智能紅外輸液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙思瑤 賈光鋒 趙 晨 張?zhí)鹛?/p>

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

1 引言

靜脈輸液是通過注入靜脈營(yíng)養(yǎng)品或規(guī)定濃度藥物來達(dá)到治療效果的常用的治療手段。該種治療可以快速補(bǔ)充患者所需的營(yíng)養(yǎng)，但是如果處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生許多不良影響。例如如果藥物滴注過快或過量輸注，會(huì)造成輸入電解質(zhì)失衡，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)C(jī)病人生命。目前，我國(guó)大多數(shù)醫(yī)院及醫(yī)療機(jī)構(gòu)普遍利用輸液器上的輸液閥對(duì)輸液速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但其控制精度不夠，而且輸液過程中需要人看護(hù)，若輸液完畢未及時(shí)拔掉輸液管會(huì)發(fā)生血液回流現(xiàn)象［1］，其次在輸液過程中，醫(yī)護(hù)人員需要不斷更換輸液瓶，這不僅加大了醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且病人也需時(shí)常注意輸液進(jìn)度，加重病人的心理負(fù)擔(dān)［2］。為了解決這一問題我們可以給每位輸液病人配備一個(gè)輸液自動(dòng)控制器［3］。近年來關(guān)于輸液器的研究層出不窮，其基本原理有：重力作用和彈簧原理，浮力原理，電磁感應(yīng)等傳感技術(shù)，但基于這些原理的設(shè)備構(gòu)造通常復(fù)雜，體積龐大，價(jià)格昂貴，使用范圍窄，僅有大中型醫(yī)院采購(gòu)。而智能輸液系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)藥物溫度和輸送情況，而且可以根據(jù)醫(yī)生設(shè)定的溫度恒定加熱藥液，并在藥液輸送完畢后自動(dòng)關(guān)閉輸液器，通過無線呼叫系統(tǒng)通知醫(yī)護(hù)人員［4］。這種輸液器造價(jià)低，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的輸液管理模式，極大地降低醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)又可降低患者及其陪護(hù)人員在輸液管理中的心理負(fù)擔(dān)，有利于提高醫(yī)療服務(wù)水平。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本研究主要是基于51內(nèi)核STC12C5A60S2單片機(jī)［5］、由紅外監(jiān)測(cè)、測(cè)溫加熱、電機(jī)斷流、聲光報(bào)警以及無線遙控等一系列自動(dòng)控制綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)出的一種新型的智能輸液系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)的功能有：

1）通過按鍵設(shè)置規(guī)定的輸液速度，實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)液瓶中的液面高度［6］，并顯示該時(shí)的輸液速度，如果速度出現(xiàn)異常進(jìn)行報(bào)警；

2）通過按鍵設(shè)置規(guī)定的輸液溫度［7］，系統(tǒng)對(duì)輸液溫度進(jìn)行自動(dòng)控制；

3）當(dāng)輸液完成或者患者需要停止輸液時(shí)，可通過無線遙控器自行控制；

4）當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)，使用聲光報(bào)警，并自動(dòng)關(guān)閉輸液瓶的輸入狀態(tài)，完成輸液。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 滴速檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

被檢測(cè)對(duì)象對(duì)紅外光束產(chǎn)生一定的遮擋或反射導(dǎo)致接收器接收到不同強(qiáng)弱的光線，紅外線光電傳感器則是利用該種性質(zhì)來判斷物體是否存在。本設(shè)計(jì)使用紅外光電傳感器［8］實(shí)現(xiàn)對(duì)液體點(diǎn)滴速度的檢測(cè)［9］。當(dāng)有點(diǎn)滴滴落時(shí)，經(jīng)過紅外光電傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)沒有點(diǎn)滴滴落時(shí)較高的電壓［10］，由于存在電壓差而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過單片機(jī)對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴滴數(shù)的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

點(diǎn)滴速度測(cè)量電路如圖3所示。

圖2 光投射原理檢測(cè)電路

由圖3所示，由于電源能量恒定，所以紅外發(fā)射管發(fā)射出強(qiáng)度相同的紅外線，紅外線經(jīng)外界物體反射后由接收管接收［11］。接收管與發(fā)射管處在正相對(duì)的位置。當(dāng)液滴滴下時(shí)，下落的液滴對(duì)紅外光線產(chǎn)生一定的吸收，發(fā)散以及漫反射作用［12］，使得接收到的光強(qiáng)產(chǎn)生改變，從而產(chǎn)生一個(gè)較長(zhǎng)的脈沖。此時(shí)產(chǎn)生的波形穩(wěn)定性差且有噪聲，波形形狀不理想。因此經(jīng)過施密特觸發(fā)器對(duì)有噪聲的波形進(jìn)行整形，輸出一個(gè)正向的脈沖信號(hào)送給單片機(jī)中斷口［13］，通過對(duì)液滴滴數(shù)的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴速度的檢測(cè)（滴/分）。

