CN103394147A - 一种自控电子镇痛输注泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自控电子镇痛输注泵，包括基座、固定在基座上的直流电机、与直流电机连接的蜗轮蜗杆传动机构、由轴上齿轮与带圆孔从动齿轮啮合的齿轮传动机构、跨在带圆孔从动齿轮两侧的槽型光电传感器、带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构的主传动轴机构、设置在基座上受凸轮机构驱动的三个泵片、穿过基座上沟槽且受泵片顶压的输液管。本发明通过采用槽型光电传感器采集到旋转齿轮的圈数信息，反映出输注量信息。达到了利用一种简单有效的方法精确地控制了输注速度，还能对气泡、空液、输液管阻塞等异常进行排查的设计要求。方便了医生和病人可以根据实际情况进行自控输液，确保了患者的安全。

Description

一种自控电子镇痛输注泵

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种输液速度和输液剂量精确可调的自控电子镇痛输注泵。

背景技术

自控电子镇痛输注泵是一种在微控制器系统控制下，由泵体将输注液按一定的流速挤推到患者体内的智能化自动输注装置。现被广泛应用于医院等医疗卫生机构。常规临床输注普遍采用挂瓶形式，用眼睛观察，依靠手动夹子来控制输注速度，不能精确设置输注速度和输注剂量，且工作量大。在很多设计中，对输注完毕和输注过程中偶然出现的故障，如气泡、阻塞等都不能自动报警，不能及时切断输注通路，也不能让病人根据自己的痛感来自控输注速度和追加输注剂量，从而产生不良后果。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种自控电子镇痛输注泵，其是一种适合自控给药需求的智能型输注泵，主要由电路控制部分和机械传动部分组成，可精确地控制输注速度和输注剂量是本发明的核心。本发明采用光电传感器作为检测元件，通过精确的检测输注过程中齿轮旋转圈数信息来控制输注速度的方法。满足了医生可以依据实际情况来预先设置一定的输注速度和输注剂量，病人也可以根据自己的痛感在一定时间范围内随时追加输注量的要求。达到了输注速度和输注剂量精确可调的要求。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自控电子镇痛输注泵，包括基座（1），固定在基座（1）上的直流电机（3）、控制系统、电池组系统，与直流电机（3）连接的蜗轮蜗杆传动机构，与蜗轮蜗杆传动机构连接的齿轮传动机构，分别与齿轮传动机构连接的槽型光电传感器（9）、带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构（13）的主传动轴（11），设置在基座（1）上且分别受凸轮机构（13）驱动的三个泵片（15）；基座（1）上设置有沟槽（16），沟槽（16）与主传动轴（11）平行地设置在基座（1）上，两者之间的距离为泵片（15）的宽度；输液管（17）位于沟槽（16）内，输液管（17）与泵片（15）接触且受泵片（15）顶压；控制系统包括主控制器、按键、显示器，主控制器分别与按键、显示器、直流电机（3）、槽型光电传感器（9）连接；电池组系统分别与主控制器、直流电机（3）连接。

所述蜗轮蜗杆传动机构包括一个与直流电机（3）连接的蜗杆（4）和一个设置在基座（1）上带轴的蜗轮（6）；蜗杆（4）中心轴与直流电机（3）伸出轴同轴放置，蜗杆（4）一端沿中心轴开有深孔，与直流电机（3）伸出轴配合固定；所述蜗轮蜗杆传动机构具有自锁性，只能由蜗杆（4）带动蜗轮（6），不能由蜗轮（6）带动蜗杆（4）；蜗轮（6）与蜗杆（4）正交放置；蜗轮蜗杆传动机构为蜗轮（6）的齿轮与蜗杆（4）的螺纹啮合传动，在其中间平面内相当于齿轮和齿条，得较大的传动比，使传动稳定。

所述齿轮传动机构包括一个轴上齿轮（7）和一个与轴上齿轮（7）啮合的带圆从动孔齿轮（8）；轴上齿轮（7）与蜗轮（6）连接并固定于基座（1）凸起的固定件（5）上；带圆孔从动齿轮（8）固定在主传动轴（11）上；齿轮传动机构通过降低机械结构的转动速度来保证输液稳定，齿轮传动比为4:1。

所述的带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构（13）的主传动轴（11）固定在基座（1）凸起固定件（12）上，并与带圆孔从动齿轮（8）连接；三个凸轮机构（13）在主传动轴（11）上等距离设置，每个凸轮机构（13）都与一个可以左右移动的泵片（15）连接，使得主传动轴（11）转动时，三个凸轮机构（13）可以依次顶动泵片（15），从而挤压输液管（17）。

