静脉输液流速监控装置设计

李宗为，张祥忠

（中国矿业大学 信电学院，徐州 221008）

0 引言

静脉输液是临床医学中一种重要治疗手段，它不仅作为一种给药途径，也是为患者提供体液和营养的直接方式。在很长的时间里，静脉输液一直沿用人工管理的办法[1]，这样不仅会加重医护人员的任务，更有可能因为人员疏忽或输液管阻塞等问题导致患者出现危险。目前在相关方面已有的一些研究存在弊端，如参考文献[2～4]中提出的静脉注射网络监控方法，其局限性在于装置只能进行本地监控或主控机与控制器之间采取有线连接，在灵活性、扩展性等方面存在缺陷；参考文献[5～7]虽提出了动态组网的概念，但是在导管输液控制方面存有不足。本设计提出的一种静脉输液滴速监控装置[8]，填补了上述不足之处，提高了工作效率和安全保障程度。

1 总体设计

静脉输液流速监控装置由主站与从站构成，主站置于医护人员工作室，从站置于病房当中，相互之间使用无线通信，系统的总体架构如图1所示。该装置能够实现主从站无线通信、滴速监控、空瓶报警、输液管闭路等功能，从站对液体滴速实时监测并将结果无线传输到主站显示，主站可通过键盘输入数值反馈到从站，控制从站伺服电机倾角进而实现液滴调速。当从站监测到液面低于警戒时，会向主站发出声光报警信号，并且若在规定的中断时间内未得到答复，将控制伺服电机对导管进行闭路操作以防止血液回流，等待医护人员清除警报。

图1 系统结构图

2 软件设计

2.1 系统功能

设计的静脉输液流速监控装置，要求具备如下性能：

1）能对液滴进行实时测速，并通过矩阵键盘的输入对滴速进行设定；

2）对滴瓶内的液位高度进行监测，当达到报警的液面时，从站能发出报警信号，主机能无线接收到报警信号，并能通过主站键盘输入信号清除警报信息；

3）当报警信息经过预定延时后未被清除时，从站能自动对滴管进行闭路操作，避免血液回流。

主站和从站的软件流程图如图2及图3所示。

图2 主站程序流程图

图3 从站程序流程图

2.2 方案设计

2.2.1 从站滴速及液位监测

对滴速和液位的监测，理论上可选用电容式传感器[9]、红外传感器及光敏传感器等电路，但在实验中发现，电容式传感器虽然具有灵敏度高、稳定性强等优点，但是该电路的安装及测量较为困难；采用脉冲调制的红外传感器线性度好、抗干扰能力强，但却易出现波形采集遗漏的情况；综合考虑灵敏度、稳定性及实用程度，选用光敏传感电路，由高亮发光二极管与光敏三极管组成，经过仿真和实验测试表明效果较好。方案示意图如图4所示。

图4 滴速及液位监测方式示意图

2.2.2 滴速控制方法

在滴斗上方的输液管安装伺服电机控制模块，在电机上装有椭球形控制器，用以对输液管的流量进行调整。对伺服电机输入控制脉冲信号，电机会将此信号与本身发出的负向脉冲信号比对，得出的差值脉冲经放大成为电机的驱动信号，其正负决定了电机的旋转方向。实测滴速与设定值比较，使用PID算法控制电机转动直至比较差值为零。根据实验得出的输入信号与电机旋转位置、转速及力矩等的对应关系精确控制椭球倾角。滴速控制原理图如图5所示。

图5 滴速控制原理图

2.2.3 主从站之间的通信

主站与从站之间的通信选用无线方式，避免有线布线造成的扩展性、灵活性差，线缆布置连接麻烦且易腐蚀老化等问题。使用无线通信模块完成主从站的数据发送与接受，对于距离过长的情况可考虑使用中继器。这种通信方式使装置的应用具有很大的便利性，而且从站的分布可以根据需要进行调整。

3 电源模块电路设计

系统整体采用5V电源供电，使用7805芯片稳压。考虑整流管及7805芯片允许的最小压降和电网10%的波动，对滤波电容的选择以如下计算方式：

故选择C1=4700μF，关闭电源产生的冲击电流由D2放出。电源电路如图6所示。

图6 电源模块电路

4 测速与液晶显示模块实现

4.1 滴速脉冲监测电路

光敏三极管采集得到的电压信号，送入第一级运算放大器中与基准电压进行比较。由于光线瞬时反射、折射方向小范围变化，实验中采集到的波形有两个较大的峰值和少量的杂波，可以通过调节基准电压去除杂波，通过设定恰当的软件延时去除第二个峰值。脉冲监测电路和光敏器件采集的波形图分别如图7、图8所示。

图7 脉冲监测电路

图8 传感电路输出波形

4.2 从站液晶显示及键控电路

LCD1602是可以显示两行，每行16个字符的液晶模块。该装置中，LCD第一行用于显示从站编号及与主站连接情况，第二行显示当前操作。键控电路用于对从站的手动设置，J1、J2、J3、J4分别表示设置、加计数、减计数、确定，步进为4，在警报发生时可通过J4键清除警报信息。

图9 从站显示及键控电路

5 系统测试

在主站打开可视化窗口应用程序，主站与各从站建立连接后，可以看到床位显示、液面实时高度及滴速等信息。主站向从站发送命令，从站能够正常接收并作出相应调整。从站切换为手动控制并更改滴速时，主站能接收到更改信息并发出警报，可以手动清除。实验当中，主站或从站任何一个环节出现问题，都会发出警报，若主站在预定时间内不予回应，从站能够自动驱动伺服电机对输液管进行闭路操作。

6 结束语

设计的静脉输液流速监控装置，使用ATmega16单片机作为主控单元，主站与从站之间以无线方式通信，对液面高度、滴速进行监视并通过伺服电机控制滴速。经过仿真与测试表明，所设计的系统能够较好地完成预期的功能，系统具备较高的灵敏度和可靠程度，能满足临床输液监控的需要，提高了人员工作效率。

[1] 刘振峰.滴速监控仪的研究与实现[D].太原:太原理工大学,2008.

[2] 叶战波.一种基于AT89C52单片机病床呼叫和输液监控系统[J].制造业自动化,2011,(5):207-209.

[3] 王礼广,胡解生,熊东平等.基于RS-485的静脉注射网络监控系统的设计与实验[J].南华大学学报(自然科学版),2009,(4):74-78.

[4] 张玉.无线通讯式输液监控系统的设计[J].制造业自动化,2012,(5):136-139.

[5] 周文真,张文昭,刘爱林等.基于CAN总线和无线技术的输液网络监控系统[J].电子设计工程,2011,(3):4-6.

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[8] 瞿犇.基于无线网络的智能输液控制系统的研制[D].南京:南京航空航天大学,2011.

[9] Ogawa,Hidekuni,etc.A new drip infusion monitoring system[A].47th Annual Rocky Mountain Bioengineering Symposium and 47th International ISA Biomedical Sciences Instrumentation Symposium[C].Los Angeles.2010.92-97.