輸液加溫智能多功能監控模塊硬件設計研究

舒 娥，王微微，何 欣

（廣東省湛江衛生學校，廣東 湛江 524000）

1 基于傳感器和無線傳感器網絡的智能醫療監控系統

本文介紹了一項關于輸液加溫智能多功能監控模塊硬件設計的研究。該研究利用傳感器和無線傳感器網絡（WSN）等技術，旨在監測輸液過程中的各項參數，并提供智能化的監控功能。該監控模塊通過傳感器收集輸液過程中的物理參數，并借助WSN 將數據傳輸給接收器或接收設備。該硬件設計的目標是幫助醫生、護士和其他醫務人員實時監測輸液過程，并提供必要的數據處理和反饋功能。通過該智能監控模塊，可以提高輸液的安全性和效率，以滿足醫療監控的需求[1]。

1.1 靜脈滴注計和控制器

該項目旨在設計一種輸液加溫智能多功能監控模塊，該模塊不僅可以監測輸液過程，還可以控制滴速并提供警報功能。該設備旨在幫助用戶輕松調整不同液體和滴液組的滴速，用戶只需輸入已知參數，如要注入的體積、注入所需的時間、滴落系數或所需的滴速。該模塊將持續監測和顯示滴速，無論液體濃度、成分、粘度或儲液罐中的液體量或其他參數如何變化，滴速都將保持恒定。當滴液室充滿、滴液停止、設定速率發生變化（加速或減速）、達到預設儲液液位、儲液罐低液位或空液位、電池電量低等情況時，該模塊將觸發警報（聲音和視覺）。為防止空氣栓塞和/或其他并發癥的發生，滴液將在儲液罐排空之前或達到預設液位后自動關閉。該硬件設計研究將關注如何實現輸液加溫、滴速控制和警報功能，并確保系統在不同情況下的穩定性和安全性[2]。

1.2 通過NRF24L01E 進行即時警報的智能滴注監測系統

在輸液治療中，正確管理滴注速率非常重要。本系統使用滴計數器來檢測滴注速率，并每小時或每30分鐘計算一次輸液速率。該系統由一個集中監控計算機和多個監測裝置組成，監測裝置安裝在輸液裝置上。通過分析滴注速率、壓力等標準參數以及與輸液袋狀態、流量變化、溶液耗盡等相關的信息，監測裝置會立即將數據傳輸到集中監控計算機。這些數據將以圖形方式顯示在集中監控計算機上，供醫護人員在護士站中進行實時監視和分析。該系統能夠同時監測醫院內多名患者的輸液狀態，并將數據保存在護士站中，以便以后參考和檢索。硬件設計研究將聚焦于如何利用NRF24L01E 模塊實現即時警報功能，并確保系統在輸液加溫、滴速監測和數據傳輸方面的穩定性和可靠性[3]。

1.3 具有自由流動檢測功能的新型滴注液監測系統

開發一種具有自由流動檢測功能的新型輸液加溫智能多功能監控模塊硬件設計。在某些情況下，患者無法通過口服液體來滿足治療需求，因此需要使用滴注和輸液泵將液體注入患者體內。目前，滴注技術更為常用，而滴落計數器被用于監測滴液速率。本設計方案使用紅外發射器和接收器連接到滴液室，實時檢測每滴液體的下落并計數。該多功能監控模塊還具備輸液加溫功能，通過控制溫度來確保輸液液體的恒溫。此外，該硬件設計研究還包括智能功能，例如警報系統，可以在滴速異常或溫度異常時立即發出聲音和視覺警報。通過集成這些功能，該系統能夠提高輸液過程的精確性和安全性，并為醫護人員提供更便捷的操作和監控方式。

1.4 靜脈液位監測系統的概念設計

在進行輸液加溫智能多功能監控模塊硬件設計研究時，提出了一種靜脈液位監測系統的概念設計。該系統旨在控制生理鹽水的流速，并提醒醫護人員更換液體瓶。設計中采用流量傳感器來監測滴水量，并同時監測患者的生理狀況，如血流量、心率和血壓。系統的工作原理如下：首先，在PLC 電路中，設定這些生理狀況的正常范圍作為輸入參數，任何與正常范圍的偏差都會觸發警報提醒醫護人員。其次，在流量傳感器附近設置液體流通回路，用于控制輸注到患者體內的靜脈液體量。輸入參數包括要輸注的液體量以及完成輸注的時間。系統將根據輸入參數計算出流速值，并通過流量傳感器進行實時監測和控制。當液體瓶的液位降至預設閾值時，流量傳感器將自動關閉，并發出警報提醒醫務人員更換液體瓶。通過實現自動化控制，該系統減少了手動操作的需求，提高了輸液過程的效率和安全性[4]。

2 系統的構建

2.1 系統框圖

Arduino（ATMEGA328 微控制器）被編程為感知來自傳感器的模擬信號并生成數據包以將信號轉換為數字形式。配備Arduino 的藍牙模塊能夠與智能手機應用程序連接，傳感器從患者身體和靜脈輸液袋收集數據，并將信息發送到應用程序。護士/工作人員攜帶的應用程序分析數據并做出適當的決定。因此，實時監測和控制成為可能。