所述槽型光电传感器（9）包括一个用于发射低于可见光频率光的红外二极管光发射器（18）、一个用于接收红外信号的光敏三极管光接收器（19）、与光敏三极管光接收器（19）连接的信号接收电路模块、通光槽（20），光发射器（18）和光接收器（19）分别设置在通光槽（20）的两侧；所述光电传感器（9）固定在基座（1）固定凸台（10）上；通光槽（20）跨在带圆孔从动齿轮（8）的两侧，使得带圆从动孔齿轮（8）的圆孔（22）处于槽型光电传感器（9）的通光槽（20）中心，便于采集齿轮转动圈数信息。

所述直流电机（3）通过固定挡板（2）固定在基座（1）上，基座（1）上两个高度相同的固定挡板（2）控制所述直流电机（3）的径向自由度，基座（1）上的两个固定挡板（2）之间的长条凸起用来固定所述直流电机（1）的轴向自由度。

本发明的工作过程（原理）包括如下步骤：

步骤1：直流电机旋转带动蜗轮蜗杆传动机构转动，可以驱动齿轮传动机构运动；齿轮传动机构转动将直流电机的转速降为4:1，传递给传动轴，带动传动轴上的三个偏心凸轮旋转，三个偏心凸轮的旋转将按照先后顺序依次推动泵片顶压输液管。

步骤2：带圆孔从动齿轮的圆孔旋转到槽型光电传感器的通光槽内时，光电传感器一侧的光敏三极管将接收到另一侧红外二极管发出的红外光信号，此时，所述光敏三极管导通，光敏三极管的集电极将产生电平跳变，产生一个下降沿中断传给主控制器，主控制器接收到带圆孔从动齿轮转动一圈的信息，再根据具体情况对直流电机进行控制。

本发明的输注速度的控制是通过设置控制器内的定时器初值来实现的，带圆孔从动齿轮每转动一圈，都会通过跨在该齿轮两侧的光电传感器给主控制器一个外部中断，主控制器接收到这个外部中断后一般会立即停止直流电机的转动，等待定时器的定时时间到后再次驱动直流电机转动。所以，通过设置控制器内定时器的初始值来控制直流电机转动一圈的停顿时间，从而实现对自控电子镇痛输注泵输注速度的控制，计算公式如下：

$t_i=\frac{T}{V_i\×n}$

其中，t_i代表定时器设置的初值所对应的时间，T为一个小时的时间，V_i是需要用户在显示器上设置的一个小时的输注量剂量，n代表一毫升输注液的滴数。n需要根据不同的输液管的横截面积来确定，本发明采用的输液管n取16，而且经过实验，带圆孔从动齿轮每旋转一圈滴出一滴输注液。为了方面医生可以根据病人的需要设置输注剂量，在显示界面上显示的输注剂量为每小时的输注剂量。病人也可以根据自己的痛感需要在一定时间范围内追加医生提前设置好的输注剂量；在排气模式或追加模式时，直流电机将持续转动，此时光电传感器会暂时失效，直至排气模式或追加模式运行结束后继续生效。

因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过光电传感器采集到旋转齿轮的圈数信息，反映出输注量信息，达到了利用一种简单有效的方法精确地控制输注速度，还能对气泡、空液、输液管阻塞等异常进行排查的设计要求；方便了医生和病人可以根据实际情况进行自控输液，确保了患者的安全。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

