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论文
摘要
随着科学技术的飞速发展,越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精确控制,尤其是在医疗领域方面。
例如,临床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。
输液速度对病人和医疗人员来说都是至关重要的。
不适当的输液速度会给病人带来危险,还会给医护人员带来不必要的麻烦,因此用一个输液控制仪器来进行输液速度的控制是很有意义的。
本文介绍的基于单片机的智能输液系统,目前有两种方案已经付诸实施。
第一种方案是智能输液无线报警装置,以单片机为核心,以红外对射传感器为数据采集装置,当输液完毕时,蜂鸣器报警,并通过无线数据收发模块NRF24l01发射信号,输液控制面板上会显示输液总人数,并且显示报警床位号。
第二种方案是智能输液速度检测系统,该装置由液体滴速度测试系统、滴速控制系统、显示装置、单片机系统、报警系统组成。
应用红外线对射的原理来来时时测定液滴的滴速,根据测定的滴速与实际设定的滴速相比较,再利用PWM波的原理控制蠕动泵的电压,从而调节液滴的滴速。
点滴速度可用显示屏上的按键来设定,设点范围40~140(滴/分),控制误差范围在5滴左右。
从改变设定值起到点滴速度基本稳定整个过程的调整时间小于5秒。
关键字:
点滴速度单片机蠕动泵报警系统
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,fluxandspeedofliquidarecontrolledinmoreandmorefields,especiallyinmedicalfield.Forexample,forclinicalapplication,theinfusionspeedshouldbecontrolledaccordingtodifferentconditionsofmedicinesandpatients.Theinfusionspeedisveryimportantforpatientsandnurses.Improperinfusionspeedmaybeharmfulforthepatientaswellasbringtroublestothenurses.Therefore,thereisneedtodevelopakindofdetectinginstrumentfortheinfusionspeedcontrol.
ThispaperintroducestheintelligentinfusionsystembasedonMCU,therearetwokindsofschemeshavebeenimplemented.
Thefirstschemeiswirelessintelligentinfusionalarmdevice,withthesinglechipprocessorasthecore,theinfraredcorrelationsensorsfordataacquisitiondevice,whentheinfusioniscompleted,abuzzeralarm,andthetransmissionsignalbywirelessdatatransceivermoduleNRF24l01,infusion,thetotalnumberofcontrolpanelwilldisplaytheinfusionanddisplayalarmbednumber.
Thesecondsolutionisintelligentinfusionspeeddetectionsystem,thedeviceconsistsofaliquiddropspeedtestsystem,speedcontrolsystem,displaydevice,singlechipmicrocomputersystem,alarmsystem.Indeterminationofdropletsbytheprincipleoftheapplicationoftheinfraredcorrelationofthedrippingspeed,accordingtothedeterminationofthedrippingspeedcomparedwiththeactualsettingofthedrippingspeed,usingtheprincipleofPWMwavetocontrolvoltageofperistalticpump,toadjusttherateofthedroplets.Droppingspeedonthedisplaybuttontosetareavailable,andinstructionin40~140(drops/min),controlerrorrangeatabout5drops.Thewholeprocessfromchangethesetvaluebasicallystabledroppingspeedadjustmenttimeislessthan5seconds.
