一种智能输液支架系统设计

0 引言

医院每天病人流量非常大，这就会给医务人员增加额外负担，没有时间去接诊更多的病人，同时病人输液时因为要顾虑药水更换的问题而无法得到更好的休息。目前医院使用输液架均为固定式或悬吊式输液架，患者输液时活动很不方便，需要家属或陪护人员举着点滴瓶或输液袋同行[1-2]。如有流行病情爆发时容易传染亲属和护理人员，引起交叉感染，扩大传染源，给陪护人员身体健康带来危害和不必要的麻烦[3]。本系统目的是为病人提供智能输液支架，解决病人需要时刻查看药瓶药水是否输完以及因医务人员的额外看守而不得已减少接诊时间的难题。除了能够让病人在输液时得到更好的休息，机器人还具有实时监测病人身体体征的功能，也能方便医生随时了解病人病情发展，同时提高医务人员接诊的效率[4]。

1 输液支架结构设计

根据输液支架可实现插针、拔针、旋转换液等功能采用以下设计理念，顶部采用可旋转的转盘结构，其次还需要放置输液瓶和输液管，实现旋转输液，转盘务必要与输液瓶成为整体，因此将抓手结构与转盘设计为一个整体，另外单独设计1根长直空心铁棒，在其端部切出凹槽用于固定输液管针头，而这些功能的控制装置则集中在输液支架的下部的箱体中，便于线路的优化设计[5]。综上所述，本智能输液支架可以分为3大部分：用于夹持输液瓶的抓手旋转结构、用于固定针头的固定装置、用于放置控制装置的箱体结构。如下图1、图2所示共同组成输液支架的抓手结构。

图1 抓手结构

图2 输液瓶瓶口固定装置

如下图3、图4所示，共同组成输液支架的固定针头装置区。

图3 输液管针头固定装置

图4 插针杆固定装置

如下图5位输液支架的底座部分：

图5 输液支架底座

由上述部分组成的整体输液支架立体图，如下图6所示：

图6 输液支架立体图

2 输液支架的硬件组成

输液支架的硬件模块主要由24V电源电路模块、核心控制模块、电机模块、液位检测报警模块、监测和传输模块共6个部分组成。本设计核心控制模块采用arduino单片机，具有较多的模拟和数字引脚，可以对多个变量进行定义。本支架的主要控制回路程序用arduino编写，实现对电机模块的控制和调节。电机模块采用57步进电机和滚珠丝杠以及与之相符合的驱动器，通过两者之间的协调配合，实现旋转换液的主要功能。液位传感器是判断输液是否完成的关键装置，自然对其精度有较高的要求。监测和传输模块主要是完成患者体温数据采集以及数据传输任务，系统采用体温检测模块和蓝牙模块，两者分别进行数据的采集和传输实现数据的无线传输功能。系统上电工作时，对安装在输液瓶上的液位传感器进行液位调制，使其符合输液标准，然后打开控制单元开关，利用arduino编程给滚珠丝杠相应的方向引脚定义1个高电平，使输液支架进行第一瓶输液，当输液瓶的液位到达所设液位时，与液位传感器相连的报警器则会启动报警模块，提示第一瓶输液结束。

2.1 核心控制模块工作原理

核心控制模块是控制回路的中心调控装置，其他一切的支路模块受其管辖和支配，其存在数据的输出与输入，对接收到的数据进行分析、处理、指令。系统采用arduino单片机作为核心控制器，目的是在满足控制回路的基本需求上尽量降低成本，而且此款单片机操作相对来说比较方便。图7所示为核心控制单元工作原理图。

图7 核心控制单元工作原理图

本设计利用液位传感器检测液位变化，并将检测到的模拟信号转换为数字信号，发送给控制器，然后利用控制器的输入和输出引脚连接电路，控制机器。下表1为arduino控制板引脚功能注释，INPUT表示输入引脚，OUTPUT表示输出引脚。

