基于嵌入式的术后引流负压吸引器的设计

摘要：为了稳定精确地将病人术后腹腔内积累的各种脏器分泌液排出体外，提出一种基于嵌入式系统的负压吸引器。该系统采用气压传感器、重力感应器、PH值传感器、电磁阀和薄膜泵等模块，通过检测病人体内的腔压来调整负压实现体液的引流，并能实时监控病人排出液的各项参数。经过测试，该系统能动态控制负压引流并精确测量排出体液的参数，具有稳定可靠的特性。
关键词：负压吸引；嵌入式；引流；气压检测；pH值检测；流量检测

由于很多病人手术后脏器创口没有得到有效的愈合，此时会在腹腔内积累各种液体。最为常见的就是在临床中，为了保证肠道患者在术后能尽快康复，就需要将来自胃的低PH值的消化液借助引流设备排出体外。目前国内外市场上通常使用一次性负压吸引袋或机械式吸引器将体液引流至体外。但是这种方法产生的负压并不稳定，吸引的压强可能会有较大的变化，导致负压吸引的效果不理想。同时一次性负压吸引袋的后期垃圾处理较为复杂，如果处理不当，易造成较大污染。最重要的是，传统方式气密性不理想，容易造成倒灌而造成患者的二次感染。
相比之下，嵌入式系统通过检测体内腔压的方式控制引流，能动态控制负压大小，也能实时监控病人的体液的各种参数，稳定性好。同时具有自动清洗的功能，操作便捷。并能在液晶显示屏上显示有好的界面，实时更新病人排出体液的PH值、体积、流速、质量等参数。同时，本系统提供了友好的操作界面。医护人员可以通过选择不同的手术类型设置负压引流的类型。为了保障病人的安全，该系统还能检测异常情况，产生报警信号，并及时将报警信息通过网络传递至急救中心。

1 系统设计原理
术后引流负压吸引器整体上是利用气压检测模块检测体内腔压，并使用两级电磁阀及薄膜泵的组合动态控制体内腔压，流速等关键性能指标。
灭菌缓冲接口：将通过该接口的病人腔内液体做前级灭菌、过滤及隔离处理。
气压检测模块：通过测量检测容器内的气压得出与管子连通的病人体内的压强。
缓冲容器：用于装载一个周期时间内病人分泌的体液。这一级缓冲主要用于对当前流量的进行检测。该容器装载在重力检测模块上，能精确测量缓冲容器前后的质量变化，并由此得出排出液的质量。再利用人体体液参数计算出病人排出的体液的体积。
缓冲容器所接的气囊：用于防止容器的内压过大。
薄膜泵：一种离心水泵，适用于输送高腐蚀、固液两相介质，也是目前世界上最为先进的料浆输送设备。由于病人术后的体内废液可能会有较为复杂的成分(如渗漏的消化液)，有时会有较低的pH值，因此薄膜泵是本系统最好的选择。
电磁阀：具有良好的气密性，可以防止微漏，起到第二重保护作用，在薄膜泵完全开启并开始工作之前，可能会瞬时出现后级的压强暂时大于前级的压强的情况，使用电磁阀可以防止后级的液体倒灌到前级进入病人的体内，有效保障了病人的健康。
吸收容器：含有弱碱性吸收剂，可以有效吸收来自缓冲容器的体液并中和酸性。

2．1 机械部分设计
主要由薄膜泵、电磁阀、计量集液瓶(缓冲容器)、支架和连接导管构成。
根据现有科研数据，肠胃道术后对患者进行负压引流时最佳负压大小为-7～-5 kPa，系统使用容器截面积约为24cm2，使用P09A12R型薄膜泵，可实现至少-7 kPa的负压。电磁阀采用BOSUN-2W250-25-DC12V型电磁阀，具有良好的气密性。经测试，采用这两款薄膜泵和电磁阀能够实现最高8 mL／s抽取速度，完全能够满足对病人体液的抽取。
2．2 功率驱动部分设计
负责执行主控模块对机械部分薄膜泵和电磁阀的控制。

同时也起到了对控制模块和机械模块之间的隔离作用，防止强电串扰至弱电毁坏控制电路。使用4个NPN型MOS管IRF3205(Vdss=55 V，导通电阻Rds=0．8 mΩ，极限电流80 A)驱动薄膜泵和电磁阀并使用IR4427实现主控模块对MOS管的驱动。
2．3 传感器检测部分
由称重传感器、表压传感器、pH值传感器等传感器件构成，主要完成对病人腔压、负压吸引器产生的负压、体液的抽取速度、以及其它医学参数(如体液的pN值等)的测量。
称重传感器设计：压力应变片内部电桥阻值分布能够根据外部压力的大小而线性变化。采用20 kg压力应变片与信号调理电路实现。变化范围仅有50μV左右。首先使用精密仪放INA118构成前级信号放大，将信号放大5 000倍，再用通用运放LM358对信号做进一步放大和电平调整，使所称重量在0～100 g间变化时输出电压范围为0．2～2．5 V，方便主控模块使用AD采样。