静脉无线输液监控系统毕业论文.docx
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静脉无线输液监控系统毕业论文
静脉无线输液监控系统
摘要
静脉输液是我国目前临床治疗中最主要的一种输液方式,在实践工作中,医护人员一般是靠经验和观察通过转动输液器上的滑轮对滴速进行手动调节的,这种方法经常会出现一些异常情况:
一是临床经验不是很丰富的医护人员对滴速的把握就不会很准确,容易造成输液速度过快导致患者出现不适或速度过慢而影响治疗效果;二是若输液时间较长,容易导致医护人员和患者的疏忽,增加医疗事故隐患。
三是需要随时监控输液情况,加大了医护人员的工作任务。
因此提高输液系统的智能化和自动化以及降低输液过程中的隐患势在必行。
为实现输液的自动!
准确和非接触测量,设计一种红外线输液光电计数传感器。
通过对不同浓度和性质的药液每毫升所含的液滴数的实验数据分析,发现大多数药液每毫升所含的液滴数大致是相同的。
利用液滴的数目来反映己输液量的多少是可行的。
该智能医疗输液系统可以对多床位的液情况进行远程监控,能针对不同的病人设定不同的滴速,输液出现异常情况时会产生报警,液体输完时可自动切换至另一瓶。
本智能医疗输液系统可以提高医院的服务水平和服务质量,减少输液过程中出现的医疗事故,增强医院市场竞争力。
关键字:
液滴检测;远程监控;光电传感器;nRF905
Abstract
VeininfusionisthemostsignifieantwayofcliniealtreatmentsinChina.Throughobsewationandexperience,nursesusuallyturnthePulleybyhandtoadjustthespeedofinfusioninPraetie.Butthismethodoftenleadstoavarietyofabnormalsituations:
Firstly,forsomenursesofPoorclinicalexperiencetheycouldnotcontrolthedriprateveryaeeurately,thatistosay,infusionspeedisEithertoofasttomakePatientsdiscomfortortooslowtoinfluencethetreatmenteffects;Secondly,thelongerinfusiontimecouldeasilyresultinthenegligenceofpatientsandincreasemedicalrisks;Thirdlytheneedtokeepmonitoringthesituationofinfusionaddstheworkloadsofmedicalstaff.Thereby,itisimperativetoenhancetheintelligenceandautomationofinfusionsystemanddecreasetherisksinthetransfusionproeess.
Inordertorealizetheinfusionautomaticallyandaccuratelyandthenon-contactsurvey,acount-Photoelectticity-infraredraysensorisdesigned.Passtothedifferentdensityandtheinfusionfluideachofthepropertycontainoftheexperimentdataanalysisofthedroppingnumber,diseoveredmajorityinfusionfluideachmilliliterinstitutecontainsthedroppingnumberapproximatelyissame.Makeuseofdroppingnumbertoreflectthetransfusionvolumehowmanyisfeasible.
Thisintelligentmedicalinfusionsystemcanremotemonitorthesituationsofmulti-bedinfusion,setdifferentdripratesforvariouspatients,produceanalarmwhentheunusualinfusioncircumstancehappens,andautomaticallyswitchtoanotherbottlewhentheliquidusesup.Thisproposedintelligentmedicalinfusionsystemcanelevatethehospital`sservicelevelandqualityofservice,cutdownonoccurrencesofmedicalmalpracticeduringinfusion,andenhancethemarketcompetitivenessofthehospital.
