TW202406584A - 臨床點滴輸液加溫與流速監控系統 - Google Patents

臨床點滴輸液加溫與流速監控系統 Download PDF

Info

Publication number
TW202406584A
TW202406584A TW112113684A TW112113684A TW202406584A TW 202406584 A TW202406584 A TW 202406584A TW 112113684 A TW112113684 A TW 112113684A TW 112113684 A TW112113684 A TW 112113684A TW 202406584 A TW202406584 A TW 202406584A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
module
flow rate
infusion tube
heating
infusion
Prior art date
Application number
TW112113684A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI855634B (zh
Inventor
覃開蓉
崔祥辰
許穎
王志遠
王一騰
Original Assignee
大連理工大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大連理工大學 filed Critical 大連理工大學
Publication of TW202406584A publication Critical patent/TW202406584A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI855634B publication Critical patent/TWI855634B/zh

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
    • A61M5/16804—Flow controllers
    • A61M5/16813—Flow controllers by controlling the degree of opening of the flow line
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/44—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests having means for cooling or heating the devices or media
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
    • A61M5/16831—Monitoring, detecting, signalling or eliminating infusion flow anomalies
    • A61M5/1684—Monitoring, detecting, signalling or eliminating infusion flow anomalies by detecting the amount of infusate remaining, e.g. signalling end of infusion
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
    • A61M5/16877—Adjusting flow; Devices for setting a flow rate
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/14—Infusion devices, e.g. infusing by gravity; Blood infusion; Accessories therefor
    • A61M5/168—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body
    • A61M5/16886—Means for controlling media flow to the body or for metering media to the body, e.g. drip meters, counters ; Monitoring media flow to the body for measuring fluid flow rate, i.e. flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1902—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the use of a variable reference value
