張春林

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

智能醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張春林

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

設(shè)計(jì)了一種智能醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的下位機(jī)以單片機(jī)為控制核心，由應(yīng)變式電阻傳感器測量重量，由光電傳感器測量液滴數(shù)量，下位機(jī)與上位機(jī)之間通過RS485總線通信，系統(tǒng)可以監(jiān)測每個(gè)病人輸液進(jìn)程。軟件編寫過程中，采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)λ幰憾嗌俸忘c(diǎn)滴速度等進(jìn)行檢測，可以手動(dòng)設(shè)置預(yù)警值，進(jìn)行超限報(bào)警，同時(shí)也可進(jìn)行意外情況報(bào)警。

RS485總線；點(diǎn)滴速度；輸液；預(yù)警

0 引言

目前，大多數(shù)醫(yī)院在輸液的過程中，主要通過觀察和詢問的方式，確定是否舒適，點(diǎn)滴速度的調(diào)節(jié)也主要是通過調(diào)節(jié)輸液夾的松緊來實(shí)現(xiàn)，整體的控制精度不高，智能化程度很低，一些對(duì)滴速要求極其嚴(yán)格的病情，比如化療或搶救，這種通過觀察和估計(jì)的方式調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度方法，難以滿足實(shí)際需求，影響了治療效率，危害嚴(yán)重［1］，其實(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中，不同癥狀的患者和不同的藥物對(duì)點(diǎn)滴速度的要求均有所不同，尤其對(duì)一些特殊藥物如麻醉藥等，均需要嚴(yán)格控制用藥量和用藥速度［2］。

現(xiàn)在，很多醫(yī)院采用輸液泵控制藥量和速度，但輸液泵價(jià)格昂貴，增加了醫(yī)院的醫(yī)療成本和病人的費(fèi)用負(fù)擔(dān)，鑒于上述原因，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種智能醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)。

1 醫(yī)用輸液系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

主控芯片采用P89C58X2單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，對(duì)液體點(diǎn)滴速度的控制，使用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管實(shí)現(xiàn)光源檢測，紅外發(fā)光二極管垂直于漏斗壁發(fā)送紅外光，紅外接收三極管依據(jù)接收到的紅外光信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過定時(shí)采樣計(jì)算出液體點(diǎn)滴速度，光電檢測器器件具有電隔離的功能，響應(yīng)速度快（一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)），使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小重量輕、耗電少、成本低、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用基于RS485總線的有線異步通信方式。

2 醫(yī)用輸液系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的傳感器有電阻應(yīng)變式稱重傳感器和光電管檢測器，采用P89C58X2作為控制核心，配合放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、脈沖整形電路等構(gòu)成智能監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，醫(yī)用輸液系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路組成框圖如圖1所示。

2.1 主控單元

本系統(tǒng)選用P89C58X2作為下位機(jī)系統(tǒng)的CPU，P89C58X2包含256字節(jié)RAM，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32條1/O口線，中斷系統(tǒng)為6個(gè)中斷源、4個(gè)優(yōu)先級(jí)，1個(gè)串行I/O口，此外，由于它采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，頻率范圍寬（可降至0），另外它可工作在空閑模式和掉電模式上，在空閑模式中，只有CPU停止工作，其他部件均正常工作，在掉電模式中，RAM中的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行保存，不丟失數(shù)據(jù)。

2.2 稱重電路

在稱重傳感器之下懸掛輸液瓶，傳感器內(nèi)部彈性體在外力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，彈性體表面固定著電阻應(yīng)變片，也會(huì)隨之產(chǎn)生變形，阻值會(huì)發(fā)生變化，傳感器電路會(huì)將此變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳感器將懸掛在下面的總的重力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可手動(dòng)設(shè)置報(bào)警閾值（電壓值），當(dāng)藥液減少到此時(shí)的重力少于一定值時(shí)，導(dǎo)致檢測到的電壓值小于閾值，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)數(shù)字量判斷瓶內(nèi)剩余藥液重量，稱重采集器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，另外傳感器輸出的信號(hào)強(qiáng)度太弱，為微伏量級(jí)，應(yīng)先放大再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖1 醫(yī)用輸液系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路組成框圖

放大電路采用精密儀表放大器INA118，A/D轉(zhuǎn)換器選用CS5532，放大電路將電壓信號(hào)放大1000倍左右，再送給A/D轉(zhuǎn)換器，CS5532 A/D轉(zhuǎn)換器噪音低，分辨率高達(dá)24位，放大倍數(shù)和數(shù)據(jù)輸出速度均可調(diào)，內(nèi)部具有自校正系統(tǒng)，可進(jìn)行自我校準(zhǔn)，精度高，較容易和單片機(jī)接口。

2.3 點(diǎn)滴速度的測量電路

使用光電檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)滴速檢測，將紅外對(duì)管對(duì)稱置于莫非氏管的兩側(cè)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光透過輸液管照射到光電三極管，光電三極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

