基于STM32 的醫療靜脈滴注數字監控系統＊

玉林師范學院物理與電信工程學院 黎冬梅 張遷偉 楊智雅 羅玉平 蒙健容

本文設計了一種醫療靜脈滴注數字監控系統。在保證輸液安全和有效的情況下，實現自動檢測滴液是否完成，回血檢測和控制輸液停止和加熱以及異常情況下播報患者所在的房間和床位以及聲光報警等功能。區別于普通的智能輸液監測系統，本文設計的系統具有語音播報功能，即可實現醫護人員無須值守及有效合理安排醫護人員和患者的功能需求。同時，運用當前互聯網和傳感器技術對輸液裝置進行了改良設計，從而具備降低患者的擔憂程度以及降低了醫護人員工作強度的優點。

靜脈輸液是臨床醫學中常用的輔助醫療手段[1]。醫院在對患者實行靜脈輸液過程中，普遍采用人工監測的方式。比如，醫護人員未能及時換藥和起針，將會出現形成空氣栓塞、凝血堵針頭等異常情況，輕則影響患者的治療進度，重則發生嚴重醫療事故[1-3]。

目前臨床上使用的國內外生產的自動輸液器一般只有堵液報警和總量完成報警等功能，不具有集中監控單位輸液量的功能，部分醫院采用以病人求救線作為CAN總線[4]。實現智能輸液監測裝置取得了一定成效，但在緊急情況發生時無法讓醫護人員實現迅速地定位患者的所在位置和作出反應。因此，本文針對以上問題，研究設計了一款智能播報醫療靜脈滴注數字監控系統。通過理論和實踐論證，系統能夠實現輸液回血檢測和輸液停止并聲光報警的功能和精準播報患者所在的病房和床位信息，利用單片機實時檢測輸液情況和LCD 液晶實時顯示，通過5V 繼電器和單片機共同控制輸液加熱的開啟與關閉，通過改變輸液溫度預防靜脈炎[5]。

1 系統組成

1.1 整體系統組成

醫療靜脈滴注數字監控系統是基于STM32F103 單片機設計的，其系統設計主要包含數據實時顯示、聲光報警、手動控制、語音播報、滴注檢測、滴注智能加熱、滴注回血檢測、滴注停止。整體系統組成如圖1 所示。

圖1 整體系統組成Fig.1 Overall system composition

1.2 系統組成說明

聲光報警系統采用語音播報JQ8900—16P 和LED 組成一個聲光報警器。滴注檢測系統采用水位傳感器；滴注智能加熱系統采用DHT11 數字溫度傳感器和加熱片；滴注回血檢測系統采用顏色傳感器組成；滴注停止系統采用滑臺組成，通過步進電機控制。

2 硬件系統設計

2.1 機械結構設計

本設計的機械結構設計部分主要分為三個部分，升降滴注架機構、懸掛監測機構、滴注停止機構。本設計的核心是升降滴注架機構和滴注停止機構。

升降滴注架機構的機械結構設計，包括底座的靜音輪[6]，可將噪聲降至最低。還包括了升降裝置，本文設計中將固定桿升降和傳統的螺旋式升降改為氣動升降桿，因其有升降速率快、空心桿體、自重低、負重大等優點。

滴注夾停機構的機械結構設計，由微型滑臺組件、步進電機組件、定位元件等構成。微型滑臺部件中，滾珠絲桿可把旋轉運動變換成直線運動，使滑板在床體內作縱向運動，因其絲杠傳動，并加上變速箱的作用，可達到快慢的各種運轉轉速變化，被廣泛應用于機械加工行業[7]。

2.2 電路設計

2.2.1 主控模塊

本作品所使用是基于ARM Cortex-M3 核心的32 位微控制器STM32F103ZET6。STM32F103ZET6 具有豐富的片內資源、2KB 的RAM、64KB 的Flash 存儲器，工作頻率經過PLL 倍頻后最高可達到72MHz[8]。該芯片相比于普通芯片，管腳豐富，并且還具有豐富的外設[9]。

