周正陽+王聰聰+王一欽+李可+鄭琦琪

摘 要：智能輸液系統(tǒng)由上位機(jī)（微機(jī)）、下位控制機(jī)、滴速測定和滴速控制系統(tǒng)、液體保溫裝置、意外報(bào)警裝置構(gòu)成。該裝置主要通過單片機(jī)、光電傳感器、ZigBee短距離無線通信等技術(shù)搭建而成，使用該裝置進(jìn)行輸液，可大大減輕護(hù)理人員的工作負(fù)擔(dān)，為患者的輸液安全保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：智能輸液；液位監(jiān)測；滴速控制；ZigBee

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

隨著人口劇增以及社會的發(fā)展，醫(yī)院的醫(yī)患比大大減小，醫(yī)護(hù)工作者的工作量與日俱增。由于患者數(shù)量過多，導(dǎo)致部分患者輸液時(shí)的安全無法得到保障，護(hù)士的工作效率有待提高。近年來，大醫(yī)院已開始借助智慧醫(yī)療系統(tǒng)來提高工作效率，《以信息化為載體的智能輸液監(jiān)視器應(yīng)用》一文的系統(tǒng)是將輸液是否完成的信息傳送至護(hù)士站，免去患者自己按鈴的麻煩，但其仍未能解決滴速異常、輸液處針位移動(dòng)等問題。據(jù)此，我們通過實(shí)地調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)查閱文獻(xiàn)、請教導(dǎo)師等，運(yùn)用C51單片機(jī)、傳感器、ZigBee短距離通信技術(shù)開發(fā)了新型智能輸液系統(tǒng)，可以測定滴速、異常自動(dòng)報(bào)警，大大提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。

1 智能輸液系統(tǒng)總體介紹

智能輸液系統(tǒng)由上位機(jī)（微機(jī)）、下位控制機(jī)、滴速測定和滴速控制系統(tǒng)、液體保溫裝置、意外報(bào)警裝置構(gòu)成。

2 基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是一種短距離無線通訊技術(shù)，在2.4 GHz波段工作。其巨大的網(wǎng)絡(luò)容量允許其與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，適用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)的無線傳輸工作等。此外，ZigBee技術(shù)功耗較低，限制了其較低的極限數(shù)據(jù)吞吐量。但該技術(shù)具有功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn)，非常適合用作本項(xiàng)目的無線傳輸方式[1， 2]。

2.2 傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送端的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊由若干個(gè)液位傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊構(gòu)成。各傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，每隔一段時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送模塊便通過ZigBee將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控室PC或其他監(jiān)控設(shè)備上，更可以通過互聯(lián)網(wǎng)將再次處理過的數(shù)據(jù)上傳到任意聯(lián)網(wǎng)的終端進(jìn)行展示與存檔[3，4]。傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，無線收發(fā)模塊流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理與展示工作，由監(jiān)控室PC及附屬軟件組成，可實(shí)現(xiàn)對全部監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的可視化管理，包括節(jié)點(diǎn)是否入網(wǎng)、滴速顯示、輸液余量及其他異常情況顯示和報(bào)警功能。軟件可使用C++、Java開發(fā)，日后或可研發(fā)更多配套軟件，使護(hù)士及其他管理人員能在手機(jī)、平板等移動(dòng)平臺上監(jiān)控患者的輸液情況[5，6]。

3 基于光電傳感器的輸液滴速測定及其驅(qū)動(dòng)控制

該項(xiàng)目輸液滴速實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，再輔以光電傳感器、運(yùn)算放大器等相關(guān)功能電路的硬件結(jié)構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)微型化、操作方便靈活等特點(diǎn)[7]。

3.1 紅外光電檢測技術(shù)判定液滴的有無

因輸液需要在嚴(yán)格控制衛(wèi)生的情況下進(jìn)行，所有監(jiān)測設(shè)備都不應(yīng)接觸藥液，因此采用非接觸式紅外光電檢測技術(shù)。在發(fā)射管和接收管之間留適當(dāng)距離，當(dāng)無液滴通過時(shí)，接收管受光導(dǎo)通，輸出為零。當(dāng)有液滴通過的瞬間，使光線折射，接收管的光通量不足，輸出為1。為避免較大誤差，我們在液滴管上套半透明的罩子，以減少太陽光、日光燈的干擾[7，8]。液滴光電檢測原理圖如圖3所示。

