标签式智能输液提醒装置

周生宵，瞿惠琴

(无锡职业技术学院 物联网技术学院，无锡 江苏 214121)

0 引言

静脉输液是临床医学中常见的辅助医疗手段。传统的输液监控采用人工监控方式，但由于输液过程时间较长，医护人员现场工作忙碌，病人因为病情影响容易昏睡，陪护人员在长时间陪护过程中产生疲劳而注意力分散，所以当输液系统出现异常时，以上人工监控方式的缺陷会导致医疗处理不及时，尤其在输液结束时，如果没有及时拔针，会出现血液回流、血液凝固、空气栓塞等后果，这些后果轻则耽误治疗,重则发生医疗事故。如何提升输液治疗的安全性和可靠性一直是医疗行业要解决的问题，及时准确的输液提醒能有效提高输液治疗的安全性，目前常见的输液报警装置应用了光电传感技术，通过光电传感器检测输液管中液体从有到无，从而发出报警，但是由于光电传感器只监测输液管中液体有无，报警信号也只有病床附近的人员才能接收到，所以发生报警时，输液液体剩余很少，还需要呼叫护士拔针，如此预留给护士拔针的时间就很短，并且当人体或金属紧贴装置时，易产生误报警。针对以上问题，设计了一种标签式输液提醒装置，装置采用平面电容传感器实时监控输液瓶或输液袋液位变化，并且通过无线传输模块把拔针提醒信息发送给护士站，去除了人工呼叫环节，提高了输液提醒的效率[1]。

1 输液提醒装置设计

装置分为两个模块，一个是输液检测模块，安装在输液瓶（袋）和输液架上，另一个是拔针提醒模块，安装在护士站。输液检测模块实时监测输液容器液位变化，当液位低于设定值，发出提醒信号，引起病人关注，同时把拔针提醒及床位号信息发送给拔针提醒模块，护士收到提醒，根据床位号提示可以及时准确地为病人拔针。两个模块上都配置了单片机ATmega328P和无线通信模块nRF24L01，输液检测模块采用平面电容传感器监测液位变化，传感器输出的信号经过电容-数字转换器FDC2214处理后传输给单片机，单片机分析处理数据，发出提醒信息[2]。提醒信息通过nRF24L01模块无线传输给护士站的拔针提醒模块，nRF24L01传输距离最高可达240m，并且支持多点通讯，因此医护人员在护士站就能了解到每个输液床位的状态信息，图1是智能输液提醒装置结构框图。

图1 智能输液提醒装置结构框图

2 平面电容传感器

2.1 平面电容的边缘效应

平面电容传感器是基于电容边缘效应的传感器，它相当于把平行板电容器的两极板向两边展开，使其位于同一平面，两个金属极板分别为驱动电极和感应电极，给驱动电极施加激励信号，两个电极之间产生边缘电场，电场线从驱动电极指向感应电极，穿透被测物体，并在驱动电极和感应电极之间产生电容值，图2是平行板电容器和平面电容器的示意图[3-4]。

2.2 传感器的结构

平面电容传感器包括液位电容和参考电容两个平面电容，液位电容用于检测实时液位变化，参考电容在液位测量过程中提供液体类型和液体温度变化的参考。电容的电极由矩形铜箔制成，电极宽度8mm，厚度0.06mm，间距2.5mm，参考电容高度10mm，液位电容高度可根据输液瓶（袋）的尺寸调整，在20mm～80mm之间较合适。电容电极粘贴在静电贴表面，做成标签样式，再依靠静电吸附在输液瓶（袋）外壁上，作为液位检测传感器，图3是标签式液位传感器结构示意图。传感器不接触液体，可实现非接触测量，适于检测输液液位[5-6]。

图3 标签式液位传感器结构示意图

引起平面电容值变化的主要原因是容器内液体和空气的混合介质介电常数的变化，输液时液位的变化改变了电容的介电常数，从而使电容值变化。

3 输液液位检测和提醒电路

3.1 液位检测电路

液位检测电路主要由电容-数字转换电路和单片机控制电路组成。电容-数字转换电路的核心元件是Texas Instruments公司的电容-数字转换器FDC2214，它具有28位分辨率，4个信号输入通道，由于FDC2214内置振荡电路驱动器，所以在输入通道端并接电感和电容，可组成LC振荡电路。如图4电路所示，平面电容传感器的液位电容和参考电容分别接入IN1和IN2通道的LC振荡电路中，当液位变化，传感器的电容值随之变化，进而振荡电路的频率也发生变化。FDC2214基于一个标准参考频率测量LC振荡电路的频率，最终把振荡电路的频率转换成数字量输出，即把输液液位值转换成数字量。

图4 液位检测电路

3.2 输液状态提醒电路

输液提醒装置的单片机选用8位微控制器ATmega 328P，在液位检测模块，单片机的外设包括电容-数字转换器FDC2214、无线通信模块nRF24L01和声光提醒电路。单片机读取并分析FDC2214的输出数据，从而判断当前的输液状态是“正常输液”或“需要拔针”，并且通过nRF24L01模块把输液状态和对应床位号信息发送给护士站的拔针提醒模块[7-8]。

在拔针提醒模块，单片机的外设包括无线通信模块nRF24L01、声光提醒电路和OLED显示模块，nRF24L01模块实时接收液位检测模块发送的输液状态及床位号信息，单片机驱动显示模块输出信息。当输液液位下降到设定值时，液位检测和拔针提醒模块同时发出声光提醒，病人和护士站都收到拔针提醒，而显示屏上输液状态变为“需要拔针”，并显示对应床位号，便于护士准确掌握信息。图5是输液提醒装置的实物图。

图5 智能输液提醒装置实物图

4 系统测试结果

选用纯净水、盐水（浓度10%）、葡萄糖溶液（浓度7.5g/100mL）三种液体作为测试对象，对每种液体进行10次输液提醒测试，发现装置工作稳定，灵敏度较高，发生错误提醒1次，错误率小于3.5%，无线通信有效距离大于15米。实验中发现当人体或其他介质贴近标签式液位传感器时，会干扰传感器的测量，导致错误提醒，因此平面电容的电极需要添加屏蔽层，其次无线通信模块nRF24L01的通信距离受环境影响会减小。表1是针对三种液体的输液提醒实验结果。

表1 输液提醒测试结果

5 结语

通过理论分析结合实验测试的方式，研究了平面电容的边缘效应，分析了平面电容传感器检测液位变化的工作原理，根据输液监控的特点，设计了静电标签式液位传感器的结构，并基于液位传感器、单片机、无线通信模块等组建了智能输液提醒装置。选用纯净水、盐水、葡萄糖溶液三种液体进行输液提醒功能实验，实验结果表明装置稳定性和灵敏度较高，输液提醒错误率小于3.5%，无线通信距离能满足普通输液场所的需要。当前便捷的智能输液监控装置能有效缓解医护人员的工作强度和压力，是医疗行业的急需产品，基于平面电容液位传感器的输液提醒装置结构简单、使用便捷，为实现智能输液监控提供了一个有效的解决方案。