CN115252961B - 一种临床点滴输液加温与流速监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种临床点滴输液加温与流速监控系统，属临床医疗技术领域。系统包括：动态加热模块、输液管内平均流速测量分析模块、流速可调模块、报警并自动关夹模块、手机及电脑端远程监测模块、可操控共享模块和微控制模块。本发明首先基于流体力学、热传递、信号与系统原理，提出一种根据圆管定常流中的动态热弥散方程的Fourier级数解确定管内横截面上平均流速的方法；其次，利用动态加热、红外温度传感、自动控制等相关原理、方法和技术实现监测输液速度、自动加温，以及监测管内药液是否已空以及自动夹闭输液管以防止回血等功能；最后，研发专用APP，通过5G网络、蓝牙及WIFI等方式连接手机来显示监控输液状态。

Description

一种临床点滴输液加温与流速监控系统
技术领域
本发明属于临床医疗技术领域，涉及一种临床点滴输液加温与流速监控装置及系统，是一种基于流体力学、热传递、信号与系统、动态加热、红外温度传感、自动控制等相关原理、方法和技术的点滴输液加温与流速监控装置及系统。
背景技术
临床治疗中，点滴输液是最常用的静脉给药方式，往往需要陪护人员密切观察输液过程，比如上一组药液已经输完而需要换组接续、输液速度是否合适、意外输液停止而造成输液管内回血等等；另外，在冬季寒冷地区，由于输液温度偏低导致患者感觉不适。如果能有一种夹在输液管上的小型装置及系统，既可监测输液速度、监测输液管内药液是否已空以及自动夹闭输液管以防止回血，又能自动将液体加热并恒温至合适温度，还能将输液状态适时传送至陪护人员手机得以预警，则可大大方便陪护人员。
目前市场上已经出现很多输液监测设备：曾鑫等人(参考文献：曾鑫、梁希瑶、周莹.基于液位监测的智能输液报警系统设计与应用[J].医药高职教育与现代护理，2022，5(03)：262-266.)凭借红外接收管产生的电位变化来监测患者输液瓶中指定的液位高度，采用三色警示和蜂鸣报警，并通过无线网络将患者输液信息及时反馈给医护人员。卢云等人(参考文献：卢云、李文婧、寇皓、蒋巧俐.一种可用于输液监测的点滴报警器[P].中国发明专利，申请专利号：CN211096680U，2020.)利用红外对管判断点滴的滴定情况，当输液过程中出现异常时，由声光报警器提醒医护人员并利用弹性挡片将滴管夹紧。
以上已有的设备多使用红外线来监测输液管内药液是否为空，并通过声音报警或通过蓝牙方式连接手机报警，并具有自动夹闭功能。然而，现有的这些设备不仅没有自动加温功能，而且缺乏输液速度监测功能导致患者和陪护人员无法预测输液结束时间。因此，还需要一种具有输液速度监测和自动加温功能、兼具监测输液管内药液是否已空以及自动夹闭输液管以防止回血功能的新设备，同时该设备能通过5G网络、蓝牙及WIFI等方式连接手机，研发专用APP来显示监控输液状态。
关于输液管的流速检测功能，由于液体中缺乏微尺度颗粒、成本高等原因，常见的超声多普勒流量传感技术、激光多普勒流速检测技术以及电磁感应流量传感技术等均无法满足该设备要求。本发明首先基于流体力学、热传递、信号与系统原理，提出一种根据圆管定常流中的动态热弥散方程的Fourier级数解确定管内横截面上平均流速的方法；其次，利用动态加热、红外温度传感、自动控制等相关原理、方法和技术设计一种点滴输液加温与流速监控装置及系统，实现监测输液速度、自动加温，以及监测管内药液是否已空以及自动夹闭输液管以防止回血等功能，并能通过5G网络、蓝牙及WIFI等方式连接手机，研发专用客户端来显示监控输液状态。
发明内容
本发明是一种基于流体力学、热传递、信号与系统、动态加热、红外温度传感、自动控制等相关原理、方法和技术的点滴输液加温与流速监控装置及系统。该装置及系统首先基于流体力学、热传递、信号与系统原理，提出一种根据圆管定常流中的动态热弥散方程的Fourier级数解确定管内横截面上平均流速的方法；其次，利用动态加热、红外温度传感、自动控制等相关原理、方法和技术实现监测输液速度、自动加温，以及监测管内药液是否已空以及自动夹闭输液管以防止回血等功能；最后，研发专用客户端，通过5G网络、蓝牙及WIFI等方式连接手机来显示监控输液状态。
