無線輸液報警器的設計與研制

嚴一民，郭乃豪，余爾聰，李 盟，王迎初，俞眉孫

靜脈輸液在醫(yī)療中應用廣泛,輸液在接近結(jié)束時,需要醫(yī)護人員及時將針管拔下,但目前沒有一種高效率的系統(tǒng)來解決提示醫(yī)護人員適時操作,由此造成了很多不必要的負擔[1]。

針對上述情況,在已有電子輸液報警器的基礎上設計了一種新型的無線輸液報警裝置,在藥液即將輸完時,能夠在較遠距離準確地呼叫醫(yī)護人員及時更換藥液或終止輸液過程,有效地減少了醫(yī)護人員和患者之間的醫(yī)患糾紛。

1 無線輸液報警器的概況

1.1 基本原理

利用稱重原理對輸液裝置進行監(jiān)測,使用壓力傳感器根據(jù)藥物重量變化來判斷藥液是否已經(jīng)輸完或輸?shù)剿枰毫?若總液量達到報警要求時,報警器通過發(fā)射裝置發(fā)送到醫(yī)護人員攜帶的接收終端,從而報警,提醒醫(yī)護人員前去為該患者處理。

1.2 技術對比

市場上目前存在的輸液監(jiān)測裝置有3種。

1)基于光電原理：在管側(cè)上裝光電檢測裝置,檢測管內(nèi)折射以及液面變化而報警。但是它容易受到干擾而產(chǎn)生錯誤信號[2]。

2)基于稱重原理 (或扣重、測重)：根據(jù)藥物重量變化來判斷藥液輸完與否；但該裝置探測粗放、體積偏大,其準確性、可靠性和適應性不高[3]。

3)基于電容原理：輸液管側(cè)裝置檢測藥液是否輸盡。藥液輸盡時發(fā)出信號,當輸液管中藥液液面流過此區(qū)域時,將因電容器介質(zhì)改變而報警；但抗干擾能力弱,應用較少[4]。

光電與電容原理的報警器都存在需要在輸液管上夾持裝置從而存在檢測過晚的隱患。除此之外,我們觀察到市場上少有無線輸液報警器,且少量帶無線功能報警器也存在成本過高、傳輸距離短、不穩(wěn)定等缺陷。

1.3 PT2262、PT2272無線傳輸模塊

通過對比本文選擇基于稱重原理設計的無線輸液報警器,針對其存在的諸多缺點進行了合理的設計與改進,提高了靈敏度,對裝置外觀的工藝設計使之便于攜帶,并創(chuàng)新性地提出了利用PT2262、PT2272模塊進行無線傳輸,實現(xiàn)了遠程點對點的報警顯示,另增添了報警時輸液者端和護士端均報警的人性化雙向設計。這種設計精簡了電路,無線傳輸?shù)某杀疽脖绕渌Ｒ姷臒o線傳輸裝置更低。電路簡單,成本低廉,便于攜帶。

2 主要模塊與工作原理

2.1 電路結(jié)構(gòu)示意圖

1)發(fā)射端電路圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射端電路

2)接收端電路圖如圖2所示。

圖2 接收端電路

2.2 基本流程圖

裝置系統(tǒng)電路工作流程,如圖3所示。

圖3 裝置系統(tǒng)電路工作流程

2.3 模塊介紹

2.3.1 發(fā)射模塊

1)傳感模塊——壓力傳感器及工作原理。

采用微型電阻橋式稱重傳感器,靈敏度0.7 mV/V±0.1,最大可懸掛重物為750 g(輸液瓶一般最大為500 ml),壓力傳感器內(nèi)部為惠更斯電橋[5],電阻片由于壓力的作用發(fā)生形變,阻值發(fā)生變化,從而產(chǎn)生相應的差動電壓,產(chǎn)生信號輸出。

