CN110368552A - 一种远程组合无人值守医用输液监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种远程组合无人值守医用输液监测系统，输液监测系统包括输液监测模块、无线通信模块、信息显示模块以及电源模块；输液监测模块包括主控模块及与之相连的重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块；主控模块的中央处理器型号为MSP430F149REV；重力传感器模块安装在输液架挂钩上；在茂菲氏滴管上方外壁安装有红外对管传感器呈U型；报警模块由蜂鸣器、三极管、电阻组成；无线通信模块与主控模块相连，通过Zigbee技术进行信息的无线传输，无线通信模块中包括型号为CC2530的芯片；信息显示模块与无线通信模块相连。本发明解决了单一传感器失效引起的无法监测、报警的情况，且组合信号监测可靠，准确度高。

Description

一种远程组合无人值守医用输液监测系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种远程组合无人值守医用输液监测系统。

背景技术

静脉输液是临床治疗中常用的给药方式，国内的静脉给药以依赖重力的静脉滴注为主。目前重力输液过程中缺少经济有效、便捷的输液监测装置，药液的监控需要病人或病人家属和护士时时关注。有时候病人或家属、护士疏忽，不能及时更换药瓶，会出现血液回流等情况，对一些特殊病人可能会产生严重的后果，酿成医疗事故。目前已有的输液监测方法主要存在以下问题：(1)目前已有的输液监测报警装置，多为近距离输液监测，不能满足远程监测；(2)传统的无线通信方式，蓝牙存在连接设备数量少、传输距离近等缺点，WIFI功耗大，需要路由器或AP设备，成本高，都不适合要求成本低、使用方便的输液监测系统；(3)大多数输液监测采用单一的传感器对药液余量进行监测，一旦传感器失效，输液监测系统无法正常监测、报警，极易引发医疗事故。

国内的输液监测没有在医院、门诊得到大量的推广和使用的主要原因是成本、便利性、实用性、监测精度等方面无法满足临床以及病人的要求。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种远程组合无人值守医用输液监测系统，通过远程输液监测，实现医院对患者输液情况的监测；同时用双传感器对输液余量、输液速度等参数实时监测，稳定性强。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种远程组合无人值守医用输液监测系统，所述输液监测系统包括输液监测模块、无线通信模块、信息显示模块以及电源模块，

输液监测模块包括主控模块、重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块；其中主控模块的中央处理器型号为MSP430F149REV，该处理器具有运算速度高、功耗超低、外设功能丰富、中断处理功能强大等优点，MSP430F149REV用于采集和处理信息，主控模块分别与重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块相连接；重力传感器模块安装在输液架挂钩上，输液瓶挂在重力传感器上；红外传感器模块包括红外对管传感器，在茂菲氏滴管上方外壁安装有红外对管传感器呈U型，用以测量输液速度，使红外对管传感器的红外发射管与红外接收管水平对准；报警模块由蜂鸣器、三极管、电阻组成；

无线通信模块与主控模块相连，通过Zigbee技术进行信息的无线传输，无线通信模块中包括型号为CC2530的芯片，CC2530集成德州仪器开发的Zigbee协议栈Z-Stack，可直接利用协议栈平台开发上层通信，减少系统开发周期，具有功耗低、抗干扰能力强等优点。

信息显示模块与无线通信模块相连，用于实时显示前端采集的病人输液信息；

电源模块给输液检测模块供电。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

重力传感器模块包括重力传感器和AD转换电路，AD转换电路采用A/D转换器芯片HX711；

AD转换后得到药品的余液信息，通过单位时间内药液的变化量得到输液速度。

重力传感器的模拟输出INNA、INPA分别与HX711的7引脚INNA、HX711的8引脚INPA相连。

中央处理器的通用I/O口24引脚接接重力传感器模块中HX711的13引脚X0；中央处理器的通用I/O口25引脚与重力传感器模块中HX711的12引脚DOUT相连；中央处理器的通用I/O口26引脚与重力传感器模块中HX711的11引脚PDSK相连。

红外传感器模块中采用型号为LM393的集成电路。

中央处理器的20引脚接红外传感器模块LM393的1引脚VHOUT，中央处理器对输入的信号进行分析，通过计算得到当前滴速、剩余药液、剩余输液时间的信息。

利用MSP430F149超低功耗特点，中央处理器与通信模块CC2530之间采用串行通信方式。中央处理器的数据输入端35引脚P3.7与无线通信模块CC2530的16引脚URXD1相连；中央处理器的数据输出端34引脚P3.6与无线通信模块CC2530的17引脚UTXD1相连，中央处理器通过无线传输将处理后的信息传输给信息显示模块。

