新型無線病床輸液智能控制系統(tǒng)*

孫寶銘，孟凡宇，曾凡娜，隋 濤※

（1.沈陽理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

目前各大醫(yī)院常用的一種新型臨床醫(yī)療輸液手段就是無線靜脈輸液，由于其靜脈輸液具有安全、便捷、療效顯著等優(yōu)點(diǎn)，常被大多數(shù)的病患者所采用[1]。但是，針對(duì)于患者自身的情況以及其病情的不同，輸液的方式也可能會(huì)有所差異，有些特殊的患者可能需要對(duì)輸液滴度進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和控制[2]。項(xiàng)目組成員通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上輸液產(chǎn)品的情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分輸液的情況都是通過對(duì)人工輸液進(jìn)行巡視的，這種方式通過觀察來發(fā)現(xiàn)異常的情況，這種特殊的輸液監(jiān)護(hù)管理方式不但工作效率低，而且工作量很大[3]?；颊哌M(jìn)行輸液的過程中，需要一直有人看護(hù)來幫助患者，有時(shí)候如果看護(hù)不及時(shí)，還可能會(huì)出現(xiàn)患者血液異?；亓鞯炔涣嫉臓顩r。本文為患者設(shè)計(jì)出一套無線靜脈輸液智能病床輸液監(jiān)護(hù)管理系統(tǒng)，滿足了醫(yī)療人員和患者的迫切需求[4]。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的無線智能病床輸液監(jiān)護(hù)管理系統(tǒng)通過光電液位傳感器對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，并且可對(duì)點(diǎn)滴滴速實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示，給予醫(yī)護(hù)人員一個(gè)參考，通過無線通信模塊進(jìn)行信息交互，將輸液情況通過無線WIFI模塊發(fā)送到護(hù)士站，當(dāng)輸液快要結(jié)束時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警通知護(hù)士前來處理。為看護(hù)人員提供便利，為患者提供輸液安全保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。紅外對(duì)管傳感器采集液滴數(shù)據(jù)，由于有液滴低落時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的紅外線穿過液滴引起電信號(hào)變化；此信息傳到STM32單片機(jī)，可以得出單位時(shí)間下落液滴數(shù)，從而反應(yīng)輸液情況，起到智能監(jiān)控的作用；通過將實(shí)際液滴速度與事先設(shè)好的適宜液滴數(shù)對(duì)比計(jì)算[5]，再通過舵機(jī)調(diào)節(jié)輸液速度，實(shí)現(xiàn)滴速檢測(cè)與智能控制；輸液的情況通過WIFI232無線傳輸模塊傳輸?shù)阶o(hù)士主站處另一臺(tái)傳輸模塊與STM32單片機(jī)；輸液將要結(jié)束時(shí)通過連接此單片機(jī)的蜂鳴器通知護(hù)士前往護(hù)理。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)采用的電動(dòng)機(jī)是伸縮電機(jī)，電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作運(yùn)動(dòng)原理幾乎是完全建立在傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)歐姆定律、全電路歐姆定律、和電磁力歐姆定律等原理基礎(chǔ)上。當(dāng)磁極沿轉(zhuǎn)子順時(shí)針的方向在導(dǎo)條中旋轉(zhuǎn)，磁極的1條電磁力學(xué)導(dǎo)線就會(huì)切割轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條[6]，導(dǎo)條中就能準(zhǔn)確地感應(yīng)得出電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的大小和方向由右手定則的原來公式確定。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向是相對(duì)的，假如轉(zhuǎn)子磁極沿順時(shí)針不動(dòng)[7]，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條沿逆時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)，則導(dǎo)條中同樣也有導(dǎo)條能準(zhǔn)確地感應(yīng)得出電動(dòng)勢(shì)的方向來。在電動(dòng)勢(shì)的相互作用下，閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就迅速地產(chǎn)生了電流。該電流與帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)相互作用，而使帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條迅速受到電磁力（安培力），電磁力的運(yùn)動(dòng)方向可用物理學(xué)中左手定則的公式來確定。由電磁力進(jìn)而導(dǎo)條產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就迅速地轉(zhuǎn)動(dòng)了起來。再通過機(jī)械結(jié)構(gòu)是電機(jī)軸前后運(yùn)動(dòng)。

