全自動多功能遙控造影劑專用泵的設計與應用

胡修玉，李 偉

（1.棗莊科技職業(yè)學院 實驗實訓中心，山東 滕州 277500；2. 滕州市金達煤炭有限責任公司 機電科，山東 滕州 277500）

全自動多功能遙控造影劑專用泵的設計與應用

胡修玉1，李 偉2

（1.棗莊科技職業(yè)學院 實驗實訓中心，山東 滕州 277500；2. 滕州市金達煤炭有限責任公司 機電科，山東 滕州 277500）

造影劑專用泵以單片機為系統(tǒng)控制的核心，來自微動行程開關、傳感器的檢測信號及遙控接收信號，均經單片機判斷處理后，輸出為數(shù)碼管顯示及驅動步進電機等多種控制信號，實現(xiàn)了遠距離隔室遙控。造影劑專用泵具有造影過程中的藥液量兩地顯示，可任意兩地控制起停及造影劑流速快慢等功能，代替了原來完全手動的造影劑注射，減輕了勞動強度，醫(yī)護人員不再受到X射線的直接傷害。

造影劑專用泵；造影劑；造影檢查；X射線

Abstract:Single-chip microcontroller is the core of specialized pump of contrast agent, the received signals from the micromotion travel switch, sensors and the remote control are judged by the single-chip microcomputer, outputted to be the digital display and stepper motor driver control signal, etc.And then it is to achieve a long-distance remote compartment control and to contrast with the volume of liquid in the course of two shows that can be controlled from two places to stop and speed of contrast agent flow rate and other functions.These functions completely replace the original manual injection of contrast agent to reduce the labor intensity, and healthcare workers are no longer subject to the direct X-ray injury.

Key words:appropriative contrast agent pump; contrast agent; contrast examine;X-ray

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課題背景：課題已申報山東省棗莊市科技攻關計劃項目和棗莊科技職業(yè)學院教科研課題立項，并于2009年3月申請國家專利（200920009532.6）。目前醫(yī)院放射科的各種造影檢查，都是醫(yī)生在X射線下人工注射造影劑，對身體造成嚴重輻射，迫切需要對X射線下手推注射的方法進行改進。

應用要點：該設計用智能化設備完全取代人工操作，醫(yī)生在操作間使用遙控器，可實現(xiàn)任意時刻起停、加減速遠距離的隔室遙控注射造影劑，以及兩地藥液量顯示等功能，有效地配合了醫(yī)生對造影部位詳細觀察或拍片的準確操作。

實驗設計：設備在自主研發(fā)過程中，為了符合醫(yī)用的各種嚴格要求，對設計方案進行了多次修改，對單片機程序及控制電路反復地調試，逐步實現(xiàn)了兩地均可顯示藥液量、遠距離隔室遙控，并且收發(fā)信號互不干擾，以及醫(yī)用設備便攜、低能耗、安全可靠等多種功能。

同行評價：本設計使操作者在操作間即可實現(xiàn)整個檢查、造影過程中對造影劑遠距離、高準確性和可靠性的控制。該產品具有較高的推廣應用價值，使用該裝置，既避免了X射線對醫(yī)生的輻射，又能降低勞動強度，減少職業(yè)病的發(fā)生，將產生很大的社會效益和可觀的經濟效益。

目前，醫(yī)院放射科的各種造影檢查，都是在放射室內進行，從一開始的注射造影劑到全程檢查、造影拍片過程，時間長達數(shù)十分鐘。醫(yī)生長期對每個造影病人在X射線下注射造影劑，許多在放射科負責各種造影工作的醫(yī)護人員，工作沒幾年，就患上職業(yè)病，對身體造成了嚴重危害。因此，迫切需要對現(xiàn)在X射線下手推注射造影劑的方法進行更新。

