一种医用输液管内部压力高精度测量与相关控制方法

摘要

本发明在FPGA（现场可编程门阵列）上用小波变换实现题述压力输入信号带通滤波模块功能；首用空载静态、有载静态、有载动态三态标定不同型号输液管张力特征值；采用对称扩张敏感元件结构，包括分布式压板设计，锲状柔性结构，敏感叶片结构等创新设计。输液管压力高精度测量参数作为控制变量，使系统处于低噪声、低功耗运行状态，降耗大于30%，噪声小于32DB；智能控制可使设备避免停机事故，实现抗混叠分级安全报警；输液管内部压力高精测量，为医务人员与病人本人掌握动态输液反应提供了一种新的观察手段；本发明的特点是高精度，低功耗，静音，高可靠性，智能化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括专用数字滤波模块、对称扩张敏感部件、基于片上系统C8051F020内部温度测量的三步标定法为核心的输液管压力测量方法，以及由此实现的医用输液设备自适应低功耗运行、静音控制、安全报警、急救模式等高精度控制方法，具体指一种可实现智能输液泵中输液管内部压力高精度测量与相关控制方法。 

背景技术

医用智能输液泵已成为静脉输液的常用设备。但目前该设备所用输液管内部压力测量存在几个方面的问题：首先，压力测量未进行专门数字滤波，测量的数据只反应变化趋势，是一种有波动和干扰的粗放式测量；其次，输液管压力传感器敏感部件结构简单，低端迟滞高端饱和等非线性状态严重；第三，对不同型号与品牌的输液管不能进行有效标定。由于上述原因，存在一些不足： 

a)所测输液管内部压力有各种干扰噪声，不能用此参数作为有效控制变量实现低功耗运行工作方式。 

b)未设计有效的标定方法，不能有效区分不同型号的输液管，测量精度受型号影响。 

c)蠕动泵叶片与压力传感器敏感部件压片结构相同，使输液管压力测量线性度降低。 

d)由于不能对不同型号输液管进行相同精度测量，有些进口输液设备采用专用输液管的方式来弥补，而专用输液管一般由智能输液泵厂家作为设备专用配套耗材提供，势必增加医疗费用。 

e)由于测量精度所限，不能准确自动进入或告警提示进入输液设备快速注射急救状态。 

f)由于测量精度有限，使阻塞告警档位混叠。 

g)实现静音技术时常伴随有停机事故发生。 

因此设计一种输液管内部压力的高精度测控系统，对提高输液泵的智能化程度、安全性能与控制精度具有重要意义。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种输液管内部压力高精度测控方案。通过基于FPGA(现场可编程逻辑门阵列)与小波分析的专用模块实现输液管内部压力测量的数字滤波技术；通过传感器敏感部件设计实现高线性度对称传感；通过三部标定法，使医用输液器能使用普通型号而不需要特制；由此实现低功耗运行、安全报警、静音控制、急救模式等相关控制技术。 

本发明技术方案，一种高精度输液管内部压力测量系统：包括对称扩张传感器敏感部件设计，基于FPGA与小波技术专用数字滤波模块设计，所述片上系统C8051F020内部温度测量的三步标定法、步进电机功率自适应调整方法、无混叠高精确分级报警等级设定与控制方法。 

进一步，对称扩张敏感部件采用分布式压片结构(图6)，锲形柔性材料设计与专用对称传感叶片方案(图5)。 

进一步，通过DA(数模转换)与开关量输出，控制步进电机调整功率(图9)。 

进一步，采用差分技术 

进一步，所述专用滤波模块采用小波滤波方法(图8)。 

进一步，所述输液管内部压力敏感部件与蠕动泵本体采用一体化齿轮传动结构设计，便于独立折装清洗，以保持传感器敏感部件的灵敏度。(图4) 

进一步，所述主控芯片采用C8051F020片上系统，片内含有温度传感器等丰富硬件资源，用于测量环境温度与相关测控算法(图9)。 

本发明的有益效果：有效克服由于环境温度变化使输液管发生热胀冷缩以及输液管运行过程中的轴向与径向形变而带来的测量误差；有效克服不同型号输液管因材质硬度等不同带来的测量误差；实现不大于32分贝的静音控制；通过输液管内部压力的精确测量，感知人体静脉内部压力的变化，以便采取快速注射功能实现急救；有效进行输液安全报警，避免针头处回血事故；可以对电机功率进行自动调整，避免由于输液管内部压力增加导致停机事故；为医务人员与病人本人掌握动态输液反应提供了一种新的方法；为医用输液系统提供新的高精控制参数，提高智能化程度。可以使智能输液设备工作在低功耗运行状态，使系统在使用蓄电池供电时工作时间延长30％以上。 

