无线输液报警器的设计与研制

严一民，郭乃豪，余尔聪，李 盟，王迎初，俞眉孙

静脉输液在医疗中应用广泛,输液在接近结束时,需要医护人员及时将针管拔下,但目前没有一种高效率的系统来解决提示医护人员适时操作,由此造成了很多不必要的负担[1]。

针对上述情况,在已有电子输液报警器的基础上设计了一种新型的无线输液报警装置,在药液即将输完时,能够在较远距离准确地呼叫医护人员及时更换药液或终止输液过程,有效地减少了医护人员和患者之间的医患纠纷。

1 无线输液报警器的概况

1.1 基本原理

利用称重原理对输液装置进行监测,使用压力传感器根据药物重量变化来判断药液是否已经输完或输到所需液量,若总液量达到报警要求时,报警器通过发射装置发送到医护人员携带的接收终端,从而报警,提醒医护人员前去为该患者处理。

1.2 技术对比

市场上目前存在的输液监测装置有3种。

1)基于光电原理：在管侧上装光电检测装置,检测管内折射以及液面变化而报警。但是它容易受到干扰而产生错误信号[2]。

2)基于称重原理 (或扣重、测重)：根据药物重量变化来判断药液输完与否；但该装置探测粗放、体积偏大,其准确性、可靠性和适应性不高[3]。

3)基于电容原理：输液管侧装置检测药液是否输尽。药液输尽时发出信号,当输液管中药液液面流过此区域时,将因电容器介质改变而报警；但抗干扰能力弱,应用较少[4]。

光电与电容原理的报警器都存在需要在输液管上夹持装置从而存在检测过晚的隐患。除此之外,我们观察到市场上少有无线输液报警器,且少量带无线功能报警器也存在成本过高、传输距离短、不稳定等缺陷。

1.3 PT2262、PT2272无线传输模块

通过对比本文选择基于称重原理设计的无线输液报警器,针对其存在的诸多缺点进行了合理的设计与改进,提高了灵敏度,对装置外观的工艺设计使之便于携带,并创新性地提出了利用PT2262、PT2272模块进行无线传输,实现了远程点对点的报警显示,另增添了报警时输液者端和护士端均报警的人性化双向设计。这种设计精简了电路,无线传输的成本也比其他常见的无线传输装置更低。电路简单,成本低廉,便于携带。

2 主要模块与工作原理

2.1 电路结构示意图

1)发射端电路图如图1所示。

图1 发射端电路

2)接收端电路图如图2所示。

图2 接收端电路

2.2 基本流程图

装置系统电路工作流程,如图3所示。

图3 装置系统电路工作流程

2.3 模块介绍

2.3.1 发射模块

1)传感模块——压力传感器及工作原理。

采用微型电阻桥式称重传感器,灵敏度0.7 mV/V±0.1,最大可悬挂重物为750 g(输液瓶一般最大为500 ml),压力传感器内部为惠更斯电桥[5],电阻片由于压力的作用发生形变,阻值发生变化,从而产生相应的差动电压,产生信号输出。

压力传感器内部电路与原理图如图4所示。

图4 压力传感器工作原理图

为了减少传感器自身重量对于产生差动电压的影响,将传感器用塑料板固定在外壳上,然后粘贴挂物钩来挂输液瓶。

2)量程选择模块。

由单刀四置开关对应选择4个不同阻值的电阻,根据阻值决定输入信号被放大的倍数。所以4个阻值不同的电阻可以实现对信号的控制,此为粗调,对应所装液体的密度大小,如氯化钠溶液或蛋白等。在压力传感器的负输出端接有电位器,可以进行细调,对应报警量程,如10 ml或100 ml,或其他量程时报警。可满足在实际情况中各种医院环境。

3)直流电源模块。

由电池盒实现电流的输入,电池供电方便,成本低,灵活,更适用于多元化的输液环境。

4)运放模块。

压力传感器输出的差动电压比较微弱,利用运算放大器,将压力传感器产生的信号放大。

5)转换模块。

利用555定时器实现模拟电路信号到数字电路信号的转换与数字信号输入,同时作为自动开关控制后续电路[6]。

2.3.2 无线传输模块

1)PT2262、PT2272元件介绍。

无线输入在对比市面上常规方案后,本文采用了PT2262和PT2272-M4(文中PT2272均指PT2272-M4)来实现。PT2262、PT2272具有低功率、低成本,可通用编码的特点。而且由于PT2262、PT2272可以实现编码匹配,只要将发射端的PT2262进行不同编码,那么在PT2272的接收端,就能识别信号是由具体的哪个发射端发出,可以实现一对一、多对一、多对多的不同需求,完全满足实际生活中的要求。

2)编码原理及匹配电阻。

表1 管脚介绍[3]

a.编码原理

PT2262与PT2272的地址码完全一致匹配后,PT2272就会输出和PT2262一样的4位数据码。编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字,解码芯片PT2272接收到信号后,其地址码经过两次比较核对后,VT脚才输出高电平,与此同时相应的数据脚也输出高电平,如果发送端持续供电使其工作,编码芯片也会连续发射信号。当17脚为高电平时,电路起振并发射等幅高频信号,电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号[7]。

b.匹配电阻

PT2262、PT2272需要搭配对应的振荡电阻,振荡电阻不同其对应的振荡频率不同。两者的振荡电阻阻值要相匹配才能实现无线传输。振荡电阻越大,功率越大,发码越慢,其传输距离越远,传输信号越可靠。若振荡电阻不匹配,可能无法正常工作。

