基于TCS230顏色傳感器的內(nèi)瘺出血報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

陳興富，鐘小仕，黃垂文，許世林，吳若梅，劉巖

1. 廣州市紅十字會醫(yī)院，廣東 廣州 510220；2. 中山大學(xué)腫瘤防治中心，廣東 廣州 510060

引言

在血液透析治療過程中，動靜脈內(nèi)瘺作為最常用的血管通路，在使用的過程中存在多種因素導(dǎo)致其滲血或大出血[1]。在實(shí)際臨床上，由于透析病人躁動或無意識的改變體位，都有可能引起動靜脈穿刺針的脫落或穿刺部位滲血，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理則極容易造成醫(yī)療事故。對于這種情況，目前只能通過加強(qiáng)護(hù)理人員的巡視或加強(qiáng)對病人的約束[2]，或在日常宣教中交待治療過程中的注意事項(xiàng)，如透析過程中避免大幅度移動穿刺側(cè)肢體、翻身，以免引起導(dǎo)管牽拉，導(dǎo)致穿刺針脫落[3]。即便如此，仍然不能杜絕穿刺針脫落的可能。由于血泵轉(zhuǎn)速高，如發(fā)生動脈脫針，往往等到空氣從動脈管進(jìn)入，到達(dá)空氣監(jiān)測器才發(fā)出報(bào)警[4]。如出現(xiàn)靜脈針脫落的情況，需要等到靜脈壓力下降到透析機(jī)報(bào)警限才能觸發(fā)報(bào)警，短時(shí)間內(nèi)將流失幾百毫升血液，導(dǎo)致嚴(yán)重的醫(yī)療事故發(fā)生[5]。目前，透析機(jī)通過監(jiān)測動靜脈壓力變化來判斷外周血液循環(huán)是否安全，即動脈壓和靜脈壓的每個(gè)壓力值都有一個(gè)高限報(bào)警和一個(gè)低限報(bào)警，而實(shí)際壓力值處于兩個(gè)報(bào)警值之間，實(shí)際值是動態(tài)波動的。從臨床應(yīng)用上看，該方法是有效、安全的，但還是存在缺陷：當(dāng)靜脈端脫針時(shí)，在血泵高速轉(zhuǎn)動的作用下，針尖在血管里面的壓力和在體外的壓力差別不大，脫針導(dǎo)致的壓力變化不能觸發(fā)透析機(jī)報(bào)警。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本裝置的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理的基于TCS230顏色傳感器的內(nèi)瘺出血報(bào)警裝置設(shè)計(jì)，保障患者透析治療安全。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)

本裝置整體結(jié)構(gòu)，見圖1。本裝置可分為穩(wěn)壓電源、單片機(jī)、顯示屏、報(bào)警裝置、檢測探頭等幾部分。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

TCS230顏色傳感器具有濾波功能，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過[6-7]。準(zhǔn)確率高、誤報(bào)率低是我們所要追求的，紅色濾波器在檢測暗紅色血液時(shí)不夠靈敏，這就需要對顏色進(jìn)行全面識別。

TCS230根據(jù)光的三原色機(jī)理就能進(jìn)行顏色識別[8]，TCS230顏色傳感器測量的是RGB的頻率值[9]，芯片內(nèi)部集成了積分式A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字信號輸出, 因此抗干擾能力比同類芯片強(qiáng)[10]。選用TCS230顏色傳感器制作顏色分辨濾波器時(shí)，只需通過接通不同引腳即可開通不同的濾波方式，不同的顏色對應(yīng)不同的頻率。其中，TCS230管腳功能表，見表1[11]。

表1 邏輯功能表

2.2 算法補(bǔ)償

TCS230 顏色傳感器是一種具有數(shù)字兼容接口的顏色傳感器，因此可以不通過額外設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，就能使用單片機(jī)控制直接對數(shù)字信號進(jìn)行采樣[12]。光線的強(qiáng)弱直接影響到TCS230顏色傳感器的輸出。在本設(shè)計(jì)檢測之前需要進(jìn)行白平衡調(diào)整，這是因?yàn)闄z測需要有穩(wěn)定的亮度和色度值做判斷依據(jù)[13]。當(dāng)?shù)谝淮问褂孟到y(tǒng)、更換光源或者重啟TCS230傳感器識別模塊等情況時(shí)，需要進(jìn)行白平衡調(diào)整[14]?？紤]到本裝置的使用環(huán)境，無法在密閉的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，可以粗略地進(jìn)行白平衡調(diào)整。在本設(shè)計(jì)中，白平衡調(diào)整前先制作好平衡光源的供給，然后準(zhǔn)備一根直徑約10 mm的透明玻璃管放置在傳感器的上方，另外一端接一個(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230芯片上（圖2）。TCS230顏色傳感器的輸出端直接接到單片機(jī)中，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對應(yīng)于實(shí)際測試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值，一般用于測量靜態(tài)物體顏色。

圖2 白平衡調(diào)整

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)應(yīng)用在一個(gè)開放性的環(huán)境，受外界光線影響大，而且血液的顏色也有暗紅和鮮紅之分，所以通過在距離傳感器10 mm處測量若干個(gè)相近的“血液”顏色的色卡來驗(yàn)證。

2.3 夾管閥電路設(shè)計(jì)

