張 勝，盛學(xué)慧，張夢(mèng)蝶，董秀娟，席馨童

（合肥學(xué)院 電子信息工程系，安徽 合肥 230601）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域也正在經(jīng)歷信息化、智能化的革命。隨著醫(yī)院智慧醫(yī)療、智慧管理以及智慧服務(wù)的開展，促進(jìn)了醫(yī)院信息化技術(shù)的發(fā)展，改善了患者治療體驗(yàn)。靜脈輸液是目前臨床上常見的治療方法，也是最廣泛的治療手段?，F(xiàn)階段仍然依靠人工來監(jiān)測(cè)輸液情況，無形之中會(huì)增加醫(yī)護(hù)人員的工作量，也給患者心理造成一定的負(fù)擔(dān)，也不利于患者的治療。在輸液治療過程主要有兩個(gè)方面比較重要：一方面是輸液速度控制，不同年齡以及身體素質(zhì)的人對(duì)輸液的速度適應(yīng)存在一定差異。輸液速度過快會(huì)引起人體的強(qiáng)烈不適，很可能使心跳加快，同時(shí)加重心臟的負(fù)擔(dān)；速度過慢會(huì)降低輸液效率，使輸液治療時(shí)間拉長，長時(shí)間輸液使人的心情變得焦躁。另一方面，未拆封的生理鹽水一般是常溫下保存，在不同的環(huán)境下其溫度和人體溫度差異過大，過低溫度的藥液輸入人體，會(huì)造成人體體溫下降、針腫滲漏、局部疼痛麻木、甚至痙攣等一系列不適反應(yīng)。尤其是在冬季這種不良反應(yīng)會(huì)更加明顯，對(duì)身體相對(duì)較弱的兒童和老人不適感會(huì)更加強(qiáng)烈。因此，在輸液的過程中，適當(dāng)?shù)奶岣咚幰旱臏囟?，使輸入人體的藥液溫度與人體溫度相仿，不但可以降低患者人體的不適反應(yīng)，而且還可以促使藥物充分溶解，提高治療效果。因此，設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高、安全可靠的輸液控制系統(tǒng)，可以有效地降低低溫藥液輸入患者體內(nèi)帶來的不良反應(yīng)，提高患者輸液舒適度，降低醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，有效提高藥物的活性，對(duì)降低醫(yī)療事故的發(fā)生，提高治療效果具有重要的意義［1-2］。本文設(shè)計(jì)的智慧輸液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸液信息的監(jiān)測(cè)與智能化控制，避免傳統(tǒng)人工看護(hù)點(diǎn)來繁重的工作量以及醫(yī)療資源的浪費(fèi)，也為患者提供更為舒適的治療服務(wù)。

1 智慧輸液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在輸液過程中，藥液流速控制非常關(guān)鍵，藥液速度的快慢受患者的年齡和身體素質(zhì)制約，需要根據(jù)患者狀況進(jìn)行設(shè)定。對(duì)正常成年人來說，輸液速度一般控制在40～60 滴/分鐘比較合適；老年人的血管由于老化，柔韌性較差，其速度可以設(shè)置相對(duì)較低，可以控制在30～50 滴/分鐘左右；對(duì)于兒童來說，由于其血管較細(xì)，身體的適應(yīng)能力較弱，在輸液時(shí)也要控制相對(duì)較低速度才能降低輸液過程中引起的不良反應(yīng)，一般設(shè)定在20～40 滴/分鐘左右。對(duì)一些具有特殊疾病的患者，如本身有心功能異常的患者輸液速度要更慢，以免加重心功能的負(fù)擔(dān)。另外有些特殊藥物其輸液速度也需要特別注意，如清開靈注射液等，要求輸液速度要低于正常的標(biāo)準(zhǔn)，一般可以控制在30 滴/分鐘左右。一些治療心臟疾病的藥物，包括單硝酸異山梨酯注射液，要求控制速度在20 滴/分鐘左右，避免出現(xiàn)血壓的快速下降。還有一些其它的藥物其輸液速度要求要快，如當(dāng)患者需要輸入甘露醇時(shí)，輸液速度要求比較快，一般情況下250 mL 液體要求在30 分鐘內(nèi)快速輸注完。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于藥液溫度的控制以及根據(jù)患者不同狀況設(shè)置合適的輸液速度，提高患者的治療舒適度，減少因輸液不當(dāng)帶來的醫(yī)療事故［3］。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)院等醫(yī)療救治場(chǎng)所，使輸液治療過程實(shí)現(xiàn)智能化，使醫(yī)護(hù)人員能有效的監(jiān)控病人打點(diǎn)滴的時(shí)間，可以有效地降低醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，充分提升輸液治療的效果，降低患者出現(xiàn)不良反應(yīng)，降低傳統(tǒng)輸液方式對(duì)人體造成的潛在危害。

