溫控醫(yī)用灌注泵報警技術(shù)研究

楊池，嚴榮國，葛斌，陳倩

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海， 200093)

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溫控醫(yī)用灌注泵報警技術(shù)研究

楊池，嚴榮國，葛斌，陳倩

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海， 200093)

【摘要】基于PID控制算法的溫控醫(yī)用灌注泵， 用于將常溫下的生理鹽水加熱到37±1.5 ℃。輸液管中的生理鹽水在蠕動泵的作用下流進蛇型水袋， 并在加熱板的作用下迅速升溫。該文對原有的溫控醫(yī)用灌注泵提出改進， 增加一些相關(guān)的報警措施， 包括： 生理鹽水溫度或過低報警、 加熱板溫度過高報警、 水袋缺水報警和生理鹽水出口水壓過大報警， 以提高設(shè)備的安全性， 防止對術(shù)中患者造成進一步傷害， 并防止設(shè)備的損壞。

【關(guān)鍵詞】灌注泵； PID控制算法； 最小二乘法； 報警技術(shù)

0引言

腹部手術(shù)時， 常常會產(chǎn)生一些滲血、 滲液等污染物， 影響患者術(shù)后恢復(fù)， 甚至造成腹腔感染。腹部手術(shù)中會常規(guī)性地用生理鹽水清潔患者腹腔， 以達到清潔腹腔、 去除異物及減少腹腔感染的目的。有研究發(fā)現(xiàn)使用常溫生理鹽水沖洗可能使得患者體溫過低引起寒戰(zhàn)， 患者也常有腹脹、 惡心等癥狀， 嚴重時還可能誘發(fā)心律失常[1]。因此， 臨床中越來越多的醫(yī)生選擇用恒溫生理鹽水清潔患者的腹腔。目前部分醫(yī)院用恒溫箱預(yù)先將沖洗液加熱并保溫， 再在手術(shù)時取出使用。加熱設(shè)備和沖洗設(shè)備分離， 使用起來不太方便。因為手術(shù)的時間并不能準確的預(yù)定， 如果用恒溫箱預(yù)先將沖洗液加熱并保溫， 則可能需要較長的保溫時間。單獨的沖洗設(shè)備并不具備溫度控制功能， 如果在使用時沖洗設(shè)備中的沖洗液溫度發(fā)生變化， 達不到手術(shù)的要求， 則會影響手術(shù)的正常進行和患者的健康。

溫控醫(yī)用灌注泵就是這樣一款能夠提供恒溫沖洗液的醫(yī)療儀器， 它將加熱功能和沖洗功能結(jié)合起來， 以實現(xiàn)即時使用。它帶有精確恒溫調(diào)節(jié)的恒溫加熱單元， 常規(guī)灌注泵結(jié)合， 對沖洗液即刻加溫。它具有兩種工作模式： 待機模式和沖洗模式。在待機模式下， 沖洗液靜止在加熱倉內(nèi)保持恒溫37±1.5 ℃； 在沖洗模式下， 常溫的沖洗液流入加熱倉， 沖洗液在加熱倉內(nèi)一邊流動一邊加熱， 當?shù)竭_出水口時溫度恰好達到37±1.5 ℃。

1溫控醫(yī)用灌注泵原理

溫控醫(yī)用灌注泵由輸液系統(tǒng)和電氣控制兩部分組成。輸液系統(tǒng)為液體的流動提供了一個無污染、 無泄漏的通道。電氣控制部分提供了加熱板溫度、 液體流速和液體溫度等的精確控制。

1.1輸液系統(tǒng)組成

溫控醫(yī)用灌注泵的輸液系統(tǒng)由生理鹽水袋、 輸液管、 蠕動泵、 蛇型水袋等組成。蠕動泵的優(yōu)點[2]： 蠕動泵在泵送液體的過程中， 液體只在軟管里流動， 不與泵體接觸， 避免了泵體對液體的污染， 同時也不會因液體的腐蝕性損壞泵體的機械元件； 泵體無泄漏、 無密封等特殊要求， 杜絕了因泄漏液體而造成的損失； 蠕動泵流量精度高， 易于實現(xiàn)液體流量的精確控制， 簡單而可靠； 對所泵送的酸堿腐蝕性液體有抗耐性。蛇型水袋的管道排列方式可以增加生理鹽水的吸熱面積和加熱時間， 使生理鹽水在流動的過程中得到快速加熱。

1.2溫度控制原理

溫控醫(yī)用灌注泵的控制系統(tǒng)由單片機、 PID控制器、 固態(tài)繼電器、 蠕動泵、 直流電源等組成(如圖1所示)。為保證出水口溫度恒定， 需要設(shè)法保持上下加熱板的溫度恒定， 這樣才能讓沖洗液在加熱倉內(nèi)一邊流動一邊加熱， 到達出水口時剛好達到37±1.5 ℃。

