基于红外光电传感应用的智能输液监测器

基于红外光电传感应用的智能输液监测器

杨亚宁1,韩兴海2,穆岩1,朱浩胜1,柏雪1,李志武1

大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆 163712；

2.沈阳工业大学材料科学院与工程学院，辽宁省沈阳 110870）

摘  要：为了更好地缓解医务人员工作压力，降低输液过程中医疗事故发生率，基于红外线技术，制作基于红外光电传感应用的智能输液监控器。本检测器依据红外线对液滴下落的感应时长来分辨滴速，能精确测量和显示静脉输液的滴速，并在输液出现异常时发出声光报警。同时，利用Zigbee模块进行输液信息的无线数据传输，将输液情况反馈给医护人员或患者家属，完成智能化输液监测。该智能输液监控器的运用可降低输液风险并提高诊疗效率，对临床医学护理具有极大的助力作用。

关键词：红外对射技术；Zigbee；输液监测

0 引言

输液做为医疗护理行业的关键治疗方式，因其治疗便捷、刺激性小、效果好而被广泛运用。现阶段在医疗设备中，仍采取传统化的检测方法开展输液治疗，即医护人员依据工作经验调节输液速度，患者或家属需时刻关心输液瓶里的药品含量。当输液即将完成时，需通告医护人员换药或终止输液。但是，目前这种输液监护方式存在着很多缺陷。首先，只有根据人眼分辨输液快慢，无法更加准确判断液滴滴速，治疗全过程中可能出现一些安全风险，会对患者的身体造成非必要的损伤[1]。其次，像中国这样的人口大国，医患比例严重失衡，医护人员工作量巨大，有时候无法兼顾到每一个患者，但在输液完成或出现输液异常时，如果不能及时停止输液，也极容易对患者造成伤害，严重可危及到患者生命。为了减缓医疗人员工作压力，降低输液事故率，我们利用红外光电传感器技术设计制作一款监测方法良好、体积小、并且不与药物接触的、能够实时传输输液信息的智能输液监控器。该装置能够很好的监测输液情况，并可以将输液信息实时传递给医护人员或家属，大大提高了医疗安全。

1 输液监测研究现状与分析

为了更好的监护输液患者和提高医疗效率，降低静脉输液的事故率。多年来国内外科研工作者对静脉输液的监控进行了很多种尝试，研究出多种不同方法的输液监控设备[3]。

①机械式输液监护

早在1985年时就有人提出了这种检测方法[4]。其原理是吊瓶中的液体液位的下降会导致液体的重量有所改变，再通过弹簧秤实现对输液瓶的称重。但这个方法的缺点就在于输液瓶的重量千变万化，而且弹簧秤的精确度可能不够，操作不便利，可靠性很差[2]。

②电容式输液监护

该方法的原理是利用吊瓶中的液体液面移动能导致电容改变，进而产生电流脉冲，通过脉冲判断是否有异常发生[5]。此类方法在理论上操作性比较高，但由于实际生活中吊瓶的容量千差万别，如果想要完美的在每个吊瓶上使用此设备，那么就需要许多不同规格的电容。电容式输液监护材料需求大并且操作麻烦，因此不适合推广应用。

③电极式输液监护

当莫菲式管被插入到液体中时，液体的下落将会带来中断信号，对这些中断信号进行收集和分析便可以估算出输液的速度等信息[6]。但是由于在操作过程中，药物不可避免会和电极进行接触，会对药液造成污染。而液体遇上电极也有可能发生设备问题，故不方便实施。

④光电式输液监护

这个方法利用了液体对光的吸收、散射作用，通过检验光的残余量来测量输液速度[7]。莫菲试管的发送端和接受端被分别安排在滴斗两侧，当有液体经过两者之间的时候，液滴会对光产生作用而使其发生变化，接收端感知到变化后，把光信号的变化转变为脉冲信号，下一级单元对电信号进行分析处理，然后微处理器经过再次分析后得到输液信息。这种装置不用放在液体内，不必和药物发生接触，也就不能污染药物。并且不限吊瓶的容量和规格，有很强的适用性。

除此之外，在研究过程中还出现光纤式检测法和超声波式检测法等诸多液体检测方法，但是这些方法也存在着诸多不足之处，比如成本高性价比低，使得设备并没有被广泛应用。

综上，针对目前输液监控系统设计中存在的不足，本设计提出基于STC89C52单片机和对射式红外光电传感器的智能输液监控报警器[8]。本监控器不仅能够实现实时监测液滴滴定情况，而且通过才采用Zigbee数据传输模块能够实现远端的数据传输，若输液结束或输液异常则会迅速响应报警，通知医护人员或患者家属。在实际应用中也可大大减少看护的投入成本，产品如果投入医疗应用市场，将会受到极大的欢迎。

