智能输液系统的设计

侯明扬，张铄，熊威，历周，韩帅，李喆

1.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.中国医科大学 公共基础学院，辽宁 沈阳 110122；3.南方医科大学珠江医院 普外科，广东 广州 510280

引言

静脉输液在临床应用广泛，几乎涉及医院所有科室。目前临床输液基本都采用输液瓶或输液袋加带茂菲氏管的一次性输液管路，借助液体自重和大气压力将药物输入患者体内。此种输液方式虽简便易行，但存在以下缺点：输液温度随周围环境温度一致、高低不可调节；输液速度靠机械式的滑轮压缩输液管调节，调节精度较差且可靠性不足。近年来,随着麻醉科将体温作为基本监测项目后，发现有60%患者在手术过程中发生了低温，其中30%的患者核心温度低于35℃[1]。人体输入低温的药液可使患者产生手臂凉、麻、痛、周身寒战等症状[2]。近年来大量研究证实，术中低体温可明显导致麻醉药物代谢减慢，引起凝血功能障碍，并增加手术部位感染（SSI）风险[3-4]。而大量低温液体的输入是手术病人体温降低的主要原因之一[5]。尽管术中低体温具有降低机体代谢率、减少集体耗氧、增加组织器官对缺血缺氧的耐受力等潜在优点[6-8]，但长时间及过低的体温可抑制窦房结，导致心律传导异常，心排量减低[9-10]，还可以导致血小板功能受损，凝血激活时间延长，凝血酶活性降低，导致患者凝血功能异常、心血管并发症增加、生理功能紊乱和内稳态失衡进而增加围术期并发症发生率，影响患者预后[11]。当前市场上也有医用输液加温仪器，但种类极少且基本都是国外进口，因其价格昂贵，医院极少采用。针对以上不足，研制出智能输液控制系统，通过该系统解决目前临床静脉输液中存在的问题，并设置报警装置、急停装置以满足输液安全需求，并可以与上位机无线连接。可以提高护理质量，降低操作风险，增加病人舒适度，远程监控病人输液情况。

1 智能输液控制系统的组成和工作原理

智能输液控制系统主要由控制、监测、加热、报警、无线传输等部分组成。整个系统结构框图，见图1。输液开始前，将输液管的茂菲氏管卡在红外滴数检测器中，输液管下段套在输液加热套里，设置病人信息，输液量，最大允许加热温度等信息后，开始输液。输液时，光电对管执行输液滴数采集工作，经过信号处理后以脉冲的形式跟主芯片MSP430交互，形成滴速数据和剩余输液时间的估算值显示在液晶屏幕上。当输液滴速与设置滴速不同时，舵机会自动调节挤压输液管路的松紧，实现控制输液滴速的功能。同时报警灯会对超过每分钟20滴的误差进行LED灯光警报。使用USB电源供给加热系统。采用软材质的套管加热，保证加热的均匀性和管路的活动性。加热开始时，LED加热灯会亮起表示当前系统正在加热。当加热温度达到设置的最大允许加热温度时，加热自动停止，加热灯熄灭。整个系统的输液滴速、剩余时间、加热温度等信息，通过ZigBee传输协议打包传输到PC端，实现远程监控输液状态的功能。

图1 智能输液系统框图

2 硬件设计

2.1 液滴检测模块

液滴检测是利用光电对管采集实现。采集示意图，见图2。光电对管分别卡在输液管的茂菲氏管两侧，并且在液面的上方。经过调制的电源驱动发光二极管发光，产生的光束发射到对面由光敏三极管接收，产生一定的光电流。当有液滴滴下时，液滴会让发光二极管发出的光产生散射，光敏三极管接收到的光强就会减弱，从而产生的光电流就会减弱。液滴反复滴下产生光电流输出脉冲，通过比较电路、放大电路、鉴频电路、整形电路等，得到对应的脉冲信号，将脉冲信号送入到MSP430中进行计数。

