摘 要： 研制了一種智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心，采用紅外對(duì)射的原理檢測(cè)茂菲管里是否有液滴滴落，同時(shí)采用蠕動(dòng)泵為滴速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)可以通過按鍵設(shè)置藥液滴速并顯示實(shí)時(shí)滴速。另外該系統(tǒng)還能在異常情況和輸液完畢時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并自動(dòng)關(guān)斷。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性高、成本低、安全衛(wèi)生、操作方便，在傳統(tǒng)醫(yī)療中具有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值和推廣性。
關(guān)鍵詞： 智能輸液；AVR單片機(jī)；蠕動(dòng)泵；自動(dòng)關(guān)斷
0 引言
靜脈輸液是一種重要的臨床藥物治療手段，是醫(yī)療監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中[1]。據(jù)醫(yī)學(xué)研究得知，藥液速度對(duì)于不同年齡段的人、不同的病人、不同藥物具有很大的差異性。并且它對(duì)于治療效果具有很大的影響，有的甚至?xí)绊懟颊叩纳鹘y(tǒng)輸液速度的調(diào)節(jié)是通過一個(gè)斜槽機(jī)構(gòu)，靠護(hù)士的經(jīng)驗(yàn)控制輸液速度，具有很大的不確定性。并且傳統(tǒng)輸液需要人為看護(hù)，這無疑增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量和意外事件發(fā)生的可能性?；谝陨锨闆r，本文設(shè)計(jì)一套智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用紅外對(duì)射原理檢測(cè)藥液滴速，利用AVR單片機(jī)控制蠕動(dòng)泵人為地調(diào)節(jié)藥液滴速并顯示實(shí)時(shí)滴速，并且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)速。當(dāng)異常情況發(fā)生或者輸液完畢時(shí)，該系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)關(guān)斷藥液。該系統(tǒng)不但可以減輕護(hù)理人員的工作量，還能使病人得到更好的休息和治療，可提高靜脈輸液的治療效果。該系統(tǒng)具有高可靠性、安全衛(wèi)生的特點(diǎn)，可廣泛在醫(yī)療行業(yè)推廣使用。該系統(tǒng)已經(jīng)做成實(shí)物并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)。
1 系統(tǒng)組成和工作原理
智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。主要包括液體滴速檢測(cè)模塊、PWM波調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊等電路。該系統(tǒng)選擇ATMEGA16作為控制核心。
1.1 藥滴檢測(cè)原理
該系統(tǒng)采用紅外傳感技術(shù)，將方形紅外對(duì)射裝置安裝在茂菲管兩側(cè)[2]。方形紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，紅外光穿過茂菲管照射到方形光敏三極管。方形光敏三極管將接收到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電流輸出。當(dāng)茂菲管沒有藥液滴落時(shí)，紅外光光強(qiáng)損失小，光敏三極管產(chǎn)生的光電流較大。當(dāng)茂菲管里有藥滴滴落時(shí)，藥滴吸收并散射大部分紅外光，紅外光光強(qiáng)損失較大，光敏三極管產(chǎn)生的光電流較小。采用圖2的電路將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。最終通過檢測(cè)光敏三極管輸出端的電壓變化來檢測(cè)茂菲管里是否有藥液滴落。
1.2 滴速檢測(cè)電路
滴速檢測(cè)電路主要由紅外發(fā)射、紅外接收、比較器整形三個(gè)部分組成，如圖2所示。
紅外發(fā)光二極管在5 V電源系統(tǒng)下持續(xù)發(fā)出恒定頻率的紅外光，當(dāng)茂菲管里沒有藥液滴落時(shí)，接收管輸出端的電壓較小，經(jīng)過比較器整形過后將在比較器端輸出一個(gè)接近5 V的高電平。當(dāng)有藥液滴落擋住紅外光時(shí)，接收管輸出端的電壓較大，經(jīng)過比較器整形將在比較器的輸出端輸出一個(gè)接近0 V的低電平。當(dāng)藥液不斷滴落時(shí)，將在比較器輸出端形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形波正向脈沖。波形如圖3所示。其中低電平代表有液滴滴下，高電平代表無液滴滴落。將比較器輸出端連接到AVR單片機(jī)P0.2引腳上，單片機(jī)通過檢測(cè)該脈沖的上升沿判斷是否有液滴滴落。
1.3 滴速調(diào)節(jié)原理和控制原理
該系統(tǒng)選擇蠕動(dòng)泵作為滴速調(diào)節(jié)的執(zhí)行元件。蠕動(dòng)泵是一種可控制流速的液體輸送裝置并且具有關(guān)斷功能，通過改變?nèi)鋭?dòng)泵兩端的電壓即可達(dá)到控制滴速的功能。蠕動(dòng)泵對(duì)藥液無污染，且蠕動(dòng)泵軟管易于更換，滴速控制精確，調(diào)速簡(jiǎn)單方便。該系統(tǒng)正是通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的端電壓來調(diào)節(jié)液體滴速。當(dāng)人為地設(shè)定滴速后，單片機(jī)將自動(dòng)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的端電壓，使得藥液滴速與設(shè)定值相近，并在數(shù)碼管顯示出實(shí)時(shí)滴速。
