一種便攜式人體自動輸液泵輸液系統的開發

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

關鍵詞：自動輸液泵;便攜式;DSP;輸液速度;觸力傳感器

引言

對于野外、戰場以及緊急救護等特殊場合，由于普通輸液方法需要形成液位差，因而輸液中移動不方便;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嚴格要求。便攜式人體自動輸液泵的開發，可以取代傳統利用重力輸液的方式，并能夠滿足上述需要。

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，以便實時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，利用紅外發光二極管器作為發射端，光電晶體管作為接收端。當滴液落下時，接收端就會感應到光線強度的變化，并將此改變反饋在電流變化上，通過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，然后通過計數器對液滴進行計數，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、線性度好和安裝方便的優點，但檢測過程中滴壺要求保持豎直狀態，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輸液速度控制方法實現對輸液速度的控制。通過輸液速度的檢測，與驅動電機構成閉環控制系統，得到所需的輸液速度，從而實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公司的運動控制芯片TMS320LF2407A，泵體采用蘭格的擠壓式DG-1滾輪式蠕動泵，如圖3所示。動力源選擇艾克斯的42BYGH404型步進電動機，采用L297/L298N構成步進電動機的脈沖分配器和功率驅動器。

DG-1蠕動泵采用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型步進電動機是四相步進電動機，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°，則轉速過低時步進電動機容易產生振蕩，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，此時步進電動機的步距角為0.9°，順時針旋轉。

TMS320LF2407A微控制器共需要輸出6個控制信號來控制步進電機，如圖5所示。其分別是驅動脈沖輸入引腳SM_CLK、異步復位信號引腳SM_RST、轉動方向控制引腳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，即可實現脈沖分配。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，用來驅動步進電動機42BYGH404。

輸液時，需要將SM_RST先置0，再置1，使脈沖分配器回到復位狀態(HOME狀態);將SM_EN置1，允許L297輸出;置CW為0或1，選擇步進電動機運行方向，因為在實際輸液過程中，步進電動機不會改變運行方向，可以考慮將該引腳直接接到邏輯電壓或是接到地上;通過SM_CLK發出驅動脈沖，控制電動機運行速度。

2.2 算法及軟件開發

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，輸液速度與步進電機的轉速成正比，即與單位時間內驅動脈沖的數目成正比。考慮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脈沖數目，就可以得到不同輸液速度對應的單位時間內的驅動脈沖數目(或者說是脈沖頻率)。

設步進電動機的步距角為θs，輸液泵系統的脈沖當量為δ，即步進電動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。

設驅動脈沖數目為N(N=1，2，3…)時，輸液泵輸出的藥液體積V為1 gtt(等價于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，步進電動機走19個步距，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。