半擠壓式智能輸液泵的設計與研制

張 彬，李海云

（首都醫科大學 北京 100069）

靜脈輸液通過靜脈輸入藥液來向受體給藥以達到治療疾病的目的。傳統吊瓶輸液需保持輸液器與受體液位差所提供的壓力向受體輸入液體[1]。所以在受體移動時輸液十分不便利[2]。另外，普通輸液器在輸液過程中可能會出現氣泡、阻塞、不能及時關斷輸液通路等故障造成不良后果。臨床上靜脈輸液需要根據藥物和患者年齡病情等配以適當的輸液速度，而傳統靜脈輸液依靠人工觀察無法精確地控制輸液速度，工作量大。因而本文設計并研制了一種半擠壓式智能輸液泵，它可以精確控制輸液量和輸液速度，并能夠檢測氣泡、阻塞、輸液完成，保證輸液過程的安全性和可靠性。

1 輸液泵原理

輸液泵依靠外界機構擠壓具有彈性的輸液管來完成流速控制，按泵機構分類可以分為指狀蠕動泵、盤狀蠕動泵、彈性輸液泵以及新近出現的活塞式輸液泵等。指狀蠕動泵和盤狀蠕動泵都是靠步進電機帶動擠壓輪擠壓輸液管，使液體以一定的方向和速度流動[3-4]。彈性輸液泵利用合成橡膠的彈性擠壓作用把藥液連續或間斷地輸入到人體。

本文研制的半擠壓式智能輸液泵原理上是一種活塞式輸液泵，工作時由步進電機帶動凸輪軸轉動，使擠壓滑塊按照一定規律上下往復運動擠壓輸液管讓藥液以一定的速度定向流動，凸輪軸轉速與流速基本呈線性關系。因此，控制凸輪軸的轉速就可以精確控制藥液流速。它無交叉污染，重量輕，定量準確，具有流速范圍寬、輸液管安裝方便、使用簡便等突出優點。半擠壓式智能輸液泵的外形如圖1所示。

圖1 半擠壓式智能輸液泵外形圖Fig.1 The appearance of the infusion pump

2 輸液泵結構設計

2.1 總體結構

活塞輸液泵由泵體機械結構、控制硬件和控制軟件三大部分組成。泵機構被各個控制硬件圍繞，包括步進電機驅動單元、檢測單元、人機交互單元和智能電池單元。步進電機是一個自帶最大8細分脈沖分配驅動的步進電機驅動芯片。檢測單元通過傳感器等實現監測功能。人機交互單元配有液晶顯示屏和鍵盤，實現用戶與控制程序之間的人機交互。其機械結構簡圖如圖2所示。

圖2 輸液泵機械結構簡圖Fig.2 The mechanical structure of the infusion pump

因而，本輸液泵具有如下功能：精確測量和控制輸液量；精確測量和控制輸液速度；液流線性度好，產生脈動小；能對氣泡、空液、漏液、溫度和輸液管阻塞等異常情況進行監報警，并自動關斷輸液通路；能夠實現自動化控制，只要設定好運行參數，就可以自動根據參數進行輸液。

2.2 驅動控制硬件

驅動控制硬件主要分為三大組成部分，即：

1）控制主板：以8bit單片機為核心，包括控制液晶屏、鍵盤等硬件等，完成人機交互界面，接收用戶的指令信息，控制電機帶動凸輪軸轉動實現輸液的流速要求，實現輸液泵的主要控制功能。

2）傳感器：包括檢測氣泡傳感器、管路阻塞傳感器、開關門傳感器和溫度傳感器。開關門傳感器是一個單簧管，用來實現泵門開關的檢測。溫度傳感器用來檢測藥液溫度。

3）步進電機驅動板：以A3977為核心，實現步進電機的斬波8細分驅動。

2.3 超聲波氣泡檢測

輸液管路氣泡傳感器使用超聲波進行氣泡檢測。在兩種不同的介質界面上，超聲波的能量會被反射和透射，反射和透射的程度與介質的聲特性阻抗有關[6]。由于輸液管是圓柱形的，我們選用透過方式進行檢測。沒有氣泡時，超聲波換能器的發射端發出超聲波大部分能量穿過輸液管及藥液到達接收端，轉換成與發射頻率同頻的微弱電信號。如果輸液管中有氣泡，超聲波會在氣泡和液體的界面發生反射，使得能量有一部分衰減，微弱電信號就會減小，其程度及時間與氣泡大小、形狀和氣泡多少有關[7]。因而超聲波傳感器可以檢測出輸液管路中的氣泡。

