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输液泵堵塞监控电路设计研究

2021/01/15 阅读:

针对输液泵必备的堵塞监控设计,本文介绍一种基于集成运放搭建的,间接进行堵塞监控的电机电流检测电路,相对于已有的压力传感器方案,具有兼容性好、精准度高、安全性强、生产成本低、工艺要求低等优势。

1背景

输液泵是预期通过泵产生的正压来控制流入患者体内的液体流量的设备。目前常用的是便携式电动输液泵,可由患者携带,通过电机驱动产生正压,将液体通过输液管路传输至患者体内。常用于需要严格控制输液量的情况,如在应用升压药物,抗心律失常药物,婴幼儿静脉输液或静脉麻醉时。根据相应的国标、行标要求,便携式输液泵必须具备相应的堵塞报警功能。目前采用的方案是对输注系统的末端进行监控。当输液管路发生堵塞时,输注产生的正压将会使管内压力大于正常输注时的最大值,硅胶管路因管内压力产生的最大形变随之变大,管壁对相邻器件的压力也将会增大;通过紧贴输液管路的压力传感器,检测管壁膨胀产生的对外压力,可以推算管路内部压力大小,进而判断管路是否堵塞。但是压力传感器检测堵塞方案存在明显问题:为保证监控的高精准度,输液泵驱动装置和配用装置的加工精度,以及二者之间的装配精度都必须保持在较高的水平上,否则管路堵塞检测精度就难以保证;同时为了保证监控精度,需要采用高精度的压力传感器,费用控制困难。因此,该方案难以推广应用。本文则介绍一种在输注系统的源头——电机处监控管路是否产生堵塞的方法。

2堵塞监控设计思路

输液泵为了实现药液输注,通常采用电机作为动力来源,通过相应的传动装置,挤压输液管路,产生正压,迫使药液流入患者体内。如图1所示就是一种常见的输注系统,电机按照一定方向驱动凸轮轴旋转,使挤压件和两个阀门件按照顺序交替向前挤压输液管路,产生正压,完成输液功能。一般而言,输液泵所用电机多为直流电机。对于该类电机而言,当电机电流小于额定电流时,电流和扭矩成正比;当电流超过额定电流时,扭矩不再随电流增加。当输液泵发生堵塞时,药液无法正常流出,管内压力增强,电机此时还未停止挤压,输注系统产生的正压继续将药液向前推动,因此管内压力继续增大,直至管内持续负压和挤压系统产生的瞬时正压形成平衡。此时输液管内压力要明显大于正常输注时的压力,挤压系统也需要更大的力才能继续向前挤压输液管路,因此驱动电机也需要产生更大的转矩来维持输注系统运转。因此,对于特定的直流电机,可以通过检测电机驱动电流,推算电机输出转矩,进而判断输液泵是否发生堵塞。

3关键电路设计

3.1电流检测电路设计思路

在实际电路中,电流难以直接检测,为此我们运用欧姆定律,将电流转换为容易检测的电压。此处我们采用1Ω精密电阻,串联在电机负极和地之间。一方面后期数值容易计算,另一方面电阻阻值小对电机性能影响不大。用示波器观察电阻分压信号可知,电机电流信号为交流分量和直流分量相叠加;堵塞时相比正常输注时,电机电流最大值相差约几十毫安;存在非周期性的脉冲杂波。因此,需要对电阻分压信号进行进一步的整形、放大处理。

3.2信号优化处理

采集到的电机电流信号,最终需要送到单片机的输入引脚,经单片机内部AD转换,监测电机电流数值变化,判断输液泵是否发生堵塞。常用STM32单片机内部AD输入电压范围为0~2.5V,因此最终处理后的信号应在该范围之内。本文中采用集成运放进行信号优化处理。如图2所示。电路输入部分,电阻分压产生的电压信号,先经C1和R1组成高通滤波电路,将电机电流的直流分量滤除(正常输注和堵塞时均为相同常数,滤除后不影响判断准确度);同时电机起转瞬间,会产生一个持续时间很短的尖峰脉冲,峰值一般都大于正常输注和堵塞时的信号峰值,这会影响判断的准确度,因此增加C2接地电容,将高频分量滤除,进一步优化信号。电路放大部分,反馈回路增加小电容C3。一方面进行相位补偿,调整反馈量和输入信号的相位差,防止产生自激;另一方面,通直流隔交流,减小高频信号的放大倍数,使目标频率信号更加突出。电路输出部分,在运放输出端和单片机I/O口之间,增添一个低通滤波器(R4和C4),滤除高频杂波,使信号平滑,优化信号。基于运放的输液泵监控电路,可以将电机电流整形为可以供单片机内部AD识别的电压信号,进而推算直流电机对外输出力矩,判断输注系统堵塞情况。同时避免了使用压力传感器,减少由产品结构工艺所带来的误差,提高了输液泵堵塞检测的有效性和安全性。另外,此电路对不同类型的电机具有很好的适配性,在电机的各种应用场合均有参考价值,具有较好的应用前景。

作者:毛元龙 侯小飞 李正 赵彩云 肖小兵 单位:河南驼人医疗器械研究院有限公司河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室

输液泵堵塞监控电路设计研究

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