一种便携式智能输液控制系统的设计

姚立平，吴新社，唐元梁，谭仲威

（广东省科学院生物与医学工程研究所 国家医疗保健器具工程技术研究中心广东省医用电子仪器设备及高分子材料制品重点实验室，广东 广州 510500）

0 引 言

目前临床上的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，整个输液过程中需要陪护人员和护士来执行[1-3]。一方面，这种输液方式虽然简便容易操作，但输液速度是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强；另一方面，在输液过程中陪护人员易疲倦疏漏，为保证输液安全，护士需要定时巡查，不仅增加了工作负担，而且不利于病房的整体管理[4-5]。针对以上不足，本文设计了一种便携式智能输液控制系统，能够实时监测当前液滴的速度，并根据设定的流速自动控制液滴的流速，实时监测运行过程中液滴状态，具有声光报警装置、急停装置等安全措施以满足输液安全需求，上位机与系统使用ZigBee进行无线通信，从而能够在主机端监控各个床号的输液动态，加强了病房的整体管理。因此，便携式智能输液控制系统的设计提高了护理质量，减轻了医护人员的工作负担。

1 智能输液控制系统的基本组成

便携式智能输液控制系统主要由滴速检测单元、滴速控制单元、位置触点单元、声光提示单元、语音播报单元、步进电机控制单元、舵机控制单元以及移动电源单元等组成，如图1所示。输液开始前，将输液管的茂菲氏管卡在光电对管中间处，并调节好旋钮以固定设备。滴速检测模块用于检测液滴是否滴下；位置触点模块用于在直线步进电机运行到上触点端实现完全压管，运行到下触点端实现完全松管，且运行到触点端，步进电机会停止前进；声光提示单元负责系统运行的声音及指示灯提示；语音播报单元负责播报指定地址的语音内容；步进电机控制单元负责调节直线步进电机前进或者后退以压管或松管；舵机控制单元是为了使系统快速压管或松管；按键模块由四个独立按键组成，负责对系统相关信息的设置，开启或者暂停系统运行；ZigBee无线通信模块主要负责与上位机进行数据通信，实现了系统的远程监控和管理；移动电源模块由两节锂电池组成，系统具有可充电、便携的特点。

图1 智能输液控制系统的基本组成

2 硬件设计

2.1 液滴检测模块

输液管的茂菲氏管卡在光电对管中间，使用光电对管检测液滴是否滴下。经过振荡回路产生调制脉冲，由发光管发射光脉冲，当有液滴滴下并经过光电对管时，液滴会使发光二极管发出的光产生散射，从而光敏接收二极管接收的光强就会减弱，产生的光电流也会减弱[6]。因此，要经过后续的比较电路、放大电路、振荡电路以及整形电路等，输出对应脉冲，进入中断后单片机检测到液滴滴下，如图2所示。

图2 液滴检测模块

2.2 位置触点模块

位置触点模块的设计是结合了结构设计和电路设计，目的是检测步进电机是否在运行过程中到达了终端。当步进电机移动到上触点时，此时上触点端电平拉低，系统检测到上触点为低电平，则步进电机停止前进运行，系统处于完全松管状态；当步进电机移动到下触点时，此时下触点电平拉低，系统检测到下触点为低电平，步进电机也将停止后退运行，系统处于完全压管状态。

2.3 MCU及外围电路

系统以STC15W2K60S2系列单片机为控制核心[7]，是一种高速、高可靠、低功耗、抗干扰能力强的微控制器，所含的资源满足该系统设计。外围电路包含有键盘模块、声光提示模块、液晶屏显示模块、ZigBee无线模块以及移动电源模块等。键盘电路包含有4个独立按键。其中，keyA为界面的菜单选择按键，可提供床号、流速、流速单位、输液预置量以及校滴系数的选择；keyB和keyC为功能按键，负责对选择的床号、流速、输液预置量等数值进行加减调整；keyD为设备的运行键，具有控制运行、暂停的功能。声光提示模块是指系统运行过程中声音、指示灯的提示，包含按键音提示、液滴检测闪烁指示灯提示以及异常状态下的声光报警。液晶屏主要用于系统的界面显示。语音模块主要由NVD80语音芯片、0.5 mW的扬声器组成，通过对单线不同高低电平时间的控制，实现读取对应存储地址的语音内容。ZigBee无线模块主要用于输液系统与主机之间的数据传输，工作在2.4 GHz波段，具有功耗低、成本低、网络容量大、安全可靠等优点[8]，从而能够在主机端监控各个床号的输液动态，加强了病房的整体管理。电源模块包含带USB口的可充电电路，仅需两节锂电池即可提供系统电源，含有的升压电路将3.75 V电池电压升压为5 V。此外，输出5 V电源电压经过SPX1117电路稳压成3.3 V电源[9]。

