郭雪濤，王　愷，王　茜，嚴(yán)一民

一種電子輸液報(bào)警器的研制

郭雪濤，王愷，王茜，嚴(yán)一民

目的：針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)用輸液報(bào)警器的一些實(shí)際應(yīng)用缺陷，研制一種新型成本低廉、安全可靠的電子輸液報(bào)警器。方法：該報(bào)警器包括傳感模塊、控制模塊、報(bào)警模塊及直流電源模塊；采用集成運(yùn)算放大器放大懸臂梁傳感器輸出的電壓信號(hào)，由NE555定時(shí)器來控制報(bào)警時(shí)機(jī),報(bào)警時(shí)的液體質(zhì)量設(shè)置為輸液瓶與瓶中液體總質(zhì)量的10%。結(jié)果：該裝置可以在剩余液體質(zhì)量為總質(zhì)量10%左右時(shí)報(bào)警，并且針對(duì)目前市面常見的3種輸液瓶，設(shè)計(jì)有3個(gè)不同的擋位。結(jié)論：整個(gè)裝置原理易懂，便于醫(yī)護(hù)人員裝配使用與維護(hù)；成本較低，可較好地滿足廣大人群的醫(yī)療需求，并且體積小，耗電少，便于醫(yī)院固定使用，可在各型醫(yī)院、診所推廣使用。

輸液；壓力；報(bào)警器

0　引言

當(dāng)患者在醫(yī)院輸液時(shí)，一般需要護(hù)士或家人的看護(hù)。然而，輸液的時(shí)間一般較長(zhǎng)且醫(yī)院事物繁多，難免會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)人手不夠的狀況。若沒人看護(hù)，在輸液過程中患者要時(shí)刻擔(dān)心輸液進(jìn)程，這樣會(huì)給患者造成很大的精神壓力，使其無法在輸液的時(shí)候得到很好的休息。雖然不及時(shí)拔輸液針不會(huì)帶來生命危險(xiǎn)，但是出現(xiàn)的靜脈回血現(xiàn)象會(huì)給那些不具有醫(yī)學(xué)基本知識(shí)的患者帶來一定的惶恐，影響醫(yī)院的正常工作。電子輸液自動(dòng)報(bào)警器可以在液滴減少到一定量時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提示看護(hù)人拔掉輸液管，減輕了患者和陪床者的負(fù)擔(dān)，并提升了醫(yī)院護(hù)理管理水平，加快了現(xiàn)代化進(jìn)程。

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多種不同原理和配置的輸液報(bào)警器，歸納起來主要有3種原理：一是光電原理；二是稱重原理；三是液滴計(jì)數(shù)原理。

另外還有2種應(yīng)用得不是特別廣泛的原理：（1）電極導(dǎo)電原理。因?yàn)樗幰壕哂袑?dǎo)電性，當(dāng)藥液用完后，導(dǎo)電性消失，從而實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)輸液瓶?jī)?nèi)藥液是否用完的目的。毫無疑問，使用此方法成本較低，不過存在一定安全性隱患，比如當(dāng)藥液通電后是否會(huì)影響其藥性，另外每次使用電極都要進(jìn)行消毒的工作過于繁瑣，所以這種方法也只是停留在理論層面，無法形成生產(chǎn)力。（2）超聲波傳感器原理。但是基于該原理的裝置不僅價(jià)格昂貴，而且需要進(jìn)行復(fù)雜的安裝調(diào)試，且可靠性也得不到保障[1]，因此在靜脈輸液的液滴檢測(cè)中難以得到廣泛的應(yīng)用。

1　報(bào)警技術(shù)原理

1.1光電原理

利用光電非接觸式探測(cè)藥滴的動(dòng)態(tài)變化情況，觸發(fā)電路工作，即在瓶子的底部或滴管緩沖瓶處裝上光電設(shè)備，當(dāng)沒有液體時(shí)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。利用這種方法制成的電子輸液報(bào)警器的工作原理有2種：一種是在莫菲氏管內(nèi)增加浮球；一種是利用輸液管里有無藥液時(shí)光線折射率的變化來控制報(bào)警器工作。由第一種原理制成的報(bào)警器制作與安裝不便利，也不衛(wèi)生。由第二種原理制成的報(bào)警器探測(cè)手段過于精細(xì)，具有不易安裝、傳感器容易脫落的缺點(diǎn)，以至于安裝不到位導(dǎo)致無法正確報(bào)警；并且能應(yīng)用于輸液報(bào)警的光電式傳感器造價(jià)一般都比較昂貴，對(duì)測(cè)量的環(huán)境條件要求較高，容易受到外界的影響而出現(xiàn)誤報(bào)，造成不必要的危害。

2　設(shè)計(jì)

2.1總體結(jié)構(gòu)

