一種醫(yī)用稀釋分配器的研制

金 鑫 吳太虎 孫建軍 魏建倉

稀釋分配器在精細化工和生物醫(yī)學實驗室中有著廣泛的應用[1]。實驗室在配制藥劑時，通常采取人工方式，由于個體的差異，人工配液存在較大的誤差以及不穩(wěn)定性，而藥液配制具有不可恢復性，配制時藥液比例錯誤即會造成藥液廢棄。稀釋分配器通過機械裝置推動注射器，實現(xiàn)高精度、平穩(wěn)無脈動的液體傳輸；具有寬范圍的運行速度(10000倍)，流量精確，控制精度高(當≥30%滿行程時，控制誤差≤±0.5%)，有著人工配液無法比擬的優(yōu)勢[2]。實驗室中有著大量具有毒性或者腐蝕性藥液，稀釋分配器可以減少此類藥液對操作人員的潛在危害，特別適用于精細化工、醫(yī)療配液以及需要精密配制藥液的工業(yè)、醫(yī)學應用等場合。

目前，我國生物醫(yī)學實驗主要采用進口的醫(yī)用稀釋分配器，雖然自動化程度高、使用方便，但價格昂貴，難以普及。而國內(nèi)的稀釋分配器廠家的數(shù)量卻很少，很多廠家僅從國外購進配件，進行簡單的二次加工，缺乏自主知識產(chǎn)權，其產(chǎn)品精確度與進口產(chǎn)品也有一定差距[3]。國內(nèi)對配制藥劑的精密儀器的需求量較大，因此有必要開發(fā)一種高精度、高適應性的醫(yī)用稀釋分配器。

1 總體設計

影響藥液配制質量的最重要指標是精確度與穩(wěn)定性。為了彌補人工配液的弊端，運用自動控制系統(tǒng)來替代人工配液。

本稀釋分配器設計理論以數(shù)字電路技術、步進電機的單片機控制技術、絲杠同步傳動、光電一體化等為基礎。稀釋分配器由三部分組成：軟件部分、硬件電路部分、機械結構部分。利用軟件控制微處理器，對硬件電路進行操作從而控制機械結構的運行，完成稀釋配液功能；硬件電路通過機械結構的定位裝置，反饋信號至微處理器，由軟件進行處理，實現(xiàn)實時監(jiān)測(如圖1所示)。

圖1 系統(tǒng)框圖

稀釋分配器工作流程為：稀釋分配器開機后，進行復位，注射器活塞回到初始位置，換向閥閥芯轉至輸入口。微處理器接受計算機發(fā)出的指令后，注射器活塞下移，抽取指定量藥液。抽取藥液完成后，換向閥閥芯轉至輸出口，注射器活塞上移，注射指定量藥液，稀釋分配器一次工作流程結束。

2 實現(xiàn)方法

2.1 硬件設計

2.1.1 硬件系統(tǒng)框圖(如圖2所示)

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1.2 硬件設計方法

硬件系統(tǒng)由電源模塊、微處理器、電機驅動模塊、光電傳感器模塊及通用同步/異步串行收發(fā)(universal synchronous/asynchronous receiver transmitter，USART)模塊組成。

由于步進電機驅動芯片的負載電源電壓為24 V，硬件主供電電源為24 V直流電，由外設220 V交流轉24 V直流變壓器提供。為了減少發(fā)熱，電源模塊采用兩塊三端穩(wěn)壓集成電路7805與外圍電子元件組成兩級降壓模塊，將主供電電源由24 V經(jīng)兩級降為12 V及5 V直流電，提供數(shù)字電路所需的+5 V高電平。

