CN109026653A - 一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，包括：微流控泵芯片，通过控制致动器件的振动以输出液体；压力传感器，位于所述微流控泵芯片输出口后的管路中，通过感知所述微流控泵芯片输出液体的压力变化而输出电信号；信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；信号处理单元，用于根据所述数字信号判断所述微流控泵芯片及输注管路的工作状态，当发现异常时，向报警单元发出信号；报警单元，用于根据所述信号发出报警；以及控制驱动单元，用于根据所述信号处理单元的输出来调整所述微流控泵芯片的输出状态。本发明可以精确控制微流控泵芯片，并准确检测微流控泵芯片的异常状态并及时报警。

Description

一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统
技术领域
本发明涉及医疗、生物、化学、农业、美容、卫浴领域，尤其涉及一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统。
背景技术
微流控泵芯片作为微流控技术的一个重要组成部分，以其结构简单、体积轻薄、低频工作、低功耗等优点在医疗应用、生物、化学、农业、美容、卫浴等方面都有着广泛的前景。在实际工作中，与之相匹配的异常检测及控制系统是整个系统中非常重要的组成部分。尤其是对安全性、稳定性有很高要求的应用方面时，设备工作过程中各种状态都必须进行监控，防止异常状态比如管路堵塞、储液器打空、泵芯片失效、气泡驻留、液体渗漏等带来的潜在风险。
目前，市面上的电子注射泵大多采用机械的结构，使用活塞推进的方式输送液体。通过检测推杆的阻力，判断电子注射泵的不同工作状态。但是因为活塞阻力的存在，该方法灵敏度不高，而且会对液路施加一个较大的累积压力，在堵塞排除的瞬间可能造成短时间输注大剂量液体，有一定的安全隐患。
另外，有基于硅基MEMS工艺的微流控泵芯片内部集成了压力传感器。该方案解决了灵敏度问题。但是，集成在芯片内的压力传感器检测的是芯片内管路的压力变化，而输注异常同时也可能产生于芯片外的管路中，单单检测芯片内管路的压力变化是不够的，不同的外部管路设计，甚至输注软管的晃动都可能会影响测试精度，所以，该方案不能精确检测整个系统的异常输注状态。
发明内容
针对现有微流控泵系统在异常检测和精确控制方面的缺点，本发明提供了一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统。本发明方案能够实时监控微流控泵芯片和输送管路的工作状态，当发现工作异常时，停止或调整微流控泵芯片的工作并及时报警。
本发明的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，包括：
微流控泵芯片，通过控制致动器件的振动以输出液体；
压力传感器，位于所述微流控泵芯片输出口后的管路中，通过感知所述微流控泵输出液体的压力变化而输出电信号；
信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；
信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；
信号处理单元，用于根据所述数字信号判断所述微流控泵芯片及输注管路的工作状态，当发现异常时，向报警单元发出信号；
报警单元，用于根据所述信号发出报警；以及
控制驱动单元，用于根据所述信号处理单元的输出来调整所述微流控泵芯片的输出状态。
优选地，所述微流控泵芯片进一步包括致动器件、泵腔、连接机构、入口阀和出口阀，所述泵腔供液体通过，所述致动器件作为驱动源。
优选地，所述压力传感器由压敏材料、阻隔层、上盖、底盖和感应腔室构成。
优选地，所述压力传感器安装在一个单独的腔室中，或者集成在输送管路上成为管路的一部分。
优选地，可以集成多个压力传感器，位于微流控芯片输入口之前、微流控泵芯片中、微流控泵芯片输出口之后，从而对整个液路进行监控。
优选地，所述信号处理单元进一步包括分析模块、判断模块和输出模块，所述分析模块分析所述数字信号以获得所述电信号反映的液体压力值，所述判断模块根据所述压力值判断所述微流控泵芯片及输注管路处于何种工作状态，当发现异常时，所述输出模块向所述报警单元输出信号，所述异常包括管路堵塞、储液器打空、泵芯片失效、气泡驻留和液体渗漏。
优选地，所述报警单元的报警方式包括屏幕报警、灯光报警、震动报警和声音报警。
优选地，所述报警单元进一步包括无线传输模块。
优选地，进一步包括噪声滤除模块，用于滤除运动噪声干扰。
