(xiàn)波形采集遺漏的情況；綜合考慮靈敏度、穩(wěn)定性及實用程度，選用光敏傳感電路，由高亮發(fā)光二極管與光敏三極管組成，經(jīng)過仿真和實驗測試表明效果較好。方案示意圖如圖4所示。

圖4 滴速及液位監(jiān)測方式示意圖

2.2.2 滴速控制方法

在滴斗上方的輸液管安裝伺服電機控制模塊，在電機上裝有橢球形控制器，用以對輸液管的流量進行調(diào)整。對伺服電機輸入控制脈沖信號，電機會將此信號與本身發(fā)出的負向脈沖信號比對，得出的差值脈沖經(jīng)放大成為電機的驅(qū)動信號，其正負決定了電機的旋轉(zhuǎn)方向。實測滴速與設(shè)定值比較，使用PID算法控制電機轉(zhuǎn)動直至比較差值為零。根據(jù)實驗得出的輸入信號與電機旋轉(zhuǎn)位置、轉(zhuǎn)速及力矩等的對應(yīng)關(guān)系精確控制橢球傾角。滴速控制原理圖如圖5所示。

圖5 滴速控制原理圖

2.2.3 主從站之間的通信

主站與從站之間的通信選用無線方式，避免有線布線造成的擴展性、靈活性差，線纜布置連接麻煩且易腐蝕老化等問題。使用無線通信模塊完成主從站的數(shù)據(jù)發(fā)送與接受，對于距離過長的情況可考慮使用中繼器。這種通信方式使裝置的應(yīng)用具有很大的便利性，而且從站的分布可以根據(jù)需要進行調(diào)整。

3 電源模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)整體采用5V電源供電，使用7805芯片穩(wěn)壓。考慮整流管及7805芯片允許的最小壓降和電網(wǎng)10%的波動，對濾波電容的選擇以如下計算方式：

故選擇C1=4700μF，關(guān)閉電源產(chǎn)生的沖擊電流由D2放出。電源電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路

4 測速與液晶顯示模塊實現(xiàn)

4.1 滴速脈沖監(jiān)測電路

光敏三極管采集得到的電壓信號，送入第一級運算放大器中與基準電壓進行比較。由于光線瞬時反射、折射方向小范圍變化，實驗中采集到的波形有兩個較大的峰值和少量的雜波，可以通過調(diào)節(jié)基準電壓去除雜波，通過設(shè)定恰當?shù)能浖訒r去除第二個峰值。脈沖監(jiān)測電路和光敏器件采集的波形圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 脈沖監(jiān)測電路

圖8 傳感電路輸出波形

4.2 從站液晶顯示及鍵控電路

LCD1602是可以顯示兩行，每行16個字符的液晶模塊。該裝置中，LCD第一行用于顯示從站編號及與主站連接情況，第二行顯示當前操作。鍵控電路用于對從站的手動設(shè)置，J1、J2、J3、J4分別表示設(shè)置、加計數(shù)、減計數(shù)、確定，步進為4，在警報發(fā)生時可通過J4鍵清除警報信息。

圖9 從站顯示及鍵控電路

5 系統(tǒng)測試

在主站打開可視化窗口應(yīng)用程序，主站與各從站建立連接后，可以看到床位顯示、液面實時高度及滴速等信息。主站向從站發(fā)送命令，從站能夠正常接收并作出相應(yīng)調(diào)整。從站切換為手動控制并更改滴速時，主站能接收到更改信息并發(fā)出警報，可以手動清除。實驗當中，主站或從站任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會發(fā)出警報，若主站在預(yù)定時間內(nèi)不予回應(yīng)，從站能夠自動驅(qū)動伺服電機對輸液管進行閉路操作。

6 結(jié)束語

設(shè)計的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，使用ATmega16單片機作為主控單元，主站與從站之間以無線方式通信，對液面高度、滴速進行監(jiān)視并通過伺服電機控制滴速。經(jīng)過仿真與測試表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠較好地完成預(yù)期的功能，系統(tǒng)具備較高的靈敏度和可靠程度，能滿足臨床輸液監(jiān)控的需要，提高了人員工作效率。

[1] 劉振峰.滴速監(jiān)控儀的研究與實現(xiàn)[D].太原:太原理工大學(xué),2008.

[2] 葉戰(zhàn)波.一種基于AT89C52單片機病床呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2011,(5):207-209.

[3] 王禮廣,胡解生,熊東平等.基于RS-485的靜脈注射網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實驗[J].南華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(4):74-78.

[4] 張玉.無線通訊式輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2012,(5):136-139.

[5] 周文真,張文昭,劉愛林等.基于CAN總線和無線技術(shù)的輸液網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程,2011,(3):4-6.

[6] 皮家甜,張宇生,李萌萌.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,(6):167-169.

[7] Andrea Cataldo, etc. Reproducibility analysis of a TDR-based monitoring system for intravenous drip infusions:Validation of a novel method for flow-rate measurement in IV infusion[A]. MeMeA[C]. Budapest: Instrumentation and Measurement Society,2012.1-5.

[8] 瞿犇.基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能輸液控制系統(tǒng)的研制[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[9] Ogawa,Hidekuni,etc.A new drip infusion monitoring system[A].47th Annual Rocky Mountain Bioengineering Symposium and 47th International ISA Biomedical Sciences Instrumentation Symposium[C].Los Angeles.2010.92-97.