當(dāng)發(fā)生特殊情況，滴斗內(nèi)無液滴落下時(shí)，光敏三極管始終能夠接收到較強(qiáng)的光信號(hào)導(dǎo)通，輸出低電平，比較器輸出高電平；當(dāng)?shù)味诽幱幸旱温湎聲r(shí)，光敏三極管只能接收到微弱的光信號(hào)而截止，比較器輸出低電平，如果液滴連續(xù)滴落，在比較器的輸出端將產(chǎn)生穩(wěn)定的，與液滴同頻率的電脈沖信號(hào)，但此脈沖信號(hào)很微弱，故后面采用放大電路進(jìn)行放大，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)滴速度測量電路

在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就能夠確定點(diǎn)滴速度，這里可以采用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，設(shè)定一定的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)滴的數(shù)量，在一定的時(shí)間內(nèi)沒有液滴滴下，或數(shù)量少于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出指令使蜂鳴器報(bào)警。

2.4 串口通訊單元

上位機(jī)和下位機(jī)之間采用串口進(jìn)行通信，隨著下位機(jī)數(shù)量增多，通信距離加長，RS232不能滿足要求，而RS-485具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

所以系統(tǒng)中下位機(jī)要經(jīng)過MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，而上位機(jī)則直接由RS-232/RS-85轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，中間的遠(yuǎn)距離傳輸均采用RS-485總線進(jìn)行。

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件程序包括初始化、重量測量、低速計(jì)算、報(bào)警程序及串口通訊中斷處理程序等。

3.1 重量測量

通過電阻應(yīng)變式稱重傳感器監(jiān)測藥液重量，如前述重量測量電路中所說，該方法能夠測量出輸液藥瓶和輸液軟管系統(tǒng)的總重量，總重量包括輸液瓶和輸液管重量，也包括藥液重量，輸液瓶和輸液管重量可提前稱出來，為不變量，藥液的重量隨時(shí)都在變化，但可以用總重量減去不變量的重量，計(jì)算出所剩藥液的重量，可設(shè)置藥液重量的下限值，所剩藥液的重量實(shí)時(shí)與下限值進(jìn)行比較，小于下限值則進(jìn)行報(bào)警。

3.2 滴速計(jì)算

由于點(diǎn)滴速度檢測電路輸出與液滴同頻率的電脈沖信號(hào)，單片機(jī)采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行液滴的計(jì)數(shù)，采用單片機(jī)采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1設(shè)定時(shí)間，可設(shè)定為0.5s，時(shí)間到進(jìn)入滴速計(jì)算程序，在此期間的計(jì)數(shù)數(shù)量即為每秒鐘的液滴數(shù)，由此粗略計(jì)算出滴速，可存儲(chǔ)5個(gè)這樣的滴速，取平均值即為現(xiàn)在的速度。

3.3 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置了聲音報(bào)警和發(fā)光閃爍報(bào)警兩種方式［3］，當(dāng)藥液過少或滴速過慢，均進(jìn)行報(bào)警，即藥液重量低于設(shè)定值報(bào)警，低速小于設(shè)定值時(shí)也進(jìn)行報(bào)警，分別通過單片機(jī)的P2.0接蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警和P2.1接發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)發(fā)光閃爍報(bào)警。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)從就診需求出發(fā)，充分考慮到輸液過程中的安全，以患者為中心，設(shè)計(jì)了一款智能醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確的計(jì)數(shù)點(diǎn)滴速度，對(duì)輸液過程能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際情況酌情進(jìn)行報(bào)警設(shè)計(jì)，能夠避免輸液過程中事故的發(fā)生。

［1］ 肖征，唐艷超，劉俊松.醫(yī)用輸液實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研制［J］.中國療養(yǎng)醫(yī)學(xué)，2011，20（10）：908-909.

［2］ 江勇.基于光電傳感器的輸液報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.醫(yī)療設(shè)備，2010，23（12）：9-10.

［3］ 梁春美，胡云琴.基于單片機(jī)的“病床呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)［J］.福建電腦，2013（3）：153-154.

責(zé)任編輯：吳旭云

Design of an Intelligent M edical Infusion M onitoring System

ZHANG Chunlin
（Changchun Institute of OPtics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

This PaPer describes the design of an intelligentmedical infusion monitoring system，in which SCM is used as the control core in the lower Positionmachine，resistance strain gauge sensor is used formeasuringweight，Photoelectric sensor is used formeasuring droPlet numbers，bus communication between the host comPuter and the lower Position machine is done through RS485，and the system can monitor the transfusion Process of each Patient.The structured and modularized designmethods are adoPted in software Programming，which can detect the amount of liquid and the sPeed of driP，and PeoPle canmanually setwarning value and make it alarm while out of gauge，also can undertake unexPected condition alarm.

RS485 bus；driP sPeed；infusion；early warning

TP29

A

1009-3907（2015）06-0005-03

2015-03-14

張春林（1973-），男，河北灤縣人，副研究員，碩士，主要從事光電設(shè)備的研發(fā)工作。