一种基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器

摘要

本发明公开了一种基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，包括控制模块，控制模块包括通信单元、I/O单元、I2C单元、滤波单元、模糊PID求解单元、输出单元、报警单元和时钟单元。本发明增加了BIS反馈，可以根据每个病人不同的体质设置相适应的BIS值基准，并通过BIS反馈环对麻醉剂给药量进行实时调整，克服了开环系统不可调节、精度低的缺点，确保麻醉过程的安全可靠，也更加人性化。

说明书

技术领域

本发明属于麻醉靶控输注泵控制技术领域，涉及一种基于BIS反馈的麻 醉靶控输注泵控制器。

背景技术

麻醉技术在医疗行业被大量使用，用于缓解患者手术等治疗过程中的痛 感，便于治疗过程顺利进行。但是对于麻痹深度的控制一直是医学界的一个 难题，麻痹程度不够或者过麻痹都会对患者造成严重的甚至是致命的影响。 由于药物在人体内有复杂的分布、代谢和效应过程，普通的注射泵不能实现 稳定的药物效应。为了克服这些缺点，国内外开始利用靶控输注技术研发出 更适合人体输注的靶控输注泵及其控制器，如文献（1）瞿雪芬，靶控输注泵 及利用该输注泵的计算机辅助输注系统，中国专利申请号：200620061690.2； （2）吴琦，靶控注射泵，中国专利申请号：02253495.4；（3）萨蒂什·桑达尔， 斯瓦米纳坦·巴拉克里希南，伊凡·麦尔尼科，高精度输注泵控制器，申请号： CN200880115087.X；（4）施介一，谢鸿鸣，姚建辉，电子输注泵及其控制方 法，申请号：CN200910215189.5；（5）张兴安，陈宇珂，舒芬太尼静脉麻醉 靶控输注控制装置，中国专利申请号：200720053151.9。文献（1）采用副 MCU模块辅助监控主MCU模块，以防主MCU模块出错，降低了临床麻醉 过程中由于控制系统内部故障引起的风险，提高了安全性，该控制系统为开 环控制；文献（2）实现了血药浓度靶控、效应部位靶控，设置了注射器安装 到位检测，扩大了可控速度范围，具备与PC机进行数据交换和汉化液晶显 示功能，与文献（1）同样采用步进电机驱动注射泵的开环控制系统；文献（3） 采用闭环控制系统，使用弹簧、旋转马达和线性马达等驱动输注泵，提供了 输注泵控制的多种可行控制方式；文献（4）采用双MCU芯片实时通讯提高 了系统的可靠性，采用了冗余技术，配置了压力传感器、气泡传感器、磁控 开关盒接触检测开关实时监测系统运行状态，提高了输注的线性平滑度，降 低了液体脉冲度和噪声，但是缺少对人体生命信号的采集和反馈；文献（5） 采用开环控制，通过控制舒芬太尼血药浓度进而控制麻醉深度，根据患者性 别、年龄、身高等信息实现自动恒速给药。由于麻醉深度控制直接关系着病 人的生命安全，必须在各个环节上保证控制性能的安全、稳定和可靠，在已 有控制技术条件的基础上将手术风险降到最低。

上述控制器基本采用单片机组建的步进电机驱动的开环系统，虽然已经 实现了对输注泵的有效控制，但其控制精度、系统的稳定性和安全性都可以 得到进一步提高。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制 器，使得麻醉过程处于全程可控状态，降低麻醉风险。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，包括：

控制模块，控制模块包括通信单元、I/O单元、I2C单元、滤波单元、模 糊PID求解单元、输出单元、报警单元和时钟单元；

BIS设定模块，与通信单元相连接，将根据BIS基准值发送给通信单元， 通信单元再将其发送至模糊PID求解单元；

功率放大器，与输出单元相连接，将输出单元输出的电流信号放大后发 送至无刷电机；电流传感器监测功率放大器输出的电流，并将电流信号发送 至I2C单元，再经过滤波单元分别发送至模糊PID求解单元和报警单元；

无刷电机，通过丝杠连接输注泵，无刷电机被驱动后，其转动转换为丝 杠的推移，向输注泵提供推动力；编码器监测无刷电机的转动速度，并监测 丝杠的前进距离，再将转动速度信号和前进距离信号发送至I/O单元，经过 滤波单元分别发送至模糊PID求解单元和报警单元；

脑电电极，检测麻醉对象的实时BIS值发送至I/O单元，经过滤波单元 发送至模糊PID求解单元；

模糊PID求解单元根据实时BIS值、电流信号、转动速度信号和前进距 离信号进行模糊PID求解，得到占空比，再根据占空比生成相应的驱动无刷 电机的电流信号，经输出单元发送给功率放大器。