附图说明

图1输液泵整体示意图 

图2压力传感器敏感部件安装位置示意图 

图3输液管压力模块和蠕动模块结构截面示意图 

图4对称扩张分布式双压板锲状柔性装置形状设计示意图 

图5传感器敏感部件一体化清洗示意图。 

图6三步标定法示意图。 

图6a)三步标定法：空载静态标定示意图；

图6b)三步标定法：有载静态标定示意图；

图6c)三步标定法：有载动态标定示意图；

图7数字滤波模块示意图。 

图8步进电机调功示意图。 

图9 C8051F020片上系统资源配置示意图 

图中序号说明：1、下壳；2、上壳；3、LCD显示屏；4、输入键盘；5、翻盖；6、输液管压力模块：61、弹簧，62、压片，63、压片；7、蠕动模块：71、蠕动块，72、压力叶片，73、对称弹力装置，74、磁钢，75、线性霍尔传感器，76、箱体；8、输液管；9、蠕动轴；10、蠕动轴的小齿轮；11、马达上的大齿轮；12、马达；13、蠕动轴上的轴承； 

具体实施方案：

下面结合附图对本发明具体方案做详细说明。 

本发明所述医用智能输液泵采用步进电机带动凸轮叶片式结构的蠕动泵实现输液驱动。系统包含输入健盘，专用lcd液晶显示屏，以便输入、显示输液管型号等其它测控参数(图1)。本发明所述输液管内部压力高精度测量方法包括基于FPGA与小波算法的专用数字滤波模块(图7)、传感器敏感元件对称扩张结构(图3、图4)、输液设备低功耗运行、基于片上系统温度测量的输液管三部标定法(图6)等技术。 

输液管传感器输出信号专用数字滤波模快技术 

随着环境温度变化形成热胀冷缩效应使输液管产生径向与轴向形变及硬度变化，影响输液管内部压力测量精度；同时由于输液过程蠕动叶片的持续挤压作用，输液管会发生一定的形变，也影响测量精度；传感器敏感叶片的输出会受到周期性蠕动波的影响干扰测量数据。为此，如图7所示，本发明采用FPGA(现场可编程逻辑门阵列)用小波算法设计专用模块高速处理这些干扰；具体应用ALTER公司生产的超大规模FPGA器件Cyclone III EP3C25F256C6,利用Quartus II软件，完成硬件电路的VHDL(标准硬件描述语言)设计综合与验证，用FPGA实现小波与差分算法；差分运算后根据小波的性质，先对输入信号进行正变换，并可以根据需要选择不同的频率段系数做出适当处理；输液管压力测量信号频带较窄，并伴有特定频谱干扰，因此可将小波变换系数通带外进行置零处理及通带内特定频谱 置零，实现带通滤波功能。 

对称扩张式传感器敏感元件结构 

如图所示对称扩张式传感器敏感元件结构嵌入在蠕动泵结构中进行设计。智能输液设备所用蠕动驱动结构说明如下：如图2中9所示，是轴与凸轮轮轴，此凸轮轮轴由步进电机带动旋转；旋转时有12个叶片(如图2中7所示)分时上下波动，使药液在输液管内蠕动；输液过程中蠕动泵本体上方，嵌入有分为两部分的柔性接触的压板(如图2中6所示)，以使蠕动泵蠕动时保持一定的张力；在蠕动泵凸轮轴中心位置，设计有压力传感器敏感叶片(如图2中14所示)，该叶片与普通叶片不同，装有弹簧结构(如图3中73所示)，叶片中心与凸轮交合部有足够的间隙设计(如图3中9所示)，当蠕动泵蠕动时不会带动传感叶片上下与左右运动，传感叶片(如图2中14所示)的运动主要受输液管内部压力所形成的张力的影响；为使压力测量只受其张力的影响，特将压板采用分布式双片结构设计(如图2中62所示)，这样压板的运动就不会波及压力测量；两个压片的间隙处设计锲形柔性结构对准传感器叶片(如图2中14所示)，这样在输液管的两侧形成了对称张力，排除压片的影响(如图2中8所示)，显著提高输液管压力测量的线性度与与原始精度。由于压力测量叶片与蠕动叶片采用一体化设计方案，以使传感器敏感叶片能进行经常性独立取出的清洗(如图2所示)，不断维持传感部件的设计灵敏度。智能输液泵的片上系统通过软件算法及传感器信息融合技术可实现对医用输液速度的高精度控制。 

