智能輸液速度測(cè)控系統(tǒng)的研究

滴水和輸液是醫(yī)院常用的醫(yī)療手段。醫(yī)院在對(duì)病人進(jìn)行輸液治療過(guò)程中,需要根據(jù)輸液的藥物和患者的病情選擇合適的輸液滴流速度。目前,對(duì)于輸液速度的控制普遍采用人工方式,由護(hù)士對(duì)滴流數(shù)計(jì)數(shù),然后調(diào)整輸液速度至合適值。人工調(diào)整滴流速度不夠準(zhǔn)確和方便。此外,在輸液過(guò)程中,需要時(shí)時(shí)監(jiān)視剩余的藥液,當(dāng)藥液輸完,則由護(hù)士及時(shí)換瓶或拔除針頭。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)藥液滴完,有可能造成醫(yī)療事故。采用光電檢測(cè)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸液滴流速度自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)視剩余的藥液。1多諧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用光電傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的測(cè)量。圖1為光電傳感示意圖。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光,光線透過(guò)輸液管照射到光電三極管,光電三極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出。當(dāng)輸液管沒(méi)有液滴通過(guò)時(shí),光線衰減小,光電三極管輸出比較強(qiáng)的光電流。當(dāng)輸液管有液滴通過(guò)時(shí),由于液滴對(duì)光線吸收和散射作用,照射到光電三極管的光信號(hào)比較弱,它輸出比較弱的光電流。通過(guò)檢測(cè)光電三極管的輸出電流,就可以探測(cè)出液滴通過(guò)。輸液現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境光是干擾光,干擾光既有日光類的恒定光又有日光燈類的頻閃光,所以這些干擾不可能通過(guò)簡(jiǎn)單的辦法消除。干擾光將使信噪比S/N下降,必須采取有效措施來(lái)抗干擾,否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的光電探測(cè)。我們采用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)來(lái)解決干擾光。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。多諧振蕩器發(fā)出頻率為f0的方波電壓,放大后驅(qū)動(dòng)紅外二極管發(fā)光。發(fā)光二極管發(fā)出的光線強(qiáng)度受到方波電壓的調(diào)制,成為頻率為f0的光脈沖。當(dāng)液滴通過(guò)滴管遮住光路時(shí),光電三極管輸出比較弱的光電流,而當(dāng)光路中沒(méi)有液滴時(shí),光電三極管輸出比較強(qiáng)的光電流。通過(guò)檢測(cè)光電三極管的輸出脈沖電流的幅值,就可以探測(cè)出是否有液滴通過(guò)。放大電路將光電三極管的輸出電流變換成電壓并將其幅值放大。放大電路采用交流放大器,可以將現(xiàn)場(chǎng)恒定光干擾消除。放大后的信號(hào)送到鑒幅電路進(jìn)行幅度鑒別。當(dāng)液滴遮擋光路時(shí),鑒幅電路輸出電壓為零;當(dāng)光路中沒(méi)有液滴時(shí),鑒幅電路輸出頻率為f0的方波電壓。鑒幅電路輸出的信號(hào)送到鑒頻電路。鑒頻電路的功能是頻率鑒別,當(dāng)輸入信號(hào)的頻率等于鑒頻電路的中心頻率f0時(shí),鑒頻電路輸出低電平;當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不等于鑒頻電路的中心頻率f0時(shí),鑒頻電路輸出高電平。本系統(tǒng)中,將鑒頻電路的中心頻率f0調(diào)整至光源調(diào)制頻率f0。鑒頻電路的功能是對(duì)鑒幅電路輸出信號(hào)進(jìn)行頻率鑒別,當(dāng)接收到頻率f0的信號(hào)時(shí),輸出低電平否則輸出高電平。