基于嵌入式的術后引流負壓吸引器的設計

吳 曠，戴紹港，林大凱

（杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018）

由于很多病人手術后臟器創口沒有得到有效的愈合，此時會在腹腔內積累各種液體。最為常見的就是在臨床中，為了保證腸道患者在術后能盡快康復，就需要將來自胃的低PH值的消化液借助引流設備排出體外[1]。目前國內外市場上通常使用一次性負壓吸引袋[2]或機械式吸引器將體液引流至體外。但是這種方法產生的負壓并不穩定，吸引的壓強可能會有較大的變化，導致負壓吸引的效果不理想。同時一次性負壓吸引袋的后期垃圾處理較為復雜，如果處理不當，易造成較大污染。最重要的是，傳統方式氣密性不理想，容易造成倒灌而造成患者的二次感染。

相比之下，嵌入式系統通過檢測體內腔壓的方式控制引流，能動態控制負壓大小，也能實時監控病人的體液的各種參數，穩定性好。同時具有自動清洗的功能，操作便捷。并能在液晶顯示屏上顯示有好的界面，實時更新病人排出體液的PH值、體積、流速、質量等參數。同時，本系統提供了友好的操作界面。醫護人員可以通過選擇不同的手術類型設置負壓引流的類型。為了保障病人的安全，該系統還能檢測異常情況，產生報警信號，并及時將報警信息通過網絡傳遞至急救中心。

1 系統設計原理

術后引流負壓吸引器整體上是利用氣壓檢測模塊檢測體內腔壓，并使用兩級電磁閥及薄膜泵的組合動態控制體內腔壓，流速等關鍵性能指標。

滅菌緩沖接口：將通過該接口的病人腔內液體做前級滅菌、過濾及隔離處理。

氣壓檢測模塊：通過測量檢測容器內的氣壓得出與管子連通的病人體內的壓強。

緩沖容器：用于裝載一個周期時間內病人分泌的體液。這一級緩沖主要用于對當前流量的進行檢測。該容器裝載在重力檢測模塊上，能精確測量緩沖容器前后的質量變化，并由此得出排出液的質量。再利用人體體液參數計算出病人排出的體液的體積。

緩沖容器所接的氣囊：用于防止容器的內壓過大。

薄膜泵：一種離心水泵，適用于輸送高腐蝕、固液兩相介質，也是目前世界上最為先進的料漿輸送設備[3]。由于病人術后的體內廢液可能會有較為復雜的成分（如滲漏的消化液），有時會有較低的pH值，因此薄膜泵是本系統最好的選擇。

電磁閥：具有良好的氣密性，可以防止微漏，起到第二重保護作用，在薄膜泵完全開啟并開始工作之前，可能會瞬時出現后級的壓強暫時大于前級的壓強的情況，使用電磁閥可以防止后級的液體倒灌到前級進入病人的體內，有效保障了病人的健康。

圖1 負壓吸引器整體結構圖Fig.1 Structure of negative pressure aspirator

吸收容器：含有弱堿性吸收劑，可以有效吸收來自緩沖容器的體液并中和酸性。

2 系統硬件設計

負壓吸引器系統主要由機械引流模塊、功率驅動電路、傳感器檢測模塊、電源管理模塊、人機交互模塊、報警模塊與主控模塊構成。其系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖Fig.2 Structure of the system

2.1 機械部分設計

主要由薄膜泵、電磁閥、計量集液瓶（緩沖容器）、支架和連接導管構成。

根據現有科研數據，腸胃道術后對患者進行負壓引流時最佳負壓大小為－7～－5 kPa[4]，系統使用容器截面積約為24 cm2，使用PO9A12R型薄膜泵，可實現至少－7 kPa的負壓。電磁閥采用BOSUN－2W250－25－DC12V型電磁閥，具有良好的氣密性。經測試，采用這兩款薄膜泵和電磁閥能夠實現最高8 mL/s抽取速度，完全能夠滿足對病人體液的抽取。

