基于单片机的双通道静脉输液装置的设计

黎海涛　郭文旭　宋守团



基于单片机的双通道静脉输液装置的设计

黎海涛①白求恩国际和平医院医学工程科 河北 石家庄 050082郭文旭①宋守团①

[摘要]目的：设计一种可自动换液的装置，以使医院患者静脉输液时换液及时，保证治疗效果。方法：采用传感器定时采集双通道输液瓶的输液信息的方法，提前将2瓶无配伍禁忌的液体悬挂于该装置上，开始输液时一通道导通，双通道阻断，通过传感器定时采集一通道输液瓶的输液情况，当输液完成时，阻断一通道，导通二通道，开始输液；传感器定时采集二通道输液瓶的输液情况，当输液完成时，阻断二通道，鸣音提示。结果：该装置可在静脉输液时自动换液，整个换液过程无需专人看守，实现静脉输液自动化。结论：双通道静脉输液装置可有效克服静脉输液时的换液不及时现象，从而减轻医护人员的工作负担，提高工作效率，降低医疗风险，具有临床推广价值。

[关键词]静脉输液；单片机；换液

[First-author’s address] Bethune International Peace Hospital, Shijiazhuang 050082, China.

静脉输液是临床医疗工作中常用的有效治疗手段之一。在患者的静脉输液治疗过程中，多数医院仍采用传统的护士手动换液的方式。由于部分患者因输液组数多、陪护人员过于疲劳等原因出现换液不及时的现象，导致空气进入血管内形成空气栓塞及凝血堵针头的情况发生，尤其在夜间，这一现象会更加突出。由于换液不及时，轻则延误患者治疗，重则导致医疗纠纷。因此，研制一套可靠性高、成本低的静脉输液自动换液装置，实现换液工作自动化显得尤为重要[1]。为此，本研究设计一种可自动换液的双通道静脉输液装置，以减轻医护人员的工作负担，提高工作效率，降低医疗风险的发生率。

1　自动换液装置的设计思路

本研究设计的自动换液装置采用美国ATMEL公司的AT89S51单片机为处理器，通过传感器监测输液完成情况，进而决定何时切换输液管道。AT89S51是一种CMOS型单片机，该单片机体积小、功耗低及性能稳定，具有8 KB的片内ROM和256 B的片内随机存储器(random access memory，RAM)，适合实时控制系统，可满足本系统的需求，避免外部扩展而带来的诸多不便[2]。在开始输液前将2瓶无配伍禁忌的液体挂于输液架上，2瓶液体使用一根双头输液管与患者相连。初始阶段自动换液装置会同时阻断2个通道输液管的液流。输液开始时仅松开一通道输液管，使其开始输液，并记录下初始输液时间。当单片机监测到一通道输液完成时，蜂鸣器报警并阻断一通道输液管；同时松开二通道输液管，使其开始输液，并记录下切换时间。当二通道输液也完成时，阻断二通道输液管，记录下输液完成时间；同时蜂鸣器报警，提醒医护人员做进一步处理[3]。

2　自动换液装置的基本结构

主要由记时模块、液滴监测模块、控制模块及通道切换模块4部分构成，外围器件包括数码管、按键及蜂鸣器等，系统结构如图1所示。

图1　自动换液装置系统结构框图

2.1 记时模块

自动换液装置中记时模块的主要功能是记录并显示当前时间、输液开始时间、切换时间及输液完成时间。其中，切换时间既是一通道的完成时间，又是二通道的开始时间。4个时间通过4个4位数码管显示，为了便于区分，当前时间采用红色数码管显示，其余时间采用绿色数码管显示[4]。

记时模块采用美国DALLAS公司的DS1302时钟芯片为记时芯片，DS1302是一种高性能、低功耗及带RAM的经典实时时钟电路，可对年、月、日以及周日、时、分和秒进行计时，并且具有闰年补偿功能，其工作电压为2.5～5.5 V。DS1302记时芯片采用三线接口与单片机进行同步通信，即SCLK(pin7)、I/ O(pin6)和RST(pin5)，如图2所示。

图2　DS1302记时芯片封装图

2.2 液滴监测模块

监测输液情况使用液滴监测模块，其主要功能是监测输液完成与否，进而决定是否切换输液通道。由于本系统为近距离监测，且红外光波长比可见光的波长更长，可极大减少可见光对信号检测的影响，因此采用红外发光二极管和接收管组合完成液滴信号检测[5-6]。采用红外发光二极管构成的检测探头，具有电路设计简单、性能稳定可靠以及响应速度快等优点，其原理是利用液体与气体的折射率不同，使得同一光源的光在输液管道内有无液体时产生不同的折射角度，使光接收器件接收到光信号的强弱也不同，从而产生不同程度的高、低电平，用以判断输液是否结束[7]。若输液结束则会在AT89S51单片机的Pin14上产生外部中断T0，单片机则驱动步进电机进行通道切换(如图3所示)。

