输液滴速实时监测系统的设计与实现

肖征，刘俊松，王雷，张轶男

南京军区杭州疗养院海勤疗区 信息科，浙江 杭州 310002

输液滴速实时监测系统的设计与实现

肖征，刘俊松，王雷，张轶男

南京军区杭州疗养院海勤疗区 信息科，浙江 杭州 310002

目的 实时检测静脉输液过程中药液滴速和药液液位在临床中的应用意义。方法 利用单片机和红外传感器实现液滴检测。结果 可以精确测量药液滴速，误差为±2滴/min，并具有滴速和液位报警功能。结论 该系统简单易用、准确可靠、成本低廉。该系统的使用不仅减为轻了病人和护理人员的负担，也有利于病区的综合管理。

输液滴速实时监测系统；输液器；液滴检测；红外传感器

在医疗监护领域，传统的病房监护手段己经越来越不能适应当今的多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。以常见的静脉输液过程为例，其是临床抢救和治疗病人的重要措施之一。输液滴速的正确与否，对病人的治疗和安全起着重要的作用。而对输液过程的监控一直是由患者或其家属在身体不适和疲劳的情况下人工进行，不仅加重了他们身体和精神上的负担，也经常会因疏忽造成不必要的麻烦，而且也不利于病区的综合管理[1-2]。

为此，我们设计了医用输液实时监测系统，该系统能自动检测药液的滴速，具有液位报警功能，并能将各床位监控信号传送至护士办公室，可实时了解整个病区的输液情况，提高了工作效率，降低了劳动强度。本系统操作方便、成本低、可靠实用，便于在医院推广。

1 硬件设计

1.1 系统结构

对于普通病房的输液过程一般需要监控2个项目：①药液滴速，因为输液需要合适的滴速，过快、过慢对病人都会产生不利影响；② 药液液位，即药液快用尽时必须通知护士及时处理[3]。

根据对输液速度的检测、控制和报警等需求分析，输液监控仪硬件设计应遵循安全可靠、抗干扰、经济、易用的原则。本系统的检测部分选用红外传感器，因为其成本较低、功耗小，不受可见光干扰，可实现非接触测量[4]。控制部分采用功能较强、成本低廉的单片机。

输液监控仪硬件系统由单片机、电源、液滴检测装置、数字信号处理单元、报警装置、输入及显示装置组成（图1）。

图1 硬件系统框图

1.2 液滴检测电路（图2）

输液监控系统输液信号的提取方法直接关系到该系统的性能。在本设计中输液信号的采集使用的是液滴检测法，它是利用红外线光电传感器在莫菲氏管处对液滴进行检测，并计算出平均滴速，与其他的电极法、测重法和液面检测法相比，不但电路简单实用，不受可见光的干扰，稳定性好，而且使用方便、成本低，特别是其采用了非接触式测量方法，其安全性和易用性对医疗监护具有重要的意义[5]。

图2 液滴检测电路原理图

在输液管的莫菲氏管外侧放置一个U形夹，其两侧分别安装一个红外发光二极管和红外光敏二极管，构成一对红外光电传感器（图3）。因输液液滴一般为透明状液体，液滴滴落时，红外光束入射到液滴上产生折射。由于药液成分主要是水，因此，可认为液滴的光学折射率与水的光学折射率相近[6]，即n=4/3；液滴的横截面直径为2r，当入射的平行光经液滴折射形成会聚光后，根据推导，会聚光点到液滴中心点的距离S可表示为：

S= r+2r2/nr+2（n-1）r =2r

图3 液滴检测传感器结构图

一般输液液滴直径约2.5～3.0mm，也就是说，当平行光穿过液滴时，光束将被会聚到距离液滴滴落轨迹中心线的2.5～3.0mm处，然后从焦点处开始发散。在入射光相对方向安置光敏元件离焦点比较远，所以当有液滴滴落时，光敏元件所接收到的光强度会减弱，因而所产生的光电流也发生变化。对于光敏元件（光电二极管）来说，其光电流与入射光强度之间在一定范围内成线性关系，为了能成功区别出平行入射光（未透过液滴）与点光源的入射（透过液滴），两者的光电流在数值上必须有明显的差异。为此，必须将光电接收元件安放在距液滴滴落中心线适当距离的位置上，经推导，光电接收元件的光敏面距液滴中心点O的距离X1为:

其中，D1为发光二极管发出的平行光的束径（通常等于发光二极管的直径），D2为光电二极管光敏面的直径（通常等于光电二极管的直径），一般D1=D2，故可得到Xl=4.8r，即光电二极管距液滴滴落中心线的距离应大于4.8r。实际制作中，综合考虑可靠性和灵敏性等因素，并通过实验，发光二极管和光电二极管之间的距离定为40mm，即光电二极管距液滴中心线的距离为20mm[7]。

为了能准确检测液滴，需要解决以下问题：

（1）红外发射管S。为了避免红外发射管的光太强或太弱而不利于检测，可通过调整R1使红外发射管工作在2mA的电流下。

（2）红外接收管T。如果静态工作点电压过低会导致液滴信号过小，过高会产生电路饱和，均不能对液滴信号进行检测。综合考虑信号大小和静态工作点的稳定性，通过调整R2将静态工作点设置为3V[8]。

（3）输入耦合电路。在液滴有无两种情况下引起检测电路的电压变化为0.4～0.6V。虽然静态工作点的电压设置为3V，但它会随温度、供电电压等的影响而变化，即使有较小地变化也会影响到液滴信号的采样，因而，采用电容C0耦合来得到电压的实际变化量。

1.3 数字信号处理单元

数字信号处理单元由电压比较器、滤波去抖电路组成。

（1）电压比较器。由液滴检测电路的输入耦合电路得到的变化电压输入到电压比较器的输入端，通过和参考电位比较后在输出端接上拉电阻后输出。这样液滴的有无就变成了电压比较器输出端的电平跳变，为后面输入单片机的中断输入口提供了有用信号[9]。

（2）滤波去抖电路。因为液滴是处于运动状态，通过光电传感器时电路会有一定的抖动脉冲产生，当用下降沿作为中断触发信号时，抖动的脉冲信号会产生产生严重干扰，主要表现为：当1滴液滴经过显示电路时，会显示4～5滴。很明显，抖动脉冲对液滴检测的影响还是非常大的。为此，本设计采用555芯片及其外围电路组成滤波去抖电路，以减少抖动信号的干扰。一般1滴药液经过红外光对管的时间大概为20ms，所以，555芯片输出的信号延时在20ms左右就可以滤除干扰。实验证明，滤波电路有效地降低了此干扰[10]。

1.4 报警电路和显示电路

报警指示单元由报警电路和指示电路2部分组成。报警电路由“滴速违规”发光二极管、“药液用尽”发光二极管、蜂鸣器和限流电阻组成。“滴速违规”用来警示输液滴速跟设定的滴速不符；“药液用尽”用来警示传感器已经检测不到液滴了，提醒护士及时处理。指示电路由“电源指示灯”发光二极管、“液滴同步指示灯”发光二极管及对应的限流电阻组成。“液滴同步指示灯”可以检验监控系统检测到的液滴是否和实际的液滴保持一致。

显示器采用LED显示床位号、实时滴速等信息。

2 软件系统

2.1 系统软件的总体设计

输液监控仪软件系统主要包括：主程序、系统自检模块、显示模块、液滴检测中断服务模块和定时器中断服务模块。系统流程，见图4。这样的分类也和硬件的设置相对应。

输液远程监控系统的核心是单片机，而软件是单片机控制系统的关键，一个单片机控制系统的功能实现和可靠性在很大程度上决定于软件。本系统的系统软件设计的重点:

（1）INTO中断处理程序， 主要是对液滴信号进行计数。

（2）4s定时判断和现场报警程序，用于无液滴滴下和液滴过快或过慢时报警。

（3）主模块框架的构建，关键是微处理器资源的合理分配和使用。

图4 程序流程图

2.2 系统各软件模块的设计

整个下位机监控系统程序由2个子程序模块和1个主控程序模块构成。主模块管理其他2个子模块。

2.2.1 主模块

主模块是核心，主要管理各子模块，以及对数据缓冲区和串口部分的初始化。本设计的初始化部分包括以下功能：① 外部中断“0”设置。系统中，当有液滴滴下时，会产生一个数字脉冲，就会在单片机系统中产生一个外部中断0，系统在该中断计数时，需要开启外部中断0，并将其模式设置为电平触发模式，使用于计数的R4寄存器的清零。② 定时中断“0”设置。把定时/计数器0设置在定时的功能。