所述当电流信号出现波动异常、无刷电机出现堵转、丝杠的前进距离超 出设定的极限值中的一种时，报警单元发出报警信号。

所述的控制模块还包括与显示装置相连接的LCD单元，将控制模块所接 收的各种信号在显示装置上进行相应的显示；

当报警单元发出报警信号时，还在显示装置上进行相应的显示。

所述的控制模块还包括与存储器相连接的数据读写单元，记录控制模块 所接收的各种信号数据。

所述的显示或记录的数据包括当前麻醉对象的生理特征、当前输注泵的 输注速度和已输注的麻醉剂量。

所述的控制模块还包括电源管理单元，电源管理单元管理交流电和备用 电池的供电，并对备用电池的电量进行监测；当备用电池的电量低于设定值 时还通过报警单元发出相应的报警信号。

所述的控制模块还与生命监护仪相连接，读取生命监护仪所检测到的数 据。

所述的控制模块是基于FPGA控制芯片进行控制。

所述的模糊PID求解单元以电流占空比的形式输出电流信号，经输出单 元发送给功率放大器，再驱动无刷电机运动，对功率放大器输出的电流、无 刷电机的转速和丝杠的前进距离进行调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，增加了BIS反馈， 可以根据每个病人不同的体质设置相适应的BIS值基准，并通过BIS反馈环 对麻醉剂给药量进行实时调整，克服了开环系统不可调节、精度低的缺点， 确保麻醉过程的安全可靠，也更加人性化；

考虑到步进电机低速转动时存在振动和噪声等固有缺点，本发明采用无 刷电机驱动输注泵，震动小、噪音低，同时无刷电机稳定性好、可靠性高、 运转平滑，提高了输注性能；

此外，除了增加BIS反馈外本发明通过三个控制环（电流环、速度环和 位置环）来实时控制调节驱动压力、电机转速和麻醉注射量等参数。本发明 在现有靶控麻醉输注泵控制技术的基础上显著地提高了麻醉技术的安全性、 系统的稳定性和控制精度。

进一步，本发明提供的基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，采用基 于FPGA的专用控制芯片实现对输注系统的控制，克服了单片机性能不稳定、 控制精度低的缺陷，从硬件上提高了麻醉控制的精度。

本发明提供的基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，还具有良好的人 机交互功能，通过LCD显示器可以读取输注泵当前的工作状态，亦可以通过 外接矩阵键盘完成人机交互通信，同时也可以通过内存读取出控制过程中的 其他记录信息；控制器由硬件电路执行程序，可靠性高，且基于FPGA的并 行操作特性显著提高了芯片的处理能力和运算速度；采用模糊PID控制提高 了系统的控制精度，且使系统具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制模块构成示意图。

图2为基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器的连接示意图。

图3为基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

一种基于BIS反馈的麻醉靶控输注泵控制器，其特征在于，包括：

控制模块，控制模块包括通信单元、I/O单元、I2C单元、滤波单元、模 糊PID求解单元、输出单元、报警单元和时钟单元；

BIS设定模块，与通信单元相连接，将根据BIS基准值发送给通信单元， 通信单元再将其发送至模糊PID求解单元；

功率放大器，与输出单元相连接，将输出单元输出的电流信号放大后发 送至无刷电机；电流传感器监测功率放大器输出的电流，并将电流信号发送 至I2C单元，再经过滤波单元分别发送至模糊PID求解单元和报警单元；

无刷电机，通过丝杠连接输注泵，无刷电机被驱动后，其转动转换为丝 杠的推移，向输注泵提供推动力；编码器监测无刷电机的转动速度，并监测 丝杠的前进距离，再将转动速度信号和前进距离信号发送至I/O单元，经过 滤波单元分别发送至模糊PID求解单元和报警单元；

脑电电极，检测麻醉对象的实时BIS值发送至I/O单元，经过滤波单元 发送至模糊PID求解单元；

模糊PID求解单元根据实时BIS值、电流信号、转动速度信号和前进距 离信号进行模糊PID求解，得到占空比，再根据占空比生成相应的驱动无刷 电机的电流信号，经输出单元发送给功率放大器。

具体的，如图1所示，控制模块细分为11个相互并行操作的处理单元： 时钟单元、I/O单元、I2C单元、滤波单元、模糊PID求解单元、通信单元、 输出单元、数据读写单元、LCD显示单元、报警单元、电源管理单元，

其中I/O单元控制I/O口并采集数字传感器（编码器）的测量值；I2C单 元通过电流传感器采集经功率放大器放大后的电流测量值；滤波单元对采集 信号进行滤波后处理并将处理后的测量值传输给模糊PID求解单元、报警单 元和LCD显示单元；

通信单元与上位机（计算机，或者可以通过控制系统的外接键盘进行输 入）通信，操作人员根据病人体质设定不同BIS基准值并将其传送给模糊PID 求解单元；

模糊PID求解单元根据反馈的BIS值、电流信号、无刷电机转速信号和 输注泵推进器的位置信息分别进行处理，求解出控制占空比，并将求解出的 占空比控制量以电流的形式，经输出单元发送至输注执行机构，对功率放大 器输出的电流、无刷电机的转速和丝杠的前进距离进行调节；