    • G05D23/1905—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the use of a variable reference value associated with tele control
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1917—Control of temperature characterised by the use of electric means using digital means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1927—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors
    • G05D23/1928—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors sensing the temperature of one space
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0676—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on flow sources
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
    • A61M2205/18—General characteristics of the apparatus with alarm
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
    • A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
    • A61M2205/3331—Pressure; Flow
    • A61M2205/3334—Measuring or controlling the flow rate
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
    • A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
    • A61M2205/3368—Temperature

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本發明係有關於一種臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，屬臨床醫療技術領域。系統包括：動態加熱模組、輸液管內平均流速測量分析模組、流速可調模組、報警並自動關夾模組、手機及電腦端遠端監測模組、可操控共用模組和微控制模組。本發明首先基於流體力學、熱傳遞、信號與系統原理，提出一種根據圓管定常流中的動態熱彌散方程的Fourier級數解確定管內橫截面上平均流速的方法；其次，利用動態加熱、紅外溫度傳感、自動控制等相關原理、方法和技術實現監測輸液速度、自動加溫，以及監測管內藥液是否已空以及自動夾閉輸液管以防止回血等功能；最後，研發專用APP，通過5G網路、藍牙及WIFI等方式連接手機來顯示監控輸液狀態。

Description

臨床點滴輸液加溫與流速監控系統
本發明係有關於一種臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，尤其是指一種屬於臨床醫療技術領域，是一種基於流體力學、熱傳遞、信號與系統、動態加熱、紅外溫度傳感、自動控制等相關原理、方法和技術的點滴輸液加溫與流速監控系統。
臨床治療中，點滴輸液是最常用的靜脈給藥方式，往往需要陪護人員密切觀察輸液過程，比如上一組藥液已經輸完而需要換組接續、輸液速度是否合適、意外輸液停止而造成輸液管內回血等等；另外，在冬季寒冷地區，由於輸液溫度偏低導致患者感覺不適。如果能有一種夾在輸液管上的小型裝置及系統，既可監測輸液速度、監測輸液管內藥液是否已空以及自動夾閉輸液管以防止回血，又能自動將液體加熱並恆溫至合適溫度，還能將輸液狀態適時傳送至陪護人員手機得以預警，則可大大方便陪護人員。
