宋寶亭 樸順梅* 王易詩 于慧博 肖 紅 裴麗艷 李雪薇 于 雷 李文鑫

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步和科學(xué)的發(fā)展，以輸液泵為代表的輸注器械因其速度控制均勻，調(diào)速便捷[1]而逐漸應(yīng)用于臨床護理領(lǐng)域。同時，隨著輸液泵應(yīng)用范圍的擴展，對其設(shè)備的精度、患者體驗、便攜性、場景適應(yīng)性以及安全性提出了更高的要求，不僅需要考慮患者在輸液期間的舒適性和便攜性，而且能夠應(yīng)用于野外、路途等特殊場景，使其能夠提高患者輸液期間的治療體驗，降低患者長期保持固定體位帶來的不適感，克服了傳統(tǒng)輸液泵輸注期間難以移動的缺點[1-2]。同時，增強輸液泵在戶外、災(zāi)害、急救等特殊條件下的適應(yīng)性，使其具有操作便捷、運行穩(wěn)定性強等優(yōu)點，提高適用場景范圍；還能夠監(jiān)測輸注過程可能存在的異常情況。從而降低臨床護理的工作強度，提高操作的精確性和安全性。

1 數(shù)字式微步進分度輸液泵需求分析

數(shù)字式微步進分度輸液泵應(yīng)實現(xiàn)的功能包括：①輸液速度精確控制，能夠精確監(jiān)控輸液速度，根據(jù)測量值實現(xiàn)精確輸液速度控制；②輸液量測量，精確測量輸液量，輔助實現(xiàn)自動化輸液計劃；③輸液穩(wěn)定性控制，提高輸液過程線性度，降低脈動性；④異常狀況監(jiān)測，針對輸液過程中可能出現(xiàn)的異常情況(如氣泡、空液等)[3]狀況進行報警，并控制輸液通路；⑤輸液任務(wù)控制，能夠建立輸液任務(wù)、選擇性調(diào)節(jié)輸液參數(shù)(輸液速度、輸液量以及輸液時間)以及任務(wù)完成后反饋等功能；⑥便攜及適應(yīng)特性，輸液泵應(yīng)具有便攜和小體積的特點，適用于患者小幅度運動及戶外、災(zāi)害、急救[4]等多種使用場景。

2 數(shù)字式微步進分度輸液泵設(shè)計

2.1 輸液泵系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)開始運行、用戶完成參數(shù)設(shè)置后，驅(qū)動電機開始驅(qū)動輸注，輸注過程中由系統(tǒng)傳感器檢測滴速、空液、氣泡、阻塞等輸液管狀態(tài)并顯示狀態(tài)信息，當(dāng)存在異常狀態(tài)時，發(fā)送停止信號暫停電機并發(fā)出報警信號[5](如圖1所示)。

圖1 數(shù)字式微步進分度輸液泵系統(tǒng)運行流程圖

2.2 輸液泵系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由輸入輸出模塊、電機驅(qū)動、控制系統(tǒng)以及傳感器電路組成[2，6]。當(dāng)用戶通過輸入模塊輸入命令后，控制電路反饋用戶請求?？刂破鞲鶕?jù)用戶請求控制步進電機，并結(jié)合電機傳感器反饋轉(zhuǎn)速信息，從而精確控制輸注量和輸注速度。系統(tǒng)采用微步進分度電機并針對輸注過程中出現(xiàn)的空液、氣泡等異常狀況進行監(jiān)測，并針對異常快速做出響應(yīng)，保障醫(yī)療安全(如圖2所示)。

圖2 數(shù)字式微步進分度輸液泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 控制器

控制器采用AT89S52單片機作為控制核心，該芯片是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。片中Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[7]。

控制系統(tǒng)接收用戶輸入命令并完成參數(shù)設(shè)置后，輸出控制信號控制電機執(zhí)行啟停、改變方向、速度控制、填充排空等；在執(zhí)行輸注任務(wù)過程中，控制系統(tǒng)接收阻塞、氣泡及滴速傳感器信號，實現(xiàn)狀態(tài)信號輸出及安全監(jiān)測功能，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，發(fā)出報警信號。

2.2.2 控制電路

系統(tǒng)通過控制電路實現(xiàn)輸入模塊信號處理，從而實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、電源控制信號輸出、電源測量信號測量等功能。

2.2.3 微步進電機系統(tǒng)

電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)組成包括電機、電機驅(qū)動器、減速機和光柵尺等。系統(tǒng)采用DG-1盤狀蠕動泵作為執(zhí)行元件，具有步進精度高、控制簡單、慣量低、無累積誤差等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計中[8-10]。輸液泵具有啟?？刂啤⒎较蚩刂?、精確速度控制、掉電記憶及填充排空等功能，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求[11]。

