智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯明揚(yáng)，張鑠，熊威，歷周，韓帥，李喆

1.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.中國醫(yī)科大學(xué) 公共基礎(chǔ)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122；3.南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 普外科，廣東 廣州 510280

引言

靜脈輸液在臨床應(yīng)用廣泛，幾乎涉及醫(yī)院所有科室。目前臨床輸液基本都采用輸液瓶或輸液袋加帶茂菲氏管的一次性輸液管路，借助液體自重和大氣壓力將藥物輸入患者體內(nèi)。此種輸液方式雖簡便易行，但存在以下缺點(diǎn)：輸液溫度隨周圍環(huán)境溫度一致、高低不可調(diào)節(jié)；輸液速度靠機(jī)械式的滑輪壓縮輸液管調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度較差且可靠性不足。近年來,隨著麻醉科將體溫作為基本監(jiān)測項(xiàng)目后，發(fā)現(xiàn)有60%患者在手術(shù)過程中發(fā)生了低溫，其中30%的患者核心溫度低于35℃[1]。人體輸入低溫的藥液可使患者產(chǎn)生手臂涼、麻、痛、周身寒戰(zhàn)等癥狀[2]。近年來大量研究證實(shí)，術(shù)中低體溫可明顯導(dǎo)致麻醉藥物代謝減慢，引起凝血功能障礙，并增加手術(shù)部位感染（SSI）風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。而大量低溫液體的輸入是手術(shù)病人體溫降低的主要原因之一[5]。盡管術(shù)中低體溫具有降低機(jī)體代謝率、減少集體耗氧、增加組織器官對缺血缺氧的耐受力等潛在優(yōu)點(diǎn)[6-8]，但長時(shí)間及過低的體溫可抑制竇房結(jié)，導(dǎo)致心律傳導(dǎo)異常，心排量減低[9-10]，還可以導(dǎo)致血小板功能受損，凝血激活時(shí)間延長，凝血酶活性降低，導(dǎo)致患者凝血功能異常、心血管并發(fā)癥增加、生理功能紊亂和內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡進(jìn)而增加圍術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生率，影響患者預(yù)后[11]。當(dāng)前市場上也有醫(yī)用輸液加溫儀器，但種類極少且基本都是國外進(jìn)口，因其價(jià)格昂貴，醫(yī)院極少采用。針對以上不足，研制出智能輸液控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)解決目前臨床靜脈輸液中存在的問題，并設(shè)置報(bào)警裝置、急停裝置以滿足輸液安全需求，并可以與上位機(jī)無線連接?？梢蕴岣咦o(hù)理質(zhì)量，降低操作風(fēng)險(xiǎn)，增加病人舒適度，遠(yuǎn)程監(jiān)控病人輸液情況。

1 智能輸液控制系統(tǒng)的組成和工作原理

智能輸液控制系統(tǒng)主要由控制、監(jiān)測、加熱、報(bào)警、無線傳輸?shù)炔糠纸M成。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。輸液開始前，將輸液管的茂菲氏管卡在紅外滴數(shù)檢測器中，輸液管下段套在輸液加熱套里，設(shè)置病人信息，輸液量，最大允許加熱溫度等信息后，開始輸液。輸液時(shí)，光電對管執(zhí)行輸液滴數(shù)采集工作，經(jīng)過信號處理后以脈沖的形式跟主芯片MSP430交互，形成滴速數(shù)據(jù)和剩余輸液時(shí)間的估算值顯示在液晶屏幕上。當(dāng)輸液滴速與設(shè)置滴速不同時(shí)，舵機(jī)會自動調(diào)節(jié)擠壓輸液管路的松緊，實(shí)現(xiàn)控制輸液滴速的功能。同時(shí)報(bào)警燈會對超過每分鐘20滴的誤差進(jìn)行LED燈光警報(bào)。使用USB電源供給加熱系統(tǒng)。采用軟材質(zhì)的套管加熱，保證加熱的均勻性和管路的活動性。加熱開始時(shí)，LED加熱燈會亮起表示當(dāng)前系統(tǒng)正在加熱。當(dāng)加熱溫度達(dá)到設(shè)置的最大允許加熱溫度時(shí)，加熱自動停止，加熱燈熄滅。整個(gè)系統(tǒng)的輸液滴速、剩余時(shí)間、加熱溫度等信息，通過ZigBee傳輸協(xié)議打包傳輸?shù)絇C端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控輸液狀態(tài)的功能。

