注射泵控制系統(tǒng)設計

摘要：注射泵是一種數(shù)字化、智能化的醫(yī)療儀器，主要用于在臨床上實現(xiàn)高精度的輸注藥液。文章描述了注射泵控制系統(tǒng)的設計思想、各個模塊的硬件實現(xiàn)，以及相應的軟件設計。實踐運行表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞：醫(yī)療儀器；注射泵；控制系統(tǒng)
1、 前言
隨著臨床醫(yī)藥科學技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)理所床醫(yī)學對給藥的方式要求越來越高。傳統(tǒng)的注射方式——護士使用注射器或吊瓶注射由于無法精確地控制輸液速度和輸液量，在許多醫(yī)護條件下都面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。注射泵是用于臨床高精度輸注藥液的醫(yī)療儀器，已經(jīng)應用在輸血、麻醉注射、抗生素攝入、止痛藥注射等領(lǐng)域。注射泵由微處理器控制，具有恒定壓力，完善數(shù)據(jù)顯示，能按需要值精確控制輸液速度和輸液量；能24 h維持靜脈輸液，保證血藥有效濃度，減少輸液副作用及并發(fā)癥；輸液堵塞或輸液完畢能及時報警提示護士進行處理。注射汞的注射效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的注射器和吊瓶輸液。在歐美國家，注射泵的研制和應用都已進入一個相對成熟和穩(wěn)定的階段，而國內(nèi)注射泵的研制和臨床使用尚落后于歐美國家，只在中心城市的大醫(yī)院才獲得應用，目前仍處于推廣階段，因此注射泵的市場前景很廣闊。注射泵的推廣和普及，對于我國各級醫(yī)院現(xiàn)代化水平的提高和我國衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
2、 控制系統(tǒng)硬件組成
注射泵控制系統(tǒng)主要包括步進電機驅(qū)動模塊、電源模塊、多通道數(shù)據(jù)采集及處理、串行時鐘、聲光報警和狀態(tài)指示模塊、鍵盤和液晶顯示、EEPROM和看門狗監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 步進電機驅(qū)動器
步進電機驅(qū)動器用于驅(qū)動步進電機，推動注射器進行注射。采用AT89C2051作為涉進電機驅(qū)動電路的控制器，用于控制4相（A、B、C、D相）混合式步進電機。功率放大電路采用單極性驅(qū)動電路，共有4路控制電路，每一路分別控制步進電機的一相。步進電機采用4相8拍的工作方式，在這種工作方式下，每拍通電的相磁極和轉(zhuǎn)換情況如下：

2.2 電源模塊
系統(tǒng)由外部交流電源和內(nèi)部電池供電。外部交流電源采用開關(guān)電源，提供17V輸入。內(nèi)部電池采用10節(jié)鎳氫電池，正常工作時提供12V左右電壓輸入。有外部交流電源時，系統(tǒng)由外部交流電源供電，同時對內(nèi)部電池進行充電；無外部交流電源時由內(nèi)部電池供電。系統(tǒng)工作過程中，如外部電源意外掉電，則自動切換為內(nèi)部電池供電，且切換過程中不影響系統(tǒng)工作狀態(tài)。電源切換和電池充電電路如圖2所示。

電源的供電順序和電源之間的自動切換通過二極管實現(xiàn)。兩路電源分別通過兩個二要管時產(chǎn)生相同的壓降，利用二極管的單向?qū)ㄐ裕瑑陕冯娫赐瑫r供電時就實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的供電順序及電源之間的自動切換。同時由于二極管工作頻率很高，導通時間非常短，因此電源切換時間非常短，不足以引起系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變。
電池充電電路實際上是一個恒流源，核心器件是集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T。LM317T在電源電壓足夠的情況下可以保持其Vout端比其ADJ端電壓高1.25V。如圖所示，ADJ端直接與待充電池相連。但ADJ端的內(nèi)阻很大，可近似看作開路，則跨接在Vout端與ADJ端的電阻R1上將有1.25/ R1的電流流過。該電流便流過電池，對電池進行了恒流充電。
2.3 多通道數(shù)據(jù)采集及處理
多通道數(shù)據(jù)采集及處理電路主要完成檢測注射器型號、注射泵注射阻塞判斷、電池充電控制、電源供電狀況等任務，如圖3所示。多通道數(shù)據(jù)采集采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1543，TLC1543采用串行控制，具有10位轉(zhuǎn)換精度，11路模擬輸入通道（A0-A10），芯片內(nèi)部自帶采樣、保持功能。

