渗血探针报警器的设计与实现

2023-05-09李海杰许春通信作者

医疗装备 2023年8期

李海杰，许春（通信作者）

陆军第七十三集团军医院（福建厦门 361003）

血液透析是通过血液透析机将尿毒症患者体内血液引出体外，利用弥散、超滤和对流原理清除血液中的有害物质和多余水分，实现肾脏替代治疗的过程[1]。因此，提高血液透析过程的安全性显得尤其重要。在血液透析过程中，患者出现失血的原因包括：动、静脉穿刺针滑脱；动、静脉血路管与透析器膜内接口连接处未拧紧；颈内静脉或股静脉半永久导管与动、静脉血路管引血接口连接处未拧紧；透析器破膜等。血液透析机虽可通过动、静脉压力监测、跨膜压监测及渗血探测器监测等方式，有效地预防患者血液在体外循环时出现失血情况，但当动、静脉穿刺针滑脱较少，且血液透析机压力监测值仍处于正常范围内时，无法及时报警；又因血液透析过程中，血泵引血速度设置为200～300 ml/min，患者发生大量失血的风险较高。如果患者比较躁动，在透析过程中频繁变换体位，将导致穿刺针滑出但未全部脱出，易引发失血事故，引起医疗纠纷。基于此，本研究设计了一款渗血探针报警器，以降低患者在血液透析过程中发生大量失血的风险，提高血液透析安全性，现报道如下。

1 渗血探针报警器的工作原理

渗血探针报警器的工作原理：当患者穿刺部位发生渗血时，由于血液具有导电性，渗血探针报警器上的2 个探针接触到血液，触发检测电路，单片机接收到信号后，输出报警信号和执行信号，使渗血报警指示灯亮起、蜂鸣器长鸣、血路管夹夹闭，以此提示临床护理人员患者出现渗血并及时夹住血路管，预防渗血量过多。当护理人员处置完毕后，按血路管夹复位键，将管夹恢复原位，患者即可继续进行透析治疗。

2 渗血探针报警器的电子元件

为实现渗血报警功能，该仪器设计所需的电子元件包括电源、蜂鸣器、LED 指示灯、驱动电机、限位开关、单片机、渗血探针等。（1）电源：该设计使用的电源是标准电压为3.70 V 的锂电池，正常工作电压为3.00～4.25 V。（2）蜂鸣器：该设计选用SOT 塑封的5 V 电磁式有源蜂鸣器，该蜂鸣器采用以金丝球焊接的多晶片集成电路，性能稳定，使用寿命较长，工作电压为4～8 V，最大直流电流≤30 mA，最小声压≥85 dB。（3）LED 指示灯：选择工作电压为3 V 的常用ADP8-2S 开孔8 mm 的红、绿信号指示灯，工作电压均小于5.0 V。（4）驱动电机：该设计使用直流减速电机，其因体积小、能耗低和噪音小等优点，符合床边工作条件；且该电机采用模块化设计、装置密封性好，具有较强保护性，对环境适应性强，符合血透室空气酸碱度高的工作环境；由于直流减速电机的单次工作行程时间短，采用3 V 的额定工作电压即可。（5）限位开关：本设计选择接触式限位开关，无论何种材质，只要接触开关的压力达到一定值，即可触发开关；接触式限位开关采用接点输出方式，输出可随的变化而变化，不会发生漏电现象；且不会受到相邻传感器的影响，输出稳定。（6）单片机：单片机具有体积小、能耗低、控制能力强、性价比高和电子使用寿命长等优点[3]，故使用单片机作为报警器处理器。该设计采用STC12LE2052AD 型单片机，其相较于其他型号具有运行速度快，工作电压范围广、功耗低等优点，符合设计需求。（7）渗血探针：该设计选择铝合金作为探针材质，其可塑性、抗拉强度和延伸性能均优于铜合金，且具有良好的导电性；成本相较于铜合金或铜低，性价比高[4]，符合设计使用需求。

3 渗血探针报警器的电路设计

本设计的电路组成包括STC12LE2052AD 型单片机电路、5.0 V 单片机供电电路、单片机供电电压监测电路、低电量指示灯电路、有源蜂鸣器电路、渗血报警指示灯电路、血路管夹驱动电路、血路管夹限位监测电路、渗血探针监测电路、输液夹复位开关电路、锂电池及充电模块电路。该设计使用STC12LE2052AD 型单片机进行电路控制，通过渗血探针检测患者血液控制渗血报警指示灯、蜂鸣器、血路管夹的工作。电压检测提示单片机的供电情况；限位开关和复位开关控制血路管夹的开与闭，系统结构框图如图1 所示。

图1 渗血探针报警器系统结构框图

3.1 单片机电路

渗血探针检测到血液，触发检测电路并将信号从PWM0/PCA0/P3.7 端口传递至单片机处理，然后单片机将执行信号从P3.2/INT0、P3.1/TxD 和ADC6/MISO/P1.6 端口分别传递至灯光报警电路、声音报警电路和血路管夹驱动电路，进行报警并夹闭血路管夹；血路管夹驱动到限位开关限定的位置时，信号从P3.4/T0/ECI 端口传递至单片机进行处理，再通过ADC6/MISO/P1.6 端口将执行信息传递给血路管夹驱动电路，使电机A 停止运行。医务人员处理完报警时，按复位开关（SWITCH）按键进行报警复位，复位信号通过P3.5/T1/PWM1 端口传递至单片机处理，然后将执行信号通过P3.2/INT0、P3.1/TxD 和ADC7/SCLK/P1.7 端口分别传递至灯光报警电路、声音报警电路和血路管夹驱动电路进行报警复位，当复位到限定位置时，将信号从P3.3/INT1 端口传递至单片机进行处理，再通过ADC6/MISO/P1.7 端口将执行信息传递至血路管夹驱动电路，使电机B 停止运行。单片机电路结构如图2 所示。

