基于STM32 的医疗静脉滴注数字监控系统＊

2023-10-15玉林师范学院物理与电信工程学院黎冬梅张迁伟杨智雅罗玉平蒙健容

数字技术与应用 2023年9期

玉林师范学院物理与电信工程学院黎冬梅张迁伟杨智雅罗玉平蒙健容

本文设计了一种医疗静脉滴注数字监控系统。在保证输液安全和有效的情况下，实现自动检测滴液是否完成，回血检测和控制输液停止和加热以及异常情况下播报患者所在的房间和床位以及声光报警等功能。区别于普通的智能输液监测系统，本文设计的系统具有语音播报功能，即可实现医护人员无须值守及有效合理安排医护人员和患者的功能需求。同时，运用当前互联网和传感器技术对输液装置进行了改良设计，从而具备降低患者的担忧程度以及降低了医护人员工作强度的优点。

静脉输液是临床医学中常用的辅助医疗手段[1]。医院在对患者实行静脉输液过程中，普遍采用人工监测的方式。比如，医护人员未能及时换药和起针，将会出现形成空气栓塞、凝血堵针头等异常情况，轻则影响患者的治疗进度，重则发生严重医疗事故[1-3]。

目前临床上使用的国内外生产的自动输液器一般只有堵液报警和总量完成报警等功能，不具有集中监控单位输液量的功能，部分医院采用以病人求救线作为CAN总线[4]。实现智能输液监测装置取得了一定成效，但在紧急情况发生时无法让医护人员实现迅速地定位患者的所在位置和作出反应。因此，本文针对以上问题，研究设计了一款智能播报医疗静脉滴注数字监控系统。通过理论和实践论证，系统能够实现输液回血检测和输液停止并声光报警的功能和精准播报患者所在的病房和床位信息，利用单片机实时检测输液情况和LCD 液晶实时显示，通过5V 继电器和单片机共同控制输液加热的开启与关闭，通过改变输液温度预防静脉炎[5]。

1 系统组成

1.1 整体系统组成

医疗静脉滴注数字监控系统是基于STM32F103 单片机设计的，其系统设计主要包含数据实时显示、声光报警、手动控制、语音播报、滴注检测、滴注智能加热、滴注回血检测、滴注停止。整体系统组成如图1 所示。

图1 整体系统组成Fig.1 Overall system composition

1.2 系统组成说明

声光报警系统采用语音播报JQ8900—16P 和LED 组成一个声光报警器。滴注检测系统采用水位传感器；滴注智能加热系统采用DHT11 数字温度传感器和加热片；滴注回血检测系统采用颜色传感器组成；滴注停止系统采用滑台组成，通过步进电机控制。

2 硬件系统设计

2.1 机械结构设计

本设计的机械结构设计部分主要分为三个部分，升降滴注架机构、悬挂监测机构、滴注停止机构。本设计的核心是升降滴注架机构和滴注停止机构。

升降滴注架机构的机械结构设计，包括底座的静音轮[6]，可将噪声降至最低。还包括了升降装置，本文设计中将固定杆升降和传统的螺旋式升降改为气动升降杆，因其有升降速率快、空心杆体、自重低、负重大等优点。

滴注夹停机构的机械结构设计，由微型滑台组件、步进电机组件、定位元件等构成。微型滑台部件中，滚珠丝杆可把旋转运动变换成直线运动，使滑板在床体内作纵向运动，因其丝杠传动，并加上变速箱的作用，可达到快慢的各种运转转速变化，被广泛应用于机械加工行业[7]。

2.2 电路设计

2.2.1 主控模块

本作品所使用是基于ARM Cortex-M3 核心的32 位微控制器STM32F103ZET6。STM32F103ZET6 具有丰富的片内资源、2KB 的RAM、64KB 的Flash 存储器，工作频率经过PLL 倍频后最高可达到72MHz[8]。该芯片相比于普通芯片，管脚丰富，并且还具有丰富的外设[9]。

2.2.2 电源模块设计

本作品采用12V 锂电池作为主供电电源，主电源通过降压型电源芯片LM2596 固定输出版本和可调版本，分别给系统中的各模块供电，保证了各模块电源的稳定性。

2.2.3 静脉滴注剂量语音播报系统设计

本作品采用语音播报JQ8900--16P 和扬声器构成了一个语音播报系统，同时采用语音播报模块和LED 构成一个声光报警装置。STM32F103ZET6 单片机通过串口控制语音播报JQ8900--16P 模块播报患者所在的房间和床位，能够减少护士检查的时间，也更加便捷和高效。

2.2.4 静脉滴注检测系统设计

本作品采用DJLK-A6 外贴液位传感器。医疗静脉滴注数字监控系统的滴注检测系统，通过外接DJLK-A6 外贴液位传感器进行液位测量，传感器输出电压经过放大器放大送入A/D 模数转换器再传入单片机。即当静脉滴注剂量瓶的液位低于某一设定值时，便转化输出电信号，打开声光报警器，来提醒患者、监护人以及护士需要换液或者起针。

2.2.5 数据实时可视化系统设计

本作品采用2.8 寸薄膜晶体管显示器（TFT-LCD）。医疗静脉滴注数字监控系统的TFT-LCD 可以实时显示病人的静脉滴注状态和床位信息。

2.2.6 手动控制系统设计

本设计通过使用3×2 矩阵键盘接口电路来实现人机交互。3×2 矩阵键盘可以实现对智能加热系统控制、声光报警装置控制。矩阵键盘电路连接图如图2 所示。

图2 矩阵键盘电路连接图Fig.2 Matrix keyboard circuit connection diagram

2.2.7 静脉滴注回血检测系统设计

本设计采用TCS230 颜色传感器。当有光源照射到TCS230 上时，利用光电二极管控制引脚S2、S3 不同组合，选用不同的滤波器。如图3 所示为S2、S3 的组合选择。在血液对光的吸收度研究中发现，血液对绿光的吸收度较高。这些特性使得在回血检测时，可采用绿色LED 作为光源，在传感器中选通绿光滤光器，输出频率值的变化表征光强的变化[10]。当该系统在工作时，靠近扎针处，若出现回血情况，该系统产生频率的变化，反馈给单片机内部，单片机发出指令控制相应的系统，迅速夹紧静脉滴注管，并发出警报信息，提醒医护人员前来处理。安装结构图如图4 所示。

图3 S2、S3 的组合选择Fig.3 Combination selection of S2 and S3

图4 安装结构图Fig.4 Installation structure diagram

2.2.8 静脉滴注智能加热系统设计

本设计采用DHT11 数字温湿度传感器，可靠性高且稳定性强[11]。利用DHT11 传感器内NTC 测温原件采集输液管内的温度参数，并能直接将温度信号转换成数字信号输出[12]。DHT11 数字温湿度传感器输出的温度参数通过单片机实时显示在TFT-LCD。当温度显示过高或过低时，传送温度的数值信号到单片机，利用单片机I/O 口输出PWM 控制继电器连接加热片对输液管进行加热或断电，系统温度上下限也可通过按键控制，以达到自己舒适的输液温度。