智能输液系统的研究与开发

【作 者】李君羊

西北工业大学计算机学院，西安市，710129

0 引言

一次性输液器在临床上属使用量大、使用面广的医疗器械。现有的一次性输液器需要人工看护，药液到达液末状态时必须人工通知医护人员进行相应处理，否则可能造成严重后果[1]。

本文研发了一种免看护的智能输液器，具有液末报警及自动上流功能。它是在原有一次性输液器基础上进行设计的，当输液器中的药液达到茂菲氏管底端时，触发报警提示系统，同时输液器药液自动止流，报警信号经无线传输网络传送给相关医护人员，接收信号者根据具体情况做出应答，信号提示及应答结果形成数据记录至数据库，以便后期查阅。

系统设计主要分为三个部分：一是改良传统的一次性输液器为自动止流输液器；二是采用霍尔传感器与磁性浮球共同作用形成液末报警系统以及无线传输网络的设计；三是建立数据库管理系统。

1 新型一次性输液器的设计

新型输液器在通用型一次型输液器的茂菲氏滴管内加入一磁性浮球，并将茂菲氏滴管内下管口设计成锥形，在茂菲氏滴管外底端设计一塑料卡口。输液开始时，将封装好的霍尔传感器插入塑料卡口中。

输液器工作过程如图1所示，在正常的输液状态下，浮球始终悬浮于药液表面，如位置a所示；当茂菲氏滴管中的药液减少，磁性浮球到达设定报警位置b时，浮球内的磁性体与霍尔传感器相互作用发出液末报警信号；当药液继续减小至极限位置c时，浮球与锥形口无缝隙结合，药液止流，防止空气进入到下输液管内。

图1 输液器工作过程结构图Fig.1 Infusion work process diagram

1.1 滴管的设计

茂菲氏滴管和输液管采用的材料都是聚氯乙烯(PVC)。与普通的一次性输液器不同的是将茂菲氏滴管下管口设计成圆锥形。输液管的外径、内径尺寸如图2所示，滴壶的壁厚为1 mm，外体积为12 cm3，把茂菲氏滴管近似看成圆柱形，则可知茂菲氏滴管的直径约为18 mm。在滴管的下端设计一个传感器插槽，其尺寸如图2所示，其尺寸参照传感器封装设计(1.3节)而得。

图2 锥形滴管尺寸Fig.2 Conical dropper size

1.2 浮球的设计

图3 浮球的设计Fig.3 Float ball design

浮球设计成由聚丙烯(PP)制成的空心小球，PP为结晶型高聚物，且耐化学性好，产品质轻、韧性好。内部嵌入磁性体，其构成如图3所示。于小球的内部下方，相对两磁体最长距离为7 mm，如图3(b)所示，其外表面为N极，内表面为S极，这样可以保证N极始终处于外部，其磁力线与锥形外表面垂直，可以保证传感器感应的磁场强度最大。

浮球在输液器液末报警及自动止流系统中的作用有：随着浮球与传感器的距离接近，磁感应强度增大，当药液接近于茂菲氏滴管的设定位置时，触发霍尔传感器，产生报警信号，即为液末报警；当药液继续下降时，浮力减小，浮球下沉挡住下管口，自动截止药液继续流动，即为自动止流。

(1)浮球直径的设计

浮球为厚度1 mm的PP塑料材质空球。在输液过程中，小球任意漂浮于液体表面，这是因为小球受到向上的浮力。设计浮球半径为5 mm，得出浮球质量m浮球=m空心球+m磁体×4=0.05+0.075×4=0.35 g。由漂浮定理可知当浮球悬浮时有m浮球=G，即ρ液体gV排=mg，如果所输液体为盐水，已知 ρ盐水=1.33 g/cm3，得V排=0.26 cm3，而浮球体积V浮球=0.52 cm3，V浮球=V排，所以，浮球可漂于液体中。