圖1 智能輸液系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 液滴檢測模塊

液滴檢測是利用光電對管采集實(shí)現(xiàn)。采集示意圖，見圖2。光電對管分別卡在輸液管的茂菲氏管兩側(cè)，并且在液面的上方。經(jīng)過調(diào)制的電源驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生的光束發(fā)射到對面由光敏三極管接收，產(chǎn)生一定的光電流。當(dāng)有液滴滴下時(shí)，液滴會讓發(fā)光二極管發(fā)出的光產(chǎn)生散射，光敏三極管接收到的光強(qiáng)就會減弱，從而產(chǎn)生的光電流就會減弱。液滴反復(fù)滴下產(chǎn)生光電流輸出脈沖，通過比較電路、放大電路、鑒頻電路、整形電路等，得到對應(yīng)的脈沖信號，將脈沖信號送入到MSP430中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2 MCU及外圍設(shè)備

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用MSP430作為主控制器（MCU）。MSP430系列單片機(jī)是采用了精簡指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）結(jié)構(gòu)的16 bit單片機(jī)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址，4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。

圖2 液滴檢測模塊示意圖

MSP430單片機(jī)具有超低的功耗，因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有獨(dú)到之處。首先，MSP430系列的電源電壓采用的是1.8～3.6 V電壓。因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流最低在 165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430系列中有3個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)模塊：輔助時(shí)鐘（Auxiliary Clock，ACLK）、主時(shí)鐘（Master Clock，MCLK）以及子系統(tǒng)時(shí)鐘（Subsystemmaster Clock，SMCLK）。這3個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)由5個(gè)時(shí)鐘信號源提供，可以只使用1個(gè)32.768 kHz的晶體振蕩器，也可以同時(shí)使用4～32 MHz的高頻晶振或內(nèi)部的3個(gè)低功耗振蕩器。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和各功能模塊所需時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制[12-16]。

外圍電路主要包括鍵盤：用來設(shè)定輸液的初始值及在緊急情況下急停；液晶顯示：顯示輸液的初始值、輸液速度及輸液剩余量；蜂鳴器及LED：實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

2.3 輸液速度控制模塊

輸液速度控制用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)?？刂剖疽鈭D，見圖3。舵機(jī)葉片上安裝有一個(gè)壓軸，壓在輸液管路上。液滴檢測模塊測得的當(dāng)前液滴速度與設(shè)置的輸液液滴速度相比較，若當(dāng)前速度比設(shè)置速度高，舵機(jī)反向轉(zhuǎn)動一個(gè)單位，將輸液管壓緊，輸液速度降低；若當(dāng)前速度比設(shè)置速度低，舵機(jī)正向轉(zhuǎn)動一個(gè)單位，將輸液管放松，輸液速度加快。此外該系統(tǒng)還設(shè)置了緊急停止程序，當(dāng)輸液發(fā)生意外需要緊急停止時(shí)按下急停按鍵，舵機(jī)會立即壓住輸液管路到最底部，即阻斷輸液管路，終止輸液。

2.4 加熱模塊

加熱方案有兩種選擇，一種是用固體加熱片，卡在輸液管的兩側(cè)。此種加熱方式加熱不均勻，而且由于加熱位置離人體端較遠(yuǎn)，加熱后熱量損失較多且受環(huán)境影響較大；另一種是由軟式的加熱絲，做成加熱套包裹式加熱。此種加熱方式的好處是加熱均勻，離人體端很近，受環(huán)境溫度影響很小。而且由于是軟式材質(zhì)，輸液管的活動不受限制。本系統(tǒng)采用第二種方案。若當(dāng)前溫度小于設(shè)定加熱溫度，系統(tǒng)持續(xù)加熱，加熱狀態(tài)燈點(diǎn)亮。若當(dāng)前溫度達(dá)到或者高于設(shè)置溫度時(shí)，加熱停止，加熱狀態(tài)燈熄滅。

圖3 輸液速度控制模塊示意圖

2.5 無線傳輸模塊

目前使用較為廣泛的近距無線通信技術(shù)是藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee。將3種無線通信技術(shù)做一個(gè)比較，比較內(nèi)容和參數(shù)，見表1。通過對比，我們選擇ZigBee協(xié)議作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

表1 ZigBee與藍(lán)牙、Wi-Fi的對比

ZigBee （IEEE802.15.4）技術(shù)是一種短距離無線通訊技術(shù)，在2.4 GHz波段工作。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，見圖4。其巨大的網(wǎng)絡(luò)容量允許其與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，適用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)的無線傳輸工作等。此外，ZigBee技術(shù)功耗較低，限制了其較低的極限數(shù)據(jù)吞吐量。但該技術(shù)具有功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn)非常適合用作本系統(tǒng)的無線傳輸方式[17-18]。

