半擠壓式智能輸液泵的設(shè)計(jì)與研制

張 彬，李海云

（首都醫(yī)科大學(xué) 北京 100069）

靜脈輸液通過(guò)靜脈輸入藥液來(lái)向受體給藥以達(dá)到治療疾病的目的。傳統(tǒng)吊瓶輸液需保持輸液器與受體液位差所提供的壓力向受體輸入液體[1]。所以在受體移動(dòng)時(shí)輸液十分不便利[2]。另外，普通輸液器在輸液過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)氣泡、阻塞、不能及時(shí)關(guān)斷輸液通路等故障造成不良后果。臨床上靜脈輸液需要根據(jù)藥物和患者年齡病情等配以適當(dāng)?shù)妮斠核俣?，而傳統(tǒng)靜脈輸液依靠人工觀察無(wú)法精確地控制輸液速度，工作量大。因而本文設(shè)計(jì)并研制了一種半擠壓式智能輸液泵，它可以精確控制輸液量和輸液速度，并能夠檢測(cè)氣泡、阻塞、輸液完成，保證輸液過(guò)程的安全性和可靠性。

1 輸液泵原理

輸液泵依靠外界機(jī)構(gòu)擠壓具有彈性的輸液管來(lái)完成流速控制，按泵機(jī)構(gòu)分類可以分為指狀蠕動(dòng)泵、盤狀蠕動(dòng)泵、彈性輸液泵以及新近出現(xiàn)的活塞式輸液泵等。指狀蠕動(dòng)泵和盤狀蠕動(dòng)泵都是靠步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擠壓輪擠壓輸液管，使液體以一定的方向和速度流動(dòng)[3-4]。彈性輸液泵利用合成橡膠的彈性擠壓作用把藥液連續(xù)或間斷地輸入到人體。

本文研制的半擠壓式智能輸液泵原理上是一種活塞式輸液泵，工作時(shí)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使擠壓滑塊按照一定規(guī)律上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)擠壓輸液管讓藥液以一定的速度定向流動(dòng)，凸輪軸轉(zhuǎn)速與流速基本呈線性關(guān)系。因此，控制凸輪軸的轉(zhuǎn)速就可以精確控制藥液流速。它無(wú)交叉污染，重量輕，定量準(zhǔn)確，具有流速范圍寬、輸液管安裝方便、使用簡(jiǎn)便等突出優(yōu)點(diǎn)。半擠壓式智能輸液泵的外形如圖1所示。

圖1 半擠壓式智能輸液泵外形圖Fig.1 The appearance of the infusion pump

2 輸液泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

活塞輸液泵由泵體機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制硬件和控制軟件三大部分組成。泵機(jī)構(gòu)被各個(gè)控制硬件圍繞，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、人機(jī)交互單元和智能電池單元。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)自帶最大8細(xì)分脈沖分配驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。檢測(cè)單元通過(guò)傳感器等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。人機(jī)交互單元配有液晶顯示屏和鍵盤，實(shí)現(xiàn)用戶與控制程序之間的人機(jī)交互。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 輸液泵機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The mechanical structure of the infusion pump

因而，本輸液泵具有如下功能：精確測(cè)量和控制輸液量；精確測(cè)量和控制輸液速度；液流線性度好，產(chǎn)生脈動(dòng)??；能對(duì)氣泡、空液、漏液、溫度和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行監(jiān)報(bào)警，并自動(dòng)關(guān)斷輸液通路；能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，只要設(shè)定好運(yùn)行參數(shù)，就可以自動(dòng)根據(jù)參數(shù)進(jìn)行輸液。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制硬件

驅(qū)動(dòng)控制硬件主要分為三大組成部分，即：

1）控制主板：以8bit單片機(jī)為核心，包括控制液晶屏、鍵盤等硬件等，完成人機(jī)交互界面，接收用戶的指令信息，控制電機(jī)帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸液的流速要求，實(shí)現(xiàn)輸液泵的主要控制功能。

2）傳感器：包括檢測(cè)氣泡傳感器、管路阻塞傳感器、開(kāi)關(guān)門傳感器和溫度傳感器。開(kāi)關(guān)門傳感器是一個(gè)單簧管，用來(lái)實(shí)現(xiàn)泵門開(kāi)關(guān)的檢測(cè)。溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)藥液溫度。

3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：以A3977為核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的斬波8細(xì)分驅(qū)動(dòng)。

2.3 超聲波氣泡檢測(cè)

輸液管路氣泡傳感器使用超聲波進(jìn)行氣泡檢測(cè)。在兩種不同的介質(zhì)界面上，超聲波的能量會(huì)被反射和透射，反射和透射的程度與介質(zhì)的聲特性阻抗有關(guān)[6]。由于輸液管是圓柱形的，我們選用透過(guò)方式進(jìn)行檢測(cè)。沒(méi)有氣泡時(shí)，超聲波換能器的發(fā)射端發(fā)出超聲波大部分能量穿過(guò)輸液管及藥液到達(dá)接收端，轉(zhuǎn)換成與發(fā)射頻率同頻的微弱電信號(hào)。如果輸液管中有氣泡，超聲波會(huì)在氣泡和液體的界面發(fā)生反射，使得能量有一部分衰減，微弱電信號(hào)就會(huì)減小，其程度及時(shí)間與氣泡大小、形狀和氣泡多少有關(guān)[7]。因而超聲波傳感器可以檢測(cè)出輸液管路中的氣泡。

