输液实时监护系统实验设计与实现

唐　璐, 田传耕, 吴　响, 缪海兵

(1. 徐州医学院 医学影像学院, 江苏 徐州　221004；2. 徐州工程学院 信电工程学院, 江苏 徐州　221018)



输液实时监护系统实验设计与实现

唐璐1, 田传耕2, 吴响1, 缪海兵1

(1. 徐州医学院 医学影像学院, 江苏 徐州221004；2. 徐州工程学院 信电工程学院, 江苏 徐州221018)

为了提高医学类院校工科学生科研创新能力,实现医学和工学的结合,开发了一种输液实时监护实验系统。该系统以微控制器STC89C52为核心,利用称重传感器对输液瓶及瓶内药液进行实时重量检测,采用近距离无线通信技术,实现数据的转发、自动报警、监测和显示。学生自主设计完整的系统,提高学生对专业知识与技能的综合运用能力、自主学习能力以及工程实践创新能力。

输液装置； 实时监护系统； 微控制器； 实践教学

静脉输液是医院对患者进行临床治疗的常用手段之一[1-2]。因输液时间较长,常有患者在输液过程中熟睡,未及时发现药液已输完[3]。对于病情严重、用药复杂的患者,医护人员必须时常观察输液状况,既费精力、效率又不高。

为此,结合临床医学实际进行实验产品开发,综合医学、物理学、工程学等方面的知识,运用单片机原理[4]、医用传感器[5]、数字信号处理、无线传感网技术[6-7]、Delphi软件开发[8]、数据库原理[9-10]等的相关知识,设计了一种输液实时监护系统。该系统设计实现了课程知识的交叉应用,既体现了专业特色、贴近实际应用,又具有一定的探索性、综合性,同时培养学生的创新意识和科研能力。

1　实验设计方案

本系统主要由输液终端、中继节点、网关、监护终端等几部分组成。

1.1输液终端的开发设计

在输液终端的开发设计中,学生需要运用单片机技术、传感器技术、数字信号处理技术,其主要功能有:

(1) 通过称重传感器对输液瓶中药液重量实时进行信号采集,将采集的信号放大,最后进行A/D转换,并实时显示在液晶显示屏上；

(2) 通过按键可以选择输液的容量,以适应不同输液容量需求；

(3) 在输液过程中,患者如有需要,可自行按住按键呼叫医护人员；

(4) 输液中能够计算出已输液的百分数和剩余时间,输液即将结束时,系统能够准确识别并报警。

1.2中继节点、网关的设计

将输液终端的信息通过近距离无线多跳转发方式发送给网关。网关收到数据后通过以太网总线立即将其发送到监护终端。学生需要掌握无线传感器网络、Contiki操作系统的相关知识。在实验中,教师提供通用协议来配合完成,学生只需要按照提供的通信协议便可实现中继节点、网关的功能。该功能经过适当的变换和扩展,还可以用于其他课程设计或实验中。

1.3监护终端负责汇聚网关发送的信息

监护终端负责把输液终端的信息存入数据库,并进行实时显示。监护终端上位机人机交互界面采用Delphi开发,使用SQL Server建立数据库,进行数据的添加和删除。学生需要对Delphi编程语言有深刻的理解才能完成上位机软件编程。考虑到学生掌握程度的差异,不固化人机交互界面,开放交互界面全部代码供学生学习,以便开发各种人机交互友好界面,提高学生的创造性思维。

2　实验硬件设计

2.1输液终端

输液终端以单片机为核心,包括压力传感器、处理模块(放大、模数转换)、液晶显示模块、按键、声光报警

器和无线模块。输液终端的硬件结构如图1所示。输液终端以单片机STC89C52为核心,利用压力传感器对输液瓶及液体进行重量检测,产生电压信号并输入LM324放大器进行放大,输出的放大信号再送到ADC0804，将模拟信号转换成数字信号(A/D转换)。单片机接收传来的二进制数字信号并用液晶1602显示出来。CC2430完成数据的采集并利用自身的RF收发机将数据发送出去。

