摘要: 为满足医院输液过程管理及控制自动化的需要，对各种检测控制方案以及通信方式做了分析对比，研制了一种基于CAN 总线的医用输液监控系统。该系统由现场智能节点、监控计算机和CAN 网络三个部分组成，具有输液速度检测、输液量检测、脉搏检测、报警以及数据显示等多种功能。介绍了传感器、智能节点和CAN 总线接口的硬件设计以及输液信息管理软件的设计。测试结果表明，系统安全可靠，功耗低，操作方便，抗干扰能力强，在医疗卫生领域中具有广泛的应用前景.
0 引言
输液是临床医学中常用的治疗手段，目前我国的绝大多数医院在进行输液治疗时，液滴速度的设置还是由护士通过肉眼观察估计的，输液过程中也要人工随时观察储液瓶的状态，如果出现异常或者输液快结束时，要及时通知值班护士。利用人工监视输液情况，给病人和医护人员带来了许多麻烦，在输液过程中如果出现意外也难以及时发现。
本文研制了一种网络化、多功能的集中监控输液控制系统，监控病人输液的整个过程。为医务人员的输液工作提供方便，为输液病人提供可靠的安全保证，以满足医院和社会的需要。
1 系统组成及功能
系统组成如图1 所示，由护士监控室的计算机和病房中的现场智能节点组成。现场智能节点对应于每个输液终端，利用红外技术对液滴信号进行采集，压力传感器检测输液瓶中的剩余药液量，压电薄膜力敏传感器检测脉搏值，并通过CAN 总线通信网络将数据传送至主控室的计算机，提供给医护人员。当输液结束或出现异常时，输液终端和监控计算机两者同时报警，可达到对输液过程实时监控的目的。
输液自动监控装置能实现多种功能，具体如下:
( 1) 通过键盘设置病人编号和输液速度值; ( 2) 实时检测并显示输液速度值以及输液瓶中的剩余药液量;
( 3) 检测脉搏，记录并显示; ( 4) 当液体量低于警戒值时，即输液快结束时自动报警，也可在输液过程中人为强制报警; ( 5) 如果出现针头堵塞等意外情况，滴速突然发生变化，也会发出报警信号。
一般计算机是不带CAN 接口的，所以计算机和CAN 网络是不能直接互联的，必须使用计算机现有的通信接口( PCI，USB，RS -232) 适配，转换为CAN 总线接口。CAN/PCI 接口传输速率高，实时性好，然而 PCI总线协议复杂，与 PC 机通信需要专门的驱动，并且该接口造价高。USB 接口速率较高，但是与PCI 一样需要专门的驱动，较为复杂。而RS -232 本身就是一种串行总线，不需要专门的驱动，容易实现。输液监控系统对传输速率的要求并不高，在满足需要的前提下，采用了CAN/RS -232 转换接口，实现CAN 总线与监控PC 机的连接。
2 现场智能节点硬件设计
输液监控系统中现场智能节点的硬件结构如图2所示。智能节点完成输液现场的数据采集和处理、与监控机间的通信等系统的主要工作。现场智能节点的设计是整个输液监控系统的关键。
2.1 微处理单元的选择
为了减小系统功耗和体积，围绕测试仪器设计的三大原则: 集成化、微型化、微功耗，设计中选用了Silicon Laboratories 公司生产的C8051F040 单片机。它是完全集成的混合信号系统级芯片( SOC) ，内部集成了构成单片机数据采集和控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。该款单片机具有与MCS -51 完全兼容的指令内核，采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。具有内部集成 12 位A/D 转换器、集成CAN2.0 控制器等功能，能够完成多路数据的采集、判断处理，以及数据的传输等功能。这种高度集成的SOC 片上系统使整个仪器的体积和功耗达到了微型化、微功耗的设计原则。
2.2 输液瓶液位检测
液位检测方案有以下几种:
( 1) 采用红外发射 -接收对管作为传感器从输液瓶外面固定于警戒值两侧对液面进行监测。与点滴速度测量不同的是，点滴速度测量的是滴斗，它的体积相对小得多，红外传感的发射段和接收段距离较小，干扰比较小。但测液面时传感器的收发距离大得多，瓶壁厚度也很大，所以收发信号相对弱了许多，检测结果必然会存在较大的干扰，并且这种方案也不能检测瓶内的液体量。
( 2) 采用电容传感器测量液位，在储液瓶的瓶身外贴两块金属薄片作为传感电容，电容两极间的介电常数随着储液面的下降而减小，再经过 C/V 变换转换为电压值。这种方案虽然简单，但由于不同的药液可能有不同的电容值，而且为了使电容量的变化比较明显，金属薄片的面积比较大，影响对液面的肉眼观察。
