趙昌友，楊清志

(亳州職業(yè)技術學院，安徽 亳州 236800)

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基于MSP430低功耗便攜式輸液監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設計

趙昌友，楊清志

(亳州職業(yè)技術學院，安徽 亳州 236800)

靜脈輸液是最常規(guī)的醫(yī)療手段，但輸液時必須實時監(jiān)護.成套的監(jiān)護系統(tǒng)因成本高且使用不便，主要用于重癥監(jiān)護等場合，輸液大廳及中小醫(yī)院和診所的靜脈輸液監(jiān)護主要由人工完成，費時費力且存在安全隱患.基于以上背景分析，設計了一套基于MSP430單片機的低功耗便攜式輸液監(jiān)測與報警系統(tǒng).測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠實現(xiàn)輸液監(jiān)測與報警功能.

輸液監(jiān)測； 報警；MSP430

0 引 言

靜脈輸液能把藥物直接送入患者體內(nèi)，通過血液循環(huán)而被迅速吸收，因而療效快[1].但輸液時滴速過快可能會使病人難以承受而出現(xiàn)不良癥狀，嚴重時會出現(xiàn)醫(yī)療事故；滴速過慢又會因為劑量不足而降低療效，同時延長了輸液時間.這就需要醫(yī)護人員根據(jù)不同的藥物劑量、患者身體素質(zhì)等綜合選擇和調(diào)整輸液速度，因此需要實時監(jiān)護[2].

目前能夠實現(xiàn)自動監(jiān)護與報警功能的監(jiān)護系統(tǒng)，主要用于重癥監(jiān)護室等場合，成本較高且使用不便，不適合于在輸液大廳及中小醫(yī)院和診所使用，一般的輸液監(jiān)測還是由人工完成，效率低下且存在安全隱患.針對這種情況，設計出一款基于MSP430單片機的低功耗便攜式輸液滴速監(jiān)測與報警系統(tǒng)，當?shù)嗡佼惓r能立即啟動聲光報警，以提醒患者和醫(yī)護人員及時處置，從而保證輸液安全，減少醫(yī)療事故.

1 系統(tǒng)設計方案

輸液監(jiān)測與報警的系統(tǒng)設計如圖1所示，主要由滴速測量電路、單片機、滴速設定鍵盤、LCD顯示器、聲光報警器、電源管理模塊等組成，工作過程是：滴速測量電路通過紅外光電傳感器測量莫非滴管內(nèi)液滴滴速，然后轉化為電壓信號送入MSP430單片機，單片機再根據(jù)存儲程序和鍵盤設定值進行數(shù)據(jù)計算和處理，并通過顯示器顯示滴速信息，一旦監(jiān)測到輸液滴速不正常，便立刻開啟聲光報警.

圖1 系統(tǒng)結構圖

圖2 光電傳感器滴速測量原理

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 滴速測量電路

本系統(tǒng)設計的輸液速度監(jiān)測與異常報警，依據(jù)就是莫非滴管中的液滴滴速，因此滴速測量是否準確非常關鍵，滴速檢測傳感器的選擇和測量電路的設計也就成了系統(tǒng)設計的核心.通過查閱相關資料，能實現(xiàn)滴速檢測的傳感器有電容傳感器、稱重傳感器、光電傳感器和生物傳感器等.由于電容式傳感器易受干擾，稱重傳感器更換不同輸液瓶要重新調(diào)整，生物傳感器會污染藥物，都不太適合輸液監(jiān)測，而光電傳感器則無以上限制，因此本系統(tǒng)設計采用光電傳感器[3][4].

用光電傳感器進行滴速測量的原理如圖2，把莫非滴管固定在紅外對管中間，無液滴時紅外接收管能接收到發(fā)射管連續(xù)穩(wěn)定的紅外線照射，從而輸出一個穩(wěn)定的電壓信號.當液滴滴落時會因光的反射、吸收等而使接收到的紅外線減弱，輸出的電壓大小隨之變化，再用整形電路把電壓信號整形為脈沖信號送入微處理器進行滴速計算.

在查閱相關同類產(chǎn)品設計和技術資料，并經(jīng)電子防真后，設計的電路及原件參數(shù)如圖3所示.因紅外傳輸距離小，選擇ST-178紅外對管.輸出的電信號經(jīng)LM393放大、整形后發(fā)送給MSP430單片機的P2.0口.

圖3 滴速測量電路設計

2.2 單片機

本系統(tǒng)設計，既要保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，又要實現(xiàn)低功耗、便攜式，再綜合考慮成本、功能拓展等因素，經(jīng)查閱相關資料并研究對比，系統(tǒng)設計的微處理器采用MSP430F149單片機.查閱MSP430的技術資料可知(見參考文獻[5])，MSP430F149是16位的超低功耗單片機，技術成熟工作穩(wěn)定，且片內(nèi)資源豐富，外圍電路簡單，非常適合便攜式產(chǎn)品的設計，是本設計的理想選擇.

2.3 鍵盤電路

由于輸液時需要根據(jù)具體情況選擇和調(diào)整輸液速度，因此需要一個輸入鍵盤，用于設定滴速范圍.電路設計見圖4，S1/S2用于設定滴速，S3選擇確認.為便于使用，系統(tǒng)默認60～80滴/min為正常值，無需按鍵調(diào)整，否則則要通過鍵盤重新設定滴速.

2.4 聲光報警電路

電路設計如圖5，在輸液滴速正常時單片機不動作，三極管Q1截止.當?shù)嗡俪迺r，MSP430立刻通過P3.3口發(fā)出低電平信號，從而Q1導通，觸發(fā)發(fā)光二極管D3及蜂鳴器工作，實現(xiàn)聲光報警.

