摘要：設(shè)計(jì)了一種針對(duì)便攜式自動(dòng)輸液泵輸液速度的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由輸液速度檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)控制電路組成，采用DSP作為微控制器，根據(jù)自動(dòng)測(cè)量輸液管壓力，通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)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(duì)于野外、戰(zhàn)場(chǎng)以及緊急救護(hù)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(duì)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(duì)輸液量和輸液速度有著嚴(yán)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(tǒng)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(yī)用輸液泵必須擁有輸液速度和輸液量的檢測(cè)功能，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液器的運(yùn)行狀況。目前，普通輸液泵大都采用紅外光電傳感器檢測(cè)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(dāng)?shù)我郝湎聲r(shí)，接收端就會(huì)感應(yīng)到光線強(qiáng)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(zhuǎn)換為電壓變化，利用A/D轉(zhuǎn)換器或電壓比較器判斷是否有液滴落下，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可轉(zhuǎn)換為輸液速度或輸液量。

紅外光電傳感器檢測(cè)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(diǎn)，但檢測(cè)過(guò)程中滴壺要求保持豎直狀態(tài)，否則不能保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因而不能應(yīng)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(xiàn)對(duì)輸液速度的控制。通過(guò)輸液速度的檢測(cè)，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，得到所需的輸液速度，從而實(shí)現(xiàn)輸液速度和輸液量的精確控制。

1 便攜式輸液泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文建立的便攜式輸液泵系統(tǒng)包括控制核心、動(dòng)力裝置、檢測(cè)裝置、報(bào)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(tǒng)控制核心采用美國(guó)TI公司的運(yùn)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(jī)，采用L297/L298N構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng)器。

DG-1蠕動(dòng)泵采用10滾輪結(jié)構(gòu)，適用軟管的內(nèi)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(jī)是四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，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(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生振蕩，影響輸液效果。因此設(shè)計(jì)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(jī)的步距角為0.9°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

TMS320LF2407A微控制器共需要輸出6個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，如圖5所示。其分別是驅(qū)動(dòng)脈沖輸入引腳SM_CLK、異步復(fù)位信號(hào)引腳SM_RST、轉(zhuǎn)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(qū)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(hào)，即可實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(fù)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(jī)運(yùn)行方向，因?yàn)樵趯?shí)際輸液過(guò)程中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不會(huì)改變運(yùn)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(qū)動(dòng)脈沖，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度。

2.2 算法及軟件開(kāi)發(fā)

便攜式輸液泵系統(tǒng)以20 gtt/ml計(jì)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(dāng)輸液管直徑一定時(shí)，輸液速度與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，即與單位時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)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(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目，就可以得到不同輸液速度對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目(或者說(shuō)是脈沖頻率)。

設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為θs，輸液泵系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為δ，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每運(yùn)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(zhuǎn)輪工作直徑。

設(shè)驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)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(zhuǎn)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(jī)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。[!--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(shí)每分鐘內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖的最大數(shù)目Nmax為：

Nmax=200 N=3 800

通過(guò)鍵盤(pán)可以以藥液流量和輸液滴速兩種方式設(shè)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(shè)置的輸液速度轉(zhuǎn)換為輸液滴速，則藥液流量V_M(ml/min)的輸液滴速當(dāng)量G_M(gtt/min)為：

G_M=20V_M

根據(jù)上面的推導(dǎo)，對(duì)于設(shè)定的輸液滴速當(dāng)量G_M，需要在每分鐘內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目為19G_M，可推得微控制器TMS320LF2407A定時(shí)器1產(chǎn)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(nèi)，定時(shí)器1產(chǎn)生周期中斷的周期寄存器T1PR的范圍應(yīng)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(jì)數(shù)模式，預(yù)分頻值為64，定時(shí)器時(shí)鐘為0.625 MHz，最大的定時(shí)周期為104 856μs。因此程序中設(shè)置一個(gè)全局變量count，如圖6所示。每次執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)對(duì)變量count加1計(jì)數(shù)，并判斷是否達(dá)到設(shè)置的計(jì)數(shù)累計(jì)時(shí)間，若沒(méi)有達(dá)到累計(jì)時(shí)間，則等待下一次中斷，并重復(fù)判斷過(guò)程。

