一种基于光栅图像测量的输液报警方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于光栅图像测量的输液报警方法及其装置，属于医疗器械【技术领域】。首先将刻有黑白线条的光栅设置在透明输液软管的一侧，另一侧设置成像透镜，用光源对光栅进行照明，在成像透镜的另一侧设置图像传感器，用于接收光栅实像，并将光栅实像转换为数字图像信号，数字信号处理器对数字图像信号进行滤波，并测量数字图像信号中的光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距；将宽度和间距与输液软管中无液体时的宽度和间距进行比较，判断输液软管中有无液体，蜂鸣器根据判断结果进行报警。本发明的方法及装置，结构简单、使用方便、价格低廉，具有很高的灵敏度和可靠性。
【专利说明】一种基于光栅图像测量的输液报警方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于光栅图像测量的输液报警方法及其装置，属于医疗器械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]静脉输液是临床常见的护理操作之一，各级医院每天都有大量的病人接受输液，由于我国的病人和医护人员的比例严重失调，护士通常将输液进度的监测交给病人或其陪护人员，在输液接近完成时，病人或其陪护人员呼叫医护人员及时拔针或换药，否则将会引起输液滴空、空气栓塞和回血凝固重新注射等差错事故的发生。由于输液时间大都较长，用眼睛长时间监测输液进度容易使人产生紧张和疲劳，如果病人和其陪护人员因疲劳或无聊而选择睡觉、读书看报或用耳机听音乐，往往不能及时发现输液完成而导致医疗事故和医患纠纷，给病人带来不必要的痛苦和麻烦。
[0003]为了防止输液滴空、空气栓塞、回血凝固重新注射等差错事故的发生，降低医务人员的输液护理工作强度，同时避免病人及其陪护人员的不必要参与，减轻病人在输液过程中紧张与疲劳，使病人能在输液期间得到充分的休息，人们发明了各种输液报警方法自动监测输液进度，在输液完成时，立即发出报警信号，提示医护人员及时拔针或换药，避免因输液差错引发的医疗事故发生。
[0004]目前实现输液报警的方法主要有以下三种:
[0005](I)电极法。静脉输液一般为水溶液，具有较强的导电性。从输液瓶口插入2根电极，当输液瓶内有溶液时，溶液与电极组成的导电回路处于通电状态，蜂鸣器不会发出报警声音；当输液瓶内没有溶液时，2根电极处于断开状态,蜂鸣器发出报警音。电极法的缺点是报警装置需要接触液体，容易带来污染，存在安全隐患。
·[0006](2)重量法:利用弹簧秤和杠杆原理测量输液瓶的重量，根据输液瓶中液体的重量变化来判断输液是否完成，方法虽然简单，但是由于不同的液体和不同的输液瓶(袋)质量都不相同，因此无法提供准确的报警信号，难以实际应用。
[0007](3)光电法:在输液软管的两侧分别放置一个发光器件和一个光电接收器，如图1所示，图1中，I是发光器件、2是输液软管、3是光电接收器、4是信号处理电路、5是蜂鸣器。利用输液软管中水溶液和空气折射率的不同，来判断输液是否完成。当输液软管中有液体时，输液软管中的液体相当于一个柱面透镜，将发光器件发出的光线聚焦到光电接收器上，光电接收器接收到的光强较大，光电接收器输出较大的电流，蜂鸣器不会发出报警声音；当输液软管中没有液体时，输液软管中的空气不产生折射现象，发光器件发出的光线只有一小部分投射到光电接收器上，光电接收器接收到的光强较弱，光电接收器输出很小的电流，蜂鸣器发出报警声音。光电法利用光电接收器接收到的光强信号变化来判断输液是否完成，易受到环境光强变化(白天、黑夜)、灯光干扰(开灯、关灯)和液体颜色(透光率)变化的影响，极易出现误报、漏报现象，可靠性较低，没有实际应用价值。
[0008]上述三种输液报警方法在原理上就存在着明显的安全性和可靠性问题，因此难以形成产品并推广应用。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提出一种基于光栅图像测量的输液报警方法及其装置，采用对环境干扰(白天黑夜光强变化、开灯、关灯)和液体颜色(透光率)变化不敏感的光栅图像测量，从测量原理上避免环境光强变化、灯光干扰和液体颜色变化带来的干扰，提高输液报警的灵敏度和可靠性。
[0010]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警方法，包括以下步骤:
[0011](1)将一个刻有黑白线条的光栅设置在透明输液软管的一侧，在透明输液软管的另一侧设置一个成像透镜，成像透镜将光栅通过透明输液软管后形成的光栅虚像转换成光栅实像；
[0012](2)用光源对光栅进行照明，用于提高成像的对比度；
[0013](3)在成像透镜的另一侧设置一个图像传感器，用于接收光栅实像；
[0014](4)图像传感器将光栅实像转换为数字图像信号，并将数字图像信传送给数字信号处理器；
[0015](5)数字信号处理器对数字图像信号进行滤波，并测量数字图像信号中的光栅上黑白线条的宽度和光栅线条之间的间距；
[0016](6)设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器对蜂鸣器发出报警信号；
