一種便攜式智能輸液控制系統(tǒng)的設(shè)計

姚立平，吳新社，唐元梁，譚仲威

（廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所 國家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心廣東省醫(yī)用電子儀器設(shè)備及高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州 510500）

0 引 言

目前臨床上的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)，整個輸液過程中需要陪護人員和護士來執(zhí)行[1-3]。一方面，這種輸液方式雖然簡便容易操作，但輸液速度是靠機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強；另一方面，在輸液過程中陪護人員易疲倦疏漏，為保證輸液安全，護士需要定時巡查，不僅增加了工作負(fù)擔(dān)，而且不利于病房的整體管理[4-5]。針對以上不足，本文設(shè)計了一種便攜式智能輸液控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測當(dāng)前液滴的速度，并根據(jù)設(shè)定的流速自動控制液滴的流速，實時監(jiān)測運行過程中液滴狀態(tài)，具有聲光報警裝置、急停裝置等安全措施以滿足輸液安全需求，上位機與系統(tǒng)使用ZigBee進(jìn)行無線通信，從而能夠在主機端監(jiān)控各個床號的輸液動態(tài)，加強了病房的整體管理。因此，便攜式智能輸液控制系統(tǒng)的設(shè)計提高了護理質(zhì)量，減輕了醫(yī)護人員的工作負(fù)擔(dān)。

1 智能輸液控制系統(tǒng)的基本組成

便攜式智能輸液控制系統(tǒng)主要由滴速檢測單元、滴速控制單元、位置觸點單元、聲光提示單元、語音播報單元、步進(jìn)電機控制單元、舵機控制單元以及移動電源單元等組成，如圖1所示。輸液開始前，將輸液管的茂菲氏管卡在光電對管中間處，并調(diào)節(jié)好旋鈕以固定設(shè)備。滴速檢測模塊用于檢測液滴是否滴下；位置觸點模塊用于在直線步進(jìn)電機運行到上觸點端實現(xiàn)完全壓管，運行到下觸點端實現(xiàn)完全松管，且運行到觸點端，步進(jìn)電機會停止前進(jìn)；聲光提示單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行的聲音及指示燈提示；語音播報單元負(fù)責(zé)播報指定地址的語音內(nèi)容；步進(jìn)電機控制單元負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)直線步進(jìn)電機前進(jìn)或者后退以壓管或松管；舵機控制單元是為了使系統(tǒng)快速壓管或松管；按鍵模塊由四個獨立按鍵組成，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)相關(guān)信息的設(shè)置，開啟或者暫停系統(tǒng)運行；ZigBee無線通信模塊主要負(fù)責(zé)與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理；移動電源模塊由兩節(jié)鋰電池組成，系統(tǒng)具有可充電、便攜的特點。

圖1 智能輸液控制系統(tǒng)的基本組成

2 硬件設(shè)計

2.1 液滴檢測模塊

輸液管的茂菲氏管卡在光電對管中間，使用光電對管檢測液滴是否滴下。經(jīng)過振蕩回路產(chǎn)生調(diào)制脈沖，由發(fā)光管發(fā)射光脈沖，當(dāng)有液滴滴下并經(jīng)過光電對管時，液滴會使發(fā)光二極管發(fā)出的光產(chǎn)生散射，從而光敏接收二極管接收的光強就會減弱，產(chǎn)生的光電流也會減弱[6]。因此，要經(jīng)過后續(xù)的比較電路、放大電路、振蕩電路以及整形電路等，輸出對應(yīng)脈沖，進(jìn)入中斷后單片機檢測到液滴滴下，如圖2所示。

圖2 液滴檢測模塊

2.2 位置觸點模塊

位置觸點模塊的設(shè)計是結(jié)合了結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計，目的是檢測步進(jìn)電機是否在運行過程中到達(dá)了終端。當(dāng)步進(jìn)電機移動到上觸點時，此時上觸點端電平拉低，系統(tǒng)檢測到上觸點為低電平，則步進(jìn)電機停止前進(jìn)運行，系統(tǒng)處于完全松管狀態(tài)；當(dāng)步進(jìn)電機移動到下觸點時，此時下觸點電平拉低，系統(tǒng)檢測到下觸點為低電平，步進(jìn)電機也將停止后退運行，系統(tǒng)處于完全壓管狀態(tài)。