(2)磁性体设计

磁性体为由钕铁硼制成的强磁性圆柱状磁铁，其横截面直径为4 mm，高为1 mm，将四个磁性体均匀放置在空心球内表面，与水平面成30o角的位置，固定

1.3 霍尔传感器封装设计

一般情况下，为了达到最好的排气效果，茂菲氏滴管中的药液液面高度通常到滴管的2/3处。

本文对茂菲氏滴管做了特殊设计，即滴管下端口处设计一种圆锥形漏斗，当液面高度为9 mm时，发出报警信号提示医务人员，此时浮球磁铁与传感器关系如图4所示。

选取磁铁的其中一条磁力线GK作为研究对象，GK就是磁铁与传感器的动作距离。由图可知，BE为磁铁斜面长为4 mm，CB=3.5 mm，CD=2 mm，∠BEL=30o磁铁的斜面延长线交OH于点F。由直角三角形的关系可得FH=FI+IH=5.305 mm。

过点F作HK的垂线交点J，可知FJ就是磁铁与传感器的动作距离，那么在三角形FHJ中，FJ = FHcos30o= 4.594 mm，所以GK = FJ = 4.594 mm ≈ 4.6 mm。由于3144霍尔传感器的最大感应距离为5 mm，所以报警距离可行。

图4 传感器位置确定Fig.4 Determine of sensor location

3144霍尔元件长4 mm，宽3.1 mm，高1.5 mm。由于3144霍尔传感器的最小感应距离为5 mm，故封装时传感器正面与长方体表面距离应小于等于0.4 mm；为使传感器插拔方便，封装时尾部应多出6～7 mm，封装体长最少10 mm。故设计封装体为长10 mm，宽5 mm，厚2 mm的长方体，且材质为强硬度的PP材料。

在每个输液器茂菲氏滴管的下端设计一夹口位置槽，当输液器工作时，将传感器插入位置槽处，固定在输液管上，1.1节已经详细介绍，不再赘述。

2 输液器液末报警系统及无线网络通信的设计

2.1 输液器液末报警系统的设计

一个液末报警采样单元同时可以检测8～16路茂菲氏滴管检测单元。液末报警采样单元的组成为单片计算机、磁性浮球检测传感器、按键及按键提示（led闪烁）和RS485总线或无线通讯模块等。

处理器采用AT89S52单片机，系统晶体振荡器频率选型为11.0592 MHz。3144传感器组对电平的升降比较敏感，为了保证系统辨识的正确性，单片机端口与传感器采用一一对应的方式扫描器电平的变化。当得到床位信息时，单片机采用485通信，将液末信息发送给护理终端[2-4]。

这里假设有8个床位，当床位增加时，可以利用串联74HC164和74LS166来扩展满足需要，操作方便，容易实现，而且处理器留有端口连接3144。此外，软件更改也容易。

2.2 无线传输网络通信的设计

采用无线模块ZigBeeCC2430建立无线网络，是基于IEEE 802.15.4协议而建立，因而具备了强大的设备联网功能。智能输液监控系统应用于医院的住院部，通常一个医疗监护室负责管理至少一个楼层的病房。住院部病房区域覆盖范围较广，横向跨度至少在100 m以上，而ZigBee技术点对点无线通信的标准距离是 70 m，由于建筑物障碍因素，信号的有效传输距离将会更短，故智能输液监控系统的无线网络采用树状拓扑结构[5-6]。

图5 护理中心硬件电路原理图Fig.5 The schematic of hardware circuit in Care center

护理中心所处ZigBee模块硬件电路图与报警呼机外围器件大致相同，这里只给出硬件框图来说明问题。如图5所示，护理中心节点模块作为中心节点，通过串口设备SIP2332与护理中心处理机PC进行通讯，当串口接收到报警信息后，将其处理判断信息需要处理的范围节点，通过无线模块向其发送报警信息。并将处理结果进行存储。

