高壓注射器智能導流報警系統(tǒng)設計

摘要：為解決當前醫(yī)用高壓注射器注射藥液時因注射速度快、壓力高而易發(fā)生滲漏的問題，采用TI公司的微控制器MSP430F449及精量電子FS2050壓力傳感器，設計了一套高壓注射器防滲漏智能導流報警系統(tǒng)，可實時監(jiān)測高壓注射過程。一旦監(jiān)測到滲漏立即進行聲光報警，同時迅速進行導流切換。本系統(tǒng)不僅克服了以往機械設計方案易松動的缺點，而且還增加了導流切換功能可有效減輕病人的痛苦。動物實驗結(jié)果表明，智能導流報警系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈敏度高，可有效避免高壓注射器的藥液滲漏現(xiàn)象的發(fā)生。
關鍵詞：報警；壓力；導流；傳感器；微控制器

0 引言
    高壓注射器是醫(yī)學中為配合CT掃描而注射造影劑的專用設備。在臨床應用中，高壓注射器注射藥液時往往因注射速度快、壓力高而易發(fā)生藥液滲漏的問題。雖然高壓注射器本身具有壓力監(jiān)測系統(tǒng)，但是由于該系統(tǒng)測量的是高壓注射管內(nèi)部壓力，這種間接監(jiān)測方法有時不能有效監(jiān)測到液壓滲漏到病人皮膚。有時即使監(jiān)測到時，病人皮膚已經(jīng)發(fā)生嚴重的腫脹現(xiàn)象。為克服以上不足，國外研究了一些相關機械裝置用于監(jiān)測患者手臂壓力，但是由于機械裝置的特點，其使用壽命較短，同時這些裝置不能完成相應的導流功能，這樣仍然不能避免產(chǎn)生皮膚腫脹現(xiàn)象。本文采用TI公司的微控制器MSP430F449及精量電子的FS2050壓力傳感器，設計了一套高壓注射器防滲漏智能導流報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測高壓注射過程，一旦監(jiān)測到滲漏立即進行聲光報警，同時迅速進行導流切換，從而有效避免了高壓注射器藥液的滲漏。

1 MSP430F449微控制器
    MSP430F449是TI公司推出的高性能的16位RISC微控制器，由于它具有集成度高、外圍設備豐富、以及超低功耗等優(yōu)點，因此在許多領域內(nèi)得到廣泛的應用。另外，MSP430F449具有非常強的處理能力，非常適合一些對處理要求比較高的嵌入式系統(tǒng)。MSP430F449有120 KB的FLASH和4 KB的RAM，具有5種工作模式，其供電電壓范圍1．8～3．6 V。MSP430F449內(nèi)部集成了12位的A／D變換器，12位的D／A變換器，16位的定時器，USART，IIC，SPI等通信接口，可直接驅(qū)動160字段液晶，外圍電路非常豐富。鑒于以上優(yōu)點，本系統(tǒng)采用MSP430F449作為主控制器。

2 智能導流報警系統(tǒng)平臺架構(gòu)設計
    高壓注射器防滲漏智能導流報警系統(tǒng)主要由以下4個模塊構(gòu)成：壓力傳感器模塊、主控制系統(tǒng)模塊、聲光報警模塊、切換導流模塊。
    系統(tǒng)架構(gòu)設計具體框圖如圖1所示。

2．1 壓力傳感器模塊
    精量電子研發(fā)的FS2050壓力傳感器工作電壓為3．3～5V，在5V工作電壓下輸出電壓范圍可達1～4V。壓力量程范圍0．5～1．5Kg·f。  FS2050內(nèi)置了放大模塊，可直接測量力，因此使用起來非常方便。同時，F(xiàn)S2050還具有尺寸小、噪音低、過載能力及可靠性高、響應快等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用FS2050壓力傳感器進行高精度壓力檢測。
2．2 主控制系統(tǒng)模塊
    采用MSP430F449低功耗微處理器完成信號、檢測處理功能，MSP430F449芯片內(nèi)嵌了12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，最大轉(zhuǎn)換速率可達200kSPs。MSP 430F449實時采集壓力傳感器輸出電壓，一旦超出設定的閾值電壓，立即啟動聲光報警，并觸發(fā)伺服電機進行導流切換。MSP430F449可直接驅(qū)動2-mux，3-mux，4-mux液晶屏，本系統(tǒng)采用4-mux的液晶屏，顯示實時壓力數(shù)據(jù)及顯示閾值電壓，同時，根據(jù)醫(yī)務人員可根據(jù)臨床應用，按鍵修改相關的閾值電壓。
2．3 聲、光報警模塊
    根據(jù)設定，采用發(fā)光二極管報警和蜂鳴器報警2種聲、光報警模式，可有效幫助醫(yī)務人員在第一時間發(fā)現(xiàn)高壓注射器滲漏的發(fā)生并做出相應反應。
2．4 切換導流模塊
    為有效旋轉(zhuǎn)醫(yī)用三通閥，必須選擇具有一定響應速度和扭力的伺服電機。通過比較測試，速度為0．18～0．16s／60°，扭力15kg，工作電壓為5～7．2V的伺服電機滿足系統(tǒng)設計要求，故而，本系統(tǒng)采用該類型電機驅(qū)動三通閥，完成導流切換功能。
2．5 電源模塊
    本設計中采用電壓轉(zhuǎn)換芯片NCP1117實現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)換，將直流穩(wěn)壓電源輸出的5 V轉(zhuǎn)換為MSP430F449的工作電壓3．3V。

3 智能導流報警系統(tǒng)程序架構(gòu)設計
    系統(tǒng)上電后，程序進行初始化，設置好定時器、A／D模塊及液晶模塊的相關寄存器，微控制器每隔一段時間就進行A／D變換，檢測壓力傳感器電壓值，如果監(jiān)測到壓力傳感器輸出電壓超出設定的閾值，則啟動聲、光報警，并輸出PWM波控制電機完成三通閥的切換。如果監(jiān)測到壓力傳感器輸出電壓低于設定的閾值，則關閉聲、光報警，并控制電機完成三通閥的還原。程序架構(gòu)框圖如圖2所示。

4 結(jié)語
    本文針對臨床應用中高壓注射器的不足，以TI公司的微控制芯片MSP430F449為核心，設計了一種高壓注射器防滲漏智能導流報警裝置，實時檢測藥液是否滲漏，一旦發(fā)現(xiàn)漏液現(xiàn)象就迅速進行報警、導流。對小白兔的高壓注射動物實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，可有效解決高壓注射器滲漏現(xiàn)象的發(fā)生，具有很高的臨床應用價值。