智能輸液系統的設計

侯明揚，張鑠，熊威，歷周，韓帥，李喆

1.南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515；2.中國醫科大學 公共基礎學院，遼寧 沈陽 110122；3.南方醫科大學珠江醫院 普外科，廣東 廣州 510280

引言

靜脈輸液在臨床應用廣泛，幾乎涉及醫院所有科室。目前臨床輸液基本都采用輸液瓶或輸液袋加帶茂菲氏管的一次性輸液管路，借助液體自重和大氣壓力將藥物輸入患者體內。此種輸液方式雖簡便易行，但存在以下缺點：輸液溫度隨周圍環境溫度一致、高低不可調節；輸液速度靠機械式的滑輪壓縮輸液管調節，調節精度較差且可靠性不足。近年來,隨著麻醉科將體溫作為基本監測項目后，發現有60%患者在手術過程中發生了低溫，其中30%的患者核心溫度低于35℃[1]。人體輸入低溫的藥液可使患者產生手臂涼、麻、痛、周身寒戰等癥狀[2]。近年來大量研究證實，術中低體溫可明顯導致麻醉藥物代謝減慢，引起凝血功能障礙，并增加手術部位感染（SSI）風險[3-4]。而大量低溫液體的輸入是手術病人體溫降低的主要原因之一[5]。盡管術中低體溫具有降低機體代謝率、減少集體耗氧、增加組織器官對缺血缺氧的耐受力等潛在優點[6-8]，但長時間及過低的體溫可抑制竇房結，導致心律傳導異常，心排量減低[9-10]，還可以導致血小板功能受損，凝血激活時間延長，凝血酶活性降低，導致患者凝血功能異常、心血管并發癥增加、生理功能紊亂和內穩態失衡進而增加圍術期并發癥發生率，影響患者預后[11]。當前市場上也有醫用輸液加溫儀器，但種類極少且基本都是國外進口，因其價格昂貴，醫院極少采用。針對以上不足，研制出智能輸液控制系統，通過該系統解決目前臨床靜脈輸液中存在的問題，并設置報警裝置、急停裝置以滿足輸液安全需求，并可以與上位機無線連接。可以提高護理質量，降低操作風險，增加病人舒適度，遠程監控病人輸液情況。

1 智能輸液控制系統的組成和工作原理

智能輸液控制系統主要由控制、監測、加熱、報警、無線傳輸等部分組成。整個系統結構框圖，見圖1。輸液開始前，將輸液管的茂菲氏管卡在紅外滴數檢測器中，輸液管下段套在輸液加熱套里，設置病人信息，輸液量，最大允許加熱溫度等信息后，開始輸液。輸液時，光電對管執行輸液滴數采集工作，經過信號處理后以脈沖的形式跟主芯片MSP430交互，形成滴速數據和剩余輸液時間的估算值顯示在液晶屏幕上。當輸液滴速與設置滴速不同時，舵機會自動調節擠壓輸液管路的松緊，實現控制輸液滴速的功能。同時報警燈會對超過每分鐘20滴的誤差進行LED燈光警報。使用USB電源供給加熱系統。采用軟材質的套管加熱，保證加熱的均勻性和管路的活動性。加熱開始時，LED加熱燈會亮起表示當前系統正在加熱。當加熱溫度達到設置的最大允許加熱溫度時，加熱自動停止，加熱燈熄滅。整個系統的輸液滴速、剩余時間、加熱溫度等信息，通過ZigBee傳輸協議打包傳輸到PC端，實現遠程監控輸液狀態的功能。

圖1 智能輸液系統框圖

2 硬件設計

2.1 液滴檢測模塊

液滴檢測是利用光電對管采集實現。采集示意圖，見圖2。光電對管分別卡在輸液管的茂菲氏管兩側，并且在液面的上方。經過調制的電源驅動發光二極管發光，產生的光束發射到對面由光敏三極管接收，產生一定的光電流。當有液滴滴下時，液滴會讓發光二極管發出的光產生散射，光敏三極管接收到的光強就會減弱，從而產生的光電流就會減弱。液滴反復滴下產生光電流輸出脈沖，通過比較電路、放大電路、鑒頻電路、整形電路等，得到對應的脈沖信號，將脈沖信號送入到MSP430中進行計數。

