基于紅外傳感器的智能輸液報警系統(tǒng)

引 言

輸液是臨床醫(yī)學(xué)最常用的治療手段。在病人輸液過程中， 往往由于病人體質(zhì)虛弱、昏迷、入睡或者醫(yī)護(hù)人員正在別處忙碌等而無法留意輸液全過程，因此需要專人監(jiān)護(hù)，不僅加重了護(hù)理人員的勞動負(fù)擔(dān)，也不利于病區(qū)的綜合管理[1,2]。輸液完畢后，若不及時處理，病人的血液就會因空管而倒流入輸液針管內(nèi)，時間稍長會使扎針處嚴(yán)重腫脹；若處理過早，即藥液還未輸盡就取管摘瓶又會造成藥液的浪費(fèi)，因此，常引發(fā)病人的不滿以至投訴[3]。本系統(tǒng)是一款便利且輕巧的點(diǎn)滴速度報警器， 不僅可以減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，還可給病人營造出更加安心舒適的就醫(yī)環(huán)境，減輕病人的心理負(fù)擔(dān)，減少醫(yī)患之間的矛盾。

1 工作原理

1.1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計的輸液系統(tǒng)根據(jù)光電感應(yīng)原理制成。當(dāng)光線變化時，會使阻擋發(fā)射部分和接收部分的電信號瞬間變化，這種變化可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，供相關(guān)電路檢測。由于本款產(chǎn)品具有設(shè)計小巧、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種門診、社區(qū)服務(wù)中心等。相較于傳統(tǒng)高精度、昂貴的點(diǎn)滴監(jiān)控設(shè)備， 該產(chǎn)品可面向更廣大的受眾群體 ，便于更多患者使用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1所示。

1.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。

本文單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源接口，開關(guān)，時鐘電路，下載接口，復(fù)位電路和 STC89C52 單片機(jī)組成。

STC89C52RC 是STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 系統(tǒng)可編程FLASH 存儲器。STC89C52 使用經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核，并做了較多改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能[4,5]。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位CPU 和系統(tǒng)可編程FLASH，使得 STC89C52 可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案[6,7]。

1.1.2 液滴檢測基于紅外對射傳感器

紅外對射式傳感器功能齊全，靈敏度高，體積小，有效距離長，抗震性能好，不易受干擾，低功耗，響應(yīng)時間快，使用壽命長，液滴檢測穩(wěn)定且成本低，完全符合高精度醫(yī)療設(shè)備的需求[8]。通過測量計算兩點(diǎn)滴下落的間隔就可確定滴速。

紅外對射傳感器使用紅外線發(fā)射管持續(xù)供電，當(dāng)接收管被遮擋時，輸出高電平，反之則輸出低電平。

1.2 檢測流程

1.2.1 液滴檢測流程

本設(shè)計中的滴速計算可防止由滴速引起的患者輸液不適。通過控制電機(jī)來控制液瓶的高低以調(diào)節(jié)滴速。超速時可報警。其中外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊由軟件程序完成，具體流程如圖 2所示。

1.2.2 速度檢測子程序

本系統(tǒng)采用紅外對管用于信號發(fā)射接收，當(dāng)檢測到液滴 時信號發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，通過記錄兩次液滴的信號 變化，借助程序運(yùn)算即可得出液滴滴速 [9,10]，檢測子程序框圖 如圖 3 所示。

1.2.3 電機(jī)控制子程序

電機(jī)運(yùn)動根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)定。若在設(shè)定范圍內(nèi)，則不會 有動作；若小于設(shè)定值，則進(jìn)入正轉(zhuǎn)程序，反之進(jìn)入反轉(zhuǎn)程序。 電機(jī)控制程序如圖 4 所示。

1.2.4 鍵盤程序

本系統(tǒng)設(shè)計有復(fù)位鍵，首先程序會檢測有無按鍵輸入， 若無則單片機(jī)無動作，若有則進(jìn)行其他程序動作。同時根據(jù) 需要拓展了“加”“減”和“報警”功能，通過“加”“減”按 鍵來設(shè)定滴速大小 [11,12]。報警設(shè)計為主動和自動兩種形式 ：當(dāng) 有人按報警鍵時，可以自動報警 ；若無人按鍵，當(dāng)觸發(fā)報警程 序時，10 s 內(nèi)若無人處理則會自動報警。報警結(jié)束后停止滴液， 以保證病人安全。

