工學碩士學位論文 人體便攜式自動輸液器的研制 王恩剛 哈爾濱工業(yè)大學 2006 年 6 月 國內(nèi)圖書分類號：th789 國際圖書分類號：621 工學碩士學位論文 人體便攜式自動輸液器的研制 碩 士 研 究 生： 王恩剛 導師： 王偉杰副教授 申請學位級別： 工學碩士 學 科 、 專 業(yè)： 機械電子工程 所 在 單 位： 機電工程學院 答 辯 日 期： 2006 年 6 月 授予學位單位： 哈爾濱工業(yè)大學 classified index: th789 u.d.c: 621 dissertation for the masters degree in engineering development of portable automatical transfer facility for human body candidate： wang engang supervisor： prof. wang weijie academic degree applied for： master of engineering specialty： mechatronics engineering affiliation： school of mechatronics engineering date of defence： june, 2006 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 摘要摘要 便攜式智能輸液設備以微型電機代替普通的重力輸液，能夠精確控制輸 液速度和輸液量；對輸液過程進行監(jiān)測，當出現(xiàn)如管路堵塞、有危險氣泡等 異常情況時，能夠迅速地自動關斷輸液通路，防止輸液事故的發(fā)生；輸液結 束后自動停機，并通過聲光提醒病人或護理人員；具有攜帶方便，操作簡單 等特點。在精確輸液，戰(zhàn)場救護，緊急搶救等情況下，便攜式智能輸液設備 能夠大大提高安全性、精確性和工作效率，減輕護理人員的工作強度，是一 種性價比很高的醫(yī)療設備。 本文在分析目前常用輸液泵的優(yōu)缺點的基礎上，選擇 dg-1 盤狀蠕動 泵，并進行了結構改進；選擇步進電機作為輸液泵的驅(qū)動電機，為縮小整體 的體積，將步進電機的驅(qū)動電路、按鍵、lcd 和報警電路集成到單板上。 硬件電路采用 c8051f005 單片機作為控制核心，利用集成芯片 l297 和 l298 對步進電機實現(xiàn)斬波驅(qū)動，通過按鍵控制步進電機的轉速和轉數(shù)實現(xiàn) 對輸液速度和輸液量控制。步進電機與輸液泵之間通過橡膠連接頭實現(xiàn)連 接，可緩解輸液時由步進電機震動引起的脈動。 在分析常用的氣泡探測器特點的基礎上，針對輸液管氣泡檢測的具體要 求，選用超聲波氣泡探測器傳感器進行氣泡檢測，并對其可行性進行了原理 性的分析和論證。設計了超聲波換能器的結構和信號處理電路，能夠?qū)崿F(xiàn)二 重氣泡監(jiān)測功能。 通過控制鍵盤和 lcd，使用者可以方便地對輸液器進行參數(shù)設置；電 源監(jiān)測和報警提示功能提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；溫度補償功能減輕了 藥液溫度過低時給輸液者帶來的不適；參數(shù)設置記憶功能顯示了系統(tǒng)設計的 人性化特點。 通過實驗結果，分析了影響輸液精度的主要因素，采用擬合曲線法修改 了控制方案，提高了輸液精度；分析了影響超聲波氣泡探測器檢測精度的主 要因素，提出了改進方案；論證了輸液器輔助功能具有較好的可靠性，滿足 設計要求。 關鍵詞關鍵詞 輸液泵；脈動；步進電機驅(qū)動；超聲波氣泡檢測；輔助功能 - i - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 abstract portable intellective transfer facility replaces the ordinary gravity transfusion by using the mini-electromotor, so it can accurately control the speed and quantity of the transfusion. by supervising the transfusion process, when abnormal cases happened, such as a pipeline jam or danger air bubbles, it can rapidly shut down transfusion way automatically