輸液實時監(jiān)護系統(tǒng)實驗設計與實現(xiàn)

唐　璐, 田傳耕, 吳　響, 繆海兵

(1. 徐州醫(yī)學院 醫(yī)學影像學院, 江蘇 徐州　221004；2. 徐州工程學院 信電工程學院, 江蘇 徐州　221018)

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輸液實時監(jiān)護系統(tǒng)實驗設計與實現(xiàn)

唐璐1, 田傳耕2, 吳響1, 繆海兵1

(1. 徐州醫(yī)學院 醫(yī)學影像學院, 江蘇 徐州221004；2. 徐州工程學院 信電工程學院, 江蘇 徐州221018)

為了提高醫(yī)學類院校工科學生科研創(chuàng)新能力,實現(xiàn)醫(yī)學和工學的結合,開發(fā)了一種輸液實時監(jiān)護實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微控制器STC89C52為核心,利用稱重傳感器對輸液瓶及瓶內藥液進行實時重量檢測,采用近距離無線通信技術,實現(xiàn)數(shù)據的轉發(fā)、自動報警、監(jiān)測和顯示。學生自主設計完整的系統(tǒng),提高學生對專業(yè)知識與技能的綜合運用能力、自主學習能力以及工程實踐創(chuàng)新能力。

輸液裝置； 實時監(jiān)護系統(tǒng)； 微控制器； 實踐教學

靜脈輸液是醫(yī)院對患者進行臨床治療的常用手段之一[1-2]。因輸液時間較長,常有患者在輸液過程中熟睡,未及時發(fā)現(xiàn)藥液已輸完[3]。對于病情嚴重、用藥復雜的患者,醫(yī)護人員必須時常觀察輸液狀況,既費精力、效率又不高。

為此,結合臨床醫(yī)學實際進行實驗產品開發(fā),綜合醫(yī)學、物理學、工程學等方面的知識,運用單片機原理[4]、醫(yī)用傳感器[5]、數(shù)字信號處理、無線傳感網技術[6-7]、Delphi軟件開發(fā)[8]、數(shù)據庫原理[9-10]等的相關知識,設計了一種輸液實時監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計實現(xiàn)了課程知識的交叉應用,既體現(xiàn)了專業(yè)特色、貼近實際應用,又具有一定的探索性、綜合性,同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力。

1　實驗設計方案

本系統(tǒng)主要由輸液終端、中繼節(jié)點、網關、監(jiān)護終端等幾部分組成。

1.1輸液終端的開發(fā)設計

在輸液終端的開發(fā)設計中,學生需要運用單片機技術、傳感器技術、數(shù)字信號處理技術,其主要功能有:

(1) 通過稱重傳感器對輸液瓶中藥液重量實時進行信號采集,將采集的信號放大,最后進行A/D轉換,并實時顯示在液晶顯示屏上；

(2) 通過按鍵可以選擇輸液的容量,以適應不同輸液容量需求；

(3) 在輸液過程中,患者如有需要,可自行按住按鍵呼叫醫(yī)護人員；

(4) 輸液中能夠計算出已輸液的百分數(shù)和剩余時間,輸液即將結束時,系統(tǒng)能夠準確識別并報警。

1.2中繼節(jié)點、網關的設計

將輸液終端的信息通過近距離無線多跳轉發(fā)方式發(fā)送給網關。網關收到數(shù)據后通過以太網總線立即將其發(fā)送到監(jiān)護終端。學生需要掌握無線傳感器網絡、Contiki操作系統(tǒng)的相關知識。在實驗中,教師提供通用協(xié)議來配合完成,學生只需要按照提供的通信協(xié)議便可實現(xiàn)中繼節(jié)點、網關的功能。該功能經過適當?shù)淖儞Q和擴展,還可以用于其他課程設計或實驗中。

1.3監(jiān)護終端負責匯聚網關發(fā)送的信息

監(jiān)護終端負責把輸液終端的信息存入數(shù)據庫,并進行實時顯示。監(jiān)護終端上位機人機交互界面采用Delphi開發(fā),使用SQL Server建立數(shù)據庫,進行數(shù)據的添加和刪除。學生需要對Delphi編程語言有深刻的理解才能完成上位機軟件編程?？紤]到學生掌握程度的差異,不固化人機交互界面,開放交互界面全部代碼供學生學習,以便開發(fā)各種人機交互友好界面,提高學生的創(chuàng)造性思維。