目前市場上已經出現很多輸液監測設備：曾鑫等人(參考文獻：曾鑫、梁希瑤、周瑩，基於液位元監測的智慧輸液報警系統設計與應用[J].醫藥高職教育與現代護理，2022，5(03)：262-266.)憑藉紅外接收管產生的電位變化來監測患者輸液瓶中指定的液位高度，採用三色警示和蜂鳴報警，並通過無線網路將患者輸液資訊及時回饋給醫護人員。盧雲等人(參考文獻：盧雲、李文婧、寇皓、蔣巧俐. 一種可用於輸液監測的點滴報警器[P]. 中國發明專利，申請專利號：CN211096680U，2020.)利用紅外對管(紅外線發射接收模組)判斷點滴的滴定情況，當輸液過程中出現異常時，由聲光報警器提醒醫護人員並利用彈性擋片將滴管夾緊。
以上已有的設備多使用紅外線來監測輸液管內藥液是否為空，並通過聲音報警或通過藍牙方式連接手機報警，並具有自動夾閉功能。然而，現有的這些設備不僅沒有自動加溫功能，而且缺乏輸液速度監測功能導致患者和陪護人員無法預測輸液結束時間。因此，還需要一種具有輸液速度監測和自動加溫功能、兼具監測輸液管內藥液是否已空以及自動夾閉輸液管以防止回血功能的新設備，同時該設備能通過5G網路、藍牙及WIFI等方式連接手機，研發專用APP來顯示監控輸液狀態。
關於輸液管的流速檢測功能，由於液體中缺乏微尺度顆粒、成本高等原因，常見的都卜勒超音波流量感測技術、都卜勒雷射流量檢測技術以及電磁感應流量感測技術等均無法滿足該設備要求。本發明首先基於流體力學、熱傳遞、信號與系統原理，提出一種根據圓管定常流中的動態熱彌散方程的傅立葉(Fourier)級數解確定管內橫截面上平均流速的方法；其次，利用動態加熱、紅外線溫度感測、自動控制等相關原理、方法和技術設計一種點滴輸液加溫與流速監控系統，實現監測輸液速度、自動加溫，以及監測管內藥液是否已空以及自動夾閉輸液管以防止回血等功能，並能通過5G網路、藍牙及WIFI等方式連接手機，研發專用用戶端來顯示監控輸液狀態。
本發明是一種基於流體力學、熱傳遞、信號與系統、動態加熱、紅外線溫度感測、自動控制等相關原理、方法和技術的點滴輸液加溫與流速監控系統。該系統首先基於流體力學、熱傳遞、信號與系統原理，提出一種根據圓管定常流中的動態熱彌散方程的傅立葉(Fourier)級數解確定管內橫截面上平均流速的方法；其次，利用動態加熱、紅外線溫度感測、自動控制等相關原理、方法和技術實現監測輸液速度、自動加溫，以及監測管內藥液是否已空與自動夾閉輸液管以防止回血等功能；最後，研發專用用戶端，通過5G網路、藍牙及WIFI等方式連接手機來顯示監控輸液狀態。
本發明的技術方案如下：
一種臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，包括：動態加熱模組、輸液管內平均流速測量分析模組、流速可調模組、報警並自動關夾模組、手機及電腦端遠端監測模組、可操控共用模組和微控制模組；
所述動態加熱模組包括加熱源及其驅動電路。將兩個所述加熱源分別固定於一輸液管兩側，通過所述驅動電路向所述加熱源輸入一列脈衝電流即可驅動所述加熱源產生熱，通過熱傳導的方式加熱所述輸液管內液體，實現藥液迅速升溫；所述加熱源的驅動信號為週期性脈衝電流 F(t)，在所述輸液管加熱點處週期性輸入給所述輸液管內藥液的熱量 Q 0 ( t)；
所述輸液管內平均流速測量分析模組，包括溫度感測器；測量原理和分析方法如下：所述輸液管內、外半徑分別為 和 (均遠小於特徵長度 )；管壁材料的密度 、比熱容 、導熱係數 均為常數；點滴液體的密度 、比熱容 、導熱係數 亦均為常數；所述動態加熱模組在所述輸液管加熱點處週期性輸入給所述輸液管內藥液的熱量為 ，傳遞到所述輸液管某A點處的熱量為 ；建立柱坐標系，所述輸液管長度方向為z軸，半徑方向為r軸，角度方向為θ軸，設A點為座標原點z=0，熱量 在管壁和管內液體中的傳遞時在管內產生溫度為 的動態波形，滿足熱彌散方程：
(1)
上式中， 滿足
(2)
這裡， 為待測管內平均流速， 和 滿足
(3)
(4)
式(1)中 滿足
(5)
其中，
(6)
且
(7)
(8)
(9)
(10)
設所述輸液管某A點處的熱量為 時，A處的平均溫度為 ，則式(1)的邊界條件滿足：
(11a)
(當 )   (11b)
利用傅立葉(Fourier)級數展開和分離變數法，根據式(1)、(11a)、(11b)求解頻域上的傳遞函數 表達為：
(12)
式中， 為A處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量， 為任意z處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量；
