周生宵，瞿惠琴

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，無錫 江蘇 214121)

0 引言

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中常見的輔助醫(yī)療手段。傳統(tǒng)的輸液監(jiān)控采用人工監(jiān)控方式，但由于輸液過程時間較長，醫(yī)護人員現(xiàn)場工作忙碌，病人因為病情影響容易昏睡，陪護人員在長時間陪護過程中產(chǎn)生疲勞而注意力分散，所以當(dāng)輸液系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，以上人工監(jiān)控方式的缺陷會導(dǎo)致醫(yī)療處理不及時，尤其在輸液結(jié)束時，如果沒有及時拔針，會出現(xiàn)血液回流、血液凝固、空氣栓塞等后果，這些后果輕則耽誤治療,重則發(fā)生醫(yī)療事故。如何提升輸液治療的安全性和可靠性一直是醫(yī)療行業(yè)要解決的問題，及時準(zhǔn)確的輸液提醒能有效提高輸液治療的安全性，目前常見的輸液報警裝置應(yīng)用了光電傳感技術(shù)，通過光電傳感器檢測輸液管中液體從有到無，從而發(fā)出報警，但是由于光電傳感器只監(jiān)測輸液管中液體有無，報警信號也只有病床附近的人員才能接收到，所以發(fā)生報警時，輸液液體剩余很少，還需要呼叫護士拔針，如此預(yù)留給護士拔針的時間就很短，并且當(dāng)人體或金屬緊貼裝置時，易產(chǎn)生誤報警。針對以上問題，設(shè)計了一種標(biāo)簽式輸液提醒裝置，裝置采用平面電容傳感器實時監(jiān)控輸液瓶或輸液袋液位變化，并且通過無線傳輸模塊把拔針提醒信息發(fā)送給護士站，去除了人工呼叫環(huán)節(jié)，提高了輸液提醒的效率[1]。

1 輸液提醒裝置設(shè)計

裝置分為兩個模塊，一個是輸液檢測模塊，安裝在輸液瓶（袋）和輸液架上，另一個是拔針提醒模塊，安裝在護士站。輸液檢測模塊實時監(jiān)測輸液容器液位變化，當(dāng)液位低于設(shè)定值，發(fā)出提醒信號，引起病人關(guān)注，同時把拔針提醒及床位號信息發(fā)送給拔針提醒模塊，護士收到提醒，根據(jù)床位號提示可以及時準(zhǔn)確地為病人拔針。兩個模塊上都配置了單片機ATmega328P和無線通信模塊nRF24L01，輸液檢測模塊采用平面電容傳感器監(jiān)測液位變化，傳感器輸出的信號經(jīng)過電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器FDC2214處理后傳輸給單片機，單片機分析處理數(shù)據(jù)，發(fā)出提醒信息[2]。提醒信息通過nRF24L01模塊無線傳輸給護士站的拔針提醒模塊，nRF24L01傳輸距離最高可達(dá)240m，并且支持多點通訊，因此醫(yī)護人員在護士站就能了解到每個輸液床位的狀態(tài)信息，圖1是智能輸液提醒裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 智能輸液提醒裝置結(jié)構(gòu)框圖

2 平面電容傳感器

2.1 平面電容的邊緣效應(yīng)

平面電容傳感器是基于電容邊緣效應(yīng)的傳感器，它相當(dāng)于把平行板電容器的兩極板向兩邊展開，使其位于同一平面，兩個金屬極板分別為驅(qū)動電極和感應(yīng)電極，給驅(qū)動電極施加激勵信號，兩個電極之間產(chǎn)生邊緣電場，電場線從驅(qū)動電極指向感應(yīng)電極，穿透被測物體，并在驅(qū)動電極和感應(yīng)電極之間產(chǎn)生電容值，圖2是平行板電容器和平面電容器的示意圖[3-4]。

2.2 傳感器的結(jié)構(gòu)

平面電容傳感器包括液位電容和參考電容兩個平面電容，液位電容用于檢測實時液位變化，參考電容在液位測量過程中提供液體類型和液體溫度變化的參考。電容的電極由矩形銅箔制成，電極寬度8mm，厚度0.06mm，間距2.5mm，參考電容高度10mm，液位電容高度可根據(jù)輸液瓶（袋）的尺寸調(diào)整，在20mm～80mm之間較合適。電容電極粘貼在靜電貼表面，做成標(biāo)簽樣式，再依靠靜電吸附在輸液瓶（袋）外壁上，作為液位檢測傳感器，圖3是標(biāo)簽式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器不接觸液體，可實現(xiàn)非接觸測量，適于檢測輸液液位[5-6]。

