一種便攜式人體自動(dòng)輸液泵輸液系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

張旭，郭偉忠，趙學(xué)增

(1.黑龍江大學(xué) 伊春分校工程技術(shù)系，伊春 153000；2.中國(guó)石油大慶石化分公司； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué))

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一種便攜式人體自動(dòng)輸液泵輸液系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

張旭1，郭偉忠2，趙學(xué)增3

(1.黑龍江大學(xué) 伊春分校工程技術(shù)系，伊春 153000；2.中國(guó)石油大慶石化分公司； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué))

摘要:設(shè)計(jì)了一種針對(duì)便攜式自動(dòng)輸液泵輸液速度的自動(dòng)控制系統(tǒng), 系統(tǒng)由輸液速度檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)控制電路組成，采用DSP作為微控制器，根據(jù)自動(dòng)測(cè)量輸液管壓力，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)精確控制輸液速度, 提高了便攜式自動(dòng)輸液泵定量輸液的精度、安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)輸液泵；便攜式；DSP;輸液速度;觸力傳感器

引言

對(duì)于野外、戰(zhàn)場(chǎng)以及緊急救護(hù)等特殊場(chǎng)合，由于普通輸液方法需要形成液位差，因而輸液中移動(dòng)不方便；對(duì)于老人、兒童等特殊病人和癌癥、糖尿病等特殊病癥，醫(yī)療上對(duì)輸液量和輸液速度有著嚴(yán)格要求。便攜式人體自動(dòng)輸液泵的開(kāi)發(fā)，可以取代傳統(tǒng)利用重力輸液的方式，并能夠滿足上述需要。

圖1　輸液速度紅外檢測(cè)原理示意圖

為了提高輸液的定量精度、可靠性和安全性，醫(yī)用輸液泵必須擁有輸液速度和輸液量的檢測(cè)功能，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液器的運(yùn)行狀況。目前，普通輸液泵大都采用紅外光電傳感器檢測(cè)輸液速度，如圖1所示，利用紅外發(fā)光二極管器作為發(fā)射端，光電晶體管作為接收端。當(dāng)?shù)我郝湎聲r(shí)，接收端就會(huì)感應(yīng)到光線強(qiáng)度的變化，并將此改變反饋在電流變化上，通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓變化，利用A/D轉(zhuǎn)換器或電壓比較器判斷是否有液滴落下，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可轉(zhuǎn)換為輸液速度或輸液量。

紅外光電傳感器檢測(cè)輸液速度具有體積小、靈敏度高、線性度好和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但檢測(cè)過(guò)程中滴壺要求保持豎直狀態(tài)，否則不能保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因而不能應(yīng)用在便攜式的輸液泵上。本文的便攜式輸液泵采用一種閉環(huán)輸液速度控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速度的控制。通過(guò)輸液速度的檢測(cè)，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，得到所需的輸液速度，從而實(shí)現(xiàn)輸液速度和輸液量的精確控制。

1便攜式輸液泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文建立的便攜式輸液泵系統(tǒng)包括控制核心、動(dòng)力裝置、檢測(cè)裝置、報(bào)警裝置、輸入及顯示和電源管理裝置，如圖2所示。

圖2　輸液泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2輸液泵動(dòng)力裝置

2.1硬件組成

系統(tǒng)控制核心采用美國(guó)TI公司的運(yùn)動(dòng)控制芯片TMS320LF2407A，泵體采用蘭格的擠壓式DG-1滾輪式蠕動(dòng)泵，如圖3所示。動(dòng)力源選擇艾克斯的42BYGH404型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用L297/L298N構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng)器。

圖3　DG-1蠕動(dòng)泵

DG-1蠕動(dòng)泵采用10滾輪結(jié)構(gòu)，適用軟管的內(nèi)徑，管壁厚一般為0.8～1 mm,最大流量為32 ml/min。

42BYGH404型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角為1.8°，按照通電順序的不同，可以有單四拍、雙四拍和八拍工作方式。如果步距角為1.8°，則轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生振蕩，影響輸液效果。因此設(shè)計(jì)中選擇8拍工作方式，即L297處于半步工作模式，如圖4所示，此時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖4　L297變換出的8步格雷碼(半步工作模式)

TMS320LF2407A微控制器共需要輸出6個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，如圖5所示。其分別是驅(qū)動(dòng)脈沖輸入引腳SM_CLK、異步復(fù)位信號(hào)引腳SM_RST、轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制引腳CW、工作方式控制引腳SM_MODE、斬波控制的參考電壓輸入引腳DAC_VREF2、驅(qū)動(dòng)脈沖輸出允許引腳SM_EN。L297只需要從DSP接受脈沖、方向和模式輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)脈沖分配。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)42BYGH404。