3.2 通過軟件計(jì)算藥液滴速

可通過相鄰兩次液體滴落的時(shí)間差計(jì)算。文中采用 STC90型51單片機(jī)。由于臨床滴速范圍為20～180滴/min，即最大滴速為3滴/s，采用的精度為1 ms定時(shí)中斷。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)入定時(shí)中斷進(jìn)行處理。為避免液滴信號出現(xiàn)漏判、誤判的情況，本軟件嵌入兩個(gè)中斷子程序，一旦發(fā)現(xiàn)有液滴信號溢出，則進(jìn)入外部中斷，定時(shí)器溢出，則進(jìn)入定時(shí)器中斷，然后對液滴信號及時(shí)間參數(shù)進(jìn)行處理，得到所求數(shù)據(jù)[9]。

3.3 信號處理

點(diǎn)滴速度信號的變化范圍大致為每分鐘20～180滴，屬于低速信號檢測。按照實(shí)際采樣滴速時(shí)間，一旦采樣時(shí)間偏長，采樣時(shí)間內(nèi)的滴速變化便難以檢測，在對點(diǎn)滴速度進(jìn)行改變或調(diào)整時(shí)會出現(xiàn)調(diào)整精度差、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長等問題，該項(xiàng)目通過鎖相環(huán)倍頻技術(shù)[10]對其進(jìn)行處理。鎖相環(huán)倍頻技術(shù)指通過鎖相環(huán)集成電路和相位比較器引入反饋，隨時(shí)監(jiān)控信號的情況并對信號頻率進(jìn)行修正和放大。此舉縮短了采樣時(shí)間，提高了系統(tǒng)的采樣速度。鎖相環(huán)倍頻技術(shù)如圖4所示。

3.4 滴速傳輸和控制

滴速測量完成后單片機(jī)利用ZigBee將數(shù)據(jù)傳送至控制中心進(jìn)行分析判斷，并在液晶電視上顯示實(shí)時(shí)結(jié)果。

滴速控制需快速、穩(wěn)定，我們通過以下兩種方式調(diào)節(jié)滴速：

（1）利用下位機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儲液瓶上下移動(dòng)從而調(diào)整滴速，偏快則下移，偏慢則上移。

（2）考慮到儲液瓶液位到零刻度時(shí)應(yīng)確保完全關(guān)閉輸液器，以防止空氣進(jìn)入血管或回流，因而采用控制輸液軟管夾頭松緊即軟管夾頭平行移動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)滴速的控制。在輸液軟管上安裝一夾頭，該夾頭由微型步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退，從而通過控制夾頭松緊實(shí)現(xiàn)對滴速的調(diào)控[8，9，11]。

護(hù)士可以針對每位患者的情況在系統(tǒng)中設(shè)置滴速的上下限值。為保證滴速控制的快速和穩(wěn)定，該系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)，當(dāng)上位機(jī)檢測到的輸液實(shí)時(shí)速度與設(shè)定值存在偏差時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)輸液軟管的松緊來調(diào)節(jié)輸液速度，當(dāng)輸液速度低于下限值時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以放松對輸液軟管的壓力從而增加滴速；當(dāng)輸液的速度高于上限值時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)以壓緊輸液軟管從而降低滴速，使之保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

若調(diào)整后仍未達(dá)到預(yù)設(shè)范圍，則啟動(dòng)報(bào)警裝置并將滴速異常的信息傳送至護(hù)士站液晶顯示器及護(hù)士的手持終端。

4 液位檢測裝置

4.1 液位檢測電路設(shè)計(jì)

出于安裝方便的考慮，可采用TFK414-CNY70紅外線反射接收式傳感器，其發(fā)射和接收端是一體的。為使用方便，將光電傳感器固定在夾子上。為最大限度屏蔽外部干擾信號，在夾子外部貼上黑色的遮光膠帶并留下一部分用于紅外線的接收和發(fā)射[12，13]。接收端接收的紅外光信號強(qiáng)度因介質(zhì)（透明液體或空氣） 的變化而產(chǎn)生與流速相對應(yīng)的脈沖信號。傳感器輸出信號通過一階低通濾波、運(yùn)放器放大傳送給報(bào)警電路。

4.2 液位檢測程序

液體檢測的軟件部分與點(diǎn)滴速度檢測程序類似。當(dāng)?shù)纹績?nèi)液位下降到傳感器的檢測位以下時(shí)（相當(dāng)于滴斗內(nèi)液滴經(jīng)過傳感器的情況），傳感器輸出端會產(chǎn)生高低電平的變化，此信號會通過電路傳到 P1.2口，單片機(jī)經(jīng)過對 P1.2口的連續(xù)查詢確認(rèn)信號準(zhǔn)確后，向報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信號并通過傳輸系統(tǒng)傳送至護(hù)士站顯示器及護(hù)士手持終端[14，15]。