圖3 標(biāo)簽式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

引起平面電容值變化的主要原因是容器內(nèi)液體和空氣的混合介質(zhì)介電常數(shù)的變化，輸液時液位的變化改變了電容的介電常數(shù)，從而使電容值變化。

3 輸液液位檢測和提醒電路

3.1 液位檢測電路

液位檢測電路主要由電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和單片機控制電路組成。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的核心元件是Texas Instruments公司的電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器FDC2214，它具有28位分辨率，4個信號輸入通道，由于FDC2214內(nèi)置振蕩電路驅(qū)動器，所以在輸入通道端并接電感和電容，可組成LC振蕩電路。如圖4電路所示，平面電容傳感器的液位電容和參考電容分別接入IN1和IN2通道的LC振蕩電路中，當(dāng)液位變化，傳感器的電容值隨之變化，進而振蕩電路的頻率也發(fā)生變化。FDC2214基于一個標(biāo)準(zhǔn)參考頻率測量LC振蕩電路的頻率，最終把振蕩電路的頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，即把輸液液位值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

圖4 液位檢測電路

3.2 輸液狀態(tài)提醒電路

輸液提醒裝置的單片機選用8位微控制器ATmega 328P，在液位檢測模塊，單片機的外設(shè)包括電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器FDC2214、無線通信模塊nRF24L01和聲光提醒電路。單片機讀取并分析FDC2214的輸出數(shù)據(jù)，從而判斷當(dāng)前的輸液狀態(tài)是“正常輸液”或“需要拔針”，并且通過nRF24L01模塊把輸液狀態(tài)和對應(yīng)床位號信息發(fā)送給護士站的拔針提醒模塊[7-8]。

在拔針提醒模塊，單片機的外設(shè)包括無線通信模塊nRF24L01、聲光提醒電路和OLED顯示模塊，nRF24L01模塊實時接收液位檢測模塊發(fā)送的輸液狀態(tài)及床位號信息，單片機驅(qū)動顯示模塊輸出信息。當(dāng)輸液液位下降到設(shè)定值時，液位檢測和拔針提醒模塊同時發(fā)出聲光提醒，病人和護士站都收到拔針提醒，而顯示屏上輸液狀態(tài)變?yōu)椤靶枰吾槨?，并顯示對應(yīng)床位號，便于護士準(zhǔn)確掌握信息。圖5是輸液提醒裝置的實物圖。

圖5 智能輸液提醒裝置實物圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

選用純凈水、鹽水（濃度10%）、葡萄糖溶液（濃度7.5g/100mL）三種液體作為測試對象，對每種液體進行10次輸液提醒測試，發(fā)現(xiàn)裝置工作穩(wěn)定，靈敏度較高，發(fā)生錯誤提醒1次，錯誤率小于3.5%，無線通信有效距離大于15米。實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體或其他介質(zhì)貼近標(biāo)簽式液位傳感器時，會干擾傳感器的測量，導(dǎo)致錯誤提醒，因此平面電容的電極需要添加屏蔽層，其次無線通信模塊nRF24L01的通信距離受環(huán)境影響會減小。表1是針對三種液體的輸液提醒實驗結(jié)果。

表1 輸液提醒測試結(jié)果

5 結(jié)語

通過理論分析結(jié)合實驗測試的方式，研究了平面電容的邊緣效應(yīng)，分析了平面電容傳感器檢測液位變化的工作原理，根據(jù)輸液監(jiān)控的特點，設(shè)計了靜電標(biāo)簽式液位傳感器的結(jié)構(gòu)，并基于液位傳感器、單片機、無線通信模塊等組建了智能輸液提醒裝置。選用純凈水、鹽水、葡萄糖溶液三種液體進行輸液提醒功能實驗，實驗結(jié)果表明裝置穩(wěn)定性和靈敏度較高，輸液提醒錯誤率小于3.5%，無線通信距離能滿足普通輸液場所的需要。當(dāng)前便捷的智能輸液監(jiān)控裝置能有效緩解醫(yī)護人員的工作強度和壓力，是醫(yī)療行業(yè)的急需產(chǎn)品，基于平面電容液位傳感器的輸液提醒裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷，為實現(xiàn)智能輸液監(jiān)控提供了一個有效的解決方案。