靜脈輸液報警裝置中液位信號的檢測原理

李文靜 商丘醫(yī)學高等?？茖W校 （商丘 476100）

0.前言

靜脈輸液是常用的醫(yī)療手段，通常藥液余量由患者家屬或護士時時監(jiān)視，以確定輸液是否結(jié)束，耗費了大量的人力、精力；另外，一旦人為疏忽，當藥液輸完時，未及時進行處理，容易造成患者血液回流等意外，嚴重時造成醫(yī)療事故。輸液監(jiān)視報警裝置的開發(fā)和臨床應用，能減輕護理人員的勞動強度，提高患者及家屬的安全感，使輸液安全得到保障[1]。

目前，輸液監(jiān)視報警裝置能實現(xiàn)對藥液液位、滴速、液溫等方面的監(jiān)測、報警、顯示，本文側(cè)重分析液位檢測原理。

1.光電式液位檢測

光電式液位檢測是通過紅外、激光、光纖等 光電檢測器件接收強度有變化的光輻射，將相應光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由輸入、放大、整流、濾波、比較等光電檢測電路提取、控制有用信號，是一種非接觸測量液位的技術(shù)，可實現(xiàn)無污染的靜脈輸液液位檢測。

1.1 紅外傳感器檢測

1.1.1 位置

紅外光電傳感器[2]由紅外發(fā)光二極管和紅外光敏二極管構(gòu)成，將它套在輸液管的茂菲氏滴管的中部外側(cè)。

1.1.2 原理

利用藥液滴對紅外線的“遮擋”紅外接收管的電位變化的原理，檢測是否有液滴經(jīng)過。實驗證實，當無藥液滴下時，接收的紅外光強度較強，輸出電平為高電平；當有藥液滴下時，由于液滴對紅外線的折射、吸收等作用，接收管接收到的紅外光強度減弱，輸出為低電平。在輸液過程中，報警電路根據(jù)液位端口電平的變化就可檢測有無液滴滴落，并通過聲、光信號提醒醫(yī)護人員對病人進行相應處理。

1.2 激光傳感器檢測

圖1.

1.2.1 位置

激光發(fā)射裝置與光敏二極管構(gòu)成液位檢測裝置，置于輸液瓶兩側(cè)[3]。當然也可采用光敏三極管，它比光敏二極管靈敏度高。

1.2.2 原理

由于液體與空氣的折射率不同，使得同一光源的光在有、無液體時產(chǎn)生不同角度的折射[4]，根據(jù)光接收元件接收的光信號的強、弱來判定藥液是否在設定液位之下，若在設定液位處瓶中只有空氣，則進行報警提示。

如圖1，使激光與輸液瓶橫截面平行入射，取某一高度的輸液瓶橫截面進行觀察，當激光射入無液體的輸液瓶液位時，由于激光的直線傳播，接收端的光敏二極管可以接收到強光照信號；當激光射入有液體的液位時，輸液瓶與液體形成了一個凸透鏡，激光發(fā)生折射，光路改變，而使光敏二極管接收到的光照強度大大降低。光電電路會根據(jù)信號的突變情況進行處理，確定瓶內(nèi)液位變化并報警。

1.3 光纖傳感器檢測

1.3.1位置

光纖傳感器放置在圖2所示位置[5]

空氣折射率約為1，若透明藥液折射率為n，θ為液面全反射臨界角，則根據(jù)

光纖傳感器使入射光線在液面處的入射角大于θ，發(fā)生全反射現(xiàn)象。

1.3.2 原理

圖2.

2.電容式液位檢測

2.1 位置

用兩個一定面積的銅片作為電容器的兩極，貼在塑料夾子的內(nèi)側(cè)，制成電容式液位傳感器，輸液時將其夾在想要檢測報警的藥瓶液面的部位[6]。

2.2 原理

實驗證實[7]：兩個銅片間電容與液位成正比，并且當傳感器幾何參數(shù)確定以后，兩銅片電極間單位長度電容量僅取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，因此，檢測瓶內(nèi)藥液的有無，可依據(jù)瓶內(nèi)液面檢測部位的相對介電常數(shù)變化來判斷。

