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第一章绪论-1-第一章绪论1.1课题的背景和意义很多年前，静脉输液技术出现在医疗技术的大军中，在此之后经过不断的完善和改进。在20世纪逐渐成为医疗体系中最重要的系统之一，也成为目前世界上最常用也是最直接有效的临床治疗手段之一。在1628年，WilliamHarvey就提出了震惊世界的血液循环理论，为后人研发静脉输液治疗系统奠定了理论基础，因此他也被大家公认为现代静脉输液治疗的开山鼻祖。静脉输液产品的模式主要经历了三个阶段的发展和变迁。第一代静脉输液产品主要是被应用于20世纪初期，这是一种全开放式的系统，在当时的医疗条件下发挥着非常巨大的作用，在医院、军队等领域得到了广泛的应用，广口玻璃瓶和天然橡胶材质制造的输液管路组合成这套系统；第二代静脉输液产品属于半开放式输液系统，它是由玻璃或硬塑料容器与一次性输液管路构成的。这种系统得到了改进，在输液管中增加了滤膜，减少了污染机会，输液线管的生产高度集中，使其工业化程度不断增高，质量和安全性得到很大的提高；第三代静脉输液产品，也被称为全封闭静脉输液系统，在输液过程中利用重力原理，滴液软袋容器取代原先的玻璃和塑料材质，在外界大气压强作用下缓慢扁瘪，这种系统不使用进口针，袋内外不必连通，软袋形成阀针和药物是双层结构，避免了溶液与外界的直接接触，因而具有十分优越的防污染功能。现在市面主要还是以第二代输液产品为主，在输液过程中，需要医护人员及时发现药液是否需要更换并处理，否则就会造成空气进入血管形成空气栓塞、凝血阻塞针头等危险情况，轻则延误治疗，重则会危及病人生命安全，发生医疗事故。目前病人在医院中进行输液时，需要由病人自身、陪侍人员或者医务工作者不断注意观察药液的剩余情况，这样既加重了医护工作者的工作负担，也让病区的综合管理变得不便利。为此设计这个监测系统来解决这个现实问题，实现医疗护理的自动化和智能化。另外，输液的速度也是一项重要的参考数据，第一章绪论-2-不同的病况、不同的输液目的和药物性质的差别这些因素都会导致输液速度的不同。输液速度大体可以分为以下几种情况：（1）慢速：患有颅脑和心肺疾病的病人及老年人输液一般得采用慢速滴入。缓慢输液的速度一般要求在每分钟2-4ml以下，有时甚至需要在1ml以下。（2）正常速度：为了补充因正常生理消耗的输液以及为了输入某些特定的液体（如激素、维生素、抗菌素等）时，滴速一般控制在每分钟5ml左右，这也就是通常所说的输液速度每分钟60-80滴。（3）快速：严重脱水的病人，但前提是心肺功能良好，应采用每分钟10ml左右的速度进行输液治疗，总输液量最好在8个小时之内完成，以便病人在输液结束后得到充足的休息。因缺血导致的休克病人，抢救时的输液速度可以加快到每分钟15ml。因为快速的输液2小时可输入2000ml液体，使已休克病人的病情得到最大程度的缓解。而当试探性补救急性肾功能衰竭的病人时，常需要快速注射浓度为10%的葡萄糖溶液500ml，这时需要以每分钟15-25ml速度快速输入。鉴于以上所述的多种原因，在本次毕业设计中设计和开发了这套能够检测到输液结束并进行及时报警和实时控制输液过程的滴速的智能医用输液检测系统。1.2国内外研究现状和发展前景在西方发达国家，电子医疗设备的应用起步早，并经过实际临床证明，得到广泛的应用，早已形成了设备的智能化和自动化。早期的电子医疗设备都是高、精、尖的大型设备，而且庞大的投资，使全面推广受到限制。一家德国集团创建输液数据管理工作站主要用于在重症监护病房，重症监护病房的医生可以更方便的进行输液系统的管理。这套设备集输液治疗监护于一体，具有药物输入模式选择、同步信息处理、药物走势记录等功能。输液护士需要添加的药物，可以根据药品清单进行处理，并可以设置输液速度。中国在这方面起步较晚，很多设备都是进口产品，其价格相当昂贵。但国第一章绪论-3-内输液监测设备也是逐步发展。近年来，医疗保健制度和医疗模式不断完善。因为静脉输液在医疗中一直以来占有非常大的比重，科研人员也对静脉输液系统不断进行改进和更新。