一種自動輸液系統的設計

林二妹

(閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700)

靜脈輸液被廣泛應用于臨床，輸液在每個醫院的每個科室幾乎都涉及[1].目前輸液過程基本還是采用人工監控，且輸液的速度仍通過醫護人員手動來調節，輸液的精度無法得到控制[2].輸液速度對于不同的年齡存在著差異，老年人和兒童由于身體素質相對比較差，輸液速度不能過快，過快會讓他們產生不舒服感，嚴重的還可能有生命危險.而成年人相對于老年人和兒童來說，身體素質較好，輸液時有的想著盡可能快地完成輸液，因此他們的輸液速度可以較快[3].另外，對于部分較為特殊的病人及藥物，輸液時速度的控制要求要非常精確，這點人工監控很難滿足，而且人工監控浪費人力資源，同時當病人在輸液過程中未注意剩余藥量時會出現回血，給病人帶來的不僅是身體上的痛苦，在精神方面也會產生壓力，所以對輸液進行自動化控制是十分有必要的.

另一方面當藥液溫度較低，尤其在冬天，藥液沒有加熱直接輸液常會讓患者感到不適.而目前最常用的方法是用熱水袋或熱毛巾對接近輸液地方的輸液管加熱，這種方法不能很好地將藥液溫度加熱到人體的舒適范圍，藥液溫度的穩定性也無法得到保障.

針對以上不足，本文設計出一套基于單片機技術和光電傳感器控制的智能輸液監控管理系統來監控輸液情況，該系統通過顯示屏能實時監測輸液速度、余量情況和異常情況報警，當傳感器監測到輸液管內沒有液體時，及時中斷輸液，并發出報警聲.另外，增加加熱模塊，對輸液管內的藥液進行加熱，解決藥液溫度過低進入患者體內造成的不適感.該設計一方面能極大地減少醫療事故的發生；另一方面很大程度上減少了醫護人員的工作量，同時滿足病人的不同需求.

1 總體結構方案設計

本文設計的是一種自動輸液監測系統，主要功能是輸液速度及藥液余量的監測，并通過藥物余量和輸液速度計算出輸液完成時間.通過不斷完善各個部分的設計方案，最終完成自動輸液監測系統樣機，實物如圖1所示.

圖1 樣機實物圖

自動輸液監測系統包含了主控單元、傳感器模塊、電機與電機驅動模塊、顯示模塊、輸入模塊、加溫模塊、報警模塊、電源模塊等[4]，整個系統結構框圖如圖2所示.

圖2 系統結構框圖

2 系統各部分硬件及電路設計

2.1 主控制單元方案選定

利用單片機作為主控制單元進行控制,并選用STC89C52RC單片機作為主控芯片，能對各傳感器采集的信息進行快速處理，從而實現對電機和報警器的自動控制.

2.2 藥液滴速監測設計

2.2.1 傳感器選型

藥液滴速監測選用光電傳感器，為紅外對射式槽形光電傳感器[5]，該傳感器以LM393芯片作為主模塊，工作電壓為5 V，信號輸出低電平有效，其電路原理如圖3所示.

圖3 對射式槽型光電傳感器原理圖

R3為分壓電阻，其作用是將光電傳感器檢測到的信號轉化成電壓信號，此模擬信號進入LM393的3號引腳，并與2號引腳所接的分壓電阻分壓后的模擬電壓進行比較，從而在1腳得出高低電平信號.

2.2.2 檢測原理

將莫菲氏滴管安裝在對射式槽形光電傳感器上，監測莫菲氏管內的光強.當有藥液滴落時，光電傳感器監測到光強變化，此時輸出信號由低電平變為高電平，定時器開始計時，通過定時器得到兩次高電平信號間的時間，即兩液滴從生長到滴落的時間Δt[6].

2.3 藥液余量監測設計

選用稱重傳感器來監測輸液瓶或輸液袋藥液的余量，運用重力法進行測量，該稱重傳感器的精度為1 g，量程為5 kg，工作電壓為+5 V.圖4為重力法測重原理圖.稱重傳感器ADC模塊使用HX711,它是24位A/D轉換器芯片，而且專為高精度稱重傳感器而設計.HX711模塊通道A的可編程增益較大，為128或64，該通道模擬差分輸入可與橋式傳感器的差分輸出相接，因此，本設計使用通道A，采集電壓信號，使用128倍增益，提高測量精度.