該電子輸液自動(dòng)報(bào)警器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，共包括4個(gè)模塊。

圖1　電子輸液報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖

2.1.1傳感模塊

包括固定在殼體內(nèi)頂部的壓力傳感器及固定于傳感器底部的懸掛輸液瓶的掛鉤。

2.1.2控制模塊

與所述壓力傳感器電性連接，包括將傳感器傳入的電壓信號(hào)進(jìn)行放大的運(yùn)算放大器、將運(yùn)算放大電壓信號(hào)變換成為階躍信號(hào)以產(chǎn)生跳變的閾值報(bào)警電壓的定時(shí)器及控制量程的量程調(diào)節(jié)模塊。

2.1.3報(bào)警模塊

與所述定時(shí)器電性連接以將所述報(bào)警電壓轉(zhuǎn)換為報(bào)警信號(hào)，包括并聯(lián)的發(fā)光二極管和蜂鳴器。

2.1.4直流電源模塊

分別給壓力傳感器、定時(shí)器、運(yùn)算放大器供電。

2.2各模塊硬件組成及電路設(shè)計(jì)

整個(gè)報(bào)警器電路分為3個(gè)部分：感受部分、控制部分、報(bào)警部分。直流電源模塊為這3個(gè)部分提供工作電壓。裝置簡(jiǎn)易內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部電路如圖3所示。

2.2.1集成傳感部分

該部分主要由殼體和傳感器模塊構(gòu)成（如圖2、3所示）。

圖2　電子輸液報(bào)警器簡(jiǎn)易裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3　電子輸液報(bào)警器內(nèi)部電路圖

壓力傳感器為750 g微型電阻橋式稱重傳感器，傳感模塊固定在裝置殼體頂部，這樣可以較好地排除裝置本身的質(zhì)量對(duì)傳感器質(zhì)量感受的影響，讓傳感器只感受吊瓶的質(zhì)量變化。傳感模塊主要由壓力傳感器和與之配套的塑料板組成，壓力傳感器的兩端分別固定塑料板，用螺釘將傳感器兩端懸臂梁式地固定在上下2塊塑料板之間。2塊塑料板既起到了安裝和固定傳感器的作用，也達(dá)到了使傳感器受力精確、傳感靈敏的目的。2塊薄塑料板保證壓力傳感器有良好的穩(wěn)定性且受力均勻，使受力隨質(zhì)量變化近似線性輸出，從而提高報(bào)警的精度。下置的掛鉤用于懸掛輸液瓶。輸液瓶的質(zhì)量變化會(huì)被壓力傳感器感受并輸出隨輸液瓶質(zhì)量變化的微弱電壓信號(hào)，通過傳感器本身自帶的輸出信號(hào)導(dǎo)線將隨壓力變化而變化的微小電壓信號(hào)傳入后一級(jí)控制模塊。

2.2.2控制部分

控制部分即控制模塊（如圖1所示）由運(yùn)算放大器、可調(diào)旋鈕電阻電路和NE555定時(shí)器3個(gè)部分構(gòu)成（電路如圖3所示）。

利用集成運(yùn)算放大器和相關(guān)電阻搭建成深度負(fù)反饋電路來控制電壓的放大倍數(shù)[3]，將傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大。

在運(yùn)算放大器的反饋電路部分接單刀多擲旋轉(zhuǎn)開關(guān)，如圖3所示，每個(gè)旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)接不同阻值的電阻，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值來調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)，從而使得運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)為放大了特定倍數(shù)的電壓信號(hào)。在殼體的外部設(shè)有與所述旋轉(zhuǎn)開關(guān)連接的旋轉(zhuǎn)到不同位置對(duì)應(yīng)不同報(bào)警量程的旋鈕（如圖2所示），方便使用人員調(diào)節(jié)量程。

經(jīng)運(yùn)算放大器放大的電壓信號(hào)通過導(dǎo)線傳入用NE555定時(shí)器搭建的類似施密特觸發(fā)器電路的信號(hào)輸入端。施密特觸發(fā)器可以將經(jīng)過放大的、微小變化的電壓信號(hào)整形變換成階躍信號(hào)，生成邏輯“0”和邏輯“1”，簡(jiǎn)單地完成A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生跳變的閾值報(bào)警電壓[4]。我們所使用的NE555定時(shí)器屬于雙極型，該型號(hào)的定時(shí)器驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，完全可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警部分正常工作。

邏輯“1”的出現(xiàn)時(shí)刻即報(bào)警部分工作的時(shí)刻。由于閾值報(bào)警電壓在裝置工作中不會(huì)變化，因此運(yùn)算放大器部分通過不同阻值調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)來控制運(yùn)算放大器的輸出電壓以達(dá)到閾值報(bào)警電壓的時(shí)間間隔，從而相當(dāng)于設(shè)置了不同量程的報(bào)警液體質(zhì)量，達(dá)到對(duì)應(yīng)不同液體質(zhì)量報(bào)警的效果。阻值與報(bào)警液體質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系由多次試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行擬合推出經(jīng)驗(yàn)公式。

