基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

王 婧， 楊 瀾， 張桂銘

（1.桂林電子科技大學(xué) 商學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004）

0 引言

靜脈輸液是醫(yī)療中常應(yīng)用到的一種診療方式， 是一種相對(duì)比較成熟的技術(shù)，但也有特殊情況的發(fā)生，如輸液管堵塞、 輸液完畢而未能按時(shí)拔針等因?yàn)槲醇皶r(shí)處理產(chǎn)生的感染和輸注不足，會(huì)導(dǎo)致治療效果欠佳、脫水或代謝紊亂。此外，過(guò)量輸注還會(huì)導(dǎo)致速度減慢，電解質(zhì)不平衡，高血壓或代謝紊亂[1]。靜脈輸液醫(yī)療方法經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用并逐漸成為通用的醫(yī)療技術(shù)。 如今用于臨床醫(yī)學(xué)的靜脈輸液治療技術(shù)， 跟起初發(fā)展時(shí)的用法并無(wú)太大區(qū)別。當(dāng)前廣泛采用人工作為監(jiān)控方式，需要專業(yè)的技術(shù)醫(yī)護(hù)人員時(shí)刻關(guān)注， 精確地控制輸入速度和劑量。 因此，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴監(jiān)控和范圍數(shù)據(jù)傳輸提醒，提高信息采集的精確性和醫(yī)療工作效率， 現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)， 致力于解決醫(yī)療行業(yè)此類問(wèn)題。

1 總體結(jié)構(gòu)

點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)主要由檢測(cè)液滴部分、滴液自動(dòng)調(diào)速部分、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)部分等組成[2]。 整個(gè)系統(tǒng)可分為一個(gè)中央監(jiān)控端（護(hù)士站）和多個(gè)輸液檢測(cè)端（患者），中央監(jiān)控端主要用于實(shí)時(shí)顯示輸液檢測(cè)端傳過(guò)來(lái)的輸液速度，輸液時(shí)間、病房號(hào)等數(shù)據(jù)，點(diǎn)滴監(jiān)控控制系統(tǒng)如圖1 所示。

根據(jù)輸液點(diǎn)滴檢測(cè)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 開(kāi)發(fā)基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)， 利用單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)，編寫相應(yīng)程序，完成輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線交互。 目前實(shí)驗(yàn)階段放置一個(gè)主機(jī)端和一個(gè)從機(jī)端構(gòu)成的點(diǎn)滴輸液監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)試成功后，在無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備的選型上可選用具有可同時(shí)接收多個(gè)從機(jī)端數(shù)據(jù)的設(shè)備來(lái)構(gòu)成整個(gè)醫(yī)療點(diǎn)滴輸液的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

圖1 點(diǎn)滴監(jiān)控控制系統(tǒng)Fig.1 Drop monitoring and control system

檢測(cè)液滴是否滴落是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接涉及到輸液速度的控制。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分選擇低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、不易受信號(hào)干擾，且能夠同時(shí)接收不同設(shè)備數(shù)據(jù)的模塊。 測(cè)量滴瓶剩余容量采用非接觸式的設(shè)備來(lái)測(cè)量液位，當(dāng)達(dá)到最低液位限制時(shí)報(bào)警。顯示部分選用清晰度高、功耗少的OLED12864 顯示屏。 主控芯片則選擇STM32F103 系列單片機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控主程序設(shè)計(jì)

主程序流程框圖如圖2 所示。 在主循環(huán)中設(shè)置OLED 顯示屏顯示各種參數(shù)，并不斷地將NRF24L01 切換成發(fā)射模式或者接收模式。

圖2 主程序流程框圖Fig.2 Flow chart of main program

2.2 監(jiān)控檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

檢測(cè)應(yīng)變傳感器傳來(lái)的脈沖信號(hào)使用的是輸入捕獲通道， 通過(guò)配置單片機(jī)相應(yīng)引腳檢測(cè)TIM4_CH4 上的邊沿信號(hào)，在邊沿信號(hào)發(fā)生跳變（如上升沿/下降沿）時(shí)，儲(chǔ)存當(dāng)前定時(shí)器的值到對(duì)應(yīng)的通道的捕獲/比較寄存器里，完成一次捕獲。

2.3 監(jiān)控?zé)o線傳輸部分設(shè)計(jì)

因?yàn)镹RF24L01 是用SPI 通信操作寄存器來(lái)配置的，所以要先將STM32 的SPI1 對(duì)應(yīng)的引腳配置成SPI 模式。將引腳配置好后， 寫一段數(shù)據(jù)到發(fā)送地址再將其讀出來(lái)檢測(cè)單片機(jī)和NRF24L01 的SPI 讀寫通信是否正常。通信正常后配置NRF24L01 為發(fā)送模式或者接收模式。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