鑒頻電路輸出電平的高低變化反映了液滴的通過(guò),通過(guò)對(duì)鑒頻電路輸出脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù),測(cè)量?jī)蓚€(gè)液滴之間的間隔時(shí)間,即可以計(jì)算出滴流速度。系統(tǒng)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù),能有效排除了現(xiàn)場(chǎng)頻閃光的干擾。單片機(jī)是系統(tǒng)的核心。它實(shí)現(xiàn)對(duì)滴流脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù),將其換算成每分鐘的滴數(shù)并通過(guò)顯示器用數(shù)字顯示。單片機(jī)有報(bào)警輸出接口,當(dāng)檢測(cè)到2個(gè)液滴之間的間隔時(shí)間大于一定的數(shù)值時(shí),則認(rèn)為是輸液結(jié)束,于是通過(guò)輸出接口報(bào)警,通知患者和護(hù)士前來(lái)處理。2多諧振蕩ic1、ic3的電路設(shè)計(jì)圖3為系統(tǒng)的電路原理圖。在電路中,二極管D1與光電三極管T1是紅外發(fā)射/接收對(duì)管,采用對(duì)管的好處是其參數(shù)匹配良好。多諧振蕩器由IC1為555時(shí)基集成電路構(gòu)成。555電路是一種用途很廣泛的集成電路,可以與外圍元件靈活地組成數(shù)百種應(yīng)用電路。圖中,振蕩頻率f的近似計(jì)算公式如下:f≈1.43(R1+2R2)C1?(1)f≈1.43(R1+2R2)C1?(1)多諧振蕩器IC1輸出的方波電壓,通過(guò)電阻R3加到紅外發(fā)光二極管。放大器IC2為電壓放大器。IC3組成電壓鑒幅電路,其電路結(jié)構(gòu)是電壓比較器。電阻R8提供給電壓比較器一個(gè)可調(diào)節(jié)的閾值電壓UT。當(dāng)IC3的輸入電壓ui3≥UT時(shí),IC3輸出低電平;當(dāng)IC3的輸入電壓ui3≤UT時(shí),IC3輸出高電平。當(dāng)光路中沒(méi)有液滴時(shí),IC3輸入幅值比較強(qiáng)的脈沖電壓而且其幅值大于UT,使IC3輸出頻率為f0的方波電壓;當(dāng)光路中有液滴時(shí),IC3的輸入幅值比較弱的脈沖電壓或者無(wú)輸入,IC3輸出為直流電壓。鑒幅電路將是否有液滴在光路上,轉(zhuǎn)換成輸出脈沖電壓的無(wú)與有。鑒頻電路的IC4采用音頻譯碼器LM567。譯碼器的中心頻率f0的由下式確定:f0=11.1R10?C7f0=11.1R10?C7,(2)當(dāng)輸入交流電壓的頻率等于譯碼器的中心頻率f0時(shí),譯碼器引腳8輸出“0”,反之輸出“1”。容易看出,當(dāng)光路中有液滴時(shí),IC4無(wú)輸入而輸出“1”;當(dāng)光路中無(wú)液滴時(shí),IC4輸入頻率為f0的交流電壓而輸出“0”;鑒頻電路輸出的低電平和高電平分別與光路中有和無(wú)液滴對(duì)應(yīng)。整形采用斯密特觸發(fā)器,用于對(duì)鑒頻電路輸出脈沖信號(hào)整形。3正脈沖寬度的測(cè)量單片機(jī)采用MCS-51系列單片機(jī)中的80C51芯片。信號(hào)送到CPU芯片外部中斷口INT1。設(shè)置片內(nèi)計(jì)數(shù)器T1的工作方式為模式0,即由中斷INT1輸入的信號(hào)來(lái)啟停計(jì)數(shù)T1。這樣就可以測(cè)量INT1端出現(xiàn)的正脈沖的寬度,即計(jì)算出兩滴液滴之間的間隔時(shí)間T,從而計(jì)算出每分鐘的滴流數(shù),在面板上的數(shù)碼管顯示出來(lái)。當(dāng)間隔時(shí)間T大于設(shè)定值時(shí),則認(rèn)為輸液停止,CPU發(fā)出報(bào)警信號(hào)。操作面板設(shè)置有啟動(dòng)、停止、報(bào)警檢測(cè)和報(bào)警解除幾個(gè)功能鍵和靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕。CPU發(fā)出報(bào)警信號(hào)有2種形式:一是現(xiàn)場(chǎng)的聲音和閃光,提醒患者;二是報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào),通過(guò)線路連接到護(hù)士值班室,及時(shí)通知護(hù)士。同時(shí)采用2種報(bào)警信號(hào),提高了可靠性?？刂栖浖捎弥袛嗵幚矸绞?每當(dāng)液滴通過(guò),則觸發(fā)中斷。在中斷處理程序中,進(jìn)行滴流速度計(jì)算,