趙昌友，楊清志

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

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基于MSP430低功耗便攜式輸液監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙昌友，楊清志

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shí)必須實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù).成套的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)因成本高且使用不便，主要用于重癥監(jiān)護(hù)等場(chǎng)合，輸液大廳及中小醫(yī)院和診所的靜脈輸液監(jiān)護(hù)主要由人工完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在安全隱患.基于以上背景分析，設(shè)計(jì)了一套基于MSP430單片機(jī)的低功耗便攜式輸液監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng).測(cè)試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)輸液監(jiān)測(cè)與報(bào)警功能.

輸液監(jiān)測(cè)； 報(bào)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(shí)滴速過快可能會(huì)使病人難以承受而出現(xiàn)不良癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)醫(yī)療事故；滴速過慢又會(huì)因?yàn)閯┝坎蛔愣档童熜?，同時(shí)延長了輸液時(shí)間.這就需要醫(yī)護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)[2].

目前能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)護(hù)與報(bào)警功能的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要用于重癥監(jiān)護(hù)室等場(chǎng)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(cè)還是由人工完成，效率低下且存在安全隱患.針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)出一款基于MSP430單片機(jī)的低功耗便攜式輸液滴速監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)?shù)嗡佼惓r(shí)能立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，以提醒患者和醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處置，從而保證輸液安全，減少醫(yī)療事故.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 光電傳感器滴速測(cè)量原理

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 滴速測(cè)量電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸液速度監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警，依據(jù)就是莫非滴管中的液滴滴速，因此滴速測(cè)量是否準(zhǔn)確非常關(guān)鍵，滴速檢測(cè)傳感器的選擇和測(cè)量電路的設(shè)計(jì)也就成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心.通過查閱相關(guān)資料，能實(shí)現(xiàn)滴速檢測(cè)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(huì)污染藥物，都不太適合輸液監(jiān)測(cè)，而光電傳感器則無以上限制，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光電傳感器[3][4].

用光電傳感器進(jìn)行滴速測(cè)量的原理如圖2，把莫非滴管固定在紅外對(duì)管中間，無液滴時(shí)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(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào).當(dāng)液滴滴落時(shí)會(huì)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(hào)整形為脈沖信號(hào)送入微處理器進(jìn)行滴速計(jì)算.

在查閱相關(guān)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)資料，并經(jīng)電子防真后，設(shè)計(jì)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(duì)管.輸出的電信號(hào)經(jīng)LM393放大、整形后發(fā)送給MSP430單片機(jī)的P2.0口.

圖3 滴速測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.2 單片機(jī)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，既要保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，又要實(shí)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(guān)資料并研究對(duì)比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微處理器采用MSP430F149單片機(jī).查閱MSP430的技術(shù)資料可知(見參考文獻(xiàn)[5])，MSP430F149是16位的超低功耗單片機(jī)，技術(shù)成熟工作穩(wěn)定，且片內(nèi)資源豐富，外圍電路簡(jiǎn)單，非常適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是本設(shè)計(jì)的理想選擇.

2.3 鍵盤電路

由于輸液時(shí)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(gè)輸入鍵盤，用于設(shè)定滴速范圍.電路設(shè)計(jì)見圖4，S1/S2用于設(shè)定滴速，S3選擇確認(rèn).為便于使用，系統(tǒng)默認(rèn)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(shè)定滴速.

2.4 聲光報(bào)警電路

電路設(shè)計(jì)如圖5，在輸液滴速正常時(shí)單片機(jī)不動(dòng)作，三極管Q1截止.當(dāng)?shù)嗡俪迺r(shí)，MSP430立刻通過P3.3口發(fā)出低電平信號(hào)，從而Q1導(dǎo)通，觸發(fā)發(fā)光二極管D3及蜂鳴器工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警.

圖4 鍵盤電路

圖5 聲光報(bào)警電路

2.5 電源電路

設(shè)計(jì)選用的MSP430F149單片機(jī)及紅外對(duì)管ST-178、液晶顯示器LCD1602(有5.0 V和3.3 V兩種型號(hào))、聲光報(bào)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(jiǎn)化外圍電路，實(shí)現(xiàn)便攜式.電源電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為3.3 V直流電壓在對(duì)單片機(jī)及其外圍器件供電.

圖6 電源電路

除了以上設(shè)計(jì)的主要電路外，還有液晶顯示電路、下載接口電路及復(fù)位電路等，因?qū)崿F(xiàn)難度不大(各種設(shè)計(jì)中是通用的，僅編程不同而已)，此處不再贅述.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)程序和鍵盤設(shè)定值，再通過紅外對(duì)管測(cè)量、計(jì)算滴速并顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)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(cè)，同時(shí)顯示器、聲光報(bào)警器等處于休眠狀態(tài)以節(jié)約用電實(shí)現(xiàn)低功耗(可通過鍵盤任意按鍵喚醒電路觀察顯示結(jié)果)；如果滴速異常便立刻接通聲光報(bào)警器.

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

圖7 輸液監(jiān)測(cè)與報(bào)警流程圖

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

在完成了電子線路仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，我們又進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)以檢驗(yàn)其工作性能，試驗(yàn)內(nèi)容主要為滴速測(cè)量與報(bào)警功能，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1.為了便于觀察瞬時(shí)滴速，系統(tǒng)的滴速計(jì)算原理是根據(jù)單片機(jī)自帶時(shí)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(cè)計(jì)數(shù)是1 min計(jì)時(shí)內(nèi)數(shù)出莫非管中滴下的液滴.試驗(yàn)表明系統(tǒng)測(cè)量的滴速存在一定誤差，這主要是由計(jì)時(shí)時(shí)間不同、滴管晃動(dòng)等因素造成的，但偏差≤3滴/min，完全在藥理允許范圍內(nèi).

當(dāng)?shù)嗡俪迺r(shí)(按系統(tǒng)默認(rèn)60-80滴/min為正常)聲光報(bào)警都能可靠報(bào)警，且不存在誤報(bào).試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)輸液監(jiān)測(cè)與報(bào)警.

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 總 結(jié)

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)既定功能，由于成本低、使用方便，具有實(shí)用價(jià)值；

(2)單片機(jī)具有存儲(chǔ)功能，能保存近期的測(cè)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(shè)計(jì)保留了功能擴(kuò)展.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，我們還研究、設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)功能：一是利用無線收發(fā)芯片，可實(shí)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(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，一旦滴速異常可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速.但性能有待提高而且實(shí)用價(jià)值不大，因?yàn)殛P(guān)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(shí)用價(jià)值與性價(jià)比，最終設(shè)計(jì)中沒有保留這兩個(gè)功能，但值得繼續(xù)研究[6].

[1]于沛.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2012.

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

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

[4]付建鵬.基于STC12C5A60S2單片機(jī)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(xué),2013:2-3.

[5]MSP430F149單片機(jī)[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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2015，33(06)：61-63.

[責(zé)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(diǎn)教研項(xiàng)目(No.2015jyxm535)；安徽省高等教育振興計(jì)劃(No.2013cgtg040)

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

R318.6；TP277

A

1672-3600(2016)12-0041-04