基于單片機的雙通道靜脈輸液裝置的設計

黎海濤　郭文旭　宋守團

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基于單片機的雙通道靜脈輸液裝置的設計

黎海濤①白求恩國際和平醫院醫學工程科 河北 石家莊 050082郭文旭①宋守團①

[摘要]目的：設計一種可自動換液的裝置，以使醫院患者靜脈輸液時換液及時，保證治療效果。方法：采用傳感器定時采集雙通道輸液瓶的輸液信息的方法，提前將2瓶無配伍禁忌的液體懸掛于該裝置上，開始輸液時一通道導通，雙通道阻斷，通過傳感器定時采集一通道輸液瓶的輸液情況，當輸液完成時，阻斷一通道，導通二通道，開始輸液；傳感器定時采集二通道輸液瓶的輸液情況，當輸液完成時，阻斷二通道，鳴音提示。結果：該裝置可在靜脈輸液時自動換液，整個換液過程無需專人看守，實現靜脈輸液自動化。結論：雙通道靜脈輸液裝置可有效克服靜脈輸液時的換液不及時現象，從而減輕醫護人員的工作負擔，提高工作效率，降低醫療風險，具有臨床推廣價值。

[關鍵詞]靜脈輸液；單片機；換液

[First-author’s address] Bethune International Peace Hospital, Shijiazhuang 050082, China.

靜脈輸液是臨床醫療工作中常用的有效治療手段之一。在患者的靜脈輸液治療過程中，多數醫院仍采用傳統的護士手動換液的方式。由于部分患者因輸液組數多、陪護人員過于疲勞等原因出現換液不及時的現象，導致空氣進入血管內形成空氣栓塞及凝血堵針頭的情況發生，尤其在夜間，這一現象會更加突出。由于換液不及時，輕則延誤患者治療，重則導致醫療糾紛。因此，研制一套可靠性高、成本低的靜脈輸液自動換液裝置，實現換液工作自動化顯得尤為重要[1]。為此，本研究設計一種可自動換液的雙通道靜脈輸液裝置，以減輕醫護人員的工作負擔，提高工作效率，降低醫療風險的發生率。

1　自動換液裝置的設計思路

本研究設計的自動換液裝置采用美國ATMEL公司的AT89S51單片機為處理器，通過傳感器監測輸液完成情況，進而決定何時切換輸液管道。AT89S51是一種CMOS型單片機，該單片機體積小、功耗低及性能穩定，具有8 KB的片內ROM和256 B的片內隨機存儲器(random access memory，RAM)，適合實時控制系統，可滿足本系統的需求，避免外部擴展而帶來的諸多不便[2]。在開始輸液前將2瓶無配伍禁忌的液體掛于輸液架上，2瓶液體使用一根雙頭輸液管與患者相連。初始階段自動換液裝置會同時阻斷2個通道輸液管的液流。輸液開始時僅松開一通道輸液管，使其開始輸液，并記錄下初始輸液時間。當單片機監測到一通道輸液完成時，蜂鳴器報警并阻斷一通道輸液管；同時松開二通道輸液管，使其開始輸液，并記錄下切換時間。當二通道輸液也完成時，阻斷二通道輸液管，記錄下輸液完成時間；同時蜂鳴器報警，提醒醫護人員做進一步處理[3]。

2　自動換液裝置的基本結構

主要由記時模塊、液滴監測模塊、控制模塊及通道切換模塊4部分構成，外圍器件包括數碼管、按鍵及蜂鳴器等，系統結構如圖1所示。

圖1　自動換液裝置系統結構框圖

2.1 記時模塊

自動換液裝置中記時模塊的主要功能是記錄并顯示當前時間、輸液開始時間、切換時間及輸液完成時間。其中，切換時間既是一通道的完成時間，又是二通道的開始時間。4個時間通過4個4位數碼管顯示，為了便于區分，當前時間采用紅色數碼管顯示，其余時間采用綠色數碼管顯示[4]。