( 3) 采用探针插入输液瓶内检测液位高度，虽然简单可行，但药液易污染，不符合医用标准。
本文采用称重传感器来检测药液量。将称重传感器固定在支架上，输液瓶悬挂于传感器上。输液瓶都符合国家统一标准，一般分为玻璃瓶和塑料瓶，容量分别为250 mL 和500 mL，因此一共有4 种规格。对应于 4 种输液瓶，分别测量了空瓶的质量，并将其A/D转换数据存入C8051 片内flash。每次开机时，只要选择对应的输液瓶种类( 如果不设置，则选择了默认的常用种类) ，就可以在软件上进行修正，实现“去皮”功能。一旦液体剩余量达到预先设置的报警值( 例如输液总量的5%) ，输液现场和监控计算机同时报警，等待医护人员前来处理。不同的医疗机构常采用的输液瓶规格不同，也可以根据实际情况增加输液瓶的种类，例如增加袋装药液。
液位检测电路主要由称重传感器、传感器前置放大器、差分放大器、单片机及外围电路、通信接口等组成。传感器采集的信号经过处理后，信号的幅度范围在0 ～3.3 V 之间，满足单片机的信号输入范围。选择C8051F040 内置的12 位AD 转换器，实现数据的采集。信号接单片机的单端输入通道，进入12 位的 AD转换器。影响称重传感器稳定性的主要因素是其零点温漂，为此采用了带温度补偿的电桥电路和低温漂恒流源供电。在设计前置放大器时采用低温漂差分放大电路，并在软件初始化过程中自动检测前置放大器的零点漂移值，在计算输液剩余量时将此值减去。
2.3输液速度检测
2.3.1 输液速度检测传感器
能检测输液速度的传感器有探针式、微动开关式、激光反射式、光纤传感器和红外透射式等传感器。选择红外透射式传感器检测液体点滴的速度，红外传感器体积小、结构简单、测量精度高、灵敏度好、避免与被测液体直接接触，并且容易实现。
采用红外检测技术，在输液软管的滴斗处对输液速度进行测量，液滴滴速检测电路主要由红外发射、接收和脉冲整形三部分组成。输液的速度也可以通过输液的剩余量和采集时间计算出来。在现有的文献中，也有只用称重传感器同时检测滴速和液位的。存在的问题是，采集时间较长，需要大约1 min 时间来测定输液的剩余量。在系统开始工作后，1 min 才能显示滴速; 如果输液发生意外，例如输液阻塞，点滴速度突然发生变化时，报警处理明显滞后。
2.3.2 采样信号抗干扰处理
输液速度检测传感器设计的关键是要熟悉点滴的特性，通常点滴是近似椭圆形的。一般认为在点滴下落经过光电传感器时会输出一个脉冲，以低电平触发有效则输出一低脉冲，传感器采样的脉冲个数应当与滴管中的液滴数一一对应，但通过示波器观察发现，传感器在读一个液滴时出现了间隔较近的双脉冲。由于滴管受外界扰动和一些不确定因素，双脉冲波形并不是稳定的，波形有时是单脉冲的，如图3 所示。为了消除这种情况给计数带来的误差，可用两种办法来解决，一种是通过硬件处理，一种是用软件方法。考虑到系统的稳定性和可靠性，设计中采用硬件方法，使用单稳态电路，通过改变电阻电容参数，消除双脉冲影响。
2.4 脉搏检测
脉搏信号含有许多生理信息，并与疾病尤其是心血管疾病间有着密切的关系。目前脉搏检测常用的方法是压力脉搏波检测( 包括压电式和压阻式) 和容积脉搏波检测。压力脉搏是利用压电效应，检测人体某一特定部位的脉搏压力信号; 容积脉搏则大多是利用光电原理，检测人体指端动脉毛细血管的容积变化。压力脉搏由于采用了新型的压电材料聚偏二氟乙烯( PVDF) 和新的传感器技术，所以能在脉搏信号检测中表现得更稳定、更准确、更优越。PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。PVDF 是一种柔软的塑性薄膜，对温度、湿度和化学物质高度稳定，机械强度也比较好，是一种较理想的新型换能器材料。用它制作的各种换能器具有结构简单、质量轻、失真小、性能稳定等优点。PVDF 质量轻，膜柔韧，能紧贴皮肤，用于检测微弱低频的脉搏信号是较理想的选择。压力脉搏传感器把压力变化信号转化为电信号，与中医指压切脉的方法相似。脉搏传感器在整体结构上采用了表带式。在测量时，将传感器通过绑带固定在手腕脉搏跳动最强的寸口处。操作方便、简单，无创伤，受人体体位和呼吸的干扰较小。