2.2 MCU及外圍設備

系統硬件設計采用MSP430作為主控制器（MCU）。MSP430系列單片機是采用了精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）結構的16 bit單片機，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址，4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。

圖2 液滴檢測模塊示意圖

MSP430單片機具有超低的功耗，因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有獨到之處。首先，MSP430系列的電源電壓采用的是1.8～3.6 V電壓。因而可使其在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片電流最低在 165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430系列中有3個不同的時鐘系統模塊：輔助時鐘（Auxiliary Clock，ACLK）、主時鐘（Master Clock，MCLK）以及子系統時鐘（Subsystemmaster Clock，SMCLK）。這3個時鐘系統由5個時鐘信號源提供，可以只使用1個32.768 kHz的晶體振蕩器，也可以同時使用4～32 MHz的高頻晶振或內部的3個低功耗振蕩器。由時鐘系統產生中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和各功能模塊所需時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制[12-16]。

外圍電路主要包括鍵盤：用來設定輸液的初始值及在緊急情況下急停；液晶顯示：顯示輸液的初始值、輸液速度及輸液剩余量；蜂鳴器及LED：實現聲光報警。

2.3 輸液速度控制模塊

輸液速度控制用舵機來實現。控制示意圖，見圖3。舵機葉片上安裝有一個壓軸，壓在輸液管路上。液滴檢測模塊測得的當前液滴速度與設置的輸液液滴速度相比較，若當前速度比設置速度高，舵機反向轉動一個單位，將輸液管壓緊，輸液速度降低；若當前速度比設置速度低，舵機正向轉動一個單位，將輸液管放松，輸液速度加快。此外該系統還設置了緊急停止程序，當輸液發生意外需要緊急停止時按下急停按鍵，舵機會立即壓住輸液管路到最底部，即阻斷輸液管路，終止輸液。

2.4 加熱模塊

加熱方案有兩種選擇，一種是用固體加熱片，卡在輸液管的兩側。此種加熱方式加熱不均勻，而且由于加熱位置離人體端較遠，加熱后熱量損失較多且受環境影響較大；另一種是由軟式的加熱絲，做成加熱套包裹式加熱。此種加熱方式的好處是加熱均勻，離人體端很近，受環境溫度影響很小。而且由于是軟式材質，輸液管的活動不受限制。本系統采用第二種方案。若當前溫度小于設定加熱溫度，系統持續加熱，加熱狀態燈點亮。若當前溫度達到或者高于設置溫度時，加熱停止，加熱狀態燈熄滅。

圖3 輸液速度控制模塊示意圖

2.5 無線傳輸模塊

目前使用較為廣泛的近距無線通信技術是藍牙、Wi-Fi和ZigBee。將3種無線通信技術做一個比較，比較內容和參數，見表1。通過對比，我們選擇ZigBee協議作為本系統的網絡傳輸協議。

表1 ZigBee與藍牙、Wi-Fi的對比

ZigBee （IEEE802.15.4）技術是一種短距離無線通訊技術，在2.4 GHz波段工作。ZigBee協議的網絡拓撲圖，見圖4。其巨大的網絡容量允許其與254個節點聯網，適用于工業監控、傳感器網絡、安全系統的無線傳輸工作等。此外，ZigBee技術功耗較低，限制了其較低的極限數據吞吐量。但該技術具有功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、可靠、安全等特點非常適合用作本系統的無線傳輸方式[17-18]。

圖4 ZigBee協議的網絡拓撲圖

3 系統程序設計

3.1 監測電路下位機程序

滴速檢測采用定時器捕獲的方式，當有液滴時，定時器捕獲事件，中斷服務函數中變量dn加一。當定時器A到10 s時，dn的值即為10 s內滴下的液滴數，乘以6后即可得1 min的液滴數。監測電路下位機程序框圖，見圖5。

圖 5監測電路下位機程序框圖

3.2 滴速控制程序

當得到滴速以后，將實際滴速與設定的滴速進行比較，如果實際滴速過快，則PWM信號占空比減小，舵機反轉一個單位，擠壓輸液管使得滴速下降。反之如果滴速過慢，則PWM信號占空比增大，舵機正轉一個單位，輸液管恢復滴速上升。如果等于設定滴速，則舵機角度不動。滴數控制程序框圖，見圖6。