壓力傳感器內(nèi)部電路與原理圖如圖4所示。

圖4 壓力傳感器工作原理圖

為了減少傳感器自身重量對于產(chǎn)生差動電壓的影響,將傳感器用塑料板固定在外殼上,然后粘貼掛物鉤來掛輸液瓶。

2)量程選擇模塊。

由單刀四置開關對應選擇4個不同阻值的電阻,根據(jù)阻值決定輸入信號被放大的倍數(shù)。所以4個阻值不同的電阻可以實現(xiàn)對信號的控制,此為粗調(diào),對應所裝液體的密度大小,如氯化鈉溶液或蛋白等。在壓力傳感器的負輸出端接有電位器,可以進行細調(diào),對應報警量程,如10 ml或100 ml,或其他量程時報警?？蓾M足在實際情況中各種醫(yī)院環(huán)境。

3)直流電源模塊。

由電池盒實現(xiàn)電流的輸入,電池供電方便,成本低,靈活,更適用于多元化的輸液環(huán)境。

4)運放模塊。

壓力傳感器輸出的差動電壓比較微弱,利用運算放大器,將壓力傳感器產(chǎn)生的信號放大。

5)轉(zhuǎn)換模塊。

利用555定時器實現(xiàn)模擬電路信號到數(shù)字電路信號的轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號輸入,同時作為自動開關控制后續(xù)電路[6]。

2.3.2 無線傳輸模塊

1)PT2262、PT2272元件介紹。

無線輸入在對比市面上常規(guī)方案后,本文采用了PT2262和PT2272-M4(文中PT2272均指PT2272-M4)來實現(xiàn)。PT2262、PT2272具有低功率、低成本,可通用編碼的特點。而且由于PT2262、PT2272可以實現(xiàn)編碼匹配,只要將發(fā)射端的PT2262進行不同編碼,那么在PT2272的接收端,就能識別信號是由具體的哪個發(fā)射端發(fā)出,可以實現(xiàn)一對一、多對一、多對多的不同需求,完全滿足實際生活中的要求。

2)編碼原理及匹配電阻。

表1 管腳介紹[3]

a.編碼原理

PT2262與PT2272的地址碼完全一致匹配后,PT2272就會輸出和PT2262一樣的4位數(shù)據(jù)碼。編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字,解碼芯片PT2272接收到信號后,其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后,VT腳才輸出高電平,與此同時相應的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平,如果發(fā)送端持續(xù)供電使其工作,編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射信號。當17腳為高電平時,電路起振并發(fā)射等幅高頻信號,電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號[7]。

b.匹配電阻

PT2262、PT2272需要搭配對應的振蕩電阻,振蕩電阻不同其對應的振蕩頻率不同。兩者的振蕩電阻阻值要相匹配才能實現(xiàn)無線傳輸。振蕩電阻越大,功率越大,發(fā)碼越慢,其傳輸距離越遠,傳輸信號越可靠。若振蕩電阻不匹配,可能無法正常工作。

現(xiàn)在常見的匹配電阻有 5種：1.2 MΩ/200 kΩ,1.5 MΩ/270 kΩ,2.2 MΩ/390 kΩ,3.3 MΩ/680 kΩ,4.7 MΩ/820 kΩ。 本文無線輸液報警器采用的匹配電阻為4.7 MΩ/820 kΩ,工作頻率為315 MHz。

c.元件優(yōu)點

常規(guī)進行無線傳輸?shù)姆椒ㄓ屑t外、藍牙、短信基站、WiFi等。紅外、藍牙傳輸距離較短有局限性,市面上常見的相關元件一般有效傳輸為10 m,而短信基站和WiFi相對元件電路復雜,又容易受外界信號干擾,不適合在實際醫(yī)院中使用。

