基于微应变的输液点滴在线监控系统研究

王 婧， 杨 澜， 张桂铭

（1.桂林电子科技大学 商学院， 广西 桂林 541004； 2.桂林电子科技大学 机电工程学院， 广西 桂林 541004）

0 引言

静脉输液是医疗中常应用到的一种诊疗方式， 是一种相对比较成熟的技术，但也有特殊情况的发生，如输液管堵塞、 输液完毕而未能按时拔针等因为未及时处理产生的感染和输注不足，会导致治疗效果欠佳、脱水或代谢紊乱。此外，过量输注还会导致速度减慢，电解质不平衡，高血压或代谢紊乱[1]。静脉输液医疗方法经过数年的发展得到了广泛的应用并逐渐成为通用的医疗技术。 如今用于临床医学的静脉输液治疗技术， 跟起初发展时的用法并无太大区别。当前广泛采用人工作为监控方式，需要专业的技术医护人员时刻关注， 精确地控制输入速度和剂量。 因此，针对如何实现点滴监控和范围数据传输提醒，提高信息采集的精确性和医疗工作效率， 现设计了一种基于微应变的输液点滴在线监控系统， 致力于解决医疗行业此类问题。

1 总体结构

点滴监控系统主要由检测液滴部分、滴液自动调速部分、无线数据收发部分等组成[2]。 整个系统可分为一个中央监控端（护士站）和多个输液检测端（患者），中央监控端主要用于实时显示输液检测端传过来的输液速度，输液时间、病房号等数据，点滴监控控制系统如图1 所示。

根据输液点滴检测模块和执行机构， 开发基于微应变的输液点滴在线监控系统， 利用单片机设计开发对应的控制系统，编写相应程序，完成输液点滴在线监控，实现数据的无线交互。 目前实验阶段放置一个主机端和一个从机端构成的点滴输液监控系统，调试成功后，在无线数据收发设备的选型上可选用具有可同时接收多个从机端数据的设备来构成整个医疗点滴输液的监控网络。

图1 点滴监控控制系统Fig.1 Drop monitoring and control system

检测液滴是否滴落是整个系统的关键， 执行机构直接涉及到输液速度的控制。 无线数据传输部分选择低功耗、传输距离远、不易受信号干扰，且能够同时接收不同设备数据的模块。 测量滴瓶剩余容量采用非接触式的设备来测量液位，当达到最低液位限制时报警。显示部分选用清晰度高、功耗少的OLED12864 显示屏。 主控芯片则选择STM32F103 系列单片机。

2 系统软件设计

2.1 监控主程序设计

主程序流程框图如图2 所示。 在主循环中设置OLED 显示屏显示各种参数，并不断地将NRF24L01 切换成发射模式或者接收模式。

图2 主程序流程框图Fig.2 Flow chart of main program

2.2 监控检测部分设计

检测应变传感器传来的脉冲信号使用的是输入捕获通道， 通过配置单片机相应引脚检测TIM4_CH4 上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（如上升沿/下降沿）时，储存当前定时器的值到对应的通道的捕获/比较寄存器里，完成一次捕获。

2.3 监控无线传输部分设计

因为NRF24L01 是用SPI 通信操作寄存器来配置的，所以要先将STM32 的SPI1 对应的引脚配置成SPI 模式。将引脚配置好后， 写一段数据到发送地址再将其读出来检测单片机和NRF24L01 的SPI 读写通信是否正常。通信正常后配置NRF24L01 为发送模式或者接收模式。

3 系统硬件电路设计

因单个应变片灵敏度较低，加入全桥电路。即同一个支路的两个应变片极性不同，共贴两路，当所贴物体受力形变时，同一支路的应变片一个收缩，一个拉伸，两条支路则总形变即为原来的四倍， 应用全桥电路测试应变片的变化能使灵敏度成倍的提高， 并使输出与输入呈线性关系，且还具有通过的电流低，应变片自身发热低等诸多优点[3]。

经过全桥电路加强灵敏度后， 将应变片用透明胶贴于滴管，用示波器测量输出引脚电压数据[4]，列表得：

表1 全桥应变片输出电压（毫伏）Tab.1 Output voltage of full bridge strain gauge（mV）

3.1 红外测量电路

红外对管检测电路原理是检测光信号并将其转换成电压信号， 经过电压比较器形成单片机可以检测的脉冲信号[5]。 红外发射管用来发射光信号，红外接收管用来检测信号。 将红外发射管和红外接收管对准于同一水平线上， 当红外接收管接收到来自红外发射管发射的光信号后，其所在电路支路就会导通形成一定的电压，将其与电压比较器LM393 比较，其电压小于比较器参考电压则输出低电平， 其电压大于比较器参考电压则输出高电平。

3.2 点滴调控部分电路设计

利用步进电机做动力轴， 制作一个绕固定轴转动并且具体变化向径的盘形凸轮。当轴转动时，盘形凸轮逐渐挤压输液管从而达到调速的目的。 并将步进电机与其结合， 经过单片机设置脉冲个数来控制步进电机的角位移量，以达到精确定位，可通过设置脉冲频率控制步进电机轴的加速度和速度，实现调速的目的。调速电路主要为驱动步进电机电路。当单片机发送一个脉冲信号时，其步进电机所对应的一相绕组或两相的绕组的通电状态相应改变，对应转子转过一个步距角。当通电状态相继改变完成一个循环时，步进电机的转子转过一个相应的齿距。

3.3 无线收发部分的电路设计

点滴监控系统无线数据传输使用NRF24L01 射频收发器，其使用的是2.4G～2.5G 的通信频段，有自身通信协议，不能与Zigbee、蓝牙、Wifi 相互通信。 其主要原理为电生磁。即当电流通过导体时，导体周围的空间形成圆形磁场，当通过交流时，导体周围空间便会形成根据交流电的方向而产生的方向不断变换的交变电磁场即电磁波。 当交变电磁场的变化频率较高时， 高频的交流变化电磁波被称为射频电流，每秒变化小于一千次的交流电称为低频电流， 产生的低频电磁波在传输过程中会被地面吸收，不能有效传输。每秒变化大于十万次的交流电产生的高频电磁波可以在空气中传播，并被电离层多次反射，可以传输更远的信号，这

种高频电磁波有着远距离传输能力， 我们称之为射频。

4 总结

本设计主控采用STM32F103 系列单片机，有着较高的实时性和运算能力。 该系统由一个中央控制端和多个检测端构成， 从机检测端的输液点滴检测部分除了采用微应变检测之外，还利用红外技术来加强检测的准确性。检测端的滴速检测监控对滴速进行反映并通过无线传输模块传送给主机模块，从而实现实时监控。调速执行机构采用自主创新设计的基于步进电机和凸轮机构的新型输液调速器，有利于滴速的平稳和准确。本设计作为多传感器检测手段的探索， 对于医疗行业智能化发展具有现实意义。