當(dāng)設(shè)定好輸液速度后，DSP會(huì)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的裝載初值存入周期寄存器T1PR中，并把計(jì)數(shù)寄存器T1CNT清零，按下“運(yùn)行”鍵后，定時(shí)器便從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到溢出產(chǎn)生周期中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，計(jì)數(shù)寄存器T1CNT重新賦零，清除定時(shí)器1周期中斷標(biāo)志，count計(jì)數(shù)到時(shí)，使信號(hào)SM_CLK的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，然后等待下一次中斷，則SM_CLK所在引腳按照一定周期產(chǎn)生占空比為1/2的PWM脈沖。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在該P(yáng)WM負(fù)脈沖信號(hào)的上升沿向前步進(jìn)一個(gè)步距角度。

3 輸液速度閉環(huán)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

輸液速度檢測(cè)電路由美國(guó)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(zhǔn)源ADR361等元件組成。輸液速度檢測(cè)電路原理如圖7所示。

FSS1500NST使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(wú)放大、無(wú)補(bǔ)償特點(diǎn)的惠斯通電橋電路設(shè)計(jì)，該傳感器通過(guò)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(cè)力范圍內(nèi)提供穩(wěn)定mV級(jí)輸出信號(hào)。其主要參數(shù)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(jí)觸力傳感器，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以測(cè)量橋式電路兩臂平衡時(shí)其中一個(gè)臂上的未知電阻，如圖7所示的壓電電阻R1。激勵(lì)電壓或激勵(lì)電流被施加于橋上，施加到壓電元件的壓力可以改變?cè)撾娮?，因此產(chǎn)生電壓變化。原理如下：

取R1=R2=R3=R4時(shí)，被測(cè)量使電阻R1產(chǎn)生一個(gè)△R1，得到：

AD623提供軌到軌滿(mǎn)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(cè)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(shè)備;具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移與低增益誤差等特點(diǎn)，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(guò)一只外接電阻可方便地調(diào)節(jié)。無(wú)外接電阻RG時(shí)，被設(shè)計(jì)為單位增益(G=1)，接入電阻RG時(shí)，增益可高達(dá)1000，計(jì)算公式為：

RG=100 kΩ(G-1)

ADR361提供穩(wěn)定的2.5 V輸出電壓。經(jīng)過(guò)放大的輸出信號(hào)加上基準(zhǔn)電壓2.5 V，作為模擬信號(hào)Uo輸出到DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADR361使信號(hào)Uo處于DSP的有效輸入范圍內(nèi)。

由于輸液泵是靠輸液管擠壓進(jìn)行輸液，不可避免存在脈動(dòng)問(wèn)題，測(cè)得的輸液管壓力隨之存在脈動(dòng)。DG-1蠕動(dòng)泵有10個(gè)滾輪，步進(jìn)電機(jī)8拍方式工作，步距角為0.9°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)360°需要400個(gè)脈沖，輸液管脈動(dòng)頻率為40個(gè)脈沖。設(shè)計(jì)中采用每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步的同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，40次A/D轉(zhuǎn)換的值取算術(shù)平均值作為一個(gè)脈動(dòng)周期的壓力值。以所設(shè)置輸液速度的壓力值為基準(zhǔn)，當(dāng)壓力或高或低時(shí)對(duì)TMS320LF2407A定時(shí)器1周期中斷的周期寄存器T1PR的預(yù)置值進(jìn)行調(diào)整，改變PwM脈沖的周期，以上下調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，使輸液始終穩(wěn)定為所設(shè)置的輸液速度。

4 輸液速度實(shí)驗(yàn)

初次使用或更換輸液管時(shí)，應(yīng)利用量杯先校準(zhǔn)輸液泵的精度，根據(jù)精度值789.5μs/ml修正步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的定時(shí)范圍7 895～1 578 948 μs。

為盡量減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在測(cè)試時(shí)的誤差，分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，對(duì)獲得的3組數(shù)據(jù)取平均值，同時(shí)為判斷3次測(cè)量結(jié)果波動(dòng)情況，計(jì)算了3次測(cè)量結(jié)果中最大值和最小值的差值，結(jié)果如表1所列。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，輸液速度誤差基本可以控制在3%的范圍內(nèi)，同時(shí)，3次測(cè)量的輸液速度基本保持一致，說(shuō)明輸液的穩(wěn)定性較好。

結(jié)語(yǔ)

該自動(dòng)控制系統(tǒng)解決了便攜式自動(dòng)輸液泵輸液速度的自動(dòng)控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了輸液過(guò)程中輸液速度較為精確的控制，提高了便攜式自動(dòng)輸液泵輸液的安全性和可靠性。[!--empirenews.page--]