基于嵌入式的術(shù)后引流負(fù)壓吸引器的設(shè)計(jì)

吳 曠，戴紹港，林大凱

（杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

由于很多病人手術(shù)后臟器創(chuàng)口沒有得到有效的愈合，此時(shí)會(huì)在腹腔內(nèi)積累各種液體。最為常見的就是在臨床中，為了保證腸道患者在術(shù)后能盡快康復(fù)，就需要將來自胃的低PH值的消化液借助引流設(shè)備排出體外[1]。目前國內(nèi)外市場上通常使用一次性負(fù)壓吸引袋[2]或機(jī)械式吸引器將體液引流至體外。但是這種方法產(chǎn)生的負(fù)壓并不穩(wěn)定，吸引的壓強(qiáng)可能會(huì)有較大的變化，導(dǎo)致負(fù)壓吸引的效果不理想。同時(shí)一次性負(fù)壓吸引袋的后期垃圾處理較為復(fù)雜，如果處理不當(dāng)，易造成較大污染。最重要的是，傳統(tǒng)方式氣密性不理想，容易造成倒灌而造成患者的二次感染。

相比之下，嵌入式系統(tǒng)通過檢測體內(nèi)腔壓的方式控制引流，能動(dòng)態(tài)控制負(fù)壓大小，也能實(shí)時(shí)監(jiān)控病人的體液的各種參數(shù)，穩(wěn)定性好。同時(shí)具有自動(dòng)清洗的功能，操作便捷。并能在液晶顯示屏上顯示有好的界面，實(shí)時(shí)更新病人排出體液的PH值、體積、流速、質(zhì)量等參數(shù)。同時(shí)，本系統(tǒng)提供了友好的操作界面。醫(yī)護(hù)人員可以通過選擇不同的手術(shù)類型設(shè)置負(fù)壓引流的類型。為了保障病人的安全，該系統(tǒng)還能檢測異常情況，產(chǎn)生報(bào)警信號，并及時(shí)將報(bào)警信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞至急救中心。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

術(shù)后引流負(fù)壓吸引器整體上是利用氣壓檢測模塊檢測體內(nèi)腔壓，并使用兩級電磁閥及薄膜泵的組合動(dòng)態(tài)控制體內(nèi)腔壓，流速等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

滅菌緩沖接口：將通過該接口的病人腔內(nèi)液體做前級滅菌、過濾及隔離處理。

氣壓檢測模塊：通過測量檢測容器內(nèi)的氣壓得出與管子連通的病人體內(nèi)的壓強(qiáng)。

緩沖容器：用于裝載一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)病人分泌的體液。這一級緩沖主要用于對當(dāng)前流量的進(jìn)行檢測。該容器裝載在重力檢測模塊上，能精確測量緩沖容器前后的質(zhì)量變化，并由此得出排出液的質(zhì)量。再利用人體體液參數(shù)計(jì)算出病人排出的體液的體積。

緩沖容器所接的氣囊：用于防止容器的內(nèi)壓過大。

薄膜泵：一種離心水泵，適用于輸送高腐蝕、固液兩相介質(zhì)，也是目前世界上最為先進(jìn)的料漿輸送設(shè)備[3]。由于病人術(shù)后的體內(nèi)廢液可能會(huì)有較為復(fù)雜的成分（如滲漏的消化液），有時(shí)會(huì)有較低的pH值，因此薄膜泵是本系統(tǒng)最好的選擇。

電磁閥：具有良好的氣密性，可以防止微漏，起到第二重保護(hù)作用，在薄膜泵完全開啟并開始工作之前，可能會(huì)瞬時(shí)出現(xiàn)后級的壓強(qiáng)暫時(shí)大于前級的壓強(qiáng)的情況，使用電磁閥可以防止后級的液體倒灌到前級進(jìn)入病人的體內(nèi)，有效保障了病人的健康。

圖1 負(fù)壓吸引器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of negative pressure aspirator

吸收容器：含有弱堿性吸收劑，可以有效吸收來自緩沖容器的體液并中和酸性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

負(fù)壓吸引器系統(tǒng)主要由機(jī)械引流模塊、功率驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測模塊、電源管理模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊與主控模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Structure of the system

2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

主要由薄膜泵、電磁閥、計(jì)量集液瓶（緩沖容器）、支架和連接導(dǎo)管構(gòu)成。

根據(jù)現(xiàn)有科研數(shù)據(jù)，腸胃道術(shù)后對患者進(jìn)行負(fù)壓引流時(shí)最佳負(fù)壓大小為－7～－5 kPa[4]，系統(tǒng)使用容器截面積約為24 cm2，使用PO9A12R型薄膜泵，可實(shí)現(xiàn)至少－7 kPa的負(fù)壓。電磁閥采用BOSUN－2W250－25－DC12V型電磁閥，具有良好的氣密性。經(jīng)測試，采用這兩款薄膜泵和電磁閥能夠?qū)崿F(xiàn)最高8 mL/s抽取速度，完全能夠滿足對病人體液的抽取。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