圖3 點(diǎn)滴速度測(cè)量電路

3.2 滴速控制模塊設(shè)計(jì)

通過控制一個(gè)低功耗的小型步進(jìn)電機(jī)對(duì)輸液管進(jìn)行擠壓來達(dá)到控制液滴流量進(jìn)而控制低速的效果［14］，理論原理圖如圖4所示，電機(jī)通過主齒輪帶動(dòng)帶有齒輪的楔子，擠壓在凹槽里達(dá)到控制速度的目的。通過鍵盤設(shè)定一個(gè)最佳滴速范圍，低于最小速度時(shí)擠壓管子，高于最大速度時(shí)松開管子。步進(jìn)機(jī)都有鎖存功能。5s內(nèi)無點(diǎn)滴滴下時(shí)，擠壓管子，禁止液體流下。

圖4 滴速控制理論原理圖

檢測(cè)方法采用測(cè)周法，系統(tǒng)中的內(nèi)部時(shí)鐘利用定時(shí)器0中斷計(jì)時(shí)。通過外部中斷使其啟動(dòng)及復(fù)位，并讀取時(shí)間T，通過式（1）：

計(jì)算出點(diǎn)滴速度?？紤]到實(shí)時(shí)性的要求選取n為1。實(shí)踐表明，此種測(cè)量方案可以達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。為了能減小誤差準(zhǔn)確測(cè)量滴速，我們采用求均值的方法，連續(xù)測(cè)量10個(gè)液滴的周期總和求平均。結(jié)果表明求均值的方法有利于提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)中利用步進(jìn)電機(jī)控制滴速的模塊原理圖如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

3.3 測(cè)溫計(jì)加熱模塊設(shè)計(jì)

DS18B2是一種常用的數(shù)字溫度傳感器，其有單線接口的優(yōu)勢(shì)，采用一只引腳便可以與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信。本設(shè)計(jì)采用DS18B2用于在藥品的加熱與溫度的測(cè)定，測(cè)量范圍在0℃～35℃之間。研究表面輸液最適合人的溫度是18℃～25℃，因此通過軟件設(shè)定使DS18B20檢測(cè)到的溫度低于18℃時(shí)加熱片開始周期工作，溫度高于25℃停止加熱。加熱部分采用5v的加熱片，給與周期通電，保證低溫加熱。TQ2-5v繼電器通過與單片機(jī)引腳P3.7RO相連來控制加熱片。溫度傳感器DS18B20的電路與單片機(jī)P3.3INT1引腳連接［15］。當(dāng)DS18B20讀取的溫度高于上限時(shí)則加熱裝置等待，當(dāng)DS18B20讀取的溫度低于下限時(shí)，加熱開始工作。如圖6，7所示。

圖6 加熱電路圖

圖7 測(cè)溫電路圖

3.4 無線傳輸模塊

本設(shè)計(jì)使用HX1838B作為無線傳輸?shù)闹饕骷?6］，當(dāng)輸液完成或者患者需要停止輸液時(shí)，只需按下無線遙控器的stop按鈕，HX1838b紅外接收頭接收到信息，單片機(jī)啟動(dòng)直流電機(jī)擠壓輸液管達(dá)到止流的效果。

3.5 聲光報(bào)警模塊

本系統(tǒng)配有三個(gè)發(fā)光二極管，可分別進(jìn)行電源上電的指示、報(bào)警指示、和加熱狀態(tài)指示。如果出現(xiàn)速度或溫度異常，LED燈均會(huì)變亮5s。若儲(chǔ)液瓶中無液體滴下時(shí)，蜂鳴器將發(fā)出報(bào)警。如圖9所示。

