一種新型智能配藥設(shè)備的研究

王 超

(成都工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 成都 611730)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國加強(qiáng)了自主創(chuàng)新和醫(yī)療現(xiàn)代化的建設(shè)，并突出強(qiáng)調(diào)了將微電子技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療診治過程。現(xiàn)在醫(yī)院的病區(qū)都設(shè)有專門的配藥室，護(hù)士每天需要手工完成大量病人輸液用藥的配制工作，工作繁重。同時(shí)注射器在操作過程中因長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中而存在藥品衛(wèi)生問題。因此，研發(fā)一種能取代醫(yī)護(hù)人員配制藥品的智能設(shè)備就非常重要。到目前為止，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)能滿足該項(xiàng)應(yīng)用要求的相關(guān)產(chǎn)品，僅有部分與之相關(guān)的學(xué)術(shù)論文探討，實(shí)際的產(chǎn)品基本沒有。從國外情況來看，國外報(bào)道中出現(xiàn)過相關(guān)產(chǎn)品。從所收集到的資料得知，國外產(chǎn)品采用高復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的多維機(jī)械手工作方式［1］，功能強(qiáng)大，但成本很高。針對(duì)以上實(shí)際情況，本文提出了一種智能配藥設(shè)備。該設(shè)備的成功研制，將減少配藥時(shí)的混亂和差錯(cuò)，有效阻止有毒、化療等藥物在配制過程中揮發(fā)而引起的對(duì)醫(yī)護(hù)人員的傷害，符合我國醫(yī)療器械的定位，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能配藥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)可以分為上、中、下三層。最下層也就是第一層是安瓿瓶開瓶器部件裝置，主要由安瓿瓶夾持裝置、砂輪磨片和動(dòng)力裝置構(gòu)成，用來為第二層的注射器抽液提供前提條件，同時(shí)也是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的起點(diǎn)。第二層是注射器抽擠液及夾持裝置，主要由注射器夾持裝置、注射器抽擠機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)裝置和注射器旋轉(zhuǎn)裝置組成，通過上下兩個(gè)電機(jī)使注射器能左右和上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行抽液和注射，它是完成藥物配制的核心運(yùn)動(dòng)部分。注射器夾具在整個(gè)設(shè)備中所起作用是對(duì)注射器身的夾緊以及對(duì)注射器活塞桿的夾緊和抽擠。第三層是粉劑瓶及大液瓶夾持安裝裝置，主要由粉劑瓶、大藥瓶、傳動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成。根據(jù)整個(gè)設(shè)備對(duì)夾具設(shè)計(jì)的要求，在實(shí)際選用材料時(shí)，夾具的材料選擇為鋁合金。

除了以上主要結(jié)構(gòu)外，本智能配藥設(shè)備還由底座、支撐架、設(shè)備工作支撐架、廢品箱和電氣控制箱等附屬部分構(gòu)成。整個(gè)設(shè)備的工作過程如下。

①先將大液瓶、粉劑瓶、注射器、安瓿瓶放置在正確位置;然后啟動(dòng)設(shè)備，通過氣缸將粉劑瓶定位夾緊;再由其他氣缸將裝夾粉劑瓶的整個(gè)夾具部分推至大液瓶的右端，以此夾緊大液瓶啟動(dòng)氣缸，并將注射器定位夾緊;接著啟動(dòng)行走電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，使砂輪在安瓿瓶的瓶頸處磨出一條痕跡;再啟動(dòng)氣缸用氣缸桿，推掉安瓿瓶上的瓶蓋。

②啟動(dòng)注射器電機(jī)，將注射器的針頭對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)去蓋的安瓿瓶正上方，使絲桿帶動(dòng)注射器的活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，完成安瓿瓶中液體抽取;再由旋轉(zhuǎn)電機(jī)使注射器及其整個(gè)夾持裝置精確旋轉(zhuǎn)180°，通過控制系統(tǒng)對(duì)注射器的針頭進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使絲桿帶動(dòng)注射器的活塞桿將針管里的液體全部注入到粉劑瓶中，使針頭處在一個(gè)合理位置。

③啟動(dòng)混合用電機(jī)，帶動(dòng)大液瓶和粉劑瓶不停地旋轉(zhuǎn)，使粉劑瓶中的粉劑充分溶解在液體中，達(dá)到混合藥物的目標(biāo);控制注射器電機(jī)將針管里的液體全部注入到大液瓶中再次進(jìn)行混合液體;同時(shí)通過氣缸控制夾具使安瓿瓶注射器粉劑瓶自動(dòng)脫落掉入設(shè)備下面的廢品箱，復(fù)位使設(shè)備回到初始狀態(tài)，等待下次配藥。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要由CAN接口控制器模塊、STC11F56XE單片機(jī)、液晶模塊、傳感器檢測(cè)電路、鍵盤、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及電磁閥等執(zhí)行元件組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the hardware circuit

2.2 CAN 總線簡(jiǎn)介

CAN即控制器局域網(wǎng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是為解決現(xiàn)代汽車中各種測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)傳輸問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線［2］。為了避免CAN總線在使用過程中與系統(tǒng)的不兼容，CAN總線制定了ISO 11898國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO 11898-1描述了CAN數(shù)據(jù)鏈路層，ISO 11898-2定義了“無錯(cuò)誤-誤差CAN物理層”，ISO 11898-3規(guī)定了“錯(cuò)誤-誤差物理層”。在現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN總線是唯一被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。由于CAN總線采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使得CAN總線的數(shù)據(jù)通信在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有突出的性能，完全滿足本配藥系統(tǒng)的實(shí)際使用要求。本系統(tǒng)的CAN接口分別采用SJA1000和82C250作為CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器［3］。為了保護(hù)MCU單片機(jī)不受CAN總線上干擾信號(hào)的影響，在微處理器與SJA1000中引入高速光電耦合器6N137進(jìn)行系統(tǒng)隔離［4］。