圖4 ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測電路下位機(jī)程序

滴速檢測采用定時(shí)器捕獲的方式，當(dāng)有液滴時(shí)，定時(shí)器捕獲事件，中斷服務(wù)函數(shù)中變量dn加一。當(dāng)定時(shí)器A到10 s時(shí)，dn的值即為10 s內(nèi)滴下的液滴數(shù)，乘以6后即可得1 min的液滴數(shù)。監(jiān)測電路下位機(jī)程序框圖，見圖5。

圖 5監(jiān)測電路下位機(jī)程序框圖

3.2 滴速控制程序

當(dāng)?shù)玫降嗡僖院?，將?shí)際滴速與設(shè)定的滴速進(jìn)行比較，如果實(shí)際滴速過快，則PWM信號占空比減小，舵機(jī)反轉(zhuǎn)一個(gè)單位，擠壓輸液管使得滴速下降。反之如果滴速過慢，則PWM信號占空比增大，舵機(jī)正轉(zhuǎn)一個(gè)單位，輸液管恢復(fù)滴速上升。如果等于設(shè)定滴速，則舵機(jī)角度不動。滴數(shù)控制程序框圖，見圖6。

圖6 滴數(shù)控制程序框圖

3.3 加溫程序

系統(tǒng)采用5 s取一次（環(huán)境）溫度t1的工作方式，測溫器件采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高[19]。實(shí)際溫度的取得采用曲線擬合的方式，通過的大量實(shí)驗(yàn)，取得可加熱到的最大溫度t：

t=6.1163×t1-0.0187×disu-0.3125×t12+0.0051×t13-0.0001×disu2

橘紅過得好嗎？一個(gè)夫離子散的婦人，一個(gè)孤獨(dú)的婦人，一個(gè)受盡欺負(fù)和侮辱的婦人，她能過得好嗎？他仿佛看到了一張蒼白的臉，臉上的縐紋就像干涸了的稻田，到處布滿溝溝叉叉；一身骯臟的衣服，縐縐巴巴，散滿了星星點(diǎn)點(diǎn)的痕跡，弓腰駝背，仿佛無力再承受生活之重。

式中“disu”代表即代表滴速。如果t小于設(shè)置溫度，說明沒有達(dá)到要求溫度，加熱器工作。當(dāng)t大于設(shè)置溫度，加熱器關(guān)斷。加溫程序框圖，見圖7，其中LPM0表示MSP430的低功耗模式0，即low power mode 0。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸程序

上位機(jī)程序通過java代碼編寫，通過awt（是Java平臺獨(dú)立的窗口系統(tǒng)，圖形和用戶界面器件工具包）和swing（是對awt的改良和擴(kuò)展）包實(shí)現(xiàn)本次程序的用戶界面設(shè)計(jì)。主界面為監(jiān)控界面，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)解析和更新，還提供了幫助界面和設(shè)置界面，設(shè)置界面用于設(shè)置端口屬性。

圖7 加溫程序框圖

上位機(jī)程序通過usb連接Zigbee模塊，與下位機(jī)取得聯(lián)系，接受下位機(jī)傳過來的數(shù)據(jù)，并將其展示到上位機(jī)程序主界面上。其中串口監(jiān)聽事件默認(rèn)監(jiān)聽4端口。端口設(shè)置為波特率為9600，停止位為1，無校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位為8位。數(shù)據(jù)傳輸程序框圖，見圖8。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸程序

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果討論

測試項(xiàng)目主要有滴數(shù)檢測測試、剩余時(shí)間估算測試、輸液溫度測試等。試驗(yàn)測試均選用生理鹽水進(jìn)行。

4.1 滴速檢測測試

分別采用臨床上常用3種輸液速度，20、50、80滴/分鐘。開始輸液后，隨機(jī)選取任意一分鐘進(jìn)行滴數(shù)計(jì)數(shù)，每個(gè)速度觀察5次。用實(shí)際觀察到每分鐘滴數(shù)與設(shè)置滴數(shù)作比較。輸液速度測試結(jié)果，見表2。

表2 滴速測試統(tǒng)計(jì)表（滴/分鐘）

4.2 剩余時(shí)間估算測試

基于輸液總量的設(shè)定和液滴速度的監(jiān)測，本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)剩余輸液時(shí)間估算功能。計(jì)算方基于液滴與液量的換算關(guān)系，即輸液器自身參數(shù)15滴為1 mL。設(shè)置好輸液容量后，開始輸液，設(shè)置速度為50滴/分鐘，輸液總量分別設(shè)定為100、200、300 mL。輸液開始5 min（系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定）后，分別選擇觀察系統(tǒng)顯示的輸液剩余時(shí)間t1，同時(shí)記錄實(shí)際輸液完成的時(shí)間t2。將t1與t2對比，可得到剩余時(shí)間估算的準(zhǔn)確度。測試結(jié)果，見表3。