圖1溫控醫(yī)用灌注泵示意圖

Fig.1The schematic diagram of the

thermostatic medical infusion pump

溫控醫(yī)用灌注泵電氣控制原理如圖2所示。單片機采集加熱倉進水口、 出水口沖洗液的溫度， 通過PID控制算法[3]， 調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)， 通過固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)加熱板的加熱和不加熱的時間比， 這樣就能保證加熱板溫度基本恒定， 沖洗液流出加熱倉后溫度恒定在37±1.5 ℃?？紤]到醫(yī)用電氣安全性， 電源采用50 V開關(guān)直流電源?？紤]到腹腔內(nèi)手術(shù)的特點， 沖洗液有兩種流速可以調(diào)節(jié)： 分別是200 mL/min(小流速， 適用于小手術(shù))和400 mL/min(大流速， 適用于較大的手術(shù))。

圖2溫控醫(yī)用灌注泵電氣控制原理圖

Fig.2The electrical control principle diagram of the

thermostatic medical infusion pump

2溫控醫(yī)用灌注泵報警技術(shù)

溫控醫(yī)用灌注泵作為手術(shù)中使用的設(shè)備， 其安全性是非常重要的， 水溫的過高過低或水壓的過大都會給手術(shù)中的患者帶來很大的風(fēng)險， 因此安全報警在整個產(chǎn)品的設(shè)計中是非常重要的。綜合考慮， 至少應(yīng)該包括以下幾種： 出水水溫過高或過低報警、 加熱板溫度過高報警、 水袋缺水報警和出水水壓過大報警。

2.1水溫過冷或過熱報警

當機器發(fā)生故障或其它的一些未知因素導(dǎo)致出水溫度過高或者過低時， 溫控醫(yī)用灌注泵應(yīng)該發(fā)出報警信號。系統(tǒng)包括： pt100溫度傳感器、 溫度變送器、 Atmega128單片機、 蜂鳴器和發(fā)光二極管。pt100的阻值跟溫度近似成線性關(guān)系， 當環(huán)境溫度為0 ℃的時， 它的阻值為100 Ω[4]。溫度變送器將pt100的電阻值信號轉(zhuǎn)換成電壓信號， 經(jīng)單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號。由于工藝和介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的不同， 需要對pt100進行標定， 并利用最小二乘法進行曲線擬合[5-6]。

由分析可知： 單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換值S與溫度值T成線性關(guān)系， 故：

S=KT+S0

(1)

變換(1)式得：

(2)

由實驗可得一系列的(Ti，Si)， 為建立這直線方程就要確定K和S0。應(yīng)用最小二乘法原理將實測Si與計算值Sj=KTj+S0的離差的平方和最小作為優(yōu)化判據(jù)。求解得：

S0=(∑Si)/n-K(∑Ti)/n

(3)

(4)

根據(jù)實驗獲得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　溫度-模數(shù)轉(zhuǎn)換值

根據(jù)計算可得：

T=0.122×S-7.61

(5)

單片機將溫度變送器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號S， 根據(jù)(5)式， 再將模數(shù)轉(zhuǎn)換值S換算成溫度值T。當S超出37±1.5 ℃范圍時發(fā)出報警信號， 并通過調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)， 相應(yīng)的降低或升高加熱板的溫度， 使T返回到37±1.5 ℃范圍內(nèi)； 當T回到37±1.5 ℃范圍內(nèi)時終止報警， 并通過實時調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)， 將T的值維持在這個范圍內(nèi)。

2.2加熱板溫度過高報警

溫控醫(yī)用灌注泵通過出水口的溫度傳感器的反饋信號來調(diào)節(jié)加熱板的溫度。當出水口的溫度傳感器出錯或生理鹽水用完時， 單片機讀取到的出水口溫度傳感器的值小于目標值， 根據(jù)控制原理， 加熱板的溫度就會不斷升高。加熱板的溫度過高會導(dǎo)致生理鹽水溫過高或燒壞蛇形水袋并導(dǎo)致生理鹽水的流出， 因此必須給加熱板設(shè)定最高溫度值。在正常情況下加熱板不需要太高的溫度就可以將蛇形水袋中的液體加熱到目標溫度。當加熱板的溫度值超過閾值時， 就可以認為溫控醫(yī)用灌注泵系統(tǒng)出錯， 立即報警，參見圖3。系統(tǒng)包括： 溫度傳感器、 PID控制器、 固態(tài)繼電器和加熱板、 Atmega128單片機[7-8]、 蜂鳴器和發(fā)光二極管。