图3　入射光线折射示意图

2.3 控制模块

控制模块是整个装置的核心，采用美国ATMEL公司的AT89S51单片机作为处理器，其主要功能是通过DS1302时钟芯片采集的时间信息驱动数码管而显示各时间，采集监测模块的信息判断输液是否完成，当输液完成时蜂鸣报警，并驱动步进电机对输液管进行夹紧或松开进而完成输液通道的切换，整个输液过程完成时蜂鸣报警，提醒医护人员做进一步处理[8-9]。

AT89S51单片机具有完整的输入输出、控制端口以及内部程序存储空间，可以通过外接A/D，D/ A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或液晶显示器(liquid crystal display，LCD)及外接按键实现人机交互，能够对其内部众多I/O端口连接步进电机并对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力，且开发环境方便、高效，开发语言可使用汇编语言或C语言[10-12]。AT89S51单片机的封装如图4所示。

图4　 AT89S51单片机封装图

2.4 通道切换模块

通道切换模块的功能是完成输液通道的切换，当单片机监测到某通道输液结束时，控制步进电机正转或反转带动夹持器夹紧某通道输液管，阻断其液流，同时放松另一通道输液管，使其开始输液，从而完成输液通道的切换过程。

3　自动换液装置的应用

自动换液装置的设计以AT89S51单片机为控制核心，结合光电检测技术和步进电机控制技术，实现静脉输液过程中的自动换液，可减少护理人员的工作量，提高工作效率，降低医疗风险[13]。此外，单输1瓶液体时还可将本装置作为输液监控装置使用，输液结束时可及时阻断液流，有效防止意外发生。在输液过程中无需专人值守，输液结束时蜂鸣报警并记录显示输液结束时间，提醒护理人员做进一步处理[14]。

目前，医院住院患者的静脉输液多采用人工看护、护士手动换液的方式，而本研究设计的自动换液装置具有灵敏度高、性能稳定等优点。实现换液自动化，可有效降低护理人员的工作强度，在提高医院的服务水平和服务质量的同时，降低输液过程中的各种隐患，减少输液过程中出现的医疗事故，杜绝医疗纠纷，提高医院的社会效益和经济效益，对保障人民身体健康，促进医疗卫生事业的发展具有积极的意义。

我国目前正在步入老龄化社会，老年人住院时往往需要家属陪床，陪床的一项重要任务则是提醒护理人员换液。自动换液的装置的应用可使换液更加及时，降低陪护工作强度、减少陪护人员数量[9]。

4　结论

本研究的设计为双通道换液装置，根据不同需求换液装置还可设计成多通道。但无论多少通道，定要检查相邻2瓶液体间有无配伍禁忌，无配伍禁忌方可接瓶。此外，即便可以自动换液，护理人员仍需严格遵守《静脉输液管理规范》的相关规定，切实落实巡视制度，主动定时巡视输液患者，观察有无非正常情况以及不良反应，并及时作出相应处理。

基于单片机的可自动换液的双通道静脉输液装置，有效克服了静脉输液时的换液不及时现象，使换液更加及时，从而减轻了医护人员工作强度，提高了工作效率。输液完成时能够自动阻断液流，记录并显示输液完成时间，能够保证输液的可靠性，提高患者静脉输液的安全性[15]。同时，双通道静脉输液装置的应用可降低医疗风险，减少医疗纠纷，适用于各级医疗卫生单位，具有很大的临床推广价值。

参考文献

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Research on MCU based dual channel venous transfusion device design/LI Hai-tao, GUO Wen-kun, SONG Shou-tuan// China Medical Equipment,2016,13(1):19-21.

[Abstract]Objective: To design automatic infusion device for changing fluid in time, and ensure the treatment effect. Methods: Two bottles of liquid without compatibility taboo suspension in advance on the device, when started conduct channel 1, block channel 2, through a sensor acquisition channel of transfusion bottle infusion, when the infusion is finished, blocking channel 1, conduct channel 2, begin to infusion, the same sensor timing acquisition two channels of the infusion bottle infusion, transfusion is complete, blocking two channels, singing sound prompt.

Results: This design can realize automatic in liquid intravenous fluids, the whole process automation in liquid without personnel guards. Conclusion: This design can effectively overcome the phenomenon that intravenous infusion in fluid not in time to reduce the work burden of nursing staff, improve work efficiency, reduce the medical risk, has great clinical value.

[Key words]Intravenous infusion; Singlechip; Change fluids

收稿日期：2015-10-21

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.006

[文章编号]1672-8270(2016)01-0019-03

[中图分类号]R197.39

[文献标识码]A

作者简介
黎海涛,女,(1978- ),硕士，助理工程师。白求恩国际和平医院医学工程科，研究方向：医学工程。