泉州人民解放陆军医院，利用杠杆的原理，当液瓶中的药水在输液过程中重量会不断减轻，在弹簧的作用下，磁铁逐渐和干簧管接近，当输液完毕时，输液瓶减轻到一定的重量，磁铁和弹簧片开关对齐，使电路接通，蜂鸣器报警。天津武警总队医院使用液体导电原理完成报警，这个系统中，一个包有绝缘材料的进气针和一个输液针，构成连接头，通过两线接通使电路报警。开始时，输液瓶充满了液体，液体导电，电流通过两针和液体，使电路接通。随着液面逐渐降低，当液面低于针尖摆放的位置，这时电路断开，扬声器随即发出报警信号。静脉输液在我国国内一直具有巨大的市场规模和市场容量。在2002年年终的统计中，我国输液销售总量为60亿瓶，销售总额超过500亿元。据相关数据分析，我国输液的总体市场潜量能够高达120亿瓶。在如此大的输液市场下，医院进行输液用药治疗时，对患者输液进度的监控，需要由病人自身、陪侍人员或者医务工作者不断注意观察药液的剩余情况，这样既加重了医护工作者的工作负担，也让病区的综合管理变得不便利。随着科技的不断进步，实时输液监控已成为现代医疗中应该具备的一部分。经过几十年的发展，单片机技术不断进步，尤其是在嵌入式系统的应用更是突飞猛进。随着单片机在监测和报警技术中的发展，其在提高电子医疗设备性价比，促进电子医疗设备的发展和普及中起到越来越重要的作用。现在的监控系统正在从以往的体积大、价格贵、操作复杂向着体积小巧、性价比高、操作简单发展，本次设计的系统可以适用于社区医疗的输液实时监控，适用于普通民众。第二章系统方案的选定-4-第二章系统方案的选定本系统可分几大模块进行分块设计，这样既节省时间又能方便逐个解决，本系统共分为液位检测报警模块、滴速检测控制模块、键盘模块、显示模块四大模块。2.1警戒液面检测方案液面的检测方法有许多种，按原理可分为静压式、光电式、电容式、射线式；按传感器是否与液体接触可分为接触式和非接触式。由于输液的安全要求，药液应该尽量避免与外界接触，这样就能保证无污染，所以采用非接触式。考虑到灵敏度的因素所以决定采用光电检测方法。光电检测液面的基本原理是，根据光线分别在液体和气体中的折射率不同的原理，从而使从同一光源发出来的光线在有液体和无液体时产生折射的角度不同，使光电接收器接收到强弱不同的的光信号，从而产生电流大小不同的电流信号，导致出现不同程度的高、低电平，最终来判断液位是否低于设定的液面，从而决定报警与否。经过查阅资料和具体试验，可归纳为一下两种：方案一：首先要考虑到设定好最低的液面高度，因为输液器的插头在输液瓶中有一定的高度，而且还要考虑给医护人员拔针头或者换药的时间，所以设定的最低液面位置应该略高于输液器的插头，如下图2-1所示：第二章系统方案的选定-5-图2-1方案一示意图在设定的液面位置处，光源发出的光线入射到药瓶外壁，经过药瓶以及药液的折射到达瓶内壁，再经过药瓶的折射后进入空气，被光敏电阻接收到。由于药液的折射以及瓶口的弧形结构使得光线路径因折射而上翘。当药液下降到设定的位置时，由于药液和空气的折射率不同，光线路径会发生改变，使得光电二极管接收到的光照强度大大减弱，仅仅接收到背景光，从而使得光电二极管产生的电流极具下降，通过后续电路进行报警。方案二：方案一比较适合报警时间提前量小的时候。另一种测量方法方便解决这个问题，如下图2-2所示：无水有水第二章系统方案的选定-6-图2-2方案二示意图为更加准确的进行液位检测，光源必须与容器中心要有一定的偏移，否则判定不了液体是否已经达到了设定的液面。其方案二的原理和方案一相同，只是改变了光线路径，使得光电传感器的位置稍有不同。2.2滴速检测方案输液速度的检测可以通过测量输液剩余重量以及时间来确定，输液重量的变化不便于实时测定和控制。出于传感器的精度和成本的考虑，会使系统的调整时间大大延长，不利于该系统的设计以及实际应用。