in order to prevent the accidents caused by transfusion. the facility could stop automatically when the transfusion end up and reminds patient or paramedic by sound and lamplight. with its feature such as convenient tote, easy operation and so on, portable intellective transfer facility can improve security, accuracy and efficiency, alleviate work intensity of paramedic in the case of accurate transfusion, battlefield rescue, emergency and so on. its a medical treatment equipment of high capability but low price. this thesis chooses a discal peristaltic pump and put forward amelioration schemes based on analysis of trait of transfer pump in common use presently and selects stepper motor as drive motor. in order to reduce the whole volume, the pcb board integrates stepper motor drive circuit, keyset, alarm circuit and lcd. hardware circuit adopts c8051f005 singlechip as key part, and uses integrated monolithic chip l297 and l298 to realize chopper drive of stepper motor. and achieves the control of the transfusion rate and quantum through controlling the rotate speed and number of the step motor by keyset. the rubber joint between stepper motor and transfer pump can minish pulsation caused by the shake of the motor when transfusing. on the basis of analysis of characteristic of common air detector, in allusion to specific request of air bubble monitoring in the transfusion pipe, the thesis selects ultrasonic air detector to monitor air bubbles, then analyzes and reasons its feasibility in theory. the design of structure of ultrasonic transducer and circuit for signal disposing can realize dual air bubbles monitoring function. users can set parameters of the transfer facility conveniently by keyset and lcd. the power monitoring, alarm system and hint functions enhance the reliability and security of the system. the function of temperature compensation eases the discomfort of patients brought by too low temperature of liquid - ii - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 medicine. the