Keywords:
examiningdrop;remotemonitoring:
photoelectricsensor:
NRF-905
1.绪论
1.1选题背景
远程监控系统是指利用计算机与网络通信等手段让管理人或调度人员能够看到过去只有操作人员才能看到的远方现场的设备运行数据和状态的实时信息,同时监控中心对远程的现场进行监视和控制,也就要是人们常称的遥测,遥信,遥控和遥调。
在医疗上远程监控越来越广泛的被使用,远程医疗己经成为时代的需要未来学家阿尔文托夫勒曾经预言,未来医疗活动中,医生将面对计算机,根据屏幕显示的从远方传来的病人的各种信息对病人进行诊断和治疗,现在人们正将这个预言变成现实。
近几十年来,随着计算机技术,网络通讯技术,微电子技术和自动控制技术的发展和应用,国内外远程医疗监控系统技术的水平也不断的提高。
目前,医院内以计算机为基础的病人床边监护与中央集中监护系统,已能通过各种方式与各类信息系统相连接,组成一个集数据,波形,语音,图像为一体的有线与无线相结合的信息网络。
在这个网络中可通过各种有线和无线传输方式,将急救现场,急救车,诊疗船,直升机,家庭诊疗所,乡村医院等与急救中心和大型医院相联通,为人类提供在任何地方,任何时候实行远程监护与医疗诊断。
这一现代技术目前正悄悄地进入医院,家庭以及任何载人的运输工具(汽车,火车,船舶,飞机,宇宙飞船等)中,并直接为工作中,行走中和飞行中的个人保健服务。
输液(俗称打点滴)是临床医学上最常用的治疗手段。
在病人输液的过程中,往往由于病人体质虚弱,昏迷,入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意到输液的全过程,从而需要专人监护,加重了护理人员的劳动负担,也不利于病区的综合管理。
当输液完毕,若处理不及时,病人的血液就会因空管而倒流人输液针管内,时间稍长会使扎针处严重肿胀。
若处理过早,即药液还未完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等。
因此常引发病人的不满以至投诉,使医护人员非常无奈。
本课题就是针对上述情况,通过远程监控的方法实现医院输液情况的远程实时监测,并通过计算机来实现输液数据的实时显示和存储,以及在特殊情况下的报警。
本课题对实现医院现代化,信息化有巨大的推动作用。
1.2输液无线检测系统国内外现状
国外在几十年前对输液报警技术就已经有了一些基本的研究,并且也研制出来一些新产品。
如输液泵,一种多功能输液控制器,它可以精确地控制输液速度,并实现输液阻塞,气泡混入和输液完成报警。
目前,国内己有同类产品出现,如智能监控装置有静脉输液测速器和浮垫自动关闭式输液器,但因其功能也是侧重于精确输液控制,加上依然不菲的价格,所以也只能是和进口输液泵争一点市场份额,而未能在各级医院大面积的普及推广。
由于精确输液只对少数特殊病人和特殊药品才具有实际意义,而且规范操作下,输液阻塞,气泡混入是可以避免的,因此,在输液过程中,输液完成报警问题就成为了人们最为关注的问题,以至输液完成报警器的研制成了近几年来的一个热门课题,根据近期对国家知识产权局专利信息的查询,目前已有67种输液完成报警器专利技术,但由于各专利技术或多或少都存在着这样或那样的缺陷,诸如安全性,可靠性,成本及操作方便程度等问题,致使真正转化为产品的专利并不多。
据不完全统计,目前仅有北京,西安,广州,山东菏泽等地区推出了该类产品,转化率不足专利技术的1/10而且临床应用推广情况不太理想,其原因可能就与客户对这些技术或产品本身的安全性,可靠性,操作的方便与否以及价格等因素的认可有关,作为一种医疗器械,安全性,可靠性是基础,作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品,使用方便和足够低的价格又是一种基本要求,所以,这种产品即便安全性,可靠性得到了充分保证,但如果没有简便的操作和足够低的价格作支撑,要想顺利推广是不可能的。
目前国内外常见的输液报警监控技术主要是对输液完成信息的提取,它概括起来共有5种方法:
电极法它是从输液瓶口插入2根电极,利用药物的导电特性来检验瓶内药物是否用完。
毫无疑问,该技术具有较低的成本,但存在着安全隐患,药物特性是否会因通电而受到影响,还有电极的消毒问题。
测重法它是利用弹簧秤或压力传感器或电磁感应开关(干簧管)根据药物重量变化来判断药液输完与否,方法虽然简便,但其可靠性和适应性(对袋装及塑料瓶装液体不宜)无疑受到质疑。
液面检测法通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采用半导体激光的,也有采用红外光的)利用液面下降到预定位置时对光的反射或折射情况的变化来判断药物输完与否。
其中检测瓶内液面的,同样可靠性及适应性受到质疑,而且采用激光光源的还将带来一个高成本问题。
超声回波检测法它是通过脉冲信号激励超声波发生器发出超声波,当超声波到达输液瓶中液面后被液面反射回到超声波接收器,通过检测超声波从发射到接收所需的时间,再根据超声波在介质中传播的速度及仪器安装高度,即可得出输液瓶中高度。
具有非接触的特点,且性能可靠!