智能输液设备低功耗运行技术 

如果不能进行输液管内部压力的高精度测量，智能输液系统在出厂参数设定时只能采用保守方法，将控制参数留有较大的余量，进行冗余设计。这样就会出现蠕动泵电能效率较低的高功耗运行状态，在低精度测量方式下进行算法控制常会使驱动步进电机出现自激状态，不能平稳工作。因此，只有在高精度测量的前题下，输液管压力参数才能作为有效的控制变量，通过模拟量输出实现输液管压力增加时电机自动增加功率，压力减小时电机自动减小功率的控制目标，从而使系统处于低功耗运行状态。此低功耗运行状态可使蓄电池一次充电使用时间增加30％以上。 

智能输液设备静音控制技术 

由于医用智能输液泵是在病房使用的设备，因此对噪声控制要求非常高，一股要求不大于32分贝，此指标相当于人耳0.1米左右外就不会有噪声感觉。如前所述本发明所述医用智能输液泵是通过步进电机带动蠕动泵来工作实现输液驱动的，因此，主要的噪声来自于步进电机及相关传动机构；为使噪声不大于32分贝，常将步进电机采用细分控制驱动模式，并将 这种工作模式出厂状态调在临界工作点；但此工作点步进电机驱动能力较弱，当输液管内部压力急增时有可能使智能输液泵出现减速现象，如不能预估与及时处理则可能导致停机事故。本发明使用输液管内部压力高精度测量值，采用PID算法(比率、积分、微分预估算法)，当测量到输液管内压力增加到有可能出现停机事故时，利用算法中的微分功能预测事态发展，舜间改变开关量控制细分模式，实现功率突变，冲过停机点，维持小段时间，再由积分功能判断回归原细分静音稳态；这种由高精度测量实现的这种停机事故预警处理机制，达到了静音与停机事故提前预估处理双重目标，实现了不会出现停机事故的静音技术。 

本发明所示基于片上温度测量的输液管型号三步标定法 

在标定时，使用C8051020片上系统(如图9所示)所带的温度传感器作为环境温度传感器以作为标定时由温度变化带来的叶片及输液管本身热胀冷缩效应等参数修正依据。第一步实现标定命令1完成空载静态标定(如图6-a)所示)，首先在输液管在图示状态时，将智能输液泵门关好，启动输液泵，并通过健盘进入标定命令1，并提示完成。标定命令2：有载静态标定(如图6-b)所示)，将输液泵置于图示有液状态，进入标定命令2，智能输液泵将自动进入此标定状态，完成标定任务并提示。此步完成后，可以通过菜单进入标定3，也可以停下来等待10秒后，让其自动进入标定3状态。标定命令3：有载动态标定(如图6-c)所示)，在标定3时进入标定3状态，也可由标定命令2完成后自动进入。有载时动态输液测量蠕动泵旋转5个周期。锁定装置开启，采用真实的常规药液，面对标准大气压进行标定。三步标定完成以后，系统会提示确认好所标定的输液管型号内控数据，由片上系统C8051020片上系统(如图9所示)的非易失性存储器永久保存，停机停电后重新开机有效不必重新标定。标定好以后可以选择本次型号录入数据为默认值，也可重新设置。 

抗温漂、抗零漂、抗混叠输液管阻塞报警精确分档技术 

输液管内部压力的高精度测量可使输液管阻塞压力报警值不会随输液器类型或环境温度而变化。由于病人或其它不确定的外部意外情况导致输液管被挤压，引起输液受阻病人针头处回血等事故。因此，由这种情况引起的管内压力突变情形则必须进行告警以通知医务人员处理。告警一股会进行分档，如20-40Kpa，40-60Kpa，60-80Kpa，80-100Kpa,四级分档，在低精度粗放式测量时，常出现在设定档位的相邻档告警的情况，如设定在第三档告警，则可能出现在第二档或第四档告警的情形，出现混叠现象。本发明所述高精度测量可使告警分档不会出现混叠现象，同时使阻塞压力报警档位设置不会随输液管类型或环境温度变而变化，实现了抗温漂、抗零漂、抗混叠输液管阻塞报警精确分档。