一種醫(yī)用輸液管內(nèi)部壓力高精度測量與相關(guān)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(biāo)定不同型號輸液管張力特征值；采用對稱擴(kuò)張敏感元件結(jié)構(gòu)，包括分布式壓板設(shè)計，鍥狀柔性結(jié)構(gòu)，敏感葉片結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新設(shè)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(yùn)行狀態(tài)，降耗大于30%，噪聲小于32DB；智能控制可使設(shè)備避免停機(jī)事故，實現(xiàn)抗混疊分級安全報警；輸液管內(nèi)部壓力高精測量，為醫(yī)務(wù)人員與病人本人掌握動態(tài)輸液反應(yīng)提供了一種新的觀察手段；本發(fā)明的特點(diǎn)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(nèi)部壓力高精度測量與相關(guān)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括專用數(shù)字濾波模塊、對稱擴(kuò)張敏感部件、基于片上系統(tǒng)C8051F020內(nèi)部溫度測量的三步標(biāo)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(shè)備自適應(yīng)低功耗運(yùn)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(nèi)部壓力高精度測量與相關(guān)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)用智能輸液泵已成為靜脈輸液的常用設(shè)備。但目前該設(shè)備所用輸液管內(nèi)部壓力測量存在幾個方面的問題:首先，壓力測量未進(jìn)行專門數(shù)字濾波，測量的數(shù)據(jù)只反應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，低端遲滯高端飽和等非線性狀態(tài)嚴(yán)重；第三，對不同型號與品牌的輸液管不能進(jìn)行有效標(biāo)定。由于上述原因，存在一些不足:
[0003]a)所測輸液管內(nèi)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(yùn)行工作方式。
[0004]b)未設(shè)計有效的標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jìn)行相同精度測量，有些進(jìn)口輸液設(shè)備采用專用輸液管的方式來彌補(bǔ)，而專用輸液管一般由智能輸液泵廠家作為設(shè)備專用配套耗材提供，勢必增加醫(yī)療費(fèi)用。
[0007]e)由于測量精度所限，不能準(zhǔn)確自動進(jìn)入或告警提示進(jìn)入輸液設(shè)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(shù)時常伴隨有停機(jī)事故發(fā)生。
[0010]因此設(shè)計一種輸液管內(nèi)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(nèi)容】

[0011]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種輸液管內(nèi)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(nèi)部壓力測量的數(shù)字濾波技術(shù)；通過傳感器敏感部件設(shè)計實現(xiàn)高線性度對稱傳感；通過三部標(biāo)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(yùn)行、安全報警、靜音控制、急救模式等相關(guān)控制技術(shù)。
[0012]本發(fā)明技術(shù)方案，一種高精度輸液管內(nèi)部壓力測量系統(tǒng):包括對稱擴(kuò)張傳感器敏感部件設(shè)計，基于FPGA與小波技術(shù)專用數(shù)字濾波模塊設(shè)計，所述片上系統(tǒng)C8051F020內(nèi)部溫度測量的三步標(biāo)定法、步進(jìn)電機(jī)功率自適應(yīng)調(diào)整方法、無混疊高精確分級報警等級設(shè)定與控制方法。
[0013]進(jìn)一步，對稱擴(kuò)張敏感部件采用分布式壓片結(jié)構(gòu)(圖6)，鍥形柔性材料設(shè)計與專用對稱傳感葉片方案(圖5)。
[0014]進(jìn)一步，通過DA (數(shù)模轉(zhuǎn)換)與開關(guān)量輸出，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整功率(圖9)。
[0015]進(jìn)一步，采用差分技術(shù)
[0016]進(jìn)一步，所述專用濾波模塊采用小波濾波方法(圖8)。
[0017]進(jìn)一步，所述輸液管內(nèi)部壓力敏感部件與蠕動泵本體采用一體化齒輪傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于獨(dú)立折裝清洗，以保持傳感器敏感部件的靈敏度。(圖4)
[0018]進(jìn)一步，所述主控芯片采用C8051R)20片上系統(tǒng)，片內(nèi)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(guān)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(yùn)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(zhì)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(nèi)部壓力的精確測量，感知人體靜脈內(nèi)部壓力的變化，以便采取快速注射功能實現(xiàn)急救；有效進(jìn)行輸液安全報警，避免針頭處回血事故；可以對電機(jī)功率進(jìn)行自動調(diào)整，避免由于輸液管內(nèi)部壓力增加導(dǎo)致停機(jī)事故；為醫(yī)務(wù)人員與病人本人掌握動態(tài)輸液反應(yīng)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?？梢允怪悄茌斠涸O(shè)備工作在低功耗運(yùn)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(jié)構(gòu)截面示意圖
