基于單片機(jī)的醫(yī)院輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉翠+謝小芳+羅旭+扈應(yīng)

摘要：隨著醫(yī)療科技的發(fā)展，高精度治療手段的需求愈發(fā)凸顯，各式醫(yī)院輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在該文中給出了一種基于單片機(jī)的醫(yī)院輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機(jī)技術(shù)，引入紅外對(duì)管、傳感器、無(wú)線通信設(shè)備和技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)靜脈輸液設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，提高了病患對(duì)藥物的吸收率、減輕了醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)、減少了靜脈輸液期間醫(yī)療事故發(fā)生幾率。相較于其他輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠、成本較低、適應(yīng)臨床需求等優(yōu)勢(shì)，可行性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：靜脈輸液； 單片機(jī)； 輸液監(jiān)控； 滴速監(jiān)控； 溫度監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）28-0237-02

1 概述

靜脈輸液技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床。醫(yī)護(hù)人員需不定時(shí)巡檢以保證輸液過(guò)程正常進(jìn)行，這對(duì)人力、物力資源造成了額外的消耗。基于這一現(xiàn)狀，各式智能化醫(yī)院輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)需而生。目前此類系統(tǒng)多采用光電式或紅外線傳感器檢測(cè)藥液液面[1][2][3][4]，這存在著響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、頻率特性差、受光線影響較大等問(wèn)題。而在本系統(tǒng)中，優(yōu)先采用了液位傳感器檢測(cè)液面，該傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、具有反向保護(hù)及限流保護(hù)功能；另外，還有些系統(tǒng)采用熱敏電阻作為溫度傳感器采集輸液管溫度[5]，此方式只能粗略的檢測(cè)溫度，易受環(huán)境影響，不具備可靠性。而在本系統(tǒng)中，采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，體積小、硬件開(kāi)銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高。因此，本系統(tǒng)是一款操作簡(jiǎn)便、顯示直觀、可集中控制、功能完善的智能型輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由液位監(jiān)測(cè)模塊、滴速檢測(cè)模塊、溫度控制模塊、顯示模塊及無(wú)線傳輸模塊組成，如圖1所示。

液位監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集輸液瓶的液位信息，當(dāng)液位到達(dá)最低警戒線時(shí)，通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒醫(yī)護(hù)人員更換藥液；滴速檢測(cè)模塊可精確測(cè)量液滴滴速；溫度控制模塊可檢測(cè)當(dāng)前藥液溫度，并根據(jù)事先設(shè)定的輸液適合溫度范圍進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示滴速、當(dāng)前溫度及適應(yīng)范圍等數(shù)據(jù)；無(wú)線傳輸模塊利用WiFi數(shù)據(jù)傳輸將滴速、溫度等信息傳至PC端，便于醫(yī)護(hù)人員了解輸液情況[4]。具體流程見(jiàn)圖2。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 液位監(jiān)測(cè)模塊

該模塊選用了智能型非接觸式液位感應(yīng)器（以下簡(jiǎn)稱液位感應(yīng)器），此感應(yīng)器采用了先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)及高速信號(hào)處理芯片[2]，突破了容器壁厚的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)密閉容器內(nèi)液位高度的真正非接觸檢測(cè)。液位傳感器（探頭）安裝于輸液瓶外壁的下方（液位警戒線），當(dāng)液位低于最低警戒線時(shí)，在病人端會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警 （LED燈光閃爍、蜂鳴器響），提醒護(hù)理人員及時(shí)處理[6]。具體原理見(jiàn)圖3。

3.2 滴速檢測(cè)模塊

滴速檢測(cè)模塊通過(guò)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)滴速時(shí)，紅外對(duì)管對(duì)莫非氏滴管內(nèi)液滴進(jìn)行檢測(cè)[2]，紅外發(fā)送管對(duì)光的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)有液滴通過(guò)時(shí)接收管所接收到的紅外線會(huì)發(fā)生明顯變化，放大并進(jìn)行電壓比較后再經(jīng)整形處理，產(chǎn)生一次低電平，在單片機(jī)中設(shè)置下降沿觸發(fā)[7]，單片機(jī)的中斷口啟動(dòng)10秒定時(shí)器計(jì)數(shù)。定時(shí)結(jié)束后通過(guò)采樣滴數(shù)計(jì)算速度（20滴=1mL）。電壓比較器工作電路及紅外對(duì)管電路圖分別如圖4，5，6所示。