图1　输液终端结构图

图2　ADC0804连接电路

(2) 液晶显示模块。考虑到输液液体容量设定值、输液完成的百分数及剩余时间等要能够及时显示出来,采用了1602液晶作为显示界面。1602的1、2端为电源,为防止直接加5 V电压烧坏背光灯,在背光电源正极串连一个10 kΩ的电阻用于限流。液晶3端通过一个10 kΩ电位器接地来调节液晶显示对比度。液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端,接单片机的P3.1口。液晶5端为写状态,即低电平接地。液晶6端为使能端,接单片机的P3.0口。液晶显示模块电路图如图3所示。

图3　液晶显示模块电路图

(3) 无线模块CC2430。输液终端的无线模块采用TI公司的CC2430芯片,完成无线数据的发送和接收。CC2430工作电压在2.0～3.6 V范围内,一般为3.3 V的电压,而从单片机传过来的电源电压为5 V,不能直接连上CC2430,采用光耦连接。

2.2中继节点、网关

中继节点和网关节点负责输液终端和监护终端之间无线数据转发的通信。中继节点主要组成部分有无线收发模块和电源模块。中继节点的无线收发模块也选用TI公司的CC2430。考虑到医院有插座,采用有源供电。

网关主控芯片采用TI的CC2530。该芯片除了具有51内核外,还自带基于IEEE802.15.4协议的无线通信协议模块[11],集成度较高且运行稳定。网关软件采用Contiki操作系统并采用配套的6LoWPAN协议栈[12]。6LoWPAN是一个针对近距离无线通信的轻量级TCP/IP协议栈,能够保证服务器和监控终端之间数据的透明传输。

3　实验软件设计

输液终端上电后先进行硬件的自检和初始化,包括按键、重量传感器采集电路、液晶显示器和无线收发模块。若自检不能通过,将给出对应的提示信息,方便使用和维护。自检和初始化顺利完成后,程序将根据设定值配置该次输液的药液容量并计算、显示输液的重量值,同时将数据显示在1602上。程序将根据当前输液状态或按键状态进行判断,确定是否需要报警。当需要报警时启动报警指示并将警报信息向监护终端发送。输液终端程序流程如图4所示。

图4　输液终端程序流程图

输液时,利用单片机中的定时器/计数器进行系统计时。单片机内部共有3个16位可选编程的定时器/计数器,即定时器T0、定时器T1和定时器T2。程序中使用单片机定时器T0的16位计数模式,实现计时。主要程序如下:

TMOD=0x01; //设置定时器T0,为16位计数模式

TH0=(65536-45872)/256;//装初值,50ms一次中断

TL0=(65536-45872)%256;

EA=1;//开总中断

ET0=1;//开定时器T0中断

TR0=1//启动定时器T0

void T0_time() interrupt 1

{

TH0=(65536-45872)/256;

TL0=(65536-45872)%256;

numt0++;

if(numt0==20)//1s到了

{ numt0=0;

numt++;

if(numt==60){//1min到了

t++;

numt=0;

}}}

其中“t”即是输液已用的时间,单位为min,将“t”的数值实时显示在1602液晶上。

1602液晶控制内部设有一个数据地址指针,用户可以通过它访问内部的全部80 B的RAM。液晶显示主要考虑:(1)确定是写数据还是写命令:写命令包括使液晶的光标显示/不显示、光标闪烁/不闪烁、需/不需要移屏、在液晶的什么位置显示等,写数据是指显示什么内容；(2)读/写控制端设置为写模式,即低电平；(3)将数据或命令送至数据线上；(4)给一个高脉冲将数据送入液晶控制器,完成写操作。主要程序如下:

//对1602液晶显示的设定

write_com(0x38); //设置16*2显示,5*7点阵,8位数据接口

write_com(0x0c); //设置开显示,不显示光标

write_com(0x06); //写一个字符后地址指针加1

write_com(0x01); //显示清0,数据指针清0

write_com(0x80); //将数据指针定位到第一行第一个字处

//写数据,进行显示

for(num=0;num<12;num++)

{

write_data(table1_0[num]);

delay(3);