在相距L的A點和B點分別佈置熱電堆紅外線溫度感測器，同步測量 和 可得頻域上的傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線，根據式(12)，採用最小二乘法分別擬合傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線均可求得U，進一步根據式(2)獲得管內液體流動的平均流速V；
所述流速可調模組包括帶凹槽的擋板和升降步進馬達；所述輸液管位於帶凹槽的所述擋板與所述升降步進馬達之間，所述升降步進馬達的升降長度d可調節所述輸液管道的橫截面積S(d)，進而調節流速；所述流速可調模組與所述輸液管內平均流速測量分析模組以及所述微控制模組結合形成回饋系統，能夠實現精準調速；
所述報警並自動關夾模組包括有源蜂鳴器，用於在藥液為空時進行自動報警；
所述手機及電腦端遠端監測模組包括藍牙模組、手機或電腦用戶端，所述手機或電腦用戶端設備中的藍牙模組能與所述藍牙模組配對，二者採用串口通訊的方式實現人機交互；
所述可操控共用模組用於方便使用者在用戶端實現ID的共用與獲取；
所述微控制模組分別與所述動態加熱模組、所述輸液管內平均流速測量分析模組、所述流速可調模組、所述報警並自動關夾模組、所述手機及電腦端遠端監測模組相連；所述微控制模組的功能包括：
A.使用者通過所述用戶端給所述微控制模組傳遞關於加熱溫度、液體流速的設置指令，所述微控制模組根據指令控制各個模組工作，所述微控制模組將監測到的溫度、流速、報警資訊即時傳遞所述用戶端顯示；
B.所述微控制模組中存儲有原始金鑰，使用者通過所述用戶端的手機或電腦並利用所述可操控共用模組輸入裝置ID後，所述用戶端獲取裝置發送的金鑰並解析，解析完成後通過所述藍牙模組發送給所述微控制模組，所述微控制模組判斷該解析金鑰與原始金鑰是否一致，若一致則回饋給所述手機及電腦端遠端監測模組獲取裝置使用權；
C.所述微控制模組根據所述輸液管內的平均流速V來判斷是否需要報警；若所述微控制模組判斷瓶內藥液為空，將控制所述有源蜂鳴器報警，同時驅動所述升降步進馬達升至擋板的凹槽底部，實現自動關夾。
進一步地，所述手機及電腦端遠端監測模組可設置系統的測速、恆溫加熱、控速三種工作模式，三種模式可同時工作，也可以獨立工作；其中：
(1)當工作在測速模式和/或控速模式下時，所述微控制模組根據所述輸液管內平均流速測量分析模組所得管內液體流動的平均流速V，判斷瓶內藥液是否為空；
(2)當工作在恆溫加熱模式下時，所述動態加熱模組驅動信號將疊加測速脈衝電流，所述輸液管內平均流速測量分析模組進行測速，並將結果傳遞給所述微控制模組進行判斷瓶內藥液是否為空；
(3)並未選定工作模式的情況下，所述微控制模組通過內部計時器定時啟動所述動態加熱模組和所述輸液管內平均流速測量分析模組，所述輸液管內平均流速測量分析模組將計算的結果傳遞給所述微控制模組進行判斷瓶內藥液是否為空。
進一步地，所述加熱源為微型陶瓷加熱片，所述驅動電路由金屬氧化物半導體場效電晶體組成。
本發明的優點為：
1.可將藥液自動加熱到人體體溫，避免病人因藥液溫度與人體溫度溫差較大而感到不適。
2.可利用用戶端即時監測輸液速度，出現異常發出警報並自動關夾，保護病人安全。
3.醫護人員可根據病人生理特性通過用戶端調節輸液速度，提高工作效率。
4.結構簡單，品質輕，可直接夾持於輸液管上。
5.成本低且精度高，操作方便，可製成共用設備，普及智慧醫療。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
請參看第一圖。
本發明之臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，包括：動態加熱模組1、輸液管內平均流速測量分析模組2、流速可調模組3、報警並自動關夾模組4、手機及電腦端遠端監測模組5、可操控共用模組6和微控制模組7；其中：
動態加熱模組1包括加熱源及其驅動電路。將兩個加熱源分別固定於輸液管兩側，通過驅動電路向加熱源輸入一列脈衝電流即可驅動加熱源產生熱，通過熱傳導的方式加熱輸液管內液體，實現藥液迅速升溫。加熱源的驅動信號為週期性脈衝電流 F(t)，在輸液管加熱點處週期性輸入給輸液管內藥液的熱量 Q 0 ( t)。
輸液管內平均流速測量分析模組2，包括溫度感測器；測量原理和分析方法如下：如第二圖所示，輸液管內、外半徑分別為 和 (均遠小於特徵長度L)；管壁材料的密度 、比熱容 、導熱係數 均為常數；點滴液體的密度 、比熱容 、導熱係數 亦均為常數；動態加熱模組1在輸液管加熱點處週期性輸入給輸液管內藥液的熱量為 ，傳遞到輸液管某A點處的熱量為 。建立柱坐標系如第二圖所示，輸液管長度方向為z軸，半徑方向為r軸，角度方向為θ軸，設A點為座標原點z=0，熱量 在管壁和管內液體中的傳遞時在管內產生溫度為 的動態波形，滿足熱彌散方程：
(1)
上式中， 滿足