1 目的、特點及應用

造影劑專用泵系統(tǒng)是自主研發(fā)的、以單片機為核心控制步進電機，實現(xiàn)全自動、多功能隔室遙控的造影劑專用泵，代替了原來完全手動的造影劑注射。該系統(tǒng)具有造影過程中的造影劑藥液量動態(tài)兩地顯示，可任意兩地控制起動、停止及造影劑流速快慢，以及各種狀態(tài)聲光報警等特點。操作者在操作間即可實現(xiàn)整個檢查、造影過程對造影劑遠距離、高準確性和高可靠性的控制，減輕了勞動強度，避免了X射線的輻射。

該泵可以廣泛地應用于T形管造影、靜脈腎盂造影、下肢靜脈血管造影、泌尿系逆行造影及新生兒上消化道鋇餐造影等造影劑的注入。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 主機電路

圖 1 主機系統(tǒng)組成方框圖

主機部分(如圖1所示)主要由單片機AT89S52、遙控接收發(fā)射模塊及編解碼電路部分、霍爾傳感器檢測、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示及步進電機驅動電路，以及各種狀態(tài)指示、報警電路及電源電路等組成。各部分的工作原理簡述如下。2.1.1 單片機AT89S52。主機電路以單片機AT89S52[1]為核心，其內部有8K字節(jié)的程序存儲器Flash ROM和256字節(jié)的隨機存儲器RAM，完全能滿足系統(tǒng)的要求，故不需擴展程序存儲器和RAM。單片機AT89S52外部配置了一片存儲容量為512字節(jié)的非易失性存儲器EEPROM AT24C02B[2]，它是具有串行接口的、電可擦除的可編程只讀存儲器，用于存儲控制系統(tǒng)的起始數(shù)據(jù)和斷電后的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)可編程ISP[3](In-System Programming)功能是AT89S52的突出特點之一，用戶可以通過計算機方便地對單片機進行編程、修改和調試。

單片機多功能控制的實現(xiàn)，主要由寫入其內的程序軟件[4]決定，既要對各種關鍵信息、步進電機的檢測信息進行查詢，又要對遙控指令進行識別處理，以及霍爾傳感器[5]輸出的轉動脈沖分析計算等。單片機根據(jù)各種輸入狀態(tài)信息，經軟件處理后，輸出相應的步進電機正反轉，加減速、數(shù)碼顯示及各種狀態(tài)指示、報警等控制信號。

2.1.2 主機遙控接收電路。遙控接收電路由NR230、解碼電路PT2272[6]、反相器CD4069等組成。來自天線的已調編碼信號經NR230接收解調后，得到低頻脈沖串行數(shù)據(jù)信號，輸入至解碼電路PT2272。經解碼電路內部處理比較，若代表地址位的脈沖編碼信號，與遙控器發(fā)射電路中編碼電路PT2262的地址編碼一致，則對應的四路數(shù)據(jù)位之一即有高電平輸出，再經CD4069反相后，輸出對應的低電平加至單片機，以便執(zhí)行單片機軟件設定的步進電機的控制程序。

2.1.3 主機遙控發(fā)射電路。霍爾傳感器檢測的、來自步進電機傳動軸上的轉動脈沖信號，配合注射器推板上的微動行程開關的檢測信號，經單片機AT89S52運算處理后，輸出造影劑總量，以及造影過程中的動態(tài)藥液剩余量的脈沖信號，經遙控發(fā)射電路PT2262編碼后，送至發(fā)射模塊NT230，發(fā)回至手持遙控器，以便觀察、控制造影過程。

2.1.4 鍵盤電路。該單片機系統(tǒng)除采用無線遙控外，還可以通過設備面板按鍵控制。有起動、停止、加、減速鍵，持續(xù)按住加、減速鍵，能夠快速改變造影劑注射速度。手持遙控器也有四個按鍵與此具有相同的功能。