本发明的技术方案如下：
一种临床点滴输液加温与流速监控系统，如图1所示，包括：动态加热模块1、输液管内平均流速测量分析模块2、流速可调模块3、报警并自动关夹模块4、手机及电脑端远程监测模块5、可操控共享模块6和微控制模块7。
所述的动态加热模块1包括加热源及其驱动电路。将两个加热源分别固定于输液管两侧，通过驱动电路向加热源输入一列脉冲电流即可驱动加热源产生热，通过热传导的方式加热输液管内液体，实现药液迅速升温。加热源的驱动信号为周期性脉冲电流F(t)，在输液管加热点处周期性输入给输液管内药液的热量Q0(t)。
所述的输液管内平均流速测量分析模块2，包括温度传感器；测量原理和分析方法如下：如图2所示，输液管内、外半径分别为Ri和Ro(均远小于特征长度L)；管壁材料的密度ρw、比热容cw、导热系数kw均为常数；点滴液体的密度ρf、比热容cf、导热系数kf亦均为常数；动态加热模块1在输液管加热点处周期性输入给输液管内药液的热量为Q0(t)，传递到输液管某A点处的热量为QA(t)。建立柱坐标系如图2所示，输液管长度方向为z轴，半径方向为r轴，角度方向为θ轴，设A点为坐标原点z＝0，热量QA(t)在管壁和管内液体中的传递时在管内产生温度为T(z,t)的动态波形，满足热弥散方程：
上式中，U满足
这里，V为待测管内平均流速，β和φf满足
φf＝(Ri/Ro)2 (4)
方程(1)中α满足
其中，
且
如图1所示，设输液管某A点处的热量为QA(t)时，A处的平均温度为TA(t)，则方程(1)的边界条件满足：
T(0,t)＝TA(t)＝TA(t+τ) (11a)
利用Fourier级数展开和分离变量法，根据方程(1)(11a)(11b)求解频域上的传递函数H(jω,z)表达为：
式中，TA(jω)为A处平均温度为TA(t)对应于圆频率ω的谐波分量，TB(jω,z)为任意z处平均温度为Tz(z,t)对应于圆频率ω的谐波分量。
在相距L的A点和B点分别布置热电堆红外温度传感器，同步测量TA(t)和TB(L,t)可得频域上的传递函数H(jω,L)的幅度-频率曲线和相位-频率曲线，根据式(12)，采用最小二乘法分别拟合传递函数H(jω,L)的幅度-频率曲线和相位-频率曲线均可求得U，进一步根据方程(2)获得管内液体流动的平均流速V。
所述的流速可调模块3包括带凹槽的挡板和升降步进电机。输液管位于带凹槽的挡板与升降步进电机之间，升降步进电机的升降长度d可调节输液管道的横截面积S(d)，进而调节流速。流速可调模块3与输液管内平均流速测量分析模块2以及微控制模块7结合形成反馈系统，能够实现精准调速。
所述的报警并自动关夹模块4包括源蜂鸣器，用于在药液为空时进行自动报警。
所述的手机及电脑端远程监测模块5包括蓝牙模组、手机或电脑客户端，手机或电脑客户端设备中的蓝牙模块能与蓝牙模组配对，二者采用串口通讯的方式实现人机交互。
所述的可操控共享模块6用于方便用户在客户端实现ID的共享与获取。
所述的微控制模块7分别与动态加热模块1、输液管内平均流速测量分析模块2、流速可调模块3、报警并自动关夹模块4、手机及电脑端远程监测模块5相连；微控制模块7的功能包括：
A用户通过客户端给微控制模块7传递关于加热温度、液体流速的设置指令，微控制模块7根据指令控制各个模块工作，微控制模块7将监测到的温度、流速、报警信息实时传递客户端显示。
B微控制模块7中存储有原始密钥，用户通过客户端的手机或电脑并利用可操控共享模块6输入装置ID后，客户端获取装置发送的密钥并解析，解析完成后通过蓝牙模块发送给微控制模块7，微控制模块7判断该解析密钥与原始密钥是否一致，若一致则反馈给手机及电脑端远程监测模块5获取装置使用权。
C、微控制模块7根据输液管内的平均流速V来判断是否需要报警。若微控制模块7判断瓶内药液为空，将控制有源蜂鸣器报警，同时驱动升降步进电机升至挡板的凹槽底部，实现自动关夹。
进一步地，手机及电脑端远程监测模块5可设置系统的测速、恒温加热、控速三种工作模式，三种模式可同时工作，也可以独立工作：
(1)当工作在测速模式和/或控速模式下时，微控制模块7根据输液管内平均流速测量分析模块2所得管内液体流动的平均流速V，判断瓶内药液是否为空。