圖3加熱板溫度過高報警系統(tǒng)框圖

Fig.3The diagram of the alarm with too

high temperature on the heater

PID控制器通過溫度傳感器獲取加熱板的溫度值并將其轉(zhuǎn)換成SV值， 其和單片機采用RS485進行串口通訊[9]。單片機通過讀取PID控制器的SV值獲取到加熱板的溫度值； 通過設(shè)置PID控制器的PV值來控制加熱板的溫度值。當PV值遠大于SV值時， PID控制器輸出高電平， 固態(tài)繼電器導(dǎo)通， 加熱板開始加熱， SV值增大； 當PV值遠小于SV值時， PID控制器輸出低電平， 固態(tài)繼電器斷開， 加熱板停止加熱， SV值減?。?當PV值與SV值相近時， PID控制器通過控制輸出高電平和低電平的時間比來微調(diào)加熱板的溫度值， 使SV值向PV值靠攏。

當出現(xiàn)故障時， 系統(tǒng)誤認為液體的溫度小于目標值， 增大PV值， 加熱板加熱升溫。當加熱板的溫度值超過閾值時， 停止蠕動泵的轉(zhuǎn)動并發(fā)出報警信號， 同時設(shè)置PID控制器的PV值為零， 停止加熱板加熱。當報警完畢后， 停止整個系統(tǒng)的運行。

2.3水袋缺水報警

當水袋缺水時， 會引起加熱板干燒情況， 損壞蛇形水袋和其它的元器件。系統(tǒng)應(yīng)該對水袋用水情況進行監(jiān)測， 當水袋中水用盡時， 發(fā)出警報信號。系統(tǒng)包括： 水流檢測模塊、 Atmega128單片機、 蜂鳴器和發(fā)光二極管。

水流檢測模塊采用紅外對管作為水流信號采集的傳感器， 紅外對管包括： 紅外發(fā)射管和紅外接收管， 它們分別置于輸液管的兩側(cè)， 且兩者的中心位于同一直線上(如圖4(a)所示)。紅外對管檢測水流信號的原理[10]是： 接通電源后， 紅外發(fā)射管導(dǎo)通并發(fā)射紅外光， 紅外接收管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。當輸液管內(nèi)無液體流過時， 由于無明顯障礙物吸收、 反射或散射紅外光， 紅外光衰減非常小， 紅外接收管接收到較強的光信號， 輸出較大的電流； 當有液體流過輸液管時， 由于液體對紅外光有吸收和散射作用， 導(dǎo)致紅外接收管接收到的紅外光信號較弱， 輸出的電流較小。通過電路將電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化， 檢測輸出端電壓的變化， 即可探測出有無液體通過。經(jīng)過紅外傳感器的采集和電路轉(zhuǎn)換后可以得到電壓信號， 但此信號不是標準的TTL 電平信號， 不能直接送入單片機中進行處理。水流檢測模塊采用LM393電壓比較器將模擬電壓信號與基準電壓相比較， 比較兩個輸入端的電壓值， 如果同向輸入端電壓高于反向輸入端時， 輸出為高電平， 否則輸出為低電平(如圖4(b)所示)。LM393比較器的兩路輸入為線性量， 而輸出是開關(guān)量， 當輸入電壓的差值增大或減小時， 其輸出電壓值保持恒定。

圖4水流檢測模塊

Fig.4The diagram of the flow detection module

單片機讀取水流檢測模塊中LM393芯片輸出電平， 當輸出為高電平時表示有液體流過； 當輸出為低電平時表示沒有液體通過。當檢測到?jīng)]有水流時， 啟動報警和停止加熱， 并持續(xù)監(jiān)測， 當再次檢測到有水流時， 停止報警并開始加熱。

2.4水壓過大報警

通常認為， 傷口在閉合前應(yīng)該去除傷口中的各種異物。在閉合傷口前應(yīng)進行清創(chuàng)術(shù)和沖洗， 目的是為了減少傷口中的異物， 而不是消毒。臨床和實驗已經(jīng)表明： 用生理鹽水沖洗傷口在減少細菌、 宏觀和微觀顆粒和降低傷口感染率方面是有效的， 但是理想的沖洗壓力仍然沒有被確立。高壓沖洗可能使異物進入更深層次的組織中， 損壞組織， 使傷口更易受到感染， 引起并發(fā)癥[11]， 因此必須控制生理鹽水的壓力。當壓力超過預(yù)先設(shè)置的閾值時， 系統(tǒng)發(fā)出報警信號。系統(tǒng)包括： FS2050壓力傳感器、 Atmega128單片機、 蜂鳴器和發(fā)光二極管。

