一种智能输液系统的设计与研制

黄熙

福建省肿瘤医院设备科 （福建福州 350000）

目前，临床输液监测主要由陪护人员和护士来执行。在输液过程中，陪护人员易疲倦疏漏，有时会引发医疗事故。为保证输液安全，护士需定时巡查，不仅增加了工作量，而且不利于病房的整体管理[1]。为改变现有输液医疗模式、解决输液过程中的安全隐患并减轻护士的工作负担，本研究设计并研制了一种易于操作且安全有效的智能输液系统。

1 智能输液系统硬件的设计

本研究设计的智能输液系统由液滴测量装置、显示装置、单片机系统、滴速控制装置和报警装置构成。该系统可实现输液滴速的实时监测和显示，能满足护士端与患者端的无线通信和对患者端的控制；输液异常时会发出警示，并支持护士端远程关闭当前的输液通道。

1.1 液滴测量模块的设计

液滴监测是本系统的基础。系统中，将红外对管置于滴斗的两端；红外接收管的电压脉冲信号经信号处理电路，放大整形成标准晶体管-晶体管逻辑（transistor-transistor logic，TTL）电平信号；采用电压比较器完成信息处理，输出对应的高、低电平；单片机依据这些信号，统计液滴相关数据；当监测不到液滴信号时，表示输液完成。

1.2 滴速控制模块的设计

该模块的作用是利用舵机将电脉冲转化为角位移。在收到脉冲信息后，驱使舵机根据设置的方向转移某个设置的角度，旋转以固定的角度逐步进行[2]；系统控制器通过限制脉冲数量来控制角位移数，实现精准定位，且可通过限制脉冲频率来设置舵机运行的速度与加速度，使舵机正转或反转以改变输液软管截面积，进而实现调节滴速的目的。

1.3 主从机通信和人机交互部分的设计

人机交互是整个系统数据输入和信息读取的关键。本系统采用nRF24L01新型单片射频收发芯片，在程序中通过设置导出功率与通信频道，实现患者端和护士端之间的数据传输[3]；采用12864显示屏幕显示输液状态的相关数据；当输液完成时，会触发蜂鸣器报警，便于护士了解输液的实时情况。主从机交互通信和人机交互部分的设计见图1。

图1 主从机交互通信和人机交互部分的设计

2 智能输液系统软件的设计

软件系统是否正常运行关系着整个系统的稳定性及安全性。主程序通过系统自检及调用各子程序模块，实现系统的初始化，随后执行数据显示、数据处理、按键处理、参数传递、产生控制信号等功能[4]。主程序流程见图2。

图2 主程序流程

2.1 液滴检测程序

通过定时器形成固定的脉宽调制（pulse-width modulation，PWM）脉冲，当液滴滴落时，将发生外部中断，记录每两个液滴滴落的时间间隔；滴速检测主要依据外部中断来计算，在一定的周期内检测实际滴落的液滴数。

2.2 滴速控制程序

舵机可快速完成启动、停止、正转和反转的动作，因不存在累积误差，其运行过程将不随负载改变而发生变化[5]；通过输入脉冲数可准确控制舵机的转动角度，待设定值确定后，通过比较实际值和设定值，单片机将确定舵机进行反转或正转，随后向舵机发送对应的脉冲信号，在舵机转动的过程中程序会实时查询滴速，反复判断当前的滴速是否达到了设计要求。

3 智能输液系统临床应用价值和精度的测评

静脉输液是临床上常用的一种给药治疗技术。随着对危重患者救治水平的逐步提高，临床上对静脉输液的输液总量、种类、速度精度及均匀性等方面都提出了更高的要求。基于此，本研究对研制的智能输液系统进行了临床应用价值和精度的测评。

3.1 系统性能测评

测评依据标准：（1）GB 9706.27-2005/IEC 60601-2-24:1998《医用电气设备 第2-24部分：输液泵和输液控制器安全专用要求》[6]；（2）JJF 1259-2018《医用注射泵和输液泵校准规范》[7]。采用FLUKE IDA4 Plus输液分析仪和哈娜好输液器进行流量检测；在Hydrograph软件中依次选取流速值为25、50、75、100 ml/h，分别检测总体误差百分率、平均流量和瞬时流速。当流速值为50 ml/h时，Hydrograph软件记录的检测曲线见图3～5。

图3 总体误差百分率

图4 平均流量

图3～5中，实际测得的累计流量和瞬时流速都在设定值范围内波动，总体误差百分率为3.2%，符合相关国家标准中对精度的要求。

3.2 系统稳定性测评

图5 瞬时流速

稳定性测评包括滴速测控、输液完成警示、异常状态警示及无线传输等。调整好智能输液系统和输液器的位置后，接通电源，即进入输液过程。当输液完成或人为关闭滴管夹，滴斗中无液滴滴落时，红外对管检测不到信号，终端（患者端）发出了声光报警，与此同时，护士端12864显示屏显示输液完成信息，并触发声光报警。多次试验表明，患者端和护士端通信良好，滴速显示同步，系统运行稳定可靠，误报率为0。该系统能够实时提醒陪护人员及时服务输液结束的患者，输液完成警示见图6。

图6 输液完成警示

4 小结

本研究根据临床上静脉输液存在的实际问题，结合患者和护士的反馈，设计并研制了可实现实时监控的智能输液系统。该系统可准确地输入输液参数，利用红外对管进行液滴检测，由显示器实时显示输液流速，输液完成时可自动报警，经性能测评和风险评估，显示其性能良好且安全有效，方便护士进行输液管理，从而提高医疗自动化的整体水平，具有较高的临床应用价值。