基于單片機(jī)的輸液滴速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉潤澤，周楠，李志勇，鄒夢麗

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

目前，我國最常用的輸液手段是靜脈輸液，靜脈輸液的發(fā)展歷史悠久且可以很大程度改善患者的生存空間和治療品質(zhì)。因靜脈輸液成本較低，一直被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中。隨著近年醫(yī)學(xué)研究的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)靜脈輸液的輸液滴速是影響靜脈輸液治療效果的重要因素。研究表明，在進(jìn)行靜脈輸液時(shí)，需要嚴(yán)格控制點(diǎn)滴速度，尋找適宜的點(diǎn)滴速度，而適宜的輸液速度受許多因素的影響，如液體靜態(tài)壓力，患者的年齡與身體狀況、液面的高度、藥物的特性等。但我國目前大部分醫(yī)院都還在使用傳統(tǒng)的靜脈輸液的方法，傳統(tǒng)的靜脈輸液需要依靠醫(yī)療人員的監(jiān)測和控制，現(xiàn)在的輸液設(shè)備都是非常機(jī)械式的，主要靠醫(yī)療人員通過輸液器上的小滑輪來控制輸液滴速，這種輸液器需要醫(yī)療人員自己通過觀察來對輸液的速度進(jìn)行大致估計(jì)，如果醫(yī)療人員出現(xiàn)較忙的情況，那么，在輸液過程中出現(xiàn)的輸液滴速異常情況便不能得到及時(shí)調(diào)節(jié)。

在完成當(dāng)前輸液需要對藥液進(jìn)行更換時(shí)，這需要患者家屬或醫(yī)療人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不然在會導(dǎo)致空氣輸入患者血管內(nèi)造成空氣栓塞或輸液回血等狀況，這會影響患者的治療效果且給患者帶來疼痛，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)醫(yī)療事故。為了有效解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的輸液滴速自動控制與報(bào)警系統(tǒng)，可以自動檢測輸液滴速并且可以根據(jù)患者的情況自動對滴速進(jìn)行控制，可以在面板上顯示輸液滴速和藥液的剩余量，當(dāng)完成輸液或者是出現(xiàn)滴速異常的情況，會通過聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，可以大幅降低醫(yī)務(wù)人員的工作量，使得靜脈輸液更加智能化。

1 滴速自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

1.1 總體組成

滴速自動控制系統(tǒng)主要MCS-51單片機(jī)、液位檢測模塊、點(diǎn)滴速度檢測模塊、點(diǎn)滴速度控制模塊、“回血”檢測模塊、電壓比較器、步進(jìn)電機(jī)、控制按鈕、顯示面板等組成，使用控制按鈕設(shè)置點(diǎn)滴速度的上限和下限值，即可實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)滴速度、當(dāng)點(diǎn)滴速度超過醫(yī)務(wù)人員設(shè)定值的范圍,系統(tǒng)便會發(fā)出報(bào)警，提醒醫(yī)務(wù)人員滴速異常。

1.2 輸液檢測設(shè)計(jì)

輸液速度檢測模塊主要由紅外光電式傳感器、紅外發(fā)射管、光敏三極管組成，該設(shè)計(jì)的原理利用紅外反射原理，水與空氣對紅外線的反射條件不同，而且紅外光電傳感器可以在不接觸水和空氣的條件下實(shí)現(xiàn)測量，且響應(yīng)速度較快，測量結(jié)果較準(zhǔn)。將滴管放在紅外傳感器的線路中，光敏晶體管負(fù)責(zé)接收紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光線光并根據(jù)光的強(qiáng)度分析判斷滴管內(nèi)是否有液體，當(dāng)?shù)喂軆?nèi)有藥液落下，紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光線被低落的藥液阻擋，紅外光光強(qiáng)損失較大，使得光敏晶體管接收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅光，進(jìn)而導(dǎo)致由光強(qiáng)轉(zhuǎn)換的電流輸出較小，當(dāng)?shù)喂軆?nèi)沒有藥液落下，紅外光光強(qiáng)損失很小，則光敏晶體管可以持續(xù)接收到外發(fā)射管產(chǎn)生的光線，進(jìn)而產(chǎn)生較大的光電流輸出，再通過特定電路將電流變化號轉(zhuǎn)化為電壓變化，然后輸入單片機(jī)中，單片機(jī)再根據(jù)接收的高低電壓信號的變化，來判斷滴管內(nèi)是否有藥液滴落。