負(fù)責(zé)執(zhí)行主控模塊對機(jī)械部分薄膜泵和電磁閥的控制。同時(shí)也起到了對控制模塊和機(jī)械模塊之間的隔離作用，防止強(qiáng)電串?dāng)_至弱電毀壞控制電路。使用4個(gè)NPN型MOS管IRF3205（Vdss=55 V，導(dǎo)通電阻 Rds=0.8 mΩ，極限電流 80 A）驅(qū)動(dòng)薄膜泵和電磁閥并使用IR4427實(shí)現(xiàn)主控模塊對MOS管的驅(qū)動(dòng)。

2.3 傳感器檢測部分

由稱重傳感器、表壓傳感器、pH值傳感器等傳感器件構(gòu)成，主要完成對病人腔壓、負(fù)壓吸引器產(chǎn)生的負(fù)壓、體液的抽取速度、以及其它醫(yī)學(xué)參數(shù)（如體液的pH值等）的測量。

稱重傳感器設(shè)計(jì)：壓力應(yīng)變片內(nèi)部電橋阻值分布能夠根據(jù)外部壓力的大小而線性變化[5]。采用20 kg壓力應(yīng)變片與信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)。變化范圍僅有50 μV左右。首先使用精密儀放INA118構(gòu)成前級信號放大，將信號放大5 000倍，再用通用運(yùn)放LM358對信號做進(jìn)一步放大和電平調(diào)整，使所稱重量在0～100 g間變化時(shí)輸出電壓范圍為0.2～2.5 V，方便主控模塊使用AD采樣。

氣壓傳感器設(shè)計(jì)：氣壓傳感器用于對負(fù)壓吸引器產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行精確測量，使用亞科電子科技公司的TTP501型氣壓傳感器，一種橋式硅壓阻器件[6]，其壓力測量范圍為0～120 kPa，工作電流為 0.3 mA，輸出電壓范圍為 0.5～3 V，精度高于1%。利用此傳感器可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓的精確測量。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Driving circuit

圖4 稱重傳感器電路Fig.4 Gravity sensing circuit

圖5 氣壓傳感器電路Fig.5 Baroceptor circuit

pH值傳感器設(shè)計(jì)：體液pH值為醫(yī)學(xué)中的重要參數(shù)，對pH值的精確測量可以有效監(jiān)控患者的體內(nèi)代謝狀況。使用有高電壓PMOS管和高壓二極管優(yōu)點(diǎn)的運(yùn)放CA3140組成雙高阻差分輸入電路以減小共模信號的干擾。輸出電壓：V0=（1+2R4/Rg）·（R3/R2）·（V2-V1）。

同時(shí)應(yīng)用DS18B20數(shù)字溫度傳感器結(jié)合軟件的設(shè)計(jì)完成溫度補(bǔ)償以提高測量精度。pH計(jì)的功耗約100 mW。測量精度[7]可達(dá)±0.01 pH。

圖6 pH傳感器電路Fig.6 pH value sensing circuit

2.4 控制部分

人機(jī)交互模塊：用于用戶指令的輸入，顯示所測量的體內(nèi)體液參數(shù)。顯示模塊使用諾基亞5110液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)，與主控模塊之間的通信通過SPI接口實(shí)現(xiàn)，具有功耗低、控制簡便等優(yōu)點(diǎn)。

異常報(bào)警模塊：主要由有源蜂鳴器及一個(gè)NPN型三極管8050構(gòu)成。當(dāng)主控模塊輸出報(bào)警信號時(shí)，給8050基極施加高電平，有源蜂鳴器發(fā)出洪亮的報(bào)警聲，提示醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)操作。

主控模塊：主要以STM32為核心，完成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、功能控制、顯示及針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的反饋處理。STM32 F103是一款32位單片機(jī)，AD數(shù)據(jù)采集的精度極高。具有2個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器（16通道）以及6路PWM輸出和7個(gè)定時(shí)器，足以實(shí)現(xiàn)對各功能模塊的自動(dòng)控制、信號采集和處理[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于Keil for ARM的開發(fā)環(huán)境下完成的。主要使用C語言編寫。軟件包括各個(gè)模塊的底層驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)的采集和處理。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)上電初始化，使用定時(shí)中斷方式掃描按鍵輸入，并定時(shí)在液晶顯示屏上更新顯示當(dāng)前的瓶內(nèi)氣壓、總流量、平均流速、pH值等參數(shù)。這部分程序在中斷函數(shù)中，已在主體部分流程圖中省略。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 Software diagram of system

