智能監(jiān)控靜脈輸液系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：靜脈輸液是一種醫(yī)療護(hù)理中常見(jiàn)且重要的臨床診療手段，因其可以達(dá)到快速治療效果被廣泛使用[1]。但目前醫(yī)院在進(jìn)行輸液治療時(shí)普遍采用人工監(jiān)護(hù)的傳統(tǒng)方式，依靠陪護(hù)或護(hù)士進(jìn)行人工觀察，在輸液過(guò)程中，醫(yī)務(wù)人員一般使用手動(dòng)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器來(lái)控制輸液速度，藥液溫度受周圍環(huán)境影響嚴(yán)重，對(duì)于輸液的速度和溫度無(wú)法精確控制[2]，從而導(dǎo)致患者的治療效果得不到保障。因此，為了克服在輸液時(shí)由患者、陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員無(wú)法及時(shí)觀察藥液余量、耗費(fèi)人力以及輸液效果低的弊端，本研究研制了一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集合光電檢測(cè)技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)，由液面檢測(cè)模塊、按鍵控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、流速檢測(cè)模塊、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊、流速控制模塊以及液體加熱驅(qū)動(dòng)模塊等模塊構(gòu)成硬件電路。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸液過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)控，保障了病人的治療效果的同時(shí)，減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作量。

關(guān)鍵詞：靜脈輸液;單片機(jī);紅外傳感器;自動(dòng)控制;監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）11-0105-02

1 前言

靜脈輸液是一種重要的臨床治療方法，主要通過(guò)向靜脈輸入藥液進(jìn)行康復(fù)治療[2]。然而，在病人的治療過(guò)程中，主要是依靠家庭成員和護(hù)士協(xié)同照顧與治療，護(hù)士須頻繁巡查、工作效率低。由于靜脈輸液是把藥物直接送到靜脈內(nèi)，輸液速度的快慢對(duì)治療效果影響很大，當(dāng)輸液流速過(guò)快時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致血管脹大，患者感到疼痛。當(dāng)輸液過(guò)慢時(shí)，在相同的治療效果下，浪費(fèi)了多余的時(shí)間。尤其在冬天時(shí)，氣溫低下，藥物長(zhǎng)期室內(nèi)放置，導(dǎo)致其溫度低于人體溫度，當(dāng)把藥物直接輸送進(jìn)血液后，會(huì)造成身體局部偏冷等不良反應(yīng)，無(wú)法發(fā)揮最佳藥效。另外，在輸液過(guò)程中，會(huì)遇到滴速異常、堵針、藥液滴完未拔針等情況，若未及時(shí)處理，不僅會(huì)影響預(yù)期治療效果，甚至?xí)＜安∪松黐3]。在當(dāng)代的醫(yī)療監(jiān)護(hù)中，靠人為監(jiān)護(hù)的傳統(tǒng)方式已經(jīng)不能滿足信息化、多元化的監(jiān)護(hù)需求。所以設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)智能輸液監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)是很有必要的。

本文針對(duì)人工監(jiān)測(cè)輸液過(guò)程存在的各種隱患，提出了一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，利用光電式檢測(cè)技術(shù)與STC89C52單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)不僅可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制輸液速度、提醒護(hù)士及時(shí)更換藥液、對(duì)低溫藥液加熱等功能，還可以減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)保障了病人的輸液效果。

2 整體的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用光電技術(shù)與STC89C52單片機(jī)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以STC89C52單片機(jī)為主控單元進(jìn)行信號(hào)的控制與分析，設(shè)計(jì)原理方框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)通過(guò)流速檢測(cè)模塊檢測(cè)流速，在LCD顯示模塊顯示實(shí)時(shí)流速，系統(tǒng)通過(guò)按鍵控制模塊設(shè)定了流速的上下限值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到流速不在設(shè)定流速上下值之間時(shí)，啟動(dòng)流速控制模塊，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而拉動(dòng)連接輸液瓶的導(dǎo)線來(lái)調(diào)整輸液瓶高低，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)滴流速。通過(guò)液面檢測(cè)模塊檢測(cè)液面，當(dāng)液面低于設(shè)定液面位置時(shí)，報(bào)警模塊啟動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到藥液溫度過(guò)低時(shí)，加熱驅(qū)動(dòng)模塊自動(dòng)打開(kāi)對(duì)藥液進(jìn)行加熱，并且可以通過(guò)按鍵模塊手動(dòng)開(kāi)關(guān)加熱裝置。最終，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜脈輸液的智能控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主控單元

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主以芯片STC89C52為主控單元，STC89C52單片機(jī)是功能強(qiáng)大、性能好、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好的芯片。本模塊是設(shè)計(jì)的主控制單元，用來(lái)接收與處理信號(hào)，給各個(gè)模塊下達(dá)指令信號(hào)使其達(dá)到想要的功能。

