基于紅外光電傳感器的輸液監測系統設計

摘要：現代醫學需要對藥液的流量或流速進行精確控制，針對醫院人工監測病人輸液存在的問題，本文設計了基于紅外光電傳感器的點滴傳感器用于對輸液泵輔助監測。采用MSP430F413單片機采集數據，通過液晶屏來顯示輸液總量及輸液速度。該設計成品結構簡單、體積小巧，操作方便。實際測試表明，該監護器運行穩定，基本無誤報現象，安全可靠。

關鍵詞：單片機；紅外光電傳感器；輸液總量

靜脈輸液是一種最常用的臨床治療方法[1]。目前，醫院進行臨床輸液時，輸液速度的調節一般由病人或醫院護士來完成，效率不高。特別是在患者增多，醫護人手緊張的情況下，這個矛盾尤為突出[2]。在長時間的靜脈輸液過程中，對護士來說，需要時刻保持緊張情緒，精神壓力極大；對患者來說，如果沒有陪護人員，患者必須自己時刻關注輸液情況，如果稍有不慎，就極有可能導致更換藥液不及時，對患者造成一定的傷害。因此，傳統的人工輸液監護形式有不少弊端，研制一種智能輸液監控器，對患者輸液過程進行自動化監控，并實現智能管理是醫院今后發展的必然趨勢[3]。

1系統總體設計

系統功能設計如下：在一定誤差允許的條件下，系統實現對液滴的瞬時速度（滴數/min），以及總量計數（ml/h）的監測，作為輸液泵的輔助工具用來測量流速以及總量。

系統總體結構見圖1。輸液監護器由單片機作為主控器件， 外圍硬件電路包括輸液檢測模塊、電源模塊、按鍵模塊以及報警模塊和顯示模塊組成，單片機內部的軟件應用程序由C語言進行編程設計。

2硬件設計

輸液監護器直接固定在輸液器上，系統選取紐扣電池作為系統電路電源。MSP430F413單片機作為系統核心芯片。單片機電路作為整個系統的核心控制部分，主要是完成與其他電路的接口，從而獲得數據進行處理實現各種功能，并且將處理的結果采用液晶屏顯示出來。單片機的接口電路非常簡單，分別采用單片機的一般I/O口實現與其他電路的接口。該系統的時鐘部分都是采用晶體振蕩器實現的，本設計采用的晶體振蕩器的時鐘頻率是32768HZ。這里需要考慮干擾的問題，在該系統中的干擾比較小，因此，模擬地和數字地共地，模擬電源輸入端增加一個濾波電容以減少干擾。同時接入外圍電路用來為LCD液晶屏提供驅動電壓，選用的電阻為1MΩ，且在電源端接入0.1uF的電容，用來濾掉微小的波紋，以減少干擾。在干擾不是很大的情況下，單片機可以正常工作實現各種功能。

2.1輸液檢測模塊 目前，采用光電檢測技術[4]實現滴速檢測是常用的方法。系統選用槽式光電開關LTH-301-32作為檢測液滴的傳感器。LTH-301-32紅外發射管發出的紅外光穿過莫菲氏管照射到接收管，當莫菲氏管中沒有藥液滴過時，光線衰減變弱，此時光電開關輸出電流比較強；當莫菲氏管中有藥液滴過時，光線會因為藥液發生吸收和散射現象，光電開關只能得到比較弱的光信號，因此輸出的電流比較弱。因此， 根據光電開關輸出電流的強弱就可判斷是否有液滴滴下。

2.2報警模塊電路 當輸液過程異常或輸液完畢時，輸液監護器會發出聲光報警信號，可選用壓電式蜂鳴器來實現這一功能。壓電式蜂鳴器工作時約需10mA的驅動電流，由于單片機輸出信號不能直接驅動蜂鳴器，因此外接驅動電路。蜂鳴器作為三極管的集電極負載，當三極管導通時，蜂鳴器發出鳴叫聲；三極管截止時，蜂鳴器不發聲。

2.3顯示模塊電路 顯示模塊主要有液晶LED來實現。系統的顯示電路由簡單段碼液晶LED實現，該電路直接與單片機的I/O端口進行連接，并且MSP430F413具有直接驅動液晶的作用。

3軟件設計

MSP430單片機的開發軟件常用的是IAR公司的IAR Embedded Workbench集成開發環境，它可以編輯、匯編和編譯匯編語言和C語言源文件，并且其C語言和匯編語言具有相同格式的頭文件，給開發帶來了靈活性。本設計的代碼均由C語言編寫[5]。

軟件程序設計主要包括：定時器Timer_A的初始化，端口設置初始化，顯示液晶的初始化，Timer_A的中斷程序，端口的中斷程序，液晶顯示程序和主函數程序。主處理模塊主要是實現各個模塊軟件的交互，并且設置默認顯示記錄總滴數，瞬時速度。本文主要采用在一段時間內累計相加的算法。

滴數/min的算法采用1min中每10s計1次數，第一個10s計數，計算1min的輸液速度，20s計數，然后計算1min的輸液速度，以此類推，然后當計時間到1min后，第一個10s的數重新寫入，然后計算1min的輸液速度，第二個10s再重新寫入，計算1min的輸液速度，以此類推。每10s刷新一次。利用1min內的計數來算瞬時速度。在第一個1min內10s計數，計算得瞬時速度的誤差較大，隨著時間的累加，誤差逐漸減小。ml/h采用總的計量數計算總滴數轉換而得，由于液滴的每滴存在著一定的誤差，采用補償的方法彌補缺陷。

4實驗結果

在某市規模最大的一家三級甲等醫院進行臨床測試，結果顯示， 當目測輸液滴速在60滴/min左右時，輸液監護器不會報警； 當手工緩慢調節滴速至目測低于40滴/min或高于80滴/min時，輸液監護器會馬上發出聲光報警提示；當掐斷輸液管（模擬輸液堵塞或輸液結束狀態）時，輸液監護器也會馬上發出聲光報警提示。經反復測試， 無誤報現象。此外，經實際測試，輸液監控系統測得的流速結果見表1。

5結論

本文以單片機為系統核心，設計了一款輕巧便攜的輸液監護器。當有病人需要輸液時， 將輸液監護器固定在輸液器的莫菲氏管上， 可以實時監測輸液情況。臨床測試表明，此輸液監護器操作簡單，安全可靠，可以使護士從繁重的工作中解脫出來，有精力投入到其他工作中，既節約了人力，又充分利用了護士資源。可以預測，醫用輸液監護系統未來的發展趨勢將是把通信技術和單片機技術結合在一起，從而進一步提高系統的性能，使系統更加精密可靠，并且成本低廉，易于推廣。同時，網絡化和智能化也是輸液監護系統未來的發展方向。

參考文獻：

[1]李琴.基于MCGS的液體點滴監控系統模型的設計與實現（論文）[J].北京：華北電力大學，2006，1～2.

[2]陳巍，郁漢琪.基于單片機的液體點滴速度監控的研究[J].自動化博覽，2009，5（10）：74～75.

[3]張永東，班旭東，高軍.輸液速度自控系統的設計與實現[J].計算技術與自動化，2004，24（4）：27～28.

[4]蘭天，李路云. 醫用點滴智能監控裝置的設計[J].大連民族學院學報，2004，6（5）：1～2.

[5]馬將，楊昆，文宇橋等.醫用輸液監護器的設計[J].四川理工學院學報，2013，26（2）：39～42.

編輯/許言