摘要：注射泵是一種數(shù)字化、智能化的醫(yī)療儀器，主要用于在臨床上實(shí)現(xiàn)高精度的輸注藥液。文章描述了注射泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、各個(gè)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)，以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐運(yùn)行表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療儀器；注射泵；控制系統(tǒng) 1、 前言 隨著臨床醫(yī)藥科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)理所床醫(yī)學(xué)對(duì)給藥的方式要求越來越高。傳統(tǒng)的注射方式——護(hù)士使用注射器或吊瓶注射由于無法精確地控制輸液速度和輸液量，在許多醫(yī)護(hù)條件下都面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。注射泵是用于臨床高精度輸注藥液的醫(yī)療儀器，已經(jīng)應(yīng)用在輸血、麻醉注射、抗生素?cái)z入、止痛藥注射等領(lǐng)域。注射泵由微處理器控制，具有恒定壓力，完善數(shù)據(jù)顯示，能按需要值精確控制輸液速度和輸液量；能24 h維持靜脈輸液，保證血藥有效濃度，減少輸液副作用及并發(fā)癥；輸液堵塞或輸液完畢能及時(shí)報(bào)警提示護(hù)士進(jìn)行處理。注射汞的注射效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的注射器和吊瓶輸液。在歐美國家，注射泵的研制和應(yīng)用都已進(jìn)入一個(gè)相對(duì)成熟和穩(wěn)定的階段，而國內(nèi)注射泵的研制和臨床使用尚落后于歐美國家，只在中心城市的大醫(yī)院才獲得應(yīng)用，目前仍處于推廣階段，因此注射泵的市場前景很廣闊。注射泵的推廣和普及，對(duì)于我國各級(jí)醫(yī)院現(xiàn)代化水平的提高和我國衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。 2、 控制系統(tǒng)硬件組成 注射泵控制系統(tǒng)主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、多通道數(shù)據(jù)采集及處理、串行時(shí)鐘、聲光報(bào)警和狀態(tài)指示模塊、鍵盤和液晶顯示、EEPROM和看門狗監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，推動(dòng)注射器進(jìn)行注射。采用AT89C2051作為涉進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制器，用于控制4相（A、B、C、D相）混合式步進(jìn)電機(jī)。功率放大電路采用單極性驅(qū)動(dòng)電路，共有4路控制電路，每一路分別控制步進(jìn)電機(jī)的一相。步進(jìn)電機(jī)采用4相8拍的工作方式，在這種工作方式下，每拍通電的相磁極和轉(zhuǎn)換情況如下： 2.2 電源模塊 系統(tǒng)由外部交流電源和內(nèi)部電池供電。外部交流電源采用開關(guān)電源，提供17V輸入。內(nèi)部電池采用10節(jié)鎳氫電池，正常工作時(shí)提供12V左右電壓輸入。有外部交流電源時(shí)，系統(tǒng)由外部交流電源供電，同時(shí)對(duì)內(nèi)部電池進(jìn)行充電；無外部交流電源時(shí)由內(nèi)部電池供電。系統(tǒng)工作過程中，如外部電源意外掉電，則自動(dòng)切換為內(nèi)部電池供電，且切換過程中不影響系統(tǒng)工作狀態(tài)。電源切換和電池充電電路如圖2所示。 電源的供電順序和電源之間的自動(dòng)切換通過二極管實(shí)現(xiàn)。兩路電源分別通過兩個(gè)二要管時(shí)產(chǎn)生相同的壓降，利用二極管的單向?qū)ㄐ?，兩路電源同時(shí)供電時(shí)就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的供電順序及電源之間的自動(dòng)切換。同時(shí)由于二極管工作頻率很高，導(dǎo)通時(shí)間非常短，因此電源切換時(shí)間非常短，不足以引起系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變。 電池充電電路實(shí)際上是一個(gè)恒流源，核心器件是集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T。LM317T在電源電壓足夠的情況下可以保持其Vout端比其ADJ端電壓高1.25V。如圖所示，ADJ端直接與待充電池相連。但ADJ端的內(nèi)阻很大，可近似看作開路，則跨接在Vout端與ADJ端的電阻R1上將有1.25/ R1的電流流過。該電流便流過電池，對(duì)電池進(jìn)行了恒流充電。 2.3 多通道數(shù)據(jù)采集及處理 多通道數(shù)據(jù)采集及處理電路主要完成檢測注射器型號(hào)、注射泵注射阻塞判斷、電池充電控制、電源供電狀況等任務(wù)，如圖3所示。多通道數(shù)據(jù)采集采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1543，TLC1543采用串行控制，具有10位轉(zhuǎn)換精度，11路模擬輸入通道（A0-A10），芯片內(nèi)部自帶采樣、保持功能。 在設(shè)計(jì)中，通道A0用于檢測注射器型號(hào)，通道A1用于檢測注射器阻塞信號(hào)，通道A2用于檢測電池電壓，通道A3用于檢測外部開關(guān)電源電壓。 串行時(shí)鐘提供時(shí)間信息，主要用于確定注射泵已經(jīng)注射的時(shí)間，并在液晶上顯示。時(shí)鐘芯片采用Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS1302芯片。DS1302是實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對(duì)秒、分、小時(shí)、日、周、月及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)。 2.5 鍵盤、液晶及報(bào)警電路 鍵盤電路主要完成監(jiān)控軟件各種功能的控制，包括流向預(yù)輸量和注射速度等參數(shù)的輸入、啟動(dòng)/停止的控制、快排控制、報(bào)警消除、輸入模式的選擇、報(bào)警聲音大小的選擇，液晶是否需要背光的選擇以及鍵盤鎖定的選擇。