5 報(bào)警裝置

5.1 報(bào)警裝置原理

報(bào)警系統(tǒng)采用基于ZigBee（IEEE802.15.4）協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)病房輸液監(jiān)護(hù)的無線化[16]，采用聲光報(bào)警方式報(bào)警。報(bào)警電路位于患者病床一側(cè)，接入發(fā)光二極管?？刂撇糠之a(chǎn)生階躍電壓信號，串入報(bào)警電路。當(dāng)邏輯“1”出現(xiàn)時(shí)，電路工作，二極管變色閃爍[17]。系統(tǒng)中添加了病人手動(dòng)報(bào)警功能，如果病人對于輸液感到不適（有可能是滴速的原因，也可能是藥物反應(yīng)）可以手動(dòng)報(bào)警，會在檢測站及護(hù)士客戶端上顯示。嵌入式輸液滴速監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在檢測站PC端發(fā)出蜂鳴并報(bào)床位號的同時(shí)閃爍。本系統(tǒng)由一個(gè)位于護(hù)士值班室的監(jiān)護(hù)中心和若干個(gè)位于不同病房的監(jiān)護(hù)儀組成，如圖5所示。

護(hù)士辦公室系統(tǒng)運(yùn)行在 PC 上，是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)中心，它具有滴速數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、報(bào)警和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等多重功能。報(bào)警包括聲音報(bào)警和圖像閃爍報(bào)警，它們互不干擾。聲音報(bào)警時(shí)，若有多個(gè)病床報(bào)警，則輪流播放報(bào)警的病床號。圖像閃爍報(bào)警時(shí)，若有多個(gè)病床報(bào)警，則在主界面上各個(gè)病床位同時(shí)出現(xiàn)圖像閃爍。

5.2 報(bào)警裝置啟動(dòng)

出現(xiàn)下列情況，則報(bào)警裝置啟動(dòng)：

（1）如果儲液瓶液位高度降到了警戒值（離瓶口2～3cm） 時(shí)，下位機(jī)接收液位檢測電路發(fā)來的中斷請求信號[18]，立即發(fā)出聲光報(bào)警，并發(fā)送報(bào)警信號；

（2）在超過設(shè)定時(shí)間內(nèi)檢測不到液滴時(shí)，則發(fā)出針頭堵塞或藥液滴完的報(bào)警信號；

（3）滴速經(jīng)調(diào)整后仍然異常，則啟動(dòng)報(bào)警裝置。

6 結(jié) 語

智能輸液系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)病床病人的輸液情況，并對輸液中的異常情況（如針頭堵塞、藥液滴完、速度過快等） 發(fā)出報(bào)警，還可以根據(jù)護(hù)士設(shè)定參數(shù)，自動(dòng)精確調(diào)節(jié)和監(jiān)測輸液速度。輸液速度借助ZigBee無線通信技術(shù)傳輸至護(hù)士站和護(hù)士手持客戶端，安全省心，可一定程度上把醫(yī)護(hù)人員從繁瑣的勞動(dòng)中解放出來，提高工作效率，緩解醫(yī)患比低的問題。今后，患者可以無人陪護(hù)輸液，無需擔(dān)心睡著，尤其可以解決老年患者就醫(yī)護(hù)理難、護(hù)理貴，且護(hù)理人員短缺等現(xiàn)實(shí)問題，增強(qiáng)了輸液的安全性，具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

本系統(tǒng)輸液速度的調(diào)節(jié)在設(shè)定誤差的范圍內(nèi)響應(yīng)快，儲液瓶的液位監(jiān)視報(bào)警輸出信號可靠、準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用簡便，適合于大多數(shù)醫(yī)療場所，使用過程中無需任何附加投入。該系統(tǒng)的使用將大大提高醫(yī)院的醫(yī)療信息化水平，具有廣泛的市場前景和積極的社會意義，提高了醫(yī)院的患者滿意度，為醫(yī)院帶來較好的社會效應(yīng)。但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了其具有一定的初期投入成本，造價(jià)比較昂貴。且步進(jìn)電機(jī)雖然穩(wěn)定，但仍然會產(chǎn)生一定的誤差。但我們相信，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本會逐步降低，系統(tǒng)會更加經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

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