嚴(yán)一民，郭乃豪，余爾聰，李 盟，王迎初，俞眉孫

靜脈輸液在醫(yī)療中應(yīng)用廣泛,輸液在接近結(jié)束時(shí),需要醫(yī)護(hù)人員及時(shí)將針管拔下,但目前沒(méi)有一種高效率的系統(tǒng)來(lái)解決提示醫(yī)護(hù)人員適時(shí)操作,由此造成了很多不必要的負(fù)擔(dān)[1]。

針對(duì)上述情況,在已有電子輸液報(bào)警器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的無(wú)線輸液報(bào)警裝置,在藥液即將輸完時(shí),能夠在較遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確地呼叫醫(yī)護(hù)人員及時(shí)更換藥液或終止輸液過(guò)程,有效地減少了醫(yī)護(hù)人員和患者之間的醫(yī)患糾紛。

1 無(wú)線輸液報(bào)警器的概況

1.1 基本原理

利用稱重原理對(duì)輸液裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè),使用壓力傳感器根據(jù)藥物重量變化來(lái)判斷藥液是否已經(jīng)輸完或輸?shù)剿枰毫?若總液量達(dá)到報(bào)警要求時(shí),報(bào)警器通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)送到醫(yī)護(hù)人員攜帶的接收終端,從而報(bào)警,提醒醫(yī)護(hù)人員前去為該患者處理。

1.2 技術(shù)對(duì)比

市場(chǎng)上目前存在的輸液監(jiān)測(cè)裝置有3種。

1)基于光電原理：在管側(cè)上裝光電檢測(cè)裝置,檢測(cè)管內(nèi)折射以及液面變化而報(bào)警。但是它容易受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)[2]。

2)基于稱重原理 (或扣重、測(cè)重)：根據(jù)藥物重量變化來(lái)判斷藥液輸完與否；但該裝置探測(cè)粗放、體積偏大,其準(zhǔn)確性、可靠性和適應(yīng)性不高[3]。

3)基于電容原理：輸液管側(cè)裝置檢測(cè)藥液是否輸盡。藥液輸盡時(shí)發(fā)出信號(hào),當(dāng)輸液管中藥液液面流過(guò)此區(qū)域時(shí),將因電容器介質(zhì)改變而報(bào)警；但抗干擾能力弱,應(yīng)用較少[4]。

光電與電容原理的報(bào)警器都存在需要在輸液管上夾持裝置從而存在檢測(cè)過(guò)晚的隱患。除此之外,我們觀察到市場(chǎng)上少有無(wú)線輸液報(bào)警器,且少量帶無(wú)線功能報(bào)警器也存在成本過(guò)高、傳輸距離短、不穩(wěn)定等缺陷。

1.3 PT2262、PT2272無(wú)線傳輸模塊

通過(guò)對(duì)比本文選擇基于稱重原理設(shè)計(jì)的無(wú)線輸液報(bào)警器,針對(duì)其存在的諸多缺點(diǎn)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)與改進(jìn),提高了靈敏度,對(duì)裝置外觀的工藝設(shè)計(jì)使之便于攜帶,并創(chuàng)新性地提出了利用PT2262、PT2272模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)警顯示,另增添了報(bào)警時(shí)輸液者端和護(hù)士端均報(bào)警的人性化雙向設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)了電路,無(wú)線傳輸?shù)某杀疽脖绕渌Ｒ?jiàn)的無(wú)線傳輸裝置更低。電路簡(jiǎn)單,成本低廉,便于攜帶。

2 主要模塊與工作原理

2.1 電路結(jié)構(gòu)示意圖

1)發(fā)射端電路圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射端電路

2)接收端電路圖如圖2所示。

圖2 接收端電路

2.2 基本流程圖

裝置系統(tǒng)電路工作流程,如圖3所示。

圖3 裝置系統(tǒng)電路工作流程

2.3 模塊介紹

2.3.1 發(fā)射模塊

1)傳感模塊——壓力傳感器及工作原理。

采用微型電阻橋式稱重傳感器,靈敏度0.7 mV/V±0.1,最大可懸掛重物為750 g(輸液瓶一般最大為500 ml),壓力傳感器內(nèi)部為惠更斯電橋[5],電阻片由于壓力的作用發(fā)生形變,阻值發(fā)生變化,從而產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)電壓,產(chǎn)生信號(hào)輸出。

