張 彬，李海云

（首都醫(yī)科大學(xué) 北京 100069）

靜脈輸液通過靜脈輸入藥液來向受體給藥以達(dá)到治療疾病的目的。傳統(tǒng)吊瓶輸液需保持輸液器與受體液位差所提供的壓力向受體輸入液體[1]。所以在受體移動時輸液十分不便利[2]。另外，普通輸液器在輸液過程中可能會出現(xiàn)氣泡、阻塞、不能及時關(guān)斷輸液通路等故障造成不良后果。臨床上靜脈輸液需要根據(jù)藥物和患者年齡病情等配以適當(dāng)?shù)妮斠核俣龋鴤鹘y(tǒng)靜脈輸液依靠人工觀察無法精確地控制輸液速度，工作量大。因而本文設(shè)計并研制了一種半擠壓式智能輸液泵，它可以精確控制輸液量和輸液速度，并能夠檢測氣泡、阻塞、輸液完成，保證輸液過程的安全性和可靠性。

1 輸液泵原理

輸液泵依靠外界機(jī)構(gòu)擠壓具有彈性的輸液管來完成流速控制，按泵機(jī)構(gòu)分類可以分為指狀蠕動泵、盤狀蠕動泵、彈性輸液泵以及新近出現(xiàn)的活塞式輸液泵等。指狀蠕動泵和盤狀蠕動泵都是靠步進(jìn)電機(jī)帶動擠壓輪擠壓輸液管，使液體以一定的方向和速度流動[3-4]。彈性輸液泵利用合成橡膠的彈性擠壓作用把藥液連續(xù)或間斷地輸入到人體。

本文研制的半擠壓式智能輸液泵原理上是一種活塞式輸液泵，工作時由步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動，使擠壓滑塊按照一定規(guī)律上下往復(fù)運(yùn)動擠壓輸液管讓藥液以一定的速度定向流動，凸輪軸轉(zhuǎn)速與流速基本呈線性關(guān)系。因此，控制凸輪軸的轉(zhuǎn)速就可以精確控制藥液流速。它無交叉污染，重量輕，定量準(zhǔn)確，具有流速范圍寬、輸液管安裝方便、使用簡便等突出優(yōu)點(diǎn)。半擠壓式智能輸液泵的外形如圖1所示。

圖1 半擠壓式智能輸液泵外形圖Fig.1 The appearance of the infusion pump

2 輸液泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

活塞輸液泵由泵體機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制硬件和控制軟件三大部分組成。泵機(jī)構(gòu)被各個控制硬件圍繞，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元、檢測單元、人機(jī)交互單元和智能電池單元。步進(jìn)電機(jī)是一個自帶最大8細(xì)分脈沖分配驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片。檢測單元通過傳感器等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。人機(jī)交互單元配有液晶顯示屏和鍵盤，實(shí)現(xiàn)用戶與控制程序之間的人機(jī)交互。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 輸液泵機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The mechanical structure of the infusion pump

因而，本輸液泵具有如下功能：精確測量和控制輸液量；精確測量和控制輸液速度；液流線性度好，產(chǎn)生脈動??；能對氣泡、空液、漏液、溫度和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行監(jiān)報警，并自動關(guān)斷輸液通路；能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，只要設(shè)定好運(yùn)行參數(shù)，就可以自動根據(jù)參數(shù)進(jìn)行輸液。

2.2 驅(qū)動控制硬件

驅(qū)動控制硬件主要分為三大組成部分，即：

1）控制主板：以8bit單片機(jī)為核心，包括控制液晶屏、鍵盤等硬件等，完成人機(jī)交互界面，接收用戶的指令信息，控制電機(jī)帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)輸液的流速要求，實(shí)現(xiàn)輸液泵的主要控制功能。

2）傳感器：包括檢測氣泡傳感器、管路阻塞傳感器、開關(guān)門傳感器和溫度傳感器。開關(guān)門傳感器是一個單簧管，用來實(shí)現(xiàn)泵門開關(guān)的檢測。溫度傳感器用來檢測藥液溫度。

3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板：以A3977為核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的斬波8細(xì)分驅(qū)動。

2.3 超聲波氣泡檢測

輸液管路氣泡傳感器使用超聲波進(jìn)行氣泡檢測。在兩種不同的介質(zhì)界面上，超聲波的能量會被反射和透射，反射和透射的程度與介質(zhì)的聲特性阻抗有關(guān)[6]。由于輸液管是圓柱形的，我們選用透過方式進(jìn)行檢測。沒有氣泡時，超聲波換能器的發(fā)射端發(fā)出超聲波大部分能量穿過輸液管及藥液到達(dá)接收端，轉(zhuǎn)換成與發(fā)射頻率同頻的微弱電信號。如果輸液管中有氣泡，超聲波會在氣泡和液體的界面發(fā)生反射，使得能量有一部分衰減，微弱電信號就會減小，其程度及時間與氣泡大小、形狀和氣泡多少有關(guān)[7]。因而超聲波傳感器可以檢測出輸液管路中的氣泡。