function of memorizing set parameters show the humanization feature of the system. through the experiment results, the design analyzes primary effect factors of transfusion accuracy, adopts curve fitting method to improve the controlling plan which advances the transfusion accuracy, and analyzes primary effect factors of the precision of air detector and brings forth improvement. the test of the assistant functions of transfusion facility demonstrates that the system has preferable reliability and satisfies the design request. keywords: transfer pump; pulsation; stepper motor drive; ultrasonic air detector; assistant functions - iii - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 目錄目錄 摘要 . i abstract.ii 第 1 章 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 課題研究的目的和意義.2 1.2.1 課題研究的目的 .2 1.2.2 課題研究的意義 .2 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析.3 1.3.1 智能輸液器綜述 .3 1.3.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .5 1.3.3 發(fā)展趨勢分析 .9 1.4 課題主要研究內(nèi)容 .10 第 2 章 氣泡監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn).11 2.1 氣泡監(jiān)測方案選擇 .11 2.1.1 電容式檢測法 .12 2.1.2 光電式檢測法 .12 2.1.3 超聲波式檢測法 .13 2.2 超聲波氣泡探測器的研制 .15 2.2.1 超聲波換能器的設計.15 2.2.2 超聲波氣泡探測器硬件電路設計.20 2.2.3 超聲波氣泡探測器程序設計.24 2.3 本章小結.25 第 3 章 輸液器動力裝置設計 .26 3.1 輸液泵的選擇及改進 .26 3.1.1 盤狀蠕動泵對輸液脈動的影響分析.26 3.1.2 輸液泵的選擇 .27 3.1.3 輸液泵的結構改進.28 3.2 輸液器驅(qū)動系統(tǒng)硬件設計.28 3.2.1 驅(qū)動電機的選擇 .29 - iv - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 3.2.2 電機驅(qū)動電路的設計.31 3.3 輸液泵驅(qū)動系統(tǒng)程序設計.33 3.3.1 步進電動機工作方式設定.33 3.3.2 輸液速度的控制 .34 3.3.3 輸液量的控制 .36 3.3.4 快速排空功能的實現(xiàn).37 3.4 本章小結.37 第 4 章 輸液器輔助功能設計 .38 4.1 控制鍵盤的設計 .38 4.2 lcd 顯示的設計 .39 4.3 加熱器的設計 .40 4.4 電源管理的實現(xiàn) .41 4.5 報警及提示功能設計 .42 4.6 參數(shù)記憶功能設計 .43 4.7 本章小結.43 第 5 章 實驗結果分析及設計改進 .44 5.1 超聲波氣泡探測器實驗結果及分析.44 5.2 輸液速度實驗數(shù)據(jù)分析及設計改進.45 5.3 輔助功能實驗結果 .49 5.4 本章小結.49 結 論 .50 參考文獻.51 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文 .54 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明.55 