一种电子输液报警器的研制

郭雪涛，王　恺，王　茜，严一民

一种电子输液报警器的研制

郭雪涛，王恺，王茜，严一民

目的：针对现有医用输液报警器的一些实际应用缺陷，研制一种新型成本低廉、安全可靠的电子输液报警器。方法：该报警器包括传感模块、控制模块、报警模块及直流电源模块；采用集成运算放大器放大悬臂梁传感器输出的电压信号，由NE555定时器来控制报警时机,报警时的液体质量设置为输液瓶与瓶中液体总质量的10%。结果：该装置可以在剩余液体质量为总质量10%左右时报警，并且针对目前市面常见的3种输液瓶，设计有3个不同的挡位。结论：整个装置原理易懂，便于医护人员装配使用与维护；成本较低，可较好地满足广大人群的医疗需求，并且体积小，耗电少，便于医院固定使用，可在各型医院、诊所推广使用。

输液；压力；报警器

0　引言

当患者在医院输液时，一般需要护士或家人的看护。然而，输液的时间一般较长且医院事物繁多，难免会经常出现人手不够的状况。若没人看护，在输液过程中患者要时刻担心输液进程，这样会给患者造成很大的精神压力，使其无法在输液的时候得到很好的休息。虽然不及时拔输液针不会带来生命危险，但是出现的静脉回血现象会给那些不具有医学基本知识的患者带来一定的惶恐，影响医院的正常工作。电子输液自动报警器可以在液滴减少到一定量时及时发出警报，提示看护人拔掉输液管，减轻了患者和陪床者的负担，并提升了医院护理管理水平，加快了现代化进程。

目前，市场上已经出现了许多种不同原理和配置的输液报警器，归纳起来主要有3种原理：一是光电原理；二是称重原理；三是液滴计数原理。

另外还有2种应用得不是特别广泛的原理：（1）电极导电原理。因为药液具有导电性，当药液用完后，导电性消失，从而实现检验输液瓶内药液是否用完的目的。毫无疑问，使用此方法成本较低，不过存在一定安全性隐患，比如当药液通电后是否会影响其药性，另外每次使用电极都要进行消毒的工作过于繁琐，所以这种方法也只是停留在理论层面，无法形成生产力。（2）超声波传感器原理。但是基于该原理的装置不仅价格昂贵，而且需要进行复杂的安装调试，且可靠性也得不到保障[1]，因此在静脉输液的液滴检测中难以得到广泛的应用。

1　报警技术原理

1.1光电原理

利用光电非接触式探测药滴的动态变化情况，触发电路工作，即在瓶子的底部或滴管缓冲瓶处装上光电设备，当没有液体时设备会产生电信号。利用这种方法制成的电子输液报警器的工作原理有2种：一种是在莫菲氏管内增加浮球；一种是利用输液管里有无药液时光线折射率的变化来控制报警器工作。由第一种原理制成的报警器制作与安装不便利，也不卫生。由第二种原理制成的报警器探测手段过于精细，具有不易安装、传感器容易脱落的缺点，以至于安装不到位导致无法正确报警；并且能应用于输液报警的光电式传感器造价一般都比较昂贵，对测量的环境条件要求较高，容易受到外界的影响而出现误报，造成不必要的危害。

2　设计

2.1总体结构

该电子输液自动报警器的总体结构如图1所示，共包括4个模块。

图1　电子输液报警器结构图

2.1.1传感模块

包括固定在壳体内顶部的压力传感器及固定于传感器底部的悬挂输液瓶的挂钩。

2.1.2控制模块

与所述压力传感器电性连接，包括将传感器传入的电压信号进行放大的运算放大器、将运算放大电压信号变换成为阶跃信号以产生跳变的阈值报警电压的定时器及控制量程的量程调节模块。

2.1.3报警模块

与所述定时器电性连接以将所述报警电压转换为报警信号，包括并联的发光二极管和蜂鸣器。

2.1.4直流电源模块

分别给压力传感器、定时器、运算放大器供电。

2.2各模块硬件组成及电路设计

整个报警器电路分为3个部分：感受部分、控制部分、报警部分。直流电源模块为这3个部分提供工作电压。装置简易内部结构如图2所示，内部电路如图3所示。

2.2.1集成传感部分

该部分主要由壳体和传感器模块构成（如图2、3所示）。

图2　电子输液报警器简易装置内部结构图

图3　电子输液报警器内部电路图

压力传感器为750 g微型电阻桥式称重传感器，传感模块固定在装置壳体顶部，这样可以较好地排除装置本身的质量对传感器质量感受的影响，让传感器只感受吊瓶的质量变化。传感模块主要由压力传感器和与之配套的塑料板组成，压力传感器的两端分别固定塑料板，用螺钉将传感器两端悬臂梁式地固定在上下2块塑料板之间。2块塑料板既起到了安装和固定传感器的作用，也达到了使传感器受力精确、传感灵敏的目的。2块薄塑料板保证压力传感器有良好的稳定性且受力均匀，使受力随质量变化近似线性输出，从而提高报警的精度。下置的挂钩用于悬挂输液瓶。输液瓶的质量变化会被压力传感器感受并输出随输液瓶质量变化的微弱电压信号，通过传感器本身自带的输出信号导线将随压力变化而变化的微小电压信号传入后一级控制模块。