2.4 管路壓力傳感器

輸液泵的壓力傳感器實際上是一個典型的懸臂梁結構，其上貼有應變片組成電橋，以檢測出懸臂梁的彎曲變化量。此懸臂梁的末端通過接觸塊兒與彈性輸液管接觸，接觸后有一定的預壓緊量。而后，當輸液管中液體的壓力變化時就會帶動懸臂梁向上運動一個位移，應變片隨即發生變化造成電橋平衡進一步打破，通過單片機的A/D口采集到此變化量，進而求得輸液管路壓力的變化。

2.5 控制軟件

控制軟件通過編程實現了流量—流速模式、容積時間模式、毫克體重模式等幾種輸液方式，以及流速標定、參數標定等功能。它是依據輸液泵的操作流程設計的，各模塊需要按照主控模塊的控制來工作[8]。軟件實現了處理用戶鍵盤輸入以及根據當前操作所處狀態在LCD上顯示相關信息等功能，圖形用戶界面可降低輸液泵的使用出錯率[9]。

整個軟件流程從進入到某一選定的輸液模式的參數輸入界面后開始，在用戶確認輸入完輸液參數后，程序內部自動計算，導出相關的參數，并根據輸入的參數判斷輸入是否正確，不正確則重新輸入，正確就開始按照計算出的參數驅動電機開始輸液。在開始正常輸液后，程序要不斷的檢測電池電量、管路溫度、管路氣泡、管路壓力等，看是否有異常，若有則停止當前的輸液過程，進入到異常處理的流程。輸液完成與否通過實際的已用時間和理論的輸液時間的大小來判斷。當實際的輸液時間大于或等于理論時間時，進入到輸液完成處理流程，輸液完成時，電機繼續以較低速度轉動，同時蜂鳴器響提示用戶輸液完成。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 輸液泵軟件流程圖Fig.3 The software flow chart of the infusion pump

3 輸液泵流速控制

活塞式輸液泵的輸液流速精度與輸液管的截面積、輸液管彈性以及凸輪軸的轉速等有關。擠壓凸輪是一個偏心圓凸輪，它能使得擠壓滑塊以余弦規律擠壓彈性輸液管路。活塞式輸液泵不會將輸液管完全壓扁，它的最大擠壓位置距離極限位置1 mm左右，因而稱這個輸液泵是半擠壓式的。

輸液管被壓縮后恢復形狀需要一定的時間，當凸輪軸轉速大于臨界轉速n0時，輸液管的變形還沒有完全恢復，滑塊又開始擠壓輸液管，轉速繼續提高后每轉的擠壓液體量反而會降低。將輸液管完全擠壓后釋放進行輸液管回彈實驗，結果表明輸液管回彈時間Tr可以簡化為0.1 s。因此凸輪軸的臨界轉速為：

理論上凸輪軸每轉一周所擠壓的液體量V=0.06 ml/r，則臨界輸液流速為：

在此流速下流速與凸輪軸的轉速基本呈線性關系。

輸液泵的凸輪軸是由步進電機進行驅動的，因而輸液速度與驅動步進電機的脈沖頻率有關。驅動脈沖信號用單片機定時器的定時中斷功能產生，通過設定定時器初值可得到所需頻率的驅動脈沖信號。步進電機的步距角為1.8°/step，因此凸輪軸轉動一周需要微處理器8細分后發1 600個脈沖。單片機的定時器具有不同的分頻，應當和電機的轉速與精度相匹配[5]。經過一系列推導，不同分頻時的流速上限Vm，x為不同分頻時的常數，其單位為ml/h。計算結果為：

所以規劃流速1分頻時流速區間為20～1 200 ml/h，256分頻時流速區間為0.1～20 ml/h。

4 測試實驗與結果

將設計好的輸液泵實際運行一定時間測量實際的流量，并計算出理論流量與實際流量進行比較，結果如表1所示。

表1 實驗結果Tab.1 The experiment results

從實驗結果可以看出，本文設計的半擠壓式智能輸液泵輸液流速誤差很小，流速控制精確，能夠滿足精度要求。

5 結 論

半擠壓式智能輸液泵能精確控制藥液的輸液量和輸液速度，能對輸液過程中出現的氣泡等異常情況進行監測報警，同時及時自動關斷輸液通路。使用半擠壓式智能輸液泵避免了傳統輸液方式的諸多不便，可以大大減少人力資源的浪費。下一階段將會對輸液泵進行改進：功能上，要實現既可以靜脈輸液，又能輸血、輸送腸道營養液等；成本上，要降低壓力輸液器耗材的成本，這樣才能使輸液泵得到的更加廣泛的應用。此外，在流速穩定性和噪聲控制等方面也值得深入研究。

總之，半擠壓式智能輸液泵能有效防止輸液事故的發生，有助于減輕醫護人員的工作強度，提高安全性、精確性和工作效率，有廣泛的應用前景，對輸液泵的改進和完善對醫療事業的發展具有重要意義。

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