图2 单片机电路结构

3.2 电源电路

该设计选用锂电池进行供电。锂电池相对于铅酸电池，能量密度高，使用寿命长、自放电率低，且绿色环保[5]。电源管理芯片AMS1117-5 是一种输出电压为5 V 的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器、开关电源稳压器、电池充电器、电池供电的仪器等，电路图如图3 所示。为保证设备正常工作，本研究加入锂电池电压检测及低电压报警功能，所选择的单片机自带模数转换功能，无需额外的AD 转换芯片，由于基准电压为5 V，故电压采样电路使用电阻分压，见图4。为能够及时发现锂电池是否需要充电，设计了红色LED 灯进行电量报警提示，当指示灯亮时应及时充电，电路图如图5 所示。

图3 电源电路图

图4 锂电池电压检测电路图

图5 锂电池低电量指示灯电路图

3.3 蜂鸣器及报警指示灯电路

当渗血探针检测到血液时，蜂鸣器可发出蜂鸣声，提醒护理人员，电路图如图6 所示。除了蜂鸣器报警之外，为了能够更直观地发现报警位置，该设计还加入了灯光报警，提供双重保险，电路图如图7 所示。

图6 蜂鸣器电路图

图7 报警指示灯电路图

3.4 血路管夹及限位开关电路

除蜂鸣器和指示灯报警外，为及时预防渗血量过多，本研究设计了血路管夹，当渗血探针检测到渗出血液时，应管电机A 驱动管夹夹闭血路管；当报警解除时，应管电机B 驱动管夹复位，恢复正常透析，电路图如图8 所示。为确保电机运行到准确位置，本研究设计了限位开关，当血路管管夹夹闭到特定位置时，驱动电机停止驱动，电路图见图9 所示。

图8 血路管夹电路图

图9 限位开关电路图

3.5 复位按键电路

当护理人员处理完报警后，需复位血路管夹并解除声光报警，透析机才能正常运行。因此，本研究设计了复位按键，按下可驱动电机运行，血管路管夹归位到限定位置时电机停止工作，电路图如图10 所示。

图10 复位按键电路图

3.6 渗血探针电路

渗血探针的作用是当患者穿刺点发生渗血时，探针处会形成电路通路，单片机可接收到信号，并引发报警器报警，电路图如图11 所示。

图11 渗血探针电路图

3.7 锂电池充电模块电路

本研究为锂电池设计了充电模块，可无须频繁更换电池，方便临床使用。该设计的锂电池充电模块管理芯片为TP4056，其是一款采用恒定电流/恒定电压的线性便携式充电器，具有高达1 000 mA的可编程充电电流、精度达到±1%的4.2 V 预设充电电压并可在无过热危险的情况下实现充电速率最大化的热调节功能，电路图如图12 所示。

图12 锂电池及充电模块电路图

3.8 渗血探针报警器电路

各部件按照电路图进行组装后，连接组成渗血探针报警器，电路图如图13 所示。

图13 渗血探针报警器电路图

4 渗血探针报警器的结构设计

渗血探针报警器可分为两部分：一次性监测用渗血探针胶贴与报警器盒子主体。

4.1 一次性监测用渗血探针胶贴的结构设计

一次性监测用渗血探针胶贴主要贴于患者穿刺部位手臂，粘胶材质采用医用热熔压敏胶，满足亲肤无害需求。一次性监测用渗血探针胶贴结构分为4 部分，如图14 所示，第一部分为无纺布防尘胶层，主要用于防尘；第二部分为U 形槽压缩吸水棉层,正反面分别有1 个U 形槽，用于放置2 根渗血探针，可固定探针位置并隔离探针；第三部分为亲肤吸水棉层，该部分贴于穿刺部位，固定渗血探针胶贴；第四部分为渗血探针，为能够监测到位，特将探针设计为U 形，分别置于带有U 形槽的压缩吸水棉层中，其夹层厚度为2 mm，可起到及时监测并传导信号作用。使用时，将U 形渗血探针胶贴贴于患者穿刺部位，呈半包裹状，便于压缩吸水棉层发生渗血时第一时间收集血液，当吸收到血液时，两极探针变为导通状态，触发监测电路，实现报警。

图14 渗血探针胶贴结构示意图

4.2 报警器盒子主体设计

报警器盒子需置于透析单元内使用，其表面须按要求采用含氯消毒试剂擦拭消毒，所使用的材质须不受消毒试剂影响。报警器盒子主体结构设计如图15 所示，血管路夹在报警时能及时夹闭血路管，起到固定血路管的作用。

图15 报警器盒子主体结构示意图

5 应用效果

通过本研究设计的电路，将电源模块、蜂鸣器、LED 指示灯、渗血探针等部件装配后，将正负极渗血探针直接连接，形成电路通路后，蜂鸣器可发出蜂鸣声，成功实现报警。正常连接其余部件后，将渗血探针分别置于U 形压缩吸水棉层，贴于手臂对实际情景进行模拟，并测试可触发报警的渗血最低量。此实验还需使用20 ml 注射器，以及与人体体液相同电解质成分的透析液代，替血液进行实验。将1 ml 透析液滴至U 形压缩吸水棉层，并以1 ml 为递增量，逐步递增直至触发报警，继续增加2 ml，排除偶然性，进行100 次实验，结果如表1 所示。由实验数据可知，当渗血探针胶贴接触6 ml 血液时，报警率为96%，相较于血泵200 ～300 ml/min 的引血速度，6 ml 的报警值极大降低了患者出现失血的风险。