2.2.2控制部分

控制部分即控制模块（如图1所示）由运算放大器、可调旋钮电阻电路和NE555定时器3个部分构成（电路如图3所示）。

利用集成运算放大器和相关电阻搭建成深度负反馈电路来控制电压的放大倍数[3]，将传感器输出的微弱电压信号进行放大。

在运算放大器的反馈电路部分接单刀多掷旋转开关，如图3所示，每个旋转触点接不同阻值的电阻，通过调节电阻的阻值来调节运算放大器的电压放大倍数，从而使得运算放大器输出的电压信号为放大了特定倍数的电压信号。在壳体的外部设有与所述旋转开关连接的旋转到不同位置对应不同报警量程的旋钮（如图2所示），方便使用人员调节量程。

经运算放大器放大的电压信号通过导线传入用NE555定时器搭建的类似施密特触发器电路的信号输入端。施密特触发器可以将经过放大的、微小变化的电压信号整形变换成阶跃信号，生成逻辑“0”和逻辑“1”，简单地完成A/D转换，产生跳变的阈值报警电压[4]。我们所使用的NE555定时器属于双极型，该型号的定时器驱动能力强，完全可以驱动报警部分正常工作。

逻辑“1”的出现时刻即报警部分工作的时刻。由于阈值报警电压在装置工作中不会变化，因此运算放大器部分通过不同阻值调节电压放大倍数来控制运算放大器的输出电压以达到阈值报警电压的时间间隔，从而相当于设置了不同量程的报警液体质量，达到对应不同液体质量报警的效果。阻值与报警液体质量的对应关系由多次试验测量进行拟合推出经验公式。

2.2.3报警部分

报警电路由蜂鸣器和闪光灯并联构成（如图2、3所示）。蜂鸣器和闪光灯设置在壳体的外部，当输液完成的时候，报警效果更加明显。

NE555定时器的输出端输出由控制部分产生的阶跃电压信号，串入报警电路。当逻辑“1”出现的时候，此电路工作，二极管变色闪烁，蜂鸣器鸣响报警，提醒患者更换输液瓶。

2.2.4直流电源模块

直流电源模块如图3所示，包括2个电池盒、电源稳压装置和电源指示灯。电量充足的时候，指示灯会一直亮；当电量不足的时候，指示灯熄灭，可以提醒相关人员更换电池。直流电源模块为5 V直流电源，给所述压力传感器、定时器、运算放大器供电。

3　工作流程及使用方法

依照上述原理搭建电路，在实验室条件下，制作完成了一个具有完整报警功能的实验样机，其工作流程如图4所示。

图4　电子输液报警器工作流程图

用户首先根据输液瓶（袋）规格通过多控开关设置报警质量，在装置的挂钩处悬挂输液瓶，再按下总开关，直流电压稳压模块对整个装置供电。输液瓶开始滴液，液体质量变化，与吊瓶挂钩牵连的传感器受力随之改变，输出微弱的电压信号到运算放大器。运算放大器根据起初多控开关设置的挡位对传入的电压进行相应倍数的放大。经过放大的电压信号传入NE555定时器，由NE555定时器构成的施密特触发器电路对电压波形进行整形变换，变为阶跃信号后传入报警电路。报警电路对传入的阶跃信号进行判断，对于逻辑“0”，报警电路不工作，返回滴液状态；对于逻辑“1”，报警电路导通，蜂鸣器响起，闪光灯闪烁，装置报警。用户得知输液完毕，关掉总开关，取下空的输液瓶，报警器完成一次输液报警，结束。如果要再次使用本装置，则再次重复上述步骤。

4　数据分析

我们利用实验样机做实测实验得出实验数据。实验中，我们选取了8组不同阻值的电阻，对其报警质量做了多组实际测试，得出的平均值及相对误差见表1，曲线图如图5所示。

依据概率论与数理统计知识，我们对实测的数据做以下理论分析：

设电阻值为x（单位为kΩ），报警时液体质量为y（单位为g），则有

表1　电子输液报警器样机实验数据

图5　电子输液报警器样机电阻值与液体质量关系曲线图

实验测得8组数据，故R取8，则有

当显著性水平α=0.05时，

R（n-2）=R（6）=0.707＜0.992 4

当显著性水平α=0.01时，

R（n-2）=R（6）=0.834＜0.992 4[5]