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文使用授權書哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文使用授權書.55 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位涉密論文管理哈爾濱工業(yè)大學碩士學位涉密論文管理.55 致 謝 .56 - v - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第1章 緒論第1章 緒論 1.1 引言引言 靜脈輸液是護理專業(yè)一項常用給藥治療技術，是臨床上最為常見、用途最 廣的治療手段, 特別是急診、創(chuàng)傷情況下, 更是必不可少的治療方法。 目前在臨床上得到廣泛應用的普通輸液器結構簡單、價格便宜。它主要由 連通輸液管、進氣管至輸液瓶的穿刺針及輸液管上配置的莫非氏滴壺、輪夾、 針頭組成, 其工作原理是依靠液位差所提供的壓力向病人體內(nèi)輸入液體1。 由于需要通過懸吊液瓶，與病人輸液部位形成液位差來進行輸液, 因而操 作使用極不方便, 當患者在輸液時需要走動時, 則需要有人陪同并高舉輸液瓶 (袋) 才行，特別在野外、戰(zhàn)場、搶險救災轉運大量傷病員的時候，經(jīng)常存在輸 液架不足或根本就沒有輸液架的情況, 此時輸液治療時就必須要有一人高舉輸 液瓶(袋) , 既不方便, 又浪費了寶貴的人力,還容易影響治療效果。另外, 由于 是依靠重力輸液，液瓶中將導入外界空氣, 容易污染藥液。普通輸液器缺少危 險氣泡報警、阻塞報警和輸液完畢提示等功能,當輸液過程異常情況如危險氣 泡、阻塞時，不能自動報警，也不能及時切斷輸液通路，增加了護理負擔，容 易產(chǎn)生不良后果。 隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展, 人們對臨床輸液的要求越來越高，希望能夠根據(jù)藥 物和患者情況不同配以適當?shù)妮斠核俣?，例如糖尿病人注射胰島素和癌癥病人 的化療，以往的做法基本上是一次性注射較大劑量的藥液，這樣不但造成了藥 品的浪費，而且藥物的作用時間也較短，影響治療效果，因而需要以一定的速 度，輸入一定量的藥液，以達到治療的最佳效果，最大限度地降低藥物對人體 的副作用；又如對老人、兒童和體質(zhì)較弱者輸送如麻醉藥、降壓藥硝普納、 tpn(三磷酸吡啶核苷酸)等某些特殊藥物時，輸液量和輸液速度需要精確地控 制，否則會產(chǎn)生嚴重的后果2。 常規(guī)臨床輸液，普遍采用掛瓶，依靠重力實現(xiàn)輸液并用眼睛觀察藥液的滴 數(shù)，依靠手動夾子來控制輸液速度，很難精確控制輸液速度，而且動作量大。 靜脈輸液時，輸液過快可能導致中毒，更嚴重時會導致水腫和心力衰竭；而輸 液過慢則可能發(fā)生藥量不夠或是無謂地延長輸液時間，使治療受影響，并給患 者和護理工作增加不必要的負擔3,4。因此醫(yī)生和患者都希望能有一種智能化、 - 1 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 高性能、能夠精確控制輸液量和輸液速度，使用方便的輸液裝置。 本課題旨在研究一種能夠精確控制輸液量和輸液速度、具有自動監(jiān)測功 能、不依靠重力輸液的便攜式人體輸液器。該裝置可大量應用于癌癥、糖尿病 等特殊病癥和老人、小孩等特殊病人群體，同時也可以在戶外的醫(yī)療急救中發(fā) 揮良好作用，有助于減輕醫(yī)護工作強度，提高安全性、準確性和工作效率，并 提高護理水平。 1.2 課題研究的目的和意義課題研究的目的和意義 1.2.1 課題研究的目的課題研究的目的 研制一種成本較低的便攜式智能化輸液設備，取代傳統(tǒng)的利用重力的輸液 方式，能夠精確控制輸液量和輸液速度，可按照體積和液滴兩種方式進行設 定，并實時顯示輸液參數(shù)，具有快速排空功能，具備危險氣泡實時監(jiān)測功能， 發(fā)現(xiàn)危險氣泡后迅速報警并自動停機，輸液完畢后自動停機并提醒病人和護理 人員。體積小，重量輕，便于攜帶，可廣泛應用于家庭、野外、戰(zhàn)場以及緊急 救護等條件下，輸液管安裝方便，操作簡單,在此基礎上盡量降低成本。 1.2.2 課題研究的意義課題研究的意義 對于野外、戰(zhàn)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，因而移動不方便，浪費人力；對于老人、小孩等特殊病人和癌癥、糖尿 病等特殊病癥，現(xiàn)代醫(yī)療對輸液量和輸液速度有嚴格要求，而傳統(tǒng)方法通過目 測輸液滴數(shù)估計輸液速度很難實現(xiàn)較高精度的控制。