一種醫(yī)用輸液管內部壓力高精度測量與相關控制方法
【專利摘要】本發(fā)明在FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）上用小波變換實現(xiàn)題述壓力輸入信號帶通濾波模塊功能；首用空載靜態(tài)、有載靜態(tài)、有載動態(tài)三態(tài)標定不同型號輸液管張力特征值；采用對稱擴張敏感元件結構，包括分布式壓板設計，鍥狀柔性結構，敏感葉片結構等創(chuàng)新設計。輸液管壓力高精度測量參數(shù)作為控制變量，使系統(tǒng)處于低噪聲、低功耗運行狀態(tài)，降耗大于30%，噪聲小于32DB；智能控制可使設備避免停機事故，實現(xiàn)抗混疊分級安全報警；輸液管內部壓力高精測量，為醫(yī)務人員與病人本人掌握動態(tài)輸液反應提供了一種新的觀察手段；本發(fā)明的特點是高精度，低功耗，靜音，高可靠性，智能化。
【專利說明】一種醫(yī)用輸液管內部壓力高精度測量與相關控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括專用數(shù)字濾波模塊、對稱擴張敏感部件、基于片上系統(tǒng)C8051F020內部溫度測量的三步標定法為核心的輸液管壓力測量方法，以及由此實現(xiàn)的醫(yī)用輸液設備自適應低功耗運行、靜音控制、安全報警、急救模式等高精度控制方法，具體指一種可實現(xiàn)智能輸液泵中輸液管內部壓力高精度測量與相關控制方法。

【背景技術】
[0002]醫(yī)用智能輸液泵已成為靜脈輸液的常用設備。但目前該設備所用輸液管內部壓力測量存在幾個方面的問題:首先，壓力測量未進行專門數(shù)字濾波，測量的數(shù)據(jù)只反應變化趨勢，是一種有波動和干擾的粗放式測量；其次，輸液管壓力傳感器敏感部件結構簡單，低端遲滯高端飽和等非線性狀態(tài)嚴重；第三，對不同型號與品牌的輸液管不能進行有效標定。由于上述原因，存在一些不足:
[0003]a)所測輸液管內部壓力有各種干擾噪聲，不能用此參數(shù)作為有效控制變量實現(xiàn)低功耗運行工作方式。
[0004]b)未設計有效的標定方法，不能有效區(qū)分不同型號的輸液管，測量精度受型號影響。
[0005]c)蠕動泵葉片與壓力傳感器敏感部件壓片結構相同，使輸液管壓力測量線性度降低。
[0006]d)由于不能對不同型號輸液管進行相同精度測量，有些進口輸液設備采用專用輸液管的方式來彌補，而專用輸液管一般由智能輸液泵廠家作為設備專用配套耗材提供，勢必增加醫(yī)療費用。
[0007]e)由于測量精度所限，不能準確自動進入或告警提示進入輸液設備快速注射急救狀態(tài)。
[0008]f)由于測量精度有限，使阻塞告警檔位混疊。
[0009]g)實現(xiàn)靜音技術時常伴隨有停機事故發(fā)生。
[0010]因此設計一種輸液管內部壓力的高精度測控系統(tǒng)，對提高輸液泵的智能化程度、安全性能與控制精度具有重要意義。


【發(fā)明內容】

[0011]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種輸液管內部壓力高精度測控方案。通過基于FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)與小波分析的專用模塊實現(xiàn)輸液管內部壓力測量的數(shù)字濾波技術；通過傳感器敏感部件設計實現(xiàn)高線性度對稱傳感；通過三部標定法，使醫(yī)用輸液器能使用普通型號而不需要特制；由此實現(xiàn)低功耗運行、安全報警、靜音控制、急救模式等相關控制技術。
[0012]本發(fā)明技術方案，一種高精度輸液管內部壓力測量系統(tǒng):包括對稱擴張傳感器敏感部件設計，基于FPGA與小波技術專用數(shù)字濾波模塊設計，所述片上系統(tǒng)C8051F020內部溫度測量的三步標定法、步進電機功率自適應調整方法、無混疊高精確分級報警等級設定與控制方法。
[0013]進一步，對稱擴張敏感部件采用分布式壓片結構(圖6)，鍥形柔性材料設計與專用對稱傳感葉片方案(圖5)。