在設計中，通道A0用于檢測注射器型號，通道A1用于檢測注射器阻塞信號，通道A2用于檢測電池電壓，通道A3用于檢測外部開關(guān)電源電壓。
串行時鐘提供時間信息，主要用于確定注射泵已經(jīng)注射的時間，并在液晶上顯示。時鐘芯片采用Dallas半導體公司生產(chǎn)的DS1302芯片。DS1302是實時時鐘，可對秒、分、小時、日、周、月及帶閏年補償?shù)哪赀M行計數(shù)。
2.5 鍵盤、液晶及報警電路
鍵盤電路主要完成監(jiān)控軟件各種功能的控制，包括流向預輸量和注射速度等參數(shù)的輸入、啟動/停止的控制、快排控制、報警消除、輸入模式的選擇、報警聲音大小的選擇，液晶是否需要背光的選擇以及鍵盤鎖定的選擇。鍵盤采用4×5防水薄膜觸摸鍵盤，鍵盤掃描電路由74LS373和74LS245構(gòu)成。
液晶用于實時顯示注射泵的各種參數(shù)和運行狀態(tài)，如預輸量、注射速度、累計量、已經(jīng)注射時間、注射運行標志、電池的電量、使用的注射器型號等，使操作者能夠?qū)崟r掌握注射泵工作狀態(tài)，同時為人工控制注射泵提供良好的控制界面的特殊性，采用定制的液晶，預先把要顯示的參數(shù)、字符定制到液晶里面。液晶顯示采用芯片HT1621控制，HT1621直接與微控制器4線串行接口，控制簡單。
報警電路用于當注射泵工作過程中出現(xiàn)電池電量不足、注射完畢、注射器阻塞等影響注射泵正常工作的情況時提供聲光報警功能。報警聲音由蜂鳴器提供，有兩組蜂鳴器，提供高和低兩種報警聲音。發(fā)光二極管提供報警功能。
2.6 看門狗監(jiān)控及EEPROM
看門狗電路提供系統(tǒng)的可靠復位和系統(tǒng)運行出錯死機時的自動恢復，EEPROM用于存儲一些掉電應當存貯的重要參數(shù)，以便使前一次修改的參數(shù)設置能保存下來，以備下一次使用。芯片X5045就完成上述兩項能。 X5045具有可編程看門狗定時器，內(nèi)部EEPROM可存儲512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，可重復擦寫100，000次，數(shù)據(jù)保存100年不丟失，完全滿足上述要求。
3、 系統(tǒng)軟件設計
注射泵控制系統(tǒng)軟件包括主控程序和步進電機驅(qū)動程序。主控程序用于控制整個系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動程序診斷模塊、調(diào)試模塊、鍵盤處理模塊、液晶顯示模塊、多路數(shù)據(jù)采集模塊、報警處理模塊和電源處理模塊，其流程如圖4所示。
初始化模塊包括液晶初始化、串行時鐘初始化、看門狗初始化和全局參數(shù)初始化。自診斷模塊完成判斷注射泵是否能運行正常，診斷的內(nèi)容有步進電機廠能否轉(zhuǎn)動、數(shù)據(jù)采集模塊能否正確采集、壓力傳感器是否已經(jīng)安裝。調(diào)試模塊用于系統(tǒng)工作在調(diào)試模式而非用戶模式時調(diào)試整個系統(tǒng)，主要包括關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測量、顯示、設置和系統(tǒng)的運行測試。鍵盤處理模塊完成各種輸入?yún)?shù)的處理和相應的控制命令的執(zhí)行。液晶顯示用于用于實時顯示注射泵的各種流向參數(shù)和運行狀態(tài)以及控制不同顯示界面之間的切換。多路數(shù)據(jù)采集模塊定時采集多路模擬信號和數(shù)字信號，并對采集結(jié)果進行相應的處理。報警處理模塊實現(xiàn)對不同報警信號進行相應的處理，并進行聲光報警以提醒用戶。電源處理模塊主要實現(xiàn)對電池充電進行控制，并對電源供電狀況進行指示。

4、 系統(tǒng)抗干擾措施
由于該系統(tǒng)直接應用于醫(yī)療衛(wèi)生部門，可靠性問題尢為重要。保證系統(tǒng)可靠性的措施主要包括硬件方面和軟件方面。
4.1 硬件方面主要措施
（1） 在系統(tǒng)外圍設施加入浪涌吸收器、電源濾波器；
（2） 模擬地、數(shù)字地、屏蔽地正確連接；
（3） 步進電機電源加濾波電路、步進電機驅(qū)動電路和控制電路光耦隔離；
（4） 電路板上每個芯片并接一個 0.01-0.1μF高頻電容；
（5） 電路板合理分區(qū)和布線。
4.2 軟件方面主要措施
（1） 對采集的數(shù)據(jù)進行軟件濾波，保證數(shù)據(jù)采集可靠性；
（2） 加強鍵盤操作的安全性和容錯性；
（3） 在程序適當?shù)牡胤郊颖车貑巫止?jié)的空操作NOP指令；
（4） 不斷地更新關(guān)鍵的I/O端口和一些重要的寄存器。
5、 結(jié)束語
文章討論了注射泵控制系統(tǒng)的設計，提出了一套可實現(xiàn)的注射泵控制系統(tǒng)的硬件和軟件方案實現(xiàn)了對輸注藥液的注射速度和注射量進行高精度的控制。自從成功研制以來，該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定、可靠，經(jīng)測試表明注射精度在±3%之內(nèi)，滿足了國家醫(yī)療衛(wèi)生部門對注射泵的精度要求，現(xiàn)正在進行臨床測試。