1.1 設(shè)計(jì)總體介紹

該系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的液體點(diǎn)滴速度及溫度調(diào)控系統(tǒng)，主要由單片機(jī)、LCD1602、光電檢測(cè)電路、獨(dú)立按鍵、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器報(bào)警、藥液加熱系統(tǒng)及溫度傳感等模塊構(gòu)成。根據(jù)被輸液者的身體狀況和藥物的特性，醫(yī)護(hù)人員通過按鍵及顯示屏進(jìn)行輸液工作模式設(shè)定，使系統(tǒng)按照設(shè)置的模式進(jìn)行輸液。通過顯示屏可以顯示患者輸液狀態(tài)、藥液當(dāng)前的溫度、輸液速度等信息。系統(tǒng)按照設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行滴速與藥液溫度的自動(dòng)調(diào)控。當(dāng)輸液結(jié)束或者輸液過程中出現(xiàn)異常狀況時(shí)，系統(tǒng)立即關(guān)閉輸液并通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提示醫(yī)護(hù)人員和患者家屬及時(shí)處理，確?；颊甙踩孢m地治療［4-6］。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STC89C52 作為主控芯片，其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由液晶屏顯示單元、藥液速度檢測(cè)和調(diào)節(jié)單元、溫度檢測(cè)和加熱單元以及報(bào)警單元等幾部分組成。通過按鍵和液晶屏配合使用可以進(jìn)行藥液溫度設(shè)定和輸液速度設(shè)定，如果沒有設(shè)定工作模式則按照默認(rèn)的通用模式運(yùn)行。使用光電管實(shí)現(xiàn)藥液滴落速度的檢測(cè)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的藥液的速度值，通過步進(jìn)電機(jī)改變對(duì)輸液管壓迫程度，來調(diào)整輸液速度。溫度檢測(cè)模塊則用于對(duì)藥液的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若藥液的實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度范圍下限時(shí)則啟動(dòng)半導(dǎo)體加熱模塊，對(duì)藥液進(jìn)行加熱；當(dāng)藥液的實(shí)際溫度高于設(shè)定值范圍的上限時(shí)，則關(guān)閉加熱模塊。當(dāng)檢測(cè)到長時(shí)間無藥液下落時(shí)，則判定輸液結(jié)束或者出現(xiàn)故障，系統(tǒng)通過控制步進(jìn)電機(jī)將輸液管卡死，防止血液通過輸液管回流，并通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示醫(yī)務(wù)人員及時(shí)進(jìn)行處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.1 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要由輸入按鍵和LCD 顯示屏兩部分組成，如圖2 所示。三個(gè)相互獨(dú)立的按鍵可以實(shí)現(xiàn)功能模式選擇和工作參數(shù)的設(shè)定。其中模式按鍵K1 與單片機(jī)的P1.0 直接，當(dāng)K1 按下時(shí)可進(jìn)行工作模式設(shè)定；K2、K3 分別單片機(jī)的P1.1、P1.2 口連接，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及工作模式的調(diào)整。單片機(jī)的IO 口P1.0（P1.1、P1.2）通過電阻R1（R2、R3）上拉到5V，當(dāng)按鍵未被按下時(shí)IO 口為高電平；當(dāng)按鍵按下時(shí)單片機(jī)的IO 接到地，單片機(jī)通過IO 的電平狀態(tài)來判斷是否有按鍵按下。輸入按鍵硬件電路如圖2（a）所示，其檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2（b）所示。