2.1.5 造影劑藥液量兩地顯示及控制電路。造影注射器滑動板上的行程開關，接通瞬時的狀態(tài)信息，經單片機計算處理后，作為造影劑起始藥液總量，經數(shù)碼管顯示，并發(fā)回手持遙控器作藥液量顯示。造影完畢，終點停止用行程開關動作，并由蜂鳴器報警、發(fā)光二極管指示。

2.1.6 輸出驅動電路。驅動電路主要由ULN2803AG組成，ULN2803AG是高耐壓、大電流達林頓陣列集成電路，由八個硅NPN達林頓管組成八路驅動輸出，有較強的驅動負載能力。八路驅動輸出中的四路接至四位數(shù)碼管，其中兩位數(shù)碼管用來顯示造影時間，另兩位顯示造影劑起始總量及動態(tài)藥液剩余量，驅動電路ULN2803AG的另四路輸出驅動步進電機。

2.1.7 步進電機。步進電機是一種將電脈沖信號，變換成相應的角位移或直線位移的精密機電執(zhí)行元件。應用單片機程序軟件，經集成電路直接驅動步進電機，既降低了硬件成本，又提高了控制的靈活性、多功能性、準確性和可靠性。通過控制步進電機的輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機各相繞組的接通順序,可以準確控制位移量、轉速及轉向。

2.2 手持遙控器電路

該電路由遙控發(fā)射和遙控接收兩部分組成(如圖2所示)。

圖 2 手持遙控器組成方框圖

2.2.1 遙控器發(fā)射電路。手持遙控器發(fā)射部分由按鍵矩陣電路、發(fā)射編碼電路、發(fā)射模塊NT230等組成。當接至發(fā)射編碼電路PT2262數(shù)據(jù)輸入端的任何一個鍵按下時，PT2262對應的數(shù)據(jù)位和地址位的狀態(tài)，均轉換成串行數(shù)字編碼脈沖信號。發(fā)射模塊NT230，在編碼集成電路PT2262輸出的串行數(shù)字脈沖信號調制下，產生高頻鍵控調幅信號，通過天線發(fā)射給主機系統(tǒng)。

2.2.2 遙控器接收電路。手持遙控器的接收部分主要由NR230接收模塊、接收解碼電路PT2272及十進制計數(shù)器CD4017等組成，它與主機系統(tǒng)的發(fā)射部分，構成了雙向遙控的第二部分——回收回路。雙向遙控系統(tǒng)采用不同的地址編碼和頻率，它們互不干擾，工作可靠。來自主機系統(tǒng)發(fā)回的動態(tài)造影劑用量的數(shù)字信號，經手持遙控器接收模塊NR230接收、PT2272解碼后，輸入至十進制計數(shù)器CD4017，CD4017的輸出端Q0～Q9驅動相應的LED2～LED11逐個點亮，用來指示逐漸遞減的造影劑量。

3 控制系統(tǒng)的工作過程和實現(xiàn)的功能

3.1 主要工作過程

造影劑準備就緒后，接通電源，系統(tǒng)即進入復位后的準備狀態(tài)。若按動主機面板上的或遙控器上的起動鍵，單片機接收到此控制信號后，在其內部軟件的控制下，開始正常工作，步進電機驅動的推板前行，當碰觸到造影劑注射器針栓時，其上的微動開關動作，此時單片機對霍爾傳感器轉換的傳動軸的轉動信息，進行處理后，即可計算出造影劑的劑量。造影劑的初始總藥液量，以及造影過程中的動態(tài)剩余藥液量信息，一路輸出到數(shù)碼管顯示器顯示，另一路輸入至主機發(fā)射電路，以便發(fā)回至手持遙控器顯示。

遙控器接收到來自單片機的信息后，由10位LED顯示造影過程中的動態(tài)藥液量，以便醫(yī)務人員在操作間及時了解造影劑的用量，并能通過遙控器的操作鍵方便地控制起動、停止及造影劑注入速度的快慢，準確地配合了醫(yī)生對造影部位詳細地觀察和造影拍片等操作。

