一種輸液器自動報警及關(guān)斷裝置的設(shè)計

苗玉剛，文家雄

一種輸液器自動報警及關(guān)斷裝置的設(shè)計

苗玉剛，文家雄

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能控制學(xué)院，四川 廣元 628040）

針對目前輸液報警器液位檢測不準(zhǔn)確、不具備自動關(guān)斷功能等問題，利用集成創(chuàng)新思想，設(shè)計了一種輸液器自動報警及關(guān)斷裝置。其本體結(jié)構(gòu)主要包括夾持模塊、檢測模塊、關(guān)斷模塊等，控制系統(tǒng)主要有MCU單元、電源模塊、液位傳感器檢測單元、電磁鐵線圈控制電路，軟件設(shè)計主要有主程序、中斷程序和子程序。該裝置以MCU為控制系統(tǒng)核心，采用非接觸式柔性平面電容液位傳感器檢測藥液，使用方形電磁鐵實現(xiàn)自動關(guān)斷輸液，應(yīng)用可充電鋰電池進行供電，具有檢測準(zhǔn)確、止液可靠、聲光報警、使用方便等優(yōu)點，可以提高輸液的安全性。

輸液器；聲光報警；液位檢測；自動關(guān)斷

市面上常用的輸液裝置有一次性重力輸液器、輸液泵、加壓輸血輸液裝置和便攜移動式輸血輸液裝置，其中一次性重力輸液器因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，在臨床上應(yīng)用最為廣泛[1]。靜脈輸液通常持續(xù)時間較長，需要患者、家屬或醫(yī)護人員隨時觀察輸液狀態(tài)。當(dāng)輸液完成時，如果未能及時更換輸液瓶或拔針，會出現(xiàn)回血現(xiàn)象。回血后再輸液需進一步排氣，有時還會出現(xiàn)針頭堵塞，需再次穿刺，增加了護理工作量及患者的痛苦。嚴(yán)重時會造成氣體血栓，危及患者生命[2]。隨著醫(yī)療條件的進步，出現(xiàn)了輸液報警器自動監(jiān)測輸液狀況，當(dāng)藥液輸完后發(fā)出報警，提醒換液或者拔針，但它們不具備自動關(guān)斷功能，若醫(yī)護人員沒有及時處理，依然會引起回血、排氣、重新穿刺等不良后果[3]。

國內(nèi)外常用的輸液器自動報警裝置根據(jù)檢測原理主要分為光電式、稱重式、光纖式、超聲波式以及電容式等[4]。其中光電式采用紅外對射傳感器檢測，發(fā)射管和接收管安裝在輸液軟管的兩側(cè)，操作簡單，但容易受自然光線干擾，對透明藥液檢測不靈敏。稱重式利用胡克定律或壓力傳感器對輸液瓶稱重，在輸液完成時觸發(fā)報警，由于輸液瓶重量和藥液比重不統(tǒng)一，每次更換輸液瓶都需要重新調(diào)整和固定，操作繁瑣，適用性差。光纖和超聲波式利用光的反射或折射檢測藥液是否輸完，但易受支架晃動和光線變化等外界環(huán)境的影響，抗干擾能力弱，應(yīng)用不便。傳統(tǒng)的電容式將輸液軟管固定在電容器的兩極板之間，利用電容量的改變觸發(fā)蜂鳴器報警，檢測方式簡單，適應(yīng)性強，但體積較大，安裝不方便[5]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了具有自動止液和自動關(guān)斷功能的輸液器。自動止液輸液器利用藥液的浮力作用使浮標(biāo)堵塞輸液管實現(xiàn)自動止液，如果藥液中有顆粒、雜質(zhì)，不能保證百分百完成止液動作，安全性不高[6]。輸液器自動關(guān)斷裝置主要是利用電機、推拉式電磁桿、絲桿滑臺、氣動等機械原理實現(xiàn)輸液軟管夾緊，從而實現(xiàn)止液，但這些關(guān)斷裝置大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，止液效果不佳，一個裝置只能關(guān)斷一個輸液器，應(yīng)用成本高，工作效率低[7-8]。

針對上述問題，在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、低碳環(huán)保的輸液器自動報警及關(guān)斷裝置。該裝置應(yīng)用到普通的一次性輸液器上，使其有了自動報警和關(guān)斷功能，從而提高靜脈輸液的安全性，減輕醫(yī)護人員的勞動強度。