輸液時(shí)，需要將SM_RST先置0，再置1，使脈沖分配器回到復(fù)位狀態(tài)(HOME狀態(tài))；將SM_EN置1，允許L297輸出；置CW為0或1，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向，因?yàn)樵趯?shí)際輸液過(guò)程中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不會(huì)改變運(yùn)行方向，可以考慮將該引腳直接接到邏輯電壓或是接到地上；通過(guò)SM_CLK發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度。

2.2算法及軟件開(kāi)發(fā)

便攜式輸液泵系統(tǒng)以20 gtt/ml計(jì)算，輸液泵的輸液速度范圍為1～200 gtt/min(0.05～10 ml/min)； 輸液量范圍為1～999 ml。

在理想情況下，當(dāng)輸液管直徑一定時(shí)，輸液速度與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，即與單位時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)目成正比?？紤]普通輸液泵的輸液速度和輸液量都是以滴為最小單位，則只需算出一滴對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目，就可以得到不同輸液速度對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目(或者說(shuō)是脈沖頻率)。

設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為θS，輸液泵系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為δ，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每運(yùn)行一步輸液泵輸出藥液的體積，則

其中，S為輸液管的橫截面面積；D0為轉(zhuǎn)輪工作直徑。

設(shè)驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目為N(N=1，2，3…)時(shí)，輸液泵輸出的藥液體積V為1 gtt(等價(jià)于0.05 ml)，則：

本文取步距角θS=0.9°,轉(zhuǎn)輪工作直徑D0=42 mm,輸液管的外徑取3.2 mm，則橫截面面積S=8.038 mm2，N=19，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走19個(gè)步距，輸液泵輸出藥液體積為0.05 ml，每步距輸出0.00 263 ml=2.63 μl。

輸液器的最大輸液速度為200 gtt/min(10 ml/min)，可算出輸液時(shí)每分鐘內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖的最大數(shù)目Nmax為:

Nmax=200N=3 800

通過(guò)鍵盤(pán)可以以藥液流量和輸液滴速兩種方式設(shè)置輸液速度，由于程序中的最小單位為滴，所以首先將藥液流量方式下設(shè)置的輸液速度轉(zhuǎn)換為輸液滴速，則藥液流量V_M(ml/min)的輸液滴速當(dāng)量G_M(gtt/min)為：

G_M=20V_M

根據(jù)上面的推導(dǎo)，對(duì)于設(shè)定的輸液滴速當(dāng)量G_M，需要在每分鐘內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目為19G_M，可推得微控制器TMS320LF2407A定時(shí)器1產(chǎn)生周期中斷的周期寄存器T1PR值為：

圖5　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

在1～200 gtt/min的輸液速度范圍內(nèi)，定時(shí)器1產(chǎn)生周期中斷的周期寄存器T1PR的范圍應(yīng)為：1 578 948～7 895 μs。TMS320LF2407A取CLKIN為10 MHz，CLKOUT為4×CLKIN=40 MHz，Timer1為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，預(yù)分頻值為64，定時(shí)器時(shí)鐘為0.625 MHz，最大的定時(shí)周期為104 856 μs。因此程序中設(shè)置一個(gè)全局變量count，如圖6所示。每次執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)對(duì)變量count加1計(jì)數(shù)，并判斷是否達(dá)到設(shè)置的計(jì)數(shù)累計(jì)時(shí)間，若沒(méi)有達(dá)到累計(jì)時(shí)間，則等待下一次中斷，并重復(fù)判斷過(guò)程。

圖7　輸液速度檢測(cè)電路原理圖

當(dāng)設(shè)定好輸液速度后，DSP會(huì)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的裝載初值存入周期寄存器T1PR中，并把計(jì)數(shù)寄存器T1CNT清零，按下“運(yùn)行”鍵后，定時(shí)器便從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到溢出產(chǎn)生周期中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，計(jì)數(shù)寄存器T1CNT重新賦零，清除定時(shí)器1周期中斷標(biāo)志，count計(jì)數(shù)到時(shí)，使信號(hào)SM_CLK的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，然后等待下一次中斷，則SM_CLK所在引腳按照一定周期產(chǎn)生占空比為1/2的PWM脈沖。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在該P(yáng)WM負(fù)脈沖信號(hào)的上升沿向前步進(jìn)一個(gè)步距角度。

3輸液速度閉環(huán)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

輸液速度檢測(cè)電路由美國(guó)HONEYWELL公司的小型觸力傳感器FSS1500NST、ADI公司的微功耗集成儀表放大器AD623、微功耗電壓基準(zhǔn)源ADR361等元件組成。輸液速度檢測(cè)電路原理如圖7所示。

FSS1500NST使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的精制壓電硅電阻傳感元件，具有精密可靠的力傳感性能。具有小功率、無(wú)放大、無(wú)補(bǔ)償特點(diǎn)的惠斯通電橋電路設(shè)計(jì)，該傳感器通過(guò)不銹鋼球，將施加的觸力直接集中到硅傳感元件上，電阻值隨施加力而變化，可在測(cè)力范圍內(nèi)提供穩(wěn)定mV級(jí)輸出信號(hào)。其主要參數(shù)如下：

