基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

王 婧， 楊 瀾， 張桂銘

（1.桂林電子科技大學(xué) 商學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004）

0 引言

靜脈輸液是醫(yī)療中常應(yīng)用到的一種診療方式， 是一種相對比較成熟的技術(shù)，但也有特殊情況的發(fā)生，如輸液管堵塞、 輸液完畢而未能按時拔針等因為未及時處理產(chǎn)生的感染和輸注不足，會導(dǎo)致治療效果欠佳、脫水或代謝紊亂。此外，過量輸注還會導(dǎo)致速度減慢，電解質(zhì)不平衡，高血壓或代謝紊亂[1]。靜脈輸液醫(yī)療方法經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用并逐漸成為通用的醫(yī)療技術(shù)。 如今用于臨床醫(yī)學(xué)的靜脈輸液治療技術(shù)， 跟起初發(fā)展時的用法并無太大區(qū)別。當(dāng)前廣泛采用人工作為監(jiān)控方式，需要專業(yè)的技術(shù)醫(yī)護(hù)人員時刻關(guān)注， 精確地控制輸入速度和劑量。 因此，針對如何實現(xiàn)點(diǎn)滴監(jiān)控和范圍數(shù)據(jù)傳輸提醒，提高信息采集的精確性和醫(yī)療工作效率， 現(xiàn)設(shè)計了一種基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)， 致力于解決醫(yī)療行業(yè)此類問題。

1 總體結(jié)構(gòu)

點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)主要由檢測液滴部分、滴液自動調(diào)速部分、無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分等組成[2]。 整個系統(tǒng)可分為一個中央監(jiān)控端（護(hù)士站）和多個輸液檢測端（患者），中央監(jiān)控端主要用于實時顯示輸液檢測端傳過來的輸液速度，輸液時間、病房號等數(shù)據(jù)，點(diǎn)滴監(jiān)控控制系統(tǒng)如圖1 所示。

根據(jù)輸液點(diǎn)滴檢測模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 開發(fā)基于微應(yīng)變的輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控系統(tǒng)， 利用單片機(jī)設(shè)計開發(fā)對應(yīng)的控制系統(tǒng)，編寫相應(yīng)程序，完成輸液點(diǎn)滴在線監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線交互。 目前實驗階段放置一個主機(jī)端和一個從機(jī)端構(gòu)成的點(diǎn)滴輸液監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)試成功后，在無線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備的選型上可選用具有可同時接收多個從機(jī)端數(shù)據(jù)的設(shè)備來構(gòu)成整個醫(yī)療點(diǎn)滴輸液的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

圖1 點(diǎn)滴監(jiān)控控制系統(tǒng)Fig.1 Drop monitoring and control system

檢測液滴是否滴落是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接涉及到輸液速度的控制。 無線數(shù)據(jù)傳輸部分選擇低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、不易受信號干擾，且能夠同時接收不同設(shè)備數(shù)據(jù)的模塊。 測量滴瓶剩余容量采用非接觸式的設(shè)備來測量液位，當(dāng)達(dá)到最低液位限制時報警。顯示部分選用清晰度高、功耗少的OLED12864 顯示屏。 主控芯片則選擇STM32F103 系列單片機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 監(jiān)控主程序設(shè)計

主程序流程框圖如圖2 所示。 在主循環(huán)中設(shè)置OLED 顯示屏顯示各種參數(shù)，并不斷地將NRF24L01 切換成發(fā)射模式或者接收模式。

圖2 主程序流程框圖Fig.2 Flow chart of main program

2.2 監(jiān)控檢測部分設(shè)計

檢測應(yīng)變傳感器傳來的脈沖信號使用的是輸入捕獲通道， 通過配置單片機(jī)相應(yīng)引腳檢測TIM4_CH4 上的邊沿信號，在邊沿信號發(fā)生跳變（如上升沿/下降沿）時，儲存當(dāng)前定時器的值到對應(yīng)的通道的捕獲/比較寄存器里，完成一次捕獲。

2.3 監(jiān)控?zé)o線傳輸部分設(shè)計

因為NRF24L01 是用SPI 通信操作寄存器來配置的，所以要先將STM32 的SPI1 對應(yīng)的引腳配置成SPI 模式。將引腳配置好后， 寫一段數(shù)據(jù)到發(fā)送地址再將其讀出來檢測單片機(jī)和NRF24L01 的SPI 讀寫通信是否正常。通信正常后配置NRF24L01 為發(fā)送模式或者接收模式。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