3.2 實現(xiàn)的主要功能

(1) 整個造影過程，都能在操作間進行遙控控制。醫(yī)護人員不需要在X射線下作任何操作，不會無辜地遭受X射線[7]的輻射，減少或避免了職業(yè)病的發(fā)生。

(2) 檢查或造影過程中，通過遙控器，可任意控制起動、停止及造影劑流速的快慢，有效地配合了醫(yī)生對造影部位的詳細觀察和拍片。

(3) 控制系統(tǒng)的雙向遙控功能，使受控主機的工作狀態(tài)及時回饋至遙控器上，以利進行隨時調控。

(4）遙控操作時，無論是主機，還是遙控器，控制有效時，均有狀態(tài)指示。

(5) 當放射室內的主機數(shù)碼管顯示，由于病人遮擋等原因而影響視線，或者醫(yī)生在操作間不便觀察時，被控主機的狀態(tài)也能通過回饋在遙控器上的顯示信息，及時地進行觀察，給造影、檢查帶來了極大的方便。

(6) 單片機外接具有串行接口的電可擦除、可編程的只讀存儲器，可用于存儲控制系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)，以及正常或意外斷電后的數(shù)據(jù)，以便重新通電后繼續(xù)工作。

(7) 造影注射完畢時，專用泵自動停止，主機發(fā)光二極管、蜂鳴器發(fā)出報警信號，遙控器發(fā)光二極管停止指示。

(8) 電路采用單片機直接經ULN2803AG集成電路驅動步進電機，使系統(tǒng)設計簡單，成本低，工作可靠，達到了準確定位的目的。

(9) 本次造影劑注射結束后，若需再次注射造影劑，按動一次返回鍵，步進電機驅動滑動推板，快速返回至觸碰到起始微動行程開關后，即復位停止，下一次工作即可重新開始。

(10) 電路采用抗干擾技術設計，使設備具有較強的抑制干擾和噪聲能力，給系統(tǒng)可靠工作帶來了保障。

4 結論

本控制系統(tǒng)由于采用單片機為核心的遙控電路，實現(xiàn)了造影過程的多功能控制，既可在主機上進行面板控制，又可遠距離或隔室遙控。在操作間的遙控操作中，不但具有遙控起停、加減速的任意調節(jié)，而且，還具有造影藥液量多少的信息反饋功能。該設備代替了原來完全靠手動的造影劑注射，整個造影過程實現(xiàn)了靈活方便、準確可靠的遙控操作，不但大大減輕了醫(yī)護人員的勞動強度，更重要的是工作人員不再受到X射線的直接傷害，避免了X射線的不良影響，減少了職業(yè)病的發(fā)生。

[1] 張曉斌,陳陽海.電子報(2006年合訂本下)[M].成都:電子科技大學出版社,2006:717.

[2] 李全利.單片機原理及應用技術[M].第3版.北京:高等教育出版社,2009.

[3] 電子報(2004年合訂本上)[M].成都:四川科學技術出版社,2004: 186.

[4] 李光飛,李良兒,樓然苗.單片機C程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[5] 宋文緒.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 電子報(2005年合訂本上)[M].成都:電子科技大學出版社,2005: 285.

[7] 馬延洪.X線物理與防護[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,1999.

Design and Application Research of Fully Automatic Multi-Function Remote Control Contrast Agent Pump

HU Xiu-yu1, LI Wei2
(1. Experimental Training Center, Zaozhuang Vocational College of Science ＆ Technology, Tengzhou Shandong 277500, China;2. Machinery Electrical Department, Jinda Coal Co., Ltd.,Tengzhou Shandong 277500, China)

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.03.007

1674-1633(2010)03-0026-03

2009-07-14

2009-08-15

專利：國家專利(200920009532.6)。

本文作者：胡修玉，副教授。

作者郵箱：hu6789@126.com