2.2.3報(bào)警部分

報(bào)警電路由蜂鳴器和閃光燈并聯(lián)構(gòu)成（如圖2、3所示）。蜂鳴器和閃光燈設(shè)置在殼體的外部，當(dāng)輸液完成的時(shí)候，報(bào)警效果更加明顯。

NE555定時(shí)器的輸出端輸出由控制部分產(chǎn)生的階躍電壓信號(hào)，串入報(bào)警電路。當(dāng)邏輯“1”出現(xiàn)的時(shí)候，此電路工作，二極管變色閃爍，蜂鳴器鳴響報(bào)警，提醒患者更換輸液瓶。

2.2.4直流電源模塊

直流電源模塊如圖3所示，包括2個(gè)電池盒、電源穩(wěn)壓裝置和電源指示燈。電量充足的時(shí)候，指示燈會(huì)一直亮；當(dāng)電量不足的時(shí)候，指示燈熄滅，可以提醒相關(guān)人員更換電池。直流電源模塊為5 V直流電源，給所述壓力傳感器、定時(shí)器、運(yùn)算放大器供電。

3　工作流程及使用方法

依照上述原理搭建電路，在實(shí)驗(yàn)室條件下，制作完成了一個(gè)具有完整報(bào)警功能的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其工作流程如圖4所示。

圖4　電子輸液報(bào)警器工作流程圖

用戶首先根據(jù)輸液瓶（袋）規(guī)格通過多控開關(guān)設(shè)置報(bào)警質(zhì)量，在裝置的掛鉤處懸掛輸液瓶，再按下總開關(guān)，直流電壓穩(wěn)壓模塊對(duì)整個(gè)裝置供電。輸液瓶開始滴液，液體質(zhì)量變化，與吊瓶掛鉤牽連的傳感器受力隨之改變，輸出微弱的電壓信號(hào)到運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器根據(jù)起初多控開關(guān)設(shè)置的擋位對(duì)傳入的電壓進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大。經(jīng)過放大的電壓信號(hào)傳入NE555定時(shí)器，由NE555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路對(duì)電壓波形進(jìn)行整形變換，變?yōu)殡A躍信號(hào)后傳入報(bào)警電路。報(bào)警電路對(duì)傳入的階躍信號(hào)進(jìn)行判斷，對(duì)于邏輯“0”，報(bào)警電路不工作，返回滴液狀態(tài)；對(duì)于邏輯“1”，報(bào)警電路導(dǎo)通，蜂鳴器響起，閃光燈閃爍，裝置報(bào)警。用戶得知輸液完畢，關(guān)掉總開關(guān)，取下空的輸液瓶，報(bào)警器完成一次輸液報(bào)警，結(jié)束。如果要再次使用本裝置，則再次重復(fù)上述步驟。

4　數(shù)據(jù)分析

我們利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)做實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，我們選取了8組不同阻值的電阻，對(duì)其報(bào)警質(zhì)量做了多組實(shí)際測(cè)試，得出的平均值及相對(duì)誤差見表1，曲線圖如圖5所示。

依據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)，我們對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)做以下理論分析：

設(shè)電阻值為x（單位為kΩ），報(bào)警時(shí)液體質(zhì)量為y（單位為g），則有

表1　電子輸液報(bào)警器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　電子輸液報(bào)警器樣機(jī)電阻值與液體質(zhì)量關(guān)系曲線圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得8組數(shù)據(jù)，故R取8，則有

當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，

R（n-2）=R（6）=0.707＜0.992 4

當(dāng)顯著性水平α=0.01時(shí)，

R（n-2）=R（6）=0.834＜0.992 4[5]

可見，不管取哪個(gè)顯著性水平，本實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的R值均大于理論值，故可得出本實(shí)驗(yàn)所測(cè)出的電阻值與報(bào)警時(shí)液體質(zhì)量呈顯著線性相關(guān)[5]。

由Matlab擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式為y=-0.299 7x+ 417.434 6。

上述數(shù)據(jù)分析為我們研制的輸液報(bào)警器能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際作出了理論性的指導(dǎo)。

5　實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)目前醫(yī)用的輸液瓶種類及容量，我們給出與之對(duì)應(yīng)的可調(diào)電阻值，在誤差允許范圍內(nèi)對(duì)公式計(jì)算值進(jìn)行近似，用近似值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相對(duì)誤差見表2。根據(jù)一般常識(shí)，我們?nèi)∈Ｓ嘁后w質(zhì)量為輸液量的10%時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。即