輸液速度及輸液量控制可分別通過控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)來實現(xiàn)。步進電機轉(zhuǎn)速與輸液速度成正比，通過調(diào)整控制電機的轉(zhuǎn)速即可改變輸液的速度[11-12]。輸液量與步進電機運行的步數(shù)，以及步進電機每步輸出藥液的體積成正比[11，13]。不同的輸液管對應(yīng)的脈沖當(dāng)量不同，通過控制步進電機運行的步數(shù)即可控制輸液量。步進電機工作中，按照設(shè)定的參數(shù)設(shè)定電機工作初始化狀態(tài)，并按照設(shè)定狀態(tài)生成脈沖信號，驅(qū)動步進電機按設(shè)定步進角方向轉(zhuǎn)動，并通過改變控制脈沖數(shù)量控制角位移量，實現(xiàn)液面精確控制；與此同時，通過設(shè)定的脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)動速度，從而實現(xiàn)輸注速度控制。按照不同控制精度需求，采用DG-1盤狀蠕動泵可設(shè)置整步、2、4、8、16、32、64及128細分等不同精度的控制模式，通過設(shè)置驅(qū)動器模式開關(guān)可以選擇細分模式，也可對輸入信號端施加對應(yīng)的控制信號[14-15]。

2.2.4 電源管理

系統(tǒng)采用單片機擴展A/D檢測電源輸出功率，通過電源檢測傳感器反饋功率差值輸出控制信號，開關(guān)管(MOSFET)[16]打開及關(guān)閉的時間比率來穩(wěn)定輸出電壓。利用單片機控制開關(guān)電源，實現(xiàn)電源功率監(jiān)測、電源過壓/過流保護等功能。

2.2.5 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、放大器以及多傳感器記錄器組成。傳感器檢測滴速、空液、氣泡、阻塞等輸液管狀態(tài)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由信號處理電路預(yù)處理后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。傳感器電路采用電橋構(gòu)成采集電路，當(dāng)存在壓差時，差壓信號加載到測量傳感器上，傳感器輸出隨之變化，引起電橋失衡。電橋失衡引起的信號變化經(jīng)運放LM2904放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)化，最后傳入AT89S52并進行存儲或顯示等，最后將數(shù)據(jù)通過通訊串口送至上位機分析[17]。

(1)阻塞檢測。當(dāng)輸液出現(xiàn)阻塞并超過設(shè)定的壓力范圍后，觸發(fā)開關(guān)并向控制器發(fā)送低電平信號，控制器收到信號后，驅(qū)動控制步進電機停止運行并觸發(fā)聲光報警。

(2)氣泡及排空檢測。氣泡及排空檢測是確保輸液泵安全的重要功能，由于輸注液體密度、粘稠度及光透性的多樣性，需要檢測電路具有良好的兼容性[18-19]。系統(tǒng)采用超聲波傳感器，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。不僅對被檢液體具有很好的兼容性，同時具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點[20]。當(dāng)處于輸注狀態(tài)時，高頻脈沖產(chǎn)生振蕩脈沖驅(qū)動超聲換能器發(fā)射端[20-21]。生成的超聲波從發(fā)射面發(fā)出后，部分被傳感器漫反射，大部分穿過殼體，透過空氣隙，再一次穿過管路的管壁進入流動的液體中。傳輸過程中，部分能量在空氣隙中損失，另外部分受管壁材料的結(jié)構(gòu)影響被衰減，大部分能量在流動的液體上傳輸?shù)浇邮斩斯苈返墓鼙?，并按發(fā)射端的逆過程傳到接收端的超聲波換能器，轉(zhuǎn)換成與發(fā)射頻率同頻的被傳輸過程中介質(zhì)所損耗后的微弱電信號。在沒有混入空氣泡的正常情況下，液體密度相對穩(wěn)定，超聲波在液體中順利的傳輸?shù)浇邮斩?，信號無較大的畸變。若頁面低于傳感器檢測面，在超聲波傳播路徑上的液體密度隨之降低，接收到的信號能量被衰減，反映出的波形在幅度上也會隨著液面的降低迅速地減小。若流動的液體中有大小不等的氣泡，液體的密度將降低，超聲波在傳播路徑上還會被空氣泡散射[22]。與正常情況下相比，接收端接收到的能量將衰減，經(jīng)接收端接收信號，最終判斷出氣泡大小，從而實現(xiàn)高精度控制。

(3)滴速測量。系統(tǒng)采用光電傳感器檢測滴注速度及液面信號，該方法的實現(xiàn)具有靈敏度高、體積小、精度高以及非接觸測量的優(yōu)點，由發(fā)光二極管發(fā)射器及光敏三極管接收器組成[23]。當(dāng)無液滴滴注時，光敏三極管接收器光照度最大，可接收光電流最大；當(dāng)存在液滴滴注時，照射光線光束發(fā)散，導(dǎo)致光線強度減弱，接收器接收到信號后經(jīng)整形、調(diào)制后計數(shù)，實現(xiàn)滴數(shù)檢測功能。

(4)輸液量測量。輸液量與步進電機運行步數(shù)、每運行一步輸液泵輸出液體體積成正比，系統(tǒng)可通過步進電機步數(shù)精確控制輸液速度及輸液量[24]。

