一种便携式人体自动输液泵输液系统的开发

摘要：设计了一种针对便携式自动输液泵输液速度的自动控制系统，系统由输液速度检测和驱动控制电路组成，采用DSP作为微控制器，根据自动测量输液管压力，通过调整步进电机精确控制输液速度，提高了便携式自动输液泵定量输液的精度、安全性和可靠性。

关键词：自动输液泵;便携式;DSP;输液速度;触力传感器

引言

对于野外、战场以及紧急救护等特殊场合，由于普通输液方法需要形成液位差，因而输液中移动不方便;对于老人、儿童等特殊病人和癌症、糖尿病等特殊病症，医疗上对输液量和输液速度有着严格要求。便携式人体自动输液泵的开发，可以取代传统利用重力输液的方式，并能够满足上述需要。

为了提高输液的定量精度、可靠性和安全性，医用输液泵必须拥有输液速度和输液量的检测功能，以便实时监测输液器的运行状况。目前，普通输液泵大都采用红外光电传感器检测输液速度，如图1所示，利用红外发光二极管器作为发射端，光电晶体管作为接收端。当滴液落下时，接收端就会感应到光线强度的变化，并将此改变反馈在电流变化上，通过采样电阻转换为电压变化，利用A/D转换器或电压比较器判断是否有液滴落下，然后通过计数器对液滴进行计数，即可转换为输液速度或输液量。

红外光电传感器检测输液速度具有体积小、灵敏度高、线性度好和安装方便的优点，但检测过程中滴壶要求保持竖直状态，否则不能保证检测的准确性，因而不能应用在便携式的输液泵上。本文的便携式输液泵采用一种闭环输液速度控制方法实现对输液速度的控制。通过输液速度的检测，与驱动电机构成闭环控制系统，得到所需的输液速度，从而实现输液速度和输液量的精确控制。

1 便携式输液泵结构设计

本文建立的便携式输液泵系统包括控制核心、动力装置、检测装置、报警装置、输入及显示和电源管理装置，如图2所示。

2 输液泵动力装置

2.1 硬件组成

系统控制核心采用美国TI公司的运动控制芯片TMS320LF2407A，泵体采用兰格的挤压式DG-1滚轮式蠕动泵，如图3所示。动力源选择艾克斯的42BYGH404型步进电动机，采用L297/L298N构成步进电动机的脉冲分配器和功率驱动器。

DG-1蠕动泵采用10滚轮结构，适用软管的内径，管壁厚一般为0.8～1 mm，最大流量为32 ml/min。

42BYGH404型步进电动机是四相步进电动机，步距角为1.8°，按照通电顺序的不同，可以有单四拍、双四拍和八拍工作方式。如果步距角为1.8°，则转速过低时步进电动机容易产生振荡，影响输液效果。因此设计中选择8拍工作方式，即L297处于半步工作模式，如图4所示，此时步进电动机的步距角为0.9°，顺时针旋转。

TMS320LF2407A微控制器共需要输出6个控制信号来控制步进电机，如图5所示。其分别是驱动脉冲输入引脚SM_CLK、异步复位信号引脚SM_RST、转动方向控制引脚CW、工作方式控制引脚SM_MODE、斩波控制的参考电压输入引脚DAC_VREF2、驱动脉冲输出允许引脚SM_EN。L297只需要从DSP接受脉冲、方向和模式输入信号，即可实现脉冲分配。L298N是双H桥高电压大电流功率集成电路，用来驱动步进电动机42BYGH404。

输液时，需要将SM_RST先置0，再置1，使脉冲分配器回到复位状态(HOME状态);将SM_EN置1，允许L297输出;置CW为0或1，选择步进电动机运行方向，因为在实际输液过程中，步进电动机不会改变运行方向，可以考虑将该引脚直接接到逻辑电压或是接到地上;通过SM_CLK发出驱动脉冲，控制电动机运行速度。

2.2 算法及软件开发

便携式输液泵系统以20 gtt/ml计算，输液泵的输液速度范围为1～200 gtt/min(0.05～10 ml/min);输液量范围为1～999 ml。

在理想情况下，当输液管直径一定时，输液速度与步进电机的转速成正比，即与单位时间内驱动脉冲的数目成正比。考虑普通输液泵的输液速度和输液量都是以滴为最小单位，则只需算出一滴对应的驱动脉冲数目，就可以得到不同输液速度对应的单位时间内的驱动脉冲数目(或者说是脉冲频率)。

设步进电动机的步距角为θs，输液泵系统的脉冲当量为δ，即步进电动机每运行一步输液泵输出药液的体积，则

其中，S为输液管的横截面面积;D0为转轮工作直径。

设驱动脉冲数目为N(N=1，2，3…)时，输液泵输出的药液体积V为1 gtt(等价于0.05 ml)，则：

本文取步距角θs=0.9°，转轮工作直径D0=42 mm，输液管的外径取3.2 mm，则横截面面积S=8.038 mm2，N=19，步进电动机走19个步距，输液泵输出药液体积为0.05 ml，每步距输出0.00 263 ml=2.63 μl。[!--empirenews.page--]