安全性好,具有实用价值,但是由于超声波探头价格昂贵及安装操作复杂,也阻碍了超声回波技术在静脉输液检测中的应用。
½液滴计数法它是根据临床医学的有关知识,一定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关,一般来说从莫非管式滴管滴落的每一滴为1/20毫升,或者是每20滴液滴总计一毫升。
因此只要能检测液滴滴数,即可检测到药液的输入量。
这种技术由于操作方便!
价格便宜,且可靠性,实用性好它已经得到了大量的使用。
1.3输液无线检测系统的应用前景
近年来,医疗事业的发展,使计算机网络管理成为现代化医院的一个重要标志。
尤其是在医疗监控领域,提出了多元化,信息化,个性化的医疗监控需求。
现代科技的进步和发展,为医学监护技术提供了创新条件和新的发展空间,然而医疗监护技术和设备的发展仍不能满足医院,病人,家庭和人身健康各方面所提出的要求。
因此网络化远程医疗监控设备己具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。
在输液远程监控系统中,信号提取是医疗监控系统工作的首要前提。
医疗输液信号自动检测和传输也是信号提取的过程,医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液位,如人工肾机的透析储液罐中液储量,自动洗胃机中冲洗液的液量,中医使用的药浴机中煎药锅中的水位,静脉输液液体量检测等等。
如果对仪器中液体储量疏于监测,在液体储量失控情况下或者在可能会给患者带来伤害甚至危机其生命通过对这些液体储量的监测,医护人员便可以随时了解液体余量,并能在液体缺少时及时自动和人工补充或者采取其他措施,维护医疗设备的安全运行。
因此,如何更好地对医疗液位进行监测,一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。
1.4本文主要内容
为了实现医院的输液无线远程控制,本文主要研究工作如下:
本课题主要利用单片机来完成实时监测输液进度,为了完成这个测量控制系统的任务需要做以下研究:
(1)根据输液室的液瓶莫非管的大小,选择红外传感器。
(2)设计液滴滴速检测系统,使之具有多点测量及无线通讯功能。
(3)控制单元软硬件设计。
(4)温度数据显示程序的设计。
2系统总体设计
2.1系统总体框图
本设计是基于单片机对产生数字信号的高敏感,红外传感器和无线传输模块NRF905的数字处理系统。
系统包括STR89C52单片机、复位电路、温度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。
系统的总体框图如下图2-1所示。
图2-1系统的总体框图
3无线输液监控系统的硬件设计
3.1系统总体设计
最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的,主要包括电源电路、时钟电路、复位电路和JTAG接口电路。
系统电路图如下图3-1所示。
图3-1系统电路图
3.2输液监控外围电路设计
3.2.1红外对管的选择
在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线,红外线是不可见光线。
医用红外线可分为两类:
近红外线与远红外线。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段,如下850NM、875NM、940NM。
根据波长的特性运用的产品也有很大的差异,850NM波长的主要用于红外线监控设备,875NM主要用于医疗设备,940NM波段的主要用于红外线控制设备。
EG:
红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。
红外对管是红外线发射管与光敏接收管,或者红外线接收管,或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
光敏接收管,它是一个具有光敏特征的PN结,属于光敏二极管,具有单向导电性,因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流(暗电流)。
此时光敏管不导通。
当光照时,饱和反向漏电流马上增加,形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。
