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。

输液器的最大输液速度为200 gtt/min(10 ml/min)，可算出输