基于嵌入式系統的負壓吸引器設計

由于很多病人手術后臟器創口沒有得到有效的愈合，此時會在腹腔內積累各種液體。最為常見的就是在臨床中，為了保證腸道患者在術后能盡快康復，就需要將來自胃的低PH值的消化液借助引流設備排出體外。目前國內外市場上通常使用一次性負壓吸引袋或機械式吸引器將體液引流至體外。但是這種方法產生的負壓并不穩定，吸引的壓強可能會有較大的變化，導致負壓吸引的效果不理想。同時一次性負壓吸引袋的后期垃圾處理較為復雜，如果處理不當，易造成較大污染。最重要的是，傳統方式氣密性不理想，容易造成倒灌而造成患者的二次感染。

相比之下，嵌入式系統通過檢測體內腔壓的方式控制引流，能動態控制負壓大小，也能實時監控病人的體液的各種參數，穩定性好。同時具有自動清洗的功能，操作便捷。并能在液晶顯示屏上顯示有好的界面，實時更新病人排出體液的PH值、體積、流速、質量等參數。同時，本系統提供了友好的操作界面。醫護人員可以通過選擇不同的手術類型設置負壓引流的類型。為了保障病人的安全，該系統還能檢測異常情況，產生報警信號，并及時將報警信息通過網絡傳遞至急救中心。

1 系統設計原理

術后引流負壓吸引器整體上是利用氣壓檢測模塊檢測體內腔壓，并使用兩級電磁閥及薄膜泵的組合動態控制體內腔壓，流速等關鍵性能指標。

滅菌緩沖接口：將通過該接口的病人腔內液體做前級滅菌、過濾及隔離處理。

氣壓檢測模塊：通過測量檢測容器內的氣壓得出與管子連通的病人體內的壓強。

緩沖容器：用于裝載一個周期時間內病人分泌的體液。這一級緩沖主要用于對當前流量的進行檢測。該容器裝載在重力檢測模塊上，能精確測量緩沖容器前后的質量變化，并由此得出排出液的質量。再利用人體體液參數計算出病人排出的體液的體積。

緩沖容器所接的氣囊：用于防止容器的內壓過大。

薄膜泵：一種離心水泵，適用于輸送高腐蝕、固液兩相介質，也是目前世界上最為先進的料漿輸送設備。由于病人術后的體內廢液可能會有較為復雜的成分(如滲漏的消化液)，有時會有較低的pH值，因此薄膜泵是本系統最好的選擇。

電磁閥：具有良好的氣密性，可以防止微漏，起到第二重保護作用，在薄膜泵完全開啟并開始工作之前，可能會瞬時出現后級的壓強暫時大于前級的壓強的情況，使用電磁閥可以防止后級的液體倒灌到前級進入病人的體內，有效保障了病人的健康。

吸收容器：含有弱堿性吸收劑，可以有效吸收來自緩沖容器的體液并中和酸性。

2 系統硬件設計

負壓吸引器系統主要由機械引流模塊、功率驅動電路、傳感器檢測模塊、電源管理模塊、人機交互模塊、報警模塊與主控模塊構成。其系統框圖如圖2所示。

2.1 機械部分設計

主要由薄膜泵、電磁閥、計量集液瓶(緩沖容器)、支架和連接導管構成。

根據現有科研數據，腸胃道術后對患者進行負壓引流時最佳負壓大小為-7~-5 kPa,系統使用容器截面積約為24cm2,使用P09A12R型薄膜泵，可實現至少-7 kPa的負壓。電磁閥采用BOSUN-2W250-25-DC12V型電磁閥，具有良好的氣密性。經測試，采用這兩款薄膜泵和電磁閥能夠實現最高8 mL/s抽取速度，完全能夠滿足對病人體液的抽取。

2.2 功率驅動部分設計

負責執行主控模塊對機械部分薄膜泵和電磁閥的控制。

同時也起到了對控制模塊和機械模塊之間的隔離作用，防止強電串擾至弱電毀壞控制電路。使用4個NPN型MOS管IRF3205(Vdss=55 V,導通電阻Rds=0.8 mΩ，極限電流80 A)驅動薄膜泵和電磁閥并使用IR4427實現主控模塊對MOS管的驅動。

2.3 傳感器檢測部分

由稱重傳感器、表壓傳感器、pH值傳感器等傳感器件構成，主要完成對病人腔壓、負壓吸引器產生的負壓、體液的抽取速度、以及其它醫學參數(如體液的pN值等)的測量。

稱重傳感器設計：壓力應變片內部電橋阻值分布能夠根據外部壓力的大小而線性變化。采用20 kg壓力應變片與信號調理電路實現。變化范圍僅有50μV左右。首先使用精密儀放INA118構成前級信號放大，將信號放大5 000倍，再用通用運放LM358對信號做進一步放大和電平調整，使所稱重量在0~100 g間變化時輸出電壓范圍為0.2~2.5 V,方便主控模塊使用AD采樣。

氣壓傳感器設計：氣壓傳感器用于對負壓吸引器產生的負壓進行精確舅量，使用亞科電子科技公司的TTP501型氣壓傳感器，一種橋式硅壓阻器件，其壓力測量范圍為0~120kPa,工作電流為0.3 mA,輸出電壓范圍為0.5~3 V,精度高于1%.利用此傳感器可以實現對負壓的精確測量。

pH值傳感器設計：體液pH值為醫學中的重要參數，對pH值的精確測量可以有效監控患者的體內代謝狀況。使用有高電壓PMOS管和高壓二極管優點的運放CA3140組成雙高阻差分輸入電路以減小共模信號的干擾。輸出電壓：V0=(1+2R4/Rg)·(R3/R2)·(V2-V1)。

同時應用DS18B20數字溫度傳感器結合軟件的設計完成溫度補償以提高測量精度。pH計的功耗約100 mW.測量精度可達±0.01 pH.