表3 剩余時(shí)間估算統(tǒng)計(jì)表

4.3 輸液溫度測試

選擇在兩種不同室溫下分別進(jìn)行輸液溫度測試。設(shè)定的加熱溫度都為38℃攝氏度，測試兩種情況下加溫后的溫度。測試結(jié)果，見表4。

表4 溫度測試統(tǒng)計(jì)表（℃）

4.4 結(jié)果討論

通過以上測試表明，該系統(tǒng)在滴速監(jiān)測，剩余時(shí)間估算，輸液溫度控制方面都有很好的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語

在進(jìn)行了臨床調(diào)查和當(dāng)前市場產(chǎn)品現(xiàn)狀分析后，結(jié)合當(dāng)前嵌入式和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計(jì)研制出本套系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于滴速的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)輸液速度控制、報(bào)警、剩余輸液時(shí)間估算、輸液加溫和數(shù)據(jù)上傳等功能，經(jīng)過測試，功能較完善，各項(xiàng)參數(shù)較為準(zhǔn)確，可靠性高。適合在各類醫(yī)院廣泛推廣使用。使用該系統(tǒng)可以減輕醫(yī)護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)，增加病人的舒適度，提高護(hù)理質(zhì)量。接下來有待在加熱方式、加熱程序、溫度監(jiān)控方面做進(jìn)一步優(yōu)化和完善。另外將來還可以設(shè)計(jì)手機(jī)端軟件程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)端監(jiān)控。

[1] 賈風(fēng)菊,李麗,孫奇.開腹手術(shù)患者術(shù)中保溫方法的探討[J].中華現(xiàn)代護(hù)理雜志,2016,22(10):1362.

[2] 富曉東,付麗霞.冬季野戰(zhàn)條件下可調(diào)式輸液加溫、保溫器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].護(hù)理實(shí)踐與研究,2016,13(19):137.

[3] Seamon MJ,Wobb J,Gaughan JP,et al.The effects of intraoperative hypothermia on surgical site infection: An analysisof 524 trauma laparotomies[J].Ann Surg,2012,255(4):789-795.

[4] Baucom RB,Phillips SE,Ehrenfeld JM,et al.Association of perioperative hypothermia during colectomy with surgical site infection[J].JAMA Surg,2015,150(6):570-575.

[5] 劉玉霞.術(shù)中輸注不同輸液溫度的液體對病人體溫及熱量的影響[J].中國社區(qū)醫(yī)師(醫(yī)學(xué)專業(yè)),2012,14(5):275.

[6] Burger L,Fitzpatrick J.Prevention of inadvertent perioperative hypothermia[J].Br J Nurs,2009,18(18):1116-1119.

[7] Egan C,Bernstein E,Reddy D,et al.A randomized comparison of intraoperative PerfecTemp and forced-air warming during open abdominal surgery[J].Anaesth Analg,2011,113(5):1076-1081.

[8] Pagnocca ML,Tai EJ,Dwan JL.Temperature control in conventional abdominal surgery: Comparison between conductive and the association of conductive and convective warming[J].Rev Bras Anest,2009,59(1):56-66.

[9] Jakim owicz JJ.Intraoperative ultrasonography in open and laparoscopic abdom inal surgery: an overview[J].Surg Endosc,2006,20(S2):S425-S435.

[10] Sajid MS,Mallick AS,Rimpel J,et al.Effect of heated and humidified carbon dioxide on patients after laparoscopic procedures: a meta-analysis[J].Surg Laparosc Endosc Percut Tech,2008,18(6):539-546.

[11] Schmied H,Kurz A,Sessler DI,et al.Mild hypothermia increases blood loss and transfusion requirements during total hip arthroplasty[J].Lancet,1996,347(8997):289-292.

[12] 葉俊,李立,劉琴.無線輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2016,31(7):87-89.

[13] Texas Instruments.MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User’s Guide[EB/OL].(2014-05-28)[2014-12-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau208n/slau208n.pdf.

[14] 楊琦.基于MSP430超低功耗MCU的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及其系統(tǒng)的研究[D].福州:福州大學(xué),2003.

[15] 黃磊,萬遂人,冒懋.基于MSP430的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2009,26(1):990-994.

[16] Texas Instruments.MSP430F551x, MSP430F552x Mixed Signal Microcontroller[EB/OL].(2014-06-17)[2014-12-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf.

[17] 陳楊,吳海燕.基于ZigBee的智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,(8):181-182.

[18] 楊萌,趙亮.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,(1):34.

[19] 劉翠,謝小芳,羅旭,等.基于單片機(jī)的醫(yī)院輸液監(jiān)測系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù),2017,13(28):238.