无线通信模块由CC2530芯片、电感、电阻、电容、晶振和天线组成，其中天线为单极子不平衡天线；由分立电感L1、L2，电容C47，C48，C410组成非平衡变压器，以满足RF输入、输出匹配要求。

报警模块中包含有限流电阻RL1，中央处理器的31引脚P3.3与报警模块的限流电阻RL1一端相连，当输液即将输完、换液、出现滴速过快的异常状况时，触发报警模块报警。

病人输液信息包括病人床位号、剩余药液量、当前滴速、剩余输液时间的信息。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于Zigbee技术的远程组合无人值守输液监测系统，(1)解决了输液监测系统不能实现的远程输液监测的问题，应用本输液监测系统，医院实现对患者输液情况远程实时监测，输液病人不再需要家人陪护，极大减轻了病人的负担，也减轻了护士的工作量；(2)基于ZigBee的无线网络能够实时稳定传输多张病床或输液椅位的输液信息，适合应用于中大型医院及大型诊所；(3)本输液系统采用双传感器对输液余量、输液速度等重要参数实时监测，监测稳定性强，实现了精准监测，解决了单一传感器对药液余量、输液速度的监测因传感器失效引起的无法监测、报警；(4)采用重力传感器和红外传感器的方案避免与药水接触，组合信号检测可靠，控制精度高，易于推广。

附图说明

图1是本发明的输液监测系统的结构框图。

图2是本发明的主控模块的电路图。

图3是本发明的重力传感器模块的电路图。

图4是本发明的输液监测装置的结构示意图。

图5是本发明的红外传感器模块的安装示意图。

图6是本发明的红外传感器模块电路图。

图7是本发明的报警模块的电路图。

图8是本发明的无线通信模块的电路图。

图9是本发明的无线通信网络的拓扑示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如附图1所示，本发明提供了一种远程组合无人值守医用输液监测系统，包括输液监测模块、无线通信模块、信息显示模块以及电源模块(即供电模块)；

输液监测模块用于液位监测、滴速监测、监测病人呼叫报警等，实现前端输液信息的采集，患者输液信息包括患者床位号、剩余药液量、当前滴速、剩余输液时间等信息。

输液监测模块包括主控模块、重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块。其中主控模块包括晶振模块电路、复位模块电路以及电源；主控模块的中央处理器选用美国德州仪器的MSP430F149REV的16位超低功耗微控制器，用于采集和处理输液信息，主控模块电路如图2所示。主控模块分别与重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块相连接，接收重力传感器模块、红外传感器模块传入的信息并控制报警模块工作。

重力传感器模块包括重力传感器和AD转换电路，重力传感器模块电路如图3所示。重力传感器选用高灵敏度的应变电桥式传感器，传感器精度为0.01g，能精确的反应输液药液0.01mL的变化。利用电阻压电效应原理，当电阻受到外力的作用，其两端电压会发生变化。AD转换电路采用专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片HX711，该芯片集成了稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，AD转换后得到药品的余液信息，通过单位时间内药液的变化量得到输液速度。重力传感器的模拟输出INNA、INPA分别与HX711的7引脚INNA、HX711的8引脚INPA相连。

输液监测装置结构示意图如图4所示，重力传感器模块安装在输液架挂钩上，输液瓶挂在重力传感器上。重力传感器采集输液瓶或输液袋内的药液和附件的总重量信号，数据通过无线通信传输给处理器，处理器对数据进行分析处理，得到液量、滴速Vtg、剩余药液、剩余输液时间等信息，并将测得的滴速和药液余量与设定值进行比较。

红外传感器模块安装图如图5所示，在茂菲氏滴管上方外壁安装红外对管传感器用以测量输液速度，使红外对管传感器的红外发射管与红外接收管水平对准，形状为便于固定的U型；当药液在重力作用下滴下通过红外检测口，由于药液对红外光的反射、吸收作用，接收管接收到的红外光明显减弱，通过检测输出端电压信号的强弱可以检测出有无液滴落下，把检测到的信号经过整形后通过无线通信传输给中央处理器进行处理，计算点滴速度Vth信息。通过滴速监测间接计算出剩余液量，输液管规格固定后，每一滴液滴的容量是固定的，医学上叫做滴系数，每毫升溶液所需要的滴数为该输液器的滴系数，研究表明，通过检测药液液滴的滴数，间接得到输液量的方法是可行的。通过微处理器计算己经滴下的滴数，计算出当前已经输液的容量数，进而计算出剩余输液量，根据当前输液速度，计算出剩余输液时间。