图3是本发明中槽型光电传感器的内部结构示意图。

图4是本发明中槽型光电传感器的外部结构示意图。

图5是本发明中槽型光电传感器与带圆孔从动齿轮的连接示意图。

图6是本发明实施例中主控制器及其外围控制电路部分。

其中，图6a为稳压电路模块23，图6b为直流电机驱动电路模块24，图6c为光电传感器电路模块25，图6d为主控芯片与LCD显示器的连接电路模块26。

图7是本发明实施例中控制系统与机械结构的连接控制框图。

图8是本发明实施例的输注速度设置过程中，每小时输注剂量与带圆孔齿轮转动时间间隔的对应曲线。

图9是本发明实施例的程序流程图。

其中，1-基座、2-固定挡板、3-直流电机、4-蜗杆、5-固定件、6-蜗轮、7-轴上齿轮、8-带圆孔从动齿轮、9-槽型光电传感器、10-固定凸台、11-主传动轴、12-凸起固定件、13-凸轮机构、14-垫圈、15-泵片、16-沟槽、17-输液管、18-光发射器、19-光接收器、20-通光槽、21-接线柱、22-圆孔、23-稳压电路模块、231-电感、232-稳压芯片、233-极性电容、234-极性电容、235-电感、236-稳压芯片、237-极性电容、238-极性电容、24-直流电机驱动电路模块、241-二极管、242-直流电机、243-电阻、244-三极管、25-光电传感器电路模块、251-电阻、252-发光二极管、253-光敏三极管、254-电阻、255-电阻、26-主控芯片与LCD显示器的连接电路模块、261-主控芯片、262-LCD显示器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明包括基座1，固定在基座1上的直流电机3、控制系统、电池组系统，与直流电机3连接的蜗轮蜗杆传动机构，与蜗轮蜗杆传动机构连接的齿轮传动机构，分别与齿轮传动机构连接的槽型光电传感器9、带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构13的主传动轴11，设置在基座1上且分别受凸轮机构13驱动的三个泵片15；基座1上设置有沟槽16，沟槽16与主传动轴11平行地设置在基座1上，两者之间的距离为泵片15的宽度；输液管17位于沟槽16内，输液管17与泵片15接触且受泵片15顶压；控制系统包括主控制器、按键、显示器，主控制器分别与按键、显示器、直流电机3、槽型光电传感器9连接；电池组系统分别与主控制器、直流电机3连接；主控制器包括主控芯片261以及分别与其连接的稳压电路模块23、直流电机驱动电路模块24、光电传感器电路模块25。

下面分别对本发明的各部分结构作详细说明。

1、机械传动机构的结构组成：

该部分具体设计参见图1、图2，机械传动机构由固定在基座1上的直流电机3、蜗轮蜗杆传动机构以及齿轮传动机构三个部分组成。蜗轮蜗杆传动机构包括一个与直流电机3连接的蜗杆4和一个设置在基座1上带轴的蜗轮6，两啮合齿面为线接触，其承载能力远远高于交错轴斜齿轮传动，相当于螺旋传动，为多齿啮合，故噪声很小。所述蜗杆4中心轴与直流电机3伸出轴同轴放置，蜗杆4一端沿中心轴开有深孔，与直流电机3伸出轴配合固定，可以通过开启直流电机3转动，带动蜗轮蜗杆传动机构转动；所述直流电机3通过挡板2固定在基座1上，基座1上两个高度一样固定挡板2控制住所述直流电机3的径向自由度，基座1上两挡板2之间的长条凸起用来固定所述直流电机3的轴向自由度，为整个机械传动机构运行提供了稳定的源动力，所述蜗轮蜗杆传动机构具有自锁性，即只能由蜗杆4带动蜗轮6，而不能由蜗轮6带动蜗杆4；所述蜗轮6与所述蜗杆4处于正交放置，用来传递两交错轴之间的运动和动力。所述蜗轮蜗杆传动机构为蜗轮6的齿轮与所述蜗杆4的螺纹啮合传动，在其中间平面内相当于齿轮和齿条，得到较大的传动比，使传动稳定。所述齿轮传动机构包括一个轴上齿轮7和一个与此轴上齿轮7啮合的带圆孔从动齿轮8；所述轴上齿轮7与上述蜗轮6固定连接，固定于基座凸起固定件5上，所述带圆孔从动齿轮8固定在主传动轴机构上，与轴上齿轮7啮合，保证两者的轴向中心线平行放置；所述齿轮传动机构是用来改变传动比的，由于直流电机3转速较快，因此可用来降低机械结构的转动速度来保证输液稳定的，齿轮传动比为4:1。这样，蜗轮蜗杆传动机构的转动就传递给了齿轮传动机构。所述主传动轴机构包括一根固定在基座1上的传动轴11、设置在传动轴11上三个相位差为120°的凸轮机构13；所述主传动轴机构固定在基座凸起固定件12上并与带圆从动孔齿轮8连接；所述三个凸轮机构13在传动轴11上等距离设置，三个凸轮机构13同步控制三个泵片15：进液泵片、挤液泵片和出液泵片，每个凸轮机构13都顶着一个可以左右移动的泵片15。主传动轴机构转动时，三个凸轮机构13可以依次顶动三个泵片15，使三个泵片15交替关闭和导通，实现了输注液的自动挤压输注。

机械传动机构设计在基座1的中间，保证了整个传动过程的相对稳定。当直流电机3转动时，将直流电机3轴的转动传递给蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构通过带轴的蜗轮机构将转动传递给一对啮合的齿轮传动机构，齿轮传动机构通过带圆孔从动轮8将转动传递给主传动轴机构，而主传动轴机构的转动带动其上的三个凸轮机构13交替顶动泵片15关闭和导通，实现了输注液自动的输入患者体内。医生和病人可以通过按键控制直流电机3的开启来实现输液。在输液前，可以通过开启直流电机3转动，直到有药液滴出可以认为输液管17内的空气被排尽，然后关闭直流电机3的转动，便实现了排气功能。