(2)当工作在恒温加热模式下时，动态加热模块1驱动信号将叠加测速脉冲电流，输液管内平均流速测量分析模块2进行测速，并将结果传递给微控制模块7进行判断瓶内药液是否为空。
(3)并未选定工作模式的情况下，微控制模块7通过内部定时器定时启动动态加热模块1和输液管内平均流速测量分析模块2，输液管内平均流速测量分析模块2将计算的结果传递给微控制模块7进行判断瓶内药液是否为空。
进一步地，所述的加热源为微型陶瓷加热片，所述的驱动电路由mos管组成的。
本发明的有益效果：可将药液自动加热到人体体温，避免病人因药液温度与人体温度温差较大而感到不适；可利用客户端实时监测输液速度，出现异常发出警报并自动关夹，保护病人安全；医护人员可根据病人生理特性通过客户端调节输液速度，提高工作效率；结构简单，质量轻，可直接夹持于输液管上；成本低且精度高，操作方便，可制成共享设备，普及智能医疗。
附图说明
图1是本发明的装置和系统结构示意图。图中：1为动态加热模块；2是输液管内平均流速测量分析模块；3是流速可调模块；4是报警并自动关夹模块；5是手机及电脑端远程监测模块；6是可操控共享模块；7是微控制模块。
图2是输液管几何结构及柱坐标系示意图。
图3是流速可调模块结构示意图。
图4(a)是数值仿真的距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器所处位置的平均温度波形TA(t)和TB(L,t)。
图4(b)是距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器之间的传递函数幅度-频率曲线(实线为拟合值,点为数值仿真值)。
图4(c)是距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器之间相位-频率曲线(c)(实线为拟合值,点为数值仿真值)。
图5(a)是实测的距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器所处位置的平均温度波形TA(t)和TB(L,t)。
图5(b)是距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器之间的传递函数幅度-频率曲线(实线为拟合值，点为实测值)。
图5(c)是距离L为33mm的两热电堆红外温度传感器之间的相位-频率曲线(实线为拟合值，点为实测值)。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
(1)本发明的微控制模块7采用STM32F103C8T6最小系统板，能完成各个模块的控制与计算分析。动态加热模块1中的微型陶瓷加热片的大小为10mm×10mm，能较好贴合输液管。输液管内平均流速测量分析模块2中采用XGZT263热电堆红外温度传感器，在人体温度附近具有响应快、成本低、精度高的优点。为了实现输液管完全关夹，流速可调模块3中的凹槽挡板紧贴输液管内壁，升降步进电机顶端也设计为凹槽形状。报警并自动关夹模块4采用有源蜂鸣器，微控制模块7传递触发信号给有源蜂鸣器即可实现报警。手机及电脑端远程监测模块5的蓝牙模组采用低功耗芯片CH9140,可实现百米内距离传输，客户端使用Qt软件制作。
(2)制作装置外壳，中间有圆形卡槽，用于放置输液管。将2个微型陶瓷加热片放置于输液管上游位置的两侧。接着放置输液管内平均流速测量分析模块，顺着输液管内药液流动方向，在距离微型陶瓷加热片20mm处的输液管A点放置第一个热电堆红外温度传感器，再往后33mm于输液管B点处放置第二个热电堆红外温度传感器。在外壳末端正对凹槽的挡板处固定升降步进电机。
(3)打开客户端，客户端包括登录界面、数据显示界面与操控界面。将客户端设备上自带蓝牙模块与装置内部蓝牙模组相配对，在登录界面输入装置ID，客户端获取装置发送的密钥并解析，解析完成后通过蓝牙模块发送给装置微处理单元7与原始密钥进行比对，若一致则可继续操控装置，转跳操控界面，选择测速、恒温加热、控速三种工作模式中的一种或者多种。