(2)
這裡， 為待測管內平均流速， 和 滿足
(3)
(4)
式(1)中的 滿足
(5)
其中，
(6)
且
(7)
(8)
(9)
(10)
如第一圖所示，設輸液管某A點處的熱量為 時，A處的平均溫度為 ，則式(1)的邊界條件滿足：
(11a)
(當 )   (11b)
利用傅立葉(Fourier)級數展開和分離變數法，根據式(1)、(11a)、(11b)求解頻域上的傳遞函數 表達為：
(12)
式中， 為A處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量， 為任意z處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量。
在相距L的A點和B點分別佈置熱電堆紅外線溫度感測器，同步測量 和 可得頻域上的傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線，根據式(12)，採用最小二乘法分別擬合傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線均可求得U，進一步根據式(2)獲得管內液體流動的平均流速V。
流速可調模組3包括帶凹槽的擋板和升降步進馬達。輸液管位於帶凹槽的擋板與升降步進馬達之間，升降步進馬達的升降長度d可調節輸液管道的橫截面積S(d)，進而調節流速。流速可調模組3與輸液管內平均流速測量分析模組2以及微控制模組7結合形成回饋系統，能夠實現精準調速。
報警並自動關夾模組4包括有源蜂鳴器，用於在藥液為空時進行自動報警。
手機及電腦端遠端監測模組5包括藍牙模組、手機或電腦用戶端，手機或電腦用戶端設備中的藍牙模組能與藍牙模組配對，二者採用串口通訊的方式實現人機交互。
可操控共用模組6用於方便使用者在用戶端實現ID的共用與獲取。
微控制模組7分別與動態加熱模組1、輸液管內平均流速測量分析模組2、流速可調模組3、報警並自動關夾模組4、手機及電腦端遠端監測模組5相連；微控制模組7的功能包括：
A.使用者通過用戶端給微控制模組7傳遞關於加熱溫度、液體流速的設置指令，微控制模組7根據指令控制各個模組工作，微控制模組7將監測到的溫度、流速、報警資訊即時傳遞用戶端顯示。
B.微控制模組7中存儲有原始金鑰，使用者通過用戶端的手機或電腦並利用可操控共用模組6輸入裝置ID後，用戶端獲取裝置發送的金鑰並解析，解析完成後通過藍牙模組發送給微控制模組7，微控制模組7判斷該解析金鑰與原始金鑰是否一致，若一致則回饋給手機及電腦端遠端監測模組5獲取裝置使用權。
C.微控制模組7根據輸液管內的平均流速V來判斷是否需要報警。若微控制模組7判斷瓶內藥液為空，將控制有源蜂鳴器報警，同時驅動升降步進馬達升至擋板的凹槽底部，實現自動關夾。
進一步地，手機及電腦端遠端監測模組5可設置系統的測速、恆溫加熱、控速三種工作模式，三種模式可同時工作，也可以獨立工作；其中：
(1)當工作在測速模式和/或控速模式下時，微控制模組7根據輸液管內平均流速測量分析模組2所得管內液體流動的平均流速V，判斷瓶內藥液是否為空。
(2)當工作在恆溫加熱模式下時，動態加熱模組1驅動信號將疊加測速脈衝電流，輸液管內平均流速測量分析模組2進行測速，並將結果傳遞給微控制模組7進行判斷瓶內藥液是否為空。
(3)並未選定工作模式的情況下，微控制模組7通過內部計時器定時啟動動態加熱模組1和輸液管內平均流速測量分析模組2，輸液管內平均流速測量分析模組2將計算的結果傳遞給微控制模組7進行判斷瓶內藥液是否為空。
進一步地，加熱源為微型陶瓷加熱片，驅動電路由金屬氧化物半導體場效電晶體組成。
下面的實施例將對本發明予以進一步的說明，但並不因此而限制本發明的保護範圍。
(1)本發明的微控制模組7採用STM32F103C8T6最小系統版，能完成各個模組的控制與計算分析。動態加熱模組1中的微型陶瓷加熱片的大小為10mm×10mm，能較好貼合輸液管。輸液管內平均流速測量分析模組2中採用XGZT263熱電堆紅外線溫度感測器，在人體溫度附近具有回應快、成本低、精度高的優點。為了實現輸液管完全關夾，流速可調模組3中的凹槽擋板緊貼輸液管內壁，升降步進馬達頂端也設計為凹槽形狀。報警並自動關夾模組4採用有源蜂鳴器，微控制模組7傳遞觸發信號給有源蜂鳴器即可實現報警。手機及電腦端遠端監測模組5的藍牙模組採用低功耗晶片CH9140，可實現百米內距離傳輸，用戶端使用Qt軟體製作。
(2)製作裝置外殼，中間有圓形卡槽，用於放置輸液管。將2個微型陶瓷加熱片放置於輸液管上游位置的兩側。接著放置輸液管內平均流速測量分析模組，順著輸液管內藥液流動方向，在距離微型陶瓷加熱片20mm處的輸液管A點放置第一個熱電堆紅外線溫度感測器，再往後33mm於輸液管B點處放置第二個熱電堆紅外線溫度感測器。在外殼末端正對凹槽的擋板處固定升降步進馬達。