主控制系統(tǒng)的STM32微處理器使用STM32F767IGT6微處理器[8]，可同時(shí)支持對(duì)6個(gè)輸液子系統(tǒng)的監(jiān)控。輸液過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)通過NRF24L01無線通信模塊發(fā)送給主控制系統(tǒng)；如果輸液狀態(tài)異常（包括一瓶藥液輸完），主控制系統(tǒng)收到來自子系統(tǒng)發(fā)送的異常信號(hào)后，會(huì)立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)、顯示異常狀態(tài)，并將這個(gè)報(bào)警信號(hào)發(fā)送給護(hù)士站，提醒護(hù)士人員。

2 程序設(shè)計(jì)

如圖2所示，將接收機(jī)所需的控制滴速通過接收機(jī)的摁鍵將信號(hào)輸入控制單片機(jī)，由按鍵輸入單片機(jī)將控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成接收機(jī)的電信號(hào)，控制滴速的信號(hào)由驅(qū)動(dòng)接收機(jī)的電位器通道輸出進(jìn)入電位器信號(hào)調(diào)制芯片，獲得偏置的電壓。將調(diào)制芯片獲得的偏置電壓與接收機(jī)電位器的電壓相進(jìn)行比較，若兩者之間有一定的電壓差，則由驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的控制電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制芯片會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)操控滴液管電機(jī)和滑輪進(jìn)行偏轉(zhuǎn)使得電壓的偏差變?yōu)?，電機(jī)一端停止了轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的另一端則是連接滴液管的電機(jī)和滑輪，滑輪隨著滴液管電機(jī)的轉(zhuǎn)速移動(dòng)，從而控制滴速達(dá)到了調(diào)節(jié)滴速的主要目的。

圖2 程序流程圖

通過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)算得出約15滴輸液量為1 mL，運(yùn)用以常數(shù)4乘、除的計(jì)算方法對(duì)輸液量進(jìn)行快速的換算，得出每分鐘的輸液滴數(shù)或每小時(shí)的輸液量。

3 仿真結(jié)果

按下開機(jī)按鈕后，主控制系統(tǒng)首先檢測(cè)24L01模塊是否正常，模塊正常后進(jìn)入Wi-Fi模塊配置。Wi-Fi模塊配置成功約3 s后，顯示輸入護(hù)士站上位機(jī)接入地址界面。

待地址輸入正確后，系統(tǒng)便進(jìn)入正常工作狀態(tài)。正常工作時(shí)，有3種模式，分別為：待機(jī)模式、正常監(jiān)控模式、報(bào)警模式。這3種模式主要的區(qū)別是“Received DATA：”部分的內(nèi)容不相同，且報(bào)警模式會(huì)有蜂鳴器的蜂鳴報(bào)警信號(hào)。

界面的最上方顯示內(nèi)容為“歡迎使用智能護(hù)士站”；第二行顯示基本的操作信息，按下WK_UP鍵退出本次連接，按下KEY0鍵發(fā)送測(cè)試信息到護(hù)士站系統(tǒng)；第三行和第四行顯示本機(jī)IP地址，連接端口，連接的狀態(tài)，以及Wi-Fi模塊的工作模式；第五行顯示24L01模塊的工作模式；第六行顯示“Received DATA：”；第七行顯示24L01接收到的數(shù)據(jù)；接下來依次顯示W(wǎng)i-Fi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)、接收的數(shù)據(jù)。待機(jī)時(shí)最下端顯示無線路由器的設(shè)置參數(shù)。

輸液過程正常時(shí)，主控制器在第七行“×××Working”意為×××號(hào)報(bào)警器正常工作。同時(shí)，Wi-Fi模塊還會(huì)向護(hù)士站上位機(jī)發(fā)送×××號(hào)正常工作的信號(hào)并在“發(fā)送數(shù)據(jù)：”處顯示發(fā)送內(nèi)容。

4 結(jié)束語

當(dāng)前醫(yī)療輸液監(jiān)控主要靠人為監(jiān)控，所以不能完成自主的一些選擇和操作，不利于系統(tǒng)智能化水平的提高，同樣病房區(qū)的各種醫(yī)療設(shè)備普遍沒有安裝通信單元，不利于與其他設(shè)備或者相關(guān)系統(tǒng)的交互，也不利于系統(tǒng)的綜合性決策?；谝陨咸攸c(diǎn)可以得出該嵌入式智能輸液病床呼叫監(jiān)護(hù)管理系統(tǒng)完全可以從根本上做到患者的呼叫及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠，操作簡(jiǎn)單、控制靈活，可有效地改善了患者臨床輸液的體驗(yàn)，提高醫(yī)護(hù)效率，減少醫(yī)療事故發(fā)生，值得支持和大力推廣。