滲血探針報警器的設(shè)計與實現(xiàn)

李海杰，許春（通信作者）

陸軍第七十三集團(tuán)軍醫(yī)院 （福建廈門 361003）

血液透析是通過血液透析機(jī)將尿毒癥患者體內(nèi)血液引出體外，利用彌散、超濾和對流原理清除血液中的有害物質(zhì)和多余水分，實現(xiàn)腎臟替代治療的過程[1]。因此，提高血液透析過程的安全性顯得尤其重要。在血液透析過程中，患者出現(xiàn)失血的原因包括：動、靜脈穿刺針滑脫；動、靜脈血路管與透析器膜內(nèi)接口連接處未擰緊；頸內(nèi)靜脈或股靜脈半永久導(dǎo)管與動、靜脈血路管引血接口連接處未擰緊；透析器破膜等。血液透析機(jī)雖可通過動、靜脈壓力監(jiān)測、跨膜壓監(jiān)測及滲血探測器監(jiān)測等方式，有效地預(yù)防患者血液在體外循環(huán)時出現(xiàn)失血情況，但當(dāng)動、靜脈穿刺針滑脫較少，且血液透析機(jī)壓力監(jiān)測值仍處于正常范圍內(nèi)時，無法及時報警；又因血液透析過程中，血泵引血速度設(shè)置為200～300 ml/min，患者發(fā)生大量失血的風(fēng)險較高。如果患者比較躁動，在透析過程中頻繁變換體位，將導(dǎo)致穿刺針滑出但未全部脫出，易引發(fā)失血事故，引起醫(yī)療糾紛?；诖?，本研究設(shè)計了一款滲血探針報警器，以降低患者在血液透析過程中發(fā)生大量失血的風(fēng)險，提高血液透析安全性，現(xiàn)報道如下。

1 滲血探針報警器的工作原理

滲血探針報警器的工作原理：當(dāng)患者穿刺部位發(fā)生滲血時，由于血液具有導(dǎo)電性，滲血探針報警器上的2 個探針接觸到血液，觸發(fā)檢測電路，單片機(jī)接收到信號后，輸出報警信號和執(zhí)行信號，使?jié)B血報警指示燈亮起、蜂鳴器長鳴、血路管夾夾閉，以此提示臨床護(hù)理人員患者出現(xiàn)滲血并及時夾住血路管，預(yù)防滲血量過多。當(dāng)護(hù)理人員處置完畢后，按血路管夾復(fù)位鍵，將管夾恢復(fù)原位，患者即可繼續(xù)進(jìn)行透析治療。

2 滲血探針報警器的電子元件

為實現(xiàn)滲血報警功能，該儀器設(shè)計所需的電子元件包括電源、蜂鳴器、LED 指示燈、驅(qū)動電機(jī)、限位開關(guān)、單片機(jī)、滲血探針等。（1）電源：該設(shè)計使用的電源是標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.70 V 的鋰電池，正常工作電壓為3.00～4.25 V。（2）蜂鳴器：該設(shè)計選用SOT 塑封的5 V 電磁式有源蜂鳴器，該蜂鳴器采用以金絲球焊接的多晶片集成電路，性能穩(wěn)定，使用壽命較長，工作電壓為4～8 V，最大直流電流≤30 mA，最小聲壓≥85 dB。（3）LED 指示燈：選擇工作電壓為3 V 的常用ADP8-2S 開孔8 mm 的紅、綠信號指示燈，工作電壓均小于5.0 V。（4）驅(qū)動電機(jī)：該設(shè)計使用直流減速電機(jī)，其因體積小、能耗低和噪音小等優(yōu)點，符合床邊工作條件；且該電機(jī)采用模塊化設(shè)計、裝置密封性好，具有較強(qiáng)保護(hù)性，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，符合血透室空氣酸堿度高的工作環(huán)境；由于直流減速電機(jī)的單次工作行程時間短，采用3 V 的額定工作電壓即可。（5）限位開關(guān)：本設(shè)計選擇接觸式限位開關(guān)，無論何種材質(zhì)，只要接觸開關(guān)的壓力達(dá)到一定值，即可觸發(fā)開關(guān)；接觸式限位開關(guān)采用接點輸出方式，輸出可隨的變化而變化，不會發(fā)生漏電現(xiàn)象；且不會受到相鄰傳感器的影響，輸出穩(wěn)定。（6）單片機(jī)：單片機(jī)具有體積小、能耗低、控制能力強(qiáng)、性價比高和電子使用壽命長等優(yōu)點[3]，故使用單片機(jī)作為報警器處理器。該設(shè)計采用STC12LE2052AD 型單片機(jī)，其相較于其他型號具有運(yùn)行速度快，工作電壓范圍廣、功耗低等優(yōu)點，符合設(shè)計需求。（7）滲血探針：該設(shè)計選擇鋁合金作為探針材質(zhì)，其可塑性、抗拉強(qiáng)度和延伸性能均優(yōu)于銅合金，且具有良好的導(dǎo)電性；成本相較于銅合金或銅低，性價比高[4]，符合設(shè)計使用需求。