[0023]圖4對稱擴(kuò)張分布式雙壓板鍥狀柔性裝置形狀設(shè)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(biāo)定法示意圖。
圖6a)三步標(biāo)定法:空載靜態(tài)標(biāo)定示意圖；
圖6b)三步標(biāo)定法:有載靜態(tài)標(biāo)定示意圖；
圖6c)三步標(biāo)定法:有載動態(tài)標(biāo)定示意圖；
[0026]圖7數(shù)字濾波模塊示意圖。
[0027]圖8步進(jìn)電機(jī)調(diào)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(dá)上的大齒輪；12、馬達(dá)；13、蠕動軸上的軸承；
[0030]
[0031]
[0032]
具體實施方案:
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體方案做詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明所述醫(yī)用智能輸液泵采用步進(jìn)電機(jī)帶動凸輪葉片式結(jié)構(gòu)的蠕動泵實現(xiàn)輸液驅(qū)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(nèi)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(kuò)張結(jié)構(gòu)(圖3、圖4)、輸液設(shè)備低功耗運(yùn)行、基于片上系統(tǒng)溫度測量的輸液管三部標(biāo)定法(圖6)等技術(shù)。
[0035]輸液管傳感器輸出信號專用數(shù)字濾波?？旒夹g(shù)
[0036]隨著環(huán)境溫度變化形成熱脹冷縮效應(yīng)使輸液管產(chǎn)生徑向與軸向形變及硬度變化，影響輸液管內(nèi)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(shè)計專用模塊高速處理這些干擾；具體應(yīng)用ALTER公司生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言)設(shè)計綜合與驗證，用FPGA實現(xiàn)小波與差分算法；差分運(yùn)算后根據(jù)小波的性質(zhì)，先對輸入信號進(jìn)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(dāng)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(jìn)行置零處理及通帶內(nèi)特定頻譜置零，實現(xiàn)帶通濾波功能。
[0037]對稱擴(kuò)張式傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)
[0038]如圖所示對稱擴(kuò)張式傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)嵌入在蠕動泵結(jié)構(gòu)中進(jìn)行設(shè)計。智能輸液設(shè)備所用蠕動驅(qū)動結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)(如圖3中73所示)，葉片中心與凸輪交合部有足夠的間隙設(shè)計(如圖3中9所示)，當(dāng)蠕動泵蠕動時不會帶動傳感葉片上下與左右運(yùn)動，傳感葉片(如圖2中14所示)的運(yùn)動主要受輸液管內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(如圖2中62所示)，這樣壓板的運(yùn)動就不會波及壓力測量；兩個壓片的間隙處設(shè)計鍥形柔性結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)傳感器葉片(如圖2中14所示)，這樣在輸液管的兩側(cè)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(shè)計方案，以使傳感器敏感葉片能進(jìn)行經(jīng)常性獨(dú)立取出的清洗(如圖2所示)，不斷維持傳感部件的設(shè)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(shù)可實現(xiàn)對醫(yī)用輸液速度的高精度控制。
[0039]智能輸液設(shè)備低功耗運(yùn)行技術(shù)
[0040]如果不能進(jìn)行輸液管內(nèi)部壓力的高精度測量，智能輸液系統(tǒng)在出廠參數(shù)設(shè)定時只能采用保守方法，將控制參數(shù)留有較大的余量，進(jìn)行冗余設(shè)計。這樣就會出現(xiàn)蠕動泵電能效率較低的高功耗運(yùn)行狀態(tài)，在低精度測量方式下進(jìn)行算法控制常會使驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(jī)自動增加功率，壓力減小時電機(jī)自動減小功率的控制目標(biāo)，從而使系統(tǒng)處于低功耗運(yùn)行狀態(tài)。此低功耗運(yùn)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(shè)備靜音控制技術(shù)
