一種智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計與研制

黃熙

福建省腫瘤醫(yī)院設(shè)備科 （福建福州 350000）

目前，臨床輸液監(jiān)測主要由陪護(hù)人員和護(hù)士來執(zhí)行。在輸液過程中，陪護(hù)人員易疲倦疏漏，有時會引發(fā)醫(yī)療事故。為保證輸液安全，護(hù)士需定時巡查，不僅增加了工作量，而且不利于病房的整體管理[1]。為改變現(xiàn)有輸液醫(yī)療模式、解決輸液過程中的安全隱患并減輕護(hù)士的工作負(fù)擔(dān)，本研究設(shè)計并研制了一種易于操作且安全有效的智能輸液系統(tǒng)。

1 智能輸液系統(tǒng)硬件的設(shè)計

本研究設(shè)計的智能輸液系統(tǒng)由液滴測量裝置、顯示裝置、單片機(jī)系統(tǒng)、滴速控制裝置和報警裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)可實現(xiàn)輸液滴速的實時監(jiān)測和顯示，能滿足護(hù)士端與患者端的無線通信和對患者端的控制；輸液異常時會發(fā)出警示，并支持護(hù)士端遠(yuǎn)程關(guān)閉當(dāng)前的輸液通道。

1.1 液滴測量模塊的設(shè)計

液滴監(jiān)測是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)中，將紅外對管置于滴斗的兩端；紅外接收管的電壓脈沖信號經(jīng)信號處理電路，放大整形成標(biāo)準(zhǔn)晶體管-晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電平信號；采用電壓比較器完成信息處理，輸出對應(yīng)的高、低電平；單片機(jī)依據(jù)這些信號，統(tǒng)計液滴相關(guān)數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)測不到液滴信號時，表示輸液完成。

1.2 滴速控制模塊的設(shè)計

該模塊的作用是利用舵機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。在收到脈沖信息后，驅(qū)使舵機(jī)根據(jù)設(shè)置的方向轉(zhuǎn)移某個設(shè)置的角度，旋轉(zhuǎn)以固定的角度逐步進(jìn)行[2]；系統(tǒng)控制器通過限制脈沖數(shù)量來控制角位移數(shù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，且可通過限制脈沖頻率來設(shè)置舵機(jī)運行的速度與加速度，使舵機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)以改變輸液軟管截面積，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)節(jié)滴速的目的。

1.3 主從機(jī)通信和人機(jī)交互部分的設(shè)計

人機(jī)交互是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入和信息讀取的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用nRF24L01新型單片射頻收發(fā)芯片，在程序中通過設(shè)置導(dǎo)出功率與通信頻道，實現(xiàn)患者端和護(hù)士端之間的數(shù)據(jù)傳輸[3]；采用12864顯示屏幕顯示輸液狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)；當(dāng)輸液完成時，會觸發(fā)蜂鳴器報警，便于護(hù)士了解輸液的實時情況。主從機(jī)交互通信和人機(jī)交互部分的設(shè)計見圖1。

圖1 主從機(jī)交互通信和人機(jī)交互部分的設(shè)計

2 智能輸液系統(tǒng)軟件的設(shè)計

軟件系統(tǒng)是否正常運行關(guān)系著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。主程序通過系統(tǒng)自檢及調(diào)用各子程序模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，隨后執(zhí)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、參數(shù)傳遞、產(chǎn)生控制信號等功能[4]。主程序流程見圖2。

圖2 主程序流程

2.1 液滴檢測程序

通過定時器形成固定的脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）脈沖，當(dāng)液滴滴落時，將發(fā)生外部中斷，記錄每兩個液滴滴落的時間間隔；滴速檢測主要依據(jù)外部中斷來計算，在一定的周期內(nèi)檢測實際滴落的液滴數(shù)。

2.2 滴速控制程序

舵機(jī)可快速完成啟動、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的動作，因不存在累積誤差，其運行過程將不隨負(fù)載改變而發(fā)生變化[5]；通過輸入脈沖數(shù)可準(zhǔn)確控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，待設(shè)定值確定后，通過比較實際值和設(shè)定值，單片機(jī)將確定舵機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)，隨后向舵機(jī)發(fā)送對應(yīng)的脈沖信號，在舵機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中程序會實時查詢滴速，反復(fù)判斷當(dāng)前的滴速是否達(dá)到了設(shè)計要求。

3 智能輸液系統(tǒng)臨床應(yīng)用價值和精度的測評

靜脈輸液是臨床上常用的一種給藥治療技術(shù)。隨著對危重患者救治水平的逐步提高，臨床上對靜脈輸液的輸液總量、種類、速度精度及均勻性等方面都提出了更高的要求?；诖?，本研究對研制的智能輸液系統(tǒng)進(jìn)行了臨床應(yīng)用價值和精度的測評。

3.1 系統(tǒng)性能測評

測評依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：（1）GB 9706.27-2005/IEC 60601-2-24:1998《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-24部分：輸液泵和輸液控制器安全專用要求》[6]；（2）JJF 1259-2018《醫(yī)用注射泵和輸液泵校準(zhǔn)規(guī)范》[7]。采用FLUKE IDA4 Plus輸液分析儀和哈娜好輸液器進(jìn)行流量檢測；在Hydrograph軟件中依次選取流速值為25、50、75、100 ml/h，分別檢測總體誤差百分率、平均流量和瞬時流速。當(dāng)流速值為50 ml/h時，Hydrograph軟件記錄的檢測曲線見圖3～5。

圖3 總體誤差百分率

圖4 平均流量

圖3～5中，實際測得的累計流量和瞬時流速都在設(shè)定值范圍內(nèi)波動，總體誤差百分率為3.2%，符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中對精度的要求。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測評

圖5 瞬時流速

穩(wěn)定性測評包括滴速測控、輸液完成警示、異常狀態(tài)警示及無線傳輸?shù)取Ｕ{(diào)整好智能輸液系統(tǒng)和輸液器的位置后，接通電源，即進(jìn)入輸液過程。當(dāng)輸液完成或人為關(guān)閉滴管夾，滴斗中無液滴滴落時，紅外對管檢測不到信號，終端（患者端）發(fā)出了聲光報警，與此同時，護(hù)士端12864顯示屏顯示輸液完成信息，并觸發(fā)聲光報警。多次試驗表明，患者端和護(hù)士端通信良好，滴速顯示同步，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，誤報率為0。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r提醒陪護(hù)人員及時服務(wù)輸液結(jié)束的患者，輸液完成警示見圖6。

圖6 輸液完成警示

4 小結(jié)

本研究根據(jù)臨床上靜脈輸液存在的實際問題，結(jié)合患者和護(hù)士的反饋，設(shè)計并研制了可實現(xiàn)實時監(jiān)控的智能輸液系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地輸入輸液參數(shù)，利用紅外對管進(jìn)行液滴檢測，由顯示器實時顯示輸液流速，輸液完成時可自動報警，經(jīng)性能測評和風(fēng)險評估，顯示其性能良好且安全有效，方便護(hù)士進(jìn)行輸液管理，從而提高醫(yī)療自動化的整體水平，具有較高的臨床應(yīng)用價值。