孫 曉，胡威林，吳吉平，吳 上，武宇龍

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

分布式病房監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

孫 曉，胡威林，吳吉平，吳 上，武宇龍

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了減輕醫(yī)務(wù)人員的負(fù)擔(dān)和保證病人的安全，設(shè)計(jì)了一種分布式病房監(jiān)測(cè)裝置。該裝置以無(wú)線通訊技術(shù)、光線折射/散射原理為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)病房輸液監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化。紅外發(fā)射器（IR908）發(fā)射的紅外線透過(guò)輸液管，被紅外接收器（PT908）接收，由于輸液管中的藥液變化會(huì)改變接收光線的強(qiáng)弱，引起紅外接收器的電壓變化，最后單片機(jī)對(duì)紅外接收器的電壓進(jìn)行判斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低廉，且能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

分布式；病房監(jiān)測(cè)裝置；紅外線；半透明管；單片機(jī)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展,人們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，壓力也隨之增大，導(dǎo)致生活作息不規(guī)律，人們生病的幾率越來(lái)越高。對(duì)于病人來(lái)說(shuō)，輸液是迅速緩解病情的一種有效途徑。目前，輸液過(guò)程都是通過(guò)病人或醫(yī)務(wù)人員的人工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這增加了病人和醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。針對(duì)輸液過(guò)程中出現(xiàn)缺液的情況，本文提出了一種分布式病房監(jiān)測(cè)裝置，利用紅外線的光學(xué)原理來(lái)監(jiān)測(cè)輸液。該監(jiān)測(cè)裝置減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量，提高了輸液的安全性。

1 監(jiān)測(cè)裝置介紹

1.1 監(jiān)測(cè)裝置的組成

分布式病房監(jiān)測(cè)裝置由主機(jī)和分機(jī)組成。1臺(tái)主機(jī)最多可以配置99臺(tái)分機(jī)，主分機(jī)之間采用無(wú)線射頻傳輸數(shù)據(jù)（433 MHz）。主機(jī)一般由醫(yī)院的科室掌管，不同的主機(jī)采用不同的系統(tǒng)碼，以避免相互干擾。每個(gè)床位配置1臺(tái)分機(jī)，床位號(hào)設(shè)置為2位撥碼開(kāi)關(guān)。當(dāng)分機(jī)檢測(cè)到輸液完畢時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并向主機(jī)發(fā)出射頻信號(hào)。主機(jī)接收到信號(hào)后，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示床位號(hào)，便于護(hù)士查看。病房監(jiān)測(cè)裝置[1]結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式病房監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The structure diagram of distributed monitoring device for wards

1.2 監(jiān)測(cè)裝置的工作原理

藥水對(duì)紅外線[2]的散射作用會(huì)導(dǎo)致接收端的紅外線減弱，輸出電壓下降。因此，判斷輸液是否完畢的工作原理是：當(dāng)輸液管[3]的狀態(tài)發(fā)生變化即從有水到無(wú)水（輸液完畢）時(shí)，輸出電壓會(huì)顯著升高。如果輸液管為半透明管時(shí)，輸出電壓升高幅度為50%～100%。如果輸液管為透明管時(shí)，輸出電壓升高幅度會(huì)大于等于100%。

判斷輸液是否完畢的具體方法如下：

1）設(shè)置判決標(biāo)準(zhǔn)值U0。開(kāi)機(jī)后，延時(shí)1 s（該期間進(jìn)行電池電壓檢測(cè)），控制紅外發(fā)射管發(fā)射如圖2所示的連續(xù)脈沖，連續(xù)采樣5個(gè)紅外接收管的輸入數(shù)據(jù)[4]。如果該5個(gè)輸入數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差≤10%，則取其中值作為判決的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)為U0。如果該5個(gè)輸入數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差≥10%，則重新采樣5個(gè)輸入數(shù)據(jù)，直到合格為止。如果U0≤0.5 V，則輸出錯(cuò)誤報(bào)警。

圖2 紅外線發(fā)射管的工作信號(hào)Fig. 2 Work signal of Infrared transmission tube

2）檢測(cè)判決標(biāo)準(zhǔn)值U0是否正確。如果連續(xù)3次檢測(cè)到的輸入信號(hào)UI均為UI≤0.7U0，說(shuō)明判決標(biāo)準(zhǔn)值U0錯(cuò)誤，則重復(fù)步驟1的工作。該步的意義是，開(kāi)機(jī)后輸液報(bào)警器的卡槽內(nèi)可能是空的，也可能是無(wú)水輸液管，也可能是有水輸液管?？罩脮r(shí)，輸出電壓最高；有藥水時(shí)，輸出電壓最低[5]。因此，只有采樣到有水時(shí)的輸出電壓作為判決標(biāo)準(zhǔn)才正確。

