運(yùn)放下的輸液泵堵塞監(jiān)控電路設(shè)計

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針對輸液泵必備的堵塞監(jiān)控設(shè)計，本文介紹一種基于集成運(yùn)放搭建的，間接進(jìn)行堵塞監(jiān)控的電機(jī)電流檢測電路，相對于已有的壓力傳感器方案，具有兼容性好、精準(zhǔn)度高、安全性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、工藝要求低等優(yōu)勢。

1背景

輸液泵是預(yù)期通過泵產(chǎn)生的正壓來控制流入患者體內(nèi)的液體流量的設(shè)備。目前常用的是便攜式電動輸液泵，可由患者攜帶，通過電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生正壓，將液體通過輸液管路傳輸至患者體內(nèi)。常用于需要嚴(yán)格控制輸液量的情況，如在應(yīng)用升壓藥物，抗心律失常藥物，嬰幼兒靜脈輸液或靜脈麻醉時。根據(jù)相應(yīng)的國標(biāo)、行標(biāo)要求，便攜式輸液泵必須具備相應(yīng)的堵塞報警功能。目前采用的方案是對輸注系統(tǒng)的末端進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)輸液管路發(fā)生堵塞時，輸注產(chǎn)生的正壓將會使管內(nèi)壓力大于正常輸注時的最大值，硅膠管路因管內(nèi)壓力產(chǎn)生的最大形變隨之變大，管壁對相鄰器件的壓力也將會增大；通過緊貼輸液管路的壓力傳感器，檢測管壁膨脹產(chǎn)生的對外壓力，可以推算管路內(nèi)部壓力大小，進(jìn)而判斷管路是否堵塞。但是壓力傳感器檢測堵塞方案存在明顯問題：為保證監(jiān)控的高精準(zhǔn)度，輸液泵驅(qū)動裝置和配用裝置的加工精度，以及二者之間的裝配精度都必須保持在較高的水平上，否則管路堵塞檢測精度就難以保證；同時為了保證監(jiān)控精度，需要采用高精度的壓力傳感器，費(fèi)用控制困難。因此，該方案難以推廣應(yīng)用。本文則介紹一種在輸注系統(tǒng)的源頭——電機(jī)處監(jiān)控管路是否產(chǎn)生堵塞的方法。

2堵塞監(jiān)控設(shè)計思路

輸液泵為了實(shí)現(xiàn)藥液輸注，通常采用電機(jī)作為動力來源，通過相應(yīng)的傳動裝置，擠壓輸液管路，產(chǎn)生正壓，迫使藥液流入患者體內(nèi)。如圖1所示就是一種常見的輸注系統(tǒng)，電機(jī)按照一定方向驅(qū)動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，使擠壓件和兩個閥門件按照順序交替向前擠壓輸液管路，產(chǎn)生正壓，完成輸液功能。一般而言，輸液泵所用電機(jī)多為直流電機(jī)。對于該類電機(jī)而言，當(dāng)電機(jī)電流小于額定電流時，電流和扭矩成正比；當(dāng)電流超過額定電流時，扭矩不再隨電流增加。當(dāng)輸液泵發(fā)生堵塞時，藥液無法正常流出，管內(nèi)壓力增強(qiáng)，電機(jī)此時還未停止擠壓，輸注系統(tǒng)產(chǎn)生的正壓繼續(xù)將藥液向前推動，因此管內(nèi)壓力繼續(xù)增大，直至管內(nèi)持續(xù)負(fù)壓和擠壓系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時正壓形成平衡。此時輸液管內(nèi)壓力要明顯大于正常輸注時的壓力，擠壓系統(tǒng)也需要更大的力才能繼續(xù)向前擠壓輸液管路，因此驅(qū)動電機(jī)也需要產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩來維持輸注系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，對于特定的直流電機(jī)，可以通過檢測電機(jī)驅(qū)動電流，推算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而判斷輸液泵是否發(fā)生堵塞。

3關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1電流檢測電路設(shè)計思路

在實(shí)際電路中，電流難以直接檢測，為此我們運(yùn)用歐姆定律，將電流轉(zhuǎn)換為容易檢測的電壓。此處我們采用1Ω精密電阻，串聯(lián)在電機(jī)負(fù)極和地之間。一方面后期數(shù)值容易計算，另一方面電阻阻值小對電機(jī)性能影響不大。用示波器觀察電阻分壓信號可知，電機(jī)電流信號為交流分量和直流分量相疊加；堵塞時相比正常輸注時，電機(jī)電流最大值相差約幾十毫安；存在非周期性的脈沖雜波。因此，需要對電阻分壓信號進(jìn)行進(jìn)一步的整形、放大處理。

3.2信號優(yōu)化處理

采集到的電機(jī)電流信號，最終需要送到單片機(jī)的輸入引腳，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，監(jiān)測電機(jī)電流數(shù)值變化，判斷輸液泵是否發(fā)生堵塞。常用STM32單片機(jī)內(nèi)部AD輸入電壓范圍為0～2.5V，因此最終處理后的信號應(yīng)在該范圍之內(nèi)。本文中采用集成運(yùn)放進(jìn)行信號優(yōu)化處理。如圖2所示。電路輸入部分，電阻分壓產(chǎn)生的電壓信號，先經(jīng)C1和R1組成高通濾波電路，將電機(jī)電流的直流分量濾除（正常輸注和堵塞時均為相同常數(shù)，濾除后不影響判斷準(zhǔn)確度）；同時電機(jī)起轉(zhuǎn)瞬間，會產(chǎn)生一個持續(xù)時間很短的尖峰脈沖，峰值一般都大于正常輸注和堵塞時的信號峰值，這會影響判斷的準(zhǔn)確度，因此增加C2接地電容，將高頻分量濾除，進(jìn)一步優(yōu)化信號。電路放大部分，反饋回路增加小電容C3。一方面進(jìn)行相位補(bǔ)償，調(diào)整反饋量和輸入信號的相位差，防止產(chǎn)生自激；另一方面，通直流隔交流，減小高頻信號的放大倍數(shù)，使目標(biāo)頻率信號更加突出。電路輸出部分，在運(yùn)放輸出端和單片機(jī)I/O口之間，增添一個低通濾波器（R4和C4），濾除高頻雜波，使信號平滑，優(yōu)化信號?；谶\(yùn)放的輸液泵監(jiān)控電路，可以將電機(jī)電流整形為可以供單片機(jī)內(nèi)部AD識別的電壓信號，進(jìn)而推算直流電機(jī)對外輸出力矩，判斷輸注系統(tǒng)堵塞情況。同時避免了使用壓力傳感器，減少由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝所帶來的誤差，提高了輸液泵堵塞檢測的有效性和安全性。另外，此電路對不同類型的電機(jī)具有很好的適配性，在電機(jī)的各種應(yīng)用場合均有參考價值，具有較好的應(yīng)用前景。

作者：毛元龍 侯小飛 李正 趙彩云 肖小兵 單位：河南駝人醫(yī)療器械研究院有限公司