靜脈輸液流速監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

李宗為，張祥忠

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中一種重要治療手段，它不僅作為一種給藥途徑，也是為患者提供體液和營(yíng)養(yǎng)的直接方式。在很長(zhǎng)的時(shí)間里，靜脈輸液一直沿用人工管理的辦法[1]，這樣不僅會(huì)加重醫(yī)護(hù)人員的任務(wù)，更有可能因?yàn)槿藛T疏忽或輸液管阻塞等問題導(dǎo)致患者出現(xiàn)危險(xiǎn)。目前在相關(guān)方面已有的一些研究存在弊端，如參考文獻(xiàn)[2～4]中提出的靜脈注射網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法，其局限性在于裝置只能進(jìn)行本地監(jiān)控或主控機(jī)與控制器之間采取有線連接，在靈活性、擴(kuò)展性等方面存在缺陷；參考文獻(xiàn)[5～7]雖提出了動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的概念，但是在導(dǎo)管輸液控制方面存有不足。本設(shè)計(jì)提出的一種靜脈輸液滴速監(jiān)控裝置[8]，填補(bǔ)了上述不足之處，提高了工作效率和安全保障程度。

1 總體設(shè)計(jì)

靜脈輸液流速監(jiān)控裝置由主站與從站構(gòu)成，主站置于醫(yī)護(hù)人員工作室，從站置于病房當(dāng)中，相互之間使用無線通信，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主從站無線通信、滴速監(jiān)控、空瓶報(bào)警、輸液管閉路等功能，從站對(duì)液體滴速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將結(jié)果無線傳輸?shù)街髡撅@示，主站可通過鍵盤輸入數(shù)值反饋到從站，控制從站伺服電機(jī)傾角進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液滴調(diào)速。當(dāng)從站監(jiān)測(cè)到液面低于警戒時(shí)，會(huì)向主站發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并且若在規(guī)定的中斷時(shí)間內(nèi)未得到答復(fù)，將控制伺服電機(jī)對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行閉路操作以防止血液回流，等待醫(yī)護(hù)人員清除警報(bào)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，要求具備如下性能：

1）能對(duì)液滴進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速，并通過矩陣鍵盤的輸入對(duì)滴速進(jìn)行設(shè)定；

2）對(duì)滴瓶?jī)?nèi)的液位高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警的液面時(shí)，從站能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主機(jī)能無線接收到報(bào)警信號(hào)，并能通過主站鍵盤輸入信號(hào)清除警報(bào)信息；

3）當(dāng)報(bào)警信息經(jīng)過預(yù)定延時(shí)后未被清除時(shí)，從站能自動(dòng)對(duì)滴管進(jìn)行閉路操作，避免血液回流。

主站和從站的軟件流程圖如圖2及圖3所示。

圖2 主站程序流程圖

圖3 從站程序流程圖

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 從站滴速及液位監(jiān)測(cè)

對(duì)滴速和液位的監(jiān)測(cè)，理論上可選用電容式傳感器[9]、紅外傳感器及光敏傳感器等電路，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電容式傳感器雖然具有靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是該電路的安裝及測(cè)量較為困難；采用脈沖調(diào)制的紅外傳感器線性度好、抗干擾能力強(qiáng)，但卻易出現(xiàn)波形采集遺漏的情況；綜合考慮靈敏度、穩(wěn)定性及實(shí)用程度，選用光敏傳感電路，由高亮發(fā)光二極管與光敏三極管組成，經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明效果較好。方案示意圖如圖4所示。

圖4 滴速及液位監(jiān)測(cè)方式示意圖

2.2.2 滴速控制方法

在滴斗上方的輸液管安裝伺服電機(jī)控制模塊，在電機(jī)上裝有橢球形控制器，用以對(duì)輸液管的流量進(jìn)行調(diào)整。對(duì)伺服電機(jī)輸入控制脈沖信號(hào)，電機(jī)會(huì)將此信號(hào)與本身發(fā)出的負(fù)向脈沖信號(hào)比對(duì)，得出的差值脈沖經(jīng)放大成為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其正負(fù)決定了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。實(shí)測(cè)滴速與設(shè)定值比較，使用PID算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直至比較差值為零。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的輸入信號(hào)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置、轉(zhuǎn)速及力矩等的對(duì)應(yīng)關(guān)系精確控制橢球傾角。滴速控制原理圖如圖5所示。

圖5 滴速控制原理圖

2.2.3 主從站之間的通信

主站與從站之間的通信選用無線方式，避免有線布線造成的擴(kuò)展性、靈活性差，線纜布置連接麻煩且易腐蝕老化等問題。使用無線通信模塊完成主從站的數(shù)據(jù)發(fā)送與接受，對(duì)于距離過長(zhǎng)的情況可考慮使用中繼器。這種通信方式使裝置的應(yīng)用具有很大的便利性，而且從站的分布可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

3 電源模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體采用5V電源供電，使用7805芯片穩(wěn)壓?？紤]整流管及7805芯片允許的最小壓降和電網(wǎng)10%的波動(dòng)，對(duì)濾波電容的選擇以如下計(jì)算方式：

故選擇C1=4700μF，關(guān)閉電源產(chǎn)生的沖擊電流由D2放出。電源電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路

4 測(cè)速與液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)

4.1 滴速脈沖監(jiān)測(cè)電路

光敏三極管采集得到的電壓信號(hào)，送入第一級(jí)運(yùn)算放大器中與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。由于光線瞬時(shí)反射、折射方向小范圍變化，實(shí)驗(yàn)中采集到的波形有兩個(gè)較大的峰值和少量的雜波，可以通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓去除雜波，通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)能浖訒r(shí)去除第二個(gè)峰值。脈沖監(jiān)測(cè)電路和光敏器件采集的波形圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 脈沖監(jiān)測(cè)電路

圖8 傳感電路輸出波形

4.2 從站液晶顯示及鍵控電路

LCD1602是可以顯示兩行，每行16個(gè)字符的液晶模塊。該裝置中，LCD第一行用于顯示從站編號(hào)及與主站連接情況，第二行顯示當(dāng)前操作。鍵控電路用于對(duì)從站的手動(dòng)設(shè)置，J1、J2、J3、J4分別表示設(shè)置、加計(jì)數(shù)、減計(jì)數(shù)、確定，步進(jìn)為4，在警報(bào)發(fā)生時(shí)可通過J4鍵清除警報(bào)信息。

圖9 從站顯示及鍵控電路

5 系統(tǒng)測(cè)試

在主站打開可視化窗口應(yīng)用程序，主站與各從站建立連接后，可以看到床位顯示、液面實(shí)時(shí)高度及滴速等信息。主站向從站發(fā)送命令，從站能夠正常接收并作出相應(yīng)調(diào)整。從站切換為手動(dòng)控制并更改滴速時(shí)，主站能接收到更改信息并發(fā)出警報(bào)，可以手動(dòng)清除。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，主站或從站任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)發(fā)出警報(bào)，若主站在預(yù)定時(shí)間內(nèi)不予回應(yīng)，從站能夠自動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)對(duì)輸液管進(jìn)行閉路操作。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，使用ATmega16單片機(jī)作為主控單元，主站與從站之間以無線方式通信，對(duì)液面高度、滴速進(jìn)行監(jiān)視并通過伺服電機(jī)控制滴速。經(jīng)過仿真與測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠較好地完成預(yù)期的功能，系統(tǒng)具備較高的靈敏度和可靠程度，能滿足臨床輸液監(jiān)控的需要，提高了人員工作效率。

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