便攜式人體自動輸液器能 夠滿足上述需要，同時具有阻塞監(jiān)測、氣泡監(jiān)測和輸液完畢提示等功能，能夠 實現(xiàn)安全、精確的輸液，從而達到最佳的治療效果。其兩種輸液速度設定方式 溫度補償和參數(shù)設置記憶等輔助功能，使輸液器具有人性化的特點，便于護理 人員或病人方便使用。低成本的設計理念，有助于便攜式輸液器的廣泛使用， 可以給更多的病人帶來方便，又可以減輕護理人員的工作強度，提高護理水平 和工作效率。 - 2 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和分析 1.3.1 智能輸液器綜述智能輸液器綜述 1.3.1.1 醫(yī)用便攜式輸液器的基本功能和基本組成 目前在市場上存在多種醫(yī) 用便攜式輸液器，擁有的功能各不相同，可滿足多種不同的需要，歸納起來,通 常輸液器能實現(xiàn)以下功能5,6： 1) 可精確測量和控制輸液速度； 2) 可精確測定和控制輸液量； 3) 液流線性度好，不產(chǎn)生脈動； 4) 能對輸液過程中出現(xiàn)的氣泡、空液、輸液速度不正常等異常情況進行 報警，并自動切斷輸液通路； 5) 輸液完畢后能夠自動停機，并能夠提示使用者； 6) 體積較小，便于攜帶，同時輸液病人做走路、起立等一般的運動時不 會影響輸液效果。 醫(yī)用便攜式輸液器通常包括以下幾個部分：系統(tǒng)控制核心、動力裝置、檢 測裝置、報警裝置和輸入及顯示裝置、電源裝置。如圖 1-1所示。 系統(tǒng)控 制核心 電源 管理 動力裝置 檢測裝置 輸入及 顯示 報警 圖1-1 輸液器系統(tǒng)結構 fig.1-1 structure of transfusing system 1) 系統(tǒng)控制核心系統(tǒng)控制核心 是整個系統(tǒng)的“大腦” ，通過傳感器反饋回來的檢測信 號，對整個系統(tǒng)進行智能控制和管理，考慮功能需要和成本，一般采用單片機 系統(tǒng)。 2) 電源管理電源管理 便攜式輸液器多采用電池和 220v 電源兩套供電方案，有的 還配有充電電路。 3) 動力裝置動力裝置 是整個系統(tǒng)的“心臟” ，是輸送液體的動力元，一般由輸液 泵和驅(qū)動電機組成。由于醫(yī)用輸液泵需要精確控制液體的流量和流速，有些類 - 3 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 型的輸液泵很難做到這點，而且考慮到輸液管要安裝方便，藥液不能污染泵等 因素，因此用的最多的主要有以下幾種：指狀蠕動泵、盤狀蠕動泵、注射泵。 4) 檢測裝置檢測裝置 主要是各種傳感器，如紅外滴數(shù)傳感器（負責對液體流速和 流量的檢測） 、壓力傳感器（負責堵塞及漏液的檢測）和超聲波傳感器（負責 對氣泡的檢測）等，他們可感應相應的信號，這些信號經(jīng)過放大處理后，送入 微機系統(tǒng)進行信號處理，并得出控制指令，然后進行相應的控制操作7。 5) 報警裝置報警裝置 傳感器感應到的信號經(jīng)微機處理后，得出報警控制信號，再 由報警裝置響應，引起人們的主意，同時進行相應的處理，如停止輸液等。報 警方式主要有光電報警（發(fā)光二極管）和聲音報警（揚聲器和蜂鳴器）等8。 6) 輸入及顯示裝置輸入及顯示裝置 輸入部分設定輸液的各個參數(shù)，如輸液量和輸液速度 等。顯示部分負責顯示各參數(shù)和當前的工作狀態(tài)等，多采用led數(shù)碼管顯示或 lcd液晶顯示9。 1.3.1.2 醫(yī)用便攜式輸液器的基本工作原理 盡管各種輸液泵的輸液泵各不 相同，但其基本工作原理是類似的。下面以蠕動泵為例，介紹輸液泵的工作原 理，如圖 1-2所示。 壓板 中心輪運轉方向 擠壓輪 輸液管 圖1-2 輸液器工作原理圖 fig.1-2 working principle of transfusing facility 輸液管被擠壓在一系列均勻間隔的擠壓輪和壓板之間，對壓板施加一定的 壓力，保證輸液管完全被擠壓住，這樣在兩個相鄰擠壓輪的擠壓點之間就形成 了一個密封的空間，輸液泵運行時，中心輪帶動擠壓輪轉動，由于擠壓輪的作 用，這一密封空間的空氣或液體被推動到輸液管的出口，這樣就在輸液管的入 口處形成一部分負壓區(qū)，因此藥液在大氣壓力的作用下進入到輸液管內(nèi)的這一 部分真空區(qū)，不斷重復這一過程，藥液將一定的速度在輸液管中流動。在輸液 管內(nèi)徑一定的情況下，液體流動速度主要與中心輪的轉動速度有關。通過控制 電機的轉度來控制輸液泵中心輪的轉動速度，即可控制輸液器的輸液速度，通 過控制電機的轉數(shù)來控制輸液泵中心輪的轉數(shù)，即可控制輸液器的輸液量10。 - 4 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 1.3.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對自動輸液器的研制較早，如日本、美國和德國等國家上世紀 80 年代 末就進行了輸液器的研制?，F(xiàn)在市場上流行的大多是國外產(chǎn)品，類型多樣，性 能較好，如日本的jms株式會社的ot-601 型輸液器（控制精度為 10%） 、還有 top型輸液器，美國imed公司gemini pc-2tx 型輸液器可實現(xiàn)四路控制，還 有德國貝朗（b|braun）公司的multifuse型、perfusor compact型（控制精度 可達到 2%） 、infusomat p型和infusomat fms型，以色列也有相應的產(chǎn)品，型號 眾多。以日本的top-2200 型輸液器為例，如圖 1-3所示。 圖1-3 top-2200 型輸液器 fig.1-3 top-2200 transfusing facility 該泵功能非常齊全，幾乎涵蓋了目前醫(yī)用輸液器所能實現(xiàn)的各種功能： 1) 泵體采用蠕動工作方式；輸液速度可以在滴數(shù)和流量兩種方式下設 定，適應各種輸液狀態(tài)（15 滴、19 滴、20 滴、60 滴/ml）輸液范圍可以有 1 1000ml/h 或者 1150drops/min(最大流量范圍)，輸液精度方面，采用流量設定 時可以達到3，按照滴數(shù)方式設定時可以達到2； 2) 空液、阻塞、門開著、氣泡、電池電壓低下、輸液結束、電源轉換告 知、忘記操作、其他裝置故障等情況下報警； 3) 檢出氣泡最小體積為 0.01ml，阻塞檢出壓力可以實現(xiàn) 5 段變換； 4) 設定輸液資料記憶，蜂鳴音設定，電源切換警報等特殊功能； 5) 電源采用可再充電的內(nèi)藏電池。 國內(nèi)對輸液器的研制起步較晚，大都在 90 年代中期開始研究，目前市場上 - 5 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 也有一些國產(chǎn)輸液器，如北京科力豐高科技發(fā)展有限責任公司的 znb 系列產(chǎn) 品，深圳康福特公司也有輸液器產(chǎn)品。同國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)的輸液泵價格稍 低，但同時系統(tǒng)功能較少，氣泡、流量、阻塞等信息的檢測精度以及輸液速度 和輸液量的控制精度還有一定差距，可選擇的產(chǎn)品類型不多，市場占有率相對 較低。 1.3.2.1 醫(yī)用輸液器的動力裝置 醫(yī)用輸液器用輸液泵代替重力實現(xiàn)輸液，是 輸液器的動力源。根據(jù)輸液泵的結構和工作原理，按照不同標準的分類情況如 圖 1-4所示。固定式可實現(xiàn)精確控制，報警齊全，但體積較大，便攜式體積 小，病人可隨身攜帶，用電池作為電源，只能用于短時間的輸液；可植入式使 用方便，輸液時病人移動不會產(chǎn)生影響，但需要外科手術；機械式用正壓力來 輸送藥物和液體，沒有電源(電池或是交流電)，體積小，可攜帶，主要用于輸 送小體積，長時間或間歇輸液，通常用于化學醫(yī)療、止痛或是抗生類藥的輸 液；電子式輸液速度可達 999ml/h,，可實現(xiàn)智能控制11,12。 圖1-4 輸液泵分類 fig.1-4 sorts of transfer pumps 由于醫(yī)用輸液泵需要精確控制液體的輸液量和輸液速度，液體流動時脈動 要小，有些類型的輸液泵很難做到這一點，而且考慮到輸液管要安裝方便，藥 液不能污染等因素，因此用得最多的主要有以下兩種： 指狀蠕動泵(finger-like peristaltic pump)，又稱線性蠕動泵(linear peristaltic pump)，它體積小，重量輕，定量準確，使用方便，輸液管安裝方便。如圖 1-5 所示，這種輸液泵有一根凸輪軸，凸輪軸上有多個(一般為 12 個)凸輪，這些凸 輪的運動規(guī)律相差一定的角度，每個凸輪與一個“手指”(即滑塊)相連。工作 時，由步進電機帶動凸輪軸轉動，使滑塊按照一定順序和運動規(guī)律上下往復運 動，像波一樣依次擠壓靜脈輸液管，使輸液管中的液體以一定的速度定向流 動。這種輸液泵比較精確，容易控制。輸液泵的線性度與“手指”的數(shù)目有關， 當“手指”數(shù)目超過 8 個時，就有很明顯的線性度，脈動也明顯減少13。 - 6 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 圖1-5 指狀蠕動泵 fig.1-5 dish-like peristaltic pump 蠕動泵具有圓弧形內(nèi)周面的泵殼，在中心輪的邊緣呈軸對稱分布安裝著 一定數(shù)量的可轉動的擠壓輪，輸液管夾在擠壓輪和泵殼的圓弧形的內(nèi)周面之 間。工作時，步進電機帶動中心輪轉動，中心輪又帶動其周圍的擠壓輪轉動， 中心輪像“恒星”，擠壓輪像“行星“，擠壓輪既圍繞中心輪公轉，又繞自己軸 線自轉，可以有效減小摩擦阻力。各個擠壓輪沿著中心輪順序擠壓輸液管，使 液體以一定的方向流動14。如圖 1-6所示。 圖1-6 盤狀蠕動泵 fig.1-6 discal peristaltic pump 1.3.2.2 醫(yī)用輸液器的檢測功能 為提高輸液的可靠性和安全性，目前在市場 上存在多種醫(yī)用輸液器，大都擁有氣泡、輸液速度等檢測功能，以便實時監(jiān)測 輸液器的運行狀況，其中氣泡檢測是輸液器必備的功能。為方便輸液管的安 裝，保正藥液不被污染，通常輸液器采用的傳感器只與輸液管壁接觸，并不截 斷輸液管。 目前，輸液器氣泡檢測的方法主要有電容式、紅外光電式和超聲波式，其 - 7 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 中超聲波式檢測方法應用最為廣泛。超聲波傳感器利用超聲波在液體和空氣中 的介質(zhì)衰減不同，無須與液體接觸，只需將超聲探頭置于輸液管的兩側，通過 判斷接收端能量和頻率的變化，即可判斷輸液管中氣泡的有無以及氣泡的大 小。由于超聲波傳感器具有良好的抗干擾能力，因而可以達到很高的檢測精 度，同時通過調(diào)節(jié)超聲傳感器的參數(shù)可以控制檢測的精度大小，因而成為輸液 氣泡檢測的首選。如日本的top-2200 輸液器能夠檢測出的最小氣泡體積為 0.01ml。蘇州派斯特光電技術有限公司的ubd系列超聲波氣泡探測采用透射方 式進行氣泡檢測，也可以達到同樣的精度15, 16，如圖 1-7所示。 圖 1-7 ubd 超聲波氣泡探測器 fig. 1-7 ubd ultrasonic air bubbles detector 通過檢測輸液速度，既可以避免輸液過程中因為輸液速度異常引起的安全 問題，又可以與驅(qū)動電機形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，無限逼近設定的輸液速度，從 而實現(xiàn)輸液速度和輸液量的精確控制。目前的輸液器基本上都是采用紅外光電 傳感器來檢測輸液速度。利用對光源影響不敏感的紅外發(fā)光二極管器作為發(fā)射 端(如圖 1-8所示)，響應頻率較高的光電晶體管作為接收端。當?shù)我郝湎聲r， 接收端就會感受到光線強度的變化，并將此改變反映在電流變化上，通過采樣 電阻轉換為電壓變化，利用a/d或電壓比較器判斷是否有液滴落下，然后通過 計數(shù)器對液滴進行計數(shù)，即可轉換為輸液速度或輸液量17,18。 圖 1-8 輸液速度紅外檢測示意圖 fig. 1-8 sketch of infrared detector for transfusion rate - 8 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 利用紅外光電傳感器進行輸液速度的檢測，具有體積小，靈敏度高，線性 好，安裝方便等特點。但檢測過程中輸液管需要保持豎直狀態(tài)，否則很難保證 檢測的準確性，因而難以應用在便攜式的輸液器上，故此多數(shù)的輸液器均采用 開環(huán)控制方法。 1.3.3 發(fā)展趨勢分析發(fā)展趨勢分析 雖然醫(yī)用便攜式智能輸液器研制的時間很早，但直到近幾年其臨床應用才 受到重視，各種輸液器產(chǎn)品如雨后春筍般迅速推出。隨著人們對智能輸液器臨 床應用效果的認可，智能輸液器進入了快速發(fā)展階段。通過對智能輸液器產(chǎn)品 性能發(fā)展情況的分析，發(fā)現(xiàn)目前輸液器的發(fā)展存在以下趨勢： 小型化和便攜化：現(xiàn)在市場上的各種便攜式輸液器，由于輸液泵、驅(qū)動電 機和便攜電源等方面因素的限制，體積依舊臃腫，重量仍然較大，便攜程度不 能夠滿足需要。各公司都在研究更加便攜化的輸液器，如minimed公司用于糖 尿病治療的 507 型產(chǎn)品，現(xiàn)在可隨身攜帶而不影響大多數(shù)日常生活，甚至可帶 著輸液器洗澡或游泳19。 智能化：隨著醫(yī)療水平的發(fā)展，人們希望醫(yī)療設備本身能夠具有較高的智 能化，不需要護理人員的復雜操作，而是通過醫(yī)療器械上的傳感器自動感應病 人的身體狀況，自動控制設備的運行。