1.3 輸液滴度檢測設(shè)計(jì)

輸液滴度檢測電路主要有兩部分組成，分別是LM393電壓比較器、紅外對射管，紅外接收管可以接收發(fā)射管產(chǎn)生的紅外光，當(dāng)?shù)喂軆?nèi)有藥液低落時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光線被低落的藥液阻擋，紅外光光強(qiáng)損失較大，使得紅外接收管輸出的電壓較大，經(jīng)過LM393電壓比較器時(shí)，電壓比較器對電壓進(jìn)行整形，整形輸出低電平信號，并將低電平信號傳入單片機(jī)中，當(dāng)?shù)喂軆?nèi)沒有藥液滴落時(shí)，紅外光光強(qiáng)損失很小，則光敏晶體管可以持續(xù)接收到外發(fā)射管產(chǎn)生的光線，使得紅外接收管輸出的電壓較小，然后經(jīng)過LM393電壓比較器，此時(shí)電壓比較器整形輸出高電平信號，并將高電平信號傳入到單片機(jī)，最后單片機(jī)會根據(jù)高電平與低電平信號的變化來對低落的藥液進(jìn)行計(jì)數(shù)，電路產(chǎn)生脈沖信號的數(shù)目與滴管內(nèi)滴落的液滴數(shù)目相互對應(yīng)，然后，再通過測量相鄰兩滴藥液滴落的時(shí)間間隔，通過公式V=N/T計(jì)算出輸液速度。

1.4 輸液滴速控制設(shè)計(jì)

輸液滴速控制設(shè)計(jì)主要是由步進(jìn)電機(jī)和輸液滴速調(diào)節(jié)器兩部分組成，將輸液滴速調(diào)節(jié)器安裝在滴管上，然后將步進(jìn)電機(jī)安裝在滴速調(diào)節(jié)器上，由步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置來控制輸液滴速調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)自動控制輸液的目的。該系統(tǒng)可以通過步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號的個(gè)數(shù)來控制輸液滴速調(diào)節(jié)器運(yùn)動位移量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，通過脈沖信號頻率控制步進(jìn)電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)喂軆?nèi)滴速高于設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正傳加速，使滴速調(diào)節(jié)器夾緊，實(shí)現(xiàn)降低滴速的目的；當(dāng)?shù)喂軆?nèi)滴速低于設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)減速使得滴速調(diào)節(jié)器松弛，進(jìn)而將滴速提高至設(shè)定值。

1.5 輸液“回血”檢測設(shè)計(jì)

輸液“回血”檢測系統(tǒng)主要是由LM393電壓比較器、BOURS3296可調(diào)電位器、光敏三極管、紅外發(fā)射管等組成，光敏三極管于紅外發(fā)射管固定于滴管和輸液管兩側(cè)，在輸液正常時(shí)，電位器改變電阻，讓紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光的光頻率恰好可以透過藥液正常滴落時(shí)的滴管，使得光敏三極管可以正常接收紅外光，處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，LM393電壓比較器整形出一個(gè)低電平信號，并向單片機(jī)傳輸，檢測出滴管內(nèi)液體是藥液，但若當(dāng)輸液完成后，沒有及時(shí)結(jié)束輸液，因?yàn)閴簭?qiáng)的變化，導(dǎo)致血管內(nèi)的血液回流到輸液管，產(chǎn)生回血現(xiàn)象，因?yàn)檠汉图t外發(fā)射管發(fā)出的紅光都呈現(xiàn)紅色，此時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光被血液遮擋，使得紅外光無法穿過血液到達(dá)光敏三極管，光敏三極管無法被導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，LM393電壓比較器整形出一個(gè)高電平信號，并向單片機(jī)傳輸，檢測為“回血”狀態(tài)，輸液異常。

2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輸液滴速異常報(bào)警設(shè)計(jì)

滴速異常報(bào)警系統(tǒng)是由單片機(jī)、按鍵、聲光報(bào)警器、液晶顯示面板4部分組成，醫(yī)務(wù)人員可以根據(jù)患者情況對輸液速度進(jìn)行設(shè)置，在輸液過程中，若輸液滴速檢測系統(tǒng)檢測到輸液滴速高于或低于設(shè)定的輸液速度，便會產(chǎn)生電信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理分析并控制聲光報(bào)警器報(bào)警，使得醫(yī)務(wù)人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并對輸液系統(tǒng)進(jìn)行檢查，避免了醫(yī)療事故的發(fā)生。