工作力為0～1 500g，零位偏置為0 mV，靈敏度為0.12 mV/g，輸入電阻為5.0 kΩ，輸出電阻為5.0 kΩ。

惠斯通電橋就是利用壓電電阻的高級(jí)觸力傳感器,這個(gè)結(jié)構(gòu)可以測(cè)量橋式電路兩臂平衡時(shí)其中一個(gè)臂上的未知電阻，如圖7所示的壓電電阻R1。激勵(lì)電壓或激勵(lì)電流被施加于橋上，施加到壓電元件的壓力可以改變?cè)撾娮?，因此產(chǎn)生電壓變化。原理如下：

取R1=R2=R3=R4時(shí)，被測(cè)量使電阻R1產(chǎn)生一個(gè)ΔR1，得到：

圖6　輸液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

AD623提供軌到軌滿電源幅度輸出，采用單電源(+3～+12 V)或雙電源(±2.5～±6 V)供電；它可以測(cè)量差分電壓，最大工作電流僅為85 mA，非常適合電池供電的便攜式設(shè)備；具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移與低增益誤差等特點(diǎn)，從而使誤差最?。辉贏D623的參考引腳施加低阻抗電壓源可以改變輸出電壓；增益通過(guò)一只外接電阻可方便地調(diào)節(jié)。無(wú)外接電阻RG時(shí)，被設(shè)計(jì)為單位增益(G=1)，接入電阻RG時(shí)，增益可高達(dá)1000.計(jì)算公式為:

RG=100 kΩ/(G-1)

ADR361提供穩(wěn)定的2.5 V輸出電壓。經(jīng)過(guò)放大的輸出信號(hào)加上基準(zhǔn)電壓2.5 V,作為模擬信號(hào)Uo輸出到DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADR361使信號(hào)Uo處于DSP的有效輸入范圍內(nèi)。

由于輸液泵是靠輸液管擠壓進(jìn)行輸液，不可避免存在脈動(dòng)問(wèn)題，測(cè)得的輸液管壓力隨之存在脈動(dòng)。DG-1蠕動(dòng)泵有10個(gè)滾輪，步進(jìn)電機(jī)8拍方式工作，步距角為0.9°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)360°需要400個(gè)脈沖，輸液管脈動(dòng)頻率為40個(gè)脈沖。設(shè)計(jì)中采用每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步的同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,40次A/D轉(zhuǎn)換的值取算術(shù)平均值作為一個(gè)脈動(dòng)周期的壓力值。以所設(shè)置輸液速度的壓力值為基準(zhǔn)，當(dāng)壓力或高或低時(shí)對(duì)TMS320LF2407A定時(shí)器1周期中斷的周期寄存器T1PR的預(yù)置值進(jìn)行調(diào)整，改變PWM脈沖的周期，以上下調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，使輸液始終穩(wěn)定為所設(shè)置的輸液速度。

4輸液速度實(shí)驗(yàn)

初次使用或更換輸液管時(shí)，應(yīng)利用量杯先校準(zhǔn)輸液泵的精度,根據(jù)精度值789.5 μs/ml修正步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的定時(shí)范圍7 895～1 578 948 μs。

為盡量減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在測(cè)試時(shí)的誤差，分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，對(duì)獲得的3組數(shù)據(jù)取平均值，同時(shí)為判斷3次測(cè)量結(jié)果波動(dòng)情況，計(jì)算了3次測(cè)量結(jié)果中最大值和最小值的差值，結(jié)果如表1所列。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，輸液速度誤差基本可以控制在3%的范圍內(nèi)，同時(shí)，3次測(cè)量的輸液速度基本保持一致，說(shuō)明輸液的穩(wěn)定性較好。

結(jié)語(yǔ)

表1　測(cè)得的輸液速度數(shù)據(jù)

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張旭(碩士)，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與自動(dòng)化控制。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-08-06)

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Infusion System of Portable Human Body Automatic Infusion

Zhang Xu1,Guo Weizhong2,Zhao Xuezeng3

(1.Department of Engineering Technology,Heilongjiang University Yichun Branch,Yichun 153000,China;

2. PetroChina Daqing Petrochemical Company;3.Harbin Institute of Technology)

Abstract：An automatic infusion speed control system of portable automatic infusion pump is designed,which consists of the infusion speed detection circuit and the drive control circuit.It takes DSP as the controller.Through adjusting the stepper motor to precisely control the infusion rate according to measuring the infusion tube pressure,the design improves the security and reliability of the portable automatic infusion pump.

Key words:automatic infusion pump;portable;DSP;infusion rate;contact force sensor

中圖分類(lèi)號(hào):TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A