2.2.2 電源模塊設計

本作品采用12V 鋰電池作為主供電電源，主電源通過降壓型電源芯片LM2596 固定輸出版本和可調版本，分別給系統中的各模塊供電，保證了各模塊電源的穩定性。

2.2.3 靜脈滴注劑量語音播報系統設計

本作品采用語音播報JQ8900--16P 和揚聲器構成了一個語音播報系統，同時采用語音播報模塊和LED 構成一個聲光報警裝置。STM32F103ZET6 單片機通過串口控制語音播報JQ8900--16P 模塊播報患者所在的房間和床位，能夠減少護士檢查的時間，也更加便捷和高效。

2.2.4 靜脈滴注檢測系統設計

本作品采用DJLK-A6 外貼液位傳感器。醫療靜脈滴注數字監控系統的滴注檢測系統，通過外接DJLK-A6 外貼液位傳感器進行液位測量，傳感器輸出電壓經過放大器放大送入A/D 模數轉換器再傳入單片機。即當靜脈滴注劑量瓶的液位低于某一設定值時，便轉化輸出電信號，打開聲光報警器，來提醒患者、監護人以及護士需要換液或者起針。

2.2.5 數據實時可視化系統設計

本作品采用2.8 寸薄膜晶體管顯示器（TFT-LCD）。醫療靜脈滴注數字監控系統的TFT-LCD 可以實時顯示病人的靜脈滴注狀態和床位信息。

2.2.6 手動控制系統設計

本設計通過使用3×2 矩陣鍵盤接口電路來實現人機交互。3×2 矩陣鍵盤可以實現對智能加熱系統控制、聲光報警裝置控制。矩陣鍵盤電路連接圖如圖2 所示。

圖2 矩陣鍵盤電路連接圖Fig.2 Matrix keyboard circuit connection diagram

2.2.7 靜脈滴注回血檢測系統設計

本設計采用TCS230 顏色傳感器。當有光源照射到TCS230 上時，利用光電二極管控制引腳S2、S3 不同組合，選用不同的濾波器。如圖3 所示為S2、S3 的組合選擇。在血液對光的吸收度研究中發現，血液對綠光的吸收度較高。這些特性使得在回血檢測時，可采用綠色LED 作為光源，在傳感器中選通綠光濾光器，輸出頻率值的變化表征光強的變化[10]。當該系統在工作時，靠近扎針處，若出現回血情況，該系統產生頻率的變化，反饋給單片機內部，單片機發出指令控制相應的系統，迅速夾緊靜脈滴注管，并發出警報信息，提醒醫護人員前來處理。安裝結構圖如圖4 所示。

圖3 S2、S3 的組合選擇Fig.3 Combination selection of S2 and S3

圖4 安裝結構圖Fig.4 Installation structure diagram

2.2.8 靜脈滴注智能加熱系統設計

本設計采用DHT11 數字溫濕度傳感器，可靠性高且穩定性強[11]。利用DHT11 傳感器內NTC 測溫原件采集輸液管內的溫度參數，并能直接將溫度信號轉換成數字信號輸出[12]。DHT11 數字溫濕度傳感器輸出的溫度參數通過單片機實時顯示在TFT-LCD。當溫度顯示過高或過低時，傳送溫度的數值信號到單片機，利用單片機I/O 口輸出PWM 控制繼電器連接加熱片對輸液管進行加熱或斷電，系統溫度上下限也可通過按鍵控制，以達到自己舒適的輸液溫度。

3 軟件設計

軟件的設計主要由初始化模塊和功能模塊組成，初始化模塊是對時鐘、定時、中斷、ADC 的初始化設置。功能模塊包括語音播報控制、靜脈滴注檢測、實時可視化控制、按鍵控制、靜脈滴注回血檢測、靜脈滴注智能加熱控制。主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 成品效果

為對病患輸液治療問題進行改善，本文提出了醫療靜脈滴注數字監控系統。針對該系統的實現，擬設計一個輸液室，設置合適的床位，當某個床位的病人的輸液瓶即將輸完，通過聲光報警系統和語音播報系統進行傳達，在護士站護士可根據語音播報了解哪個床位哪位病人需要換液或者起針，便可去往相關病房床位，進行換液或者起針。

5 結語

基于物聯網應用背景下，醫療靜脈滴注數字監控系統包括語音播報、停止、回血監測、加熱等多功能設置。本產品體積小巧靈活，且無需充電全程無干預，能為病患提供一個安全舒適的治療環境，以低廉的價格、精確的檢測性能滿足各類型醫院的大量使用需求。