2.3 MCU及外圍電路

系統(tǒng)以STC15W2K60S2系列單片機為控制核心[7]，是一種高速、高可靠、低功耗、抗干擾能力強的微控制器，所含的資源滿足該系統(tǒng)設(shè)計。外圍電路包含有鍵盤模塊、聲光提示模塊、液晶屏顯示模塊、ZigBee無線模塊以及移動電源模塊等。鍵盤電路包含有4個獨立按鍵。其中，keyA為界面的菜單選擇按鍵，可提供床號、流速、流速單位、輸液預(yù)置量以及校滴系數(shù)的選擇；keyB和keyC為功能按鍵，負(fù)責(zé)對選擇的床號、流速、輸液預(yù)置量等數(shù)值進(jìn)行加減調(diào)整；keyD為設(shè)備的運行鍵，具有控制運行、暫停的功能。聲光提示模塊是指系統(tǒng)運行過程中聲音、指示燈的提示，包含按鍵音提示、液滴檢測閃爍指示燈提示以及異常狀態(tài)下的聲光報警。液晶屏主要用于系統(tǒng)的界面顯示。語音模塊主要由NVD80語音芯片、0.5 mW的揚聲器組成，通過對單線不同高低電平時間的控制，實現(xiàn)讀取對應(yīng)存儲地址的語音內(nèi)容。ZigBee無線模塊主要用于輸液系統(tǒng)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，工作在2.4 GHz波段，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等優(yōu)點[8]，從而能夠在主機端監(jiān)控各個床號的輸液動態(tài)，加強了病房的整體管理。電源模塊包含帶USB口的可充電電路，僅需兩節(jié)鋰電池即可提供系統(tǒng)電源，含有的升壓電路將3.75 V電池電壓升壓為5 V。此外，輸出5 V電源電壓經(jīng)過SPX1117電路穩(wěn)壓成3.3 V電源[9]。

2.4 步進(jìn)電機控制和舵機控制單元

輸液速度的調(diào)控由直線步進(jìn)電機控制單元和舵機控制單元組成。其中，直線步進(jìn)電機的軸輪上裝有斜坡滑塊，通過給步進(jìn)電機一定順序的節(jié)拍序列以及控制脈沖數(shù)輸入，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向和線位移量[10]。設(shè)定的流速與實際流速的誤差值為err，如果誤差值err>0，步進(jìn)電機正向前進(jìn)松管，前進(jìn)步長根據(jù)誤差值err進(jìn)行分級粗細(xì)調(diào)控；如果誤差值err<0，步進(jìn)電機反向后退壓管，前進(jìn)步長根據(jù)誤差值err進(jìn)行分級粗細(xì)調(diào)控。舵機電路主要由MG90數(shù)字舵機組成[11]，使用PCA寄存器產(chǎn)生脈沖，使得舵機轉(zhuǎn)動兩個角度。其中轉(zhuǎn)動的一個角度實現(xiàn)設(shè)備的迅速松管；轉(zhuǎn)動的另一個角度實現(xiàn)設(shè)備的迅速壓管，用于系統(tǒng)緊急停止裝置，如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機和舵機控制單元

3 軟件設(shè)計

3.1 滴速檢測子程序

如圖4所示，本系統(tǒng)首先檢測滴速檢測標(biāo)志位runflag是否為0，如果為0，則開始計算設(shè)定液滴數(shù)量為 flowtick、所用時間為mscnt時的滴速。其中，檢測mscnt是否過小，進(jìn)一步檢測滴速是否過快，當(dāng)檢測得到正常的滴速后，將標(biāo)志位proflag置0，從而當(dāng)前的流速計算為 flow1stest =（ flowtick-1）/（mscnt/1 000.0），最后將計時變量 mscnt、計數(shù)變量 flowtick置0，滴速檢測標(biāo)志位runflag置1，開啟下一次的設(shè)定液滴數(shù)計時測速功能。