2、槽式光电传感器9、带圆孔从动齿轮8以及各电路模块的机构组成：

上述三个部分的主要目的是采集带圆孔从动齿轮8旋转的圈数信息传递给主控芯片261处理，主控芯片261根据不同情况，控制直流电机3的转动情况。

该部分具体设计参见图4—图7。所述槽型光电传感器单元9包括一个用于发射低于可见光频率信号的红外二极管光发射器18、一个用于接收红外信号的光敏三极管光接收器19、与红外光敏三极管光接收器19连接的光电传感器电路模块25和光电传感器电路模块25连接的主控制器相关模块；所述光发射器18和光接收器19分别设置在光电传感器9两侧的槽内；所述光电传感器9固定在基座1上，两侧槽跨在上述带圆孔从动齿轮8两侧，使得带圆孔从动齿轮8的圆孔22处于光电传感器9的槽20中心，便于采集齿轮转动圈数信息。当直流电机3旋转时，机械传动机构运转使得带圆孔从动齿轮8在光电传感器9槽中转动。当带圆孔从动齿轮8的圆孔22旋转到光电传感器槽20中心时，光发射器18发射出的红外光将通过带圆孔从动齿轮8的圆孔22到达光接收器19一边，激发光敏三极管光接收器19处于导通状态，使得光接收器19的集电极产生由高电平变为低电平的跳变，产生一个下降沿中断，传到主控芯片261的外部中断引脚，主控芯片261接受到中断就采集到了带圆孔从动齿轮8转动一圈的信息，主控芯片261对此圈数信息进行分析，根据不同情况做出相关处理。

主控芯片261的电路参见图6d，由于本设计中主控芯片261的工作电压为3.3v，所以稳压电路模块23中使用LM117作为稳压芯片为控制电路提供3.3v的稳定电压。此稳压电路模块23以6v(4节)电池作为输入，输出稳定的3.3v电压。因为直流电机3在转动的过程中会使得电压变得不稳定，所以该模块需要使用2片LM117稳压芯片，产生两个稳定的3.3V稳定电压：一个为主控芯片261供电；一个为直流电机3供电。中间还要用大电感231和235来产生隔离。模块24为直流电机242的驱动电路模块，本设计中使用了一个三极管244制作的开关电路来控制直流电机242的打开和关闭。直流电机242中通过的电流是由电阻243的大小决定的，因此可以调节该电阻243阻值来控制直流电机242转速。该模块电路中，三极管244的基极通过电阻243接主控芯片261引脚。若此引脚输出高电平，则三极管244处于导通状态，直流电机242开始转动；若此引脚输出低电平，则三极管244处于截止状态，直流电机242停止转动。模块26中的主控芯片261控制LCD显示器262，LCD显示器262的清晰度和分辨率都较LED高，本设计中，LCD显示器262可以显示总输注剂量、小时输注剂量、追加次数、追加量、锁时、已注量、密码等设置信息。

3、输注速度控制方法的设计：

在上述的自控电子镇痛输注泵实现方法中，自控电子镇痛输注泵输注速度的控制是通过设置主控芯片261的定时器初值实现的，该控制系统中，带圆孔从动齿轮8每转动一圈，都会通过跨在该齿轮8两侧的槽型光电传感器9给主控芯片261一个外部中断，主控芯片261接收到这个外部中断后一般会立即停止直流电机3的转动，等待定时器的定时时间到后再次驱动直流电机3转动。所以，通过设置控制器定时器的初值来控制直流电机3转动一圈后的停顿时间，从而实现对自控电子镇痛输注泵输注速度的控制，计算公式如下：

$t_i=\frac{T}{V_i\×n}$

其中，t_i代表定时器设置的初值所对应的时间，T为一个小时的时间，V_i是设置的一个小时的输注量剂量，n代表一毫升输注液的滴数。n需要根据不同的输液管的横截面积来确定，本实施例采用的输液管n取16，而且经过实验，带圆孔从动齿轮8每旋转一圈滴出一滴输注液。为了方面医生可以根据病人的需要设置输注剂量，在显示界面上显示的输注剂量为每小时的输注剂量。当病人在医生设置好的速度给药时仍感觉痛感严重，病人可以在一定时间范围内自控追加医生提前设置好的特定追加剂量；当病人追加剂量后仍不能缓解疼痛，医生可以通过输入密码后对各参量进行重新设置。此外，为了更加方便使用，医生可以在设置完各参数后通过按键控制对空液输液管进行排气。在排气模式或追加模式时，是通过控制直流电机持续转动，持续输液现实的。此时光电传感器会暂时失效，直至排气模式或追加模式运行结束后继续生效。

