一種便攜式人體自動輸液泵輸液系統的開發

張旭，郭偉忠，趙學增

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

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一種便攜式人體自動輸液泵輸液系統的開發

張旭1，郭偉忠2，趙學增3

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

摘要:設計了一種針對便攜式自動輸液泵輸液速度的自動控制系統, 系統由輸液速度檢測和驅動控制電路組成，采用DSP作為微控制器，根據自動測量輸液管壓力，通過調整步進電機精確控制輸液速度, 提高了便攜式自動輸液泵定量輸液的精度、安全性和可靠性。

關鍵詞:自動輸液泵；便攜式；DSP;輸液速度;觸力傳感器

引言

對于野外、戰場以及緊急救護等特殊場合，由于普通輸液方法需要形成液位差，因而輸液中移動不方便；對于老人、兒童等特殊病人和癌癥、糖尿病等特殊病癥，醫療上對輸液量和輸液速度有著嚴格要求。便攜式人體自動輸液泵的開發，可以取代傳統利用重力輸液的方式，并能夠滿足上述需要。

圖1　輸液速度紅外檢測原理示意圖

為了提高輸液的定量精度、可靠性和安全性，醫用輸液泵必須擁有輸液速度和輸液量的檢測功能，以便實時監測輸液器的運行狀況。目前，普通輸液泵大都采用紅外光電傳感器檢測輸液速度，如圖1所示，利用紅外發光二極管器作為發射端，光電晶體管作為接收端。當滴液落下時，接收端就會感應到光線強度的變化，并將此改變反饋在電流變化上，通過采樣電阻轉換為電壓變化，利用A/D轉換器或電壓比較器判斷是否有液滴落下，然后通過計數器對液滴進行計數，即可轉換為輸液速度或輸液量。

紅外光電傳感器檢測輸液速度具有體積小、靈敏度高、線性度好和安裝方便的優點，但檢測過程中滴壺要求保持豎直狀態，否則不能保證檢測的準確性，因而不能應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輸液速度控制方法實現對輸液速度的控制。通過輸液速度的檢測，與驅動電機構成閉環控制系統，得到所需的輸液速度，從而實現輸液速度和輸液量的精確控制。

1便攜式輸液泵結構設計

本文建立的便攜式輸液泵系統包括控制核心、動力裝置、檢測裝置、報警裝置、輸入及顯示和電源管理裝置，如圖2所示。

圖2　輸液泵系統結構

2輸液泵動力裝置

2.1硬件組成

系統控制核心采用美國TI公司的運動控制芯片TMS320LF2407A，泵體采用蘭格的擠壓式DG-1滾輪式蠕動泵，如圖3所示。動力源選擇艾克斯的42BYGH404型步進電動機，采用L297/L298N構成步進電動機的脈沖分配器和功率驅動器。

圖3　DG-1蠕動泵

DG-1蠕動泵采用10滾輪結構，適用軟管的內徑，管壁厚一般為0.8～1 mm,最大流量為32 ml/min。

42BYGH404型步進電動機是四相步進電動機，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°，則轉速過低時步進電動機容易產生振蕩，影響輸液效果。因此設計中選擇8拍工作方式，即L297處于半步工作模式，如圖4所示，此時步進電動機的步距角為0.9°，順時針旋轉。

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個控制信號來控制步進電機，如圖5所示。其分別是驅動脈沖輸入引腳SM_CLK、異步復位信號引腳SM_RST、轉動方向控制引腳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、驅動脈沖輸出允許引腳SM_EN。L297只需要從DSP接受脈沖、方向和模式輸入信號，即可實現脈沖分配。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，用來驅動步進電動機42BYGH404。

輸液時，需要將SM_RST先置0，再置1，使脈沖分配器回到復位狀態(HOME狀態)；將SM_EN置1，允許L297輸出；置CW為0或1，選擇步進電動機運行方向，因為在實際輸液過程中，步進電動機不會改變運行方向，可以考慮將該引腳直接接到邏輯電壓或是接到地上；通過SM_CLK發出驅動脈沖，控制電動機運行速度。

2.2算法及軟件開發

便攜式輸液泵系統以20 gtt/ml計算，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，當輸液管直徑一定時，輸液速度與步進電機的轉速成正比，即與單位時間內驅動脈沖的數目成正比。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，則只需算出一滴對應的驅動脈沖數目，就可以得到不同輸液速度對應的單位時間內的驅動脈沖數目(或者說是脈沖頻率)。

設步進電動機的步距角為θS，輸液泵系統的脈沖當量為δ，即步進電動機每運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為轉輪工作直徑。

設驅動脈沖數目為N(N=1，2，3…)時，輸液泵輸出的藥液體積V為1 gtt(等價于0.05 ml)，則：

本文取步距角θS=0.9°,轉輪工作直徑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，步進電動機走19個步距，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)，可算出輸液時每分鐘內驅動脈沖的最大數目Nmax為:

