一种自动输液系统的设计

林二妹

(闽南理工学院 实践教学中心，福建 石狮 362700)

静脉输液被广泛应用于临床，输液在每个医院的每个科室几乎都涉及[1].目前输液过程基本还是采用人工监控，且输液的速度仍通过医护人员手动来调节，输液的精度无法得到控制[2].输液速度对于不同的年龄存在着差异，老年人和儿童由于身体素质相对比较差，输液速度不能过快，过快会让他们产生不舒服感，严重的还可能有生命危险.而成年人相对于老年人和儿童来说，身体素质较好，输液时有的想着尽可能快地完成输液，因此他们的输液速度可以较快[3].另外，对于部分较为特殊的病人及药物，输液时速度的控制要求要非常精确，这点人工监控很难满足，而且人工监控浪费人力资源，同时当病人在输液过程中未注意剩余药量时会出现回血，给病人带来的不仅是身体上的痛苦，在精神方面也会产生压力，所以对输液进行自动化控制是十分有必要的.

另一方面当药液温度较低，尤其在冬天，药液没有加热直接输液常会让患者感到不适.而目前最常用的方法是用热水袋或热毛巾对接近输液地方的输液管加热，这种方法不能很好地将药液温度加热到人体的舒适范围，药液温度的稳定性也无法得到保障.

针对以上不足，本文设计出一套基于单片机技术和光电传感器控制的智能输液监控管理系统来监控输液情况，该系统通过显示屏能实时监测输液速度、余量情况和异常情况报警，当传感器监测到输液管内没有液体时，及时中断输液，并发出报警声.另外，增加加热模块，对输液管内的药液进行加热，解决药液温度过低进入患者体内造成的不适感.该设计一方面能极大地减少医疗事故的发生；另一方面很大程度上减少了医护人员的工作量，同时满足病人的不同需求.

1 总体结构方案设计

本文设计的是一种自动输液监测系统，主要功能是输液速度及药液余量的监测，并通过药物余量和输液速度计算出输液完成时间.通过不断完善各个部分的设计方案，最终完成自动输液监测系统样机，实物如图1所示.

图1 样机实物图

自动输液监测系统包含了主控单元、传感器模块、电机与电机驱动模块、显示模块、输入模块、加温模块、报警模块、电源模块等[4]，整个系统结构框图如图2所示.

图2 系统结构框图

2 系统各部分硬件及电路设计

2.1 主控制单元方案选定

利用单片机作为主控制单元进行控制,并选用STC89C52RC单片机作为主控芯片，能对各传感器采集的信息进行快速处理，从而实现对电机和报警器的自动控制.

2.2 药液滴速监测设计

2.2.1 传感器选型

药液滴速监测选用光电传感器，为红外对射式槽形光电传感器[5]，该传感器以LM393芯片作为主模块，工作电压为5 V，信号输出低电平有效，其电路原理如图3所示.

图3 对射式槽型光电传感器原理图

R3为分压电阻，其作用是将光电传感器检测到的信号转化成电压信号，此模拟信号进入LM393的3号引脚，并与2号引脚所接的分压电阻分压后的模拟电压进行比较，从而在1脚得出高低电平信号.

2.2.2 检测原理

将莫菲氏滴管安装在对射式槽形光电传感器上，监测莫菲氏管内的光强.当有药液滴落时，光电传感器监测到光强变化，此时输出信号由低电平变为高电平，定时器开始计时，通过定时器得到两次高电平信号间的时间，即两液滴从生长到滴落的时间Δt[6].

2.3 药液余量监测设计

选用称重传感器来监测输液瓶或输液袋药液的余量，运用重力法进行测量，该称重传感器的精度为1 g，量程为5 kg，工作电压为+5 V.图4为重力法测重原理图.称重传感器ADC模块使用HX711,它是24位A/D转换器芯片，而且专为高精度称重传感器而设计.HX711模块通道A的可编程增益较大，为128或64，该通道模拟差分输入可与桥式传感器的差分输出相接，因此，本设计使用通道A，采集电压信号，使用128倍增益，提高测量精度.