输液器的最大输液速度为200 gtt/min(10 ml/min)，可算出输液时每分钟内驱动脉冲的最大数目Nmax为：

Nmax=200 N=3 800

通过键盘可以以药液流量和输液滴速两种方式设置输液速度，由于程序中的最小单位为滴，所以首先将药液流量方式下设置的输液速度转换为输液滴速，则药液流量V_M(ml/min)的输液滴速当量G_M(gtt/min)为：

G_M=20V_M

根据上面的推导，对于设定的输液滴速当量G_M，需要在每分钟内产生的驱动脉冲数目为19G_M，可推得微控制器TMS320LF2407A定时器1产生周期中断的周期寄存器T1PR值为：

在1～200 gtt/min的输液速度范围内，定时器1产生周期中断的周期寄存器T1PR的范围应为：1 578 948～7 895 μs。TMS320LF2407A取CLKIN为10 MHz，CLKOUT为4×CLKIN= 40 MHz，Timer1为连续增计数模式，预分频值为64，定时器时钟为0.625 MHz，最大的定时周期为104 856μs。因此程序中设置一个全局变量count，如图6所示。每次执行中断服务程序时对变量count加1计数，并判断是否达到设置的计数累计时间，若没有达到累计时间，则等待下一次中断，并重复判断过程。

当设定好输液速度后，DSP会自动将对应的装载初值存入周期寄存器T1PR中，并把计数寄存器T1CNT清零，按下“运行”键后，定时器便从零开始计数，直到溢出产生周期中断，进入中断服务程序，计数寄存器T1CNT重新赋零，清除定时器1周期中断标志，count计数到时，使信号SM_CLK的电平发生翻转，然后等待下一次中断，则SM_CLK所在引脚按照一定周期产生占空比为1/2的PWM脉冲。这样，步进电动机在该PWM负脉冲信号的上升沿向前步进一个步距角度。

3 输液速度闭环检测电路设计

输液速度检测电路由美国HONEYWELL公司的小型触力传感器FSS1500NST、ADI公司的微功耗集成仪表放大器AD623、微功耗电压基准源ADR361等元件组成。输液速度检测电路原理如图7所示。

FSS1500NST使用专门设计的精制压电硅电阻传感元件，具有精密可靠的力传感性能。具有小功率、无放大、无补偿特点的惠斯通电桥电路设计，该传感器通过不锈钢球，将施加的触力直接集中到硅传感元件上，电阻值随施加力而变化，可在测力范围内提供稳定mV级输出信号。其主要参数如下：

工作力为0～1 500g，零位偏置为0 mV，灵敏度为0.12 mV/g，输入电阻为5.0 kΩ，输出电阻为5.0 kΩ。

惠斯通电桥就是利用压电电阻的高级触力传感器，这个结构可以测量桥式电路两臂平衡时其中一个臂上的未知电阻，如图7所示的压电电阻R1。激励电压或激励电流被施加于桥上，施加到压电元件的压力可以改变该电阻，因此产生电压变化。原理如下：

取R1=R2=R3=R4时，被测量使电阻R1产生一个△R1，得到：

AD623提供轨到轨满电源幅度输出，采用单电源(+3～+12 V)或双电源(±2.5～±6 V)供电;它可以测量差分电压，最大工作电流仅为85 mA，非常适合电池供电的便携式设备;具有低失调电压、低失调漂移与低增益误差等特点，从而使误差最小;在AD623的参考引脚施加低阻抗电压源可以改变输出电压;增益通过一只外接电阻可方便地调节。无外接电阻RG时，被设计为单位增益(G=1)，接入电阻RG时，增益可高达1000，计算公式为：

RG=100 kΩ(G-1)

ADR361提供稳定的2.5 V输出电压。经过放大的输出信号加上基准电压2.5 V，作为模拟信号Uo输出到DSP进行A/D转换，ADR361使信号Uo处于DSP的有效输入范围内。

由于输液泵是靠输液管挤压进行输液，不可避免存在脉动问题，测得的输液管压力随之存在脉动。DG-1蠕动泵有10个滚轮，步进电机8拍方式工作，步距角为0.9°，则步进电机转360°需要400个脉冲，输液管脉动频率为40个脉冲。设计中采用每个电机驱动脉冲上升沿到来时，步进电机转动一步的同时启动A/D转换，40次A/D转换的值取算术平均值作为一个脉动周期的压力值。以所设置输液速度的压力值为基准，当压力或高或低时对TMS320LF2407A定时器1周期中断的周期寄存器T1PR的预置值进行调整，改变PwM脉冲的周期，以上下调整步进电机的运行速度，使输液始终稳定为所设置的输液速度。

4 输液速度实验

初次使用或更换输液管时，应利用量杯先校准输液泵的精度，根据精度值789.5μs/ml修正步进电机驱动脉冲的定时范围7 895～1 578 948 μs。

为尽量减少实验数据在测试时的误差，分别进行3次实验，对获得的3组数据取平均值，同时为判断3次测量结果波动情况，计算了3次测量结果中最大值和最小值的差值，结果如表1所列。从实验数据可以看出，输液速度误差基本可以控制在3%的范围内，同时，3次测量的输液速度基本保持一致，说明输液的稳定性较好。

结语

该自动控制系统解决了便携式自动输液泵输液速度的自动控制问题，实现了输液过程中输液速度较为精确的控制，提高了便携式自动输液泵输液的安全性和可靠性。[!--empirenews.page--]