夾管閥電路設(shè)計(jì)如圖3所示。由單片機(jī)IO口輸出低電平控制夾管閥的電磁閥，采用了光電耦合的方式實(shí)現(xiàn)。夾管閥的設(shè)計(jì)是非常有必要的，利用電磁閥通電吸合的原理，觸發(fā)報(bào)警后夾閉血路管，防止血液繼續(xù)流失，并促使血液透析機(jī)感知到壓力升高觸發(fā)報(bào)警，停止血泵繼續(xù)轉(zhuǎn)動，有效地保證病人安全。

圖3 管路夾電路圖

2.4 報(bào)警器設(shè)計(jì)

報(bào)警器的設(shè)計(jì)相對簡單，主要是利用單片機(jī)輸出低電平來驅(qū)動蜂鳴器工作。報(bào)警器電路圖如圖4所示。

圖4 報(bào)警器電路圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本文中漏血檢測是通過TCS230顏色傳感器感知到紅色來判斷為漏血的。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，傳感器進(jìn)行初始化，當(dāng)傳感器接收到符合紅色的RBG值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，發(fā)出聲光報(bào)警并夾閉管路，直到接收到解除報(bào)警的復(fù)位指令。該報(bào)警裝置的軟件處理框圖，見圖5。

4 模擬測試及臨床試驗(yàn)

4.1 模擬測試結(jié)果

通過紅色色卡模擬血液進(jìn)行測試，將選取40 mm×40 mm色卡放置到傳感器上方（圖6）。模擬測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表2。結(jié)果顯示，傳感器與被檢測物體距離為5 mm時(shí)，響應(yīng)靈敏度為最高，隨著被檢測物體距離增加，響應(yīng)靈敏度逐漸降低，當(dāng)被檢測物體超過25 mm時(shí)，無法檢測。原因可能是傳感器和色卡沒有做成密閉檢測方式，同時(shí)受平衡光源和外界光線的干擾影響。

圖5 軟件處理框圖

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.2 臨床試驗(yàn)

在結(jié)合原理論證的基礎(chǔ)下，做出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證臨床上的使用效果，樣機(jī)設(shè)計(jì)主要包括：顏色分辨?zhèn)鞲衅?、液晶顯示模塊、單片機(jī)、聲光報(bào)警裝置、托盤、魔術(shù)貼、透明塑料底板和管路夾。具體實(shí)施過程如圖7所示。傳感器與被監(jiān)測手之間采用透明塑料隔開，防止血液直接接觸到傳感器，傳感器與手之間的間距為5～15 mm時(shí)最佳。實(shí)驗(yàn)開始后將穿刺后的手平放到透明塑料底板上，將需要監(jiān)測的部位放置到檢測傳感器上方，把透析血路管安放至管路夾中，固定好魔術(shù)貼。

圖7 初樣圖

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)啟動后，檢測傳感器數(shù)據(jù)初始化，檢測傳感器上的LED開啟，為檢測傳感器提供平衡光源。當(dāng)出現(xiàn)出血時(shí)，血液流到傳感器檢測范圍將被感知，機(jī)器將發(fā)出聲光報(bào)警，并夾閉血路管，防止血路管的血液丟失，同時(shí)因?yàn)閵A閉后，使得血路管內(nèi)壓力升高，從而觸發(fā)透析機(jī)靜脈壓高限報(bào)警，停止血泵繼續(xù)轉(zhuǎn)動，防止血泵轉(zhuǎn)動造成血路管內(nèi)壓力過高，血液凈化是利用透析器膜間壓力來實(shí)現(xiàn)彌散、對流，當(dāng)膜表面壓力超過耐受壓后將會導(dǎo)致膜破損。經(jīng)過臨床研究表明[16]，內(nèi)瘺出血報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)方案有效可行，本裝置發(fā)出報(bào)警后到透析機(jī)聯(lián)動報(bào)警僅需5 s。從臨床實(shí)際應(yīng)用中可以看出，傳感器上方鋪墊一張白色紡紗能增加報(bào)警的靈敏度，因?yàn)檠河|碰到紡紗時(shí)呈放射狀擴(kuò)散，增大了傳感器檢測的覆蓋有效面積。檢測傳感器上加裝LED，為傳感器提供平衡光源，即使棉被覆蓋住病人的手都可以正常監(jiān)測。

5 結(jié)論

基于TCS230顏色傳感器的內(nèi)瘺出血報(bào)警裝置設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于通過顏色分辨的原理，對穿刺部位滲血或穿刺針脫落的情況有效及時(shí)地發(fā)出報(bào)警，并夾閉血路管，把患者血液丟失量降到最低，同時(shí)與透析機(jī)發(fā)生聯(lián)動報(bào)警，降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，保證患者安全。以往的研究存在以下局限性：雖能發(fā)出報(bào)警，但未能做出其他處理，如未能第一時(shí)間夾閉血路管，在醫(yī)護(hù)人員聽到報(bào)警趕到現(xiàn)場處理的過程中未能把病人的危險(xiǎn)系數(shù)降低；不能和透析機(jī)發(fā)生聯(lián)動報(bào)警，透析機(jī)繼續(xù)正常轉(zhuǎn)泵的情況下，血液流失得更快或者引入大量的空氣，導(dǎo)致血液空氣栓塞。本研究下一步需要解決的是該裝置的舒適性和方便性，最好是能與透析機(jī)融合一體，作為透析機(jī)一個(gè)輔助報(bào)警功能。