基于STR-30的無(wú)線靜脈注射監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

溫明峰，郭洪威，潘育錦，廖惜春

（1. 江門市五邑中醫(yī)院，廣東 江門 529000；2. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

基于STR-30的無(wú)線靜脈注射監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

溫明峰1，郭洪威2，潘育錦2，廖惜春2

（1. 江門市五邑中醫(yī)院，廣東 江門 529000；2. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了由微處理器、傳感器和STR-30無(wú)線通信模塊組成的靜脈注射監(jiān)控儀，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)、無(wú)線、實(shí)時(shí)監(jiān)控靜脈注射的全過(guò)程；無(wú)線靜脈注射監(jiān)控儀不僅高效、安全，而且推進(jìn)了醫(yī)療信息的數(shù)字化.

無(wú)線通信技術(shù)；醫(yī)療信息數(shù)字化；紅外傳感器

在醫(yī)院臨床實(shí)際工作中，常用靜脈注射為患者治療. 由于靜脈輸液過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，有些患者在輸液過(guò)程中會(huì)不自覺進(jìn)入睡眠狀態(tài)，還有些重癥患者根本沒有自主行為能力，不能主動(dòng)觀察輸液過(guò)程，這樣很容易造成監(jiān)護(hù)過(guò)程中信息溝通不及時(shí)，特別是當(dāng)液體輸完時(shí)，如病床旁沒有醫(yī)護(hù)人員或陪護(hù)及時(shí)換藥或處理，將會(huì)出現(xiàn)空氣進(jìn)入血管內(nèi)形成空氣栓塞、凝血堵針頭等情況，輕則延誤治療，給患者造成痛苦，重則危及患者生命安全，甚至引發(fā)不可彌補(bǔ)的醫(yī)療事故. 鑒于此，有些醫(yī)院在病區(qū)特設(shè) 1～2名輸液巡檢護(hù)士，但由于患者分散在各個(gè)病房，輸液全程時(shí)間長(zhǎng)，護(hù)士不可能陪護(hù)在每個(gè)患者身邊，服務(wù)只能勉強(qiáng)到位，且人員成本高、效率低. 為改變傳統(tǒng)的靜脈注射監(jiān)控方式，本文針對(duì)醫(yī)院實(shí)際需求，采用單片機(jī)、光電傳感器、無(wú)線發(fā)射與接收等現(xiàn)代技術(shù)[1-2]，設(shè)計(jì)一種無(wú)線靜脈注射監(jiān)控儀對(duì)患者輸液過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)液滴速度檢測(cè)、報(bào)警等多項(xiàng)功能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的主要功能

系統(tǒng)的主要功能有：設(shè)定點(diǎn)滴速度范圍、點(diǎn)滴時(shí)間、床號(hào)；實(shí)時(shí)顯示液滴速度；當(dāng)輸液結(jié)束或出現(xiàn)輸液異常時(shí)（過(guò)快、過(guò)慢或停止）自動(dòng)報(bào)警；配有溫度傳感器，對(duì)病人體溫進(jìn)行測(cè)量和無(wú)線傳送；分布式主、從站設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控.

1.2 方案設(shè)計(jì)

以醫(yī)院護(hù)士工作站的計(jì)算機(jī)為主站，從站采用微控制器AT89C52作為控制和數(shù)據(jù)處理的核心，主站和從站之間采用無(wú)線通信方式[3-4]；從站由光電傳感器檢測(cè)液位和液滴信號(hào)，液滴速度通過(guò)數(shù)碼管顯示，當(dāng)意外導(dǎo)致液位低于預(yù)設(shè)高度，或者實(shí)際的液滴速度過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，液位和液滴檢測(cè)電路向單片機(jī)傳送報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警或由繼電器進(jìn)行有線報(bào)警，并通過(guò) STR-30無(wú)線通信發(fā)射模塊把報(bào)警的房號(hào)、床號(hào)發(fā)送到主站進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)完成預(yù)定輸液量時(shí)，從站單片機(jī)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，再由主站傳送到護(hù)士 PDA發(fā)出預(yù)警信息. 從站既可與主站通過(guò)串行通信構(gòu)成監(jiān)護(hù)網(wǎng)，也可單獨(dú)完成對(duì)輸液速度和液面的檢測(cè)控制及故障報(bào)警. 該裝置還可以進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展，如溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.3 電路設(shè)計(jì)

1.3.1 STR-30無(wú)線通信模塊

STR-30使用2.7~5.5 V直流電源，也可以與其他系統(tǒng)設(shè)備共用電源，但要選擇紋波系數(shù)較好的電源，工作時(shí)發(fā)射電流≤40mA，接收電流≤30mA，休眠電流≤20μA，工作在ISM頻段，頻率范圍為430.2~434.7 MHz，調(diào)制方式為FSK/GFSK，信道數(shù)為8信道，接收靈敏度為-118 dBm.