(3)打開用戶端，用戶端包括登錄介面、資料顯示介面與操控介面。將用戶端設備上自帶藍牙模組與裝置內部藍牙模組相配對，在登錄介面輸入裝置ID，用戶端獲取裝置發送的金鑰並解析，解析完成後通過藍牙模組發送給裝置微處理單元7與原始金鑰進行比對，若一致則可繼續操控裝置，轉跳操控介面，選擇測速、恆溫加熱、控速三種工作模式中的一種或者多種。
(4)若選中恆溫加熱模式，在介面設定好加熱溫度後(為避免高溫使藥物變性，最高設置溫度不能超過37℃)，微控制模組7將給動態加熱模組1傳遞1KHz的PWM驅動信號，驅動電路將其轉化為相應的脈衝電流，用於微型陶瓷加熱片產熱，輸液管內平均流速測量分析模組2中的B點處的熱電堆紅外線溫度感測器測得溫度資訊，回饋給微控制模組7，與設定值相比較，採用PID演算法調節PWM驅動信號的占空比，形成回饋控制，即可實現精準調速，最後微控制模組7將加熱溫度傳遞給用戶端顯示介面。
(5)若選中測速模式，微控制模組7將給動態加熱模組1疊加0.02Hz，30%占空比的測速驅動信號，驅動電路將其轉化為相應的脈衝電流，用於微型陶瓷加熱片產生測速熱量。輸液管內平均流速測量分析模組2對流動中的藥液溫度進行測量，分析計算，獲得管內平均流速 V，該流速通過手機及電腦端遠端監測模組5傳遞給用戶端即時顯示。
(6)若選中控速模式，先通過用戶端設定好期望流速，微控制模組7調用測速模式，獲取管內平均流速 V，微控制模組7將平均流速 V與設定值相比較，使用PID演算法，驅動流速可調模組3中的升降步進馬達，調節升降長度 d，形成回饋控制，進行精準調速。
(7)微控制模組7使用其內部計時器，每2分鐘進行一次流速監測，在原先工作模式下增加測速模式，用於判斷輸液瓶內藥液狀況，若發現異常則微控制模組7給是報警並自動關夾模組4中的有源蜂鳴器傳遞驅動信號進行報警並驅動升降步進馬達自動關夾。
(8)輸液管內平均流速測量分析模組2的具體實現：使用的醫用輸液管內、外半徑分別為1.5mm和2mm；管壁材料的密度 = 、比熱容 = 、導熱係數 = ；點滴液體的密度 = 、比熱容 = 、導熱係數 = ；控制系統獲取上位機測速指令後，微型陶瓷加熱片被脈衝信號 F(t)驅動，向輸液管加熱點處週期性輸入熱量 Q(t)，熱量 Q( t)在管壁和管內液體中的傳遞，待週期性波形穩定後被相距 L=33mm的A點和B點的熱電堆紅外線溫度感測器同步測量到，記錄採集到的平均溫度 和 ，通過傅立葉(Fourier)級數展開和分離變數法，根據式(1)、(11a)、(11b)求解頻域上的傳遞函數 。已知模具上兩熱電堆紅外線溫度感測器的精確距離 L，通過式(2)即可獲得管內液體流動的平均流速 V。
為驗證測速方法的有效性，本發明分別採用數值模擬和實驗測量兩種方式進行驗證：
(一)數值模擬方式：假設輸液管內的平均流速為2.12mm/s，根據式(1)、(11a)、(11b)數值模擬到的平均溫度 和 如第四圖所示，進一步得到傳遞函數幅度-頻率曲線(第五圖)和相位-頻率曲線(第六圖)，採用最小二乘法擬合幅度-頻率曲線(第五圖)得到管內液體流動的平均流速 V為2.14mm/s(與真實值2.12mm/s的相對誤差為0.94%)，擬合相位-頻率曲線(第六圖)得到管內液體流動的平均流速 V為2.08mm/s(與真實值2.12mm/s的相對誤差為1.87%)。
(二)實驗驗證方式：實測的平均溫度 和 如(第七圖)所示，進一步得到傳遞函數的幅度-頻率曲線(第八圖)和相位-頻率曲線(第九圖)。由於設計中兩個溫度感測器的靈敏度不一樣，幅度-頻率曲線(第八圖)與真實值相比存在很大誤差，因此，採用最小二乘法擬合相位-頻率曲線(第九圖)，最終得到管內液體流動的平均流速 V為5.24mm/s。
以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
1:動態加熱模組
2:輸液管內平均流速測量分析模組
3:流速可調模組
4:報警並自動關夾模組
5:手機及電腦端遠端監測模組
6:可操控共用模組
7:微控制模組
第一圖：本發明的系統架構示意圖。圖中：1為動態加熱模組；2是輸液管內平均流速測量分析模組；3是流速可調模組；4是報警並自動關夾模組；5是手機及電腦端遠端監測模組；6是可操控共用模組；7是微控制模組。
第二圖：輸液管幾何結構及柱坐標系示意圖。
第三圖：流速可調模組結構示意圖。
第四圖：是數值模擬的距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器所處位置的平均溫度波形 和 。
第五圖：是距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器之間的傳遞函數幅度-頻率曲線(實線為擬合值,點為數值模擬值)。