[0014]進一步，通過DA (數(shù)模轉換)與開關量輸出，控制步進電機調整功率(圖9)。
[0015]進一步，采用差分技術
[0016]進一步，所述專用濾波模塊采用小波濾波方法(圖8)。
[0017]進一步，所述輸液管內部壓力敏感部件與蠕動泵本體采用一體化齒輪傳動結構設計，便于獨立折裝清洗，以保持傳感器敏感部件的靈敏度。(圖4)
[0018]進一步，所述主控芯片采用C8051R)20片上系統(tǒng)，片內含有溫度傳感器等豐富硬件資源，用于測量環(huán)境溫度與相關測控算法(圖9)。
[0019]本發(fā)明的有益效果:有效克服由于環(huán)境溫度變化使輸液管發(fā)生熱脹冷縮以及輸液管運行過程中的軸向與徑向形變而帶來的測量誤差；有效克服不同型號輸液管因材質硬度等不同帶來的測量誤差；實現(xiàn)不大于32分貝的靜音控制；通過輸液管內部壓力的精確測量，感知人體靜脈內部壓力的變化，以便采取快速注射功能實現(xiàn)急救；有效進行輸液安全報警，避免針頭處回血事故；可以對電機功率進行自動調整，避免由于輸液管內部壓力增加導致停機事故；為醫(yī)務人員與病人本人掌握動態(tài)輸液反應提供了一種新的方法；為醫(yī)用輸液系統(tǒng)提供新的高精控制參數(shù)，提高智能化程度。可以使智能輸液設備工作在低功耗運行狀態(tài)，使系統(tǒng)在使用蓄電池供電時工作時間延長30%以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1輸液泵整體示意圖
[0021]圖2壓力傳感器敏感部件安裝位置示意圖
[0022]圖3輸液管壓力模塊和蠕動模塊結構截面示意圖
[0023]圖4對稱擴張分布式雙壓板鍥狀柔性裝置形狀設計示意圖
[0024]圖5傳感器敏感部件一體化清洗示意圖。
[0025]圖6三步標定法示意圖。
圖6a)三步標定法:空載靜態(tài)標定示意圖；
圖6b)三步標定法:有載靜態(tài)標定示意圖；
圖6c)三步標定法:有載動態(tài)標定示意圖；
[0026]圖7數(shù)字濾波模塊示意圖。
[0027]圖8步進電機調功示意圖。
[0028]圖9 C8051R)20片上系統(tǒng)資源配置示意圖
[0029]圖中序號說明:1、下殼；2、上殼；3、IXD顯不屏；4、輸入鍵盤；5、翻蓋；6、輸液管壓力模塊:61、彈簧，62、壓片，63、壓片；7、蠕動模塊:71、蠕動塊，72、壓力葉片，73、對稱彈力裝置，74、磁鋼，75、線性霍爾傳感器，76、箱體；8、輸液管；9、蠕動軸；10、蠕動軸的小齒輪；
11、馬達上的大齒輪；12、馬達；13、蠕動軸上的軸承；
[0030]
[0031]
[0032]
具體實施方案:
[0033]下面結合附圖對本發(fā)明具體方案做詳細說明。
[0034]本發(fā)明所述醫(yī)用智能輸液泵采用步進電機帶動凸輪葉片式結構的蠕動泵實現(xiàn)輸液驅動。系統(tǒng)包含輸入健盤，專用led液晶顯示屏，以便輸入、顯示輸液管型號等其它測控參數(shù)(圖1)。本發(fā)明所述輸液管內部壓力高精度測量方法包括基于FPGA與小波算法的專用數(shù)字濾波模塊(圖7)、傳感器敏感元件對稱擴張結構(圖3、圖4)、輸液設備低功耗運行、基于片上系統(tǒng)溫度測量的輸液管三部標定法(圖6)等技術。
[0035]輸液管傳感器輸出信號專用數(shù)字濾波模快技術
[0036]隨著環(huán)境溫度變化形成熱脹冷縮效應使輸液管產生徑向與軸向形變及硬度變化，影響輸液管內部壓力測量精度；同時由于輸液過程蠕動葉片的持續(xù)擠壓作用，輸液管會發(fā)生一定的形變，也影響測量精度；傳感器敏感葉片的輸出會受到周期性蠕動波的影響干擾測量數(shù)據(jù)。為此，如圖7所示，本發(fā)明采用FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)用小波算法設計專用模塊高速處理這些干擾；具體應用ALTER公司生產的超大規(guī)模FPGA器件Cyclone IIIEP3C25F256C6,利用Quartus II軟件，完成硬件電路的VHDL(標準硬件描述語言)設計綜合與驗證，用FPGA實現(xiàn)小波與差分算法；差分運算后根據(jù)小波的性質，先對輸入信號進行正變換，并可以根據(jù)需要選擇不同的頻率段系數(shù)做出適當處理；輸液管壓力測量信號頻帶較窄，并伴有特定頻譜干擾，因此可將小波變換系數(shù)通帶外進行置零處理及通帶內特定頻譜置零，實現(xiàn)帶通濾波功能。