2.2 MCU及外围设备

系统硬件设计采用MSP430作为主控制器（MCU）。MSP430系列单片机是采用了精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）结构的16 bit单片机，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

图2 液滴检测模块示意图

MSP430单片机具有超低的功耗，因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有独到之处。首先，MSP430系列的电源电压采用的是1.8～3.6 V电压。因而可使其在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片电流最低在 165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430系列中有3个不同的时钟系统模块：辅助时钟（Auxiliary Clock，ACLK）、主时钟（Master Clock，MCLK）以及子系统时钟（Subsystemmaster Clock，SMCLK）。这3个时钟系统由5个时钟信号源提供，可以只使用1个32.768 kHz的晶体振荡器，也可以同时使用4～32 MHz的高频晶振或内部的3个低功耗振荡器。由时钟系统产生中央处理器（Central Processing Unit，CPU）和各功能模块所需时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制[12-16]。

外围电路主要包括键盘：用来设定输液的初始值及在紧急情况下急停；液晶显示：显示输液的初始值、输液速度及输液剩余量；蜂鸣器及LED：实现声光报警。

2.3 输液速度控制模块

输液速度控制用舵机来实现。控制示意图，见图3。舵机叶片上安装有一个压轴，压在输液管路上。液滴检测模块测得的当前液滴速度与设置的输液液滴速度相比较，若当前速度比设置速度高，舵机反向转动一个单位，将输液管压紧，输液速度降低；若当前速度比设置速度低，舵机正向转动一个单位，将输液管放松，输液速度加快。此外该系统还设置了紧急停止程序，当输液发生意外需要紧急停止时按下急停按键，舵机会立即压住输液管路到最底部，即阻断输液管路，终止输液。

2.4 加热模块

加热方案有两种选择，一种是用固体加热片，卡在输液管的两侧。此种加热方式加热不均匀，而且由于加热位置离人体端较远，加热后热量损失较多且受环境影响较大；另一种是由软式的加热丝，做成加热套包裹式加热。此种加热方式的好处是加热均匀，离人体端很近，受环境温度影响很小。而且由于是软式材质，输液管的活动不受限制。本系统采用第二种方案。若当前温度小于设定加热温度，系统持续加热，加热状态灯点亮。若当前温度达到或者高于设置温度时，加热停止，加热状态灯熄灭。

图3 输液速度控制模块示意图

2.5 无线传输模块

目前使用较为广泛的近距无线通信技术是蓝牙、Wi-Fi和ZigBee。将3种无线通信技术做一个比较，比较内容和参数，见表1。通过对比，我们选择ZigBee协议作为本系统的网络传输协议。

表1 ZigBee与蓝牙、Wi-Fi的对比

ZigBee （IEEE802.15.4）技术是一种短距离无线通讯技术，在2.4 GHz波段工作。ZigBee协议的网络拓扑图，见图4。其巨大的网络容量允许其与254个节点联网，适用于工业监控、传感器网络、安全系统的无线传输工作等。此外，ZigBee技术功耗较低，限制了其较低的极限数据吞吐量。但该技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点非常适合用作本系统的无线传输方式[17-18]。

图4 ZigBee协议的网络拓扑图

3 系统程序设计

3.1 监测电路下位机程序

滴速检测采用定时器捕获的方式，当有液滴时，定时器捕获事件，中断服务函数中变量dn加一。当定时器A到10 s时，dn的值即为10 s内滴下的液滴数，乘以6后即可得1 min的液滴数。监测电路下位机程序框图，见图5。

图 5监测电路下位机程序框图

3.2 滴速控制程序

当得到滴速以后，将实际滴速与设定的滴速进行比较，如果实际滴速过快，则PWM信号占空比减小，舵机反转一个单位，挤压输液管使得滴速下降。反之如果滴速过慢，则PWM信号占空比增大，舵机正转一个单位，输液管恢复滴速上升。如果等于设定滴速，则舵机角度不动。滴数控制程序框图，见图6。