第六圖：是距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器之間相位-頻率曲線(c)(實線為擬合值,點為數值模擬值)。
第七圖：是實測的距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器所處位置的平均溫度波形 和 。
第八圖：是距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器之間的傳遞函數幅度-頻率曲線(實線為擬合值，點為實測值)。
第九圖：是距離 L為33mm的兩熱電堆紅外線溫度感測器之間的相位-頻率曲線(實線為擬合值，點為實測值)。
1:動態加熱模組
2:輸液管內平均流速測量分析模組
3:流速可調模組
4:報警並自動關夾模組
5:手機及電腦端遠端監測模組
6:可操控共用模組
7:微控制模組

Claims (3)

  1. 一種臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，包括：動態加熱模組、輸液管內平均流速測量分析模組、流速可調模組、報警並自動關夾模組、手機及電腦端遠端監測模組、可操控共用模組和微控制模組； 所述動態加熱模組包括加熱源及其驅動電路；將兩個所述加熱源分別固定於一輸液管兩側，通過所述驅動電路向所述加熱源輸入一列脈衝電流即可驅動所述加熱源產生熱，通過熱傳導的方式加熱所述輸液管內液體，實現藥液迅速升溫；所述加熱源的驅動信號為週期性脈衝電流 F(t)，在所述輸液管加熱點處週期性輸入給所述輸液管內藥液的熱量 Q 0 ( t)； 所述輸液管內平均流速測量分析模組，包括溫度感測器；測量原理和分析方法如下：所述輸液管內、外半徑分別為 和 ，均遠小於特徵長度 ；管壁材料的密度 、比熱容 、導熱係數 均為常數；點滴液體的密度 、比熱容 、導熱係數 亦均為常數；所述動態加熱模組在所述輸液管加熱點處週期性輸入給所述輸液管內藥液的熱量為 ，傳遞到所述輸液管某A點處的熱量為 ；建立柱坐標系，所述輸液管長度方向為z軸，半徑方向為r軸，角度方向為θ軸，設A點為座標原點z=0，熱量 在所述管壁和管內液體中的傳遞時在管內產生溫度為 的動態波形，滿足熱彌散方程： (1) 上式中， 滿足 (2) 其中， 為待測管內平均流速， 和 滿足 (3) (4) 式(1)中 滿足 (5) 其中， (6) 且 (7) (8) (9) (10) 設所述輸液管某A點處的熱量為 時，A處的平均溫度為 ，則式(1)的邊界條件滿足： (11a) (當 )  (11b) 利用傅立葉(Fourier)級數展開和分離變數法，根據式(1)、(11a)、(11b)求解頻域上的傳遞函數 表達為： (12) 式中， 為A處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量， 為任意z處平均溫度為 對應於圓頻率ω的諧波分量； 在相距L的A點和B點分別佈置熱電堆紅外線溫度感測器，同步測量 和 可得頻域上的傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線，根據式(12)，採用最小二乘法分別擬合傳遞函數 的幅度-頻率曲線和相位-頻率曲線均可求得U，進一步根據式(2)獲得管內液體流動的平均流速V； 所述流速可調模組，包括帶凹槽的擋板和升降步進馬達；所述輸液管位於帶凹槽的所述擋板與所述升降步進馬達之間，所述升降步進馬達的升降長度d可調節所述輸液管管道的橫截面積S(d)，進而調節流速；所述流速可調模組與所述輸液管內平均流速測量分析模組以及所述微控制模組結合形成回饋系統，能夠實現精準調速； 所述報警並自動關夾模組，包括有源蜂鳴器，用於在藥液為空時進行自動報警； 所述手機及電腦端遠端監測模組，包括藍牙模組、手機或電腦用戶端，所述手機或電腦用戶端設備中的藍牙模組能與所述藍牙模組配對，二者採用串口通訊的方式實現人機交互； 所述可操控共用模組，用於方便使用者在用戶端實現ID的共用與獲取； 所述微控制模組分別與所述動態加熱模組、所述輸液管內平均流速測量分析模組、所述流速可調模組、所述報警並自動關夾模組、所述手機及電腦端遠端監測模組相連；所述微控制模組的功能包括： A.使用者通過所述用戶端給所述微控制模組傳遞關於加熱溫度、液體流速的設置指令，所述微控制模組根據指令控制各個模組工作，所述微控制模組將監測到的溫度、流速、報警資訊即時傳遞所述用戶端顯示； B.所述微控制模組中存儲有原始金鑰，使用者通過所述用戶端的手機或電腦並利用所述可操控共用模組輸入裝置ID後，所述用戶端獲取裝置發送的金鑰並解析，解析完成後通過所述藍牙模組發送給所述微控制模組，所述微控制模組判斷該解析金鑰與原始金鑰是否一致，若一致則回饋給所述手機及電腦端遠端監測模組獲取裝置使用權； C.所述微控制模組根據所述輸液管內的平均流速V來判斷是否需要報警；若所述微控制模組判斷瓶內藥液為空，將控制所述有源蜂鳴器報警，同時驅動所述升降步進馬達升至擋板的凹槽底部，實現自動關夾。