3）判斷輸液是否完畢。如果連續(xù)3次檢測(cè)到的輸入信號(hào)UI均為UI≤1.3U0，表示輸液完畢，發(fā)出聲光報(bào)警，無(wú)線模塊向主機(jī)發(fā)出輸液完畢的報(bào)警信號(hào)。

2 監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 紅外線發(fā)射器與接收器

1）紅外線發(fā)射器

紅外發(fā)射器（IR908）是一種光學(xué)發(fā)射器件，其波段范圍為近紅外，采用連續(xù)式的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。通電后，單片機(jī)的1個(gè)I/O口輸出紅外線發(fā)射管的工作信號(hào)，要求高電平驅(qū)動(dòng)電流≥5 mA。如達(dá)不到，則增加外部驅(qū)動(dòng)電路。

2）紅外線接收器

紅外接收器（PT908）的波段范圍為遠(yuǎn)紅外，采用連續(xù)式的運(yùn)轉(zhuǎn)方式和電激勵(lì)式的激勵(lì)方式。將單片機(jī)[6]的1個(gè)I/O口（帶8位A/D轉(zhuǎn)換）作為紅外線檢測(cè)信號(hào)的輸入端。紅外線發(fā)射器為高電平脈沖時(shí)，輸入信號(hào)延時(shí)1 ms開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換；高電平脈沖結(jié)束前1 ms停止A/D轉(zhuǎn)換。每個(gè)高電平脈沖期間，采樣5次，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間≤1 ms，將5次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果取中值（排序后，取中間值）作為輸入信號(hào)，用來(lái)判斷輸液報(bào)警是否動(dòng)作。

2.2 分機(jī)地址（床位號(hào)）設(shè)定

在產(chǎn)品定型中，可用下述3種方法設(shè)定分機(jī)地址（床位號(hào)）：

1）采用2位8421編碼的撥碼開(kāi)關(guān)，地址范圍為00～99，需占用單片機(jī)的8個(gè)I/O端口。

2）采用4位8421編碼的撥碼開(kāi)關(guān)，地址范圍為0000～9999，需要占用16個(gè)單片機(jī)的I/O端口，如單片機(jī)的端口不夠用，可考慮用硬件電路進(jìn)行并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)。

3）采用4個(gè)按鍵加LCD顯示屏的方式。

2.3 分機(jī)聲光報(bào)警

分機(jī)設(shè)有紅、綠2個(gè)LED指示燈和蜂鳴器，用來(lái)指示不同的工作狀態(tài)。不同工作狀態(tài)如下。

1）獲取判決標(biāo)準(zhǔn)值U0時(shí)，紅、綠指示燈長(zhǎng)亮，蜂鳴器不響。

2）正常工作時(shí)，綠燈亮0.3 s，滅1.7 s。

3）輸液完畢時(shí)，紅燈亮0.5 s，滅0.5 s閃爍，直至輸液完畢的判決條件不滿足或關(guān)閉電源，停止光報(bào)警。蜂鳴器響0.5 s，停0.5 s，報(bào)警時(shí)長(zhǎng)為10 s后自動(dòng)關(guān)閉聲音報(bào)警，或輸液完畢的判決條件不滿足時(shí)停止聲音報(bào)警。

4）電池電壓不足時(shí)的報(bào)警方法，紅燈長(zhǎng)亮5 s，蜂鳴器連續(xù)響5 s。

2.4 分機(jī)無(wú)線信號(hào)發(fā)射

分機(jī)向主機(jī)發(fā)射射頻信號(hào)，每次的發(fā)射周期≤10 ms（發(fā)射周期越短越好）。發(fā)射的信號(hào)應(yīng)包括同步信號(hào)、系統(tǒng)碼、分機(jī)地址碼（床位號(hào)）、分機(jī)工作狀態(tài)（正?；驁?bào)警）等。分機(jī)無(wú)線信號(hào)的發(fā)射方法具體如下：

1）分機(jī)正常工作時(shí)，每5 min向主機(jī)發(fā)射1次正常工作信號(hào)，表明該分機(jī)工作正常。

2）輸液完畢時(shí)，每1 min向主機(jī)發(fā)射1次報(bào)警信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

輸液管直徑為3.5 mm，分為半透明管（磨砂）和透明管2種。本文分別對(duì)2種輸液管在有水和無(wú)水條件下進(jìn)行了輸出電壓的監(jiān)測(cè)。紅外發(fā)射器與接收器位于輸液管外側(cè)不同的檢測(cè)位置，其不同的位置，對(duì)紅外線的影響不同。實(shí)驗(yàn)電路[4]如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路圖Fig. 3 The diagram of test circuit

紅外發(fā)射器與接收器的間距為5.6 mm。由于外界光線（自然光和日光燈）對(duì)輸出電壓的影響為0.1 V左右。在不屏蔽外界光線的影響下，空置（紅外發(fā)射管與接收管之間為空氣）時(shí)，。紅外接收器在半透明管和透明管不同位置的輸出電壓如圖4所示。