表1 arduino控制板引脚功能注释

2.2 电机模块组成

智能输液支架主要实现旋转换液的功能，旋转和换液需要2个平面运动，分别为水平圆曲面和垂直方向平面，而且2个平面的运动都有精度要求，再综合考虑功率的大小问题，选择57步进电机作为水平圆曲面的电机模块，而垂直方向的电机辅助上下运动，所以跟一般的步进电机选择略有差异，综合考虑后最终选择双轨行滚珠丝杠作为垂直方向的电机模块。前者可实现将支架顶部转盘旋转一定角度，后者可将输液针头进行上下直线移动，两者经过参数配置和精度调节后便可轻松完成旋转换液的重要功能。步进电机和滚珠丝杠2个电机模块的具体工作过程如图8所示。

2.3 液位检测报警模块

输液架是医院常用的静脉输液器具之一，多年来人们一直沿用传统的输液支架，即在1个底盘上竖1根杆，上面带有2个吊瓶勾。使用传统的输液支架要求陪伴人员时刻关注输液瓶内药液的液面高度，或由医护人员不断地跑动观察输液进程。随着医疗事业的发展，病员输液的人数不断增加，因此医护人员的劳动强度也不断增加，在无陪伴人员或夜间输液的情况下问题尤为突出。广大医护人员不断要求改进现有的输液支架，增加其使用功能。本项目采用的是液位传感器和报警装置相互配合达到能够输液完成自动报警目的。我们采用的液位传感器为电容式，工作电压24 V，输出方式为NPN常闭型，最大负载电流为500 mA，能够穿透各种非金属材质容器，被测液体可以是水、酸、碱及盐类溶液，系统采用24V电源提供液位传感器的工作电压，然后通过目标液位调节液位传感器的精度，精度调节完成后，当输液瓶液位下降到设定值时，就会触发报警器报警，提示输液完成。

图8 电机模块工作流程

2.4 监测和传输模块

为了实时掌握患者在输液过程中生命体征指标的变化，医生能够及时地对患者进行医治，系统在输液支架上附加了监测和传输模块，可以方便医生对患者的体温等生命体征数据进行实时查看，以求最大限度保障患者的就医安全。监测模块采用可穿戴的体温模块，型号为 GYMCU90615，GY-MCU90615是一款低成本红外温度模块，工作电压3～5 V，具有功耗小、体积小的特点。其工作原理是通过单片机读取红外温度度数据，串口（TTL电平）通信方式输出。串口的波特率有9 600 bps与115 200 bps有连续输出与询问输出2种方式，可适应不同的工作环境，测量人体体温与室温，测量范围为-40℃～115℃，测量精度达到0.5℃，可与所有的单片机及电脑连接。传输模块采用的是无线蓝牙模块，型号为HC-05，工作模式为自动连接模式。体温模块和蓝牙模块的原理图如图9、图10所示。我们将这2个模块同时接到arduino mega2560开发板，其丰富的串口为数据的传输提供了很大方便，同时采用易语言编写系统程序，控制蓝牙模块将接收到的体温数据发送到云平台。具体传输过程实现：将体温模块和蓝牙模块引线与程序所定义的引脚依次连接，然后给开发板提供5 V电源，打开易语言程序软件，同时做好手腕佩戴式测量体温的准备，运行对应程序，实时变化的体温数据就会显示在所示窗口中。

图9 体温模块和蓝牙模块原理图

图10 体温模块原理图

3 结束语

本输液支架巧妙利用机械组合结构和先进的智能控制技术实现了无人看管自动输换液的功能，这对今天医院人满为患的问题着实是一个福音，因为病人输液时要更换不同的药水瓶，传统的解决方法都是医务人员亲自给病人更换药水，增加了医护人员的工作量，并且病人也无法得到良好的休息。我们这种输液支架不仅解决了上述问题，而且对输液进程的问题也进行了深入研究，增加了液位传感器，输液完成就会有报警音提示，很大程度上减轻了医务人员的负担，同时为了进一步保障病人的就医安全，我们利用监测和传输模块对病人的体征状况进行实时了解和分析。此款输液支架为智能输液支架提供一种新颖的思路。