一種便攜式人體自動(dòng)輸液泵輸液系統的開(kāi)發(fā)

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

關(guān)鍵詞：自動(dòng)輸液泵;便攜式;DSP;輸液速度;觸力傳感器

引言

對于野外、戰場(chǎng)以及緊急救護等特殊場(chǎng)合，由于普通輸液方法需要形成液位差，因而輸液中移動(dòng)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(zhù)嚴格要求。便攜式人體自動(dòng)輸液泵的開(kāi)發(fā)，可以取代傳統利用重力輸液的方式，并能夠滿(mǎn)足上述需要。

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(shí)時(shí)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(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(shí)，接收端就會(huì )感應到光線(xiàn)強度的變化，并將此改變反饋在電流變化上，通過(guò)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(guò)計數器對液滴進(jìn)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(xiàn)性度好和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但檢測過(guò)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(shí)現對輸液速度的控制。通過(guò)輸液速度的檢測，與驅動(dòng)電機構成閉環(huán)控制系統，得到所需的輸液速度，從而實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制芯片TMS320LF2407A，泵體采用蘭格的擠壓式DG-1滾輪式蠕動(dòng)泵，如圖3所示。動(dòng)力源選擇艾克斯的42BYGH404型步進(jìn)電動(dòng)機，采用L297/L298N構成步進(jìn)電動(dòng)機的脈沖分配器和功率驅動(dòng)器。

DG-1蠕動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機是四相步進(jìn)電動(dòng)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(guò)低時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機容易產(chǎn)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(shí)步進(jìn)電動(dòng)機的步距角為0.9°，順時(shí)針旋轉。

TMS320LF2407A微控制器共需要輸出6個(gè)控制信號來(lái)控制步進(jìn)電機，如圖5所示。其分別是驅動(dòng)脈沖輸入引腳SM_CLK、異步復位信號引腳SM_RST、轉動(dòng)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(dòng)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(shí)現脈沖分配。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，用來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機42BYGH404。

輸液時(shí)，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(jìn)電動(dòng)機運行方向，因為在實(shí)際輸液過(guò)程中，步進(jìn)電動(dòng)機不會(huì )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(guò)SM_CLK發(fā)出驅動(dòng)脈沖，控制電動(dòng)機運行速度。

2.2 算法及軟件開(kāi)發(fā)

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(shí)，輸液速度與步進(jìn)電機的轉速成正比，即與單位時(shí)間內驅動(dòng)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(dòng)脈沖數目，就可以得到不同輸液速度對應的單位時(shí)間內的驅動(dòng)脈沖數目(或者說(shuō)是脈沖頻率)。

設步進(jìn)電動(dòng)機的步距角為θs，輸液泵系統的脈沖當量為δ，即步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)脈沖數目為N(N=1，2，3…)時(shí)，輸液泵輸出的藥液體積V為1 gtt(等價(jià)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(jìn)電動(dòng)機走19個(gè)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。