[0017](7)蜂鸣器接收到报警信号后，发出声音报警信号。
[0018]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警装置，包括:
[0019]发光器件，作为照明光源，对刻有黑白线条的光栅进行均匀照明，以提高光栅图像的对比度；
[0020]光栅，用于作为标准图案，通过透明输液软管后形成光栅图像；
[0021]成像透镜，用于将透明输液软管放大的光栅虚像转换成光栅实像；
[0022]图像传感器，用于将成像透镜形成的光学实像转换为数字图像信号，并将数字图像信号传送给信号处理器；
[0023]数字信号处理器，用于实时采集图像传感器输出的数字图像信号，进行滤波，去除图像中的噪声干扰，并设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器对蜂鸣器发出报警信号，数字信号处理器与图像传感器通过信号线相连；
[0024]蜂鸣器，作为发声器件，在接收到数字信号处理器的报警信号后，发出声音报警信号，蜂鸣器通过信号线与数字信号处理器相连。
[0025]本发明提出的光栅图像测量型输液报警装置采用了光栅图像测量方法，由于光栅图像的线条宽度和间距只与输液软管中介质的折射率有关，而与环境光强变化、灯光干扰和液体颜色变化无关，因此从原理上避免了环境光强变化、灯光干扰和液体颜色变化带来的影响，大幅度提高了输液报警的灵敏度和可靠性，解决了已有光电输液报警方法易受环境干扰和液体颜色变化带来的误报和漏报问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是已有光电输液报警方法及装置的原理不意图。
[0027]图2是本发明提出的光栅图像测量型输液报警装置结构框图。
[0028]图3是本发明提出的光栅标准图案。
[0029]图4是图像传感器输出的数字图像，其中图4 (a)是透明输液软管中无液体时的数字图像，图4 (b)是透明输液软管中有液体时的数字图像。
[0030]图1和图2中，I是发光器件，2是透明输液软管，3是光电接收器，4是信号处理电路，5是蜂鸣器，6是光栅，7是成像透镜，8是图像传感器，9是数字信号处理器。
【具体实施方式】
[0031]本发明 提出的基于光栅图像测量的输液报警方法，包括以下步骤:
[0032](I)将一个刻有黑白线条的光栅设置在透明输液软管的一侧，在透明输液软管的另一侧设置一个成像透镜，成像透镜将光栅通过透明输液软管后形成的光栅虚像转换成光栅实像；
[0033](2)用光源对光栅进行照明，用于提高成像的对比度；
[0034](3)在成像透镜的另一侧设置一个图像传感器，用于接收光栅实像；
[0035](4)图像传感器将光栅实像转换为数字图像信号，并将数字图像信传送给数字信号处理器；
[0036](5)数字信号处理器对数字图像信号进行滤波，并测量数字图像信号中的光栅上黑白线条的宽度和光栅线条之间的间距；
[0037](6)设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器对蜂鸣器发出报警信号；
[0038](7)蜂鸣器接收到报警信号后，发出声音报警信号。
[0039]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警装置，其结构框图如图2所示，包括:
[0040]发光器件1，作为照明光源，对刻有黑白线条的光栅6进行均匀照明，以提高光栅图像的对比度；
[0041]光栅6，用于作为标准图案，通过透明输液软管2后形成光栅图像；
[0042]成像透镜7，用于将透明输液软管放大的光栅虚像转换成光栅实像；
[0043]图像传感器8，用于将成像透镜形成的光学实像转换为数字图像信号，并将数字图像信号传送给信号处理器9 ；
[0044]数字信号处理器9，用于实时采集图像传感器输出的数字图像信号，进行滤波，去除图像中的噪声干扰，并设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器从其PWM (Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制口输出频率为2000Hz的波形，直接驱动蜂鸣器发出声音报警信号，数字信号处理器与图像传感器通过信号线相连；
[0045]蜂鸣器5，作为发声器件，在接收到数字信号处理器的报警信号后，在数字信号处理器的PWM 口输出信号的驱动下，周期性地振动发出声音报警信号，，蜂鸣器通过信号线与数字信号处理器相连。 [0046]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警装置，其中的发光器件作为光源，对刻有黑白线条的光栅进行照明；当输液软管中有液体时，由于水溶液的折射率为1.333，因此输液软管中的液体相当于一个柱面透镜，会对放置在左侧的光栅进行放大成像；当输液软管中没有液体时，由于空气的折射率为1，因此输液软管中的空气不产生折射效应，输液软管不会对光栅进行放大成像；成像透镜用于将输液软管(有液体时)放大的光栅虚像在图像传感器上形成光栅实像，或将穿过输液软管(无液体时)的光栅光线直接成像在图像传感器上；图像传感器将光栅图像转化为数字图像信号，并将数字图像信号传送给数字信号处理器；数字信号处理器首先对图像传感器输出的数字图像信号进行预处理，并测量数字图像中的光栅线条宽度和间距。如果光栅线条的宽度和间距小于阈值时，表明输液软管中已无液体，数字信号处理器输出一定频率的方波信号直接驱动蜂鸣器发出声音报警信号。
