標簽式智能輸液提醒裝置

周生宵，瞿惠琴

(無錫職業技術學院 物聯網技術學院，無錫 江蘇 214121)

0 引言

靜脈輸液是臨床醫學中常見的輔助醫療手段。傳統的輸液監控采用人工監控方式，但由于輸液過程時間較長，醫護人員現場工作忙碌，病人因為病情影響容易昏睡，陪護人員在長時間陪護過程中產生疲勞而注意力分散，所以當輸液系統出現異常時，以上人工監控方式的缺陷會導致醫療處理不及時，尤其在輸液結束時，如果沒有及時拔針，會出現血液回流、血液凝固、空氣栓塞等后果，這些后果輕則耽誤治療,重則發生醫療事故。如何提升輸液治療的安全性和可靠性一直是醫療行業要解決的問題，及時準確的輸液提醒能有效提高輸液治療的安全性，目前常見的輸液報警裝置應用了光電傳感技術，通過光電傳感器檢測輸液管中液體從有到無，從而發出報警，但是由于光電傳感器只監測輸液管中液體有無，報警信號也只有病床附近的人員才能接收到，所以發生報警時，輸液液體剩余很少，還需要呼叫護士拔針，如此預留給護士拔針的時間就很短，并且當人體或金屬緊貼裝置時，易產生誤報警。針對以上問題，設計了一種標簽式輸液提醒裝置，裝置采用平面電容傳感器實時監控輸液瓶或輸液袋液位變化，并且通過無線傳輸模塊把拔針提醒信息發送給護士站，去除了人工呼叫環節，提高了輸液提醒的效率[1]。

1 輸液提醒裝置設計

裝置分為兩個模塊，一個是輸液檢測模塊，安裝在輸液瓶（袋）和輸液架上，另一個是拔針提醒模塊，安裝在護士站。輸液檢測模塊實時監測輸液容器液位變化，當液位低于設定值，發出提醒信號，引起病人關注，同時把拔針提醒及床位號信息發送給拔針提醒模塊，護士收到提醒，根據床位號提示可以及時準確地為病人拔針。兩個模塊上都配置了單片機ATmega328P和無線通信模塊nRF24L01，輸液檢測模塊采用平面電容傳感器監測液位變化，傳感器輸出的信號經過電容-數字轉換器FDC2214處理后傳輸給單片機，單片機分析處理數據，發出提醒信息[2]。提醒信息通過nRF24L01模塊無線傳輸給護士站的拔針提醒模塊，nRF24L01傳輸距離最高可達240m，并且支持多點通訊，因此醫護人員在護士站就能了解到每個輸液床位的狀態信息，圖1是智能輸液提醒裝置結構框圖。

圖1 智能輸液提醒裝置結構框圖

2 平面電容傳感器

2.1 平面電容的邊緣效應

平面電容傳感器是基于電容邊緣效應的傳感器，它相當于把平行板電容器的兩極板向兩邊展開，使其位于同一平面，兩個金屬極板分別為驅動電極和感應電極，給驅動電極施加激勵信號，兩個電極之間產生邊緣電場，電場線從驅動電極指向感應電極，穿透被測物體，并在驅動電極和感應電極之間產生電容值，圖2是平行板電容器和平面電容器的示意圖[3-4]。

2.2 傳感器的結構

平面電容傳感器包括液位電容和參考電容兩個平面電容，液位電容用于檢測實時液位變化，參考電容在液位測量過程中提供液體類型和液體溫度變化的參考。電容的電極由矩形銅箔制成，電極寬度8mm，厚度0.06mm，間距2.5mm，參考電容高度10mm，液位電容高度可根據輸液瓶（袋）的尺寸調整，在20mm～80mm之間較合適。電容電極粘貼在靜電貼表面，做成標簽樣式，再依靠靜電吸附在輸液瓶（袋）外壁上，作為液位檢測傳感器，圖3是標簽式液位傳感器結構示意圖。傳感器不接觸液體，可實現非接觸測量，適于檢測輸液液位[5-6]。