图4 重力法测重原理图

2.4 液位监测设计

液位监测采用非接触测量，并选用XKC-Y26A-V型号的液位传感器，该型号的传感器可以对输液瓶内液位高度进行非接触检测，它是利用水的感应电容来检测是否有液体存在，当液面高度升高时，电容量变大；反之，当液面高度下降时，电容量减少.因此，通过液位传感器，我们可以检测出输液管内有无液体，当检测到输液管内有液体时，输出高电平；反之，输出低电平[7].当单片机接收到液位传感器发来的低电平信号时，打开报警器，表示输液结束，同时，单片机向电机模块发出止液请求，启动电机自动止液.

2.5 步进电机的设计

步进电机可以实现对皮管内药液流动的控制，可以精确地控制转动角，转角精度高，且能更精细的控制流速[8].在发生紧急情况时，步进电机自锁抱死可以稳定地阻断皮管继续输液，不会发生打滑的情况.步进电机使用35小型减速步进电机，同时效仿输液器上的流速调节器，外加设计了一个小凸轮，每旋转一个角度，凸轮推程增大，则压紧皮管起到控制流速和阻断输液的作用[9].

2.6 显示模块

采用1.8寸TFT LCD显示屏作为显示器件，SPI串口，分辨率128*160，屏幕电源为3.3 V，屏幕显示界面主要显示患者床号、输液进度、输液器滴速、输液剩余时间.

2.7 加温模块

加热模块选用正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)[10]，加热器采用半圆槽加热夹，其结构如图5所示.

图5 半圆槽加热夹

热敏电阻放在半圆槽内部；输液管放在凹槽内；硅胶片用于保温.由于加热电阻置于半圆槽形外壳内，因此半圆槽内部用导热绝缘材料进行封装,半圆槽外部用保温材料进行封装.两个半圆槽做成一个加热夹，加热时将加热器夹在输液管上，同时将加热夹固定在输液管的末端、细管的前端，温度传感器固定在半圆槽的下端，此设计减少液体流速与环境等因素对液体温度的影响，同时缩短加热后液体在体外的时间.液体初始温度为30 ℃，当液体温度低于26 ℃时，加热器开始加热，高于30 ℃时停止加热[11].

2.8 系统整体硬件电路图的设计

根据各个部分方案及控制电路的设计，本系统最终确定整体电路如图6所示.

图6 系统整体电路图

3 软件设计

软件设计主要包括：滴速检测和药液余量检测、液体温度检测与加温控制程序设计、LED显示设计、报警设计，电机正反转控制等.流程如图7所示.

图7 软件流程图

4 系统测试

在病房室温为25 ℃环境下进行调试，输液量为200 mL，80滴/min，当无药液时自动止液并启动报警器，加热温度设定为26～30 ℃.以1 mL为16滴算，可算出应在40 min滴完，实验检测的输液速度和输液剩余量数据如表1～2所示.

表1 输液速度检测表

表2 药液余量检测表

从表1、表2的数据可以看出系统输液速度约为80滴/min，说明输液速度基本恒定；同时，检测到液体温度分别为：28、28.7、28.5、29、28.4 ℃，数据在设定的26～30 ℃范围内，说明系统能实现自动恒温；理论值和实验值存在误差，残余输液量实际为2 mL，误差在2 min内.

5 结 论

本文设计了一套基于STC89C52RC的自动输液监控系统，通过单片机对采集的数据进行分析和处理，具有输液速度控制、药液温度控制、药液余量监测、液位监测报警及信息显示等功能，从上述测试结果分析，系统相对误差保持在5%内，准确度高.由此可知，该输液监控系统能够对滴速、余量、液温、输液时间进行有效控制,达到预期效果，具有较高的实用价值.