圖8 光報(bào)警

圖9 聲報(bào)警

3.6 顯示與鍵盤模塊

本次設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示方式驅(qū)動(dòng)四位七段數(shù)碼管，用來顯示藥液的溫度。使用三個(gè)按鍵。當(dāng)有鍵按下時(shí)按鍵將導(dǎo)通，處于低電平狀態(tài)。當(dāng)無鍵按下時(shí)，處于高電平狀態(tài)；兩個(gè)按鍵分別控制數(shù)碼管顯示器，通過按鍵次數(shù)設(shè)定位數(shù)上值的大小。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件即在硬件電路的基礎(chǔ)上，以程序算法的形式實(shí)現(xiàn)液體點(diǎn)滴速度的控制，以及顯示溫度等功能。該系統(tǒng)的軟件采用C51編寫，包括鍵盤、顯示、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、彩色LED、蜂鳴器等子程序模塊，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，設(shè)定、顯示、調(diào)整［17］等處理。如圖10的主程序流程圖。

4.2 滴速檢測(cè)子程序

正常情況下，紅外光電傳感器接收到的是一個(gè)穩(wěn)定的光信號(hào)。當(dāng)液面下降至最低線以下時(shí)，紅外光束會(huì)直接發(fā)射到接收機(jī)，接收機(jī)收到的紅外光信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，提取變化的信號(hào)，該信號(hào)已從光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大和適當(dāng)處理，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。滴速檢測(cè)子程序主要是用于系統(tǒng)信號(hào)的采集，并將采集的信號(hào)輸出到單片機(jī)的端口送入單片機(jī)內(nèi)部。系統(tǒng)流程圖如圖11。

圖10 主程序流程圖

圖11 系統(tǒng)工作流程圖

4.3 滴速控制子程序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將一分鐘六等份，首先讀出10秒內(nèi)的點(diǎn)滴的數(shù)目根據(jù)公式得到當(dāng)前點(diǎn)滴的速度。對(duì)比當(dāng)前點(diǎn)滴的速度與原先設(shè)定的速度值的誤差來決定電動(dòng)機(jī)是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制儲(chǔ)液瓶位置的高低，進(jìn)一步影響下一個(gè)10s內(nèi)的點(diǎn)滴的速度，如此循環(huán)。其點(diǎn)滴速度的電動(dòng)機(jī)控制程序流程圖如圖12所示。

圖12 點(diǎn)滴速度控制檢測(cè)子程序

4.4 測(cè)溫及加熱子程序

本系統(tǒng)使用數(shù)字溫度傳感器DSI8B20對(duì)輸液管外壁溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得輸液管內(nèi)藥液的溫度，該種溫度控制屬于閉環(huán)控制方式［18］。把檢測(cè)到的溫度值與原先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者的差值控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制水的溫度。啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換及讀溫度值流程圖如圖13。

圖13 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換及讀溫度值流程圖

4.5 無線控制子程序

該模塊利用單片機(jī)控制無線發(fā)送模塊CC1101將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C1101無線接收模塊，并將CC1101接收到的數(shù)據(jù)傳送到PC終端監(jiān)控界面；再次，PC終端采用人性化的操作界面，實(shí)時(shí)顯示病人輸液動(dòng)態(tài)。

5 結(jié)語

智能輸液控制器可以根據(jù)事先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)輸液速度［19］，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)輸液患者的輸液情況，并在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警。并將當(dāng)前的滴速情況通過通訊線路傳輸給醫(yī)護(hù)人員，使醫(yī)護(hù)人員可以通過無線遙控進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。結(jié)合設(shè)計(jì)的各種硬件電路模塊，我們最終通過繪制PCB將系統(tǒng)各模塊做出實(shí)物，如圖14所示。

圖14 實(shí)物圖

本產(chǎn)品外觀簡(jiǎn)潔，體積尺寸為70*60*20mm（長(zhǎng)*寬*高），重量為230g，小巧輕便。從該實(shí)物板左側(cè)看有3個(gè)接口，從上起依次是用來連接溫度傳感器和關(guān)斷液滴裝置的接口、用來連接串口與PC機(jī)進(jìn)行通訊控制用的接口、紅外遙控接收裝置。從實(shí)物板下側(cè)看有3個(gè)接口，左起3個(gè)接口依次為加熱器接口、滴速檢測(cè)裝置接口和mini USB 5v供電電源插口。從實(shí)物板右側(cè)看有一個(gè)連接電池盒的接口。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)滴速檢測(cè)、控制以及液體加熱等要求。測(cè)試結(jié)果表明：本系統(tǒng)輸液速度在設(shè)定誤差的范圍內(nèi)響應(yīng)快、誤差小、報(bào)警信號(hào)可靠、準(zhǔn)確，外部非接觸遙控功能最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)10m，具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益［20］。其性能穩(wěn)定、易操作，成本低廉、使用簡(jiǎn)便，適合于臨床普及。