图6 滴数控制程序框图

3.3 加温程序

系统采用5 s取一次（环境）温度t1的工作方式，测温器件采用DS18B20数字温度传感器，该传感器体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高[19]。实际温度的取得采用曲线拟合的方式，通过的大量实验，取得可加热到的最大温度t：

t=6.1163×t1-0.0187×disu-0.3125×t12+0.0051×t13-0.0001×disu2

橘红过得好吗？一个夫离子散的妇人，一个孤独的妇人，一个受尽欺负和侮辱的妇人，她能过得好吗？他仿佛看到了一张苍白的脸，脸上的绉纹就像干涸了的稻田，到处布满沟沟叉叉；一身肮脏的衣服，绉绉巴巴，散满了星星点点的痕迹，弓腰驼背，仿佛无力再承受生活之重。

式中“disu”代表即代表滴速。如果t小于设置温度，说明没有达到要求温度，加热器工作。当t大于设置温度，加热器关断。加温程序框图，见图7，其中LPM0表示MSP430的低功耗模式0，即low power mode 0。

3.4 数据传输程序

上位机程序通过java代码编写，通过awt（是Java平台独立的窗口系统，图形和用户界面器件工具包）和swing（是对awt的改良和扩展）包实现本次程序的用户界面设计。主界面为监控界面，提供实时的数据解析和更新，还提供了帮助界面和设置界面，设置界面用于设置端口属性。

图7 加温程序框图

上位机程序通过usb连接Zigbee模块，与下位机取得联系，接受下位机传过来的数据，并将其展示到上位机程序主界面上。其中串口监听事件默认监听4端口。端口设置为波特率为9600，停止位为1，无校验位，数据位为8位。数据传输程序框图，见图8。

图8 数据传输程序

4 实验测试与结果讨论

测试项目主要有滴数检测测试、剩余时间估算测试、输液温度测试等。试验测试均选用生理盐水进行。

4.1 滴速检测测试

分别采用临床上常用3种输液速度，20、50、80滴/分钟。开始输液后，随机选取任意一分钟进行滴数计数，每个速度观察5次。用实际观察到每分钟滴数与设置滴数作比较。输液速度测试结果，见表2。

表2 滴速测试统计表（滴/分钟）

4.2 剩余时间估算测试

基于输液总量的设定和液滴速度的监测，本系统还可以实现剩余输液时间估算功能。计算方基于液滴与液量的换算关系，即输液器自身参数15滴为1 mL。设置好输液容量后，开始输液，设置速度为50滴/分钟，输液总量分别设定为100、200、300 mL。输液开始5 min（系统的各项指标趋于稳定）后，分别选择观察系统显示的输液剩余时间t1，同时记录实际输液完成的时间t2。将t1与t2对比，可得到剩余时间估算的准确度。测试结果，见表3。

表3 剩余时间估算统计表

4.3 输液温度测试

选择在两种不同室温下分别进行输液温度测试。设定的加热温度都为38℃摄氏度，测试两种情况下加温后的温度。测试结果，见表4。

表4 温度测试统计表（℃）

4.4 结果讨论

通过以上测试表明，该系统在滴速监测，剩余时间估算，输液温度控制方面都有很好的准确性和可靠性。

5 结语

在进行了临床调查和当前市场产品现状分析后，结合当前嵌入式和计算机技术发展状况，设计研制出本套系统。该系统基于滴速的监测实现输液速度控制、报警、剩余输液时间估算、输液加温和数据上传等功能，经过测试，功能较完善，各项参数较为准确，可靠性高。适合在各类医院广泛推广使用。使用该系统可以减轻医护人员工作负担，增加病人的舒适度，提高护理质量。接下来有待在加热方式、加热程序、温度监控方面做进一步优化和完善。另外将来还可以设计手机端软件程序，实现远程手机端监控。

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