輸液氣泡檢測模塊的應用

趙天鋒 易艷輝 夏朝陽

（深圳圣諾醫療設備股份有限公司 廣東省深圳市 518055）

1 引言

輸液廣泛應用于臨床治療，輸液期間，若輸液管的氣泡聚集較多時會合并成大氣泡或氣柱（統稱氣泡），將隨著藥液進入人體，氣泡進入血管內會產生不良后果，甚至危及生命。為此，一般的輸液設備提供了氣泡檢測功能。氣泡檢測的主要方法有：電容法、光電法和超聲波法，其中電容法容易受電路干擾影響，光電法對輸液柱和氣泡的區別不夠明顯，而超聲波法靈敏度高、可靠 。因此本文基于超聲波法，研制了一款輸液氣泡檢測模塊，根據使用要求，該模塊氣泡檢測的閾值可調，能有效監測輸液過程中的氣泡，并提前預警提醒或者聯動設備采取應對措施。

2 超聲波氣泡檢測

2.1 超聲波氣泡檢測的原理

超聲波（頻率高于20KHz的聲波）在均勻介質中直線傳播，但介質變化時，也像光波一樣反射和折射并遵循幾何光學定律，利用超聲波檢測法有多種，比如透射法、反射法、頻率法等，本文選用透射法，根據超聲波在氣體、液體、固體中的吸收和衰減不同，利用透射法來探測超聲波發射和接收換能器之間是否有氣體存在，從而研制氣泡檢測系統。

超聲波探測器在液柱中衰減很小穿透能力強，具有明顯的界面反射和折射現象加之超聲波的高頻特性，便于對超聲波脈沖計數，以判斷氣泡大小和連續液柱的長度。因而基于超聲波的空氣探測器靈敏度高、可靠穩定，還能測出小間隙的連續小氣泡，因此本模塊研究擬采用超聲波法。

2.2 超聲波氣泡檢測的框圖

本輸液氣泡檢測的原理框圖如圖1，包括超聲波發射端、驅動電路、電平轉換電路、超聲波接收端、取樣電路、放大處理、整流濾波、處理單元、輸出、聲光提醒、存儲模塊、通信等等單元模塊，以及檢測對象為輸液管和輸液管內的氣泡。其中箭頭代表電信號控制方向或者流向。處理單元的STM32F0303控制PWM輸出高頻（超聲波頻段）信號，通過電平轉換并經驅動電路，驅動超聲發射端，產生超聲波信號，然后超聲波透射過輸液管，被超聲波接收端（超聲波換能器）接收，當輸液管有氣泡產生時，超聲波接收端信號發生變化，進而經過信號取樣電路、信號放大處理和整流濾波，得到適合處理單元ADC采樣的信號，處理單元采集信號并進行判斷處理。當信號的變化超過某一范圍，則輸出有氣泡產生提醒信號，比如聲光提醒、電平變化、或者通信等。儲存模塊實現數據的儲存，比如設置閾值數據等；通信模塊作為備用模塊，實現設備與遠程監護中心的通信。

2.3 系統軟件工作流程

本輸液氣泡檢測模塊的工作流程如圖2，包括如下步驟：

（1）系統初始化完成，并進入系統自檢模式；

（2）自檢系統OK與否，如果自檢失敗，則給出系統故障報警提醒；

（3）如果系統自檢成功，則進入啟動超聲波發生驅動；

（4）開啟超聲波氣泡監測功能，判斷是否有氣泡發生，當沒有氣泡，則繼續處于氣泡監測狀態；

（5）當有氣泡時，則輸出聲光提醒控制，并輸出有氣泡控制信號；

（6）氣泡監測是否完成，如果未完成，則繼續監測氣泡；

（7）輸液如果完畢，則完成單次監控。

從以上步驟可見，該模塊能實現輸液氣泡的感測、信號處理和聲光等輸出控制功能。

2.4 應用模塊實例

輸液氣泡檢測的模塊實例如圖3，包括U型超聲探頭、信號處理板等：將輸液管裝卡于U型超聲探頭，開啟輸液并開啟氣泡檢測，當有氣泡經過時，檢測模塊輸出聲光報警提醒。

3 驗證

3.1 驗證目標

圖1：輸液氣泡檢測的原理框圖

表1：設備材料信息

圖2：氣泡檢測模塊的軟件工作流程圖

圖3：輸液氣泡檢測模塊

驗證本輸液氣泡檢測的可用性，進而評價其臨床使用的可靠性。

3.2 實驗記錄

本實驗環境為圣諾醫療公司研發實驗室，設備材料信息如表1所列，進行應用研究。

Spearman相關性分析顯示,宮頸鱗癌中PTTG、VEGF-C、VEGFR-3、LMVD均呈顯著正相關(P<0.05)。見表3。

3.3 實驗方法及數據

圖4：速度為100ml/h氣泡波形圖

圖5：速度為1200ml/h氣泡波形圖

實驗方法：用輸液泵控制輸液速度分別為100ml/h、1200ml/h，把輸液管裝夾于U型超聲波探頭檢測裝置。注射器通過輸液口，向輸液管注入少量空氣以制造氣泡，啟動輸液并觀察氣泡流經氣泡檢測裝置時，裝置的聲光提醒信號，用示波器檢測有氣泡時信號的波形，多次測量并記錄確認測量結果。所檢測的氣泡（氣柱約5～10mm）信號波形如圖4和圖5所示，其中圖4為輸液速度100ml/h時的氣泡波形圖，圖5為輸液速度1200ml/h時的氣泡波形圖，此二者波形圖形態相似，但波形的上升沿和下降沿斜率不同，這是因為與輸液速率有關，進一步與氣泡的流動速度有關，氣泡速度越慢波形的上升沿和下降沿的斜率越小，相反，氣泡速度越快波形的上升沿和下降的斜率越大。

驗證結論：

（1）超聲波檢測氣泡靈敏度較高，且可靠穩定；

（2）輸液速度對氣泡檢測的影響不大，只要有氣泡發生，超聲波檢測容易撲捉到；

（3）裝置的靈敏度可調，可根據輸液速度和波形寬度，僅識別超過一定體積的氣泡；

（4）環境溫度差異、輸液管路粗細、輸液速度、實驗環境差異等，檢測波形都可能有差異。

4 結論

本輸液氣泡檢測模塊可以用于許多的輸液氣泡檢測的設備，比如輸液泵、管路的高壓注射器等，該模塊體積比較小、方便集成于設備。研究表明，該輸液氣泡檢測能滿足臨床的應用需求，靈敏度高、可靠穩定。超聲波檢測法為輸液管內氣泡的主流檢測方法 。