(4)若选中恒温加热模式，在界面设定好加热温度后(为避免高温使药物变性，最高设置温度不能超过37℃)，微控制模块7将给动态加热模块1传递1KHz的PWM驱动信号，驱动电路将其转化为相应的脉冲电流，用于微型陶瓷加热片产热，输液管内平均流速测量分析模块2中的B点处的热电堆红外温度传感器测得温度信息，反馈给微控制模块7，与设定值相比较，采用PID算法调节PWM驱动信号的占空比，形成反馈控制，即可实现精准调速，最后微控制模块7将加热温度传递给客户端显示界面。
(5)若选中测速模式，微控制模块7将给动态加热模块1叠加0.02Hz，30％占空比的测速驱动信号，驱动电路将其转化为相应的脉冲电流，用于微型陶瓷加热片产生测速热量。输液管内平均流速测量分析模块2对流动中的药液温度进行测量，分析计算，获得管内平均流速V，该流速通过手机及电脑端远程监测模块5传递给客户端实时显示。
(6)若选中控速模式，先通过客户端设定好期望流速，微控制模块7调用测速模式，获取管内平均流速V，微控制模块7将平均流速V与设定值相比较，使用PID算法，驱动流速可调模块3中的升降步进电机，调节升降长度d，形成反馈控制，进行精准调速。
(7)微控制模块7使用其内部定时器，每2分钟进行一次流速监测，在原先工作模式下增加测速模式，用于判断输液瓶内药液状况，若发现异常则微控制模块7给是报警并自动关夹模块4中的有源蜂鸣器传递驱动信号进行报警并驱动升降步进电机自动关夹。
(8)输液管内平均流速测量分析模块2的具体实现：使用的医用输液管内、外半径分别为1.5mm和2mm；管壁材料的密度ρw＝1390kgm-3、比热容cw＝1050Jkg-1K-1、导热系数kw＝0.17Wm-1K-1；点滴液体的密度ρf＝1000kgm-3、比热容cf＝4200Jkg-1K-1、导热系数kf＝0.59Wm-1K-1；控制系统获取上位机测速指令后，微型陶瓷加热片被脉冲信号F(t)驱动，向输液管加热点处周期性输入热量Q(t)，热量Q(t)在管壁和管内液体中的传递，待周期性波形稳定后被相距L＝33mm的A点和B点的热电堆红外温度传感器同步测量到，记录采集到的平均温度TA(t)和TB(L,t)，通过利Fourier级数展开和分离变量法，根据方程(1)(11a)(11b)求解频域上的传递函数H(jω,z)。已知模具上两热电堆红外温度传感器的精确距离L，通过式(2)即可获得管内液体流动的平均流速V。
为验证测速方法的有效性，本发明分别采用数值仿真和实验测量两种方式进行验证：(一)数值仿真方式：假设输液管内的平均流速为2.12mm/s,根据方程(1)(11a)(11b)数值仿真到的平均温度TA(t)和TB(L,t)如图4(a)所示，进一步得到传递函数幅度-频率曲线(图4(b))和相位-频率曲线(图4(c)),采用最小二乘法拟合幅度-频率曲线(图4(b))得到管内液体流动的平均流速V为2.14mm/s(与真实值2.12mm/s的相对误差为0.94％)，拟合相位-频率曲线(图4(c))得到管内液体流动的平均流速V为2.08mm/s(与真实值2.12mm/s的相对误差为1.87％)；(二)实验验证方式：实测的平均温度TA(t)和TB(L,t)如图5(a)所示，进一步得到传递函数的幅度-频率曲线(图5(b))和相位-频率曲线(图5(c))。由于设计中两个温度传感器的灵敏度不一样，幅度-频率曲线(图5(b))与真实值相比存在很大误差，因此，采用最小二乘法拟合相位-频率曲线(图5(c))，最终得到管内液体流动的平均流速V为5.24mm/s。

Claims (3)

1.一种临床点滴输液加温与流速监控系统，其特征在于，包括：动态加热模块(1)、输液管内平均流速测量分析模块(2)、流速可调模块(3)、报警并自动关夹模块(4)、手机及电脑端远程监测模块(5)、可操控共享模块(6)和微控制模块(7)；
所述的动态加热模块(1)包括加热源及其驱动电路；将两个加热源分别固定于输液管两侧，通过驱动电路向加热源输入一列脉冲电流即可驱动加热源产生热，通过热传导的方式加热输液管内液体，实现药液迅速升温；加热源的驱动信号为周期性脉冲电流F(t)，在输液管加热点处周期性输入给输液管内药液的热量Q0(t)；