1 輸液器自動報警及關(guān)斷裝置的設(shè)計

1.1 方案

裝置整體方案如圖1所示，主要包括輸液桿、輸液瓶、輸液軟管和自動報警及關(guān)斷裝置。報警及關(guān)斷裝置本體通過阻尼伸縮桿和蟹鉗夾夾持固定在輸液桿的合適位置上。蟹鉗夾可以調(diào)節(jié)開口大小，以適應(yīng)不同尺寸的的輸液桿；阻尼伸縮桿可以調(diào)節(jié)輸液軟管和輸液桿之間的距離，以適應(yīng)不同患者的輸液。

圖1 輸液器自動報警及關(guān)斷裝置整體設(shè)計方案

當(dāng)輸液軟管內(nèi)的液面低于液位傳感器的標(biāo)定位置，即藥液即將輸完，液位傳感器將檢測信號發(fā)送到MCU（Microcontroller Unit，微控制器），MCU控制電磁鐵線圈得電，電磁力吸附銜鐵拉動關(guān)斷壓板擠壓輸液軟管，阻止藥液繼續(xù)向下流動。同時，MCU控制指示燈閃爍、蜂鳴器報警，提醒醫(yī)護人員換液或者拔針，從而達(dá)到輸液器自動報警及關(guān)斷的效果。

該裝置可同時和兩個輸液器配合使用，兩個輸液器工作時相互獨立，且不受輸液瓶形狀和液體顏色影響，通用性強。當(dāng)輸液場地沒輸液桿時，也可懸掛在吊桿上使用，靈活方便。

1.2 結(jié)構(gòu)

輸液器自動報警及關(guān)斷裝置的本體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括夾持模塊、檢測模塊、關(guān)斷模塊和其他模塊等。

1.鋰電池；2.Type-C充電接口；3.U型底座；4.蜂鳴器；5.前端蓋；6.電源開關(guān)；7.上端蓋；8.U型外罩；9.外罩連接板；10.LED指示燈；11.開始和復(fù)位按鍵；12.M2螺釘；13.控制盒；14.M3螺釘；15.U型支架；16.導(dǎo)桿；17.緩沖柱；18.方形電磁鐵；19.銜鐵；20.U型管夾固定支架；21.彈簧；22.關(guān)斷壓板；23.電容式液位傳感器；24.U型管夾。

1.2.1 夾持模塊

夾持模塊主要由一對U型管夾組成，用于將輸液軟管固定在本體的合適位置上，以便關(guān)斷壓板擠壓輸液軟管進行止液。與輸液軟管配合使用時，每根輸液軟管分別按壓于U型管夾的U形槽內(nèi)，U形槽開口略小于輸液軟管直徑，以便將輸液軟管固定住，U形槽底部為圓柱形弧面，弧面直徑略大于輸液軟管直徑，以保證輸液軟管不會被擠壓變形、藥液能正常流通。

1.2.2 檢測模塊

隨著邊緣電場理論的不斷發(fā)展與完善，基于該理論設(shè)計的平面電容傳感器得到了快速發(fā)展。平面電容傳感器是將平行板電容器兩極板平行展開在同一平面，給驅(qū)動電極施加激勵信號，驅(qū)動電極和感應(yīng)電極之間產(chǎn)生邊緣電場，電場線從驅(qū)動電極指向感應(yīng)電極，穿透被測物體，并在兩電極之間產(chǎn)生電容[9]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在沒有液體接近極板時，極板對地存在一定的靜態(tài)電容；當(dāng)液體靠近極板時，在電場能量的作用下，感應(yīng)極板與待測液體之間產(chǎn)生寄生電容，寄生電容耦合到靜態(tài)電容上，使電極之間的電容值變大。通過檢測芯片將電容的變化量轉(zhuǎn)換成電信號的變化量，再通過算法判斷信號變化量的大小，當(dāng)變化量超過一定的閾值，就認(rèn)為液位到達(dá)感應(yīng)點，即液位高度通過電容的變化量展示出來[10-11]。

圖3 平面電容器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 關(guān)斷模塊

關(guān)斷模塊主要包括電磁鐵、銜鐵、復(fù)位彈簧、關(guān)斷壓板、導(dǎo)桿、緩沖柱等。當(dāng)檢測模塊檢測到輸液完成時，給MCU發(fā)送信號，MCU經(jīng)過算法處理控制電磁鐵線圈得電，銜鐵吸合拉動關(guān)斷壓板夾緊輸液軟管，阻止藥液繼續(xù)流動。當(dāng)按下復(fù)位按鈕后，電磁鐵線圈斷電，銜鐵在彈簧的作用下復(fù)位，關(guān)斷壓板松開輸液軟管，此時可以繼續(xù)輸液或者取走輸液器。其中，導(dǎo)桿的作用是保證關(guān)斷壓板直線動作和均勻地施加壓力，緩沖柱是為了降低關(guān)斷壓板復(fù)位時的震動和沖擊。