圖4 滴速檢測流程

3.2 滴速調(diào)控程序

如圖5所示，在控速之前，首先給設(shè)備輸入設(shè)定的流速及單位，該設(shè)備具有“mL/h”和“滴/分鐘”這兩個單位。當(dāng)檢測到有液滴滴下時，系統(tǒng)檢測實際的液滴速度，并判斷是否超過設(shè)定速度，兩者速度的誤差值為err。如果誤差值err>0，步進(jìn)電機正向前進(jìn)松管，前進(jìn)步長根據(jù)誤差值err進(jìn)行分級粗細(xì)調(diào)控；同理，如果誤差值err<0，步進(jìn)電機反向后退壓管，前進(jìn)步長根據(jù)誤差值err進(jìn)行分級粗細(xì)調(diào)控。此外，如果長時間沒有檢測到液滴滴下，則進(jìn)一步檢測設(shè)備是否是無液、阻塞等狀況，從而啟動報警裝置。

圖5 滴速調(diào)控流程

3.3 ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸程序

如圖6所示，系統(tǒng)定時開啟ZigBee模塊，向主機無線發(fā)送設(shè)備號ID、床號B、設(shè)定的流速L、當(dāng)前狀態(tài)S（包括系統(tǒng)的電量、是否無液、流速單位是“mL/h”或“滴/分鐘”、是否阻塞、當(dāng)前是運行或暫停等系統(tǒng)狀態(tài)信息）、當(dāng)前液量Q，并以回車符結(jié)束。上位機接收信息之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，從而獲取了當(dāng)前設(shè)備的相關(guān)信息，了解各個床號的輸液動態(tài)，加強了病房輸液的整體管理。

圖6 ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸流程

4 實驗測試與結(jié)果討論

開始輸液前，使用功能鍵keyA選擇床號、流速、流速單位、預(yù)置輸液量、校滴系數(shù)等子菜單；使用功能鍵keyB和keyC設(shè)置對應(yīng)菜單的數(shù)值，并按下keyD鍵開始輸液，如設(shè)置流速分別為30 滴/分鐘和80 滴/分鐘時的系統(tǒng)運行情況如圖7所示。界面顯示當(dāng)前的床號、設(shè)定的流速、流速單位、已滴液量、剩余量、運行狀態(tài)、靜音狀態(tài)、校滴系數(shù)、無線連接等相關(guān)系統(tǒng)信息。

圖7 輸液系統(tǒng)實際運行情況

本文中分別設(shè)定4種常用輸液速度為30滴/分鐘、50滴/分鐘、80滴/分鐘、100滴/分鐘，每個滴速觀察5次，對實際觀察到的每分鐘滴數(shù)與設(shè)置的每分鐘滴數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1所列。

表1 四種不同的設(shè)定速度的測試比較

通過滴速檢測測試，在較低設(shè)定滴速值即30滴/分鐘和50滴/分鐘下，平均誤差為1.3滴；在較高設(shè)定滴速值即80滴/分鐘和100滴/分鐘下，平均誤差為2.6滴，整體的滴速控制穩(wěn)定可靠；此外，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)阻塞、無液等異常狀態(tài)的監(jiān)測和報警裝置，提高了系統(tǒng)使用的安全性。

5 結(jié) 語

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，整個輸液過程中需要陪護人員和護士來執(zhí)行。這種輸液方式雖然簡便容易操作，但輸液速度是靠機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強；另一方面，護士需要定時巡查，不僅增加了工作負(fù)擔(dān)，而且不利于病房的整體管理。本文設(shè)計了一款便攜式智能輸液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許用戶在輸液前輸入輸液參數(shù)，如床號、流速、預(yù)置量等信息，實時檢測當(dāng)前流速，并對當(dāng)前的流速進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到設(shè)定的流速；此外，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)阻塞、無液等異常狀態(tài)的監(jiān)測和報警裝置，提高了系統(tǒng)使用的安全性。滴速檢測測試結(jié)果表明，整體的滴速控制穩(wěn)定可靠，方便護士進(jìn)行輸液管理，從而提高了醫(yī)療自動化的整體水平，具有較高的臨床應(yīng)用價值。