1.4 滴速調(diào)節(jié)電路
滴速調(diào)節(jié)電路由前級(jí)濾波電路和后級(jí)放大電路組成，如圖4所示。該電路的PWM0連接到單片機(jī)P1.4口，DAOUTO和DGND連接到蠕動(dòng)泵兩端。該系統(tǒng)通過單片機(jī)改變PWM波的占空比來調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的輸出電壓在0 V~10 V之間變化，從而改變液體的滴落速度，最終間接實(shí)現(xiàn)了通過改變P1.4口PWM波占空比來調(diào)節(jié)液體的滴速。自動(dòng)關(guān)斷模式就是單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)使得輸出電壓為0 V。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的軟件包括主程序、滴速檢測(cè)、PWM波調(diào)速、按鍵滴速設(shè)置、數(shù)碼管顯示、報(bào)警功能等子程序。智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流程圖如圖5所示。
2.1 滴速測(cè)量子程序
檢測(cè)藥液滴速的方法有測(cè)頻和測(cè)周兩種方式，該系統(tǒng)選擇測(cè)周的方式測(cè)量藥液的滴落速度，分析如下。
（1）測(cè)頻，在固定時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)量點(diǎn)滴的個(gè)數(shù)以得到當(dāng)前點(diǎn)滴速度：V=n/T。由于這種方法在點(diǎn)滴速度較慢時(shí)需要的測(cè)速周期過長，如點(diǎn)滴速度為20滴/s時(shí)，測(cè)取相鄰兩滴的間隔時(shí)間至少為3 s，而設(shè)定的時(shí)間段必須遠(yuǎn)大于3 s。這樣就很難達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，而且此時(shí)誤差也會(huì)相對(duì)變大。
?。?）測(cè)周，系統(tǒng)中利用軟件方式定義了一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘利用定時(shí)器中斷計(jì)時(shí)。通過外部中斷使其啟動(dòng)及復(fù)位，并讀取時(shí)間T，進(jìn)而利用下式計(jì)算出點(diǎn)滴速度：V=60 n/T（滴/min），式中T的單位為s。測(cè)周的誤差與系統(tǒng)定時(shí)的誤差有關(guān)，所以該系統(tǒng)選取計(jì)時(shí)精度為1 ms；考慮到實(shí)時(shí)性的要求，選取n為1，實(shí)踐表明，此種測(cè)量方案完全能達(dá)到精度要求。
由于一些客觀原因，該系統(tǒng)測(cè)量的滴速波動(dòng)性比較大，為了能準(zhǔn)確測(cè)量滴速不致于偏差太大，采用了連續(xù)測(cè)量3個(gè)液滴的周期總和再取平均值的方法，較好地減小了誤差。程序流程圖如圖6所示。
2.2 PWM波調(diào)速子程序
智能輸液滴速調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以設(shè)置滴速。通過蠕動(dòng)泵自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)使輸液滴速調(diào)節(jié)至設(shè)定值，其原理是通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵兩端的電壓，從而間接影響其轉(zhuǎn)速，因此可以建立占空比與滴速的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
PWM脈寬調(diào)制可以通過調(diào)節(jié)其占空比，通過后續(xù)電路處理，來控制輸出電壓。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)[3]。
該子程序采用兩個(gè)定時(shí)器。采用定時(shí)器T0來控制頻率，定時(shí)器T1來控制占空比。大致的編程思路：T0定時(shí)器中斷讓一個(gè)I/O口輸出高電平，在T0中斷當(dāng)中起動(dòng)定時(shí)器T1，而這個(gè)T1是讓I/O口輸出低電平，這樣改變定時(shí)器T0的初值就可以改變頻率，改變定時(shí)器T1的初值就可以改變占空比。
如果不需要改變頻率，只需要改變占空比，那么只需要用一個(gè)定時(shí)器即可。此時(shí)定時(shí)一定的時(shí)間，讓一個(gè)I/O口循環(huán)顯示高低電平即可。具體流程圖如圖7所示，圖中sbit_pwm為PWM波輸出I/O口。
3 產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析
從表1分析得出，無論是在全過程范圍內(nèi)，還是在一個(gè)較小的調(diào)整范圍內(nèi)，實(shí)際誤差最大為3滴/min。該數(shù)據(jù)證明該系統(tǒng)具有較高的可靠性和精確性。
4 結(jié)束語
本文通過軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套智能輸液速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的病人設(shè)置不同的輸液滴速，并自動(dòng)精確地調(diào)速到設(shè)定滴速。該系統(tǒng)能夠測(cè)量并顯示輸液滴速。當(dāng)輸液完畢或者有突發(fā)情況時(shí)，該系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警并關(guān)斷輸液裝置。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)安全、衛(wèi)生、操作方便、可靠性高、精確度高，并有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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