微處理器使用AVR Atmega 64 L單片機。AVR系列單片機是Atmel公司生產(chǎn)的一種具有雙總線結構的精簡指令系統(tǒng)計算機(reduced instruction set computer，RISC)，它相對于傳統(tǒng)的復雜指令系統(tǒng)計算機(complicated instruction set computer，CISC)而言，具有較短的指令周期與較快的運行速度。此外，AVR單片機還具有片內(nèi)FLASH、片內(nèi)“看門狗”定時器、片內(nèi)同步/異步串行接口、片內(nèi)定時/計數(shù)器、片內(nèi)模數(shù)轉換器等多種內(nèi)部資源[4]?；贏VR單片機的上述特點，稀釋分配器的微處理器選用其系列的Atmega 64 L單片機。Atmega 64 L單片機是Atmel公司8位系列單片機的一款高配置單片機，其性能指標完全滿足本稀釋分配器對中央處理器的要求。用以接收計算機指令、發(fā)送指令至步進電機驅動芯片、接收光電傳感器模塊的反饋信號，控制整個稀釋分配器的運行，反饋實時信號給計算機，監(jiān)控稀釋分配器的工作狀態(tài)。

電機驅動模塊由A3984SLPT步進電機驅動芯片及外圍電子元件組成，其作用為接收單片機發(fā)送的控制信號，使能、停止步進電機，控制步進電機的正反轉，實現(xiàn)分配閥的換向及注射器的抽吸功能，改變細分設定，控制步進電機的步進角，實現(xiàn)注射器的精確運行[5]。

光電傳感器模塊由三塊EESX-498光電傳感器及外圍電子元件組成，分別用于定位稀釋分配器的初始位置，實現(xiàn)稀釋分配器的初始化及復位操作，檢測分配閥、注射器的實時位置，反饋信號回單片機，比較單片機發(fā)送的運行指令與實時運行狀態(tài)的誤差給予糾正。USART模塊由MAX202E RS232、VP3082 RS485通訊芯片及外圍電路組成，稀釋分配器通過USART模塊與計算機進行RS232及RS485協(xié)議通訊。計算機將指令通過RS232或RS485協(xié)議發(fā)送給單片機[6]，控制稀釋分配器的運行，稀釋分配器將當前工作狀態(tài)發(fā)送給計算機，實現(xiàn)實時監(jiān)測。MAX202E、VP3082與計算機串口使用TLP521可編程光電耦合器相連接，將稀釋分配器與計算機進行物理隔絕，防止因稀釋分配器故障或操作失誤，短路電流流至計算機，造成計算機損壞。

2.2 軟件設計

2.2.1 程序框圖(如圖3所示)

圖3 程序框圖

2.2.2 軟件設計方法

軟件的設計主要是對Atmega 64 L單片機進行編程，控制稀釋分配器的運行，實現(xiàn)稀釋分配器自檢、復位、用戶輸入的操作值與單片機內(nèi)處理值的轉換，稀釋分配器的運行與停止，光電傳感器的實時定位、反饋數(shù)據(jù)給計算機，進行實時監(jiān)測。程序代碼使用IAR程序編譯器編寫，簡便快捷。

電機驅動模塊由程序操作單片機，輸出高低電平，使能或停止步進電機驅動芯片。步進電機運行所需要的脈沖信號由單片機通過脈沖寬度調制(PWM)實現(xiàn)[7]，步進電機每接收一個脈沖，在零細分的條件下，轉動一個基礎角度[8](本機采用的步進電機為1.8o)，通過調整脈沖的頻率而改變步進電機的轉動速度，從而調整稀釋分配器注射器的運行速度。單片機對步進電機驅動芯片細分管腳MS1、MS2管腳輸出高低電平，改變細分設定[9]，可對步進電機步距角進一步細分，使稀釋分配器的運行更加精確。

光電傳感器子程序由中斷完成，當分配閥與注射器電機運行時，程序記錄光電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，計算出分配閥與注射器實時運行狀態(tài)[10]，達到設定運行值時，程序停止步進電機的運行。

3 結構設計

3.1 結構效果圖(如圖4所示)

圖4 結構效果圖

3.2 結構設計方法

本稀釋分配器采用立式結構，注射器軸向與工作面垂直，其目的是：①減少重力作用下注射器活塞與管壁的摩擦力；②減少重力長期作用下注射器的形變；③保證被稀釋液體液面與注射器活塞面平行。