[0037]對稱擴張式傳感器敏感元件結構
[0038]如圖所示對稱擴張式傳感器敏感元件結構嵌入在蠕動泵結構中進行設計。智能輸液設備所用蠕動驅動結構說明如下:如圖2中9所示，是軸與凸輪輪軸，此凸輪輪軸由步進電機帶動旋轉；旋轉時有12個葉片(如圖2中7所示)分時上下波動，使藥液在輸液管內蠕動；輸液過程中蠕動泵本體上方，嵌入有分為兩部分的柔性接觸的壓板(如圖2中6所示)，以使蠕動泵蠕動時保持一定的張力；在蠕動泵凸輪軸中心位置，設計有壓力傳感器敏感葉片(如圖2中14所示)，該葉片與普通葉片不同，裝有彈簧結構(如圖3中73所示)，葉片中心與凸輪交合部有足夠的間隙設計(如圖3中9所示)，當蠕動泵蠕動時不會帶動傳感葉片上下與左右運動，傳感葉片(如圖2中14所示)的運動主要受輸液管內部壓力所形成的張力的影響；為使壓力測量只受其張力的影響，特將壓板采用分布式雙片結構設計(如圖2中62所示)，這樣壓板的運動就不會波及壓力測量；兩個壓片的間隙處設計鍥形柔性結構對準傳感器葉片(如圖2中14所示)，這樣在輸液管的兩側形成了對稱張力，排除壓片的影響(如圖2中8所示)，顯著提高輸液管壓力測量的線性度與與原始精度。由于壓力測量葉片與蠕動葉片采用一體化設計方案，以使傳感器敏感葉片能進行經常性獨立取出的清洗(如圖2所示)，不斷維持傳感部件的設計靈敏度。智能輸液泵的片上系統(tǒng)通過軟件算法及傳感器信息融合技術可實現(xiàn)對醫(yī)用輸液速度的高精度控制。
[0039]智能輸液設備低功耗運行技術
[0040]如果不能進行輸液管內部壓力的高精度測量，智能輸液系統(tǒng)在出廠參數(shù)設定時只能采用保守方法，將控制參數(shù)留有較大的余量，進行冗余設計。這樣就會出現(xiàn)蠕動泵電能效率較低的高功耗運行狀態(tài)，在低精度測量方式下進行算法控制常會使驅動步進電機出現(xiàn)自激狀態(tài)，不能平穩(wěn)工作。因此，只有在高精度測量的前題下，輸液管壓力參數(shù)才能作為有效的控制變量，通過模擬量輸出實現(xiàn)輸液管壓力增加時電機自動增加功率，壓力減小時電機自動減小功率的控制目標，從而使系統(tǒng)處于低功耗運行狀態(tài)。此低功耗運行狀態(tài)可使蓄電池一次充電使用時間增加30%以上。
[0041]智能輸液設備靜音控制技術
[0042]由于醫(yī)用智能輸液泵是在病房使用的設備，因此對噪聲控制要求非常高，一股要求不大于32分貝，此指標相當于人耳0.1米左右外就不會有噪聲感覺。如前所述本發(fā)明所述醫(yī)用智能輸液泵是通過步進電機帶動蠕動泵來工作實現(xiàn)輸液驅動的，因此，主要的噪聲來自于步進電機及相關傳動機構；為使噪聲不大于32分貝，常將步進電機采用細分控制驅動模式，并將這種工作模式出廠狀態(tài)調在臨界工作點；但此工作點步進電機驅動能力較弱，當輸液管內部壓力急增時有可能使智能輸液泵出現(xiàn)減速現(xiàn)象，如不能預估與及時處理則可能導致停機事故。本發(fā)明使用輸液管內部壓力高精度測量值，采用PID算法(比率、積分、微分預估算法)，當測量到輸液管內壓力增加到有可能出現(xiàn)停機事故時，利用算法中的微分功能預測事態(tài)發(fā)展，舜間改變開關量控制細分模式，實現(xiàn)功率突變，沖過停機點，維持小段時間，再由積分功能判斷回歸原細分靜音穩(wěn)態(tài)；這種由高精度測量實現(xiàn)的這種停機事故預警處理機制，達到了靜音與停機事故提前預估處理雙重目標，實現(xiàn)了不會出現(xiàn)停機事故的靜音技術。
[0043]本發(fā)明所示基于片上溫度測量的輸液管型號三步標定法