}

当写第二行时需要重新定位数据指针:write_com(0x80+0x40)。

4　实验实现

输液终端实物如图5所示。通过液体容量按键1来设定输液的容量,液晶也显示相应的设定值。这部分是通过按键检测来实现的。每按一次按键,容量值按100 mL、150 mL、200 mL、250 mL、300 mL、350 mL、400 mL、450 mL、500 mL循环显示。容量选择显示在第一行,液晶显示器的第二行“092”指的是此时传感器测得重量值,“097%”指的是输液完成的百分数,最后一个数“003min”表示的是此次输液完成还需要的时间。输液过程中,如患者出现不适或其他情况,可以及时按下呼叫按键“2”呼叫护士,此时蜂鸣器发声。当输液完成时,系统检测到信号自动发出报警。

图5　硬件实物图

监护终端上位机与网关通过串口通信,数据通过数据库SQL Server 2010进行存储。上位机人机交互界面采用Delphi开发,包括编号(ID号),输液总量,剩余时间以及工作进度情况,绿色代表正在输液,红色代表输液即将完成,护士可以一目了然地监护各输液过程的状态,如图6所示。

5　结语

本实验将单片机、医用传感器、数字信号处理、无线传感网、Delphi软件开发等技术知识综合起来,结合临床应用,使学生对相关理论知识及工作原理有清晰和较完整的认识,对研制开发过程有系统的了解和掌握。本实验有助于激发学生的潜能及学习兴趣,增强自信心和成就感,使学生的实践能力得到提高。本实验可安排在大三下学期电子课程设计中,还可通过减小输液终端的体积、及时使用速度更快的无线收发模块、降低无线模块的功耗完善系统,提高系统的易用性等,为本科毕业设计打下坚实的基础。

图6　报警监护上位机人机交互界面

References)

[1] Pittet D,Panesar S S,Wilson K,et al.Involving the patient to ask about hospital hand hygiene:a National Patient Safety Agency feasibility study[J].Journal of Hospital Infection,2011,77(4):299-303.

[2] WHO.10 Facts of Patient Safety [EB/OL].(2009-09-15)[2015-07-28].http://www.who.int/features/factfiles/patient_safety/patient_safety_facts/en/.

[3] 张玉.无线通讯式输液监控系统的设计[J].制造业自动化,2012,34(3):136-139.

[4] 周润景,徐宏伟,丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京:机械工业出版社,2010.

[5] 陈安宁.医用传感器[M].北京:科学出版社,2010:1-80.

[6] 徐冬冬,郭薇,葛小宇.无线输液报警系统设计[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2013,5(6):548-552.

[7] 颜盛银,单鸣雷,朱昌平,等.无线传感器网络实验系统开发[J].实验技术与管理,2013,30(2):58-61.

[8] 何定华,易海胜.Delphi程序设计基础教程[M].北京:清华大学出版社,2008.

[9] 严冬梅.数据库原理[M].北京:清华大学出版社,2011.

[10] 何玉洁,数据库原理与应用教程[M].北京:机械工业出版社,2011:1-100.

[11] 杨松,胡国荣,徐沛成,等.基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现[J].计算机工程与设计,2013,34(11):3840-3844.

[12] 朱晓荣,李凤国.基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J].信息通信技术,2013(3):66-70.

Design and realization of experiments by using transfusion real time monitoring system

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Wu Xiang1, Miao Haibing1

(1. School of Medical Imaging, Xuzhou Medical College, Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

In order to improve the scientific and technological innovation ability of engineering students in medical colleges, a kind of real time monitoring system for transfusion was designed. This system based on microcontroller STC89C52 leverages the gravity sensor to monitor the weight of the transfusion bottle and the rest medicine by short-range wireless communication technology, so as to implement data forwarding, automatic alarm, monitoring and display. Students can independently design and complete the system, improve their comprehensive ability to use professional knowledge and skills, self-learning ability and engineering practical innovation ability.

infusion set; real time monitoring system; microcontroller; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.039

2015- 08- 06

江苏省科学技术厅产学研联合创新基金项目(BY2014033)；徐州市科技计划项目(KC15SH013)

唐璐(1982—),女,江苏徐州,硕士,讲师,主要从事生物医学工程教学科研工作.

E-mail:xztanglu@163.com

TP393

A

1002-4956(2016)3- 0154- 05