2.2 功率驅動部分設計

負責執行主控模塊對機械部分薄膜泵和電磁閥的控制。同時也起到了對控制模塊和機械模塊之間的隔離作用，防止強電串擾至弱電毀壞控制電路。使用4個NPN型MOS管IRF3205（Vdss=55 V，導通電阻 Rds=0.8 mΩ，極限電流 80 A）驅動薄膜泵和電磁閥并使用IR4427實現主控模塊對MOS管的驅動。

2.3 傳感器檢測部分

由稱重傳感器、表壓傳感器、pH值傳感器等傳感器件構成，主要完成對病人腔壓、負壓吸引器產生的負壓、體液的抽取速度、以及其它醫學參數（如體液的pH值等）的測量。

稱重傳感器設計：壓力應變片內部電橋阻值分布能夠根據外部壓力的大小而線性變化[5]。采用20 kg壓力應變片與信號調理電路實現。變化范圍僅有50 μV左右。首先使用精密儀放INA118構成前級信號放大，將信號放大5 000倍，再用通用運放LM358對信號做進一步放大和電平調整，使所稱重量在0～100 g間變化時輸出電壓范圍為0.2～2.5 V，方便主控模塊使用AD采樣。

氣壓傳感器設計：氣壓傳感器用于對負壓吸引器產生的負壓進行精確測量，使用亞科電子科技公司的TTP501型氣壓傳感器，一種橋式硅壓阻器件[6]，其壓力測量范圍為0～120 kPa，工作電流為 0.3 mA，輸出電壓范圍為 0.5～3 V，精度高于1%。利用此傳感器可以實現對負壓的精確測量。

圖3 功率驅動電路Fig.3 Driving circuit

圖4 稱重傳感器電路Fig.4 Gravity sensing circuit

圖5 氣壓傳感器電路Fig.5 Baroceptor circuit

pH值傳感器設計：體液pH值為醫學中的重要參數，對pH值的精確測量可以有效監控患者的體內代謝狀況。使用有高電壓PMOS管和高壓二極管優點的運放CA3140組成雙高阻差分輸入電路以減小共模信號的干擾。輸出電壓：V0=（1+2R4/Rg）·（R3/R2）·（V2-V1）。

同時應用DS18B20數字溫度傳感器結合軟件的設計完成溫度補償以提高測量精度。pH計的功耗約100 mW。測量精度[7]可達±0.01 pH。

圖6 pH傳感器電路Fig.6 pH value sensing circuit

2.4 控制部分

人機交互模塊：用于用戶指令的輸入，顯示所測量的體內體液參數。顯示模塊使用諾基亞5110液晶顯示屏實現，與主控模塊之間的通信通過SPI接口實現，具有功耗低、控制簡便等優點。

異常報警模塊：主要由有源蜂鳴器及一個NPN型三極管8050構成。當主控模塊輸出報警信號時，給8050基極施加高電平，有源蜂鳴器發出洪亮的報警聲，提示醫護人員進行相應操作。

主控模塊：主要以STM32為核心，完成本系統的數據分析、功能控制、顯示及針對系統數據的反饋處理。STM32 F103是一款32位單片機，AD數據采集的精度極高。具有2個12位AD轉換器（16通道）以及6路PWM輸出和7個定時器，足以實現對各功能模塊的自動控制、信號采集和處理[8]。

3 系統軟件設計

本系統軟件開發是基于Keil for ARM的開發環境下完成的。主要使用C語言編寫。軟件包括各個模塊的底層驅動及數據的采集和處理。系統軟件流程圖如圖7所示。

系統上電初始化，使用定時中斷方式掃描按鍵輸入，并定時在液晶顯示屏上更新顯示當前的瓶內氣壓、總流量、平均流速、pH值等參數。這部分程序在中斷函數中，已在主體部分流程圖中省略。