Keywords:
Intravenousdripspeed;MCU;Peristalticpump;Alarmsystem
目录
摘要1
ABSTRACT1
第1章绪论1
1.1 课题研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本题的主要工作3
第2章滴速控制方式及滴速影响因素4
2.1引言4
2.1.1 药物的性质4
2.1.2 患者因素5
2.1.3输液装置5
2.1.4输注部位的血管 6
2.2选择正确的滴速7
2.3现有的滴速控制方式8
2.5本章小结10
第3章丝杆螺母机构控制滴速11
3.1执行方案的选择11
3.2方案的设计14
3.2.1电机的选择14
3.2.2方案的机构设计14
3.3本章小结17
第4章蠕动泵控制滴速方案19
4.1蠕动泵的结构及工作原理19
4.2蠕动泵的选择20
4.3蠕动泵的安装21
4.4方案设计与实现22
4.5本章小结25
第5章其他机构零件的设计27
5.1方案结构设计分析27
5.1.1检测模块的机构设计27
5.1.2控制模块的机构设计28
5.2机构的加工28
5.2.13D打印技术及其原理29
5.2.23D打印的优点29
5.3本章小结30
第6章结论31
谢辞32
参考文献33
第1章绪论
1.1 课题研究意义
静脉输液是一种重要的临床药物治疗和医疗监测的一个重要组成部分,它被广泛应用于在全国各个医院的医疗行业中,按照统计资料得知,在输液总人数中,住院输液总人数占到75%左右,输液不仅能够给患者补充必要的营养和还是治疗疾病的重要手段[1]。
在传统的输液中,药液的点滴速度对于不同年龄段的人、不同的病人、药物是有很大差距的。
与此同时,病人在输液的时候,必须有人陪同,以免意外事件发生,如鼓包,回血等。
现代社会,很多病人需要24小时连续进行输液,并且不间断的换药。
这对于看护者来说,是一个巨大的工作量,这极易让看护着陷入疲惫状态。
在这个时候极易发生突发事故。
通过数据统计得知,在国内,智能输液监控系统几乎没有被国内各医院所采用。
它们仍然采用传统的输液方式。
而不是使用输液的传统方法,即将输液药物悬挂一定的高度,通过重力的原理将药物注入人体人体静脉。
并通过传统的斜槽机构控制软管横街面积的方式进行人工调节速度。
因为这种传统的斜槽调速控制是一个不精确的调速装置,而药液的滴落速度也是靠护士通过经验确定,这些不精确的输液滴速对于治疗效果的影响巨大。
甚至危害到患者的生命。
当点滴输完后,如果出现没有及时关断的情况,这都会带来惨重的代价。
在传统输液中,都需要家属一直陪同,这样必定会导致交叉感染率增加。
同时影响病人休息和治疗效果。
同时,护士也需要不停地巡视病房,增加工作负荷,有时还会产生医疗纠纷。
基于以上情况,设计实现一种智能输液报警系统,对治疗过程采用自动化监控和管理是发展的必然趋势。
本课题所设计的智能输液报警系统可以准确控制药液的输液量和输液速度,并能对输液过程中出现的异常情况进行监测报警,在输液快结束的时候发出声报警提示,防止输液事故的发生。
智能输液报警装置的应用有助于减轻医护人员的工作强度,提高安全性、精确性和工作效率。
该设备可广泛应用于医院的各种科室和手术室,适用于重症加强护理病房输液治疗,也可以适用于家庭输液。
设备结构简单,费用低,所以对液体点滴速度监控器的研究设计十分有意义。
现在市场上的输液泵,种类很多,大概可分为非固定点泵和固定点泵;标准泵和便携泵可植入泵和体外泵机械泵,电子泵和重力泵;容积式泵和蠕动泵[2]。