壓力傳感器內(nèi)部電路與原理圖如圖4所示。

圖4 壓力傳感器工作原理圖

為了減少傳感器自身重量對(duì)于產(chǎn)生差動(dòng)電壓的影響,將傳感器用塑料板固定在外殼上,然后粘貼掛物鉤來(lái)掛輸液瓶。

2)量程選擇模塊。

由單刀四置開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)選擇4個(gè)不同阻值的電阻,根據(jù)阻值決定輸入信號(hào)被放大的倍數(shù)。所以4個(gè)阻值不同的電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的控制,此為粗調(diào),對(duì)應(yīng)所裝液體的密度大小,如氯化鈉溶液或蛋白等。在壓力傳感器的負(fù)輸出端接有電位器,可以進(jìn)行細(xì)調(diào),對(duì)應(yīng)報(bào)警量程,如10 ml或100 ml,或其他量程時(shí)報(bào)警?？蓾M足在實(shí)際情況中各種醫(yī)院環(huán)境。

3)直流電源模塊。

由電池盒實(shí)現(xiàn)電流的輸入,電池供電方便,成本低,靈活,更適用于多元化的輸液環(huán)境。

4)運(yùn)放模塊。

壓力傳感器輸出的差動(dòng)電壓比較微弱,利用運(yùn)算放大器,將壓力傳感器產(chǎn)生的信號(hào)放大。

5)轉(zhuǎn)換模塊。

利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)模擬電路信號(hào)到數(shù)字電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號(hào)輸入,同時(shí)作為自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制后續(xù)電路[6]。

2.3.2 無(wú)線傳輸模塊

1)PT2262、PT2272元件介紹。

無(wú)線輸入在對(duì)比市面上常規(guī)方案后,本文采用了PT2262和PT2272-M4(文中PT2272均指PT2272-M4)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PT2262、PT2272具有低功率、低成本,可通用編碼的特點(diǎn)。而且由于PT2262、PT2272可以實(shí)現(xiàn)編碼匹配,只要將發(fā)射端的PT2262進(jìn)行不同編碼,那么在PT2272的接收端,就能識(shí)別信號(hào)是由具體的哪個(gè)發(fā)射端發(fā)出,可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、多對(duì)一、多對(duì)多的不同需求,完全滿足實(shí)際生活中的要求。

2)編碼原理及匹配電阻。

表1 管腳介紹[3]

a.編碼原理

PT2262與PT2272的地址碼完全一致匹配后,PT2272就會(huì)輸出和PT2262一樣的4位數(shù)據(jù)碼。編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字,解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后,其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后,VT腳才輸出高電平,與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平,如果發(fā)送端持續(xù)供電使其工作,編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射信號(hào)。當(dāng)17腳為高電平時(shí),電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào),電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號(hào)[7]。

b.匹配電阻

PT2262、PT2272需要搭配對(duì)應(yīng)的振蕩電阻,振蕩電阻不同其對(duì)應(yīng)的振蕩頻率不同。兩者的振蕩電阻阻值要相匹配才能實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。振蕩電阻越大,功率越大,發(fā)碼越慢,其傳輸距離越遠(yuǎn),傳輸信號(hào)越可靠。若振蕩電阻不匹配,可能無(wú)法正常工作。

現(xiàn)在常見(jiàn)的匹配電阻有 5種：1.2 MΩ/200 kΩ,1.5 MΩ/270 kΩ,2.2 MΩ/390 kΩ,3.3 MΩ/680 kΩ,4.7 MΩ/820 kΩ。 本文無(wú)線輸液報(bào)警器采用的匹配電阻為4.7 MΩ/820 kΩ,工作頻率為315 MHz。

c.元件優(yōu)點(diǎn)

常規(guī)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)姆椒ㄓ屑t外、藍(lán)牙、短信基站、WiFi等。紅外、藍(lán)牙傳輸距離較短有局限性,市面上常見(jiàn)的相關(guān)元件一般有效傳輸為10 m,而短信基站和WiFi相對(duì)元件電路復(fù)雜,又容易受外界信號(hào)干擾,不適合在實(shí)際醫(yī)院中使用。

PT2262、PT2272成本低、功耗低、外部元件少、電路相對(duì)簡(jiǎn)單,傳輸信號(hào)穩(wěn)定,較適合實(shí)際工藝生產(chǎn)與應(yīng)用。