利用莫非氏管做成输液管的滴壶来检测滴速的方法，药液在滴壶处会一滴一滴的滴落，鉴于上述液位检测方案中的测量方法，滴速的测量也可以采用光电检测方法，光源发出的光垂直照射到滴壶的中心线上，光线经过滴壶时不会产生折射，而是会直接沿着直径方向射出如下图2-3所示：有水无水第二章系统方案的选定-7-图2-3光线走向示意图而液滴滴落时，因万有引力的作用力一定会经过滴壶的中心线，当液滴经过光源和光电接收器件之间时，光线会发生折射，从而使光线路径发生变化，导致光电接收器瞬间接收不到光电信号，这时光电接收器的输出就会产生一个电平跳变，通过对这个电平跳变的统计，就可以计算出经过滴管中的液滴数量。示意图2-4如下：图2-4光电滴速检测示意图2.3滴速控制方案方案一：通过改变输液瓶的高度来控制滴速。当输液管截面积一定时，输液瓶所处于不同的高度，其瓶内液体的压强差也是不同的，液滴的滴速也随之不同，从而实现对滴速的控制。当液滴滴速低高电平低电平高电平第二章系统方案的选定-8-于要求值时，提高输液瓶的高度，增大压强，增大滴速，反之则可降低液滴速度。方案二：通过改变输液软管的面积来控制滴速。图2-5滴速控制设备在固定好输液瓶后，将输液软管紧靠在固定板上。这时就可以通过改变输液软管的横截面来实现对输液速度的控制。当输液滴速高于预定值时，单片机利用步进电机控制凸轮转动，挤压输液软管，迫使输液软管的横截面减小，从而降低输液滴速。反之，则可提高滴速。实物如上图A所示。方案三：通过拉紧或放松软管来控制滴速。如上图B，利用尼龙线拉紧或放松来控制滴速。方案一中可利用小型步进电机来实现输液瓶的高度高低，结构简单、精度相对而言更高些。方案二因为输液软管的截面积本身就较小，并且在形变后恢复较慢，很难达到精确控制滴速的要求。方案三中，虽然比较容易实现，但是如果作用的时间长的话，对软管就会产生损伤，可能会引起漏液，且和方案二一样存在输液软管的截面积本身较小，且形变后恢复较慢。这三种方案各有优、缺点，但在对比之下还是确定采用方案一。凸轮轴心软管固定板图A软管固定点电动机图B第二章系统方案的选定-9-2.4键盘、显示方案显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统中由于要求实时显示出滴速等多组数据，因此显示模块选用了1602LCD液晶显示器。键盘模块中选用了单片机自带的3×3键盘，直接利用I/O扩展而成。声光报警电路也可直接利用单片机I/O口输出放大驱动二极管发出声光报警。第三章系统结构组成及硬件设计-10-第三章系统结构组成及硬件设计本系统共有液位检测报警模块、滴速检测控制模块、键盘模块、显示模块四大功能模块，本章主要分析该系统的总体电路结构组成，重点介绍液位检测报警电路、滴速检测控制模块以及该系统所涉及的元器件功能。3.1系统主体框架系统以AT89C51单片机为控制核心，将其与现场滴速检测、液位检测、报警电路、键盘和显示电路等相连，整体构成一个监测系统。系统现场点滴速度及液位高度检测采用光电检测技术实现。蓝光LED灯和光敏电阻分别作为发射管与接收管放置于点滴瓶与滴斗两侧，蓝光LED灯发出光线，光线透过输液管照射到光敏电阻，光敏电阻将接收的光信号转换成电流输出。当输液管没有液滴通过时，光线衰减程度小，光敏电阻输出比较强的光电流。当有液滴通过输液管时，在液滴对光线的吸收和散射作用下，照射到光敏电阻的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流。因此，通过检测光敏电阻的输出电流，转换为电压脉冲信号，即可探测出滴斗是否有液滴通过；同样原理，点滴瓶液位检测原理相同，当液面降低到警戒线以下时，光线由被遮挡变成完全照射到接收管，这两者之间的电压产生了跳变，便可以通过单片机控制器产生报警信号驱动声光报警装置启动。3.2系统控制核心AT89C51单片机3.2.1单片机概述单片机，又名微控制器，它采用一定的工艺手段将CPU、存储器和I/O口集成在同一个芯片上，其发展十分迅速。自1975年美国德克萨斯仪器公司(TexasInstruments)第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个强大的分支，因为它的技术规范和特性突出使