輸液時，藥液液面未下降到傳感器所在檢測部位，電容式傳感器檢測的是藥液的（介電常數(shù)約為80)相對介電常數(shù)；液面降至檢測部位時，傳感器檢測的是藥瓶內(nèi)空氣或真空的（介電常數(shù)約為l）相對介電常數(shù)。傳感器會以兩銅片間的電容變化為依據(jù)[8]，將介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成相應的液位變化信號，并驅(qū)動聲、光報警裝置，提醒護士處理。

3.超聲波傳感器檢測

3.1 位置

超聲波傳感器由發(fā)射傳感器和接收傳感器構(gòu)成，將其放置在輸液瓶底部，如圖3所示。

3.2 原理

利用超聲波進行液位測量時，主要采用脈沖回波法[9]。即當發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，經(jīng)空氣傳播，傳到液面時，超聲波被反射，接收傳感器接收反射波，引起壓電晶片振動，產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)放大、檢波后進入單片機，由單片機測算從發(fā)射到接收超聲波所用時間t ，根據(jù)其傳播速度v，就能得到從傳感器到液面之間的距離S，再根據(jù)傳感器的安裝高度H，就可得出液位高度L。由圖3可知，液位高度L=H-S

圖3. 超聲波檢測液位高度原理圖

4.力學原理檢測

4.1 位置

裝置如圖4所示。

采用純機械裝置[10]，重力作用在滑輪組的大圓上，彈簧作用在滑輪組的小圓上，為減少滑輪轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)軸與固定裝置之間的摩擦力矩對實驗的影響，轉(zhuǎn)軸內(nèi)嵌鋼珠，利用滾動摩擦替代直接將轉(zhuǎn)軸穿孔固定的滑動摩擦。

4.2 原理

圖4.

利用力學原理[11]實現(xiàn)液位檢測。用同軸滑輪組放大輸液系統(tǒng)的重力變化量，并將重力變化量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椈尚巫冮L度的變化量，再次利用滑輪，將彈簧形變長度變化量轉(zhuǎn)變?yōu)榛嗈D(zhuǎn)過的角度，最后，通過測量滑輪轉(zhuǎn)過的角度θ測量輸液瓶內(nèi)液體體積V。

輸液液位可以用液體體積來反映，推理過程如下：

①式中G為液體重量，ρ為液體密度

力矩平衡公式GR=Fr.......②

②式中R、r為大、小滑輪的半徑，F(xiàn)為彈力

由胡克定律知，F(xiàn)=kx.......③

③式中x為彈簧受力伸長量

5.圖像傳感器檢測

5.1 位置

CCD攝像機和輸液瓶平行，光線配置良好，以便采集到的圖像清晰、噪聲少。

5.2 原理

CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，用CCD攝像機采集輸液器液位圖像經(jīng)數(shù)字化，然后利用計算機軟件進行圖像處理和分析，獲得效果好且易于識別的輸液器液位邊緣圖像，利用液位邊緣投影識別法得到精確的液位邊緣信息，最后根據(jù)系統(tǒng)的要求進行無液判別[12]。

6.小結(jié)

從靜脈輸液報警裝置中液位信號檢測原理的分析看，液位的變化可用與之相關(guān)量的變化來反映，即光電式、電容式、超聲、力學、圖像液位檢測方法中，分別用光強度、電容器介電常數(shù)ε、超聲傳感器與液面的距離S、滑輪轉(zhuǎn)過的角度θ、液位邊緣圖像等物理量的變化來反映液位信息，再將信號傳送到后續(xù)報警電路實現(xiàn)自動報警。

目前，學術(shù)研究中已實現(xiàn)對藥液液位、滴速、液溫等的監(jiān)測、報警、顯示，靜脈輸液報警裝置的臨床意義是肯定的，但臨床應用還不普及。因此，還應結(jié)合臨床實際，一方面為保障輸液安全，要能保證可靠報警；另一方面還應具備以下特點：1)外觀小巧，簡單宜學，操作簡便，利于醫(yī)護人員實際工作。2)安裝布線不能太復雜，輸液報警裝置既可單獨使用，也可配合醫(yī)院護理對講分機使用。3）成本不能過高，易于推廣到社區(qū)診所、鄉(xiāng)村醫(yī)院等小型醫(yī)療場所，更貼近實際生活，使更多人受益。

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