Nmax=200N=3 800

通過鍵盤可以以藥液流量和輸液滴速兩種方式設置輸液速度，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置的輸液速度轉換為輸液滴速，則藥液流量V_M(ml/min)的輸液滴速當量G_M(gtt/min)為：

G_M=20V_M

根據上面的推導，對于設定的輸液滴速當量G_M，需要在每分鐘內產生的驅動脈沖數目為19G_M，可推得微控制器TMS320LF2407A定時器1產生周期中斷的周期寄存器T1PR值為：

圖5　步進電機驅動電路原理圖

在1～200 gtt/min的輸液速度范圍內，定時器1產生周期中斷的周期寄存器T1PR的范圍應為：1 578 948～7 895 μs。TMS320LF2407A取CLKIN為10 MHz，CLKOUT為4×CLKIN=40 MHz，Timer1為連續增計數模式，預分頻值為64，定時器時鐘為0.625 MHz，最大的定時周期為104 856 μs。因此程序中設置一個全局變量count，如圖6所示。每次執行中斷服務程序時對變量count加1計數，并判斷是否達到設置的計數累計時間，若沒有達到累計時間，則等待下一次中斷，并重復判斷過程。

圖7　輸液速度檢測電路原理圖

當設定好輸液速度后，DSP會自動將對應的裝載初值存入周期寄存器T1PR中，并把計數寄存器T1CNT清零，按下“運行”鍵后，定時器便從零開始計數，直到溢出產生周期中斷，進入中斷服務程序，計數寄存器T1CNT重新賦零，清除定時器1周期中斷標志，count計數到時，使信號SM_CLK的電平發生翻轉，然后等待下一次中斷，則SM_CLK所在引腳按照一定周期產生占空比為1/2的PWM脈沖。這樣，步進電動機在該PWM負脈沖信號的上升沿向前步進一個步距角度。

3輸液速度閉環檢測電路設計

輸液速度檢測電路由美國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、微功耗電壓基準源ADR361等元件組成。輸液速度檢測電路原理如圖7所示。

FSS1500NST使用專門設計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、無放大、無補償特點的惠斯通電橋電路設計，該傳感器通過不銹鋼球，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，可在測力范圍內提供穩定mV級輸出信號。其主要參數如下：

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觸力傳感器,這個結構可以測量橋式電路兩臂平衡時其中一個臂上的未知電阻，如圖7所示的壓電電阻R1。激勵電壓或激勵電流被施加于橋上，施加到壓電元件的壓力可以改變該電阻，因此產生電壓變化。原理如下：

取R1=R2=R3=R4時，被測量使電阻R1產生一個ΔR1，得到：

圖6　輸液系統驅動程序流程圖

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備；具有低失調電壓、低失調漂移與低增益誤差等特點，從而使誤差最小；在AD623的參考引腳施加低阻抗電壓源可以改變輸出電壓；增益通過一只外接電阻可方便地調節。無外接電阻RG時，被設計為單位增益(G=1)，接入電阻RG時，增益可高達1000.計算公式為:

RG=100 kΩ/(G-1)

ADR361提供穩定的2.5 V輸出電壓。經過放大的輸出信號加上基準電壓2.5 V,作為模擬信號Uo輸出到DSP進行A/D轉換，ADR361使信號Uo處于DSP的有效輸入范圍內。

由于輸液泵是靠輸液管擠壓進行輸液，不可避免存在脈動問題，測得的輸液管壓力隨之存在脈動。DG-1蠕動泵有10個滾輪，步進電機8拍方式工作，步距角為0.9°，則步進電機轉360°需要400個脈沖，輸液管脈動頻率為40個脈沖。設計中采用每個電機驅動脈沖上升沿到來時，步進電機轉動一步的同時啟動A/D轉換,40次A/D轉換的值取算術平均值作為一個脈動周期的壓力值。以所設置輸液速度的壓力值為基準，當壓力或高或低時對TMS320LF2407A定時器1周期中斷的周期寄存器T1PR的預置值進行調整，改變PWM脈沖的周期，以上下調整步進電機的運行速度，使輸液始終穩定為所設置的輸液速度。

4輸液速度實驗

初次使用或更換輸液管時，應利用量杯先校準輸液泵的精度,根據精度值789.5 μs/ml修正步進電機驅動脈沖的定時范圍7 895～1 578 948 μs。

為盡量減少實驗數據在測試時的誤差，分別進行3次實驗，對獲得的3組數據取平均值，同時為判斷3次測量結果波動情況，計算了3次測量結果中最大值和最小值的差值，結果如表1所列。從實驗數據可以看出，輸液速度誤差基本可以控制在3%的范圍內，同時，3次測量的輸液速度基本保持一致，說明輸液的穩定性較好。

結語

表1　測得的輸液速度數據

參考文獻

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張旭(碩士)，主要研究方向為智能檢測與自動化控制。

(責任編輯：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

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A