系统中的脉搏传感器采用 HK -2000A 型集成化脉搏传感器。它是一种软接触式的无创型脉搏传感器，该产品采用高度集成化工艺将力敏元件( PVDF 压电膜) 、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。压电式原理采集信号，输出同步于脉搏波动的脉冲信号。该传感器具有成本低、灵敏度高、抗干扰性能强、触压面积大、无压痕和使用寿命长等特点，非常适合脉搏的无创检测。
2.5 显示模块
显示部分可以使用数码管，也可以使用液晶显示器。数码管成本低，但不能显示汉字，不方便病人观察输液过程。现场智能节点显示部分采用的是具有汉字显示功能的LCD 模块OCMJ4 ×8( 128 ×64) ，能显示8× 4 行汉字，可用来显示当前的输液剩余量、剩余时间、输液速度及脉搏等信息。
2.6 声、光报警单元
通过单片机程序控制，判断是否报警，即单片机某一输出引脚高电平，通过外部上拉电阻来控制三极管驱动声、光报警设备。系统还设计了人工强制报警按键，以便在输液过程中发生其他意外情况时报警。键盘操作错误报警。滴速的范围要求是20 ～150d / min，超出这一范围的输入数据是无效的。键盘输入处理程序对输入滴速值进行比较，当输入超出范围时将产生相应的报警提示，并用软件方法屏蔽掉此次输入的数值。
3 数据传输
现场智能节点与监控计算机的通信可采用 CAN总线、RS 串行线以及无线传输方式进行。无线传输方式抗干扰能力差，而且当病房和监控室距离较远时，可能会因为多道墙的阻隔而导致丢包率上升。与RS -485 协议比较 CAN 总线在访问机制、通信速度、节点容量、通信距离和可靠性等各方面都有突出的优势，尤其是CAN 总线基于优先权的无破坏性总线仲裁技术，特别适合过程监控设备的互联。因此，针对目前医院临床的需要，本文采用了CAN 总线技术通信的输液监控系统。
CAN 总线传输介质采用双绞线，通信速率设为20 kbit / s 时，CAN 总线任意两节点之间的距离可以达到3.3 km，完全可以满足系统的通信要求。CAN 总线抗干忧能力强，具有强有力的错误检测功能，能自动完成出错处理和应答处理，保证了数据传输的可靠性。
CAN 总线的数据传输，利用了单片机 C8051F040内部集成的CAN2.0 控制器，只需外加一个CAN 收发器件，即可连入CAN 网络。采用了一款带隔离的高速CAN 收发器CTM1050，实现CAN 节点的收发与隔离功能。CTM1050 集成了所有必需的CAN 隔离及CAN 收发器件，将CAN 控制器的逻辑电平转为CAN总线的分电平。在以往的设计方案中需要光耦、DC / DC 隔离、CAN 收发器等其他元器件才能实现带隔离的CAN 收发电路，但利用CTM1050，一片接口芯片就可以实现带隔离的 CAN 收发电路。其接口简单，操作方便，隔离电压可以达到2500 V，电路如图4所示。
4 系统软件设计
4.1 下位机软件设计
下位机主要负责数据采集和通信，软件采用模块化、结构化设计方法，采用C 语言编程。主程序流程图如图5 所示，包括滴速设置，滴速采样，输液剩余量采样，脉搏采样，输液完成报警，人工呼叫等。系统在完成所有初始化工作后，查询键盘输入状态，之后进入自动识别输液瓶种类、采样、显示等功能模块，各功能模块完成后又返回查键。在循环过程中，若有串行中断产生，则执行串行中断接收/发送程序，和上位机通信。
4.2 监控计算机软件设计与界面
监控主站是用VC + +6.0 开发的可视化的人机图形界面和通信程序。其主要任务是完成对输液速度、剩余药液和脉搏的监测，当出现意外时及时报警。主控界面内含有每一个从站的从站号、输液速度设定值、输液速度测量值和剩余药液量等信息。主控PC 机与各从站通信主要是通过定时巡检的方法实现的，PC 机使用定时事件，定时轮巡各个从站，请求数据，同时处理来自下位机的中断请求，接收数据。
5 结束语
输液集中管理控制系统利用计算机局域网络控制技术实现多路信息数据的采集、传输与显示，从而实现对多床位进行集中、远程、分床监控，实现医院护理自动化。该系统终端机既可联网使用，适合于各级各类医院，也可以单机独立使用，适合于社区卫生院等小诊所; 特别适用于那些正常人体不宜接近的特殊场合，比如高辐射区、高传染区等。在不改变传统点滴系统的基础上增加该系统具有较好的实用价值。
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作者简介: 贺桂芳( 1963—) ，女，硕士，副教授，主要从事自动化与仪器仪表的教学和科研工作。
收稿日期: 2012 -02