固定泵的控制简单准确、报警齐全,但是它的外形较大;便携式输液泵,它电源简单且体积小,患者可以随身携带。
可植入泵使用方便,病人的移动对输液没有丝毫的影响。
但是泵体的移植需要通过手术实现。
;机械泵是一种没有电源的泵,体积小,可携带,它是靠正压力来进行静脉注射药物。
电子式输液泵是一种可以实现智能控制的泵。
输液速度比较小。
目前,我国医疗机构在进行输液治疗时,输液速度和输液量几乎全部都是不准确的[3]。
医生在对病人的输液治疗过程中,需要根据药物的性质和病人的病情选择合适的输液速度。
对于大多数医生来说,输液速度的控制还是采用人工方式,医生凭借经验通过转动输液器上的手动滑轮来调整输液的速度,输液量也是医生用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。
在输液的过程中要实时监测剩余的药液。
在药液输入完后,还需要由护士及时换瓶或拔除针头,加重了医护人员的工作强度。
在现代医疗中,很多药液的滴速是有严格的要求。
如果输液速度和药液规定的滴速相差较大,会影响药液的治疗效果,导致患者病情加重,有的时候还会夺去患者珍贵的生命。
输液泵的产生解决了液体滴速无法定量控制的问题。
输液泵采用动力挤压原理,每转的液体流量是固定的。
但是机器成本高,只适合某些特殊情况,并不能得到很好的推广运用。
在未来的输液中,对于药液的滴速控制会越来越精确,实惠的可靠性高的智能输液监控系统产品必定会出现。
本系统就是为了减少人力浪费,获得良好医疗效果而设计的液体点滴速度监控装置,利用该装置可以通过蠕动泵转速的快慢来达到控速点滴速度的目的,通过传感系统来确定点滴速度和药液输完后的报警,通过显示屏上的按键设置液体点滴速度。
本系统能实现液体点滴速度的智能化控制。
1.2 国内外研究现状
由于国内外实际情况的不同,在这一方面国外对智能输液监控报警装置的研究较早,日美和德国等发达国家在上世纪九十年代初就进行了智能输液监控报警装置的研制。
并在不久之后,许多发达国家包括日本,美国的许多住院床位就已经配备了可以智能输液控制的输液泵。
该输液泵可以通过检测输液管内气泡或其他阻塞物来实现报警,除此之外可以相对准确地控制输液滴速。
由于我国医疗条件比较落后,导致现在只有一些大中型医院才有部分配备,而且大部分进口国外。
因为国外的输液泵类型多样,性能较高,如 SP-500型注射泵,美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。
但是价格普遍比较高昂,不适合在中国现有的社会条件下推广,使大部分三级甲等以下医院望而却步。
国内由于对智能输液装置不太重视,导致研制起步较晚,大都在二十世纪初期才开始研究。
市场上也存在一些国产智能输液装置。
但是就其整体功能而言也只是侧重于滴速的精确控制,同时种类较少,其性能也需要改进,加上较高的成本,所以在医疗输液设备行业市场上只拥有一定的市场占有率,未能在各级医院进行大范围的推广普及,导致国外企业拿走相当大一部分的利润。
由于在规范操作的指导下,输液阻塞和气泡混入以及其他类问题是可以避免的,因此实现输液速度的精确控制和输液完成立即报警成为了人们迫切满足的需求。
而且智能输液报警器的研制也逐渐成为近年来的一个热门课题,根据国家知识产权局专利信息显示,已有 67 种智能输液报警器专利技术,但由于各专利技术不太成熟,或多或少都存在着一定的缺陷,诸如安全性、可靠性、成本及可操作性等问题,导致真正转化为产品的专利并不多。