圖4 鍵盤電路

圖5 聲光報警電路

2.5 電源電路

設計選用的MSP430F149單片機及紅外對管ST-178、液晶顯示器LCD1602(有5.0 V和3.3 V兩種型號)、聲光報警等外圍器件均使用3.3 V工作電壓，不僅功耗低，還大大簡化外圍電路，實現(xiàn)便攜式.電源電路設計如圖6，為了方便使用，采用2節(jié)3 V的紐扣電池供電，通過AMS1117轉化為3.3 V直流電壓在對單片機及其外圍器件供電.

圖6 電源電路

除了以上設計的主要電路外，還有液晶顯示電路、下載接口電路及復位電路等，因實現(xiàn)難度不大(各種設計中是通用的，僅編程不同而已)，此處不再贅述.

3 系統(tǒng)設計主程序

為實現(xiàn)系統(tǒng)設計功能而編寫的主程序流程如圖7，系統(tǒng)上電工作后先調(diào)取存儲程序和鍵盤設定值，再通過紅外對管測量、計算滴速并顯示監(jiān)測結果，同時判斷滴速是否超出允許范圍，如果輸液正常，則繼續(xù)監(jiān)測，同時顯示器、聲光報警器等處于休眠狀態(tài)以節(jié)約用電實現(xiàn)低功耗(可通過鍵盤任意按鍵喚醒電路觀察顯示結果)；如果滴速異常便立刻接通聲光報警器.

值得一提的是，滴速異常關系到患者生命安全，危險性不言而喻，因此程序設定：滴速異常的狀況得不到處理，系統(tǒng)就持續(xù)報警，直到故障排除，滴速恢復正常為止.

圖7 輸液監(jiān)測與報警流程圖

4 系統(tǒng)試驗

在完成了電子線路仿真和系統(tǒng)設計后，我們又進行了系統(tǒng)試驗以檢驗其工作性能，試驗內(nèi)容主要為滴速測量與報警功能，試驗結果數(shù)據(jù)見表1.為了便于觀察瞬時滴速，系統(tǒng)的滴速計算原理是根據(jù)單片機自帶時鐘求出5 s內(nèi)滴速平均值，再折算成1 min內(nèi)滴速，而目測計數(shù)是1 min計時內(nèi)數(shù)出莫非管中滴下的液滴.試驗表明系統(tǒng)測量的滴速存在一定誤差，這主要是由計時時間不同、滴管晃動等因素造成的，但偏差≤3滴/min，完全在藥理允許范圍內(nèi).

當?shù)嗡俪迺r(按系統(tǒng)默認60-80滴/min為正常)聲光報警都能可靠報警，且不存在誤報.試驗結果表明，系統(tǒng)設計能夠實現(xiàn)輸液監(jiān)測與報警.

表1 試驗數(shù)據(jù)

5 總 結

(1)系統(tǒng)設計能實現(xiàn)既定功能，由于成本低、使用方便，具有實用價值；

(2)單片機具有存儲功能，能保存近期的測量數(shù)據(jù)，萬一出現(xiàn)醫(yī)療糾紛，便于分析查找原因；

(3)系統(tǒng)設計保留了功能擴展.實際設計時，我們還研究、設計了以下兩個功能：一是利用無線收發(fā)芯片，可實現(xiàn)無線呼叫.但成本成倍增加，而且功耗大；二是利用單片機控制步進電機，一旦滴速異常可實現(xiàn)自動調(diào)速.但性能有待提高而且實用價值不大，因為關乎患者生命安全，一旦輸液異常必須立即處理，故障排除后才能調(diào)速.考慮到實用價值與性價比，最終設計中沒有保留這兩個功能，但值得繼續(xù)研究[6].

[1]于沛.基于無線傳感器網(wǎng)絡的輸液監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[2]張莉蓉,劉砂砂.國內(nèi)靜脈輸液安全管理的研究進展[J].護理研究，2013,27(09)：774-776.

[3]朱永興.紅外點滴報警系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2011:2-3.

[4]付建鵬.基于STC12C5A60S2單片機的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].石家莊:河北工業(yè)大學,2013:2-3.

[5]MSP430F149單片機[EB/OL].http://www.ti.com.cn/product/cn/msp430f149.

[6]羅繼軍，蘭羽.一種無線智能輸液監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].機械與電子，2015，33(06)：61-63.

[責任編輯：徐明忠]

Design of a low-power portable infusion monitoring and alarm system based on MSP430

ZHAO Changyou，YANG Qingzhi

(Bozhou Vocational and Technical College,Bozhou 236800，China)

Intravenous infusion is the conventional medical treatment,but it must be real-time monitoring during infusion.Complete monitoring system because of the high cost and inconvenience of use,mainly for intensive care and other occasions,infusion hall and small hospitals or clinics intravenous infusion care mainly done by manual,time-consuming and there is a security risk.According to the above background analysis,designed a low-power portable infusion monitoring and alarm system based on MSP430.The test results show that the system is stable and reliable,can realize the function of infusion monitoring and alarm.

infusion monitoring; alarm; MSP430

2016-04-19

安徽省教育廳重點教研項目(No.2015jyxm535)；安徽省高等教育振興計劃(No.2013cgtg040)

趙昌友(1974-)，男，安徽廬江人，亳州職業(yè)技術學院副教授，碩士，主要從事醫(yī)用儀器教學與研究.

R318.6；TP277

A

1672-3600(2016)12-0041-04