本实验例齿轮转动时间间隔与小时输注剂量的关系如图7所示，曲线表示的是设置的小时输注量(ml)与定时器需要设置的时间(s)的关系。图中表示了设置的小时输注剂量越大时，齿轮转动时间间隔就会越小，也即是定时器设置的定时时间越短，输注速度也是越快。这样就采用了一种光电传感器9简单有效的达到了输注速度和输注剂量精确可调的设计要求，确保了患者的安全。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种自控电子镇痛输注泵，其特征在于：包括基座（1），固定在基座（1）上的直流电机（3）、控制系统、电池组系统，与直流电机（3）连接的蜗轮蜗杆传动机构，与蜗轮蜗杆传动机构连接的齿轮传动机构，分别与齿轮传动机构连接的槽型光电传感器（9）、带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构（13）的主传动轴（11），设置在基座（1）上且分别受凸轮机构（13）驱动的三个泵片（15）；基座（1）上设置有沟槽（16），沟槽（16）与主传动轴（11）平行地设置在基座（1）上，两者之间的距离为泵片（15）的宽度；输液管（17）位于沟槽（16）内，输液管（17）与泵片（15）接触且受泵片（15）顶压；控制系统包括主控制器、按键、显示器，主控制器分别与按键、显示器、直流电机（3）、槽型光电传感器（9）连接；电池组系统分别与主控制器、直流电机（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种自控电子镇痛输注泵，其特征在于：所述蜗轮蜗杆传动机构包括一个与直流电机（3）连接的蜗杆（4）和一个设置在基座（1）上带轴的蜗轮（6）；蜗杆（4）中心轴与直流电机（3）伸出轴同轴放置，蜗杆（4）一端沿中心轴开有深孔，与直流电机（3）伸出轴配合固定；所述蜗轮蜗杆传动机构具有自锁性，只能由蜗杆（4）带动蜗轮（6），不能由蜗轮（6）带动蜗杆（4）；蜗轮（6）与蜗杆（4）正交放置；蜗轮蜗杆传动机构为蜗轮（6）的齿轮与蜗杆（4）的螺纹啮合传动，在其中间平面内相当于齿轮和齿条，得较大的传动比，使传动稳定。

3.根据权利要求2所述的一种自控电子镇痛输注泵装置，其特征在于：所述齿轮传动机构包括一个轴上齿轮（7）和一个与轴上齿轮（7）啮合的带圆从动孔齿轮（8）；轴上齿轮（7）与蜗轮（6）连接并固定于基座（1）凸起的固定件（5）上；带圆孔从动齿轮（8）固定在主传动轴（11）上；齿轮传动机构通过降低机械结构的转动速度来保证输液稳定，齿轮传动比为4:1。

4.根据权利要求3所述的一种自控电子镇痛输注泵装置，其特征在于：所述的带有三个相位差为120°的偏心凸轮机构（13）的主传动轴（11）固定在基座（1）凸起固定件（12）上，并与带圆孔从动齿轮（8）连接；三个凸轮机构（13）在主传动轴（11）上等距离设置，每个凸轮机构（13）都与一个可以左右移动的泵片（15）连接，使得主传动轴（11）转动时，三个凸轮机构（13）可以依次顶动泵片（15），从而挤压输液管（17）。

5.根据权利要求1—4中任意一项所述的一种自控电子镇痛输注泵装置，其特征在于：所述槽型光电传感器（9）包括一个用于发射低于可见光频率光的红外二极管光发射器（18）、一个用于接收红外信号的光敏三极管光接收器（19）、与光敏三极管光接收器（19）连接的信号接收电路模块、通光槽（20），光发射器（18）和光接收器（19）分别设置在通光槽（20）的两侧；所述光电传感器（9）固定在基座（1）固定凸台（10）上；通光槽（20）跨在带圆孔从动齿轮（8）的两侧，使得带圆从动孔齿轮（8）的圆孔（22）处于槽型光电传感器（9）的通光槽（20）中心，便于采集齿轮转动圈数信息。

6.根据权利要求1—4中任意一项所述的一种自控电子镇痛输注泵装置，其特征在于：所述直流电机（3）通过固定挡板（2）固定在基座（1）上，基座（1）上两个高度相同的固定挡板（2）控制所述直流电机（3）的径向自由度，基座（1）上的两个固定挡板（2）之间的长条凸起用来固定所述直流电机（1）的轴向自由度。

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