圖7 系統軟件流程圖Fig.7 Software diagram of system

系統工作之前先由醫護人員選擇臟器手術類型，系統會據所需的負壓引流的門限壓強每30 s檢測一次檢測容器的氣壓，并動態控制薄膜泵引流體液，以保證瓶內穩定的負壓。當瓶內的氣壓大于門限氣壓時，系統依次打開薄膜泵1和電磁閥1，以防止瞬間的倒灌現象。

當液體被抽到緩沖容器中后，STM32使用12位AD采樣稱重傳感器模塊輸出的信號并計算得出每次注入的體液的質量，并計算體液所占的體積。最后，控制后級的薄膜泵2和電磁閥2將稱量后的體液注入吸收容器之中。并累加計算吸收容器吸收的液體體積，能及時提醒醫護人員及時更換后級的吸收劑。

4 系統測試

4.1 氣壓傳感器壓力測試

引流的壓力測試結果如表1所示。

4.2 液位流量測試

引流的流量測試結果如表2所示。

綜上可見：壓力測試模塊的平均誤差為0.52%，滿足設備的要求。

流量檢測模塊的平均誤差為1.9%，滿足設備的要求。

表1 引流的壓力測試結果Tab.1 Drainage pressure measuring result

表2 引流的流量測試結果Tab.2 Drainage flow rate measuring result

5 結 論

為了能夠使手術后病人能夠更加安全、方便地排出體液，文中設計實現了“基于嵌入式的術后引流負壓吸引器”。該系統能夠智能設定負壓大小并同時在抽取體液的過程中對病人的人體狀態進行必要的檢測。對抽取的體液在流量、重量、pH值等方面進行精確控制和測量，使得體液抽取工作具有可靠性高，實現方便、使用方便等優點。具有較為廣闊的應用前景。

[1]Drobner V L，Safonova K G，Soldatin V F.Electrical aspirator for drainage[J].Biomedical Engineering，1973（5）：50-53.

[2]項艷萍.一次性負壓吸引器固定帶的設計與應用[J].當代護士，2005（12）：2.

XIANG Yan-ping.The design and application of disposable negative pressure aspirator fixing strap[J].Contemporary Nurse，2005（12）：2.

[3]張洪生，解海，師秦曉.GMB200-2.5往復式隔膜泵的PLC控制系統[J].排灌機械，2007，25（4）：54-56.

ZHANG Hong-sheng，XIE Hai，SHI Qin-xiao.PLC control system of the GMB200-2.5 of reciprocating diaphragm pump[J].Drainage and Irrigation Machinery，2007，25（4）：54-56.

[4]朱開梅，曹玉剛.腸胃手術后腸胃減壓負壓吸引器的最佳壓力值研究[J].護理學雜志，2009（7）：7-8.

ZHU Kai-mei，CAO Yu-gang.Pressure for disposable vacuum aspirator in nasogastric decompression after gastrointestinal operation[J].Journal of Nursing，2009（7）：7-8.

[5]祁樹勝.應變片測量的誤差分析[J].西安航空技術高等專科學校學報，2003，21（3）：6-7.

QI Shu-sheng.Error analysis on strain gauge measurment[J].Journal of Xi’an Aviation and Technical College，2003，21（3）：6-7.

[6]祝宇虹，紀軍紅，孫寧.橋式硅壓阻器件在氣壓測量中的應用[J].傳感器技術，2005，24（5）：74-76.

ZHU Yu-hong，JI Jun-hong，SUN Ning.Application of silicon bridge piezoresistive element in air pressure measurement[J].Journai of Transducer Technoiogy，2005，24（5）：74-76.

[7]許國忠，饒連周.基于單片機ADuC845的pH計的設計[J].三明學院學報，2009，26（2）：168-171.

XU Guo-zhong，RAO Lian-zhou.Design of the pH meter based on SCM-ADuC845[J].Journal of SANMING University，2009，26（2）：168-171.

[8]GUO Zhi-tao，YUAN Jin-li.Design of Ocean Intelligent Sensor Based on STM32[C]//IEEE International Conference on Test and Measurement，2009.