陈兴富，钟小仕，黄垂文，许世林，吴若梅，刘岩

1. 广州市红十字会医院，广东 广州 510220；2. 中山大学肿瘤防治中心，广东 广州 510060

引言

在血液透析治疗过程中，动静脉内瘘作为最常用的血管通路，在使用的过程中存在多种因素导致其渗血或大出血[1]。在实际临床上，由于透析病人躁动或无意识的改变体位，都有可能引起动静脉穿刺针的脱落或穿刺部位渗血，如未能及时发现处理则极容易造成医疗事故。对于这种情况，目前只能通过加强护理人员的巡视或加强对病人的约束[2]，或在日常宣教中交待治疗过程中的注意事项，如透析过程中避免大幅度移动穿刺侧肢体、翻身，以免引起导管牵拉，导致穿刺针脱落[3]。即便如此，仍然不能杜绝穿刺针脱落的可能。由于血泵转速高，如发生动脉脱针，往往等到空气从动脉管进入，到达空气监测器才发出报警[4]。如出现静脉针脱落的情况，需要等到静脉压力下降到透析机报警限才能触发报警，短时间内将流失几百毫升血液，导致严重的医疗事故发生[5]。目前，透析机通过监测动静脉压力变化来判断外周血液循环是否安全，即动脉压和静脉压的每个压力值都有一个高限报警和一个低限报警，而实际压力值处于两个报警值之间，实际值是动态波动的。从临床应用上看，该方法是有效、安全的，但还是存在缺陷：当静脉端脱针时，在血泵高速转动的作用下，针尖在血管里面的压力和在体外的压力差别不大，脱针导致的压力变化不能触发透析机报警。针对现有技术的不足，本装置的目的在于提供一种结构合理的基于TCS230颜色传感器的内瘘出血报警装置设计，保障患者透析治疗安全。

1 装置整体结构

本装置整体结构，见图1。本装置可分为稳压电源、单片机、显示屏、报警装置、检测探头等几部分。

图1 硬件设计框图

2 硬件设计

2.1 基本原理

TCS230颜色传感器具有滤波功能，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过[6-7]。准确率高、误报率低是我们所要追求的，红色滤波器在检测暗红色血液时不够灵敏，这就需要对颜色进行全面识别。

TCS230根据光的三原色机理就能进行颜色识别[8]，TCS230颜色传感器测量的是RGB的频率值[9]，芯片内部集成了积分式A/D转换器，采用数字信号输出, 因此抗干扰能力比同类芯片强[10]。选用TCS230颜色传感器制作颜色分辨滤波器时，只需通过接通不同引脚即可开通不同的滤波方式，不同的颜色对应不同的频率。其中，TCS230管脚功能表，见表1[11]。

表1 逻辑功能表

2.2 算法补偿

TCS230 颜色传感器是一种具有数字兼容接口的颜色传感器，因此可以不通过额外设计A/D转换电路，就能使用单片机控制直接对数字信号进行采样[12]。光线的强弱直接影响到TCS230颜色传感器的输出。在本设计检测之前需要进行白平衡调整，这是因为检测需要有稳定的亮度和色度值做判断依据[13]。当第一次使用系统、更换光源或者重启TCS230传感器识别模块等情况时，需要进行白平衡调整[14]。考虑到本装置的使用环境，无法在密闭的环境内进行，可以粗略地进行白平衡调整。在本设计中，白平衡调整前先制作好平衡光源的供给，然后准备一根直径约10 mm的透明玻璃管放置在传感器的上方，另外一端接一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230芯片上（图2）。TCS230颜色传感器的输出端直接接到单片机中，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间。这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值，一般用于测量静态物体颜色。