红外线接收管,功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰,感光面积大,灵敏度高,属于光敏二极管,一般只对红外线有反应。
红外线接收头就是在红外线接收管的基础上增加了对微弱信号进行放大的处理的电路,类似开关电路,接收到红外信号给出高电平(接近工作电压),无红外信号低电平。
管子的极性不能搞错,通常较长的引脚为正极,另一脚为负极。
如果从引脚长度上无法辨识(比如已剪短引脚的),可以通过测量其正反向电阻确定之。
测得正向电阻较小时,黑表笔所接的引脚即为正极。
通过测量红外发光二极管的正反向电阻,还可以在很大程度上推测其性能的优劣。
以500型万用表R×1k档为例,如果测得正向电阻值大于20kΩ,就存在老化的嫌疑;如果接近于零,则应报废。
如果反向电阻只有数千欧姆,甚至接近于零,则管子必坏无疑;它的反向电阻愈大,表明其漏电流愈小,质量愈佳。
所选择的红外对管如下图3-2所示。
图3-2红外对管实物
红外线对管的判断方法。
人们习惯把红外线发射管和红外线接收管称为红外对管。
红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。
初接触红外对管者,较难区分发射管和接收管。
(1)用三用表测量识别可用500型或其他型号指针式三用表的电阻挡,测量红外对管的极间电阻,以判别红外对管。
判据一:
在红外对管的端部不受光线照射的条件下调换表笔测量,发射管的正向电阻小,反向电阻大,且黑表笔接正极(长引脚)时,电阻小的(1k—20k)是发射管。
正反向电阻都很大的是接收管。
判据二:
黑表笔接负极(短引脚)时电阻大的是发射管,电阻小并且三用表指针随着光线强弱变化时,指针摆动的是接收管。
注:
(1)黑表笔接正极,红表笔接负极时测量正向电阻。
(2)电阻大是指三用表指针基本不动。
(2)通电试验方法判别
用一只发光二极管和—只电阻与被测的对管串联,如图2所示。
图中电阻起限流作用,阻值取220欧--510欧。
LED发光二极管用来显示被测红外管的工作状态。
用遥控器(电视机遥控器等)对着被测管按下遥控器的任意键,LED亮时,被测管是红外接收管。
不亮则是红外发射管。
测量红外发光二极管在发射器电路上的工作电压和工作电流,可以简便地判定其工作善如何。
测量管子两端的工作电压时,静态下(即没有按键按下时)通常为零,而动态下(即按下某一按键时)将跳变为一个较小的电压值,因遥控系统的编码方式、驱动电路的结构以及工作电源电压的不同,该电压值通常在0.07~0.4V之间,而且表笔还应微微颤抖。
当使用数字式万用表测量时,其测量值将普遍高于指针式万用表测得的数值,通常在0.1~0.8V之间。
如果出现静态时表针颤抖而动态时不抖、静态下和动态下都颤抖、静态下和动态下均不颤抖,以及动态电压与静态电压无明显差别等现象,可判定红外发光二极管工作异常,倘若驱动放大电路正常,则多为红外发光二极管损坏。
红外发光二极管应保持清洁、完好状态,尤其是其前端的球面形发射部分既不能存在脏垢之类的污染物,更不能受到摩擦损伤,否则,从管芯发出的红外光将产生反射及散射现象,直接影响到红外光的传播,轻者可能降低遥控的灵敏度,缩减控制距离,重者可能产生失灵,甚至遥控失效。
红外发光二极管在工作过程中其各项参数均不得超过极限值,因此在代换选型时应当注意原装管子的型号和参数,不可随意更换。
另外,也不可任意变更红外发光二极管的限流电阻。
由于红外光波长的范围相当宽,故红外发光二极管必须与红外接收二极管配对使用,否则将影响遥控的灵敏度,甚至造成失控。
因此在代换选型时,要务必关注其所辐射红外光信号的波长参数。
红外发光二极管封装材料的硬度较低,它的耐高温性能更差,为避免损坏,焊点应当昼远离引脚的根部,焊接温度也不能太高,焊接时间更不宜过长,最好用金属镊子夹住引脚的根部,以帮助散热。
引脚弯折开关的定型应当在焊接之前完成,焊接期间管体与引脚均不得受力。
红外线接收头采用小型设计、内屏蔽模块封装,可以做红外线解码实验,红外线遥控器等等。
配合遥控器完成遥控解码及红外遥控实验。
在红外遥控系统中作为接收元件广泛应用于1、视听器材(如VCD、DVD、DVB、TV等)2、家庭器材(如冷气机,电风扇、电灯等)3、红外线摇控(如玩具等)
金属封装红外线接收管,适用于各类光电转换的自控仪器,传感器.各类光电检测器的信号光源.根据驱动方式可获得稳定光.脉冲光,缓变光.常用于控制,报警等方面.持点;采用反射功能的结构形式,光功率较强,低驱动电压,易与晶体管电路匹配.结构坚固耐震.可靠性高.金属玻璃封装器件,耐磨耐温性好.