2.4 管路壓力傳感器

輸液泵的壓力傳感器實(shí)際上是一個典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其上貼有應(yīng)變片組成電橋，以檢測出懸臂梁的彎曲變化量。此懸臂梁的末端通過接觸塊兒與彈性輸液管接觸，接觸后有一定的預(yù)壓緊量。而后，當(dāng)輸液管中液體的壓力變化時就會帶動懸臂梁向上運(yùn)動一個位移，應(yīng)變片隨即發(fā)生變化造成電橋平衡進(jìn)一步打破，通過單片機(jī)的A/D口采集到此變化量，進(jìn)而求得輸液管路壓力的變化。

2.5 控制軟件

控制軟件通過編程實(shí)現(xiàn)了流量—流速模式、容積時間模式、毫克體重模式等幾種輸液方式，以及流速標(biāo)定、參數(shù)標(biāo)定等功能。它是依據(jù)輸液泵的操作流程設(shè)計的，各模塊需要按照主控模塊的控制來工作[8]。軟件實(shí)現(xiàn)了處理用戶鍵盤輸入以及根據(jù)當(dāng)前操作所處狀態(tài)在LCD上顯示相關(guān)信息等功能，圖形用戶界面可降低輸液泵的使用出錯率[9]。

整個軟件流程從進(jìn)入到某一選定的輸液模式的參數(shù)輸入界面后開始，在用戶確認(rèn)輸入完輸液參數(shù)后，程序內(nèi)部自動計算，導(dǎo)出相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)輸入的參數(shù)判斷輸入是否正確，不正確則重新輸入，正確就開始按照計算出的參數(shù)驅(qū)動電機(jī)開始輸液。在開始正常輸液后，程序要不斷的檢測電池電量、管路溫度、管路氣泡、管路壓力等，看是否有異常，若有則停止當(dāng)前的輸液過程，進(jìn)入到異常處理的流程。輸液完成與否通過實(shí)際的已用時間和理論的輸液時間的大小來判斷。當(dāng)實(shí)際的輸液時間大于或等于理論時間時，進(jìn)入到輸液完成處理流程，輸液完成時，電機(jī)繼續(xù)以較低速度轉(zhuǎn)動，同時蜂鳴器響提示用戶輸液完成。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 輸液泵軟件流程圖Fig.3 The software flow chart of the infusion pump

3 輸液泵流速控制

活塞式輸液泵的輸液流速精度與輸液管的截面積、輸液管彈性以及凸輪軸的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。擠壓凸輪是一個偏心圓凸輪，它能使得擠壓滑塊以余弦規(guī)律擠壓彈性輸液管路。活塞式輸液泵不會將輸液管完全壓扁，它的最大擠壓位置距離極限位置1 mm左右，因而稱這個輸液泵是半擠壓式的。

輸液管被壓縮后恢復(fù)形狀需要一定的時間，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速n0時，輸液管的變形還沒有完全恢復(fù)，滑塊又開始擠壓輸液管，轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高后每轉(zhuǎn)的擠壓液體量反而會降低。將輸液管完全擠壓后釋放進(jìn)行輸液管回彈實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明輸液管回彈時間Tr可以簡化為0.1 s。因此凸輪軸的臨界轉(zhuǎn)速為：

理論上凸輪軸每轉(zhuǎn)一周所擠壓的液體量V=0.06 ml/r，則臨界輸液流速為：

在此流速下流速與凸輪軸的轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系。

輸液泵的凸輪軸是由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的，因而輸液速度與驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率有關(guān)。驅(qū)動脈沖信號用單片機(jī)定時器的定時中斷功能產(chǎn)生，通過設(shè)定定時器初值可得到所需頻率的驅(qū)動脈沖信號。步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°/step，因此凸輪軸轉(zhuǎn)動一周需要微處理器8細(xì)分后發(fā)1 600個脈沖。單片機(jī)的定時器具有不同的分頻，應(yīng)當(dāng)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速與精度相匹配[5]。經(jīng)過一系列推導(dǎo)，不同分頻時的流速上限Vm，x為不同分頻時的常數(shù)，其單位為ml/h。計算結(jié)果為：

所以規(guī)劃流速1分頻時流速區(qū)間為20～1 200 ml/h，256分頻時流速區(qū)間為0.1～20 ml/h。

4 測試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將設(shè)計好的輸液泵實(shí)際運(yùn)行一定時間測量實(shí)際的流量，并計算出理論流量與實(shí)際流量進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experiment results

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的半擠壓式智能輸液泵輸液流速誤差很小，流速控制精確，能夠滿足精度要求。

5 結(jié) 論

半擠壓式智能輸液泵能精確控制藥液的輸液量和輸液速度，能對輸液過程中出現(xiàn)的氣泡等異常情況進(jìn)行監(jiān)測報警，同時及時自動關(guān)斷輸液通路。使用半擠壓式智能輸液泵避免了傳統(tǒng)輸液方式的諸多不便，可以大大減少人力資源的浪費(fèi)。下一階段將會對輸液泵進(jìn)行改進(jìn)：功能上，要實(shí)現(xiàn)既可以靜脈輸液，又能輸血、輸送腸道營養(yǎng)液等；成本上，要降低壓力輸液器耗材的成本，這樣才能使輸液泵得到的更加廣泛的應(yīng)用。此外，在流速穩(wěn)定性和噪聲控制等方面也值得深入研究。

總之，半擠壓式智能輸液泵能有效防止輸液事故的發(fā)生，有助于減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高安全性、精確性和工作效率，有廣泛的應(yīng)用前景，對輸液泵的改進(jìn)和完善對醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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