圖2 輸液模式設(shè)定

考慮到使用方便以及產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，系統(tǒng)采用LCD1602 顯示屏顯示系統(tǒng)信息，顯示模塊的硬件電路如圖3（a）所示。單片機(jī)和液晶屏之間采用并口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高信息顯示的實(shí)時(shí)性，其軟件流程圖如3（b）所示。

圖3 顯示界面設(shè)計(jì)

1.2.2 輸液速度檢測(cè)與控制模塊

系統(tǒng)工作時(shí)用于速度檢測(cè)的光電管安裝在空氣過濾器外部，光電管實(shí)時(shí)發(fā)射紅外線，當(dāng)液滴從空氣過濾器頂部下落時(shí)，液滴將紅外線返射至光電接收器，由于反射回光強(qiáng)度發(fā)生變化，使光電管輸出電平發(fā)生變化。單片機(jī)檢測(cè)到該變化可以判定有液滴滴下，單片機(jī)通過檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)下落液滴的個(gè)數(shù)來計(jì)算輸液速度［7-8］。在進(jìn)行輸液速度檢測(cè)時(shí)，以6 秒為一個(gè)計(jì)數(shù)周期，假設(shè)在6 秒內(nèi)檢測(cè)到液滴數(shù)目為N，可以通過式（1）估算出輸液的速度V 滴/min。圖4 為藥液滴速檢測(cè)控制流程圖。

圖4 滴速檢測(cè)與控制模塊流程圖

該系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來控制輸液管內(nèi)藥液流動(dòng)的速度，步進(jìn)電機(jī)是一種內(nèi)部帶有許多內(nèi)齒的無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過周圍的銅線圈磁性鎖定到位。與直流無刷電機(jī)不同，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)直接通直流電時(shí)，它不會(huì)直接旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)它鎖定到給定輸入指定的位置，步進(jìn)電機(jī)會(huì)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度。盡管步進(jìn)電機(jī)的控制在實(shí)現(xiàn)起來比直流無刷更加復(fù)雜，但是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度可以非常精確的控制。通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)的角度，來改變輸液管壓迫程度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸液速度的目的［9］。該系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)采用是28BYJ-48，該電機(jī)是四相5 線，減速比為1：64，其供電電源采用的是5 V，系統(tǒng)中采用8拍的控制方式，以提高輸液速度控制的精度。

1.2.3 溫檢測(cè)與調(diào)節(jié)

輸液過程中藥液溫度的檢測(cè)非常重要，是進(jìn)行藥液溫度控制的基礎(chǔ)［10-12］。系統(tǒng)采用DS18B20 來實(shí)現(xiàn)藥液溫度的精確測(cè)量，如圖5 所示。DS18B20 是一款數(shù)字輸出的溫度傳感器，其體積較小，成本較低，安裝方便靈活；工作電壓范圍寬（3—5.5 V），抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。DS18B20 溫度傳感器型號(hào)多種多樣，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式、螺紋式、磁鐵吸附式、不銹鋼封裝式、LTM8877 以及LTM8874 等。本系統(tǒng)中采用5 V 電壓源供電，引腳1 接+5 V 的電源，引腳3 接地，引腳2 為數(shù)字信號(hào)輸出端口與單片機(jī)的接收引腳相連接，該端口通過一個(gè)電阻上拉到5 V 電源。在單片機(jī)的引腳未能提供高電平或低電平，使用電阻將引腳2 拉到5 V 邏輯高電平上。DS18B20 傳感器將測(cè)到的藥液溫度信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再通過串口傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收到溫度信息進(jìn)行處理，并通過液晶屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖5 溫度檢測(cè)模塊

藥液加熱模塊如圖6 所示，采用5 V 電源供電，功率為20 W 的PTC 加熱模塊，其外殼采用導(dǎo)熱性能良好的鋁質(zhì)材料，內(nèi)部使用傳熱性能好的固體電氣絕緣材料進(jìn)行填充，使外殼與內(nèi)部PTC加熱陶瓷之間實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。在加熱的時(shí)候可以保證模塊表面的溫度比較均勻，避免了輸液管局部溫度過高造成輸液管損壞或藥液變質(zhì)。模塊加熱速度快，通電后10 秒鐘溫度可傳至外殼。