根据医疗器械的要求,保证输液装置的安全性、可靠性是一个重要的基础,作为一种只让每一位输液病人能用的放心而且满意才有实际意义的产品,使用方便和低廉的价格又是一种基本要求,所以,这种产品只考虑安全性、可靠性,而不能充分保证简便的操作和足够低的价格,想要顺利推广是要面对比较大的困难,因此研究人员要从多方面进行考虑。
我国由于人口众多,是世界上拥有医院数量最多的国家,因此具有庞大的消费市场,医疗设备行业的前景十分可观。
近几年来,由于政府的支持和民众不断增长的医疗需求,医疗器械行业发展迅速。
同时医疗器械行业也是进入门槛较高的行业,并且属于国家重点鼓励支持发展的行业。
按照原国家经贸委指定的《医疗器械行业“十五”发展规划》的指示和要求,到 2010年我国医疗器械总产值将历史性的达到1000亿元,到 2050 年这一份额将达到 25%,届时将会成为世界一流的医疗器械制造强国。
目前状况下,医院普遍使用的是人工监控进行点滴输液,将输液瓶挂在一定高度,利用瓶内液体的压强与大气压强之和减去人体经脉的压强差将液体输入病人体内,用手动滑轮对软管夹紧和放松控制滴速, 医护人员根据药剂特性和病人的身体状况,在一定的经验下对滴速进行手工控制。
如果解决由这种手工操作走向自动化或半自动化的问题,就可以 让护理人员免于花费时间来监控病人打点滴, 使能自理的病人自己能根据点滴的速度快慢进行调节, 这就要求医疗器械加速进行实现自动化与半自动化进程,提高医护质量。
目前国内尚未完美解决输液时的自动监控问题。
需要以后的研究人员不断地进行科学研究和试验才能逐渐解决这一问题
1.3 本题的主要工作
本系统是以单片机作为控制核心,及其外围输入输出系统组成的液体点滴速度监控装置,核心控制为AVR单片机,输入系统是以独立式按键键盘系统及输液滴速控制系统组成。
输出系统以通过PWM波控制的蠕动泵、蜂鸣报警电路共同组成。
本系统是基于AVR单片机的液体点滴速度监控装置,硬件电路采用PWM调节蠕动泵两端的输入电压来控制液滴速度,以及检测输液管内有无药液通过来报警。
通过按键输入控制设置点滴速度,PWM波调节蠕动泵来改变点滴滴速,
通过显示屏上的数码管来显示检测滴速值。
系统主要包括单片机主控制模块、滴速检测模块、滴速显示模块、滴速控制模块、报警电路等几大部分。
第2章滴速控制方式及滴速影响因素
2.1引言
静脉输液是现代临床治疗中的一条重要措施。
这就带来一个问题,如何正确选择静脉输液的滴注速度,将会直接关系到临床治疗的效果,为了实现对病人最佳的治疗效果,让病人能够早日康复,了解影响滴速的原因是十分必要的,对于医护人员来说,能够控制正确的静脉输液滴速在实际的医务治疗也是十分重要的。
2.1.1 药物的性质
(1)药物的内部成分。
不同成分的药物,其需要设定的适应的人体滴速不同。
例如对大多数人都适用的葡萄糖溶液,如果设定的滴速过快,则人体就不能充分吸收利用葡萄糖,相当一部分葡萄糖就会不得不随着尿液排出,造成药物浪费,特别是对于肝病患者而言,因为肝脏对葡萄糖同化功能低下,为了达到更好的吸收效果,必须要设置缓慢的滴速。
据查询资料可知,每公斤体重,每小时能够吸收葡萄糖不超过为0.5mg。
因此,当成人需要输入10%的葡萄糖时,设置每分钟5-6ml的滴速相对比较合适。
再如人体需要输入氯化钾时,如果设置速度过快,就会造成血清钾突然上升,导致抑制心肌的正常活动,从而引起心脏停搏于舒张期状态,给病人带来生命危险。
根据医疗常识可知,当血清钾达到7.5mmol/L时,则会带来生命危险。
如果把1克氯化钾直接注入人体血液当中,那么不需要较长时间,人体内的血清钾水平就会从原来的基础上立即增高3-3.5mmol/L,这对人体而言是十分危险的。
所以要设置氯化钾的人体适宜滴速,一般要求原药物溶液被稀释成0.3%的浓度,即每分钟4-6ml的滴速对人体而言是安全的。