PT2262、PT2272成本低、功耗低、外部元件少、電路相對簡單,傳輸信號穩(wěn)定,較適合實際工藝生產(chǎn)與應用。

2.3.3 接收模塊

在發(fā)射端 (輸液患者端)和接收端 (護士端)均連接有放光二極管和蜂鳴器進行報警,并根據(jù)電壓,輸液完成時在兩端均有顯示。

3 主要工作流程及工藝設計

3.1 元件整體外觀構(gòu)圖

1)發(fā)射端與輸液裝置配置如圖5所示。

圖5 輸液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2)接收端信號處理裝置外觀

圖6 用戶終端顯示外觀示意圖

3.2 主要工作流程

根據(jù)輸液需求,選擇對應量程擋的電阻與電位器,在與壓力傳感器相連的裝置上掛上帶有輸液液體的輸液瓶,開啟直流電源供電,壓力傳感器產(chǎn)生差動電壓,輸出差動信號,由運算放大器進行放大[8],再經(jīng)過555定時器,判斷其輸出。若輸出為0則不進行報警；若輸出為1,則連接的蜂鳴器和發(fā)光二極管進行報警[9]。PT2262進行無線信號的發(fā)射,一段距離外的PT2272接收無線信號,對應識別編碼,顯示是哪個發(fā)射端在進行報警。

圖7 輸液裝置報警工作流程

4 報警數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)分析

1)滴液瓶與液體的質(zhì)量和壓力傳感器輸出電壓的關系。

表2 相關參數(shù)值數(shù)據(jù)分析

利用Matlab擬合曲線為y＝0.064 4+0.005 5x；誤差平均值為1.96[10],擬合情況如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)擬合曲線

誤差屬于允許誤差范圍,可以證明質(zhì)量與壓力傳感器輸出電壓呈線性關系,所以可以利用壓力傳感器的輸出電壓來檢測輸液情況。

2)報警質(zhì)量與量程選擇電阻的阻值關系。

表3 相關參數(shù)數(shù)據(jù)分析

利用 Matlab擬合出曲線為 y＝42.424 8-0.006 9x,誤差平均值為0.10%,擬合情況如圖9所示。

圖9 質(zhì)量/電阻值數(shù)據(jù)擬合曲線

誤差屬于允許范圍內(nèi),可以證明質(zhì)量與電阻呈線性關系,根據(jù)曲線公式即可選擇所需的報警量程。

3)PT2262、PT2272的最遠傳輸距離。

表3 模塊測試參數(shù)

最遠傳輸距離的平均值為46.5 m,傳輸距離較遠,更加適應多變的輸液環(huán)境。

依據(jù)電磁波輻射原理,電磁信號可以對墻體以及普通非金屬物具有穿透能力,因此,該裝置在有障礙物阻擋情況下,也能夠正常工作。雖傳輸距離有一定衰減,但總體不會對報警器裝置的工作性能產(chǎn)生影響。

5 硬件裝置

硬件裝置如圖10和圖11所示。

圖10 無線輸液報警器發(fā)射端裝置

圖11 無線輸液報警器用戶接收端裝置

6 結(jié)束語

無線輸液報警器可以實現(xiàn)自動報警、無線傳輸、量程選擇、雙向報警、點對點報警的等人性化的功能[11],患者不需要專人陪護,在很大程度上也減輕了護士的工作量。

本裝置無論是壓力傳感還是無線傳輸部分都比較靈敏,受外部影響小,有一定的抗干擾能力。本裝置小巧輕便,成本低廉,報警靈敏,操作簡單,十分適合實際醫(yī)療環(huán)境中的應用；另電路簡單,元件較少,也便于集成與批量生產(chǎn)[12]。不同于市場上其他類似裝置,該無線輸液報警器提出創(chuàng)新設計和大幅度改良,具有明顯優(yōu)勢和更大的市場空間。

由于涉及課題的研制成本和一些條件所限,目前還沒有對該研制裝置進行醫(yī)院的試用。該裝置“電子輸液自動報警器”已獲授權(quán)國家發(fā)明專利(2014 10584329.7)。

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