STR-30的通信信道為半雙工工作，最適合單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式. 為此，先將護(hù)士站的服務(wù)器設(shè)置成主站，病房其余數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)為從站，每個(gè)從站都編1個(gè)唯一的地址，包括樓號(hào)、病房號(hào)、床位號(hào). 通信協(xié)調(diào)完全由主站控制，主站采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀向所有從站發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，各從站將接收到的地址碼與本從站的地址碼比較，若接收到的地址碼與本從站的地址碼不符，則將數(shù)據(jù)全部丟棄，不做任何響應(yīng)；若接收到的地址碼與本從站的地址碼相符，則證明該數(shù)據(jù)或命令是發(fā)送給本從站的，它將根據(jù)傳來(lái)的數(shù)據(jù)或命令做出相應(yīng)的響應(yīng)，然后將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送回主站. 這些工作都需要上層協(xié)議來(lái)完成，并需保證在任一瞬間，通信網(wǎng)中只有1個(gè)電臺(tái)處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾.

STR-30提供1個(gè)9針的連接器，各引腳的功能定義如表1所示，接口功能如圖2所示.

表1 引腳功能定義

圖2 STR-30接口功能

1.3.2 數(shù)據(jù)采集與處理電路

為了測(cè)試儀器能否準(zhǔn)確地判斷異常情況并進(jìn)行報(bào)警，對(duì)設(shè)置的輸液最大允許滴速、最小允許滴速、滴液體積等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)液面進(jìn)行報(bào)警測(cè)試. 報(bào)警方式有報(bào)警燈亮、蜂鳴器響、有線和無(wú)線報(bào)警4種，它們的區(qū)別在于報(bào)警發(fā)送的內(nèi)容不同.

根據(jù)醫(yī)院實(shí)際情況和要求，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線報(bào)警、有線報(bào)警、蜂鳴器報(bào)警和燈光報(bào)警等多種報(bào)警途徑. 無(wú)線報(bào)警：通過(guò)無(wú)線模塊STR-30把信息傳輸?shù)街鳈C(jī)（PC機(jī)），經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，還可再經(jīng)過(guò)主機(jī)傳輸?shù)阶o(hù)士的PDA，讓護(hù)士隨時(shí)隨地了解到病人輸液情況；有線報(bào)警：利用已有的床頭按鈴呼叫系統(tǒng)，用單片機(jī)通過(guò)繼電器來(lái)控制按鈴呼叫系統(tǒng)；蜂鳴器報(bào)警：儀器盒內(nèi)的蜂鳴器不僅可以作為設(shè)置時(shí)按鍵按下的提示聲音，還可以用來(lái)給病人或附近護(hù)士進(jìn)行報(bào)警（10 s）. 燈光報(bào)警選紅色LED燈，當(dāng)儀器非正常工作時(shí)以閃爍（10 s）的形式指示和報(bào)警.

信號(hào)檢測(cè)與處理電路見圖3. 圖中“YW”、“DS”、“T”和“SIP2-2”分別是液位、滴數(shù)、溫度和脈搏數(shù)據(jù)的輸入端. 輸液滴數(shù)、液位數(shù)據(jù)由光電耦合[5]電路采集，體溫由數(shù)字溫度傳感器采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)處理[6-8]. 當(dāng)輸液滴數(shù)達(dá)到預(yù)警數(shù)值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；當(dāng)輸液滴數(shù)達(dá)到報(bào)警數(shù)值時(shí)，單片機(jī)通過(guò)有線、無(wú)線、聲音和發(fā)光管的方式發(fā)出報(bào)警信號(hào). 無(wú)線報(bào)警信號(hào)由工作站存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)發(fā)送到當(dāng)班護(hù)士的PDA，收到返回信息后結(jié)束報(bào)警.

圖3 信號(hào)檢測(cè)與處理電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)檢測(cè)與處理主程序

系統(tǒng)軟件主要由功能鍵判斷，輸液滴數(shù)檢測(cè)、預(yù)警、報(bào)警，輸液位報(bào)警，體溫檢測(cè)，脈搏檢測(cè)及STR-30無(wú)線通信模塊驅(qū)動(dòng)等子程序組成，主程序流程見圖4. 其中，系統(tǒng)初始化子函數(shù)如下：

2.2 通信子程序

發(fā)射終端主要負(fù)責(zé)采集與患者靜脈輸液相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過(guò) STR-30無(wú)線通信模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到護(hù)士工作站，通信子程序流程圖見圖5.

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

圖 5 通信子程序流程圖

程序啟動(dòng)后首先檢測(cè)是否有功能鍵按下，若此鍵已按下，則跳過(guò)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)子程序，取而代之的是延時(shí)等待. 等待的時(shí)間與讀取滴數(shù)、液位等數(shù)據(jù)所用的時(shí)間相當(dāng)，這樣不論功能鍵是否按下，數(shù)據(jù)更新的速度不會(huì)相差太大. 讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到護(hù)士工作站. 當(dāng)工作站接收終端收到完整的一幀數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)返回一個(gè)應(yīng)答代碼給發(fā)射終端. 若發(fā)射終端在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后沒有收到應(yīng)答代碼，說(shuō)明這幀數(shù)據(jù)傳輸失敗，系統(tǒng)將自動(dòng)重啟無(wú)線發(fā)送程序.

