静脉输液报警装置中液位信号的检测原理

李文静 商丘医学高等专科学校 （商丘 476100）

0.前言

静脉输液是常用的医疗手段，通常药液余量由患者家属或护士时时监视，以确定输液是否结束，耗费了大量的人力、精力；另外，一旦人为疏忽，当药液输完时，未及时进行处理，容易造成患者血液回流等意外，严重时造成医疗事故。输液监视报警装置的开发和临床应用，能减轻护理人员的劳动强度，提高患者及家属的安全感，使输液安全得到保障[1]。

目前，输液监视报警装置能实现对药液液位、滴速、液温等方面的监测、报警、显示，本文侧重分析液位检测原理。

1.光电式液位检测

光电式液位检测是通过红外、激光、光纤等 光电检测器件接收强度有变化的光辐射，将相应光信号转换为电信号，再由输入、放大、整流、滤波、比较等光电检测电路提取、控制有用信号，是一种非接触测量液位的技术，可实现无污染的静脉输液液位检测。

1.1 红外传感器检测

1.1.1 位置

红外光电传感器[2]由红外发光二极管和红外光敏二极管构成，将它套在输液管的茂菲氏滴管的中部外侧。

1.1.2 原理

利用药液滴对红外线的“遮挡”红外接收管的电位变化的原理，检测是否有液滴经过。实验证实，当无药液滴下时，接收的红外光强度较强，输出电平为高电平；当有药液滴下时，由于液滴对红外线的折射、吸收等作用，接收管接收到的红外光强度减弱，输出为低电平。在输液过程中，报警电路根据液位端口电平的变化就可检测有无液滴滴落，并通过声、光信号提醒医护人员对病人进行相应处理。

1.2 激光传感器检测

图1.

1.2.1 位置

激光发射装置与光敏二极管构成液位检测装置，置于输液瓶两侧[3]。当然也可采用光敏三极管，它比光敏二极管灵敏度高。

1.2.2 原理

由于液体与空气的折射率不同，使得同一光源的光在有、无液体时产生不同角度的折射[4]，根据光接收元件接收的光信号的强、弱来判定药液是否在设定液位之下，若在设定液位处瓶中只有空气，则进行报警提示。

如图1，使激光与输液瓶横截面平行入射，取某一高度的输液瓶横截面进行观察，当激光射入无液体的输液瓶液位时，由于激光的直线传播，接收端的光敏二极管可以接收到强光照信号；当激光射入有液体的液位时，输液瓶与液体形成了一个凸透镜，激光发生折射，光路改变，而使光敏二极管接收到的光照强度大大降低。光电电路会根据信号的突变情况进行处理，确定瓶内液位变化并报警。

1.3 光纤传感器检测

1.3.1位置

光纤传感器放置在图2所示位置[5]

空气折射率约为1，若透明药液折射率为n，θ为液面全反射临界角，则根据

光纤传感器使入射光线在液面处的入射角大于θ，发生全反射现象。

1.3.2 原理

图2.

2.电容式液位检测

2.1 位置

用两个一定面积的铜片作为电容器的两极，贴在塑料夹子的内侧，制成电容式液位传感器，输液时将其夹在想要检测报警的药瓶液面的部位[6]。

2.2 原理

实验证实[7]：两个铜片间电容与液位成正比，并且当传感器几何参数确定以后，两铜片电极间单位长度电容量仅取决于介质的介电常数，因此，检测瓶内药液的有无，可依据瓶内液面检测部位的相对介电常数变化来判断。

输液时，药液液面未下降到传感器所在检测部位，电容式传感器检测的是药液的（介电常数约为80)相对介电常数；液面降至检测部位时，传感器检测的是药瓶内空气或真空的（介电常数约为l）相对介电常数。传感器会以两铜片间的电容变化为依据[8]，将介电常数的变化转换成相应的液位变化信号，并驱动声、光报警装置，提醒护士处理。

3.超声波传感器检测

3.1 位置

超声波传感器由发射传感器和接收传感器构成，将其放置在输液瓶底部，如图3所示。

3.2 原理

利用超声波进行液位测量时，主要采用脉冲回波法[9]。即当发射传感器发出超声波脉冲，经空气传播，传到液面时，超声波被反射，接收传感器接收反射波，引起压电晶片振动，产生电信号，电信号经放大、检波后进入单片机，由单片机测算从发射到接收超声波所用时间t ，根据其传播速度v，就能得到从传感器到液面之间的距离S，再根据传感器的安装高度H，就可得出液位高度L。由图3可知，液位高度L=H-S

图3. 超声波检测液位高度原理图

4.力学原理检测

4.1 位置

装置如图4所示。

采用纯机械装置[10]，重力作用在滑轮组的大圆上，弹簧作用在滑轮组的小圆上，为减少滑轮转动时转轴与固定装置之间的摩擦力矩对实验的影响，转轴内嵌钢珠，利用滚动摩擦替代直接将转轴穿孔固定的滑动摩擦。

4.2 原理

图4.

利用力学原理[11]实现液位检测。用同轴滑轮组放大输液系统的重力变化量，并将重力变化量转变为弹簧形变长度的变化量，再次利用滑轮，将弹簧形变长度变化量转变为滑轮转过的角度，最后，通过测量滑轮转过的角度θ测量输液瓶内液体体积V。

输液液位可以用液体体积来反映，推理过程如下：

①式中G为液体重量，ρ为液体密度

力矩平衡公式GR=Fr.......②

②式中R、r为大、小滑轮的半径，F为弹力

由胡克定律知，F=kx.......③

③式中x为弹簧受力伸长量

5.图像传感器检测

5.1 位置

CCD摄像机和输液瓶平行，光线配置良好，以便采集到的图像清晰、噪声少。

5.2 原理

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，用CCD摄像机采集输液器液位图像经数字化，然后利用计算机软件进行图像处理和分析，获得效果好且易于识别的输液器液位边缘图像，利用液位边缘投影识别法得到精确的液位边缘信息，最后根据系统的要求进行无液判别[12]。

6.小结

从静脉输液报警装置中液位信号检测原理的分析看，液位的变化可用与之相关量的变化来反映，即光电式、电容式、超声、力学、图像液位检测方法中，分别用光强度、电容器介电常数ε、超声传感器与液面的距离S、滑轮转过的角度θ、液位边缘图像等物理量的变化来反映液位信息，再将信号传送到后续报警电路实现自动报警。

目前，学术研究中已实现对药液液位、滴速、液温等的监测、报警、显示，静脉输液报警装置的临床意义是肯定的，但临床应用还不普及。因此，还应结合临床实际，一方面为保障输液安全，要能保证可靠报警；另一方面还应具备以下特点：1)外观小巧，简单宜学，操作简便，利于医护人员实际工作。2)安装布线不能太复杂，输液报警装置既可单独使用，也可配合医院护理对讲分机使用。3）成本不能过高，易于推广到社区诊所、乡村医院等小型医疗场所，更贴近实际生活，使更多人受益。

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