記時模塊采用美國DALLAS公司的DS1302時鐘芯片為記時芯片，DS1302是一種高性能、低功耗及帶RAM的經典實時時鐘電路，可對年、月、日以及周日、時、分和秒進行計時，并且具有閏年補償功能，其工作電壓為2.5～5.5 V。DS1302記時芯片采用三線接口與單片機進行同步通信，即SCLK(pin7)、I/ O(pin6)和RST(pin5)，如圖2所示。

圖2　DS1302記時芯片封裝圖

2.2 液滴監測模塊

監測輸液情況使用液滴監測模塊，其主要功能是監測輸液完成與否，進而決定是否切換輸液通道。由于本系統為近距離監測，且紅外光波長比可見光的波長更長，可極大減少可見光對信號檢測的影響，因此采用紅外發光二極管和接收管組合完成液滴信號檢測[5-6]。采用紅外發光二極管構成的檢測探頭，具有電路設計簡單、性能穩定可靠以及響應速度快等優點，其原理是利用液體與氣體的折射率不同，使得同一光源的光在輸液管道內有無液體時產生不同的折射角度，使光接收器件接收到光信號的強弱也不同，從而產生不同程度的高、低電平，用以判斷輸液是否結束[7]。若輸液結束則會在AT89S51單片機的Pin14上產生外部中斷T0，單片機則驅動步進電機進行通道切換(如圖3所示)。

圖3　入射光線折射示意圖

2.3 控制模塊

控制模塊是整個裝置的核心，采用美國ATMEL公司的AT89S51單片機作為處理器，其主要功能是通過DS1302時鐘芯片采集的時間信息驅動數碼管而顯示各時間，采集監測模塊的信息判斷輸液是否完成，當輸液完成時蜂鳴報警，并驅動步進電機對輸液管進行夾緊或松開進而完成輸液通道的切換，整個輸液過程完成時蜂鳴報警，提醒醫護人員做進一步處理[8-9]。

AT89S51單片機具有完整的輸入輸出、控制端口以及內部程序存儲空間，可以通過外接A/D，D/ A轉換電路及運放芯片實現對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)及外接按鍵實現人機交互，能夠對其內部眾多I/O端口連接步進電機并對外圍設備進行精確操控，具有強大的工控能力，且開發環境方便、高效，開發語言可使用匯編語言或C語言[10-12]。AT89S51單片機的封裝如圖4所示。

圖4　 AT89S51單片機封裝圖

2.4 通道切換模塊

通道切換模塊的功能是完成輸液通道的切換，當單片機監測到某通道輸液結束時，控制步進電機正轉或反轉帶動夾持器夾緊某通道輸液管，阻斷其液流，同時放松另一通道輸液管，使其開始輸液，從而完成輸液通道的切換過程。

3　自動換液裝置的應用

自動換液裝置的設計以AT89S51單片機為控制核心，結合光電檢測技術和步進電機控制技術，實現靜脈輸液過程中的自動換液，可減少護理人員的工作量，提高工作效率，降低醫療風險[13]。此外，單輸1瓶液體時還可將本裝置作為輸液監控裝置使用，輸液結束時可及時阻斷液流，有效防止意外發生。在輸液過程中無需專人值守，輸液結束時蜂鳴報警并記錄顯示輸液結束時間，提醒護理人員做進一步處理[14]。

目前，醫院住院患者的靜脈輸液多采用人工看護、護士手動換液的方式，而本研究設計的自動換液裝置具有靈敏度高、性能穩定等優點。實現換液自動化，可有效降低護理人員的工作強度，在提高醫院的服務水平和服務質量的同時，降低輸液過程中的各種隱患，減少輸液過程中出現的醫療事故，杜絕醫療糾紛，提高醫院的社會效益和經濟效益，對保障人民身體健康，促進醫療衛生事業的發展具有積極的意義。

我國目前正在步入老齡化社會，老年人住院時往往需要家屬陪床，陪床的一項重要任務則是提醒護理人員換液。自動換液的裝置的應用可使換液更加及時，降低陪護工作強度、減少陪護人員數量[9]。

