输液针头自动剪切装置的模块化研制*

2021-08-18翟浩磊常澎钊张嘉旭李佳宇常雨晴王春雷

山西电子技术 2021年4期

翟浩磊，常澎钊，张嘉旭，李佳宇，常雨晴，王春雷

(长治医学院生物医学工程系，山西长治 046000)

0 引言

据调查研究，针刺伤是医护人员临床伤害中最常见的一种，约占60%左右；化疗药物等腐蚀性液体的溅射也会对医护人员造成危害。静脉输液是医院住院病人和门诊病人常见的治疗方法，医护人员对输液管路及锐器的处理就显得非常频繁，该项操作会在无意间对医护人员造成伤害。本项目旨在通过设计一款输液针头自动剪切装置来降低针刺伤及液体溅射对医护人员的伤害[1,2]。

结合医院护士对输液针头等锐器的手工剪切的规范操作，将人因工程学“以人为本”的设计--“让机器更适合人”，贯彻在模块自动化研制过程中。输液针头自动剪切装置利用传感器技术自动识别需要剪切的锐器、同时识别手指等人类肢体。当人体手指等部位误操作进入剪切位置时，发出指令瞬间停止电机工作，保证了模块设计的安全性。模块的设计由机械光圈装置、双向滚动式剪切装置、电池供电装置、单片机控制单元、智能可控人机界面组成，保证了该模块运行的有效性。因模块化的设计，故可以单独使用，也可和临床护理推车联合使用，增加了该模块的实用性[3]。

模块化设计是该设计的创新点，不仅在安装维护上更加容易，更重要的是模块化设计能够和其它医疗设备整合在一起，保证了设计核心价值的同时降低了研发和制造成本。

1 系统设计

1.1 系统基本方案

1.1.1 单片机

采用STC89C51芯片作为硬件核心。STC89C51内部具有8kB ROM存储空间,512字节数据存储空间，带有2k字节的EEPROM存储空间，与MCS-51系列单片机完全兼容,STC89C51可以通过串口下载，最高工作时钟频率为80MHz。反应速度快，故本设计采用其作为核心控制单元[4]。

1.1.2 人体接近传感器

人体接近传感器基于多普勒技术原理，采用微波专用微处理器、平面型感应天线，不但检测灵敏度度高，探测范围宽，而且工作非常可靠，一般没有误报，能在-15℃～+60℃的温度范围内稳定工作，是以往红外线、超声波、热释电元件组成的报警电路以及常规微波电路所无法比拟的，是目前用于安全防范和自动监控的最佳产品[5]。

1.1.3 机械光圈限位装置

出于对安全的考虑，本设计采用相机光圈机械结构，由于其具有设计兼容性强、体积小、易于固定管状物体的特点，所以在仪器仪表及工业自动化控制中具有广泛的应用。

1.1.4 双向滚动式剪切装置

本剪切装置为了实现剪切输液管，提高剪切效率，自行设计了一种新的剪切装置，称之为双向滚动式剪切装置。它包括凹形连接体结构，直线电机及传动系统。所述传动系统，包括滑轨，滑轮，弹簧及剪切用刀片；它们依次安装在剪切装置两侧如图1所示。所述剪切依靠相契合的一对刀片，通过控制电机的正转与反转带动刀片移动，对输液管进行剪切[6]。

图1 剪切装置正视图

1.1.5 超声波距离传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

1.2 系统总体设计方案

本设计遵循模块化、系统化设计理念。设计方案分为安全保护、针管固定、针头剪切以及电源模块四部分。

机械光圈限位装置的结构组成如图2所示。机械光圈(具有重叠刀片)设计模型是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置。由于其具有体积小，可固定管状物体的特点，故采用其固定输液管。系统总体设计框图如图3所示。

图2 机械光圈限位装置

图3 系统总体设计框图

1.3 系统硬件设计

本输液针头自动剪切装置的创新点是运用传感器技术实现对锐器的感应识别，运用机械光圈的结构特点实现针管的固定。自行设计双向滚动式剪切装置实现针头的自动剪切。

本输液针头自动剪切装置采用12V电源供电，电机的正转与反转、针头剪切计数均基于单片机STC89C51来控制。

双向滚动式剪切装置由凹形连接体结构，直线电机及传动系统三部分组成。

1.4 系统软件设计

首先进行程序的初始化，打开电源开关，超声传感器工作，当产生一个回波信号时，LED灯亮绿色，回波信号消失时，灯变为橙色；STC89C51单片机接收到超声输出脉冲信号时，1号电机驱动模块工作，电机正转1s，脉冲信号消失时，1号电机反转3s。1号电机完成反转后，2号电机驱动模块开始工作，2号电机正转1s，正转完成后，1号电机正转1s，2号电机反转1s。最后，1号电机再反转3s，归位。主程序流程图如图4所示。