圖4中，阻值為1.8K和3.6K的電阻串聯(lián)分壓后得到電壓值U1，紅外接收電路中產(chǎn)生電壓值U2，將U1與U2共同輸入到電壓比較器中，比較后得到的低電平信號(hào)經(jīng)由1引腳輸入到單片機(jī)中。其中接1引腳的電阻（R=10KΩ）為上拉電阻，另兩個(gè)電阻為分壓電阻。

圖5、6中所示電阻均起到限流、保護(hù)電子器件的作用。

3.3 溫度控制模塊

溫度控制模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前藥液溫度，在保證藥性的前提下，適當(dāng)加熱液體使患者感覺(jué)更舒適[8]。用于測(cè)量溫度的傳感器種類眾多，本系統(tǒng)采用體積小、成本較低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的DS18B20溫度傳感器。 DS18B20是一種全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換兼輸出模塊，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

為了使測(cè)量更精確，將傳感器緊貼輸液管管壁，同時(shí)在四周包裹保溫材料。在輸液管末端纏繞電阻絲，通過(guò)對(duì)其施加一定大小的電流達(dá)到加熱目的。當(dāng)液體溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，開(kāi)始加熱電阻絲產(chǎn)生熱量；當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定范圍上限時(shí)，DS18B20檢測(cè)后輸出信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)斷開(kāi)電流，停止加熱，使其達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

3.4 顯示模塊

該模塊主要用于顯示滴速、溫度及設(shè)定溫度正常范圍，便于醫(yī)院人員獲取數(shù)據(jù)。

顯示模塊采用基于ST7920的12864液晶顯示屏。該顯示屏具有輕薄短小、成本較低、低耗電量、無(wú)輻射、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)[9]。對(duì)于字符來(lái)說(shuō)，12864可顯示16×4個(gè)中文字符或32×8個(gè)半寬字符[10]，可滿足系統(tǒng)基本要求。

3.5 無(wú)線傳輸模塊

該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)PC端與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)交流。單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送端無(wú)線傳輸至接收端，在PC機(jī)上進(jìn)行顯示。

無(wú)線通信具有成本低廉、擴(kuò)展性好、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用的ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，具有超小體積的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，是一款專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的模塊，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機(jī)[11]。單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，接收液位感應(yīng)器、紅外對(duì)管及DS18B20溫度傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后分別發(fā)送至12864液晶屏及PC端進(jìn)行顯示。

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

① 接收液位感應(yīng)器發(fā)來(lái)的信號(hào)，并控制聲光報(bào)警裝置開(kāi)關(guān)。

② 利用中斷子程序，計(jì)算10秒內(nèi)外部中斷口輸入的下降沿?cái)?shù)目，并根據(jù)公式計(jì)算得到1分鐘內(nèi)的液滴滴速。endprint

③ 通過(guò)對(duì)比DS18B20檢測(cè)到的實(shí)時(shí)藥液溫度與單片機(jī)的內(nèi)部設(shè)定閾值，來(lái)控制電阻絲是否加熱。

④ 將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至12864液晶屏及PC端進(jìn)行顯示（注意避免沖突）。

⑤ 利用ESP8266實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無(wú)線通訊功能。

5 輸液檢測(cè)測(cè)試

為了檢驗(yàn)輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，我們進(jìn)行了一系列相關(guān)模塊的測(cè)試。滴速測(cè)試時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸液軟管上的流速調(diào)節(jié)器，采集10組數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)人員的目測(cè)計(jì)數(shù)進(jìn)行比較；溫度檢測(cè)時(shí)進(jìn)行了五組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)包括正常范圍內(nèi)外的兩組溫度值，檢驗(yàn)該模塊測(cè)溫及加熱功能。

在具體的性能指標(biāo)測(cè)量中，液位報(bào)警、加熱、顯示功能失誤率為零，滴速檢測(cè)存在3滴/min的誤差，溫度檢測(cè)存在1℃左右的誤差，但該誤差值均在有效范圍內(nèi)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，系統(tǒng)的液位報(bào)警、滴速測(cè)量、溫度控制、數(shù)據(jù)顯示、無(wú)線傳輸?shù)裙δ芑緦?shí)現(xiàn)，對(duì)于靜脈輸液的自動(dòng)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，基本能滿足使用需求。

6 總結(jié)

在本文中，給出了一種基于單片機(jī)的醫(yī)院輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、有利于推廣使用；可實(shí)現(xiàn)輸液的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，既減輕病人家屬及醫(yī)院護(hù)理人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高醫(yī)院輸液系統(tǒng)的安全性、精確性和醫(yī)護(hù)人員工作效率，也提高了醫(yī)院護(hù)理和管理的自動(dòng)化與智能化水平[3]，可廣泛應(yīng)用于社區(qū)醫(yī)療的輸液實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可行性，適用于普通民眾。

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