图2 白平衡调整

因为本设计应用在一个开放性的环境，受外界光线影响大，而且血液的颜色也有暗红和鲜红之分，所以通过在距离传感器10 mm处测量若干个相近的“血液”颜色的色卡来验证。

2.3 夹管阀电路设计

夹管阀电路设计如图3所示。由单片机IO口输出低电平控制夹管阀的电磁阀，采用了光电耦合的方式实现。夹管阀的设计是非常有必要的，利用电磁阀通电吸合的原理，触发报警后夹闭血路管，防止血液继续流失，并促使血液透析机感知到压力升高触发报警，停止血泵继续转动，有效地保证病人安全。

图3 管路夹电路图

2.4 报警器设计

报警器的设计相对简单，主要是利用单片机输出低电平来驱动蜂鸣器工作。报警器电路图如图4所示。

图4 报警器电路图

3 软件实现

本文中漏血检测是通过TCS230颜色传感器感知到红色来判断为漏血的。实验开始时，传感器进行初始化，当传感器接收到符合红色的RBG值时触发报警，发出声光报警并夹闭管路，直到接收到解除报警的复位指令。该报警装置的软件处理框图，见图5。

4 模拟测试及临床试验

4.1 模拟测试结果

通过红色色卡模拟血液进行测试，将选取40 mm×40 mm色卡放置到传感器上方（图6）。模拟测试的实验结果，见表2。结果显示，传感器与被检测物体距离为5 mm时，响应灵敏度为最高，随着被检测物体距离增加，响应灵敏度逐渐降低，当被检测物体超过25 mm时，无法检测。原因可能是传感器和色卡没有做成密闭检测方式，同时受平衡光源和外界光线的干扰影响。

图5 软件处理框图

图6 实验设计原理图

表2 实验数据表

4.2 临床试验

在结合原理论证的基础下，做出了实验样机来验证临床上的使用效果，样机设计主要包括：颜色分辨传感器、液晶显示模块、单片机、声光报警装置、托盘、魔术贴、透明塑料底板和管路夹。具体实施过程如图7所示。传感器与被监测手之间采用透明塑料隔开，防止血液直接接触到传感器，传感器与手之间的间距为5～15 mm时最佳。实验开始后将穿刺后的手平放到透明塑料底板上，将需要监测的部位放置到检测传感器上方，把透析血路管安放至管路夹中，固定好魔术贴。

图7 初样图

实验样机启动后，检测传感器数据初始化，检测传感器上的LED开启，为检测传感器提供平衡光源。当出现出血时，血液流到传感器检测范围将被感知，机器将发出声光报警，并夹闭血路管，防止血路管的血液丢失，同时因为夹闭后，使得血路管内压力升高，从而触发透析机静脉压高限报警，停止血泵继续转动，防止血泵转动造成血路管内压力过高，血液净化是利用透析器膜间压力来实现弥散、对流，当膜表面压力超过耐受压后将会导致膜破损。经过临床研究表明[16]，内瘘出血报警装置的设计方案有效可行，本装置发出报警后到透析机联动报警仅需5 s。从临床实际应用中可以看出，传感器上方铺垫一张白色纺纱能增加报警的灵敏度，因为血液触碰到纺纱时呈放射状扩散，增大了传感器检测的覆盖有效面积。检测传感器上加装LED，为传感器提供平衡光源，即使棉被覆盖住病人的手都可以正常监测。

5 结论

基于TCS230颜色传感器的内瘘出血报警装置设计的创新之处在于通过颜色分辨的原理，对穿刺部位渗血或穿刺针脱落的情况有效及时地发出报警，并夹闭血路管，把患者血液丢失量降到最低，同时与透析机发生联动报警，降低医疗风险，保证患者安全。以往的研究存在以下局限性：虽能发出报警，但未能做出其他处理，如未能第一时间夹闭血路管，在医护人员听到报警赶到现场处理的过程中未能把病人的危险系数降低；不能和透析机发生联动报警，透析机继续正常转泵的情况下，血液流失得更快或者引入大量的空气，导致血液空气栓塞。本研究下一步需要解决的是该装置的舒适性和方便性，最好是能与透析机融合一体，作为透析机一个辅助报警功能。