2  输液检测器设计方案

依据设计目标，提出设计方案为根据红外线发光二极管的发送和红外接收管的接受，将光信号转换为电信号，随后由单片机设计判断是否有液滴滴落，再通过声光报警传递信号。输液间隔时间的限制和最低值可以依据患者的身体情况设置。一旦超过设置范畴，就会发出声光报警器，警报时长随医护人员对医患进行换瓶或拔针处理而停止；这也是现阶段特定的硬件配置构造。为了更好地完成输液监管的智能化系统，缓解患者亲属和医护人员的压力，我们还使用Zigbee无线模块开展传输数据，完成对患者输液的远程控制实时监控系统，完成智能互联的总体目标

[4]。总体方案设计计划方案如下图1所显示。

图1  设计框架图

2.1检测模块

精确的液滴数据信号收集是测算液滴速率的关键，因此人们选用红外线液滴检验控制模块来进行液滴数据信号收集[9]。红外传感器就是指运用红外光的一些特性开展测定的一种感应器。红外感应的特性包含反射、消化吸收、透射、干预、映射等。红外传感器检验时，不与被测液滴触碰，降低了对实验报告的影响，使实验精确；不仅功耗低且灵敏度高。这种优势也促使红外传感器获得广泛运用，如检测和限速[10]。

在具体制作中，红外传感器法分为两种，即反射式红外传感器和红外对射式红外传感器。反射式温度传感器的机理是向水面发送红外线，协调器根据接受水面反射的光来分辨液位仪。但在实验过程中，反射光的强度并没有之前强度高，这是因为水会消化吸收一部分光。而且因为液滴下落会带动水面产生波动，使得入射光的角度有所不同，所以反射光的位置是在不断变动的，用此方法不太合适。对射式红外传感器是直接向接收端发射红外光，根据接收到的光强判断是否有液滴滴落。在调研中我们发现对射式传感探测比反射式好[11]，所以我最终采用这种方案来做输液速度检测如图2所示。检测电路如图3所示。

图2 对射式红外传感器原理图

当打点滴缓存管内并没有液滴时，因为并没有液滴天然屏障，红外线可以根据。在Q1的检测系统软件中接受LED D3传出的它会在电路中造成较强的交流电和工作电压差。输出端LED不发亮，因为它不导电性，这代表着并没有液滴根据[12]。如图3所示，液体输送管缓冲区域通常有这两种情况。红外线报警器系统软件会依据读取到的红色光抗压强度来判定能否有液滴。LM393的输出端接入到MCU的IO端，利用MCU的计时器作用来测定2个上升沿中间的间隔时间。与此同时，LM393处理芯片的输出造成对应的单脉冲，单片机设计对单脉冲开展解析并作出对应的回应来实际操作电路。高液位和低液位各自表明液滴的有无。

图3 红外液滴检测电路

2.2 报警模块

报警模块的主要构造结构为报警电路，如下图4所显示。假如监测到药液滴进输液缓冲管，PNP晶体管Q2的基极和发射极为高电平。在这样的情况下，晶体管Q2被关闭，而且传感的信息不可以被传送。这时，D2和BUZ1不工作中；假如监测到打点滴缓冲管中并没有药液滴下，Q2的基极极低，发射极极高，三极管关断，可以传送磁感应信息，D2和BUZ1工作中，全部电源电路处在正常的情况，系统软件会产生声光报警器，做到期望的目的。

图4 报警电路

2.3显示模块

显示模块部分我们采用LCD1602作为显示屏幕，LCD数码管作为显示单元，损耗低，寿命长，编程简单，所显示的限定时间是输液时点滴滴落的瞬时速度，当速度不在单片机编程所设定的液滴间隔时间范围内，整个装置会发出声光报警；通过显示屏上的数据，患者端就可以通过数字信息最直观的来判断输液速度快慢[15]。

2.4控制模块

团队选用STC89C52单片机设计做为控制及中心，红外线感应器检验滴落情况，明确滴落速率。输入系统由按键、红外线发光二极管和红外接收管构成，智能化输液操纵和警报系统由数码显示管和蜂鸣器构成，具备无线传输功能。初始值下，开启系统的轻触开关，机器设备进到运行状态。红外传感器电源电路实时监测液滴的滴落情况，并将液滴的滴落情况转化成高低电频数据信号，传递给单片机设计完成解决。