(2)药物的渗透压。
由于静脉输液的原理是利用大气压强与药物的渗透压强之和减去人体静脉压强查而实现静脉输液的,所以,药物的渗透压也是一个重要因素。
在等渗透压的溶液中,无论用7号或5.5号头皮针,对于人体内而言,1ml相当于20gtt;而在高渗透压溶液中,用7号头皮针1ml相当于22gtt,而如果采用用5.5号头皮针的话,1ml就能达到相当于22.4gtt。
每毫升的所需要的滴数是随着渗透压的增大而增多的,这与物理学中质量不变条件下密度与容积成反比的原理是保持一致的。
(3)药物的浓度。
有学者曾经做过这样的试验,在同样条件下,对于不同浓度的药液采用用一次性输液器进行试验,实验结果证明:
现代医院临床上经常使用的几种药液,浓度的变化对于每毫升滴数影响不大,但是如果在特殊情况下,当药物的浓度达到一定程度,或着轴稠度达到一定范围时,则每分钟的滴速明显增多。
在医院时机的临床工作中,应当掌握根据不同浓度的药液计算每分钟药物滴速的方法。
(4)药物的刺激性。
由于不同药物的成分不同,所以有些药物有刺激性,尤其是随着药物的浓度增高后,其刺激性更加明显。
而静脉输入具有此类药物时易引起静脉炎,更有甚者,外渗可引起组织发生溃疡和坏死的危险,此时静脉管腔将会变得狭窄,从而导致血液回流不通畅,最终导致滴速逐渐变慢。
所以输入对血管刺激较强药物时,应适当降低输入人体的滴速,以保证滴速不仅适合治疗,而且又尽量减少药物刺激对血管的损害。
(5)药物的温度。
当药物温度过低时,在低温刺激的影响下,血管壁会发生痉挛,从而而引起输入滴速逐渐变慢。
尤其是相对于体质较差的患者来说,如果药物温度太冷,导致人体一时不能适应,就会引起寒战或不适等症状。
因此,应该从各方面进行考虑,适当加热输液剂,一般维持在20-30℃之间为宜。
2.1.2 患者因素
(1)患者年龄 。
患者年龄不同,其应该设置的药物滴速也应该不同。
这是有不同年龄段身体发育的不同决定的。
例如新生儿由于身体条件较弱,必须设置相当缓慢的滴速,这对于保证新生儿输液安全、防止发生心力衰竭等危险症状具有重大作用,同时也可以使治疗顺利进行。
不考虑个别早产儿或低体重儿外,一般新生儿静脉输液的速度保证在4-6滴/min是可以接受的。
如果遇到新生儿病情危急的情况是,要随时准备可以保证连续24h的静脉输液,而且输液速度必须维持在2-3滴/min。
对于老年人来说,由于身体老化,造成心血管系统代偿功能不全,肾脏的体液调节能力不足,如果输液过快的话则会引起急性肺水肿等症状,因此需要给老年患者静脉输液时,应该设置不宜过快的输入速度。
(2)患者体位 。
根据长时间的观察及经验了解到,平卧位时输液滴速>穿刺同侧卧位、穿刺对侧卧位>半坐卧位>坐卧位。
在此基础上,护士应加强对输液患者的巡视,特别是对与那些必须在医嘱规定时间完成的输液患者,或者需要严格要求控制输入速度的药物,当医护人员在巡视中发现患者变换卧位时,应及时与患者进行沟通,并调整液体的滴速,以保证输液过程顺利进行。
(3)患者的病理状态 。
根据患者患有的疾病,应及时检查患者身体内各种脏器的功能是否会发生改变,然后根据实际情况调整相应的输液速度。
对于肾功不全的患者来说,在输注生理盐水时滴速不宜过快。
其原因是在生理盐水中,只有钠的浓度和与人体内的血浆相似,但是氯的含量却超过血浆浓度(生理盐水的氯浓度154mmol/L,血浆的氯浓度只有103mmol/L),如果输液过快的话,就会造成氯离子在人体内大量增多,对于肾功能健全的人来说,多余的氯离子可以通过尿液排出,以保持离子间的平衡;但是当肾功能不全时,则容易引起高氯性酸中毒。