圖6 滴數控制程序框圖

3.3 加溫程序

系統采用5 s取一次（環境）溫度t1的工作方式，測溫器件采用DS18B20數字溫度傳感器，該傳感器體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高[19]。實際溫度的取得采用曲線擬合的方式，通過的大量實驗，取得可加熱到的最大溫度t：

t=6.1163×t1-0.0187×disu-0.3125×t12+0.0051×t13-0.0001×disu2

橘紅過得好嗎？一個夫離子散的婦人，一個孤獨的婦人，一個受盡欺負和侮辱的婦人，她能過得好嗎？他仿佛看到了一張蒼白的臉，臉上的縐紋就像干涸了的稻田，到處布滿溝溝叉叉；一身骯臟的衣服，縐縐巴巴，散滿了星星點點的痕跡，弓腰駝背，仿佛無力再承受生活之重。

式中“disu”代表即代表滴速。如果t小于設置溫度，說明沒有達到要求溫度，加熱器工作。當t大于設置溫度，加熱器關斷。加溫程序框圖，見圖7，其中LPM0表示MSP430的低功耗模式0，即low power mode 0。

3.4 數據傳輸程序

上位機程序通過java代碼編寫，通過awt（是Java平臺獨立的窗口系統，圖形和用戶界面器件工具包）和swing（是對awt的改良和擴展）包實現本次程序的用戶界面設計。主界面為監控界面，提供實時的數據解析和更新，還提供了幫助界面和設置界面，設置界面用于設置端口屬性。

圖7 加溫程序框圖

上位機程序通過usb連接Zigbee模塊，與下位機取得聯系，接受下位機傳過來的數據，并將其展示到上位機程序主界面上。其中串口監聽事件默認監聽4端口。端口設置為波特率為9600，停止位為1，無校驗位，數據位為8位。數據傳輸程序框圖，見圖8。

圖8 數據傳輸程序

4 實驗測試與結果討論

測試項目主要有滴數檢測測試、剩余時間估算測試、輸液溫度測試等。試驗測試均選用生理鹽水進行。

4.1 滴速檢測測試

分別采用臨床上常用3種輸液速度，20、50、80滴/分鐘。開始輸液后，隨機選取任意一分鐘進行滴數計數，每個速度觀察5次。用實際觀察到每分鐘滴數與設置滴數作比較。輸液速度測試結果，見表2。

表2 滴速測試統計表（滴/分鐘）

4.2 剩余時間估算測試

基于輸液總量的設定和液滴速度的監測，本系統還可以實現剩余輸液時間估算功能。計算方基于液滴與液量的換算關系，即輸液器自身參數15滴為1 mL。設置好輸液容量后，開始輸液，設置速度為50滴/分鐘，輸液總量分別設定為100、200、300 mL。輸液開始5 min（系統的各項指標趨于穩定）后，分別選擇觀察系統顯示的輸液剩余時間t1，同時記錄實際輸液完成的時間t2。將t1與t2對比，可得到剩余時間估算的準確度。測試結果，見表3。

表3 剩余時間估算統計表

4.3 輸液溫度測試

選擇在兩種不同室溫下分別進行輸液溫度測試。設定的加熱溫度都為38℃攝氏度，測試兩種情況下加溫后的溫度。測試結果，見表4。

表4 溫度測試統計表（℃）

4.4 結果討論

通過以上測試表明，該系統在滴速監測，剩余時間估算，輸液溫度控制方面都有很好的準確性和可靠性。

5 結語

在進行了臨床調查和當前市場產品現狀分析后，結合當前嵌入式和計算機技術發展狀況，設計研制出本套系統。該系統基于滴速的監測實現輸液速度控制、報警、剩余輸液時間估算、輸液加溫和數據上傳等功能，經過測試，功能較完善，各項參數較為準確，可靠性高。適合在各類醫院廣泛推廣使用。使用該系統可以減輕醫護人員工作負擔，增加病人的舒適度，提高護理質量。接下來有待在加熱方式、加熱程序、溫度監控方面做進一步優化和完善。另外將來還可以設計手機端軟件程序，實現遠程手機端監控。

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