4　結論

本研究的設計為雙通道換液裝置，根據不同需求換液裝置還可設計成多通道。但無論多少通道，定要檢查相鄰2瓶液體間有無配伍禁忌，無配伍禁忌方可接瓶。此外，即便可以自動換液，護理人員仍需嚴格遵守《靜脈輸液管理規范》的相關規定，切實落實巡視制度，主動定時巡視輸液患者，觀察有無非正常情況以及不良反應，并及時作出相應處理。

基于單片機的可自動換液的雙通道靜脈輸液裝置，有效克服了靜脈輸液時的換液不及時現象，使換液更加及時，從而減輕了醫護人員工作強度，提高了工作效率。輸液完成時能夠自動阻斷液流，記錄并顯示輸液完成時間，能夠保證輸液的可靠性，提高患者靜脈輸液的安全性[15]。同時，雙通道靜脈輸液裝置的應用可降低醫療風險，減少醫療糾紛，適用于各級醫療衛生單位，具有很大的臨床推廣價值。

參考文獻

[1]白鳳娥,常曉明,張新日.基于SOC的輸液滴速監視器設計[J].計算機工程,2005(7):202-204.

[2]馬淑華,王風文.單片機原理與接口技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2005.

[3]張華林,明達.無線呼叫系統的設計[J].國外電子元器件,2006(8):22-25.

[4]王幸之.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[5]宋文緒,楊帆.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6]楊麗曉,王殊義,尚長浩,等.自動換液靜脈輸液裝置的研制[J].中國醫學裝備,2015,12(4):35-37.

[7]李寶連.基于RS485的醫用輸液控制系統的研制[D].長春:吉林大學生物醫學工程專業,2005.

[8]季華.MCS 51單片機實用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[9]宋世煒.張武成.一種有線與無線對講呼叫轉接器的設計[J].電子技術,2007(2):46-48.

[10]于剛,馬濟娟,張濤,等.總線式輸液監測系統的研制[J].醫療設備信息,2007(3):11-13.

[11]祝燎.何峰山.單片機AT89C51的設計與開發[J].河西學院學報,2010,26(5):55-60.

[12]張永.輸液監測與控制系統設計[M].大連:大連交通大學出版社,2008:245-258.

[13]宋維君.陳松.楊波.低壓電力載波靜脈輸液監測系統的研究與設計[J].遼東學院學報,2011,15(2):96-99.

[14]張永東,班旭東,高軍.輸液速度自動測控系統的設計與實現[J].自動化與儀器儀表,2005(3):20-22.

[15]于正軍,鄧刺利,張迎新.一種新型靜脈輸液監測系統[J].醫療設備信息,2001,15(3):12-14.

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Research on MCU based dual channel venous transfusion device design/LI Hai-tao, GUO Wen-kun, SONG Shou-tuan// China Medical Equipment,2016,13(1):19-21.

[Abstract]Objective: To design automatic infusion device for changing fluid in time, and ensure the treatment effect. Methods: Two bottles of liquid without compatibility taboo suspension in advance on the device, when started conduct channel 1, block channel 2, through a sensor acquisition channel of transfusion bottle infusion, when the infusion is finished, blocking channel 1, conduct channel 2, begin to infusion, the same sensor timing acquisition two channels of the infusion bottle infusion, transfusion is complete, blocking two channels, singing sound prompt.

Results: This design can realize automatic in liquid intravenous fluids, the whole process automation in liquid without personnel guards. Conclusion: This design can effectively overcome the phenomenon that intravenous infusion in fluid not in time to reduce the work burden of nursing staff, improve work efficiency, reduce the medical risk, has great clinical value.

[Key words]Intravenous infusion; Singlechip; Change fluids

收稿日期：2015-10-21

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.006

[文章編號]1672-8270(2016)01-0019-03

[中圖分類號]R197.39

[文獻標識碼]A

作者簡介
黎海濤,女,(1978- ),碩士，助理工程師。白求恩國際和平醫院醫學工程科，研究方向：醫學工程。