所述的输液管内平均流速测量分析模块(2)，包括温度传感器；测量原理和分析方法如下：输液管内、外半径分别为Ri和Ro，均远小于特征长度L；管壁材料的密度ρw、比热容cw、导热系数kw均为常数；点滴液体的密度ρf、比热容cf、导热系数kf亦均为常数；动态加热模块(1)在输液管加热点处周期性输入给输液管内药液的热量为Q0(t)，传递到输液管某A点处的热量为QA(t)；建立柱坐标系，输液管长度方向为z轴，半径方向为r轴，角度方向为θ轴，设A点为坐标原点z＝0，热量QA(t)在管壁和管内液体中的传递时在管内产生温度为T(z,t)的动态波形，满足热弥散方程：
上式中，U满足
这里，V为待测管内平均流速，β和φf满足
φf＝(Ri/Ro)2 (4)
方程(1)中α满足
其中，
且
设输液管某A点处的热量为QA(t)时，A处的平均温度为TA(t)，则方程(1)的边界条件满足：
T(0,t)＝TA(t)＝TA(t+τ) (11a)
利用Fourier级数展开和分离变量法，根据方程(1)(11a)(11b)求解频域上的传递函数H(jω,z)表达为：
式中，TA(jω)为A处平均温度为TA(t)对应于圆频率ω的谐波分量，TB(jω,z)为任意z处平均温度为Tz(z,t)对应于圆频率ω的谐波分量；
在相距L的A点和B点分别布置热电堆红外温度传感器，同步测量TA(t)和TB(L,t)可得频域上的传递函数H(jω,L)的幅度-频率曲线和相位-频率曲线，根据式(12)，采用最小二乘法分别拟合传递函数H(jω,L)的幅度-频率曲线和相位-频率曲线均可求得U，进一步根据方程(2)获得管内液体流动的平均流速V；
所述的流速可调模块(3)包括带凹槽的挡板和升降步进电机；输液管位于带凹槽的挡板与升降步进电机之间，升降步进电机的升降长度d可调节输液管道的横截面积S(d)，进而调节流速；流速可调模块(3)与输液管内平均流速测量分析模块(2)以及微控制模块(7)结合形成反馈系统，能够实现精准调速；
所述的报警并自动关夹模块(4)包括源蜂鸣器，用于在药液为空时进行自动报警；
所述的手机及电脑端远程监测模块(5)包括蓝牙模组、手机或电脑客户端，手机或电脑客户端设备中的蓝牙模块能与蓝牙模组配对，二者采用串口通讯的方式实现人机交互；
所述的可操控共享模块(6)用于方便用户在客户端实现ID的共享与获取；
所述的微控制模块(7)分别与动态加热模块(1)、输液管内平均流速测量分析模块(2)、流速可调模块(3)、监控报警并自动关夹模块(4)、手机及电脑端远程监测模块(5)相连；微控制模块(7)的功能包括：
A用户通过客户端给微控制模块(7)传递关于加热温度、液体流速的设置指令，微控制模块7根据指令控制各个模块工作，微控制模块(7)将监测到的温度、流速、报警信息实时传递客户端显示；
B微控制模块(7)中存储有原始密钥，用户通过客户端的手机或电脑并利用可操控共享模块(6)输入装置ID后，客户端获取装置发送的密钥并解析，解析完成后通过蓝牙模块发送给微控制模块(7)，微控制模块(7)判断该解析密钥与原始密钥是否一致，若一致则反馈给手机及电脑端远程监测模块(5)获取装置使用权；
C、微控制模块(7)根据输液管内的平均流速V来判断是否需要报警；若微控制模块(7)判断瓶内药液为空，将控制有源蜂鸣器报警，同时驱动升降步进电机升至挡板的凹槽底部，实现自动关夹。
2.根据权利要求1所述的一种临床点滴输液加温与流速监控系统，其特征在于，手机及电脑端远程监测模块(5)可设置系统测速、恒温加热、控速三种工作模式，三种模式可同时工作，也可以独立工作：
(1)当工作在测速模式和/或控速模式下时，微控制模块(7)根据输液管内平均流速测量分析模块(2)所得管内液体流动的平均流速V，判断瓶内药液是否为空；
(2)当工作在恒温加热模式下时，动态加热模块(1)驱动信号将叠加测速脉冲电流，输液管内平均流速测量分析模块(2)进行测速，并将结果传递给微控制模块(7)进行判断瓶内药液是否为空；
(3)并未选定工作模式的情况下，微控制模块(7)通过内部定时器定时启动动态加热模块(1)和输液管内平均流速测量分析模块(2)，输液管内平均流速测量分析模块(2)将计算的结果传递给微控制模块(7)进行判断瓶内药液是否为空。
3.根据权利要求1所述的一种临床点滴输液加温与流速监控系统，其特征在于，所述的加热源为微型陶瓷加热片，所述的驱动电路由mos管组成的。
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