一種便攜式人體自動(dòng)輸液泵輸液系統(tǒng)的開發(fā)

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。

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。

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。

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)。

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。考慮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。