因單個(gè)應(yīng)變片靈敏度較低，加入全橋電路。即同一個(gè)支路的兩個(gè)應(yīng)變片極性不同，共貼兩路，當(dāng)所貼物體受力形變時(shí)，同一支路的應(yīng)變片一個(gè)收縮，一個(gè)拉伸，兩條支路則總形變即為原來(lái)的四倍， 應(yīng)用全橋電路測(cè)試應(yīng)變片的變化能使靈敏度成倍的提高， 并使輸出與輸入呈線性關(guān)系，且還具有通過(guò)的電流低，應(yīng)變片自身發(fā)熱低等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

經(jīng)過(guò)全橋電路加強(qiáng)靈敏度后， 將應(yīng)變片用透明膠貼于滴管，用示波器測(cè)量輸出引腳電壓數(shù)據(jù)[4]，列表得：

表1 全橋應(yīng)變片輸出電壓（毫伏）Tab.1 Output voltage of full bridge strain gauge（mV）

3.1 紅外測(cè)量電路

紅外對(duì)管檢測(cè)電路原理是檢測(cè)光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)， 經(jīng)過(guò)電壓比較器形成單片機(jī)可以檢測(cè)的脈沖信號(hào)[5]。 紅外發(fā)射管用來(lái)發(fā)射光信號(hào)，紅外接收管用來(lái)檢測(cè)信號(hào)。 將紅外發(fā)射管和紅外接收管對(duì)準(zhǔn)于同一水平線上， 當(dāng)紅外接收管接收到來(lái)自紅外發(fā)射管發(fā)射的光信號(hào)后，其所在電路支路就會(huì)導(dǎo)通形成一定的電壓，將其與電壓比較器LM393 比較，其電壓小于比較器參考電壓則輸出低電平， 其電壓大于比較器參考電壓則輸出高電平。

3.2 點(diǎn)滴調(diào)控部分電路設(shè)計(jì)

利用步進(jìn)電機(jī)做動(dòng)力軸， 制作一個(gè)繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且具體變化向徑的盤形凸輪。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，盤形凸輪逐漸擠壓輸液管從而達(dá)到調(diào)速的目的。 并將步進(jìn)電機(jī)與其結(jié)合， 經(jīng)過(guò)單片機(jī)設(shè)置脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，以達(dá)到精確定位，可通過(guò)設(shè)置脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)軸的加速度和速度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。調(diào)速電路主要為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，其步進(jìn)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的一相繞組或兩相的繞組的通電狀態(tài)相應(yīng)改變，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。當(dāng)通電狀態(tài)相繼改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的齒距。

3.3 無(wú)線收發(fā)部分的電路設(shè)計(jì)

點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸使用NRF24L01 射頻收發(fā)器，其使用的是2.4G～2.5G 的通信頻段，有自身通信協(xié)議，不能與Zigbee、藍(lán)牙、Wifi 相互通信。 其主要原理為電生磁。即當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體周圍的空間形成圓形磁場(chǎng)，當(dāng)通過(guò)交流時(shí)，導(dǎo)體周圍空間便會(huì)形成根據(jù)交流電的方向而產(chǎn)生的方向不斷變換的交變電磁場(chǎng)即電磁波。 當(dāng)交變電磁場(chǎng)的變化頻率較高時(shí)， 高頻的交流變化電磁波被稱為射頻電流，每秒變化小于一千次的交流電稱為低頻電流， 產(chǎn)生的低頻電磁波在傳輸過(guò)程中會(huì)被地面吸收，不能有效傳輸。每秒變化大于十萬(wàn)次的交流電產(chǎn)生的高頻電磁波可以在空氣中傳播，并被電離層多次反射，可以傳輸更遠(yuǎn)的信號(hào)，這

種高頻電磁波有著遠(yuǎn)距離傳輸能力， 我們稱之為射頻。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主控采用STM32F103 系列單片機(jī)，有著較高的實(shí)時(shí)性和運(yùn)算能力。 該系統(tǒng)由一個(gè)中央控制端和多個(gè)檢測(cè)端構(gòu)成， 從機(jī)檢測(cè)端的輸液點(diǎn)滴檢測(cè)部分除了采用微應(yīng)變檢測(cè)之外，還利用紅外技術(shù)來(lái)加強(qiáng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。檢測(cè)端的滴速檢測(cè)監(jiān)控對(duì)滴速進(jìn)行反映并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送給主機(jī)模塊，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基于步進(jìn)電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)的新型輸液調(diào)速器，有利于滴速的平穩(wěn)和準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)作為多傳感器檢測(cè)手段的探索， 對(duì)于醫(yī)療行業(yè)智能化發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。