2.4 步进电机控制和舵机控制单元

输液速度的调控由直线步进电机控制单元和舵机控制单元组成。其中，直线步进电机的轴轮上装有斜坡滑块，通过给步进电机一定顺序的节拍序列以及控制脉冲数输入，调节步进电机的转向和线位移量[10]。设定的流速与实际流速的误差值为err，如果误差值err>0，步进电机正向前进松管，前进步长根据误差值err进行分级粗细调控；如果误差值err<0，步进电机反向后退压管，前进步长根据误差值err进行分级粗细调控。舵机电路主要由MG90数字舵机组成[11]，使用PCA寄存器产生脉冲，使得舵机转动两个角度。其中转动的一个角度实现设备的迅速松管；转动的另一个角度实现设备的迅速压管，用于系统紧急停止装置，如图3所示。

图3 步进电机和舵机控制单元

3 软件设计

3.1 滴速检测子程序

如图4所示，本系统首先检测滴速检测标志位runflag是否为0，如果为0，则开始计算设定液滴数量为 flowtick、所用时间为mscnt时的滴速。其中，检测mscnt是否过小，进一步检测滴速是否过快，当检测得到正常的滴速后，将标志位proflag置0，从而当前的流速计算为 flow1stest =（ flowtick-1）/（mscnt/1 000.0），最后将计时变量 mscnt、计数变量 flowtick置0，滴速检测标志位runflag置1，开启下一次的设定液滴数计时测速功能。

图4 滴速检测流程

3.2 滴速调控程序

如图5所示，在控速之前，首先给设备输入设定的流速及单位，该设备具有“mL/h”和“滴/分钟”这两个单位。当检测到有液滴滴下时，系统检测实际的液滴速度，并判断是否超过设定速度，两者速度的误差值为err。如果误差值err>0，步进电机正向前进松管，前进步长根据误差值err进行分级粗细调控；同理，如果误差值err<0，步进电机反向后退压管，前进步长根据误差值err进行分级粗细调控。此外，如果长时间没有检测到液滴滴下，则进一步检测设备是否是无液、阻塞等状况，从而启动报警装置。

图5 滴速调控流程

3.3 ZigBee无线数据传输程序

如图6所示，系统定时开启ZigBee模块，向主机无线发送设备号ID、床号B、设定的流速L、当前状态S（包括系统的电量、是否无液、流速单位是“mL/h”或“滴/分钟”、是否阻塞、当前是运行或暂停等系统状态信息）、当前液量Q，并以回车符结束。上位机接收信息之后，进行数据解析，从而获取了当前设备的相关信息，了解各个床号的输液动态，加强了病房输液的整体管理。

图6 ZigBee无线数据传输流程

4 实验测试与结果讨论

开始输液前，使用功能键keyA选择床号、流速、流速单位、预置输液量、校滴系数等子菜单；使用功能键keyB和keyC设置对应菜单的数值，并按下keyD键开始输液，如设置流速分别为30 滴/分钟和80 滴/分钟时的系统运行情况如图7所示。界面显示当前的床号、设定的流速、流速单位、已滴液量、剩余量、运行状态、静音状态、校滴系数、无线连接等相关系统信息。

图7 输液系统实际运行情况

本文中分别设定4种常用输液速度为30滴/分钟、50滴/分钟、80滴/分钟、100滴/分钟，每个滴速观察5次，对实际观察到的每分钟滴数与设置的每分钟滴数进行比较，结果见表1所列。

表1 四种不同的设定速度的测试比较

通过滴速检测测试，在较低设定滴速值即30滴/分钟和50滴/分钟下，平均误差为1.3滴；在较高设定滴速值即80滴/分钟和100滴/分钟下，平均误差为2.6滴，整体的滴速控制稳定可靠；此外，该系统具有系统阻塞、无液等异常状态的监测和报警装置，提高了系统使用的安全性。

5 结 语

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，整个输液过程中需要陪护人员和护士来执行。这种输液方式虽然简便容易操作，但输液速度是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强；另一方面，护士需要定时巡查，不仅增加了工作负担，而且不利于病房的整体管理。本文设计了一款便携式智能输液控制系统，该系统允许用户在输液前输入输液参数，如床号、流速、预置量等信息，实时检测当前流速，并对当前的流速进行调控以达到设定的流速；此外，该系统具有系统阻塞、无液等异常状态的监测和报警装置，提高了系统使用的安全性。滴速检测测试结果表明，整体的滴速控制稳定可靠，方便护士进行输液管理，从而提高了医疗自动化的整体水平，具有较高的临床应用价值。