對輸液器亦是如此，如對糖尿病患者而 言，可在病人皮下植入連續(xù)血糖測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個小型傳感器，它每 隔一段時間檢測皮下體液并獲得血糖數(shù)據(jù)。當血糖過高時，系統(tǒng)將發(fā)出警報。 輸液器根據(jù)血糖傳感器測得糖尿病患者的血糖水平，然后自動控制輸液器向患 者體內(nèi)注射胰島素的量，真正實現(xiàn)智能輸送20。 低成本化：目前的輸液器產(chǎn)品，功能已基本上可以滿足臨床需要。但產(chǎn)品 價格昂貴，即使是價格稍低的國內(nèi)產(chǎn)品，一臺也要 1.52 萬，難以被大多數(shù)的 消費群體接受，不易普及，應用范圍窄。因而無論對于希望獲取利潤的企業(yè)還 是對于有使用需要的病人來說，如何在保證系統(tǒng)功能和精度滿足需要，使用安 全方便的基礎上，減少輸液器產(chǎn)品的成本，都是目前迫切需要解決的問題。 人性化：功能智能化，操作人性化，是人們對產(chǎn)品的普遍要求。目前各智 能輸液器生產(chǎn)廠商，除了提高產(chǎn)品的性能，也在產(chǎn)品的人性化上大下功夫：操 作簡單明了；通過按鍵互鎖、信息提示或操作確認等方式，避免使用者因為誤 按鍵而產(chǎn)生輸液異常，提高使用的安全性；操作界面美觀，提示聲音多樣、悅 耳，報警聲音易于引起人們的注意等21, 22。 - 9 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 1.4 課題主要研究內(nèi)容課題主要研究內(nèi)容 綜上分析，本課題的主要任務就是要以較低的成本實現(xiàn)輸液器的基本功能 和必要的輸液精度的要求： 1) 氣泡檢測裝置的研制 作為醫(yī)療設備，在輸液過程中決不允許有氣泡隨 藥液進入病人體內(nèi)，由于用于微小氣泡檢測的傳感器產(chǎn)品非常昂貴，為降低系 統(tǒng)成本，在課題中要自行研制只接觸輸液管壁即可檢測氣泡的氣泡探測器，對 輸液過程進行實時地監(jiān)測，保證輸液的安全性。這是設計的重點和難點。 2) 輸液器動力裝置研制 輸液器動力裝置結構上主要包括輸液泵和驅(qū)動電 動機兩部分，國內(nèi)外輸液泵產(chǎn)品按照工作原理可以分為兩種：一種推擠式，即 將藥液注入系統(tǒng)的容器中，通過類似活塞的推擠運動將藥液向前移動；另一種 是擠壓式，即利用泵體對輸液管的擠壓為藥液的輸送提供動力。為提高使用的 方便性，選擇擠壓式輸液泵。課題中以電動機的驅(qū)動為重點，輸液泵則在已有 泵體的基礎上進行改進。要求該裝置能夠滿足控制精度和穩(wěn)定性需要、輸液過 程平穩(wěn)、脈動小，易于控制、成本低廉。 3) 輔助功能設計 考慮便攜式電子設備的特點，設計性價比較高的人性化 的輔助功能。如設計控制鍵盤和 lcd 顯示功能，方便使用者控制輸液器的運 行和設置輸液速度和輸液量參數(shù)；為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，對電源電壓 進行監(jiān)測；在輸液過程中出現(xiàn)異常情況時能夠通過聲音和 led 燈發(fā)出報警； 參數(shù)設置記憶功能避免用戶重復設置同一輸液參數(shù)， 4) 實驗分析 完成輸液器系統(tǒng)實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，分析影響系 統(tǒng)性能的因素，改進設計不足，使系統(tǒng)最終滿足設計要求。 - 10 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第2章 氣泡監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn)第2章 氣泡監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn) 2.1 氣泡監(jiān)測方案選擇氣泡監(jiān)測方案選擇 在靜脈輸液過程中，如果因為藥液溫度與室內(nèi)溫度相差較大等原因而產(chǎn)生 的氣泡或藥液走空未被及時發(fā)現(xiàn)時，空氣就會隨藥液的流動進入到人體，對人 體產(chǎn)生一定的作用。若進入空氣量小，則會分散到毛細血管，與血紅蛋白結 合，或彌散至肺泡，隨呼吸排出體外，不會對人體造成損害；但當進入的空氣 量大且比較迅速時，則進入的空氣會由于心臟的收縮，而受到心臟收縮力的沖 擊，形成無數(shù)的小氣泡，妨礙靜脈血液向心臟的回流和向肺動脈的輸入，造成 嚴重的循環(huán)阻塞，加之還有一部