红外传感器模块电路如图6所示，红外传感器模块中采用型号为LM393的集成电路，图6中RH1为限流电阻，RH2为上拉电阻，UH2为电压比较器，RH13、RH4、RH5为分压电阻。输液过程中当红外对管之间有药液滴落时，红外二极管的红外光被药液阻隔，光敏三极管截止，电压比较器比较同向输入端与反向输入端的电压，比较器输出相应的高低点电平，将药液滴落的信号整形为TTL电平信号，LM393的1引脚VHOUT与中央处理器MPS430的20引脚P2.0口相连，信号输入到中央处理器进行分析，通过计算得到当前滴速Vth，剩余药液、剩余输液时间等信息。

分析Vtg和Vth，如果Vtg或Vth大于设定最大阈值，则说明药液滴速异常，发出滴速异常报警信号，同时将病人床位号或输液号、当前滴速等信息显示在护士站大屏。计算出剩余输液量与设定最低液量比较，如果剩余输液量小于等于设定最低液量，说明药液即将滴完，驱动报警器报警，发出即将滴完报警信号，同时将病人床位号信息显示在护士站大屏，提示护士准备换药或拔针。相比其他监测方式，该方法可实时判断液体余量，而不是等到液体走空时才获取到信号，有利于提前做好加液计划，同时该组合监测方法与药水非接触检测，方便卫生。

报警模块电路如图7所示。报警模块由蜂鸣器、三极管、电阻组成，报警模块中包含有限流电阻RL1，RL1为4.7K的限流电阻，起保护作用。通过PNP三极管Q1放大输出电流驱动蜂鸣器，蜂鸣器正极接到三极管的集电极，三极管的基极通过限流电阻RL1由控制器引脚Beep控制，与中央处理器的31引脚P3.3相连。当输液即将输完、换液或出现滴速过快等异常状况时，中央处理器控制报警模块报警，并将报警信息如病人床位号或输液号、当前滴速、当前剩余液量等信息实时传到信息显示模块。

信息显示模块与无线通信模块相连，用于实时显示前端采集的病人的输液信息，包括病人床位号(输液号)剩余药液量当前滴速、剩余输液时间等信息，可实时显示在护士站大屏、电脑或随身携带的PDA上，护士能够远程查看病人的药液余量，根据病人药液余量、滴液剩余时间等信息，按轻重缓急从容进行更换药液或拔针，当异常情况出现时，系统会及时报警。

无线通信模块电路如图8所示。无线通信模块选择Zigbee技术，Zigbee的组网能力强，功耗低、抗干扰性强，可靠性高，开发成本较低，特别适用于输液监控系统。由重力传感器和红外传感器采集的输液信息通过无线通信模块传送至上位机，病人输液信息显示在护士站大屏，无线通信模块的网络拓扑如图9所示。无线通信模块与主控模块相连，网络芯片选择为德州仪器的CC2530，CC2530基于2.4GHZIEEE802.15.4协议，集成了ZigBee协议栈Z-Stack，可直接利用协议栈平台开发上层通信，减少了系统开发的周期，开发成本低，能够组建功能强大的无线通信网络。无线通信模块由CC2530芯片、电感、电阻、电容、晶振和天线组成，CC2530的晶振Y1为32MHz，起振电容C44、C45为27pF，晶振Y2为32.768KHZ，起振电容为15pF。本通信模块选用单极子不平衡天线；由分立电感L1、L2，电容C47，C48，C410组成非平衡变压器，以满足RF输入/输出匹配要求，达到芯片的最优性能。

电源模块为系统运行提供稳定的工作电压，保证系统的正常运行。

各模块之间的具体连接方式如下：

中央处理器MSP430F149REV的20引脚接红外传感器模块的LM393的1引脚VHOUT；MSP430F149REV的24引脚接接重力传感器模块的HX711的13引脚X0；MSP430F149REV的25引脚与重力传感器模块HX711的12引脚DOUT相连；MSP430F149REV的26引脚与重力传感器模块HX711的11引脚PDSK相连；MSP430F149REV的35引脚P3.7与CC2530的16引脚URXD1相连；MSP430F149REV的34引脚P3.6与CC2530的17引脚UTXD1相连；MSP430F149REV的31引脚P3.3与报警模块的限流电阻RL1一端相连。