剩余液體質(zhì)量=輸液質(zhì)量×10%

報(bào)警時(shí)總質(zhì)量=剩余液體質(zhì)量＋輸液瓶質(zhì)量

表2　輸液報(bào)警器理論值與實(shí)測(cè)值及相對(duì)誤差

由表2我們可以看出，當(dāng)報(bào)警總質(zhì)量分別為27、46、79 g時(shí)，我們所制作的報(bào)警器分別在總質(zhì)量為28、46、78 g時(shí)報(bào)警。從以上的比較中不難看出，我們的電子輸液報(bào)警器在報(bào)警精度上完全可以滿足不同規(guī)格輸液瓶的需求，普適度高，可靠性強(qiáng)，適合大量推廣。

6　應(yīng)用效果分析

輸液報(bào)警器的應(yīng)用目的在于將輸液完成的時(shí)刻明晰地反映給陪護(hù)人員，讓其做出適當(dāng)?shù)姆从硠?dòng)作。本文的電子輸液報(bào)警器從上面的實(shí)際效果來看，的確將報(bào)警時(shí)刻精準(zhǔn)地表現(xiàn)了出來，達(dá)到了輸液報(bào)警器的基本使用要求。

在此基礎(chǔ)上，本裝置還具有其他輸液報(bào)警器不具有的諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1）將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)來獲取吊瓶的壓力變化，從根本上避免了其他感應(yīng)方式的諸多缺陷。

（2）采用壓力傳感器進(jìn)行制作，原理簡(jiǎn)單，受外界聲、光、電、磁等物理干擾因素影響較低，誤差小。

（3）控制模塊電路集成在PCB板上，便于分裝。

（4）利用電阻分壓使報(bào)警時(shí)液體質(zhì)量可調(diào)，因此可針對(duì)不同藥瓶規(guī)格設(shè)置相應(yīng)的閾值，更人性化。

7　結(jié)語

本裝置是以制作成本低廉、原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便為宗旨而設(shè)計(jì)，便于推廣，易于調(diào)試，具有很好的應(yīng)用前景。針對(duì)我國(guó)護(hù)患比例嚴(yán)重失調(diào)的現(xiàn)狀[6]，本裝置希望在一定程度上能減輕護(hù)士的工作量，使護(hù)士在輸液護(hù)理中能夠更方便地觀察病情，更好地服務(wù)于輸液患者，緩解因護(hù)患比例失調(diào)引起的輸液護(hù)理不完善的矛盾，同時(shí)也能緩解輸液患者輸液時(shí)的緊張心理，讓他們安心休息。

[1]鐘朵莉.醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué)，2012:3-4.

[2]袁僑英，肖利，曾冬梅.一種可重復(fù)使用的聲光輸液報(bào)警器的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（4）:40-41，49.

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社，2012:274-284.

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[6]黃美霞，嚴(yán)潭.輸液自動(dòng)報(bào)警器的研制與應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（1）:38-39.

（收稿：2014-10-02修回：2015-01-18）

Development of electronic infusion alarm system

GUO Xue-tao,WANG Kai,WANG Xi,YAN Yi-min
(School of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

Objective To develop an electronic infusion alarm system with low cost and high safety and reliability. Methods The system was composed of modules of sensor,control,alarm and DC power supply.The integrated operational amplifier was used to amplify the voltage signals from the cantilever sensor,and NE555 timer controlled the system give out alarm when 10%liquid remained in the bottle.Results The system could alarm when 10%liquid remained in the bottle,and three gears were designed for the common infusion bottles in the market.Conclusion The system is easy to operate and maintain,and thus can be popularized in all hospitals and clinics.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：23-26]

infusion;pressure;alarm

[中國(guó)圖書資料分類號(hào)]R318.6；R197.39A

1003-8868（2015）05-0023-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.023

電子科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目（KC201303）

郭雪濤（1994—），男，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用物理與電子技術(shù)，E-mail:uestc-gxt@foxmail.com。

610054成都，電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院（郭雪濤，王愷，王茜，嚴(yán)一民）

1.2稱重原理

現(xiàn)有的輸液報(bào)警設(shè)備大都是采用由液體質(zhì)量的變化引起彈簧伸長(zhǎng)量的變化來控制報(bào)警的原理，但這種方法受彈簧彈性限度變化的影響，不利于長(zhǎng)時(shí)間使用。

1.3液滴計(jì)數(shù)原理

對(duì)于應(yīng)用液滴計(jì)數(shù)原理制成的輸液監(jiān)控器，每毫升藥液的滴數(shù)與藥液的滲透壓有關(guān)，且靜脈輸液針的型號(hào)也對(duì)每毫升藥液的滴數(shù)有影響，因此使設(shè)備過于精細(xì)，應(yīng)用較少，目前尚沒有完善的應(yīng)用該原理的輸液報(bào)警器[2]。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型電子輸液自動(dòng)報(bào)警器。