现在常见的匹配电阻有 5种：1.2 MΩ/200 kΩ,1.5 MΩ/270 kΩ,2.2 MΩ/390 kΩ,3.3 MΩ/680 kΩ,4.7 MΩ/820 kΩ。 本文无线输液报警器采用的匹配电阻为4.7 MΩ/820 kΩ,工作频率为315 MHz。

c.元件优点

常规进行无线传输的方法有红外、蓝牙、短信基站、WiFi等。红外、蓝牙传输距离较短有局限性,市面上常见的相关元件一般有效传输为10 m,而短信基站和WiFi相对元件电路复杂,又容易受外界信号干扰,不适合在实际医院中使用。

PT2262、PT2272成本低、功耗低、外部元件少、电路相对简单,传输信号稳定,较适合实际工艺生产与应用。

2.3.3 接收模块

在发射端 (输液患者端)和接收端 (护士端)均连接有放光二极管和蜂鸣器进行报警,并根据电压,输液完成时在两端均有显示。

3 主要工作流程及工艺设计

3.1 元件整体外观构图

1)发射端与输液装置配置如图5所示。

图5 输液装置结构示意图

2)接收端信号处理装置外观

图6 用户终端显示外观示意图

3.2 主要工作流程

根据输液需求,选择对应量程挡的电阻与电位器,在与压力传感器相连的装置上挂上带有输液液体的输液瓶,开启直流电源供电,压力传感器产生差动电压,输出差动信号,由运算放大器进行放大[8],再经过555定时器,判断其输出。若输出为0则不进行报警；若输出为1,则连接的蜂鸣器和发光二极管进行报警[9]。PT2262进行无线信号的发射,一段距离外的PT2272接收无线信号,对应识别编码,显示是哪个发射端在进行报警。

图7 输液装置报警工作流程

4 报警数据测量及数据分析

1)滴液瓶与液体的质量和压力传感器输出电压的关系。

表2 相关参数值数据分析

利用Matlab拟合曲线为y＝0.064 4+0.005 5x；误差平均值为1.96[10],拟合情况如图8所示。

图8 数据拟合曲线

误差属于允许误差范围,可以证明质量与压力传感器输出电压呈线性关系,所以可以利用压力传感器的输出电压来检测输液情况。

2)报警质量与量程选择电阻的阻值关系。

表3 相关参数数据分析

利用 Matlab拟合出曲线为 y＝42.424 8-0.006 9x,误差平均值为0.10%,拟合情况如图9所示。

图9 质量/电阻值数据拟合曲线

误差属于允许范围内,可以证明质量与电阻呈线性关系,根据曲线公式即可选择所需的报警量程。

3)PT2262、PT2272的最远传输距离。

表3 模块测试参数

最远传输距离的平均值为46.5 m,传输距离较远,更加适应多变的输液环境。

依据电磁波辐射原理,电磁信号可以对墙体以及普通非金属物具有穿透能力,因此,该装置在有障碍物阻挡情况下,也能够正常工作。虽传输距离有一定衰减,但总体不会对报警器装置的工作性能产生影响。

5 硬件装置

硬件装置如图10和图11所示。

图10 无线输液报警器发射端装置

图11 无线输液报警器用户接收端装置

6 结束语

无线输液报警器可以实现自动报警、无线传输、量程选择、双向报警、点对点报警的等人性化的功能[11],患者不需要专人陪护,在很大程度上也减轻了护士的工作量。

本装置无论是压力传感还是无线传输部分都比较灵敏,受外部影响小,有一定的抗干扰能力。本装置小巧轻便,成本低廉,报警灵敏,操作简单,十分适合实际医疗环境中的应用；另电路简单,元件较少,也便于集成与批量生产[12]。不同于市场上其他类似装置,该无线输液报警器提出创新设计和大幅度改良,具有明显优势和更大的市场空间。

由于涉及课题的研制成本和一些条件所限,目前还没有对该研制装置进行医院的试用。该装置“电子输液自动报警器”已获授权国家发明专利(2014 10584329.7)。

[1]朱建英,张玲玲,韩文军,等.静脉输液安全管理的方法及效果[J].中华护理杂志,2008,43(2),153-155.

[2]何洪林,赵育新,钱俊,等.基于透射率变化的输液报警器的研制[J].护理学杂志,2014,29(21)：44-45.

[3]朱天曈,李洋,刘伯颖,等.一种新型智能输液装置的电路设计[J].电气时代,2015(2)：103-105.

[4]陈燕雅,李泽楷.射频电容式输液报警器的制作与应用[J].护士进修杂志,2015,30(24)：2282-2283.

[5]李博,李念奎,徐成发,等.电阻应变式压力传感器的电测公式[J].东北工学院学报,1989,10(5)：489-495.

[6]江静.555定时器逻辑功能及其应用的探讨[J].华北科技学院学报,2005,2(3)：101-104.

[7]吴文佳.PT2262/PT2272编解码IC在无线智能报警系统中的应用[J].世界电子元器件,2004(12)：45-46.

[8]童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》[M].北京：高等教育出版社,2006.

[9]陈英.电子技术应用实验教程基础篇[M].成都：电子科技大学出版社,2015.

[10]孙志忠,吴宏伟,袁慰平,等.计算方法与实习[M].南京：东南大学出版社,2011.

[11]孔维云.一种智能化输液报警器的研制及临床应用[J].医疗卫生装备.2012,33(6)：11-14.

[12]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.