輸液完畢時，如果采用外部擠壓的方式關(guān)斷輸液器，必須克服藥液的壓強和軟管本身的彈性，才能將輸液軟管壓扁阻斷藥液流動。因此，必須選擇合適的電磁鐵，以保證關(guān)斷壓力適中、止液效果可靠。本文選擇的電磁鐵型號為KK-P30/20/10，其采用優(yōu)質(zhì)的紫銅線圈，具有良好的穩(wěn)定性和耐熱性，斷電表面無剩磁，防護等級達(dá)到IP68，經(jīng)測試滿足設(shè)計要求。

1.2.4 其他模塊

其他模塊主要包括聲光報警模塊、按鍵模塊、電源模塊等。聲光報警模塊包括指示燈、蜂鳴器。正常輸液LED指示燈常亮，輸液完成時LED指示燈閃爍，蜂鳴器發(fā)出滴滴報警聲，提醒家屬或醫(yī)護人員。按鍵模塊包括電源按鍵和復(fù)位按鍵，電源按鍵用于整個系統(tǒng)的上電和斷電，復(fù)位按鍵用于輸液完成后關(guān)斷壓板、指示燈和蜂鳴器的復(fù)位。電源模塊包括鋰電池、Type-C充電接口、硬件電路等。鋰電池通過硬件電路為MCU、液位傳感器、電磁鐵線圈等供電，當(dāng)電池電量較低時，可以通過Type-C接口快速充電。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

輸液器自動報警及關(guān)斷裝置控制系統(tǒng)主要包括MCU單元、電源模塊、液位傳感器檢測單元、電磁鐵線圈控制電路，外圍器件包括按鍵、聲光報警模塊和USB下載電路等，如圖4所示。

2.1 MCU單元

MCU單元是整個控制系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理和控制任務(wù)。其主要功能是采集液位傳感器的信號，對信號進行分析與處理，然后給電磁鐵線圈控制電路和聲光報警模塊電路發(fā)送控制命令。選用AT89S51單片機作為MCU單元核心，它通過外接A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路及運放芯片實現(xiàn)對傳感器信息的采集，工控能力強大，價格低廉，編程高效[12]。

2.2 電源模塊

電源模塊的設(shè)計主要考慮系統(tǒng)對電源特性的要求，包括電壓等級、供電方式、電流大小、應(yīng)用場景、電源的電氣性能及質(zhì)量等方面[13]。整個系統(tǒng)采用12 V電池供電，而MCU單元、液位傳感器采用5 V電源供電，所以需要通過電源轉(zhuǎn)換芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，本系統(tǒng)選用PW2163電源轉(zhuǎn)換芯片，它是一種高效的500 kHz同步降壓DC－DC轉(zhuǎn)換器，可以提供3A的輸出電流以及編程可調(diào)的輸出電壓，滿足系統(tǒng)供電要求。電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

電壓轉(zhuǎn)換計算為：

整個裝置靠12 V的電池供電。工作過程中，如果電池電量耗盡，系統(tǒng)將無法正常運行。為此設(shè)計了低電量檢測預(yù)警電路，如圖6所示。電量檢測采用LTC2943芯片，該芯片可測量3.6～20 V的多個單體鋰電池，內(nèi)部具有14位的ADC（Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器），能精確測量電池的電壓、電流和累積的放電電量，采集精度達(dá)1%[14]。MCU單元通過I2C（Inter-Integrated Circuit，內(nèi)置集成電路）總線通信接口對LTC2943芯片相應(yīng)寄存器進行讀取和寫入，完成電池電量監(jiān)測和報警功能。

圖6 鋰電池電量檢測電路

2.3 液位傳感器檢測單元

傳感器檢測單元采用ZCT-YOF07型非接觸式柔性平面電容液位傳感器，該產(chǎn)品使用高速信號處理芯片，對檢測液體的介質(zhì)和容器的材質(zhì)無特殊要求，采用柔性基材封裝，抗干擾能力強、靈敏度高、安裝簡單方便，其接線如圖7所示。當(dāng)傳感器檢測到液體時，輸出低電平信號；當(dāng)檢測到無液體時，輸出高電平信號，MCU依據(jù)輸入的不同信號控制報警電路和線圈電路進行工作。