2　實驗硬件設計

2.1輸液終端

輸液終端以單片機為核心,包括壓力傳感器、處理模塊(放大、模數(shù)轉換)、液晶顯示模塊、按鍵、聲光報警

器和無線模塊。輸液終端的硬件結構如圖1所示。輸液終端以單片機STC89C52為核心,利用壓力傳感器對輸液瓶及液體進行重量檢測,產生電壓信號并輸入LM324放大器進行放大,輸出的放大信號再送到ADC0804，將模擬信號轉換成數(shù)字信號(A/D轉換)。單片機接收傳來的二進制數(shù)字信號并用液晶1602顯示出來。CC2430完成數(shù)據的采集并利用自身的RF收發(fā)機將數(shù)據發(fā)送出去。

圖1　輸液終端結構圖

圖2　ADC0804連接電路

(2) 液晶顯示模塊?？紤]到輸液液體容量設定值、輸液完成的百分數(shù)及剩余時間等要能夠及時顯示出來,采用了1602液晶作為顯示界面。1602的1、2端為電源,為防止直接加5 V電壓燒壞背光燈,在背光電源正極串連一個10 kΩ的電阻用于限流。液晶3端通過一個10 kΩ電位器接地來調節(jié)液晶顯示對比度。液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據/寫命令選擇端,接單片機的P3.1口。液晶5端為寫狀態(tài),即低電平接地。液晶6端為使能端,接單片機的P3.0口。液晶顯示模塊電路圖如圖3所示。

圖3　液晶顯示模塊電路圖

(3) 無線模塊CC2430。輸液終端的無線模塊采用TI公司的CC2430芯片,完成無線數(shù)據的發(fā)送和接收。CC2430工作電壓在2.0～3.6 V范圍內,一般為3.3 V的電壓,而從單片機傳過來的電源電壓為5 V,不能直接連上CC2430,采用光耦連接。

2.2中繼節(jié)點、網關

中繼節(jié)點和網關節(jié)點負責輸液終端和監(jiān)護終端之間無線數(shù)據轉發(fā)的通信。中繼節(jié)點主要組成部分有無線收發(fā)模塊和電源模塊。中繼節(jié)點的無線收發(fā)模塊也選用TI公司的CC2430?？紤]到醫(yī)院有插座,采用有源供電。

網關主控芯片采用TI的CC2530。該芯片除了具有51內核外,還自帶基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線通信協(xié)議模塊[11],集成度較高且運行穩(wěn)定。網關軟件采用Contiki操作系統(tǒng)并采用配套的6LoWPAN協(xié)議棧[12]。6LoWPAN是一個針對近距離無線通信的輕量級TCP/IP協(xié)議棧,能夠保證服務器和監(jiān)控終端之間數(shù)據的透明傳輸。

3　實驗軟件設計

輸液終端上電后先進行硬件的自檢和初始化,包括按鍵、重量傳感器采集電路、液晶顯示器和無線收發(fā)模塊。若自檢不能通過,將給出對應的提示信息,方便使用和維護。自檢和初始化順利完成后,程序將根據設定值配置該次輸液的藥液容量并計算、顯示輸液的重量值,同時將數(shù)據顯示在1602上。程序將根據當前輸液狀態(tài)或按鍵狀態(tài)進行判斷,確定是否需要報警。當需要報警時啟動報警指示并將警報信息向監(jiān)護終端發(fā)送。輸液終端程序流程如圖4所示。

圖4　輸液終端程序流程圖

輸液時,利用單片機中的定時器/計數(shù)器進行系統(tǒng)計時。單片機內部共有3個16位可選編程的定時器/計數(shù)器,即定時器T0、定時器T1和定時器T2。程序中使用單片機定時器T0的16位計數(shù)模式,實現(xiàn)計時。主要程序如下:

TMOD=0x01; //設置定時器T0,為16位計數(shù)模式

TH0=(65536-45872)/256;//裝初值,50ms一次中斷

TL0=(65536-45872)%256;

EA=1;//開總中斷

ET0=1;//開定時器T0中斷

TR0=1//啟動定時器T0

void T0_time() interrupt 1

{

TH0=(65536-45872)/256;

TL0=(65536-45872)%256;

numt0++;

if(numt0==20)//1s到了

{ numt0=0;

numt++;

if(numt==60){//1min到了

t++;

numt=0;