[0044]在標定時，使用C8051020片上系統(tǒng)(如圖9所示)所帶的溫度傳感器作為環(huán)境溫度傳感器以作為標定時由溫度變化帶來的葉片及輸液管本身熱脹冷縮效應等參數(shù)修正依據(jù)。第一步實現(xiàn)標定命令I完成空載靜態(tài)標定(如圖6-a)所示)，首先在輸液管在圖示狀態(tài)時，將智能輸液泵門關好，啟動輸液泵，并通過健盤進入標定命令1，并提示完成。標定命令2:有載靜態(tài)標定(如圖6-b)所示)，將輸液泵置于圖示有液狀態(tài),進入標定命令2,智能輸液泵將自動進入此標定狀態(tài)，完成標定任務并提示。此步完成后，可以通過菜單進入標定3，也可以停下來等待10秒后，讓其自動進入標定3狀態(tài)。標定命令3:有載動態(tài)標定(如圖6-c)所示)，在標定3時進入標定3狀態(tài),也可由標定命令2完成后自動進入。有載時動態(tài)輸液測量蠕動泵旋轉5個周期。鎖定裝置開啟，采用真實的常規(guī)藥液，面對標準大氣壓進行標定。三步標定完成以后，系統(tǒng)會提示確認好所標定的輸液管型號內控數(shù)據(jù)，由片上系統(tǒng)C8051020片上系統(tǒng)(如圖9所示)的非易失性存儲器永久保存，停機停電后重新開機有效不必重新標定。標定好以后可以選擇本次型號錄入數(shù)據(jù)為默認值，也可重新設置。
[0045]抗溫漂、抗零漂、抗混疊輸液管阻塞報警精確分檔技術
[0046]輸液管內部壓力的高精度測量可使輸液管阻塞壓力報警值不會隨輸液器類型或環(huán)境溫度而變化。由于病人或其它不確定的外部意外情況導致輸液管被擠壓，引起輸液受阻病人針頭處回血等事故。因此，由這種情況引起的管內壓力突變情形則必須進行告警以通知醫(yī)務人員處理。告警一股會進行分檔，如20-40Kpa，40-60Kpa，60-80Kpa，80-100Kpa，四級分檔，在低精度粗放式測量時，常出現(xiàn)在設定檔位的相鄰檔告警的情況，如設定在第三檔告警，則可能出現(xiàn)在第二檔或第四檔告警的情形，出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。本發(fā)明所述高精度測量可使告警分檔不會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，同時使阻塞壓力報警檔位設置不會隨輸液管類型或環(huán)境溫度變而變化，實現(xiàn)了抗溫漂、抗零漂、抗混疊輸液管阻塞報警精確分檔。
【權利要求】
1.一種輸液管內部壓力高精度測量與相關控制方法:包括專用數(shù)字濾波模塊，基于片上溫度測量的輸液管三步標定法，低功耗運行技術，安全報警技術，傳感器敏感元件技術。
2.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 對稱擴張式傳感器敏感元件結構，分布式壓板結構，鍥形柔性結構。
3.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 基于輸液管內部壓力高精度測量的低噪聲靜音控制控制技術。
4.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于:基于小波算法的FPGA專用數(shù)字濾波模塊技術。
5.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于:低功耗運行技術。
6.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 基于片上溫度傳感器的三步標定法。
7.根據(jù)權利I要求所述一種輸液管內部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 抗溫漂、抗零漂、抗混疊分級技術。
【文檔編號】G01L19/08GK104225716SQ201310226192
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月8日 優(yōu)先權日:2013年6月8日
【發(fā)明者】湛騰西, 周應創(chuàng), 張國云 申請人:湖南理工學院