2.2 輸液停止報(bào)警設(shè)計(jì)

輸液停止報(bào)警系統(tǒng)與滴速異常報(bào)警系統(tǒng)元器件組成基本相同，只需多加一個(gè)寄存器即可，輸液停止報(bào)警系統(tǒng)主要是通過相鄰兩滴藥液滴落時(shí)間定時(shí)的中斷達(dá)到報(bào)警對目的，醫(yī)務(wù)人員在輸液開始前，可以通過按鍵對輸液滴落時(shí)間進(jìn)行定時(shí)，在正常輸液情況下，只要在設(shè)定時(shí)間內(nèi)有藥液滴落，當(dāng)在設(shè)定對時(shí)間內(nèi)寄存器對值發(fā)生改變，系統(tǒng)則認(rèn)定輸液正常，但當(dāng)輸液過程因意外中斷，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有藥液滴落，則寄存器的值不發(fā)生改變，于是，單片機(jī)便驅(qū)動聲光報(bào)警器報(bào)警。當(dāng)輸液正常結(jié)束時(shí)，在最后一滴藥液結(jié)束后再也沒有藥液滴落，那么，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)寄存器的值也不會發(fā)生改變，這時(shí)單片機(jī)也會驅(qū)動聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，使得醫(yī)務(wù)人員可以迅速對藥液進(jìn)行更換或者結(jié)束靜脈輸液。

2.3 輸液“回血”報(bào)警設(shè)計(jì)

輸液“回血”報(bào)警系統(tǒng)，是通過光敏三極管接收紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光的中斷實(shí)現(xiàn)報(bào)警的目的，當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)，因沒有及時(shí)結(jié)束輸液，導(dǎo)致血液由血管向輸液管流動，產(chǎn)生“回血”現(xiàn)象，此時(shí)，輸液“回血”檢測系統(tǒng)傳輸過來到信號進(jìn)入單片機(jī)，此時(shí)，單片機(jī)便會控制聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，提醒醫(yī)務(wù)人員出現(xiàn)輸液“回血”現(xiàn)象，需要立即結(jié)束靜脈輸液。

3 工作流程

該輸液滴速檢測與控制系主要有5個(gè)工作流程：（1）工作流程是醫(yī)務(wù)人員對該系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，使得系統(tǒng)開始進(jìn)行檢測與控制工作；（2）工作流程是輸液檢測模塊進(jìn)行監(jiān)測，來判斷滴管內(nèi)有無藥液滴落，此時(shí)，輸液滴速檢測模塊也在獨(dú)立運(yùn)行工作；（3）工作流程是輸液滴速控制模塊進(jìn)行自動控制滴速，如果在輸液滴速檢測模塊判定滴速異常，那么便會通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動輸液滴速調(diào)節(jié)器來改變滴管內(nèi)對輸液速度；（4）工作流程是持續(xù)測速與比較，如果當(dāng)輸液滴速控制模塊已經(jīng)啟動，但是，輸液速度還是比較快，高于醫(yī)務(wù)人員但設(shè)定值那么輸液滴速系統(tǒng)便會向單片機(jī)輸入電信號，使得單片機(jī)驅(qū)動聲光報(bào)警器報(bào)警，通知醫(yī)務(wù)人員及時(shí)查看；（5）工作流程是對工作按鈕進(jìn)行有效掃描，判定工作按鈕是否處于有效狀態(tài)，如果處于有效狀態(tài)，則可以修正設(shè)定值。進(jìn)而重復(fù)循環(huán)直到中斷狀態(tài)到來，再執(zhí)行中斷操作。

