摘要：注射泵是一種數字化、智能化的醫療儀器，主要用于在臨床上實現高精度的輸注藥液。文章描述了注射泵控制系統的設計思想、各個模塊的硬件實現，以及相應的軟件設計。實踐運行表明該系統工作穩定、可靠。 關鍵詞：醫療儀器；注射泵；控制系統 1、 前言 隨著臨床醫藥科學技術的不斷發展，監理所床醫學對給藥的方式要求越來越高。傳統的注射方式——護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，在許多醫護條件下都面臨嚴峻的挑戰。注射泵是用于臨床高精度輸注藥液的醫療儀器，已經應用在輸血、麻醉注射、抗生素攝入、止痛藥注射等領域。注射泵由微處理器控制，具有恒定壓力，完善數據顯示，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癥；輸液堵塞或輸液完畢能及時報警提示護士進行處理。注射汞的注射效果要優于傳統的注射器和吊瓶輸液。在歐美國家，注射泵的研制和應用都已進入一個相對成熟和穩定的階段，而國內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院才獲得應用，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，對于我國各級醫院現代化水平的提高和我國衛生事業的發展具有重要的意義。 2、 控制系統硬件組成 注射泵控制系統主要包括步進電機驅動模塊、電源模塊、多通道數據采集及處理、串行時鐘、聲光報警和狀態指示模塊、鍵盤和液晶顯示、EEPROM和看門狗監控。其結構如圖1所示。 2.1 步進電機驅動器 步進電機驅動器用于驅動步進電機，推動注射器進行注射。采用AT89C2051作為涉進電機驅動電路的控制器，用于控制4相（A、B、C、D相）混合式步進電機。功率放大電路采用單極性驅動電路，共有4路控制電路，每一路分別控制步進電機的一相。步進電機采用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換情況如下： 2.2 電源模塊 系統由外部交流電源和內部電池供電。外部交流電源采用開關電源，提供17V輸入。內部電池采用10節鎳氫電池，正常工作時提供12V左右電壓輸入。有外部交流電源時，系統由外部交流電源供電，同時對內部電池進行充電；無外部交流電源時由內部電池供電。系統工作過程中，如外部電源意外掉電，則自動切換為內部電池供電，且切換過程中不影響系統工作狀態。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切換通過二極管實現。兩路電源分別通過兩個二要管時產生相同的壓降，利用二極管的單向導通性，兩路電源同時供電時就實現了系統所需的供電順序及電源之間的自動切換。同時由于二極管工作頻率很高，導通時間非常短，因此電源切換時間非常短，不足以引起系統工作狀態的改變。 電池充電電路實際上是一個恒流源，核心器件是集成三端可調穩壓器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，對電池進行了恒流充電。 2.3 多通道數據采集及處理 多通道數據采集及處理電路主要完成檢測注射器型號、注射泵注射阻塞判斷、電池充電控制、電源供電狀況等任務，如圖3所示。多通道數據采集采用模數轉換芯片TLC1543，TLC1543采用串行控制，具有10位轉換精度，11路模擬輸入通道（A0-A10），芯片內部自帶采樣、保持功能。 在設計中，通道A0用于檢測注射器型號，通道A1用于檢測注射器阻塞信號，通道A2用于檢測電池電壓，通道A3用于檢測外部開關電源電壓。 串行時鐘提供時間信息，主要用于確定注射泵已經注射的時間，并在液晶上顯示。時鐘芯片采用Dallas半導體公司生產的DS1302芯片。DS1302是實時時鐘，可對秒、分、小時、日、周、月及帶閏年補償的年進行計數。 2.5 鍵盤、液晶及報警電路 鍵盤電路主要完成監控軟件各種功能的控制，包括流向預輸量和注射速度等參數的輸入、啟動/停止的控制、快排控制、報警消除、輸入模式的選擇、報警聲音大小的選擇，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構成。 液晶用于實時顯示注射泵的各種參數和運行狀態，如預輸量、注射速度、累計量、已經注射時間、注射運行標志、電池的電量、使用的注射器型號等，使操作者能夠實時掌握注射泵工作狀態，同時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，預先把要顯示的參數、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。 報警電路用于當注射泵工作過程中出現電池電量不足、注射完畢、注射器阻塞等影響注射泵正常工作的情況時提供聲光報警功能。報警聲音由蜂鳴器提供，有兩組蜂鳴器，提供高和低兩種報警聲音。發光二極管提供報警功能。 2.6 看門狗監控及EEPROM 看門狗電路提供系統的可靠復位和系統運行出錯死機時的自動恢復，EEPROM用于存儲一些掉電應當存貯的重要參數，以便使前一次修改的參數設置能保存下來，以備下一次使用。芯片X5045就完成上述兩項能。 X5045具有可編程看門狗定時器，內部EEPROM可存儲512個字節的數據，可重復擦寫100，000次，數據保存100年不丟失，完全滿足上述要求。 3、 系統軟件設計 注射泵控制系統軟件包括主控程序和步進電機驅動程序。主控程序用于控制整個系統，步進電機驅動程序診斷模塊、調試模塊、鍵盤處理模塊、液晶顯示模塊、多路數據采集模塊、報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、串行時鐘初始化、看門狗初始化和全局參數初始化。自診斷模塊完成判斷注射泵是否能運行正常，診斷的內容有步進電機廠能否轉動、數據采集模塊能否正確采集、壓力傳感器是否已經安裝。調試模塊用于系統工作在調試模式而非用戶模式時調試整個系統，主要包括關鍵數據的測量、顯示、設置和系統的運行測試。鍵盤處理模塊完成各種輸入參數的處理和相應的控制命令的執行。液晶顯示用于用于實時顯示注射泵的各種流向參數和運行狀態以及控制不同顯示界面之間的切換。多路數據采集模塊定時采集多路模擬信號和數字信號，并對采集結果進行相應的處理。報警處理模塊實現對不同報警信號進行相應的處理，并進行聲光報警以提醒用戶。電源處理模塊主要實現對電池充電進行控制，并對電源供電狀況進行指示。 4、 系統抗干擾措施 由于該系統直接應用于醫療衛生部門，可靠性問題尢為重要。保證系統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） 在系統外圍設施加入浪涌吸收器、電源濾波器； （2） 模擬地、數字地、屏蔽地正確連接； （3） 步進電機電源加濾波電路、步進電機驅動電路和控制電路光耦隔離； （4） 電路板上每個芯片并接一個 0.01-0.1μF高頻電容； （5） 電路板合理分區和布線。 4.2 軟件方面主要措施 （1） 對采集的數據進行軟件濾波，保證數據采集可靠性； （2） 加強鍵盤操作的安全性和容錯性； （3） 在程序適當的地方加背地單字節的空操作NOP指令； （4） 不斷地更新關鍵的I/O端口和一些重要的寄存器。 5、 結束語 文章討論了注射泵控制系統的設計，提出了一套可實現的注射泵控制系統的硬件和軟件方案實現了對輸注藥液的注射速度和注射量進行高精度的控制。自從成功研制以來，該系統一直工作穩定、可靠，經測試表明注射精度在±3%之內，滿足了國家醫療衛生部門對注射泵的精度要求，現正在進行臨床測試。