運(yùn)放下的輸液泵堵塞監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

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針對(duì)輸液泵必備的堵塞監(jiān)控設(shè)計(jì)，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(cè)電路，相對(duì)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(shì)。

1背景

輸液泵是預(yù)期通過泵產(chǎn)生的正壓來(lái)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(dòng)輸液泵，可由患者攜帶，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)。根據(jù)相應(yīng)的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)要求，便攜式輸液泵必須具備相應(yīng)的堵塞報(bào)警功能。目前采用的方案是對(duì)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(shí)，輸注產(chǎn)生的正壓將會(huì)使管內(nèi)壓力大于正常輸注時(shí)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(duì)相鄰器件的壓力也將會(huì)增大；通過緊貼輸液管路的壓力傳感器，檢測(cè)管壁膨脹產(chǎn)生的對(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)精度就難以保證；同時(shí)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(jì)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(dòng)力來(lái)源，通過相應(yīng)的傳動(dòng)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(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，使擠壓件和兩個(gè)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(duì)于該類電機(jī)而言，當(dāng)電機(jī)電流小于額定電流時(shí)，電流和扭矩成正比；當(dāng)電流超過額定電流時(shí)，扭矩不再隨電流增加。當(dāng)輸液泵發(fā)生堵塞時(shí)，藥液無(wú)法正常流出，管內(nèi)壓力增強(qiáng)，電機(jī)此時(shí)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(dòng)，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(shí)正壓形成平衡。此時(shí)輸液管內(nèi)壓力要明顯大于正常輸注時(shí)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(dòng)電機(jī)也需要產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩來(lái)維持輸注系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，對(duì)于特定的直流電機(jī)，可以通過檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)

3.1電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際電路中，電流難以直接檢測(cè)，為此我們運(yùn)用歐姆定律，將電流轉(zhuǎn)換為容易檢測(cè)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(jì)算，另一方面電阻阻值小對(duì)電機(jī)性能影響不大。用示波器觀察電阻分壓信號(hào)可知，電機(jī)電流信號(hào)為交流分量和直流分量相疊加；堵塞時(shí)相比正常輸注時(shí)，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(duì)電阻分壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的整形、放大處理。

3.2信號(hào)優(yōu)化處理

采集到的電機(jī)電流信號(hào)，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(cè)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(hào)應(yīng)在該范圍之內(nèi)。本文中采用集成運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)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(hào)，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(shí)均為相同常數(shù)，濾除后不影響判斷準(zhǔn)確度）；同時(shí)電機(jī)起轉(zhuǎn)瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的尖峰脈沖，峰值一般都大于正常輸注和堵塞時(shí)的信號(hào)峰值，這會(huì)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(hào)。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(hào)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(hào)的放大倍數(shù)，使目標(biāo)頻率信號(hào)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(gè)低通濾波器（R4和C4），濾除高頻雜波，使信號(hào)平滑，優(yōu)化信號(hào)?；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(shí)別的電壓信號(hào)，進(jìn)而推算直流電機(jī)對(duì)外輸出力矩，判斷輸注系統(tǒng)堵塞情況。同時(shí)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(lái)的誤差，提高了輸液泵堵塞檢測(cè)的有效性和安全性。另外，此電路對(duì)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(chǎng)合均有參考價(jià)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