2.5数据传输模块

采用Zigbee模块进行数据传输，是一种低功耗、低成本、简单的无线网络通信技术，操作简单，可以实现对输液监控情况即液滴滴速等信息实时传输给远程监控的护士端，可以减轻医护人员的工作压力，使其能够在控制总站实时观测到患者们的输液情况并进行监护[4]。同时我们预设计能够接受数据信号的软件，来来更好的实现数据接受与传输功能，实现监测装置智能化。

图5 Zigbee数据传输模块应用示意图

3  输液监测器系统测试与手机无线传输应用展示

基于科学成熟的设计方案，团队购买了相应电子元件，制作了输液监测器，同时，编些了手机端应用App，输液监测器反复优化后的成品如图6所示。

图6 未封装实物图与封装实物图 （a.未封装   b.封装）

3.1属于监测器性能测试

首先进对设备进行液滴滴速测试，将一分钟内硬件液晶显示器中显示的滴速的平均值，记为实际滴速与无线接收端（护士端与患者端）的输液滴速信息对比，来测试监控设备准确性，以及输液异常报警功能测试。主要方案为：选择5组实际滴速进行实验对比，每组对比分析5次，每次测试为一分钟，记录这一分钟的所有滴速并计算其平均值，记为滴速1、滴速2、滴速3、滴速4、滴速5，来对比输出端输液信息与接收端输液信息是否控制在误差之内和异常情况是否及时报警。具体实验如下，以一次操作举例：首先，将注射器的莫非试管置于装置内，当装置监测到液滴滴落，指示灯进行闪烁，则在液晶显示屏幕上会显示液滴滴速，调节滑轮，如果滴速高于或低于所设定的滴速阈值，则会进行报警提示，若输液停止，则滴速为零，则也会进行报警处理，通过无线数据传输，在接收端接受输液信息或报警提醒。

实验测试结果表明，最大误差仅为±1滴/min，输液准确，在此基础上又对设备进行了滴速为零时的报警系统测试，在测试过程中报警及时，则已经实现系统设计要求，符合设计理念，具有应用可靠，功能强等优势。

3.2 手机无线信息传输功能

（a.输液检测器无线传输系统包括护士端输液管理系统和患者端输液监控系统，通过无线数据传输模块实现输液情况的实时反馈，能让患者端与护士端实时监测到输液状况，护士总站可以显示患者信息和输液情况以及报警功能，显示滴速与剩余时间， 患者端则同时具备输液异常报警和呼叫监控端功能，可以再出现异常第一时间对护士总站进行报警，同时，在输液即将完成之前，装置会自动预警护士总站，向其发出报警信号，告知护士即将输液结束，监护人员则进行换药或终止输液。

4结语

在目前，国内绝大多数医院和小型医疗中心进行输液治疗依然采用传统的人工方法，使得医护人员工作量大，疲劳等客观因素也会导致医疗事故发生的几率增大。因此，输液监控设施急需向着智能化，简约化，低成本化发展。因此，基于目前静脉输液检测装置的研发现状，我们研发了一款基于红外光电传感的智能输液监控报警器，装置具有体积小，成本低，不与药物接触，监测精度高，可通过电脑手机实时检测、实时报警的功能，这种新型医疗监控系统的出现可大幅度减轻医护人员的日常工作压力，同时也能减轻家属的陪护负担。产品如果投入医疗应用市场，将会受到极大的欢迎，只要做好宣传策划推广，必然会带来巨大的经济效

[参考文献]

[1]王亚楠,李平,叶苓,李菲,胡玉洁.静脉输液监测装置在输液安全管理中的应用[J].实用医学杂志,2017,33(05):831-834.

[2]王学建.双位红外感应输液及报警装置临床应用满意度调查[J].世界最新医学信息文摘,2016,16(A2):180+182.

[3]王海,王建卫,周熠,熊天润.基于单片机STC89C51输液监控装置报警系统的设计[J].电子制作,2016(23):20+22.

[4]叶苓,王亚楠,李平,刘蕾.基于ZigBee无线通讯的输液报警仪[J].中国医药导报,2016,13(25):170-172+176.

[5]雷雪梅.数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介[J].科技创新与应用,2017(02):62.

作者简介：杨亚宁，男，大庆师范学院机电工程学院，研究方向：光电子器件应用

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目:基于红外传感应用的智能输液监控器，项目编号： 202110235033

中图分类号：R197.39  文献标识码:A

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