2 本設(shè)計具有的功能

2.1 測速控制

系統(tǒng)可通過 1 s 內(nèi)所獲得的脈沖數(shù)來檢測滴液速度，并將 其顯示在顯示屏上。若需要更精準(zhǔn)地測量滴液速度，則可通 過用戶按鍵的方式自定義獲得脈沖時間，當(dāng)無點(diǎn)滴落下時可自 動阻斷進(jìn)程。

2.2 點(diǎn)滴計數(shù)

系統(tǒng)可記錄液滴的滴數(shù)，并將其顯示在顯示屏上。點(diǎn)滴 每滴落一次，信號處理電路中的紅色發(fā)光二極管便隨之閃爍 一次，檢測原理如圖 5 所示。

2.3 回血檢測

紅外對管用于發(fā)射接收。由于血液的顏色比較深，遮擋 紅外光線后，可檢測到信號，從而進(jìn)行中斷報警 [10]。

2.4 數(shù)碼顯示

數(shù)碼顯示采用數(shù)碼管，在滿足顯示方案數(shù)據(jù)的條件下， 數(shù)碼管不僅編程簡單 ，還具有低能耗、低損耗和壽命長等特征， 對環(huán)境的要求較低。

系統(tǒng)包含兩個顯示界面。其中一個顯示界面主要與點(diǎn) 滴速度有關(guān)，界面顯示的內(nèi)容主要包括點(diǎn)滴速度（單位為 P/ min），另一個界面可供用戶自主設(shè)置系統(tǒng)最低限和最高限。

2.5 蜂鳴報警

以蜂鳴器鳴響和報警指示電路中的紅色發(fā)光二極管是否 發(fā)光作為報警提示，在輸液結(jié)束后提醒醫(yī)護(hù)人員和患者及其家 屬。此外，如果和無線模塊連接，無線模塊也具有報警功能。

2.6 按鍵輸入

用戶可通過硬件設(shè)備上的按鍵設(shè)置測量每分鐘點(diǎn)滴的最 高限和最低限。

3 系統(tǒng)測試

制作完成后進(jìn)行測試，檢查是否符合要求。具體包括硬 件測試與軟件測試。智能輸液器實(shí)物如圖 6 所示。

3.1 硬件測試

硬件測試依次為傳感器及數(shù)據(jù)采集部分測試、通信電路 測試、電機(jī)運(yùn)行測試等，通過調(diào)整時間與點(diǎn)滴速度來控制精度。

3.2 軟件測試

軟件測試是一個自下而上、逐步集成的過程，本系統(tǒng)采 用自下而上的測試方法。

3.3 點(diǎn)滴報警系統(tǒng)測試結(jié)果

改變主機(jī)鍵盤輸液速度的設(shè)定值，以測試系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效 果和響應(yīng)速度，發(fā)現(xiàn)兩者均正常，基本可以自動完成調(diào)節(jié)，且 誤差范圍在 0 ～5% 之間，測試結(jié)果見表 1 所列。

4 結(jié) 語

本文系統(tǒng)由單片機(jī)及電機(jī)鍵盤等組成，主要功能有：可 設(shè)置及顯示滴液速度，自行設(shè)置滴速 ；當(dāng)輸液速度不在設(shè)定 范圍內(nèi)時，自動報警并調(diào)節(jié)；當(dāng)輸液過程中出現(xiàn)特殊情況時可 自行報警 ；當(dāng)輸液結(jié)束或出現(xiàn)緊急情況時可及時提醒護(hù)士，無 需護(hù)士每時每刻親自監(jiān)測患者的輸液情況。本系統(tǒng)操作簡潔、 便利，減輕了醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，減少了病患家屬的陪護(hù)， 有利于提高醫(yī)護(hù)質(zhì)量，進(jìn)一步提高了醫(yī)院服務(wù)系統(tǒng)的智能化水 平，是一種可以針對多個床位進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測的智能輸液監(jiān)控 系統(tǒng)，在現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)中具有較大的實(shí)用價值，推動了智能醫(yī) 療事業(yè)自動化的發(fā)展，且對于設(shè)備結(jié)構(gòu)的分析和電子設(shè)計的 研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。