接收器对外只有3个引脚:
Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便
(1)脉冲信号输出接,直接接单片机的IO口。
(2)GND接系统的地线(0V);(3)Vcc接系统的电源正极(+5V)。
3.2.2外围电路的设计
外围电路的选择上包括两个9013三极管,电阻六个,阻值分别为1K,4.7K两个,12K两个,470一个,一个发光二极管。
外围电路的仿真图如下图3-3所示。
图3-3外围电路仿真图
3.3NRF905无线传输模块设计
3.3.1NRF905无线传输模块选择
本设计采用无线传输技术来和上位机进行通讯,来获得实时温度数据。
可以采用现成的无线传输模块NRF905。
NRF905采用Nordic公司的是VLSIShockBurst技术。
ShockBurst使NRF905能够提供高速数据传输而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。
通过将于RF协议有关的高速信号处理放到芯片内,NRF905提供给应用的MCU一个SPI接口,速率由MCU自己设定的接口速率来决定。
NRF905通过ShockBurst工作模式在在RF以最大速率连接时降低数字应用部分的速率来降低应用中的平均电流消耗。
在ShockBurstRX模式中,地址匹配AM和和数据就绪DR信号通知MCU一个有效地址和数据包已经各自接收完成。
在ShockBurstTX模式中,NRF905自动产生前导码和CRC校验码,数据就绪DR信号通知MCU数据传输应经完成。
这意味着降低MCU存储器需求,也就是降低MCU成本同时缩短了软件开发时间。
因此NRF905广泛应用与遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、工业数据采集系统、无线标签、身份识别等。
其基本特性见下表3-1。
表3-1基本特性
参数
数值
单位
工作电压
1.9-3.6
V
最大发射功率
10
dBm
最大数据传输率
100
kbps
接收模式时工作电流
12.5
mA
温度范围
-40-+85
℃
接收灵敏度
-100
dBm
掉电模式工作电流
-2.5
uA
产品特性:
(1)430/868/915Mhz高性能嵌入式模块,多频道选择,低电压低功耗工作。
(2)超小体积,内置环形天线,性能稳定且不受外界影响,对电源不敏感,距离更远。
(3)最大发射功率+10dBm,高抗干扰GFSK调制,可跳频,数据速率50kbps,独特的载波监测输出,地址匹配输出,数据就绪输出。
(4)内置完整通信协议和CRC,只通过SPI就可以完成所有无线收发传输,无线通信和SPI通信一样简单。
NRF905共有四种工作模式,其中两种活动RX/TX模式,两种节电模式。
工作模式的有TRX_CE、TX_EN和PWR_UP决定,如下表3-2所示
表3-2工作模式
PWR_UP
TRX_CE
TX_EN
工作模式
0
X
X
掉电和SPI编程
1
0
X
Standby和SPI编程
1
1
0
ShockBurstRX
1
1
1
ShockBurstTX
NRF905所有配置都通过SPI接口进行,一条SPI指令用来决定进行什么操作,SPI接口只在掉电和Standby模式下激活。
如图3-3所示SPI接口由5个寄存器组成:
(1)状态寄存器(Status-Register),包含数据就绪DR和地址匹配AM状态。
(2)RF配置寄存器(RF-ConfigurationRegister),包含收发器频率和输出功率等配置信息。
(3)发送地址(TX-Address),包含目标寄存器地址,字长由配置寄存器设置。
有数据准备就绪DR如下图3-4所示。
图3-4数据准备就绪DR
3.3.2无线传输模块设计
本设计采用的是Nordic公司的nRF905芯片开发的无线传输模块。
该模块工作在433/868/915MHZ的ISM频段,由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI接口进行编程配置电流消耗很低在发射功率为+10dBm时发射电流为30mA接收电流为12.5mA.进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
nRF905是单片射频收发芯片,工作于433MHz的ISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
芯片能耗非常低,以10dBm的功率发射时,工作电流仅有30mA,接收时工作电流只有12.5mA,多种低功率工作模式,待机模式下电流仅为12.5μA,节能设计更方便。
其ShockBurst技术可在通讯时自动生成前导码和CRC校验位。
nRF905适用于多种无线通信的场合,如无线数据传输系统、报警及安全系统、家庭自动化、遥感监测、无线门禁系统等。
422.4~473.5MHz工作频段。
512个通讯频道,
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