3.2 流速檢測(cè)模塊

本模塊由一對(duì)紅外對(duì)管、LM393電壓比較器、LED1、若干電阻組成。通過(guò)LM393電壓比較器的引腳1與單片機(jī)STC89C52的引腳P33相連。依據(jù)紅外線在藥液中會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)藥液滴下時(shí)，紅外接受管接收不到紅外線就會(huì)截止。當(dāng)藥液滴過(guò)時(shí)，紅外接受管接收到紅外線而導(dǎo)通。此模塊采用了一對(duì)紅外對(duì)管，紅外接收管有兩個(gè)端口，一端與GND連接，另外的一端與LM393電壓比較器的IN+引腳連接，當(dāng)液滴滴下時(shí)紅外接收管截止，LM393電壓比較器的IN+處電壓小于IN-電壓，OUT輸出低電平“0” [4]。反之，沒(méi)有液滴落下時(shí)，OUT輸出端輸出高電平“1”。當(dāng)流速過(guò)快時(shí)LM393電壓比較器輸出端的高低電平變化頻率加快，LED1的閃爍頻率也會(huì)加快。同理，當(dāng)流速過(guò)慢時(shí)高低電平交換頻率變慢，LED1的閃爍頻率變慢。單片機(jī)通過(guò)LM393電壓比較器通過(guò)輸出高低電平變化快慢來(lái)計(jì)算液體流速?？梢酝ㄟ^(guò)觀察LED1閃爍頻率快慢來(lái)判斷流速快慢。該模塊在本系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)滴速檢測(cè)的功能。

3.3 流速控制模塊

本模塊采用ULN2003步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行流速的控制，ULN2003步進(jìn)電機(jī)的引腳1、引腳2、引腳3、引腳4分別與單片機(jī)STC89C52的引腳IN1、引腳IN2、引腳IN3、引腳IN4相連接。單片機(jī)控制ULN2003步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式為四相八拍驅(qū)動(dòng)邏輯模式。如果P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。

根據(jù)資料顯示，適合人體的輸液速度為40-60滴每分鐘[5]。在系統(tǒng)模塊中，以十秒為單位計(jì)算流速的范圍為8-10滴每十秒。當(dāng)流速檢測(cè)模塊檢測(cè)液體滴落速度超過(guò)10滴每十秒時(shí)，此時(shí)單片機(jī)的P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000，從而控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，降低輸液瓶高度，調(diào)節(jié)滴速變慢到正常速度;同理當(dāng)流速檢測(cè)模塊檢測(cè)液體滴落速度低于8滴每十秒時(shí)，此時(shí)單片機(jī)的P2.1到 P2.4端口輸入相反指令，從而控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，提高輸液瓶高度，使滴速加快到正常速度。本模塊起到對(duì)流速控制的作用。

3.4 液面檢測(cè)模塊

本模塊由一對(duì)紅外對(duì)管，LM393電壓比較器，LED2以及若干電阻組成。通過(guò)LM393電壓比較器的引腳1與單片機(jī)STC89C52的引腳P32相連。本模塊采用一對(duì)紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)，其原理和流速檢測(cè)模塊一樣。系統(tǒng)采用了一對(duì)紅外對(duì)管，紅外接收管的兩個(gè)端口，一端與GND連接，另外的一端與LM393電壓比較器的IN+引腳相連，當(dāng)液面處于距點(diǎn)滴瓶底部4CM以上時(shí)紅外接收管不導(dǎo)通，LM393電壓比較器的IN+處電壓小于IN-電壓，OUT輸出低電平“0”，這時(shí)LED2就會(huì)亮。反之液面處于警戒線以下時(shí)，OUT輸出端輸出高電平“1”， LED2就會(huì)滅。通過(guò)LED2的亮滅可以得知液面是否到達(dá)警戒線。該模塊在本系統(tǒng)的作用是檢測(cè)警戒液面。

3.5 溫度檢測(cè)模塊

在自動(dòng)輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)輸液進(jìn)行溫度的檢測(cè)，故加入一個(gè)溫度傳感器。溫度檢測(cè)模塊由一個(gè)10K電阻和DS18B20溫度傳感模塊組成。DS18B20溫度傳感器的2引腳與單片機(jī)STC89C52的引腳P22連接。DS18B20溫度傳感測(cè)溫產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)傳送給計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)算，最后傳到溫度寄存器的數(shù)值就是所測(cè)溫度。

DS18B20溫度傳感器內(nèi)部通過(guò)讀溫度、寫溫度、溫度存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換操作程序來(lái)完成溫度的檢測(cè)，從I＼O口向單片機(jī)傳送溫度信號(hào)。DS18B20溫度傳感器的2引腳與單片機(jī)STC89C52的引腳P22連接，將采集到的溫度信號(hào)傳送給單片機(jī)，傳輸信號(hào)為數(shù)字信號(hào)無(wú)須A＼D轉(zhuǎn)換，通過(guò)顯示屏顯示檢測(cè)到的溫度。同時(shí)接一個(gè)10k的R18上拉電阻，保證傳感器在高電平時(shí)能完成正常的輸入輸出。這個(gè)模塊主要作用就是檢測(cè)液體的實(shí)時(shí)溫度。

