1 背景和意义在科技飞速发展的今天，很多领域都需要进行精准的控制，在医疗输液的时候 对药物的流速和流量也要求进行精确的控制。临床治疗方法中，静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。临床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。输液过快，可能会导致中毒，更严重时会导致水肿和心力衰竭; 输液过慢则可能发生药量不够或无谓地延长输液时间，使治疗受影响并给患者和护理工作增加不必要的负担。常规临床输液，普遍采用挂瓶输液，并用眼睛观察，依靠手动夹子来控制药滴速度，不易精确控制输液速度，而且工作量大。如果是重症患 者，比如癌症病人和需要进行抢救的病患，这时候进行输液要求药物必须以科学 的计量和稳定的速度进行输液，因为只有这样治疗的效果才能达到最佳，同时药 物的副作用也会降到最低。 糖尿病人在注射胰岛素的时候最好是稳定的速度进行注射，但是现在都是一 次注射较多的胰岛素，这样不仅仅会使药物浪费，而且也使药效持续时间较短， 因此需要一种能够精确控制药物输送速度和流量的装置。另外，对于老年人、儿 童和体制较弱的患者使用麻醉剂或者特殊的药物时，输液的速度和药物计量都需 要进行科学的控制，否则会对患者造成严重后果。 基于以上多种原因，医院需要在无人职守的输液过程中出现各种不正常情况 进行及时报警的设备，因此就出现了智能输液泵这种医疗辅助装置。智能输液泵 能够减轻护士的工作量，提高输液过程中的安全性和精确度，提高了对患者的护 理水平。智能输液泵可以在内科、外科、儿科、心血管科、急诊科和手术室，特别适用于在重症监护室病房对患者的输液治疗1。 早在几年前，国外每个病床都配备了输液泵，而我国目前也只是在些大医院 才能用上输液泵，且均为进口品牌，价格在二万元左右，比较昂贵，使些中小医 院望尘莫及。对于中国的医疗业来说, 输液泵、注射泵是个新兴产业，只有近 10 年的发展历程，由于进口输液泵的价格是国产泵价格的 2-3 倍，所以政府大力鼓励 扶持国内产业；目前国内具有规模实力的厂家也不足 10 家，并且国产输液泵基本 都是抄袭国外的技术，技术陈旧；既使具有自主知识产权的厂家，仅外观稍做了 改动，其技术上并没有太大的更新，因此输液泵在国内还有很大的研究空间。2 常用的原理和系统结构2.1 输液泵的功能对与任何一款医用智能输液泵来说，他首先要满足以下功能（ 1）能够准确测定和把控输液进度；（ 2）能够准确测定和把控输液多少； （ 3）能够对输液过程中产生的各种状况进行报警，并及时停止输液； （ 4）可以根据医生的需要对输液进行智能控制；（ 5）可显示瓶量和滴速；2.2 输液泵的系统结构 输液泵系统主要由微机系统、泵装置、监测装置、报警装置和输入及显示装置组成。如图2-1所示 图2-1 输液泵系统结构微机系统是整个系统的“大脑”,对整个系统进行智能控制和管理,并对检测信号进行处理,一般采用单片机系统。如输液泵采用的是高度集成的32 位ARMCPU系统对输液过程实施全面控制,且采用双CPU工作,确保了系统的安全。泵装置是整个系统的“心脏”,是输送液体的动力源 医用输液泵一般采用的是指状蠕动泵作为动力源。指状蠕动泵是利用滚轮转动,使输液泵管路一定部位受到挤压,产生蠕动,从而推动液体向前流动。指状蠕动泵具有体积小,重量轻,定量准确及输液管装卸方便等特点,使用最为广泛。这种泵有一根凸轮轴,凸轮轴上有多个凸轮,这些凸轮的运动规律相差一定的角度,每个凸轮与一个指状滑块相连。工作时,由步进电机带动凸轮轴转动,使滑块按照一定顺序和运动规律上下往复运动,像波一样依次挤压静脉输液管,使输液管中的液体以一定的速度定向流动。