鍵盤采用4×5防水薄膜觸摸鍵盤，鍵盤掃描電路由74LS373和74LS245構(gòu)成。 液晶用于實(shí)時(shí)顯示注射泵的各種參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，如預(yù)輸量、注射速度、累計(jì)量、已經(jīng)注射時(shí)間、注射運(yùn)行標(biāo)志、電池的電量、使用的注射器型號(hào)等，使操作者能夠?qū)崟r(shí)掌握注射泵工作狀態(tài)，同時(shí)為人工控制注射泵提供良好的控制界面的特殊性，采用定制的液晶，預(yù)先把要顯示的參數(shù)、字符定制到液晶里面。液晶顯示采用芯片HT1621控制，HT1621直接與微控制器4線串行接口，控制簡單。 報(bào)警電路用于當(dāng)注射泵工作過程中出現(xiàn)電池電量不足、注射完畢、注射器阻塞等影響注射泵正常工作的情況時(shí)提供聲光報(bào)警功能。報(bào)警聲音由蜂鳴器提供，有兩組蜂鳴器，提供高和低兩種報(bào)警聲音。發(fā)光二極管提供報(bào)警功能。 2.6 看門狗監(jiān)控及EEPROM 看門狗電路提供系統(tǒng)的可靠復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)死機(jī)時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)，EEPROM用于存儲(chǔ)一些掉電應(yīng)當(dāng)存貯的重要參數(shù)，以便使前一次修改的參數(shù)設(shè)置能保存下來，以備下一次使用。芯片X5045就完成上述兩項(xiàng)能。 X5045具有可編程看門狗定時(shí)器，內(nèi)部EEPROM可存儲(chǔ)512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可重復(fù)擦寫100，000次，數(shù)據(jù)保存100年不丟失，完全滿足上述要求。 3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 注射泵控制系統(tǒng)軟件包括主控程序和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。主控程序用于控制整個(gè)系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序診斷模塊、調(diào)試模塊、鍵盤處理模塊、液晶顯示模塊、多路數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警處理模塊和電源處理模塊，其流程如圖4所示。 初始化模塊包括液晶初始化、串行時(shí)鐘初始化、看門狗初始化和全局參數(shù)初始化。自診斷模塊完成判斷注射泵是否能運(yùn)行正常，診斷的內(nèi)容有步進(jìn)電機(jī)廠能否轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集模塊能否正確采集、壓力傳感器是否已經(jīng)安裝。調(diào)試模塊用于系統(tǒng)工作在調(diào)試模式而非用戶模式時(shí)調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)，主要包括關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測量、顯示、設(shè)置和系統(tǒng)的運(yùn)行測試。鍵盤處理模塊完成各種輸入?yún)?shù)的處理和相應(yīng)的控制命令的執(zhí)行。液晶顯示用于用于實(shí)時(shí)顯示注射泵的各種流向參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)以及控制不同顯示界面之間的切換。多路數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)采集多路模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，并對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。報(bào)警處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同報(bào)警信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并進(jìn)行聲光報(bào)警以提醒用戶。電源處理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電進(jìn)行控制，并對(duì)電源供電狀況進(jìn)行指示。 4、 系統(tǒng)抗干擾措施 由于該系統(tǒng)直接應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生部門，可靠性問題尢為重要。保證系統(tǒng)可靠性的措施主要包括硬件方面和軟件方面。 4.1 硬件方面主要措施 （1） 在系統(tǒng)外圍設(shè)施加入浪涌吸收器、電源濾波器； （2） 模擬地、數(shù)字地、屏蔽地正確連接； （3） 步進(jìn)電機(jī)電源加濾波電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路光耦隔離； （4） 電路板上每個(gè)芯片并接一個(gè) 0.01-0.1μF高頻電容； （5） 電路板合理分區(qū)和布線。 4.2 軟件方面主要措施 （1） 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波，保證數(shù)據(jù)采集可靠性； （2） 加強(qiáng)鍵盤操作的安全性和容錯(cuò)性； （3） 在程序適當(dāng)?shù)牡胤郊颖车貑巫止?jié)的空操作NOP指令； （4） 不斷地更新關(guān)鍵的I/O端口和一些重要的寄存器。 5、 結(jié)束語 文章討論了注射泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了一套可實(shí)現(xiàn)的注射泵控制系統(tǒng)的硬件和軟件方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸注藥液的注射速度和注射量進(jìn)行高精度的控制。自從成功研制以來，該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定、可靠，經(jīng)測試表明注射精度在±3%之內(nèi)，滿足了國家醫(yī)療衛(wèi)生部門對(duì)注射泵的精度要求，現(xiàn)正在進(jìn)行臨床測試。