(4)患者的耐受力 。
不同患者的体质强弱也是不一样的。
当患者输入药理作用很强的药物时,有些患者无法忍受快速注入,此时应当减慢滴速,使患者逐渐适应药物。
例如需要治疗低钙血症时,遇到手足抽搐发作情况时,可以通过输以钙输液剂来治疗钙缺乏,如果输入速度过快,就会造成心率缓慢、期前收缩等心律失常症状,有时因血管扩张就会造成低血压,为防止引起上述情况,输钙速度应控制在0.25mmol/min以下。
2.1.3输液装置
(1)输液器的滴系数 。
在现代医院临床输液治疗中,必须要考虑患者病情、输液量、药物性质等多种因素,在此基础上可以计划输液时间,确定每分钟输液的滴数,临床上常以15.0gtt/min的换算关系计算,但在实际工作中,由于各种因素的影响,往往导致不能按计划完成输液,而且与原来设定的出入很大,此差异在相当程度上与输液器的管径(一次性输液管内径0.3cm,而传统输液管内径0.5cm)及材质不同(一次性输液管为塑料管,传统输液管为橡胶管)有关。
所以为了便于标识,一般都会在输液器外包装上标记有该输液器的滴系数(即每毫升溶液的滴数)。
目前常用一次性输液器的滴系数有每毫升10、15、20滴3种型号。
但必须注意到,随着临床使用过程的进行,其输液器的滴系数并不是固定的,一般会随着每分钟滴速的改变而变化。
(2)输液管 。
在输入药物时,由于输液管扭曲、受压会使输液管的形状发生变化,导致输液的流出通路阻力增加,从而使得滴速减慢。
此外,如果滴管的衔接处漏气,同样会改变输入速度。
如果滴管下段输液管有漏气和裂缝,液体会从此处漏出,影响滴速;如裂缝位于手动滑轮之上,输液滴速将会加快,反之,输液滴速不变;若滴管液面下某处有裂隙,药物将会从此处漏出,导致滴速加快。
(3)茂菲式管液体高度 。
输液器茂菲氏滴管内液面高度也会对滴速造成影响。
当高度等于或小于液滴自然长度时,滴管内液面不足,就会干扰液滴的自然形成,破坏液滴表面张力使液滴变形、变小而过早下落,从而造成输液滴数增加,这时从表面上看,会给人造成了输液速度增快的假象,但实际上此时的液滴已变形、变小,我们已经无法再通过数输液滴数来正确计算出输液速度。
(4)输液瓶位置高低 。
根据重力输液的原理可知,随着输液瓶距输液手臂高度的增高,液体滴速也会逐渐变快。
一般情况而言,输液容器距离穿刺点的垂直高度应维持在90cm左右,以保证重力输注的顺利进行。
2.1.4输注部位的血管
对于人体血管而言,血管粗而又弹性好的静脉其血液回流快,从而使得液体输入速度变快。
如果在输液过程中,人体血管发生静脉液体外渗、血管壁肿胀、静脉炎、静脉痉挛、末梢循环欠佳等症状,就会影响滴注速度的调节,出现滴入速度过快或过慢或者滴速暂停等状况。
(1)血压 。
随着输液过程的进行,同一个患者会具有不同的静脉压,输液速度也会相应发生变化。
对于低血容量性休克的患者来说,输液速度开始较快,一定时间后则有所减慢。
其原因是低血容量性休克患者静脉压会随着输液的不但进行而降低。
根据静脉输液的原理,其输液的滴速会逐渐变慢。
(2)血管痉挛 。
如果出现疼痛、输入刺激性药物、寒战、肌张力增高或代偿期的休克等状况,患者的血管出现反射性痉挛,最终导致静脉压升高,使得滴速减慢。
(3)静脉炎及栓塞 。
这种情况常见于化学性、机械性刺激或由于输液时细菌感染造成。
在这种情况下会出现血管壁肿胀,静脉管腔狭窄等症状,导致血液回流不畅,从而使得滴速减慢。
(4)人为因素。
因为医
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