圖6 加熱模塊

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的藥液溫度，來控制加熱模塊工作，使藥液的溫度控制在人體體驗(yàn)感舒適的范圍?？紤]到實(shí)用性、方便性以及系統(tǒng)的可靠性，采用半導(dǎo)體電加熱模塊對(duì)藥液進(jìn)行加熱，控制方式簡(jiǎn)單可靠，可有效地降低冷藥液對(duì)人體的影響。使用時(shí)將輸液管纏繞在加熱片的周圍，單片機(jī)通過繼電器來控制加熱模塊的開啟和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)藥液溫度的調(diào)節(jié)，其硬件電路如圖7 所示。當(dāng)藥液溫度低于設(shè)定范圍的下限值，繼電器閉合后加熱模塊通電則啟動(dòng)加熱器，當(dāng)藥液的溫度超過設(shè)定范圍的上限時(shí)，繼電器斷開切斷加熱器電源，即停止加熱；從而使藥液溫度維持在人體舒適的范圍內(nèi)。藥液溫度檢測(cè)與加熱控制軟件流程圖如圖8所示。

圖7 溫度加熱控制電路

圖8 溫度檢測(cè)與控制軟件流程圖

由于在實(shí)際加熱過程中，溫度控制是屬于滯后控制，不能通過簡(jiǎn)單的控制算法來實(shí)現(xiàn)加熱的控制，因此在軟件算法實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)溫度采用PID 控制方式來實(shí)現(xiàn)，如式（2）所示。PID 控制中包含的微分項(xiàng)具有超前調(diào)節(jié)的作用，通過微分項(xiàng)的引入實(shí)現(xiàn)溫度的更為準(zhǔn)確的調(diào)控；而算法中積分項(xiàng)對(duì)誤差的作用取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即使每次調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，使控制器的輸出向穩(wěn)態(tài)誤差減小的方向變化，直到穩(wěn)態(tài)誤差等于零。通過模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，Kp=5.25，Ki=0.06，Kd=98，可以將溫度誤差控制在±1.5 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖9 所示。經(jīng)過系統(tǒng)方案論證以及軟硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)藥液溫度檢測(cè)的功能及精度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)液滴下落速度檢測(cè)的精度進(jìn)行測(cè)試，通過LCD 顯示屏輸液過程的相關(guān)信息。通過按鍵設(shè)置藥液速度、藥液溫度的范圍，超過設(shè)定的臨界值時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)、加熱片進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面如圖10。

圖9 輸液自動(dòng)控制實(shí)物

圖10 系統(tǒng)功能測(cè)試

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滴速檢測(cè)與調(diào)節(jié)功能。在速度測(cè)試中，隨著滴速增加，顯示器上的顯示數(shù)值增大，超過5 滴/S 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)速度顯示為0 滴/S，并持續(xù)5S 未檢測(cè)到藥液滴下，則判定輸液完成，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將輸液管卡死并啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。在溫度測(cè)試中，首先設(shè)置溫度下限為22 ℃，系統(tǒng)工作時(shí)溫度值通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)放入少量冰塊，傳感器周邊水溫降低，加熱片開始加熱；移走冰塊，液體溫度開始回升，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，加熱模塊停止工作。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確顯示輸液的滴速，并通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輸液速度調(diào)節(jié)。且能通過加熱模塊控制液體的溫度在設(shè)置范圍內(nèi)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提升了輸液效果，解決傳統(tǒng)輸液方式存在的問題，提高了人體舒適度。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一款智慧輸液控制系統(tǒng)，通過硬件搭建、軟件編寫及測(cè)試，最終驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的有效性。該設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代醫(yī)療發(fā)展需求，通過電子信息技術(shù)提高醫(yī)用設(shè)備的智能化，一定程度上降低了輸液過程中醫(yī)療事故的發(fā)生，能有效地解決傳統(tǒng)輸液方式帶來的不便及潛在危害，符合當(dāng)代社會(huì)智慧醫(yī)療發(fā)展的需求。