圖5壓力采集裝置

Fig.5The device for pressure acquisition

圖5為壓力采集裝置， 其中圖5(a)為壓力傳感器FS2050， 圖5(b)為液體流通裝置。圖5(b)中間開有一個小孔， 外面套了一個防止液體流出的很薄的軟橡膠套， 測量時， 將(b)扣在(a)的上面((b)中的圓形橡膠套和(a)中的圓形大小相同)。當液體流過(b)裝置時， 液體從中間小孔流出， 并通過軟橡膠套壓迫壓力傳感器， 這樣就可以在不與液體接觸的情況下， 采集到液體壓力， 防止了對液體的污染。在系統(tǒng)的整個運行過程中， 單片機定時讀取壓力傳感器AD轉(zhuǎn)換值并轉(zhuǎn)換成壓力值。當壓力值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時發(fā)出報警信號； 當壓力值返回到閾值以下時， 停止報警。

3結(jié)論

對于水溫過高或過低報警系統(tǒng)， 為了驗證其可靠性， 課題組設(shè)計了相關(guān)的實驗。通過外部條件， 人為地改變傳感器的溫度值， 在35.5 ℃和38.5 ℃的兩端以1 ℃為間隔各取5個測試點， 在整個實驗過程中， 每一個測試點， 系統(tǒng)都發(fā)出了報警信號。由此可知： 水溫過高或過低時， 報警系統(tǒng)都能夠有效檢測到出水口的溫度值， 當水溫超37±1.5 ℃范圍時， 可及時發(fā)出報警信號， 避免了對手術(shù)中的患者造成再一次的傷害。

對于加熱板溫度過高報警系統(tǒng)， 課題組同樣設(shè)計了相關(guān)的實驗。實驗?zāi)M了兩種造成加熱板溫度過高的情況： ① 出水口溫度傳感器壞掉， 導(dǎo)致測量的水溫值過低， 加熱板溫度不斷升高； ② 輸液管中缺水， 導(dǎo)致測量的水溫值過低， 加熱板溫度不斷升高。通過實驗驗證， 系統(tǒng)在上述兩種情況下， 當加熱板的溫度值超過60 ℃時， 發(fā)出了報警信號。由此可知： 系統(tǒng)能有效地監(jiān)控加熱板的溫度值， 當其超過閾值時， 發(fā)出報警信號， 有效防止了對設(shè)備造成的損壞。

對于水袋缺水報警系統(tǒng)， 通過斷開鹽水袋和輸液管的連接來模擬缺水的情況， 并進行了10次實驗。通過實驗觀察到： 斷開鹽水袋和輸液管的連接后， 當輸液管中殘留的液體被輸送后， 水流檢測模塊檢測到水流的變化(沒有液體流過)， 系統(tǒng)發(fā)出報警信號。當重新連接上鹽水袋和輸液管且水流達到穩(wěn)定后(有液體流過)， 系統(tǒng)停止了報警。在10次實驗過程中， 系統(tǒng)能有效地檢測到液流的狀況， 表明系統(tǒng)的有效性好、 可靠性高， 避免了加熱板干燒的情況。

對于壓力過大報警系統(tǒng)， 課題組通過外在的壓力改變壓力傳感器的值來模擬不同的情況。通過實驗驗證： 當壓力傳感的值超過了預(yù)先設(shè)定的閾值時， 系統(tǒng)發(fā)出報警信號； 當壓力值恢復(fù)到閾值以下時， 系統(tǒng)停止報警。由此表明系統(tǒng)能有效的檢測到液體的壓力值， 當其超過閾值時， 發(fā)出報警信號。

經(jīng)過一系列的實驗驗證， 上述的四個報警功能可靠性高、 有效性好， 達到了預(yù)期設(shè)計的目的， 從整體上提高了設(shè)備的安全性和有效性。

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Research on the Alarm Technology of a Thermostatic Medical Infusion Pump

YANG Chi, YAN Rongguo, GE Bin, CHEN Qian

School of Medical Instrument and Food Engineering,

University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai， 200093)

【Abstract】The temperature controlled medical infusion pump based on the PID control algorithm has been used to heat physiological saline from room temperature to 37±1.5 ℃. While physiological saline in the infusion tube flows into a snake-like bag through a peristaltic pump, it is rapidly heated through a heating panel. In this paper, an improved temperature control system for the medical infusion pump is described. In this system, some related alarm actions were added, including alarm on too cold or too hot temperature of the output physiological saline, alarm on too high temperature on the heater, alarm on water shortage, and alarm on too high pressure of the output physiological saline, so as to improve the safety of the device, keep the surgery patient from further hurt and prevent the equipment from damage.

【Key words】infusion pump, PID controller, least square method, alarm technology

收稿日期：(2015-07-20)

【中圖分類號】TP273

【文獻標志碼】A

文章編號：1674-1242(2015)04-0205-05

通信作者：嚴榮國，E-mail: ghxyrg@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資(30900320)

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.04.004