}}}

其中“t”即是輸液已用的時間,單位為min,將“t”的數(shù)值實時顯示在1602液晶上。

1602液晶控制內部設有一個數(shù)據地址指針,用戶可以通過它訪問內部的全部80 B的RAM。液晶顯示主要考慮:(1)確定是寫數(shù)據還是寫命令:寫命令包括使液晶的光標顯示/不顯示、光標閃爍/不閃爍、需/不需要移屏、在液晶的什么位置顯示等,寫數(shù)據是指顯示什么內容；(2)讀/寫控制端設置為寫模式,即低電平；(3)將數(shù)據或命令送至數(shù)據線上；(4)給一個高脈沖將數(shù)據送入液晶控制器,完成寫操作。主要程序如下:

//對1602液晶顯示的設定

write_com(0x38); //設置16*2顯示,5*7點陣,8位數(shù)據接口

write_com(0x0c); //設置開顯示,不顯示光標

write_com(0x06); //寫一個字符后地址指針加1

write_com(0x01); //顯示清0,數(shù)據指針清0

write_com(0x80); //將數(shù)據指針定位到第一行第一個字處

//寫數(shù)據,進行顯示

for(num=0;num<12;num++)

{

write_data(table1_0[num]);

delay(3);

}

當寫第二行時需要重新定位數(shù)據指針:write_com(0x80+0x40)。

4　實驗實現(xiàn)

輸液終端實物如圖5所示。通過液體容量按鍵1來設定輸液的容量,液晶也顯示相應的設定值。這部分是通過按鍵檢測來實現(xiàn)的。每按一次按鍵,容量值按100 mL、150 mL、200 mL、250 mL、300 mL、350 mL、400 mL、450 mL、500 mL循環(huán)顯示。容量選擇顯示在第一行,液晶顯示器的第二行“092”指的是此時傳感器測得重量值,“097%”指的是輸液完成的百分數(shù),最后一個數(shù)“003min”表示的是此次輸液完成還需要的時間。輸液過程中,如患者出現(xiàn)不適或其他情況,可以及時按下呼叫按鍵“2”呼叫護士,此時蜂鳴器發(fā)聲。當輸液完成時,系統(tǒng)檢測到信號自動發(fā)出報警。

圖5　硬件實物圖

監(jiān)護終端上位機與網關通過串口通信,數(shù)據通過數(shù)據庫SQL Server 2010進行存儲。上位機人機交互界面采用Delphi開發(fā),包括編號(ID號),輸液總量,剩余時間以及工作進度情況,綠色代表正在輸液,紅色代表輸液即將完成,護士可以一目了然地監(jiān)護各輸液過程的狀態(tài),如圖6所示。

5　結語

本實驗將單片機、醫(yī)用傳感器、數(shù)字信號處理、無線傳感網、Delphi軟件開發(fā)等技術知識綜合起來,結合臨床應用,使學生對相關理論知識及工作原理有清晰和較完整的認識,對研制開發(fā)過程有系統(tǒng)的了解和掌握。本實驗有助于激發(fā)學生的潛能及學習興趣,增強自信心和成就感,使學生的實踐能力得到提高。本實驗可安排在大三下學期電子課程設計中,還可通過減小輸液終端的體積、及時使用速度更快的無線收發(fā)模塊、降低無線模塊的功耗完善系統(tǒng),提高系統(tǒng)的易用性等,為本科畢業(yè)設計打下堅實的基礎。

圖6　報警監(jiān)護上位機人機交互界面

References)

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Design and realization of experiments by using transfusion real time monitoring system

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Wu Xiang1, Miao Haibing1

(1. School of Medical Imaging, Xuzhou Medical College, Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

In order to improve the scientific and technological innovation ability of engineering students in medical colleges, a kind of real time monitoring system for transfusion was designed. This system based on microcontroller STC89C52 leverages the gravity sensor to monitor the weight of the transfusion bottle and the rest medicine by short-range wireless communication technology, so as to implement data forwarding, automatic alarm, monitoring and display. Students can independently design and complete the system, improve their comprehensive ability to use professional knowledge and skills, self-learning ability and engineering practical innovation ability.

infusion set; real time monitoring system; microcontroller; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.039

2015- 08- 06

江蘇省科學技術廳產學研聯(lián)合創(chuàng)新基金項目(BY2014033)；徐州市科技計劃項目(KC15SH013)

唐璐(1982—),女,江蘇徐州,碩士,講師,主要從事生物醫(yī)學工程教學科研工作.

E-mail:xztanglu@163.com

TP393

A

1002-4956(2016)3- 0154- 05