系統(tǒng)工作之前先由醫(yī)護(hù)人員選擇臟器手術(shù)類型，系統(tǒng)會(huì)據(jù)所需的負(fù)壓引流的門限壓強(qiáng)每30 s檢測一次檢測容器的氣壓，并動(dòng)態(tài)控制薄膜泵引流體液，以保證瓶內(nèi)穩(wěn)定的負(fù)壓。當(dāng)瓶內(nèi)的氣壓大于門限氣壓時(shí)，系統(tǒng)依次打開薄膜泵1和電磁閥1，以防止瞬間的倒灌現(xiàn)象。

當(dāng)液體被抽到緩沖容器中后，STM32使用12位AD采樣稱重傳感器模塊輸出的信號并計(jì)算得出每次注入的體液的質(zhì)量，并計(jì)算體液所占的體積。最后，控制后級的薄膜泵2和電磁閥2將稱量后的體液注入吸收容器之中。并累加計(jì)算吸收容器吸收的液體體積，能及時(shí)提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)更換后級的吸收劑。

4 系統(tǒng)測試

4.1 氣壓傳感器壓力測試

引流的壓力測試結(jié)果如表1所示。

4.2 液位流量測試

引流的流量測試結(jié)果如表2所示。

綜上可見：壓力測試模塊的平均誤差為0.52%，滿足設(shè)備的要求。

流量檢測模塊的平均誤差為1.9%，滿足設(shè)備的要求。

表1 引流的壓力測試結(jié)果Tab.1 Drainage pressure measuring result

表2 引流的流量測試結(jié)果Tab.2 Drainage flow rate measuring result

5 結(jié) 論

為了能夠使手術(shù)后病人能夠更加安全、方便地排出體液，文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“基于嵌入式的術(shù)后引流負(fù)壓吸引器”。該系統(tǒng)能夠智能設(shè)定負(fù)壓大小并同時(shí)在抽取體液的過程中對病人的人體狀態(tài)進(jìn)行必要的檢測。對抽取的體液在流量、重量、pH值等方面進(jìn)行精確控制和測量，使得體液抽取工作具有可靠性高，實(shí)現(xiàn)方便、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Drobner V L，Safonova K G，Soldatin V F.Electrical aspirator for drainage[J].Biomedical Engineering，1973（5）：50-53.

[2]項(xiàng)艷萍.一次性負(fù)壓吸引器固定帶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].當(dāng)代護(hù)士，2005（12）：2.

XIANG Yan-ping.The design and application of disposable negative pressure aspirator fixing strap[J].Contemporary Nurse，2005（12）：2.

[3]張洪生，解海，師秦曉.GMB200-2.5往復(fù)式隔膜泵的PLC控制系統(tǒng)[J].排灌機(jī)械，2007，25（4）：54-56.

ZHANG Hong-sheng，XIE Hai，SHI Qin-xiao.PLC control system of the GMB200-2.5 of reciprocating diaphragm pump[J].Drainage and Irrigation Machinery，2007，25（4）：54-56.

[4]朱開梅，曹玉剛.腸胃手術(shù)后腸胃減壓負(fù)壓吸引器的最佳壓力值研究[J].護(hù)理學(xué)雜志，2009（7）：7-8.

ZHU Kai-mei，CAO Yu-gang.Pressure for disposable vacuum aspirator in nasogastric decompression after gastrointestinal operation[J].Journal of Nursing，2009（7）：7-8.

[5]祁樹勝.應(yīng)變片測量的誤差分析[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2003，21（3）：6-7.

QI Shu-sheng.Error analysis on strain gauge measurment[J].Journal of Xi’an Aviation and Technical College，2003，21（3）：6-7.

[6]祝宇虹，紀(jì)軍紅，孫寧.橋式硅壓阻器件在氣壓測量中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2005，24（5）：74-76.

ZHU Yu-hong，JI Jun-hong，SUN Ning.Application of silicon bridge piezoresistive element in air pressure measurement[J].Journai of Transducer Technoiogy，2005，24（5）：74-76.

[7]許國忠，饒連周.基于單片機(jī)ADuC845的pH計(jì)的設(shè)計(jì)[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（2）：168-171.

XU Guo-zhong，RAO Lian-zhou.Design of the pH meter based on SCM-ADuC845[J].Journal of SANMING University，2009，26（2）：168-171.

[8]GUO Zhi-tao，YUAN Jin-li.Design of Ocean Intelligent Sensor Based on STM32[C]//IEEE International Conference on Test and Measurement，2009.