圖3 標簽式液位傳感器結構示意圖

引起平面電容值變化的主要原因是容器內液體和空氣的混合介質介電常數的變化，輸液時液位的變化改變了電容的介電常數，從而使電容值變化。

3 輸液液位檢測和提醒電路

3.1 液位檢測電路

液位檢測電路主要由電容-數字轉換電路和單片機控制電路組成。電容-數字轉換電路的核心元件是Texas Instruments公司的電容-數字轉換器FDC2214，它具有28位分辨率，4個信號輸入通道，由于FDC2214內置振蕩電路驅動器，所以在輸入通道端并接電感和電容，可組成LC振蕩電路。如圖4電路所示，平面電容傳感器的液位電容和參考電容分別接入IN1和IN2通道的LC振蕩電路中，當液位變化，傳感器的電容值隨之變化，進而振蕩電路的頻率也發生變化。FDC2214基于一個標準參考頻率測量LC振蕩電路的頻率，最終把振蕩電路的頻率轉換成數字量輸出，即把輸液液位值轉換成數字量。

圖4 液位檢測電路

3.2 輸液狀態提醒電路

輸液提醒裝置的單片機選用8位微控制器ATmega 328P，在液位檢測模塊，單片機的外設包括電容-數字轉換器FDC2214、無線通信模塊nRF24L01和聲光提醒電路。單片機讀取并分析FDC2214的輸出數據，從而判斷當前的輸液狀態是“正常輸液”或“需要拔針”，并且通過nRF24L01模塊把輸液狀態和對應床位號信息發送給護士站的拔針提醒模塊[7-8]。

在拔針提醒模塊，單片機的外設包括無線通信模塊nRF24L01、聲光提醒電路和OLED顯示模塊，nRF24L01模塊實時接收液位檢測模塊發送的輸液狀態及床位號信息，單片機驅動顯示模塊輸出信息。當輸液液位下降到設定值時，液位檢測和拔針提醒模塊同時發出聲光提醒，病人和護士站都收到拔針提醒，而顯示屏上輸液狀態變為“需要拔針”，并顯示對應床位號，便于護士準確掌握信息。圖5是輸液提醒裝置的實物圖。

圖5 智能輸液提醒裝置實物圖

4 系統測試結果

選用純凈水、鹽水（濃度10%）、葡萄糖溶液（濃度7.5g/100mL）三種液體作為測試對象，對每種液體進行10次輸液提醒測試，發現裝置工作穩定，靈敏度較高，發生錯誤提醒1次，錯誤率小于3.5%，無線通信有效距離大于15米。實驗中發現當人體或其他介質貼近標簽式液位傳感器時，會干擾傳感器的測量，導致錯誤提醒，因此平面電容的電極需要添加屏蔽層，其次無線通信模塊nRF24L01的通信距離受環境影響會減小。表1是針對三種液體的輸液提醒實驗結果。

表1 輸液提醒測試結果

5 結語

通過理論分析結合實驗測試的方式，研究了平面電容的邊緣效應，分析了平面電容傳感器檢測液位變化的工作原理，根據輸液監控的特點，設計了靜電標簽式液位傳感器的結構，并基于液位傳感器、單片機、無線通信模塊等組建了智能輸液提醒裝置。選用純凈水、鹽水、葡萄糖溶液三種液體進行輸液提醒功能實驗，實驗結果表明裝置穩定性和靈敏度較高，輸液提醒錯誤率小于3.5%，無線通信距離能滿足普通輸液場所的需要。當前便捷的智能輸液監控裝置能有效緩解醫護人員的工作強度和壓力，是醫療行業的急需產品，基于平面電容液位傳感器的輸液提醒裝置結構簡單、使用便捷，為實現智能輸液監控提供了一個有效的解決方案。