[0047]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警装置中，发光器件采用日本东芝公司的TLN107红外发光二极管LED，光栅采用母光栅照相复制法在玻璃基板上加工而成，成像透镜和图像传感器米用 200 万像素的 CM0S(complementary metal oxide semiconductor)互补金属氧化物半导体摄像头，数字信号处理器采用Intel公司的80196单片机，蜂鸣器采用直径为016_的他激式压电蜂鸣器。
[0048]本发明提出的基于光栅图像测量的输液报警装置，其工作原理是:
[0049]发光器件对刻有黑白线条的光栅进行均匀照明，透明输液软管和其中的介质(液体或空气)构成柱面透镜，将光栅放置在柱面透镜的焦点内，柱面透镜在光栅一侧形成一个放大了的光栅虚像，成像透镜又将光栅虚像成像在图像传感器上，形成放大了的光栅实像。
[0050]柱面透镜的放大倍数与输液软管中的介质折射率有关，输液软管中的介质为空气时，不产生折射效应，输液软管不会对光栅进行放大成像；输液软管中的介质为液体时，将产生折射效应，输液软管相当于一个柱面放大镜，可对光栅进行放大成像。因此，图像传感器上的光栅实像线条宽度和间距变化仅与输液软管中的介质折射率有关，而与环境干扰和液体透光率无关。只有输液软管中的介质折射率发生变化时，光栅实像的线条宽度和间距才回发生变化，环境光强变化、灯光干扰和液体颜色变化均不影响光栅实像的线条宽度和间距。
[0051]图像传感器将成像透镜形成的光栅实像转换为数字图像信号，并将数字图像信号传送给数字信号处理器；数字信号处理器首先对图像传感器输出的数字图像信号进行预处理，去除图像中的噪声干扰，并提高图像对比度，然后进行光栅线条边缘检测，最后获得光栅实像的线条宽度和间距。[0052]输液完毕时，输液软管中的介质从液体变为空气，介质折射率从1.333变为1，光栅图像的线条宽度和间距突然变小，信号处理器从PWM (Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制口输出频率为2000Hz的波形直接驱动蜂鸣器发出声音报警信号，提示医护人员准备拔针或换药。
[0053]综上所述，本发明在方法和设计上对光电输液报警的方法及装置进行了改进，使图像的线条宽度和间距变化仅与输液软管中的介质折射率有关，而与环境干扰和液体透光率无关，因此克服了现有光电输液报警方法对环境干扰和液体透光率敏感、易出现误报、漏报的问题。本发明的光电测量型输液报警方法及装置结构简单、使用方便、价格低廉，在原理上不受环境光强变化、灯光干扰和液体颜色变化的影响，有很高的灵敏度和可靠性，具有实际推广应用价值。
【权利要求】
1.一种基于光栅图像测量的输液报警方法，其特征在于该报警方法包括以下步骤: (1)将一个刻有黑白线条的光栅设置在透明输液软管的一侧，在透明输液软管的另一侧设置一个成像透镜，成像透镜将光栅通过透明输液软管后形成的光栅虚像转换成光栅实像； (2)用光源对光栅进行照明，用于提高成像的对比度； (3)在成像透镜的另一侧设置一个图像传感器，用于接收光栅实像； (4)图像传感器将光栅实像转换为数字图像信号，并将数字图像信传送给数字信号处理器； (5)数字信号处理器对数字图像信号进行滤波，并测量数字图像信号中的光栅上黑白线条的宽度和光栅线条之间的间距； (6)设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器对蜂鸣器发出报警信号； (7)蜂鸣器接收到报警信号后，发出声音报警信号。
2.一种基于光栅图像测量的输液报警装置，其特征在于该输液报警装置包括: 发光器件，作为照明光源，对刻有黑白线条的光栅进行均匀照明，以提高光栅图像的对比度； 光栅，用于作为标准图案，通过透明输液软管后形成光栅图像； 成像透镜，用于将透明输液软管放大的光栅虚像转换成光栅实像； 图像传感器，用于将成像透镜形成的光学实像转换为数字图像信号，并将数字图像信号传送给信号处理器； 数字信号处理器，用于实时采集图像传感器输出的数字图像信号，进行滤波，去除图像中的噪声干扰，并设定透明输液软管中充满液体时光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距为判断阈值，数字信号处理器实时检测光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距，将检测的宽度和间距与相应阈值相比较，当光栅上黑白线条的宽度和光栅上黑白线条之间的间距缩小至阈值的50%以上时，判定透明输液软管中无液体，数字信号处理器对蜂鸣器发出报警信号，数字信号处理器与图像传感器通过信号线相连； 蜂鸣器，作为发声器件，在接收到数字信号处理器的报警信号后，发出声音报警信号，蜂鸣器通过信号线与数字信号处理器相连。
【文档编号】A61M5/168GK103706003SQ201210492412
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】高宏, 王庆 申请人:紫光股份有限公司