2.4 電磁鐵線圈控制電路

電磁鐵線圈控制電路由光電耦合器、三極管、二極管、電阻、電容等組成，如圖8所示。當(dāng)液體輸完時，MCU送一個低電平信號導(dǎo)通光電耦合器，然后光電耦合器驅(qū)動三極管導(dǎo)致電磁鐵線圈得電使銜鐵吸合。同理，當(dāng)復(fù)位時，送高電平信號使銜鐵復(fù)位。電路中續(xù)流二極管的作用是防止線圈失電瞬間產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動勢擊穿三極管，電容的作用是防止單片機在上電的初始化過程中使電磁鐵線圈誤動作。

VCC為電源電壓。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過Keil μVision5編寫軟件程序，實現(xiàn)輸液器自動報警及關(guān)斷裝置的各項功能。軟件設(shè)計主要由主程序、中斷程序和子程序組成。主程序是整個軟件系統(tǒng)的入口，其流程如圖9所示。在系統(tǒng)開始前首先進行參數(shù)初始化，然后進行電量檢測，如果電量低于10%，綠色LED閃爍、蜂鳴器長響，提醒更換電池；電量高于10%，則進行液位信號檢測。液體流動正常時，綠色LED常亮，液體流動異常時，紅色LED常亮，系統(tǒng)循環(huán)檢測液位信號。當(dāng)輸液即將完成時，MCU對接收的液位傳感器信號進行運算處理，將計算出的值與標(biāo)定好的閾值相比較，如果低于閾值則沒有液體流動，持續(xù)5 s沒有液體流動則認(rèn)為輸液結(jié)束，發(fā)出聲光報警，同時夾緊模塊關(guān)斷輸液管。按下復(fù)位按鍵系統(tǒng)復(fù)位，若輸液結(jié)束，拔針后按下電源鍵系統(tǒng)關(guān)閉；若繼續(xù)輸液，更換藥液后按下開始鍵，系統(tǒng)循環(huán)運行。

圖9 軟件系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

設(shè)計了一種基于MCU的輸液器自動報警及關(guān)斷裝置，有效解決了市面上輸液報警器液位檢測不準(zhǔn)確、輸液完成不能自動關(guān)斷止液等問題。采用的柔性電容式傳感器配合軟硬件能夠?qū)崿F(xiàn)精確、穩(wěn)定及靈敏的液位檢測，不僅可以用于靜脈輸液液位檢測，也可以用于血液透析機中靜脈壺液位檢測等，應(yīng)用范圍可以進一步拓展。具備的自動止液及報警功能能夠克服換液或拔針不及時帶來的不良影響，減輕醫(yī)護人員和患者的心里負(fù)擔(dān)，既保證了輸液的安全性、準(zhǔn)確性，又提升了臨床治療的現(xiàn)代化管理水平。另外，該裝置許多方面有待進一步優(yōu)化和完善，比如可集成無線通訊模塊，將輸液信息、設(shè)備狀況等信息同步至護士站顯示終端和病人家屬手機上，后續(xù)將在網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面加強研究。

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Design of an Automatic Alarm and Shutoff Device for Infusion Set

MIAO Yugang，WEN Jiaxiong

( Academy of Intelligent Control, Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628040,China )

Aiming at the problems of inaccurate liquid level detection and the lack of automatic shutoff function of the current infusion alarm, an automatic alarm and shutoff device of infusion set is designed with an innovative concept of integration. The main structure includes the clamping module, the detection module, the shutdown module, etc. The control system mainly includes the MCU unit, the power module, the liquid level sensor detection unit, the electromagnetic coil control circuit, and the software design mainly consists of the main program, the interrupt program, and the subroutine. The device takes MCU as the core of the control system, uses a non-contact flexible plane capacitance liquid level sensor to detect the drug liquid, utilizes a square electromagnet to automatically shut off the infusion, and applies a rechargeable lithium-ion battery to provide the power. It has the advantages of accurate detection, reliable liquid stop, audible and visual alarm, convenient use, etc., which can improve the safety of the infusion.

infusion set；audible and visual alarm；liquid level detection；automatic shutoff

R318.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.009

1006-0316 (2023) 10-0049-06

2022-09-27

2021年AI科技平臺項目——輸液器自動關(guān)斷裝置研究與應(yīng)用（2021KB01）；2021年廣元市科技局項目——基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的自動化設(shè)備控制技術(shù)應(yīng)用研究（21ZDYF0038）

苗玉剛（1987－），男，安徽太和人，碩士研究生，講師，工程師，主要研究方向為機電一體化技術(shù)，E-mail：yugangm@qq.com；文家雄（1956－），男，四川南充人，教授級高級工程師，主要研究方向為電子信息技術(shù)。