指状蠕动泵比较精确,可大范围控制输液总量和输液速度;当“手指”的数目超过8个时(一般为12个),泵的线性度良好,输液时不易产生脉动,使输液泵具有安全性和稳定性监测装置主要有多种传感器组成,输液泵配有红外滴数传感器、压力式传感器和超声波气泡传感器等,它们分别用于液体流速和流量、堵塞压力及漏液和气泡的检测。报警系统是传感器感应到的信号经微机处理后,得出报警控制信号,再由报警装置响应,引起人们的注意,同时进行正确的处理。具有光电报警和声音报警功能,对输液过程中出现断电、泵门未关、低温、输液完成、电池欠压、管路阻塞和管路中出现气泡等异常情况进行报警。输入及显示装置的输入部分负责设定输液的各个参数,如输液量和输液速度等。显示部分负责显示各参数和当前的工作状态等。2.3 系统构成和实现功能本文介绍的一种输液泵采用单片机作为控制核心2，采用红外检测 的方法进行液滴，采用超声检测的方法进行气泡的检测，并采用步进电机和蠕动泵控制输液速度，采用触力传感器进行输液速度闭环检测系统示意图如图 2-22-2 输液泵系统示意图系统可通过监控器上的按键手动设定瓶量/速度。 并且将设定的液滴速度与当前液滴速度进行比较，通过调节步进电机转矩角 控制蠕动泵调整输液速度，使之与设定速度一致，并将当前液滴速度在监控器的 LED 显示装置中进行显示。 当输液结束（无液滴落下）或出现输液异常（有气泡或堵塞）时，报警灯闪 烁同时发出报警声音，同时关闭步进电机，停止输液3。图2-3是输液泵系统的组成框图图 2-3 系统组成框图3 输液泵硬件电路介绍3.1 液滴检测装置液滴检测采用红外的方法，具体方法如下：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。示意图见3-1 3-1 红外线液滴检测装置示意图电路图如图3-2所示图3-2 液滴检测装置电路图D1和D2分别是发光二极管和光敏电阻，当有水滴落下时，光敏二极管接收到的光将减少，从而导致光敏二极管两端的电压增大，将该电压与电压比较器设定的初始电压进行比较，电压比较器将会在高低电平间转化，通过记录转化的次数就能确定下落水滴的滴数，从而进行计数以及液位报警3.2气泡检测装置 超声波是在脉冲电压激励下，由换能晶片发生振动而产生的一种波，其振动频率大于20kHz以上，每秒的振动次数(频率)很高，超出了人耳听觉的上限(20kHz)。超声和可闻声都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式。超声波具有频率高，波长短，绕射现象小，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性等特点。 并且超声波能在空气、水、液体及金属等固体中传播。超声波在不同的传播介质中的声阻抗是不同的,同一种超声波传感器一般不能用于不同的介质。例如,空气与水和钢的声阻抗比分别为13.4103、11105,它们的声阻抗差别非常大。因此利用超声波的这一特性,设计了一种监测空气气泡的传感器，此传感器用于血液体外循环时，检测液体管路中的空气气泡4。检测装置示意图如图3-3所示，超声发射探头发射超声波穿过输液管后被超声接收探头接收，并由接收端的超声波换能器转换成与发射频率同频的被传输过程中介质所损耗后的微弱电信号。 图3-3 超声气泡检测装置示意图没有混入空气泡的正常情况下,液体密度相对稳定,超声波在液体中顺利的传输到接收端,信号几乎没有大的畸变(如图3-4)。若流动的液体中有大小不等的气泡,液体的密度将降低,超声波在传播路径上还会被空气泡散射,与正常情况下相比,接收端接收到的能量将衰减,信号波形也将产生畸变,幅值变小,其衰减程度及时间也会与气泡大小、形状和气泡多少有关(如图3-5)。 