2.4 管路壓力傳感器

輸液泵的壓力傳感器實(shí)際上是一個(gè)典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其上貼有應(yīng)變片組成電橋，以檢測(cè)出懸臂梁的彎曲變化量。此懸臂梁的末端通過(guò)接觸塊兒與彈性輸液管接觸，接觸后有一定的預(yù)壓緊量。而后，當(dāng)輸液管中液體的壓力變化時(shí)就會(huì)帶動(dòng)懸臂梁向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)位移，應(yīng)變片隨即發(fā)生變化造成電橋平衡進(jìn)一步打破，通過(guò)單片機(jī)的A/D口采集到此變化量，進(jìn)而求得輸液管路壓力的變化。

2.5 控制軟件

控制軟件通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了流量—流速模式、容積時(shí)間模式、毫克體重模式等幾種輸液方式，以及流速標(biāo)定、參數(shù)標(biāo)定等功能。它是依據(jù)輸液泵的操作流程設(shè)計(jì)的，各模塊需要按照主控模塊的控制來(lái)工作[8]。軟件實(shí)現(xiàn)了處理用戶鍵盤輸入以及根據(jù)當(dāng)前操作所處狀態(tài)在LCD上顯示相關(guān)信息等功能，圖形用戶界面可降低輸液泵的使用出錯(cuò)率[9]。

整個(gè)軟件流程從進(jìn)入到某一選定的輸液模式的參數(shù)輸入界面后開(kāi)始，在用戶確認(rèn)輸入完輸液參數(shù)后，程序內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算，導(dǎo)出相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)輸入的參數(shù)判斷輸入是否正確，不正確則重新輸入，正確就開(kāi)始按照計(jì)算出的參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始輸液。在開(kāi)始正常輸液后，程序要不斷的檢測(cè)電池電量、管路溫度、管路氣泡、管路壓力等，看是否有異常，若有則停止當(dāng)前的輸液過(guò)程，進(jìn)入到異常處理的流程。輸液完成與否通過(guò)實(shí)際的已用時(shí)間和理論的輸液時(shí)間的大小來(lái)判斷。當(dāng)實(shí)際的輸液時(shí)間大于或等于理論時(shí)間時(shí)，進(jìn)入到輸液完成處理流程，輸液完成時(shí)，電機(jī)繼續(xù)以較低速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)蜂鳴器響提示用戶輸液完成。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 輸液泵軟件流程圖Fig.3 The software flow chart of the infusion pump

3 輸液泵流速控制

活塞式輸液泵的輸液流速精度與輸液管的截面積、輸液管彈性以及凸輪軸的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。擠壓凸輪是一個(gè)偏心圓凸輪，它能使得擠壓滑塊以余弦規(guī)律擠壓彈性輸液管路?；钊捷斠罕貌粫?huì)將輸液管完全壓扁，它的最大擠壓位置距離極限位置1 mm左右，因而稱這個(gè)輸液泵是半擠壓式的。

輸液管被壓縮后恢復(fù)形狀需要一定的時(shí)間，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速n0時(shí)，輸液管的變形還沒(méi)有完全恢復(fù)，滑塊又開(kāi)始擠壓輸液管，轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高后每轉(zhuǎn)的擠壓液體量反而會(huì)降低。將輸液管完全擠壓后釋放進(jìn)行輸液管回彈實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明輸液管回彈時(shí)間Tr可以簡(jiǎn)化為0.1 s。因此凸輪軸的臨界轉(zhuǎn)速為：

理論上凸輪軸每轉(zhuǎn)一周所擠壓的液體量V=0.06 ml/r，則臨界輸液流速為：

在此流速下流速與凸輪軸的轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。

輸液泵的凸輪軸是由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，因而輸液速度與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率有關(guān)。驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)用單片機(jī)定時(shí)器的定時(shí)中斷功能產(chǎn)生，通過(guò)設(shè)定定時(shí)器初值可得到所需頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°/step，因此凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周需要微處理器8細(xì)分后發(fā)1 600個(gè)脈沖。單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的分頻，應(yīng)當(dāng)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速與精度相匹配[5]。經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)，不同分頻時(shí)的流速上限Vm，x為不同分頻時(shí)的常數(shù)，其單位為ml/h。計(jì)算結(jié)果為：

所以規(guī)劃流速1分頻時(shí)流速區(qū)間為20～1 200 ml/h，256分頻時(shí)流速區(qū)間為0.1～20 ml/h。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將設(shè)計(jì)好的輸液泵實(shí)際運(yùn)行一定時(shí)間測(cè)量實(shí)際的流量，并計(jì)算出理論流量與實(shí)際流量進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experiment results

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的半擠壓式智能輸液泵輸液流速誤差很小，流速控制精確，能夠滿足精度要求。

5 結(jié) 論

半擠壓式智能輸液泵能精確控制藥液的輸液量和輸液速度，能對(duì)輸液過(guò)程中出現(xiàn)的氣泡等異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，同時(shí)及時(shí)自動(dòng)關(guān)斷輸液通路。使用半擠壓式智能輸液泵避免了傳統(tǒng)輸液方式的諸多不便，可以大大減少人力資源的浪費(fèi)。下一階段將會(huì)對(duì)輸液泵進(jìn)行改進(jìn)：功能上，要實(shí)現(xiàn)既可以靜脈輸液，又能輸血、輸送腸道營(yíng)養(yǎng)液等；成本上，要降低壓力輸液器耗材的成本，這樣才能使輸液泵得到的更加廣泛的應(yīng)用。此外，在流速穩(wěn)定性和噪聲控制等方面也值得深入研究。

總之，半擠壓式智能輸液泵能有效防止輸液事故的發(fā)生，有助于減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高安全性、精確性和工作效率，有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)輸液泵的改進(jìn)和完善對(duì)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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