2.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

無(wú)線數(shù)據(jù)通信的信息包含靜脈注射的滴數(shù)、液位、體溫及告警等數(shù)據(jù). 通信數(shù)據(jù)幀包括數(shù)據(jù)中的幀頭、幀尾及“握手”信令、從站機(jī)身份信息、排隊(duì)信息、前后數(shù)據(jù)幀之間的約束信息等，結(jié)構(gòu)如圖6所示. 當(dāng)收到幀頭信息時(shí)，系統(tǒng)首先識(shí)別“握手”信令和“身份”，再判別數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，然后接收數(shù)據(jù)類型等信息，確認(rèn)后即接受后續(xù)信息并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理. 當(dāng)收到幀尾信息時(shí)，系統(tǒng)將接收信息保存，同時(shí)恢復(fù)信令給下位機(jī)，本幀信息接收完畢. 圖6數(shù)據(jù)幀中的“D”是實(shí)際數(shù)據(jù)，分別是滴數(shù)、液位、體溫或脈搏等信息. 由于這些數(shù)據(jù)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，因此傳送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)發(fā)生沖突.

圖 6 通信數(shù)據(jù)幀數(shù)結(jié)構(gòu)

2.4 數(shù)據(jù)接收流程

上位機(jī)通過(guò)串行通信接口與STR-30無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊鏈接，串行接收數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示.上位機(jī)通常處于“待命”狀態(tài)，當(dāng)接收到下位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求時(shí)，上位機(jī)將給予回復(fù)，若上位機(jī)處于“繁忙”之中，則發(fā)出“繁忙”信息，下位機(jī)將重發(fā)信息. 上位機(jī)接收到完整的信息后發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信息，結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入待命狀態(tài).

圖7 串行接收數(shù)據(jù)的流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

基于 STR-30的無(wú)線靜脈注射監(jiān)控系統(tǒng)集光電檢測(cè)、無(wú)線通信、報(bào)警等多項(xiàng)功能，通過(guò)實(shí)際使用表明：該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸式的雙重探測(cè)、雙重保險(xiǎn)，對(duì)病人輸液過(guò)程進(jìn)行24 h自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)時(shí)報(bào)警和提示各種突發(fā)和危險(xiǎn)情況等功能；系統(tǒng)可將接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，報(bào)警信息由護(hù)士工作站的主機(jī)通過(guò)無(wú)線電方式傳送到護(hù)士隨身攜帶的PDA上，使值班護(hù)士能及時(shí)掌握患者靜脈輸液的實(shí)時(shí)信息；另外，系統(tǒng)還預(yù)留了接口擴(kuò)展的功能.

[1]梁維銘. 輸液速度自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)[J]. 廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2002 (11): 35-38.

[2]MATSUMOTO T, KITAGAWA Y, ADACHI M, et al. Profile measuring method based on reflection 1 characteristics at a critical angle in a right-angle prism[J]. Applied Optics, 1991, 30(22): 3 205-3 209.

[3]何立民. MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[4]孫媛媛，趙秋生，肖靜敏. 新型自控輸液器的研制[J]. 天津醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2001, 7(2): 196-197.

[5]FAINMAN Y, LENZ E, SHAMIR J. Optical profilometer: a new method for high sensitivity and wide dynamic 1 range[J]. Applied Optics, 1982, 21(17): 3 200-3 208.

[6]何立明. 單片機(jī)原理教程A1BC[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[7]陳得寶，魏華，張亞萍. 89C52單片機(jī)在輸液裝置中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2004, 10(4): 32-34.

[8]李華. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[責(zé)任編輯：孫建平]

Design and Implementation of the Monitoring and Controlling System of Intravenous Injection Based on STR-30

WEN Ming-feng1, GUO Hong-wei2, PAN Yu-jin2, LIAO Xi-chun2
(1.Jiangmen Wuyi Traditional Chinese Medicine Hospital, Jiangmen 529000, China; 2. School of Information Technology, Wuyi University, Jiangmen 529020, China )

An intravenous injection monitoring system involving wireless communication technology, sensors, and STR-30 can accomplish the completely automatic, wireless and instant monitoring of the whole process of intravenous injection. It is safe and efficient and can digitize medical information.

wireless communication technology; digitization of medical information; infrared sensors

TN92

A

1006-7302（2010）02-0006-29

2009-11-12

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009B010800012）

溫明鋒（1967—），男，福建上杭人，工程師，研究方向：醫(yī)療信息化管理與數(shù)字信息處理技術(shù)，E-mail: jmwmffmw@tom.com；廖惜春，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，E-mail: wylxc@126.com.