2.3.3 接收模塊

在發(fā)射端 (輸液患者端)和接收端 (護(hù)士端)均連接有放光二極管和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警,并根據(jù)電壓,輸液完成時(shí)在兩端均有顯示。

3 主要工作流程及工藝設(shè)計(jì)

3.1 元件整體外觀構(gòu)圖

1)發(fā)射端與輸液裝置配置如圖5所示。

圖5 輸液裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2)接收端信號(hào)處理裝置外觀

圖6 用戶終端顯示外觀示意圖

3.2 主要工作流程

根據(jù)輸液需求,選擇對(duì)應(yīng)量程擋的電阻與電位器,在與壓力傳感器相連的裝置上掛上帶有輸液液體的輸液瓶,開(kāi)啟直流電源供電,壓力傳感器產(chǎn)生差動(dòng)電壓,輸出差動(dòng)信號(hào),由運(yùn)算放大器進(jìn)行放大[8],再經(jīng)過(guò)555定時(shí)器,判斷其輸出。若輸出為0則不進(jìn)行報(bào)警；若輸出為1,則連接的蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警[9]。PT2262進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的發(fā)射,一段距離外的PT2272接收無(wú)線信號(hào),對(duì)應(yīng)識(shí)別編碼,顯示是哪個(gè)發(fā)射端在進(jìn)行報(bào)警。

圖7 輸液裝置報(bào)警工作流程

4 報(bào)警數(shù)據(jù)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析

1)滴液瓶與液體的質(zhì)量和壓力傳感器輸出電壓的關(guān)系。

表2 相關(guān)參數(shù)值數(shù)據(jù)分析

利用Matlab擬合曲線為y＝0.064 4+0.005 5x；誤差平均值為1.96[10],擬合情況如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)擬合曲線

誤差屬于允許誤差范圍,可以證明質(zhì)量與壓力傳感器輸出電壓呈線性關(guān)系,所以可以利用壓力傳感器的輸出電壓來(lái)檢測(cè)輸液情況。

2)報(bào)警質(zhì)量與量程選擇電阻的阻值關(guān)系。

表3 相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)分析

利用 Matlab擬合出曲線為 y＝42.424 8-0.006 9x,誤差平均值為0.10%,擬合情況如圖9所示。

圖9 質(zhì)量/電阻值數(shù)據(jù)擬合曲線

誤差屬于允許范圍內(nèi),可以證明質(zhì)量與電阻呈線性關(guān)系,根據(jù)曲線公式即可選擇所需的報(bào)警量程。

3)PT2262、PT2272的最遠(yuǎn)傳輸距離。

表3 模塊測(cè)試參數(shù)

最遠(yuǎn)傳輸距離的平均值為46.5 m,傳輸距離較遠(yuǎn),更加適應(yīng)多變的輸液環(huán)境。

依據(jù)電磁波輻射原理,電磁信號(hào)可以對(duì)墻體以及普通非金屬物具有穿透能力,因此,該裝置在有障礙物阻擋情況下,也能夠正常工作。雖傳輸距離有一定衰減,但總體不會(huì)對(duì)報(bào)警器裝置的工作性能產(chǎn)生影響。

5 硬件裝置

硬件裝置如圖10和圖11所示。

圖10 無(wú)線輸液報(bào)警器發(fā)射端裝置

圖11 無(wú)線輸液報(bào)警器用戶接收端裝置

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線輸液報(bào)警器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、無(wú)線傳輸、量程選擇、雙向報(bào)警、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)報(bào)警的等人性化的功能[11],患者不需要專人陪護(hù),在很大程度上也減輕了護(hù)士的工作量。

本裝置無(wú)論是壓力傳感還是無(wú)線傳輸部分都比較靈敏,受外部影響小,有一定的抗干擾能力。本裝置小巧輕便,成本低廉,報(bào)警靈敏,操作簡(jiǎn)單,十分適合實(shí)際醫(yī)療環(huán)境中的應(yīng)用；另電路簡(jiǎn)單,元件較少,也便于集成與批量生產(chǎn)[12]。不同于市場(chǎng)上其他類似裝置,該無(wú)線輸液報(bào)警器提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)和大幅度改良,具有明顯優(yōu)勢(shì)和更大的市場(chǎng)空間。

由于涉及課題的研制成本和一些條件所限,目前還沒(méi)有對(duì)該研制裝置進(jìn)行醫(yī)院的試用。該裝置“電子輸液自動(dòng)報(bào)警器”已獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利(2014 10584329.7)。

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