图 3-4 超声波正常通过管路的波形 图 3-5 管路中混入气泡时的波形 3.3超声波接收电路超声波接收电路参见图3-6。接收用超声波换能器的共振频率应该与发生器一致,它接收来自穿过管壁、空气隙以及液体(如血液等)后衰减了的超声波信号。这图3-6超声波接收电路个信号较微弱,经二极管双向限幅后送给高输入阻抗的比较器芯片,经与参考电压比较产生脉冲信号,以识别出液体中是否混有空气泡。当液体中混入气泡时,检测到的脉冲信号幅度降低,比较器输出为“低”,否则为“高”。比较器同相输入端接有RC电路,用以吸收超声波发生器共振时产生的高次谐波。3.4检测灵敏度调节电路临床应用中，根据患者的个体情况设置监控灵敏度。如果灵敏度设计较高，则系统频繁报警而最终停止工作；如果灵敏度设计较低，则可能导致一些无法预测的故障。但在管路的安装过程中，工作人员的不规范操作将会导致管路与传感器问的间隙不一致，这样会产生波传感器的收发模块与管壁的可靠性接触等问题，从而影响传感器的灵敏度。图3-7检测灵敏度调节电路图3-7所示电路是用于灵敏度自动调节的。时钟振荡电路产生1MHz的时钟信号,经可编程分频器后送到二进制加法计数器的时钟端,而超声波检测电路检测到的超声波脉冲信号加在该计数器的“清零”端(Cr高电平有效)。其实现原理是这样的:在液体正常流动且没有混入空气气泡时,接收端检测到的超声波脉冲信号幅度足够大,可以经比较器得到与超声波共振频率一致的脉冲信号,这个信号能确保在计数器溢出之前清“0”,使计数器不能发出报警触发信号；当液体中混入气泡时,接收端检测到的超声波脉冲信号的幅度在该气泡通过传感器检测面时衰减较大,此期间比较器输出为低,计数器不能正常“清0”,加法计数器计数溢出后触发报警电路产生声、光报警提示医护人员及时处理。液体中混入单个气泡的大小,连续气泡的持续时间均会直接引起比较器输出端低电平持续时间的改变。调节可编程分频器的分频系数也就能改变加法计数器的溢出时间,这个时间段能否被“清0”,则与空气泡的大小、连续多少有关。因此,改变分频系数也就能调节气泡灵敏度的阈值5。3.5输液速度控制与闭环检测 输液速度由步进电机控制，每接收到一个脉冲步进电机旋转一个固定角度，驱动脉冲，控制电动机运行速度。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。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为步进电动机每运行一步输液泵输出药液的体积，N为驱动脉冲数目，S为输液管的横截面面积，s为步进电动机的步距角，D0为转轮工作直径。通过控制脉冲频率即可设置输液泵的输液速度。另外还可以通过闭环检测电路对实际输液速度进行监控，如图3-8图3-8 输液速度闭环检测电路FSS1500NST使用专门设计的精制压电硅电阻传感元件，具有精密可靠的力传感性能。具有小功率、无放大、无补偿特点的惠斯通电桥电路设计，该传感器通过不锈钢球，将施加的触力直接集中到硅传感元件上，电阻值随施加力而变化，可在测力范围内提供稳定mV级输出信号。惠斯通电桥就是利用压电电阻的高级触力传感器，这个结构可以测量桥式电路两臂平衡时其中一个臂上的未知电阻，如图7所示的压电电阻R1。激励电压或激励电流被施加于桥上，施加到压电元件的压力可以改变该电阻，因此产生电压变化。原理如下：ADR361提供稳定的2.5 V输出电压。经过放大的V0加上基准电压2.5 V，作为模拟信号Uo输出到DSP进行A/D转换，与事先设置的数值比较。若有误差则调整脉冲频率，使输液速度始终稳定在设置的输液速度上。4 发展前景1、功能会更全面： 既能静脉给药，也能输血、输送肠内营养液等；2、耗材会更廉价: 无需使用专