3 滲血探針報警器的電路設(shè)計

本設(shè)計的電路組成包括STC12LE2052AD 型單片機(jī)電路、5.0 V 單片機(jī)供電電路、單片機(jī)供電電壓監(jiān)測電路、低電量指示燈電路、有源蜂鳴器電路、滲血報警指示燈電路、血路管夾驅(qū)動電路、血路管夾限位監(jiān)測電路、滲血探針監(jiān)測電路、輸液夾復(fù)位開關(guān)電路、鋰電池及充電模塊電路。該設(shè)計使用STC12LE2052AD 型單片機(jī)進(jìn)行電路控制，通過滲血探針檢測患者血液控制滲血報警指示燈、蜂鳴器、血路管夾的工作。電壓檢測提示單片機(jī)的供電情況；限位開關(guān)和復(fù)位開關(guān)控制血路管夾的開與閉，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 滲血探針報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 單片機(jī)電路

滲血探針檢測到血液，觸發(fā)檢測電路并將信號從PWM0/PCA0/P3.7 端口傳遞至單片機(jī)處理，然后單片機(jī)將執(zhí)行信號從P3.2/INT0、P3.1/TxD 和ADC6/MISO/P1.6 端口分別傳遞至燈光報警電路、聲音報警電路和血路管夾驅(qū)動電路，進(jìn)行報警并夾閉血路管夾；血路管夾驅(qū)動到限位開關(guān)限定的位置時，信號從P3.4/T0/ECI 端口傳遞至單片機(jī)進(jìn)行處理，再通過ADC6/MISO/P1.6 端口將執(zhí)行信息傳遞給血路管夾驅(qū)動電路，使電機(jī)A 停止運(yùn)行。醫(yī)務(wù)人員處理完報警時，按復(fù)位開關(guān)（SWITCH）按鍵進(jìn)行報警復(fù)位，復(fù)位信號通過P3.5/T1/PWM1 端口傳遞至單片機(jī)處理，然后將執(zhí)行信號通過P3.2/INT0、P3.1/TxD 和ADC7/SCLK/P1.7 端口分別傳遞至燈光報警電路、聲音報警電路和血路管夾驅(qū)動電路進(jìn)行報警復(fù)位，當(dāng)復(fù)位到限定位置時，將信號從P3.3/INT1 端口傳遞至單片機(jī)進(jìn)行處理，再通過ADC6/MISO/P1.7 端口將執(zhí)行信息傳遞至血路管夾驅(qū)動電路，使電機(jī)B 停止運(yùn)行。單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)

3.2 電源電路

該設(shè)計選用鋰電池進(jìn)行供電。鋰電池相對于鉛酸電池，能量密度高，使用壽命長、自放電率低，且綠色環(huán)保[5]。電源管理芯片AMS1117-5 是一種輸出電壓為5 V 的正向低壓降穩(wěn)壓器，適用于高效率線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電源穩(wěn)壓器、電池充電器、電池供電的儀器等，電路圖如圖3 所示。為保證設(shè)備正常工作，本研究加入鋰電池電壓檢測及低電壓報警功能，所選擇的單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，無需額外的AD 轉(zhuǎn)換芯片，由于基準(zhǔn)電壓為5 V，故電壓采樣電路使用電阻分壓，見圖4。為能夠及時發(fā)現(xiàn)鋰電池是否需要充電，設(shè)計了紅色LED 燈進(jìn)行電量報警提示，當(dāng)指示燈亮?xí)r應(yīng)及時充電，電路圖如圖5 所示。

圖3 電源電路圖

圖4 鋰電池電壓檢測電路圖

圖5 鋰電池低電量指示燈電路圖

3.3 蜂鳴器及報警指示燈電路

當(dāng)滲血探針檢測到血液時，蜂鳴器可發(fā)出蜂鳴聲，提醒護(hù)理人員，電路圖如圖6 所示。除了蜂鳴器報警之外，為了能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)報警位置，該設(shè)計還加入了燈光報警，提供雙重保險，電路圖如圖7 所示。

圖6 蜂鳴器電路圖

圖7 報警指示燈電路圖

3.4 血路管夾及限位開關(guān)電路

除蜂鳴器和指示燈報警外，為及時預(yù)防滲血量過多，本研究設(shè)計了血路管夾，當(dāng)滲血探針檢測到滲出血液時，應(yīng)管電機(jī)A 驅(qū)動管夾夾閉血路管；當(dāng)報警解除時，應(yīng)管電機(jī)B 驅(qū)動管夾復(fù)位，恢復(fù)正常透析，電路圖如圖8 所示。為確保電機(jī)運(yùn)行到準(zhǔn)確位置，本研究設(shè)計了限位開關(guān)，當(dāng)血路管管夾夾閉到特定位置時，驅(qū)動電機(jī)停止驅(qū)動，電路圖見圖9 所示。