2.2.6 輸入系統(tǒng)

輸入系統(tǒng)采用PS/2鍵盤及觸摸屏實現(xiàn)，鍵盤對輸液器進行參數(shù)設(shè)置，并輸入命令。

2.2.7 輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)采用液晶、蜂鳴器及發(fā)光二極管作為系統(tǒng)輸出。

(1)屏幕。系統(tǒng)通過液晶屏幕顯示輸出信息，屏幕采用12864液晶顯示，可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，內(nèi)部提供128×2字節(jié)的字符顯示隨機存儲器(random access memory，RAM)緩沖區(qū)顯示數(shù)據(jù)(display data，DDRAM)。通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別顯示CGROM(中文字庫)、HCGROM(ASCII碼字庫)及CGRAM(自定義字形)的內(nèi)容[25]。

(2)聲光報警。系統(tǒng)通過發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)電源異常、氣泡、空液等聲光報警功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.2.8 上位機管理系統(tǒng)

系統(tǒng)采用Access 2007結(jié)合Microsoft Communications Control控件[26]開發(fā)單片機上位機管理系統(tǒng)，通過串口通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、輸注記錄、設(shè)置參數(shù)及報警信息保存。

3 數(shù)字式微步進分度輸液泵的應(yīng)用

設(shè)計的數(shù)字式微步進分度輸液泵在運轉(zhuǎn)中，當(dāng)輸液管體內(nèi)注入藥液時，隨著泵體運轉(zhuǎn)，帶動活塞將藥液連續(xù)輸入到患者。較之注射泵，對設(shè)備持續(xù)性、穩(wěn)定性及安全性提出了更高的要求。因此，系統(tǒng)采用以DG-1盤狀蠕動泵作為運動控制核心，采用L298作為驅(qū)動芯片[27]。

(1)系統(tǒng)測試。系統(tǒng)在測試中保存了泵信息、設(shè)置參數(shù)等信息(如圖3所示)。

圖3 上位機系統(tǒng)運行輸注記錄界面圖

(2)輸注記錄。輸液泵輸注線性度較高，實現(xiàn)了輸液速度和輸液量較為精確控制功能。通過調(diào)節(jié)泵控制模式，控制脈沖與電機角位移成正比，可通過控制脈沖數(shù)控制步進，從而實現(xiàn)輸液量精確控制[25]；步進電機操作度高，實時響應(yīng)力強，調(diào)節(jié)速度范圍寬，可實現(xiàn)電機啟停、改變方向、速度控制、填充排空等優(yōu)勢(如圖4所示)。

圖4 上位機系統(tǒng)運行輸注記錄明細界面圖

(3)輸液泵排氣功能。在需求分析中，尤其是在輸注前，需要實現(xiàn)快速排空輸液管內(nèi)空氣的功能[26-27]。當(dāng)護理人員安裝輸液管后，使用“排空”按鍵，輸液泵能夠?qū)崿F(xiàn)快速排氣。同時，為防止誤報，需要及時關(guān)閉氣泡報警。當(dāng)空氣排空后，再次按下“排空”，進入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)并準(zhǔn)備正常輸注。同時，在測試中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸液泵使用一段時間后，可能會出現(xiàn)擠壓活塞磨損、彈簧變形[28]的狀況，從而導(dǎo)致輸液精度下降。

(4)輸液泵補償功能。系統(tǒng)采用軟件補償方式消除誤差影像，觸發(fā)“補償”功能后，自動執(zhí)行誤差消除程序，降低誤差影響。當(dāng)輸液泵連續(xù)工作后，由于電機持續(xù)發(fā)熱，容易發(fā)生氣泡檢測傳感器基準(zhǔn)值偏離標(biāo)準(zhǔn)的狀況，為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)工作5 h以上時，采用連續(xù)氣泡基準(zhǔn)值檢測算法，及時校正氣泡基準(zhǔn)值[29]。由于受步進電機本身特性的限制，在電機啟、停及運行速度突變時，往往會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，從而影響輸液泵系統(tǒng)精度[3，30]。為解決這一問題，系統(tǒng)采用了軟件實現(xiàn)自動升、降速的方法。

4 結(jié)論

數(shù)字式微步進分度輸液泵可精確控制輸注流量及流速，監(jiān)測輸注過程，并可應(yīng)對電源、氣泡、空液等異常情況，其應(yīng)用不僅能夠提高醫(yī)護人員的工作效率，同時能夠加強輸注的安全性和精確性。數(shù)字式微步進分度輸液泵能夠改善患者在輸液期間的舒適性和便攜性，同時，能夠應(yīng)用于野外、路途等特殊場景，使其能夠提高患者輸液期間的治療體驗，降低患者長期保持固定體位帶來的不適感，克服了傳統(tǒng)輸液泵輸注期間難以移動的缺點[31]。

數(shù)字式微步進分度輸液泵具有控制精度高、適用范圍廣泛的特點，并具有較強的可擴展性，對類似的系統(tǒng)開發(fā)具有一定的參考價值。