本稀釋分配器的機械傳動由步進電機驅動完成。步進電機是一種感應電機，它將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響[11]。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，其旋轉以固定的角度一步一步運行。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[12]。

分配閥結構由分配閥電機、分配閥定位柵盤和分配閥組成。步進電機運行時，分配閥與分配閥定位柵盤以相同角速度運行；光電傳感器通過記錄運行時分配閥定位柵盤的柵孔數(shù)目，即可計算出分配閥轉動的角度，從而定位分配閥[13]。

注射器結構由注射器、注射器活塞推拉桿、滾珠絲杠、注射器步進電機、注射器定位柵盤組成。滾珠絲杠是用來將旋轉運動轉化為直線運動或將直線運動轉化為旋轉運動的機械元件，并具有傳動效率高，定位準確等特點[14]。本稀釋分配器使用滾珠絲杠將步進電機的旋轉運動轉化為注射器活塞推拉桿的直線運動，推動注射器活塞，實現(xiàn)注射器抽吸液體；光電傳感器記錄運行時注射器定位柵盤的柵孔數(shù)目，即可計算出注射器運行的距離，從而定位注射器。

4 主要技術指標

經(jīng)整機實驗測試，本醫(yī)用稀釋分配器的主要技術指標(見表1)：

表1 醫(yī)用稀釋分配器主要技術指標

5 結束語

早在20世紀80年代國外醫(yī)學實驗室就已經(jīng)采用稀釋分配器作為藥物配液的基本手段，而我國大量的醫(yī)學實驗室在藥物配液上改變的僅是由機械天平換為電子天平，其變化僅是稱重手段，而配液基本還是由人工完成，因此實驗的精確性和穩(wěn)定性無法保證。本稀釋分配器適用于不同種類的三口閥、多規(guī)格的注射器，具有自動移液，配液功能，通過與計算機通訊進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了醫(yī)學配液的自動化，其性能指標達到國內(nèi)同類產(chǎn)品先進水平，可滿足我國醫(yī)學實驗室實驗需求。

[1]Hartley FT. Miniature peristaltic pump technology and applications[J].Journal of advanced Materials,2000,32(3):16-22.

[2]Gray C, Swinhoe CF, Myint Y, et al. Target controlled infusion of ketamine as anaslgesia for TIVA with propofol[J].Can J Anesth,1999,46(10):957-961.

[3]王思剛.人體便攜式自動輸液器的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學,2006:1-3.

[4]金春林,邱慧芳,張皆喜.AVR系列單片機C語言編程與應用實例[M].北京:清華大學出版社,2003:5.

[5]鄒麗新,朱桂榮,陸家昌,等.精密控制系統(tǒng)中步進電機的電細分技術研究[J].電子技術應用,2005,31(5):39-41.

[6]陳海,胡建旺,祝愛民.基于紅外的數(shù)據(jù)通信模塊的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2008,24(6):288-290.

[7]王志新,羅文廣.電機控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:156-158.

[8]花同.步進電機控制系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2011,15(8):11-15.

[9]郭宏,胡曼麗.兩項混合式步進電機細分驅動技術的研究[J].電氣應用,2003,22(11):74-75.

[10]吳偉明.傳感器的應用與發(fā)展[J].電子制作,2007(4):1-2.

[11]Ghafair AS, Behzad M. Investigation of the miro-step control positioning s y s t e m p e r f o r m a n c e a f f e c t e d b y random input signals[J].Mechatroni cs,2005,15(10):1175-1189.

[12]劉曉山.單片機在步進電機控制系統(tǒng)中的應用[J].機電工程技術,2004,33(1):69-70.

[13]李海波,何雪濤.步進電機升降速的離散控制[J].北京化工大學學報(自然科學版),2003,30(1):92-94.

[14]程光仁.滾珠螺旋傳動設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社,1987:15-16.