圖8 血路管夾電路圖

圖9 限位開關(guān)電路圖

3.5 復(fù)位按鍵電路

當(dāng)護(hù)理人員處理完報警后，需復(fù)位血路管夾并解除聲光報警，透析機(jī)才能正常運(yùn)行。因此，本研究設(shè)計了復(fù)位按鍵，按下可驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，血管路管夾歸位到限定位置時電機(jī)停止工作，電路圖如圖10 所示。

圖10 復(fù)位按鍵電路圖

3.6 滲血探針電路

滲血探針的作用是當(dāng)患者穿刺點發(fā)生滲血時，探針處會形成電路通路，單片機(jī)可接收到信號，并引發(fā)報警器報警，電路圖如圖11 所示。

圖11 滲血探針電路圖

3.7 鋰電池充電模塊電路

本研究為鋰電池設(shè)計了充電模塊，可無須頻繁更換電池，方便臨床使用。該設(shè)計的鋰電池充電模塊管理芯片為TP4056，其是一款采用恒定電流/恒定電壓的線性便攜式充電器，具有高達(dá)1 000 mA的可編程充電電流、精度達(dá)到±1%的4.2 V 預(yù)設(shè)充電電壓并可在無過熱危險的情況下實現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能，電路圖如圖12 所示。

圖12 鋰電池及充電模塊電路圖

3.8 滲血探針報警器電路

各部件按照電路圖進(jìn)行組裝后，連接組成滲血探針報警器，電路圖如圖13 所示。

圖13 滲血探針報警器電路圖

4 滲血探針報警器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

滲血探針報警器可分為兩部分：一次性監(jiān)測用滲血探針膠貼與報警器盒子主體。

4.1 一次性監(jiān)測用滲血探針膠貼的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一次性監(jiān)測用滲血探針膠貼主要貼于患者穿刺部位手臂，粘膠材質(zhì)采用醫(yī)用熱熔壓敏膠，滿足親膚無害需求。一次性監(jiān)測用滲血探針膠貼結(jié)構(gòu)分為4 部分，如圖14 所示，第一部分為無紡布防塵膠層，主要用于防塵；第二部分為U 形槽壓縮吸水棉層,正反面分別有1 個U 形槽，用于放置2 根滲血探針，可固定探針位置并隔離探針；第三部分為親膚吸水棉層，該部分貼于穿刺部位，固定滲血探針膠貼；第四部分為滲血探針，為能夠監(jiān)測到位，特將探針設(shè)計為U 形，分別置于帶有U 形槽的壓縮吸水棉層中，其夾層厚度為2 mm，可起到及時監(jiān)測并傳導(dǎo)信號作用。使用時，將U 形滲血探針膠貼貼于患者穿刺部位，呈半包裹狀，便于壓縮吸水棉層發(fā)生滲血時第一時間收集血液，當(dāng)吸收到血液時，兩極探針變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，觸發(fā)監(jiān)測電路，實現(xiàn)報警。

圖14 滲血探針膠貼結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 報警器盒子主體設(shè)計

報警器盒子需置于透析單元內(nèi)使用，其表面須按要求采用含氯消毒試劑擦拭消毒，所使用的材質(zhì)須不受消毒試劑影響。報警器盒子主體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖15 所示，血管路夾在報警時能及時夾閉血路管，起到固定血路管的作用。

圖15 報警器盒子主體結(jié)構(gòu)示意圖

5 應(yīng)用效果

通過本研究設(shè)計的電路，將電源模塊、蜂鳴器、LED 指示燈、滲血探針等部件裝配后，將正負(fù)極滲血探針直接連接，形成電路通路后，蜂鳴器可發(fā)出蜂鳴聲，成功實現(xiàn)報警。正常連接其余部件后，將滲血探針分別置于U 形壓縮吸水棉層，貼于手臂對實際情景進(jìn)行模擬，并測試可觸發(fā)報警的滲血最低量。此實驗還需使用20 ml 注射器，以及與人體體液相同電解質(zhì)成分的透析液代，替血液進(jìn)行實驗。將1 ml 透析液滴至U 形壓縮吸水棉層，并以1 ml 為遞增量，逐步遞增直至觸發(fā)報警，繼續(xù)增加2 ml，排除偶然性，進(jìn)行100 次實驗，結(jié)果如表1 所示。由實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)滲血探針膠貼接觸6 ml 血液時，報警率為96%，相較于血泵200 ～300 ml/min 的引血速度，6 ml 的報警值極大降低了患者出現(xiàn)失血的風(fēng)險。

表1 滲血探針報警器觸發(fā)報警滲血最低量

6 總結(jié)

滲血探針報警器在模擬測試中，能夠靈敏地對滲液情況及時預(yù)警，降低了血液透析過程中患者的失血風(fēng)險?？芍貜?fù)使用的報警器盒子主體及一次性滲血探針膠貼的設(shè)計，節(jié)約了使用成本，具有臨床應(yīng)用價值和實踐意義。