可见，不管取哪个显著性水平，本实验计算出的R值均大于理论值，故可得出本实验所测出的电阻值与报警时液体质量呈显著线性相关[5]。

由Matlab拟合出的经验公式为y=-0.299 7x+ 417.434 6。

上述数据分析为我们研制的输液报警器能够更好地应用于实际作出了理论性的指导。

5　实际应用效果

根据目前医用的输液瓶种类及容量，我们给出与之对应的可调电阻值，在误差允许范围内对公式计算值进行近似，用近似值进行实验测量，所得实测数据及相对误差见表2。根据一般常识，我们取剩余液体质量为输液量的10%时，报警器报警。即

剩余液体质量=输液质量×10%

报警时总质量=剩余液体质量＋输液瓶质量

表2　输液报警器理论值与实测值及相对误差

由表2我们可以看出，当报警总质量分别为27、46、79 g时，我们所制作的报警器分别在总质量为28、46、78 g时报警。从以上的比较中不难看出，我们的电子输液报警器在报警精度上完全可以满足不同规格输液瓶的需求，普适度高，可靠性强，适合大量推广。

6　应用效果分析

输液报警器的应用目的在于将输液完成的时刻明晰地反映给陪护人员，让其做出适当的反映动作。本文的电子输液报警器从上面的实际效果来看，的确将报警时刻精准地表现了出来，达到了输液报警器的基本使用要求。

在此基础上，本装置还具有其他输液报警器不具有的诸多优点：

（1）将压力信号转变为微弱的电信号来获取吊瓶的压力变化，从根本上避免了其他感应方式的诸多缺陷。

（2）采用压力传感器进行制作，原理简单，受外界声、光、电、磁等物理干扰因素影响较低，误差小。

（3）控制模块电路集成在PCB板上，便于分装。

（4）利用电阻分压使报警时液体质量可调，因此可针对不同药瓶规格设置相应的阈值，更人性化。

7　结语

本装置是以制作成本低廉、原理简单、操作简便为宗旨而设计，便于推广，易于调试，具有很好的应用前景。针对我国护患比例严重失调的现状[6]，本装置希望在一定程度上能减轻护士的工作量，使护士在输液护理中能够更方便地观察病情，更好地服务于输液患者，缓解因护患比例失调引起的输液护理不完善的矛盾，同时也能缓解输液患者输液时的紧张心理，让他们安心休息。

[1]钟朵莉.医院输液监控系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学，2012:3-4.

[2]袁侨英，肖利，曾冬梅.一种可重复使用的声光输液报警器的研制[J].医疗卫生装备，2014，35（4）:40-41，49.

[3]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社，2012:274-284.

[4]John F.Wakerly digital design principles and practices[M].4th ed. Beijing:HEP，2012:89-90.

[5]徐全智，吕恕.概率论与数理统计[M].2版.北京:高等教育出版社，2004:203-212.

[6]黄美霞，严潭.输液自动报警器的研制与应用[J].医疗卫生装备，2013，34（1）:38-39.

（收稿：2014-10-02修回：2015-01-18）

Development of electronic infusion alarm system

GUO Xue-tao,WANG Kai,WANG Xi,YAN Yi-min
(School of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

Objective To develop an electronic infusion alarm system with low cost and high safety and reliability. Methods The system was composed of modules of sensor,control,alarm and DC power supply.The integrated operational amplifier was used to amplify the voltage signals from the cantilever sensor,and NE555 timer controlled the system give out alarm when 10%liquid remained in the bottle.Results The system could alarm when 10%liquid remained in the bottle,and three gears were designed for the common infusion bottles in the market.Conclusion The system is easy to operate and maintain,and thus can be popularized in all hospitals and clinics.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：23-26]

infusion;pressure;alarm

[中国图书资料分类号]R318.6；R197.39A

1003-8868（2015）05-0023-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.023

电子科技大学大学生创新创业训练基金资助项目（KC201303）

郭雪涛（1994—），男，主要研究方向为应用物理与电子技术，E-mail:uestc-gxt@foxmail.com。

610054成都，电子科技大学物理电子学院（郭雪涛，王恺，王茜，严一民）

1.2称重原理

现有的输液报警设备大都是采用由液体质量的变化引起弹簧伸长量的变化来控制报警的原理，但这种方法受弹簧弹性限度变化的影响，不利于长时间使用。

1.3液滴计数原理

对于应用液滴计数原理制成的输液监控器，每毫升药液的滴数与药液的渗透压有关，且静脉输液针的型号也对每毫升药液的滴数有影响，因此使设备过于精细，应用较少，目前尚没有完善的应用该原理的输液报警器[2]。

针对上述现有技术的缺点，本文设计了一种新型电子输液自动报警器。