  2. 如請求項1所述之臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，所述手機及電腦端遠端監測模組可設置系統的測速、恆溫加熱、控速三種工作模式，三種模式可同時工作，也可以獨立工作；其中： (1)當工作在所述測速模式和/或所述控速模式下時，所述微控制模組根據所述輸液管內平均流速測量分析模組所得管內液體流動的平均流速V，判斷瓶內藥液是否為空； (2)當工作在所述恆溫加熱模式下時，所述動態加熱模組驅動信號將疊加測速脈衝電流，所述輸液管內平均流速測量分析模組進行測速，並將結果傳遞給所述微控制模組進行判斷瓶內藥液是否為空； (3)並未選定工作模式的情況下，所述微控制模組通過內部計時器定時啟動所述動態加熱模組和所述輸液管內平均流速測量分析模組，所述輸液管內平均流速測量分析模組將計算的結果傳遞給所述微控制模組進行判斷瓶內藥液是否為空。
  3. 如請求項1所述之臨床點滴輸液加溫與流速監控系統，其中，所述加熱源為微型陶瓷加熱片，所述驅動電路由金屬氧化物半導體場效電晶體組成。
TW112113684A 2022-07-04 2023-04-12 臨床點滴輸液加溫與流速監控系統 TWI855634B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210776851.X 2022-07-04
CN202210776851.XA CN115252961B (zh) 2022-07-04 2022-07-04 一种临床点滴输液加温与流速监控系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202406584A true TW202406584A (zh) 2024-02-16
TWI855634B TWI855634B (zh) 2024-09-11

Family

ID=

Also Published As

Publication number Publication date
CN115252961A (zh) 2022-11-01
JP2024006960A (ja) 2024-01-17
CN115252961B (zh) 2023-11-03
US20240001047A1 (en) 2024-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN202446582U (zh) 基于无线通信的远程输液监控系统
CN103948986B (zh) 一种用于智慧医疗的输液实时监控系统
CN201519339U (zh) 危重监护及输液控制诊疗一体化系统
CN101496923A (zh) 危重监护及输液控制诊疗一体化系统及其控制方法
WO2012152200A1 (zh) 一种输液监护系统与方法、护士站管理中心
RU2509984C2 (ru) Датчик и блок управления для управления потоком, а также способ контролируемой доставки жидкости
CN107823754A (zh) 一种输液智能管理系统
CN105944184A (zh) 一种智能输液监控装置
CN111001059A (zh) 智能输液监护系统
CN115252961B (zh) 一种临床点滴输液加温与流速监控系统
CN101530643A (zh) 输液速度与温度双控器
CN204352301U (zh) 基于物联网的点滴智能监控系统
CN207970309U (zh) 智能输液监控器及输液监控系统
CN106178175B (zh) 一种自控式手术室输液保温护理控制装置
TWI855634B (zh) 臨床點滴輸液加溫與流速監控系統
CN206152013U (zh) 一种输液智能控制系统
CN105457120A (zh) 一种智能直肠灌洗控制系统及流量控制方法
CN201399122Y (zh) 输液速度与温度双控器
CN111773482A (zh) 一种智能病房输液监控系统及方法
CN202052144U (zh) 一种多功能输液监测仪
CN107715237A (zh) 输液监测报警系统
CN209187760U (zh) 多功能可调节输液监测装置
CN101744682B (zh) 一种血管内温度自动调节仪
CN106563191A (zh) 一种输液液滴检测与控制装置
CN106310450A (zh) 一种输液智能控制系统