各模块的工作关系如下：由重力传感器和红外传感器采集的输液信息通过无线通信模块传送至上位机，病人输液信息显示在护士站大屏，主控模块同时对重力传感器和红外传感器采集的输液信息进行监控，若发生异常情况，则主控模块控制报警模块进行报警，提醒患者与护士进行拔针或其他应急工作。

容易想到的，可以设置多个输液监测模块，分别与患者输液病床或座位一一对应；多个输液监测模块的输出端分别连接ZigBee模块的输入端，多个ZigBee模块的输出端均与ZigBee解调器的输入端之间无线通信连接，患者的输液信息通过无线通信网路显示在护士站监控大屏以及手机、PAD等终端设备上。

采用本发明的输液监测系统，输液病人无需家人现场陪护，护士可远程监护病房或输液大厅内输液情况。床头或输液椅位设置手动呼叫报警按钮，病人可手动呼叫护士，用于病人身体不适或即将滴完等情况下主动呼叫护士。

本发明主要解决了以下技术问题：(1)无线传输模块选择Zigbee技术，Zigbee组网能力强，功耗低、抗干扰性强，高可靠性、开发成本较低、连接设备多，完全满足单个的输液监测单元对网络传输速率要求，解决了部分输液监测不能实现的远程输液监测，输液病人不需要家人陪护，实现了医院对患者输液情况监测；(2)系统对输液余量的监测采用压力传感器和对射式红外传感器组合监测，解决了单一传感器对药液余量的监测因传感器失效引起的无法监测、报警，即使重力传感器或红外传感器中的一个失效，本发明的输液监测系统仍可继续正常监测，提高了监测精度和可靠性，护士可以根据病人药液余量的多少有序进行换液或拔针，避免医疗事故的发生。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种远程组合无人值守医用输液监测系统，其特征在于，所述输液监测系统包括输液监测模块、无线通信模块、信息显示模块以及电源模块。

输液监测模块包括主控模块、重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块；其中主控模块的中央处理器型号为MSP430F149REV，用于采集和处理信息，主控模块分别与重力传感器模块、红外传感器模块、报警模块相连接；重力传感器模块安装在输液架挂钩上，输液瓶挂在重力传感器上；红外传感器模块包括红外对管传感器，在茂菲氏滴管上方外壁安装有红外对管传感器呈U型，用以测量输液速度，使红外对管传感器的红外发射管与红外接收管水平对准；报警模块由蜂鸣器、三极管、电阻组成；

无线通信模块与主控模块相连，通过Zigbee技术进行信息的无线传输，无线通信模块中包括型号为CC2530的芯片；

信息显示模块与无线通信模块相连，用于实时显示前端采集的病人输液信息；

电源模块给输液检测模块供电。

2.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，重力传感器模块包括重力传感器和AD转换电路，AD转换电路采用A/D转换器芯片HX711；

AD转换后得到药品的余液信息，通过单位时间内药液的变化量得到输液速度。

3.根据权利要求2所述的输液监测系统，其特征在于，重力传感器的模拟输出INNA、INPA分别与HX711的7引脚INNA、HX711的8引脚INPA相连。

4.根据权利要求2所述的输液监测系统，其特征在于，中央处理器的24引脚接接重力传感器模块中HX711的13引脚X0；中央处理器的25引脚与重力传感器模块中HX711的12引脚DOUT相连；中央处理器的26引脚与重力传感器模块中HX711的11引脚PDSK相连。

5.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，红外传感器模块中采用型号为LM393的集成电路。

6.根据权利要求5所述的输液监测系统，其特征在于，中央处理器的20引脚接红外传感器模块LM393的1引脚VHOUT，中央处理器对输入的信号进行分析，通过计算得到当前滴速、剩余药液、剩余输液时间的信息。

7.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，中央处理器的35引脚P3.7与无线通信模块CC2530的16引脚URXD1相连；中央处理器的34引脚P3.6与无线通信模块CC2530的17引脚UTXD1相连，中央处理器通过无线传输将处理后的信息传输给信息显示模块。

8.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，无线通信模块由CC2530芯片、电感、电阻、电容、晶振和天线组成，其中天线为单极子不平衡天线；由分立电感L1、L2，电容C47，C48，C410组成非平衡变压器，以满足RF输入、输出匹配要求。

9.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，报警模块中包含有限流电阻RL1，中央处理器的31引脚P3.3与报警模块的限流电阻RL1一端相连，当输液即将输完、换液、出现滴速过快的异常状况时，触发报警模块报警。

10.根据权利要求1所述的输液监测系统，其特征在于，病人输液信息包括病人床位号、剩余药液量、当前滴速、剩余输液时间的信息。