2.2.2 液滴计数模块

该模块中主要利用单片机的边缘检测功能，对前面由红外传感器采集并经数据处理电路转换过来的数字信号进行下降沿检测，当有液滴滴下时，光电传感器就会检测到液滴信号，形成一个不规则的负脉冲，这个脉冲信号通过转换电路后输入到单片机的INTO，引发中断。这样，只要对INTO的中断计数就相当于对液滴计数。当有一个外部中断时，就对R4进行加1，这样就实现了对液滴的计数。

2.2.3 报警模板

查询液滴有无及液滴过慢时的报警模块程序设计，主要是通过4s定时中断来实现的。就通过判断4S内R4的值是否变化，来判断在这4s的时间间隔内是否有液滴滴下，当R4的值有变化时就说明4s内有液滴滴下，这时计算4s内的液滴平均滴速，进行显示，并和事先设定的滴速上下限进行比较，如果超限，即报警。当判断出R4的值没有任何变化，就说明4s内没有液滴滴下，说明药液可能用尽。报警标志位置1，驱动发光二极管和蜂鸣器进行声光报警。

3 总结和展望

该系统经过试用，输液滴速监视器的测量误差为±2滴/min，报警及时可靠，能够满足医护人员对临床输液滴速监视的要求。系统简单易用、准确可靠、成本低廉，能基本满足医院的需求。目前，医院的普通病房和输液观察室还很少使用输液监控设备，如果有一种可以接受的低成本、可靠易用的输液监控系统，其应用前景将不可估量。

[1] 邹婕,王红.静脉输液每毫升相当滴数的实验研究[J].中国实用护理杂志,2006,22(6):55-56.

[2] 张爱华,朱亮.医用输液液位实时监测系统在康复护理中的作用[J].中国临床康复,2003,7(20):2820-2821.

[3] 王紫婷,王瑞峰,严天峰.智能液体点滴速度监控仪[J].自动化与仪器仪表,2004,(5):48-50.

[4] 邓重一.光电开关原理及应用[J].传感器世界,2003,(12):19-20.

[5] 马剑峰,王丽,马絮飞,等.液滴红外光电自动检测计数器的研制[J].实验室研究与探索,2008,27(6):64-66.

[6] 孙伟民,王小力,张志林,等.利用折射光场分析液滴中光传播规律[J].光学学报,2008,28(7):1257-1261.

[7] 周庆利,等.基于BIS指数的麻醉给药系统研究设计[J].中国医疗设备,2010,25(5):27-30.

[8] 孟会玲,骆海涛,高岩.基于模糊控制算法的智能液体点滴速度监控系统[J].电子工程师,2007,33(11):67-70．

[9] 陈宇,王玺.基于光电技术智能输液监控系统设计[J].核电子学与探测技术,2009,29(5):1149-1154.

[10] 杨欣宇,刘正亮.基于AT89C51的液体点滴速度监控系统的设计与实现[J].齐齐哈尔大学学报,2005,21(6):55-57.

Research on Real-time Monitoring System for Medical Infusion

XIAO Zheng, LIU Jun-song,WANG Lei, ZHANG Yi-nan
Information Department, Naval Convalescent Zone, Hangzhou Sanatorium of the Nanjing Military Command, Hangzhou Zhejiang 310002, China

Objective To measure infusion drip rate and liquid level during intravenous infusion. Methods A monitoring system based on MCU and infrared sensor was designed to detect drops of infusion fluid. Results This system can measure infusion drip rate accurately and has alarm function for rate and level. The error is ±2drops/min.Conclusion This system is cheap, accurate, reliable and easy to use. It not only reduces the burden of patients and nurses, but also promotes integrated management of ward.

real-time monitoring system for medical infusion; infusion apparatus; infusion; drip rate measurement; infrared sensor

TP274+.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.11.005

1674-1633(2011)11-0019-03

2011-06-16

2011-07-13

作者邮箱：candy_xz@yahoo.com.cn