一種便攜式人體自動輸液泵輸液系統(tǒng)的開發(fā)

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(tǒng)，系統(tǒng)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(zhàn)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(yī)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(fā)，可以取代傳統(tǒng)利用重力輸液的方式，并能夠滿足上述需要。

為了提高輸液的定量精度、可靠性和安全性，醫(yī)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(jiān)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(fā)光二極管器作為發(fā)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(yōu)點，但檢測過程中滴壺要求保持豎直狀態(tài)，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(huán)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(huán)控制系統(tǒng)，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(tǒng)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。

2 輸液泵動力裝置

2.1 硬件組成

系統(tǒng)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。

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。

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(tài)(HOME狀態(tài));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(fā)出驅動脈沖，控制電動機運行速度。

2.2 算法及軟件開發(fā)

便攜式輸液泵系統(tǒng)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?？紤]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(tǒng)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。[!--empirenews.page--]

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=200 N=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：

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(xù)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 856μs。因此程序中設置一個全局變量count，如圖6所示。每次執(zhí)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。

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(fā)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(huán)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(wěn)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△R1，得到：

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(jié)。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(wěn)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(wěn)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789.5μs/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(wěn)定性較好。

結語

該自動控制系統(tǒng)解決了便攜式自動輸液泵輸液速度的自動控制問題，實現了輸液過程中輸液速度較為精確的控制，提高了便攜式自動輸液泵輸液的安全性和可靠性。[!--empirenews.page--]