为杜绝处理中心无人值守时，报警信息无法得到回应情况的发生，在信号处理中心设计无线网络传输系统，为相关医护人员配备小型收发终端（以下简称“报警呼机”）。当有液末信号到达信号处理中心后，将该信号发射至预先设定的相关医护人员报警呼机上，报警呼机上显示患者相关信息，医护人员根据自己情况回应是否前去处理该信号，同时数据库显示处理该信息的人员及时间。

报警呼机由医护人员随身携带，因此设计报警呼机应实现电池供电、短距离无线通讯、液晶显示和声光提示等功能。采用无线模块ZigBeeCC2430可实现报警呼机的功能。ZigBeeCC2430采用增强型8051内核，端口资源丰富，具备短距离通讯ZigBee协议栈的所有功能，CC2430内部集成电路的设计采用低功耗设计。CC2430芯片内部集成了大量功能模块，外部电路只需连接极少的元件则可运行。由于CC2430电源电压为3.3 V，而且具有低功耗的特点，故只需安装3.6 V电池，采用低功耗电压转换模块稳压到3.3 V。液晶LCD选用低功耗模块YM12864D。

3 系统软件设计

3.1 液末报警软件设计

每个病房设置一个单片机采样单元，用以采集该病房内的液末报警信号，并确定哪一个床位输液即将完毕，需要护理人员。其具体流程如图6所示

图6 液末报警采样单元流程图Fig.6 Flow chart of sampling unit for Liquid end alarm

单片机上电初始化，经过扫描传感器对应端口，由2.2节硬件可知，端口P1.0～P1.7分别对应床位1～8号。按键组同样代表不同床位的呼叫。发现电平变化，即由液末报警信息时，确定其床位号，将其床位信息，发送给护理中心。护理中心做出相应的处理。

3.2 无线通信软件设计

护理站所处单片机上与PC机相连，用于上传信息数据，例如信息产生的时间、床位、处理人员等。下连ZigBee模块，作为网络协调器，用于信息的发送、处理完毕的传输。其网络协调器工作流程图如图7所示。

图7 网络协调器流程图Fig.7 Flow chart of network coordinator

医护人员携带的报警呼机有自己的识别码，护理中心的管理计算机根据输液器液末报警系统的信息，通过ZigBee无线通讯网络通知相关的报警呼机。报警呼机利用声光报警提示医护人员。医护人员观察报警呼机的液晶显示器，得知需要换液的病人所在的病室、床位。医护人员根据自己的情况做出决策并对护理中心做出应答，例如：处理、忙等。其软件流程图如图8所示。

4 数据库管理系统

为了方便实现输液的智能监控，同时也是为了方便医务管理，医疗输液监控中心的计算机系统需建立一个信息数据库[7]。数据库中录入输液病人的基本信息，包括姓名、床位、输液清单和输液时间等。软件系统提供信息查询和输液报警功能。到了病人输液时间或者输液即将完毕，系统自动提醒医务人员，并完成记录更新。

本文选用Microsoft SQL Server 2000开发软件，管理系统界面设计简单、醒目，具有报警和自动弹窗功能。当接收到输液终端报警信号，系统自动弹出窗口，指示出房间及床位号信息，方便医务人员前往处理。此外，系统具有预警示功能，到了输液时间，系统自动提醒医务人员，从而大大减少了医护人员的工作强度。

图8 报警呼机软件流程图Fig.8 Flow chart of alarm pager software

5 结论

本文从免看护智能输液系统出发，通过对3144型霍尔传感器的原理及其应用进行了详细的研究，提出了磁性浮球式传感元件的智能监控系统，并且利用Zigbee无线网络收发模块进行信息的无线传输，建立了网络管理数据库，在降低医务人员的劳动强度的条件下大大提高了监护质量。随着电子计算机在各行业应用的普及，医疗管理的数字化、网络化水平的不断提高，本系统的成功研制，期待在医疗机构得到广泛的应用。

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