因單個應(yīng)變片靈敏度較低，加入全橋電路。即同一個支路的兩個應(yīng)變片極性不同，共貼兩路，當(dāng)所貼物體受力形變時，同一支路的應(yīng)變片一個收縮，一個拉伸，兩條支路則總形變即為原來的四倍， 應(yīng)用全橋電路測試應(yīng)變片的變化能使靈敏度成倍的提高， 并使輸出與輸入呈線性關(guān)系，且還具有通過的電流低，應(yīng)變片自身發(fā)熱低等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

經(jīng)過全橋電路加強(qiáng)靈敏度后， 將應(yīng)變片用透明膠貼于滴管，用示波器測量輸出引腳電壓數(shù)據(jù)[4]，列表得：

表1 全橋應(yīng)變片輸出電壓（毫伏）Tab.1 Output voltage of full bridge strain gauge（mV）

3.1 紅外測量電路

紅外對管檢測電路原理是檢測光信號并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號， 經(jīng)過電壓比較器形成單片機(jī)可以檢測的脈沖信號[5]。 紅外發(fā)射管用來發(fā)射光信號，紅外接收管用來檢測信號。 將紅外發(fā)射管和紅外接收管對準(zhǔn)于同一水平線上， 當(dāng)紅外接收管接收到來自紅外發(fā)射管發(fā)射的光信號后，其所在電路支路就會導(dǎo)通形成一定的電壓，將其與電壓比較器LM393 比較，其電壓小于比較器參考電壓則輸出低電平， 其電壓大于比較器參考電壓則輸出高電平。

3.2 點(diǎn)滴調(diào)控部分電路設(shè)計

利用步進(jìn)電機(jī)做動力軸， 制作一個繞固定軸轉(zhuǎn)動并且具體變化向徑的盤形凸輪。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，盤形凸輪逐漸擠壓輸液管從而達(dá)到調(diào)速的目的。 并將步進(jìn)電機(jī)與其結(jié)合， 經(jīng)過單片機(jī)設(shè)置脈沖個數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，以達(dá)到精確定位，可通過設(shè)置脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)軸的加速度和速度，實現(xiàn)調(diào)速的目的。調(diào)速電路主要為驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)電路。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送一個脈沖信號時，其步進(jìn)電機(jī)所對應(yīng)的一相繞組或兩相的繞組的通電狀態(tài)相應(yīng)改變，對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。當(dāng)通電狀態(tài)相繼改變完成一個循環(huán)時，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的齒距。

3.3 無線收發(fā)部分的電路設(shè)計

點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸使用NRF24L01 射頻收發(fā)器，其使用的是2.4G～2.5G 的通信頻段，有自身通信協(xié)議，不能與Zigbee、藍(lán)牙、Wifi 相互通信。 其主要原理為電生磁。即當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體周圍的空間形成圓形磁場，當(dāng)通過交流時，導(dǎo)體周圍空間便會形成根據(jù)交流電的方向而產(chǎn)生的方向不斷變換的交變電磁場即電磁波。 當(dāng)交變電磁場的變化頻率較高時， 高頻的交流變化電磁波被稱為射頻電流，每秒變化小于一千次的交流電稱為低頻電流， 產(chǎn)生的低頻電磁波在傳輸過程中會被地面吸收，不能有效傳輸。每秒變化大于十萬次的交流電產(chǎn)生的高頻電磁波可以在空氣中傳播，并被電離層多次反射，可以傳輸更遠(yuǎn)的信號，這

種高頻電磁波有著遠(yuǎn)距離傳輸能力， 我們稱之為射頻。

4 總結(jié)

本設(shè)計主控采用STM32F103 系列單片機(jī)，有著較高的實時性和運(yùn)算能力。 該系統(tǒng)由一個中央控制端和多個檢測端構(gòu)成， 從機(jī)檢測端的輸液點(diǎn)滴檢測部分除了采用微應(yīng)變檢測之外，還利用紅外技術(shù)來加強(qiáng)檢測的準(zhǔn)確性。檢測端的滴速檢測監(jiān)控對滴速進(jìn)行反映并通過無線傳輸模塊傳送給主機(jī)模塊，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控。調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用自主創(chuàng)新設(shè)計的基于步進(jìn)電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)的新型輸液調(diào)速器，有利于滴速的平穩(wěn)和準(zhǔn)確。本設(shè)計作為多傳感器檢測手段的探索， 對于醫(yī)療行業(yè)智能化發(fā)展具有現(xiàn)實意義。