圖4 輸液管不同位置的輸出電壓Fig. 4 Output voltages at different locations of infusion tube

由圖4可知，在輸液管的邊緣位置，藥水對(duì)紅外線具有折射、散射作用，使接收端信號(hào)減弱，輸出電壓下降。因此，本文利用上述原理來(lái)判斷輸液是否完畢。紅外線發(fā)射接收器在輸液管中的檢測(cè)安裝位置如圖5所示。

圖5 紅外線在輸液管中的檢測(cè)位置Fig. 5 Infrared ray detection position in the infusion tube

3.2 半透明管實(shí)驗(yàn)

在電池電壓U= 3.0 V ，發(fā)射電流I=3.66 mA的條件下，根據(jù)以上分析得出，需對(duì)半透明管在不同狀態(tài)條件下進(jìn)行9組藥水監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。在無(wú)水半透明管、有水漬半透明管、有水半透明管3種情況下，紅外接收器的電壓變化情況[5,7]如表1所示。

表1 紅外接收管的電壓變化表Table 1 The voltage change of infrared receiver V

由表1可知：

1）不同輸液管或者同一輸液管的不同位置，對(duì)紅外線的散射作用不一樣。這是由于輸液管的管壁厚度不均勻，輸液管的圓度不一致所造成。

2）對(duì)于不同輸液管或輸液管的不同位置，以有水半透明管的輸出電壓為基準(zhǔn)。當(dāng)輸液管從有水到無(wú)水狀態(tài)變化時(shí)，輸出電壓上升48.4%～108.3%，滿足判決要求（上升30%以上）。

4 功耗分析

4.1 電池供電分析

AAA堿性電池[8]的電量一般在450～600 mA·h，電池電量的大小與放電方式有很大關(guān)系。如用500 mA對(duì)7號(hào)堿性電池（雙鹿）放電到1 V，得到容量400 mA· h，但是用10 mA對(duì)其放電到1 V，可以得到容量1 100 mA·h。因此，7號(hào)電池以小電流放電，可以得到2 000 mA·h以上的容量。輸液報(bào)警器的連續(xù)放電電流≤2 mA，間隙放電電流≤100 mA（占空比≤1%），放電終止電壓為1.3 V。按此工作方式，電池電量按400 mA·h計(jì)算。

4.2 輸1瓶藥液所需電量分析

假設(shè)輸1瓶藥液（150 mL藥水）的時(shí)間為1 h；輸液完畢后，報(bào)警時(shí)間為5 min。各單元電路的耗電量如表2所示。

表2 各單元電路的耗電量Table 2 The power consumption of each unit circuit

由表2可知，所有單元電路的耗電量為2 081.7 mA·s，即約0.58 mA·h。因此，1對(duì)7號(hào)南孚AAA堿性電池可以輸液的數(shù)量約1 379瓶。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于點(diǎn)滴看護(hù)的繁瑣與安全性，設(shè)計(jì)了一種分布式病房監(jiān)測(cè)裝置。分布式病房監(jiān)測(cè)裝置由主機(jī)和分機(jī)組成。該裝置以無(wú)線通訊技術(shù)、光線折射/散射原理為基礎(chǔ)，采用將接收光線強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)病房輸液監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化。最后，利用制造的樣機(jī)在接收和發(fā)射器不同監(jiān)測(cè)位置和輸液管不同狀態(tài)條件下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，本監(jiān)測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多分機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中，未出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警情況。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高、成本低廉，可以滿足各醫(yī)院對(duì)于點(diǎn)滴監(jiān)控的要求。

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（責(zé)任編輯 ：鄧 彬）

Design of Distributed Monitoring Device for Wards

Sun Xiao，Hu Weilin，Wu Jiping，Wu Shang，Wu Yulong
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to reduce the burden on medical staff and ensure the safety of patients, a distributed monitoring device for wards is designed. It realizes the automation and intelligence of the ward transfusion monitoring on the basis of the wireless communication technology and the light refraction and scattering principle. The infrared ray transmitted by infrared transmitter (IR908) is received by infrared receiver (PT908) through the infusion tube, the change of liquid in the infusion tube could alter the receiving light intensity which leads to the voltage change of the infrared receiver, and the SCM identifies the voltage of infrared receiver finally. The experimental results show that the device has simple structure, high reliability, low cost, which realizes the automatic monitoring for a long time.

distributed；monitoring device for wards；infrared ray；translucent tube；single-chip microcomputer

TP277.2

A

1673-9833(2015)03-0067-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.013

2015-02-26

湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1311）

孫 曉（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電控制與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的教學(xué)與研究，E-mail：sxbug@163.com