4 結(jié)語

靜脈輸液作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療的重要手段之一，為醫(yī)療行業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，從靜脈輸液作為治療手段以來，一直都是需要醫(yī)護(hù)人員來觀察和輸液的速度，直到現(xiàn)在，依然有許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)需要醫(yī)護(hù)人員或患者及其家屬來觀察輸液時(shí)的輸液情況，這不僅增加了醫(yī)護(hù)人員或患者家屬的工作負(fù)擔(dān)，也會給患者帶來心理壓力。在社會不斷加強(qiáng)智能化的今天，醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用的醫(yī)療設(shè)備也需要融入智能化的元素，醫(yī)療設(shè)備的智能化，不僅可以降低醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，也會大幅度提升他們的工作效率，而且在治療過程會更加精確和穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致的意外，與此同時(shí)，患者也不需要一直需要家屬陪護(hù)，有助于緩解患者的心理壓力。為進(jìn)一步提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的治療與服務(wù)水平，并不斷加強(qiáng)現(xiàn)代醫(yī)療的智能化程度。筆者設(shè)計(jì)了一款可以自動監(jiān)視輸液滴速的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有4個(gè)模塊組成，可以對患者在接受靜脈輸液治療的過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)滴的輸液速度，以及輸液的情況，并且可以在輸液異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警，來提醒醫(yī)務(wù)人員，輸液可能已經(jīng)結(jié)束需要更換藥液或者是在輸液過程中出現(xiàn)了意外情況需要醫(yī)務(wù)人員幫助解決，極大程度上避免了因醫(yī)務(wù)人員或患者及其家屬的疏忽導(dǎo)致的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，也不需要醫(yī)務(wù)人員經(jīng)常去觀察患者的輸液情況。此外，系統(tǒng)制作簡單，且制作成本較低，只需要單片機(jī)、按鈕和電動機(jī)就可以制成該系統(tǒng)。

本系統(tǒng)設(shè)有滴速檢測模塊，該模塊可以對點(diǎn)滴進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且計(jì)算出點(diǎn)滴的輸液速度，而且會結(jié)合系統(tǒng)的顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)滴的輸液速度，便于醫(yī)務(wù)人員和患者及其家屬觀察輸液情況。本系統(tǒng)還設(shè)有滴速控制模塊，主要通過改變滴管的位移量（吊瓶的高低）來改變點(diǎn)滴的輸液速度，點(diǎn)滴的輸液速度可以在靜脈輸液治療開始前，由醫(yī)務(wù)人員通過按鈕進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)置滴速的最大值和最小值，在正常的速范圍內(nèi)系統(tǒng)可以智能地控制滴速，使滴速處于一個(gè)較為適宜的水平，若滴速大于或小于所設(shè)定的最大和最小值，報(bào)警系統(tǒng)就會發(fā)出響聲，提醒醫(yī)務(wù)人員，讓醫(yī)務(wù)人員對輸液進(jìn)行調(diào)整，在調(diào)整后可以通過復(fù)位系統(tǒng)來解除報(bào)警。

本設(shè)計(jì)是主要探究在靜脈輸液過程中，實(shí)現(xiàn)智能輸液的目的，并通過理論知識設(shè)計(jì)并完成智能輸液系統(tǒng)的研究。筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心的智能輸液監(jiān)測系統(tǒng)，對現(xiàn)代醫(yī)療的發(fā)展提供來幫助，為減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強(qiáng)度提供了解決方案，同時(shí)，進(jìn)一步推動了我國醫(yī)療智能化的進(jìn)程，可以提高我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)的醫(yī)護(hù)質(zhì)量。本設(shè)計(jì)主要有5個(gè)功能，分別是自動監(jiān)測點(diǎn)滴輸液速度、自動檢測輸液是否結(jié)束、自動調(diào)節(jié)點(diǎn)滴輸液的速度、實(shí)時(shí)顯示輸液速度以及報(bào)警功能，其中報(bào)警功能會在輸液結(jié)束進(jìn)行報(bào)警，也會在輸液速度高于或低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)患者在輸液過程中出現(xiàn)其他意外情況（如出現(xiàn)回血現(xiàn)象）進(jìn)行報(bào)警。

本設(shè)計(jì)對靜脈輸液的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體分析，為靜脈輸液治療提供了心得可能，填補(bǔ)了輸液系統(tǒng)智能化研究方向的空白，對醫(yī)療設(shè)備電子設(shè)計(jì)的研究具有較大的意義，在設(shè)計(jì)過程中，筆者通過理論分析，較為深刻地分析了靜脈輸液系統(tǒng)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，并通過實(shí)踐和不斷仿真得到了一些成果，希望本設(shè)計(jì)的研究成果可以為靜脈輸液系統(tǒng)的研究提供一些信息，使我國醫(yī)療服務(wù)得以不斷提升，在提高醫(yī)務(wù)人員工作效率的基礎(chǔ)上，也可以使患者接受到更好的治療方式。