3.6 液體加熱驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊由繼電器Kj1、兩個(gè)電阻R9，R10、一個(gè)LED3和一個(gè)三極管Q2組成。將加熱模塊的引腳2與單片機(jī)STC89C52的引腳P14相連。在本模塊中，為解決加熱片在啟動(dòng)時(shí)需要的電流高，導(dǎo)致整體電壓變低，影響到單片機(jī)和其他模塊的正常供電的問(wèn)題，在這個(gè)系統(tǒng)里加入了繼電器，用來(lái)控制加熱片的控制電路[6]。三極管Q2的作用是控制繼電器工作。當(dāng)液體加熱時(shí)LED3就會(huì)亮起。

單片機(jī)通過(guò)控制三級(jí)管的導(dǎo)通而控制繼電器，當(dāng)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到液體溫度低于10℃時(shí)，單片機(jī)的P14端口將呈現(xiàn)低電平，三極管會(huì)導(dǎo)通，使LED3點(diǎn)亮，繼電器閉合，從而驅(qū)動(dòng)加熱片進(jìn)行加熱工作;當(dāng)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到液體溫度高于10℃時(shí)，單片機(jī)的P14端口將呈現(xiàn)高電平，三極管會(huì)截止，使LED3熄滅，繼電器打開(kāi)，從而加熱片停止加熱工作。工作期間，可以通過(guò)觀察LED3的亮滅來(lái)判斷是否加熱。該模塊在本系統(tǒng)的作用是驅(qū)動(dòng)加熱片工作。

3.7 LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602液晶顯示屏是由若干個(gè)5×7或5×11等點(diǎn)陣字符位組成，其中的每個(gè)點(diǎn)陣字符位都能實(shí)現(xiàn)顯示一個(gè)字符。LCD1602液晶顯示屏上的4、5、6引腳分別是RS、RW和RN，與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2 I＼O口一一對(duì)應(yīng)相連。剩下7引腳至14引腳，分別與單片機(jī)的P0.0至P0.7共 8個(gè)I＼O口一一對(duì)應(yīng)相連。單片機(jī)的P0.0至P0.7端口是向LCD1602液晶顯示屏輸入數(shù)據(jù)的I＼O口。其中RS為寄存器選擇，接通高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，接通低電平選擇指令寄存器。RW為讀寫操作，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。EN為使能端，顯示屏可以執(zhí)行命令的前提是EN引腳處于低電平。該模塊在本系統(tǒng)的作用是顯示信息。

3.8 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊由LED4、蜂鳴器LS1、兩個(gè)電阻R7，R8和一個(gè)三極管Q1組成，報(bào)警模塊與單片機(jī)STC89C52的引腳P13連接。因?yàn)镾TC89C52單片機(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以加入了PNP型三極管 。當(dāng)液面處于距點(diǎn)滴瓶4CM下面時(shí)，液面檢測(cè)模塊的LM393電壓比較器OUT端輸出高電平信號(hào)給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令讓三極管導(dǎo)通，這時(shí)蜂鳴器的正極便會(huì)變成高電平，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，LED4亮起。反之報(bào)警模塊不會(huì)工作，LED4熄滅。該模塊對(duì)于液面低于警戒時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒病人和醫(yī)護(hù)人員。

3.9 按鍵控制模塊

在本次設(shè)計(jì)中，只需要設(shè)置一下流速的上下限值與最低溫度值，使用的按鍵數(shù)量不多。按鍵模塊設(shè)置了4個(gè)按鍵分別是K1、K2、K3、K4，分別與單片機(jī)STC89C52的引腳P34、引腳P35、引腳P36、引腳P37相連接。其中K1按鍵起到減的作用，K2按鍵起到加的作用，而K3按鍵則是主菜單按鍵，可以打開(kāi)控制最低溫度和滴速的上下限臨界值的界面。K4按鍵是控制加熱的手動(dòng)開(kāi)關(guān)。通過(guò)這4個(gè)按鍵就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滴速臨界值的上下限，菜單，溫度下限值，加熱等的設(shè)置。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序部分首先對(duì)將單片機(jī)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，對(duì)顯示部分，按鍵部分，蜂鳴器部分進(jìn)行相應(yīng)的邏輯設(shè)計(jì)，具體主程序流程圖如圖2所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以對(duì)靜脈輸液過(guò)程中的藥物滴速以及溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)與調(diào)整，并可通過(guò)顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，讓病人在輸液時(shí)能實(shí)時(shí)掌握動(dòng)態(tài)，保障治療效果。與此同時(shí)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)滴液界面具有自動(dòng)檢測(cè)功能，一旦檢測(cè)到輸液界面低于設(shè)置的最低界面時(shí)，將會(huì)自動(dòng)報(bào)警及時(shí)提醒護(hù)士進(jìn)行處理。因此，本系統(tǒng)可以讓護(hù)士實(shí)時(shí)地了解病人的輸液狀態(tài)，減輕護(hù)士人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也保障了病人的輸液效果，能實(shí)現(xiàn)輸液信息的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化管理。

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收稿日期：2021-10-08

基金項(xiàng)目：2019年湖南人文科技學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019QN09）

作者簡(jiǎn)介：蔡蓉（1988—） ，女，湖南益陽(yáng)人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮有畔㈩惤虒W(xué)。