输出单元利用控制量经功率放大器后控制无刷电机工作转速，转速经减 速器、丝杠后由旋转运动转化为注射泵推进器的直线运动，控制麻醉靶控输 注泵的工作状态；

数据读写单元读写记录系统的工作状态并保存至存储器作为备用数据；

LCD单元用于实时显示输注泵当前的工作状态；

时钟单元用于统一控制控制模块各单元的操作时序。

具体的，控制模块是基于FPGA控制芯片进行控制，克服了单片机性能 不稳定、控制精度低的缺陷，从硬件上提高了麻醉控制的精度。

本发明靶控输注泵控制器工作系统如图2所示，共包括四个反馈环：

（1）电流环：输出单元输出信号经功率放大器后由电流传感器反馈到控 制模块，由于输注泵在输注过程中受到人体内压力，模块根据电流传感器的 反馈信号提供无刷电机的驱动电流，对输注压力进行调整；

（2）速度环：控制信号输出后通过无刷电机对输注泵运动进行控制，在 电机输出端采集并反馈其转速信号，实现控制芯片对电机转速控制，从而实 现输注泵药剂注射速度的精确调节；

（3）位置环：电机输出端与丝杠导轨连接，由丝杠驱动输注泵推进器前 进，在丝杠处通过编码器反馈当前推进器移动距离，从而控制丝杠驱动输注 泵推进的距离，完成麻醉剂输注量精确控制；

（4）BIS环：医疗监护仪实时显示病人生理机能，如血压、脑电、心率 等，并将现时BIS值反馈到模块，由模糊PID求解单元获得电流环、速度环 和位置环的控制量，以电流占空比的形式输出；通过实施监控方式保证病人 在手术过程中处于有效地麻醉状态，也避免了由于个体生理的差异从而导致 的过度麻醉以及浅度麻醉的现象，从而降低麻醉风险，使得麻醉过程处于全 程可控状态。

靶控输注泵具体工作流程如图3所示，步骤如下：

（1）打开电源启动设备，上电后完成靶控输注泵控制模块的初始化及设 备内部自检，确定各功能模块的各项功能正常，完成电路内部通信；

（2）由传感器完成数据采集，包括采集监测无刷电机运动的编码器信息 实现对无刷电机转动速度和丝杠推进位置的控制、对脑电电极数据采集以及 对电流传感器信息采集。对采集到的传感器数值进行滤波处理得出当前的工 作状态，如病人当前BIS值、输注泵当前输注速度和输注麻醉剂药量等；

（3）与上位机进行通信，根据采集的病人BIS值及病人体质特征（如 身高、体重、年龄和性别等）设置控制麻醉深度的BIS基准值，通过上位机 向控制模块通信单元发送此基准值，作为控制的设定目标参数；

（4）将处理得到的现时工作状态和控制目标送入控制模块，由模糊PID 求解单元得出设定目标和实际运行状态的偏差，并利用模糊控制法根据自身 存储参数求解出系统控制量。模糊PID控制综合了模糊控制和PID控制的优 点，中和了各自的缺点，提高了控制精度；

（5）输出单元利用模糊PID求解单元求解的控制量驱动无刷电机运动， 并由编码器向控制模块反馈当前电机运动的速度信号。同时，对现时工作状 态和控制目标显示到LCD单元，利用数据读写单元记录有关的状态变量和控 制效果；

（6）无刷电机经减速器后将控制丝杠导轨运动，进而改变输注泵的工作 状态，同时通过编码器对输注泵推进位移向控制模块进行实时反馈；

（7）是判定是否满足结束条件或接受到结束命令，若没有结束则继续跳 转第3步执行，否则完成控制过程，结束麻醉剂输注。

在操作过程中当电流信号出现波动异常、无刷电机出现堵转、丝杠的前 进距离超出设定的极限值中的一种时；而且当控制系统内部异常或后备电池 无电的情况下，也向报警单元发出报警信号。当报警单元发出报警信号时， 还在显示装置上进行相应的显示。

所述的控制模块还包括与存储器相连接的数据读写单元，记录控制模块 所接收的各种信号数据。所显示或记录的数据包括当前麻醉对象的生理特征、 当前输注泵的输注速度和已输注的麻醉剂量。

脑电双频指数（BIS）已经被公认为一种衡量麻醉睡眠深度的有效指标。 用BIS作为反馈控制变量来控制麻醉靶控输注泵，可以有效、快捷地调节输 注药量，缩短病人的清醒时间。如手术前，根据病人的BIS值基准，将BIS 反馈控制量设为55（深度麻醉），当高于此值时患者还未达到预期麻醉状态， 输注泵继续给药；低于此值时则停止给药，可以进行手术，并始终维持麻醉 于一个比较稳定的深度。利用血压、心率、脑电等检测参数作为病人安全域 值或麻醉剂输注的开关，进一步保证了手术的安全可靠。