2.3 CPU 模塊

本控制系統(tǒng)選用STC11F56XE單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)是新一代的CPU芯片，管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52，具有經(jīng)典51系列核，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期、高可靠性、2路 PWM、8路 10位高速 A/D轉(zhuǎn)換、25萬次/s的運(yùn)算速度、全球唯一ID號(hào)，以及無需復(fù)位電路等特點(diǎn)，完全滿足本設(shè)備的控制需要。

2.4 液晶模塊

液晶模塊選擇19264模塊。該模塊具有簡(jiǎn)單的操作指令、低功耗的8位并行數(shù)據(jù)接口、64×64位(512 B)的顯示存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)直接作為顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按頁模式進(jìn)行編程和實(shí)現(xiàn)等操作。該模塊與單片機(jī)的接口硬件電路簡(jiǎn)單，軟件編程方面易于實(shí)現(xiàn)［5］。

2.5 傳感器與電機(jī)控制模塊

傳感器模塊用于檢測(cè)當(dāng)前設(shè)備的每個(gè)工作狀態(tài)。該裝置中的傳感器主要由壓力傳感器、霍爾傳感器和光電傳感器構(gòu)成。電機(jī)主要由步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)構(gòu)成，單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作［6］。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序包括用來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的CAN總線接口軟件設(shè)計(jì)和智能配藥設(shè)備測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)兩大部分。

3.1 CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)硬件按照相同的模式開發(fā)，通信過程遵循相同的應(yīng)用協(xié)議，因而智能節(jié)點(diǎn)軟件也采用相同的開發(fā)模式。為了高效率地編寫智能節(jié)點(diǎn)軟件，同時(shí)為便于開發(fā)其他功能的智能節(jié)點(diǎn)，依據(jù)智能節(jié)點(diǎn)的硬件模型、應(yīng)用協(xié)議，以及配藥設(shè)備控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，最后提出了智能節(jié)點(diǎn)軟件模型［7］。

智能節(jié)點(diǎn)軟件模型由CAN基本通信部分、應(yīng)用層協(xié)議、數(shù)據(jù)字典和具體應(yīng)用4部分構(gòu)成。在每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)中，CAN基本通信和應(yīng)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)部分基本相同;數(shù)據(jù)字典具有相同框架，僅過程數(shù)據(jù)區(qū)和相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)存在區(qū)別，將過程數(shù)據(jù)區(qū)做成模板，在編寫不同的智能節(jié)點(diǎn)軟件時(shí)僅對(duì)模板做相應(yīng)的修改。CAN基本通信部分直接與CAN控制器交互，完成對(duì)CAN控制器的管理與操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、錯(cuò)誤處理等工作。智能節(jié)點(diǎn)軟件模型如圖2所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)的軟件模型Fig.2 Software model of intelligent node

CAN基本通信軟件主要由CAN控制器初始化函數(shù)(CAN_INIT)、CAN接收函數(shù)(CAN_RCVDAT)和CAN發(fā)送函數(shù)(CAN_TRANDAT)來實(shí)現(xiàn)。其中，CAN控制器發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)流程圖分別如圖3和圖4所示。

CAN控制器初始化函數(shù)主要進(jìn)行芯片初始化以及通信波特率、驗(yàn)收濾波器和輸出方式等的設(shè)置工作。初始化完成后，檢測(cè)CAN控制器是否真正進(jìn)入工作狀態(tài)，如果有誤，則報(bào)警。CAN接收函數(shù)待接收?qǐng)?bào)文完畢后，釋放接收緩沖區(qū)。CAN發(fā)送函數(shù)首先檢查控制器是否還在處理上一幀報(bào)文的發(fā)送，如果已完成上一幀報(bào)文的發(fā)送，則向發(fā)送緩沖區(qū)寫入待發(fā)送的報(bào)文，并發(fā)啟動(dòng)發(fā)送命令，將報(bào)文發(fā)送出去。

3.2 智能配藥設(shè)備測(cè)控軟件

從設(shè)備動(dòng)作過程來看，要實(shí)現(xiàn)正確、精準(zhǔn)的配藥，必須要對(duì)每個(gè)過程的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。整個(gè)系統(tǒng)具有系統(tǒng)掉電記憶功能［8］。系統(tǒng)除了常規(guī)開關(guān)量的控制以外，還配置有傳感器模擬信號(hào)處理模塊，用于實(shí)時(shí)采集液體混合信息［9］。這個(gè)模擬信息的精度是有效保證配藥質(zhì)量的關(guān)鍵。在設(shè)備實(shí)際工作中，為了有效地消除壓力隨機(jī)干擾，在程序中設(shè)定一個(gè)幅度比例系數(shù)，即每?jī)蓚€(gè)振蕩波信號(hào)的幅度采集值要具有一定的比例關(guān)系，若超過這個(gè)比例，則認(rèn)為信號(hào)為干擾信號(hào)，需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。當(dāng)連續(xù)3次超過這個(gè)比例時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)取消這次測(cè)量。對(duì)于采集到的有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，得到更好的配藥數(shù)據(jù)，達(dá)到配藥目的［10－11］。整個(gè)配藥過程的控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flowchart of control program

4 結(jié)束語

實(shí)際應(yīng)用表明，在所規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的智能配藥裝置能保證配藥的正常合理進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和CAN總線網(wǎng)絡(luò)功能。同時(shí)，基于所選擇CPU的強(qiáng)大功能，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的掉電記憶功能;而通過一定的數(shù)學(xué)方法，可以很好地實(shí)現(xiàn)精確配藥，從而達(dá)到智能配藥的目的。

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