2.2 輸液加溫智能監控系統結構框

如圖1 所示，它代表了系統架構的基本流程。智能物聯網設備通過傳感器從受試者身體和靜脈輸液袋收集數據，并通過藍牙將數據傳輸到應用程序。該應用程序是可以使用移動應用程序實時監控和分析所有數據的地方。液位由濕度傳感器檢測，如果液位變為空狀態，它將向護士移動應用程序發出警報。她/他可以通過分析流體狀態來手動控制流速。如果患者感到不適，他/她可以按下緊急按鈕以獲得醫務人員的幫助，如果醫務人員遠離患者，則警報消息/警報呼叫將傳遞到移動應用程序。

圖1 輸液加溫智能監控系統結構框圖

2.3 輸液管內液體溫度檢測模塊設計

根據紅外測溫單元對測量物體或測量對象的具體要求，本方案測量目標為輸液管內液體溫度的非接觸測量，并通過通信總線將檢測得到的液體溫度值傳入STM32 監控系統中，監控系統根據加溫需求輸出溫度控制信號，對輸液管進行加溫控制，以此形成一個閉環溫度檢測控制電路，輸液溫度監控系統的結構圖如圖2所示。

圖2 溫度監控系統結構圖

2.4 輸液加溫與控制模塊設計

針對不同的輸液情況提出不同的加溫方式，對于小流量低速輸液，采用輸液管長距離加溫方式；對于大流量高速輸液，采用上端輸液管快速加溫結合下端輸液管長距離保溫的加溫方式，其中下端輸液管保溫方式與小流量低速輸液加溫的方式相一致。

上端輸液管快速加溫采用加熱板加溫的方式，發熱材料采用硅橡膠加熱片，內部加熱部分為經過排列后的鎳鉻合金絲。與傳統的電阻絲、PTC 熱敏電阻加溫元件相比，硅橡膠發熱材料發熱快、加熱均勻、使用方便、安全耐磨。同時具有柔性，可與加熱物體緊密接觸快速加溫等優點，使用電壓6V～380V，交流直流均可。

2.5 模塊化描述

該系統中使用的四個模塊是：傳感器連接到患者和靜脈輸液袋的身體上；信號調理部分；患者監護系統；醫生/護士手機。

1.傳感器連接到患者和靜脈輸液袋的主體上：將脈搏傳感器、溫度傳感器、血壓傳感器、液位傳感器嵌入Arduino 板。溫度傳感器：LM35 傳感器用于測量體溫。傳感器連接到患者身體上，并感應體溫，它以攝氏度線性校準，具有低自發熱能力。此外，它不需要外部校準。液位傳感器：IV 液位傳感器用于測量IV液位。在有水的情況下，模塊輸出處于高水平；否則，輸出處于較低水平。使用NPN 晶體管來檢測IV 液位。

2.信號調理部分：（1）Arduino Uno：Arduino Uno的特點是基于ATmega328P 的微控制器板。它包括14個輸入/輸出數字引腳（其中6 個可用作PWM 輸出）、6 個模擬輸入、一個16MHz 大小的石英晶體、一個ICSP 接頭、一個USB 連接、一個復位按鈕和一個電源插孔。它集成了支持微控制器所需的一切，并通過USB電纜輕松將其與計算機連接，并使用AC-DC 適配器或電池為其供電以開始設計。（2）藍牙模塊：HC05 藍牙串行直通模塊的特點是有兩種操作模式，第一種是數據模式，它可以從其他藍牙設備發送和接收數據，第二種是AT 命令模式，在該模式下可以更改默認設備設置。

3.病人監護系統：智能物聯網設備定期從用戶和環境收集數據，并通過藍牙介質將其發送到應用程序，實時監控脈搏率、血壓、溫度和液位等數據。液位傳感器讀取值并與閾值或預設值進行比較。如果低于閾值，它將提醒護士或醫務人員。

4.醫生/護士手機：患者數據受到監控，并以圖形方式顯示在醫務人員的移動設備上。因此，實時監控是可能的。

3 結果和討論

終端開發了相應硬件，例如嵌入傳感器的Arduino，以獲取液位，患者物理參數（例如血壓、溫度、心率等）等數據。感應到的數據直觀地顯示在與滴灌系統相連的安卓應用程序上。它還包含一個緊急按鈕，患者可以通過消息傳遞設施通知護士尋求緊急幫助。所有收集的數據都被發送到受保護的云中，并且可以通過使用Android 應用程序從醫院的任何地方訪問。該項目的總體目標是開發一個Android 應用程序，顯示有關滴水水平/患者身體參數的通知，并在獲得靜脈輸液袋開始清空狀態時向護士或醫生發出警報。這是一種低成本和安全的靜脈滴注系統醫療保健，為觀察者/護士提供了便利。

4 結語

該研究回顧了與輸液加溫智能多功能監控模塊硬件設計相關的內容，并討論了靜脈滴注系統的功能和相關風險。針對實際問題，即在家庭護理環境下對患者進行實時監控，提出了一種解決方案。該系統的核心組成部分包括安裝硬件和軟件傳感器，將數據檢索和存儲在數據庫服務器中，并通過數據處理實現靜脈滴注監控的自動化。該系統整合了現有獨立系統的多個功能，并增加了一些關鍵功能，從而提高了系統的實用性和適用范圍。使用這種設備可以減少與醫院靜脈滴注相關的并發癥的發生。