一種智能輸液系統的設計與研制

黃熙

福建省腫瘤醫院設備科 （福建福州 350000）

目前，臨床輸液監測主要由陪護人員和護士來執行。在輸液過程中，陪護人員易疲倦疏漏，有時會引發醫療事故。為保證輸液安全，護士需定時巡查，不僅增加了工作量，而且不利于病房的整體管理[1]。為改變現有輸液醫療模式、解決輸液過程中的安全隱患并減輕護士的工作負擔，本研究設計并研制了一種易于操作且安全有效的智能輸液系統。

1 智能輸液系統硬件的設計

本研究設計的智能輸液系統由液滴測量裝置、顯示裝置、單片機系統、滴速控制裝置和報警裝置構成。該系統可實現輸液滴速的實時監測和顯示，能滿足護士端與患者端的無線通信和對患者端的控制；輸液異常時會發出警示，并支持護士端遠程關閉當前的輸液通道。

1.1 液滴測量模塊的設計

液滴監測是本系統的基礎。系統中，將紅外對管置于滴斗的兩端；紅外接收管的電壓脈沖信號經信號處理電路，放大整形成標準晶體管-晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電平信號；采用電壓比較器完成信息處理，輸出對應的高、低電平；單片機依據這些信號，統計液滴相關數據；當監測不到液滴信號時，表示輸液完成。

1.2 滴速控制模塊的設計

該模塊的作用是利用舵機將電脈沖轉化為角位移。在收到脈沖信息后，驅使舵機根據設置的方向轉移某個設置的角度，旋轉以固定的角度逐步進行[2]；系統控制器通過限制脈沖數量來控制角位移數，實現精準定位，且可通過限制脈沖頻率來設置舵機運行的速度與加速度，使舵機正轉或反轉以改變輸液軟管截面積，進而實現調節滴速的目的。

1.3 主從機通信和人機交互部分的設計

人機交互是整個系統數據輸入和信息讀取的關鍵。本系統采用nRF24L01新型單片射頻收發芯片，在程序中通過設置導出功率與通信頻道，實現患者端和護士端之間的數據傳輸[3]；采用12864顯示屏幕顯示輸液狀態的相關數據；當輸液完成時，會觸發蜂鳴器報警，便于護士了解輸液的實時情況。主從機交互通信和人機交互部分的設計見圖1。

圖1 主從機交互通信和人機交互部分的設計

2 智能輸液系統軟件的設計

軟件系統是否正常運行關系著整個系統的穩定性及安全性。主程序通過系統自檢及調用各子程序模塊，實現系統的初始化，隨后執行數據顯示、數據處理、按鍵處理、參數傳遞、產生控制信號等功能[4]。主程序流程見圖2。

圖2 主程序流程

2.1 液滴檢測程序

通過定時器形成固定的脈寬調制（pulse-width modulation，PWM）脈沖，當液滴滴落時，將發生外部中斷，記錄每兩個液滴滴落的時間間隔；滴速檢測主要依據外部中斷來計算，在一定的周期內檢測實際滴落的液滴數。

2.2 滴速控制程序

舵機可快速完成啟動、停止、正轉和反轉的動作，因不存在累積誤差，其運行過程將不隨負載改變而發生變化[5]；通過輸入脈沖數可準確控制舵機的轉動角度，待設定值確定后，通過比較實際值和設定值，單片機將確定舵機進行反轉或正轉，隨后向舵機發送對應的脈沖信號，在舵機轉動的過程中程序會實時查詢滴速，反復判斷當前的滴速是否達到了設計要求。

3 智能輸液系統臨床應用價值和精度的測評

靜脈輸液是臨床上常用的一種給藥治療技術。隨著對危重患者救治水平的逐步提高，臨床上對靜脈輸液的輸液總量、種類、速度精度及均勻性等方面都提出了更高的要求。基于此，本研究對研制的智能輸液系統進行了臨床應用價值和精度的測評。

3.1 系統性能測評

測評依據標準：（1）GB 9706.27-2005/IEC 60601-2-24:1998《醫用電氣設備 第2-24部分：輸液泵和輸液控制器安全專用要求》[6]；（2）JJF 1259-2018《醫用注射泵和輸液泵校準規范》[7]。采用FLUKE IDA4 Plus輸液分析儀和哈娜好輸液器進行流量檢測；在Hydrograph軟件中依次選取流速值為25、50、75、100 ml/h，分別檢測總體誤差百分率、平均流量和瞬時流速。當流速值為50 ml/h時，Hydrograph軟件記錄的檢測曲線見圖3～5。

圖3 總體誤差百分率

圖4 平均流量

圖3～5中，實際測得的累計流量和瞬時流速都在設定值范圍內波動，總體誤差百分率為3.2%，符合相關國家標準中對精度的要求。

3.2 系統穩定性測評

圖5 瞬時流速

穩定性測評包括滴速測控、輸液完成警示、異常狀態警示及無線傳輸等。調整好智能輸液系統和輸液器的位置后，接通電源，即進入輸液過程。當輸液完成或人為關閉滴管夾，滴斗中無液滴滴落時，紅外對管檢測不到信號，終端（患者端）發出了聲光報警，與此同時，護士端12864顯示屏顯示輸液完成信息，并觸發聲光報警。多次試驗表明，患者端和護士端通信良好，滴速顯示同步，系統運行穩定可靠，誤報率為0。該系統能夠實時提醒陪護人員及時服務輸液結束的患者，輸液完成警示見圖6。

圖6 輸液完成警示

4 小結

本研究根據臨床上靜脈輸液存在的實際問題，結合患者和護士的反饋，設計并研制了可實現實時監控的智能輸液系統。該系統可準確地輸入輸液參數，利用紅外對管進行液滴檢測，由顯示器實時顯示輸液流速，輸液完成時可自動報警，經性能測評和風險評估，顯示其性能良好且安全有效，方便護士進行輸液管理，從而提高醫療自動化的整體水平，具有較高的臨床應用價值。