圖4 重力法測重原理圖

2.4 液位監測設計

液位監測采用非接觸測量，并選用XKC-Y26A-V型號的液位傳感器，該型號的傳感器可以對輸液瓶內液位高度進行非接觸檢測，它是利用水的感應電容來檢測是否有液體存在，當液面高度升高時，電容量變大；反之，當液面高度下降時，電容量減少.因此，通過液位傳感器，我們可以檢測出輸液管內有無液體，當檢測到輸液管內有液體時，輸出高電平；反之，輸出低電平[7].當單片機接收到液位傳感器發來的低電平信號時，打開報警器，表示輸液結束，同時，單片機向電機模塊發出止液請求，啟動電機自動止液.

2.5 步進電機的設計

步進電機可以實現對皮管內藥液流動的控制，可以精確地控制轉動角，轉角精度高，且能更精細的控制流速[8].在發生緊急情況時，步進電機自鎖抱死可以穩定地阻斷皮管繼續輸液，不會發生打滑的情況.步進電機使用35小型減速步進電機，同時效仿輸液器上的流速調節器，外加設計了一個小凸輪，每旋轉一個角度，凸輪推程增大，則壓緊皮管起到控制流速和阻斷輸液的作用[9].

2.6 顯示模塊

采用1.8寸TFT LCD顯示屏作為顯示器件，SPI串口，分辨率128*160，屏幕電源為3.3 V，屏幕顯示界面主要顯示患者床號、輸液進度、輸液器滴速、輸液剩余時間.

2.7 加溫模塊

加熱模塊選用正溫度系數(Positive Temperature Coefficient，PTC)[10]，加熱器采用半圓槽加熱夾，其結構如圖5所示.

圖5 半圓槽加熱夾

熱敏電阻放在半圓槽內部；輸液管放在凹槽內；硅膠片用于保溫.由于加熱電阻置于半圓槽形外殼內，因此半圓槽內部用導熱絕緣材料進行封裝,半圓槽外部用保溫材料進行封裝.兩個半圓槽做成一個加熱夾，加熱時將加熱器夾在輸液管上，同時將加熱夾固定在輸液管的末端、細管的前端，溫度傳感器固定在半圓槽的下端，此設計減少液體流速與環境等因素對液體溫度的影響，同時縮短加熱后液體在體外的時間.液體初始溫度為30 ℃，當液體溫度低于26 ℃時，加熱器開始加熱，高于30 ℃時停止加熱[11].

2.8 系統整體硬件電路圖的設計

根據各個部分方案及控制電路的設計，本系統最終確定整體電路如圖6所示.

圖6 系統整體電路圖

3 軟件設計

軟件設計主要包括：滴速檢測和藥液余量檢測、液體溫度檢測與加溫控制程序設計、LED顯示設計、報警設計，電機正反轉控制等.流程如圖7所示.

圖7 軟件流程圖

4 系統測試

在病房室溫為25 ℃環境下進行調試，輸液量為200 mL，80滴/min，當無藥液時自動止液并啟動報警器，加熱溫度設定為26～30 ℃.以1 mL為16滴算，可算出應在40 min滴完，實驗檢測的輸液速度和輸液剩余量數據如表1～2所示.

表1 輸液速度檢測表

表2 藥液余量檢測表

從表1、表2的數據可以看出系統輸液速度約為80滴/min，說明輸液速度基本恒定；同時，檢測到液體溫度分別為：28、28.7、28.5、29、28.4 ℃，數據在設定的26～30 ℃范圍內，說明系統能實現自動恒溫；理論值和實驗值存在誤差，殘余輸液量實際為2 mL，誤差在2 min內.

5 結 論

本文設計了一套基于STC89C52RC的自動輸液監控系統，通過單片機對采集的數據進行分析和處理，具有輸液速度控制、藥液溫度控制、藥液余量監測、液位監測報警及信息顯示等功能，從上述測試結果分析，系統相對誤差保持在5%內，準確度高.由此可知，該輸液監控系統能夠對滴速、余量、液溫、輸液時間進行有效控制,達到預期效果，具有較高的實用價值.