[0042]由于醫(yī)用智能輸液泵是在病房使用的設(shè)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(biāo)相當(dāng)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(jìn)電機(jī)帶動蠕動泵來工作實現(xiàn)輸液驅(qū)動的，因此，主要的噪聲來自于步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)傳動機(jī)構(gòu)；為使噪聲不大于32分貝，常將步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分控制驅(qū)動模式，并將這種工作模式出廠狀態(tài)調(diào)在臨界工作點(diǎn)；但此工作點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動能力較弱，當(dāng)輸液管內(nèi)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(yù)估與及時處理則可能導(dǎo)致停機(jī)事故。本發(fā)明使用輸液管內(nèi)部壓力高精度測量值，采用PID算法(比率、積分、微分預(yù)估算法)，當(dāng)測量到輸液管內(nèi)壓力增加到有可能出現(xiàn)停機(jī)事故時，利用算法中的微分功能預(yù)測事態(tài)發(fā)展，舜間改變開關(guān)量控制細(xì)分模式，實現(xiàn)功率突變，沖過停機(jī)點(diǎn)，維持小段時間，再由積分功能判斷回歸原細(xì)分靜音穩(wěn)態(tài)；這種由高精度測量實現(xiàn)的這種停機(jī)事故預(yù)警處理機(jī)制，達(dá)到了靜音與停機(jī)事故提前預(yù)估處理雙重目標(biāo)，實現(xiàn)了不會出現(xiàn)停機(jī)事故的靜音技術(shù)。
[0043]本發(fā)明所示基于片上溫度測量的輸液管型號三步標(biāo)定法
[0044]在標(biāo)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(biāo)定時由溫度變化帶來的葉片及輸液管本身熱脹冷縮效應(yīng)等參數(shù)修正依據(jù)。第一步實現(xiàn)標(biāo)定命令I(lǐng)完成空載靜態(tài)標(biāo)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(guān)好，啟動輸液泵，并通過健盤進(jìn)入標(biāo)定命令1，并提示完成。標(biāo)定命令2:有載靜態(tài)標(biāo)定(如圖6-b)所示)，將輸液泵置于圖示有液狀態(tài),進(jìn)入標(biāo)定命令2,智能輸液泵將自動進(jìn)入此標(biāo)定狀態(tài)，完成標(biāo)定任務(wù)并提示。此步完成后，可以通過菜單進(jìn)入標(biāo)定3，也可以停下來等待10秒后，讓其自動進(jìn)入標(biāo)定3狀態(tài)。標(biāo)定命令3:有載動態(tài)標(biāo)定(如圖6-c)所示)，在標(biāo)定3時進(jìn)入標(biāo)定3狀態(tài),也可由標(biāo)定命令2完成后自動進(jìn)入。有載時動態(tài)輸液測量蠕動泵旋轉(zhuǎn)5個周期。鎖定裝置開啟，采用真實的常規(guī)藥液，面對標(biāo)準(zhǔn)大氣壓進(jìn)行標(biāo)定。三步標(biāo)定完成以后，系統(tǒng)會提示確認(rèn)好所標(biāo)定的輸液管型號內(nèi)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(jī)停電后重新開機(jī)有效不必重新標(biāo)定。標(biāo)定好以后可以選擇本次型號錄入數(shù)據(jù)為默認(rèn)值，也可重新設(shè)置。
[0045]抗溫漂、抗零漂、抗混疊輸液管阻塞報警精確分檔技術(shù)
[0046]輸液管內(nèi)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(dǎo)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(nèi)壓力突變情形則必須進(jìn)行告警以通知醫(yī)務(wù)人員處理。告警一股會進(jìn)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(shè)定檔位的相鄰檔告警的情況，如設(shè)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(shè)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(quán)利要求】
1.一種輸液管內(nèi)部壓力高精度測量與相關(guān)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(biāo)定法，低功耗運(yùn)行技術(shù)，安全報警技術(shù)，傳感器敏感元件技術(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 對稱擴(kuò)張式傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)，分布式壓板結(jié)構(gòu)，鍥形柔性結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于: 基于輸液管內(nèi)部壓力高精度測量的低噪聲靜音控制控制技術(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)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(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)部壓力高精度測量系統(tǒng)，其特征在于:低功耗運(yùn)行技術(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)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(biāo)定法。
7.根據(jù)權(quán)利I要求所述一種輸液管內(nèi)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(shù)。
【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(quán)日:2013年6月8日
【發(fā)明者】湛騰西, 周應(yīng)創(chuàng), 張國云 申請人:湖南理工學(xué)院