优选地，所述控制驱动单元根据所述信号处理模块的输出调整输出至所述微流控泵芯片的所述驱动信号的参数，所述参数包括驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比。
本发明具有如下有益效果：通过本发明的异常状态检测及控制系统，微流控泵芯片可以精确控制，其异常状态可以准确检测并及时报警。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统的结构示意图。
图2是本发明的一个实施例的微流控泵的结构示意图。
图3是本发明的一个实施例的压力传感器的结构示意图。
图4是本发明的一个实施例的信号处理单元的结构示意图。
图5是本发明的一个实施例的驱动控制单元的结构框图。
图6是本发明的一个实施例的报警单元的结构示意图。
图7(a)、图7(b)、图7(c)是本发明的三种噪声滤除模块的滤除噪声的波形示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。
下面结合附图详细说明本发明的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统的结构。
如图1所示，本发明的一个实施例的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统包括微流控泵芯片1、压力传感器2、信号调理电路3、信号采集电路4、信号处理单元5、控制驱动单元6和报警单元7。下面对各个部分进行详细说明。
微流控泵芯片1，通过控制致动器件的振动以输出液体。微流控泵芯片1的结构如图2所示，主要由致动器件11、泵腔14、连接机构15、入口阀12和出口阀13组成。微流控泵芯片1采用致动器件11作为驱动源，在控制驱动单元6输出的驱动信号下，产生振动。致动器件包括但不限于压电陶瓷、磁致伸缩器件、热致伸缩器件、形状记忆合金。微流控泵芯片1通过导线组1a和控制驱动单元6连接。当控制驱动单元6产生的驱动信号加载在微流控泵芯片1上时，致动器件11产生振动，通过连接机构15，直接或间接改变泵腔14的容积，同时，入口阀12和出口阀13交替打开关闭，从而输出液体。图中箭头表示液体的流动方向，泵腔14供液体流通。
压力传感器2安装于微流控泵芯片1的输出口之后，通过管路3a相连。压力传感器2的结构如图3所示，主要由压敏材料21、阻隔层22、上盖23、底盖24和感应腔室25构成。液体从微流控泵芯片1输出，通过管路3a流向压力传感器2。管路3a是经过特殊设计的流道，能够减小或消除液体受外界和由于阻力突变产生的干扰。该部分设计包括且不仅限于特殊的毛细管路、流体阻力装置和压力平滑装置。压力传感器2连接在管路3a中，当液体流经感应腔室25的时候，液体压力的变化通过阻隔层22作用到压敏材料21上。该阻隔层22是柔性材料，能够隔绝液体，同时响应液体压力产生微小形变从而将压力传递给压敏材料21。压敏材料21是一种特殊的材料，当其产生机械形变时，比如挤压、拉伸、剪切、扭转等，其电气性能会发生改变，电气性能包括且不仅限于电阻，电容，电感，电荷等。压力传感器2的压敏材料21包括且不仅限于压敏电阻、压电材料等。压敏材料21感受到压力后，其电气性能发生改变。同时，由于底盖24采用的是刚性材料，所以感应腔室25在不同的压力下腔室大小不会发生明显改变，所以，作用在压敏材料21上的压力可以精确反映液体内部的压力。压敏材料21感知所述微流控泵芯片1输出液体体积的变化，输出电信号。压力传感器2和信号调理电路3通过导线组2a相连，从而输出信号被传送至信号调理电路3。
如上所述，微流控泵芯片1是基于压力差的方式输送液体，在驱动信号的作用下，泵腔14交替膨胀和收缩，同时入口阀12和出口阀13交替打开关闭，液体在压力的变化下进行输送。所以，液体内部压力值的变化，就能够反映微流控泵芯片的不同状态。
信号调理电路3用于将压力传感器2变化的电气性能进行转换、放大、滤波、阻抗匹配，获得调理后的电信号。压力传感器2是基于压敏材料21在压力作用下产生电气性能的变化，第一步需要通过转换电路将其电气性能的变化转换为电压信号的变化。压敏电阻在压力的作用下电阻值会发生改变，其转换电路采用惠登斯电桥的方法将电阻值的变化转换为电压信号变化。另外，也可以直接将压敏电阻作为运放放大电路的其中一个电阻，从而实现放大和电压转换合一。在其他实施例中，该压敏材料可以是压电材料，压电材料在压力变化的情况下，输出的信号直接为电压信号，所以不需要相应的转换电路。
本发明的压力传感器2也可以是光学压力传感器，光学压力传感器主要原理是压力作用于光纤或者光栅，使得光的折射发生偏转或光强发生变化，再通过光敏材料将光学信号转化为电信号，从而得到压力值。这种情况下也不需要相应的转换电路。
该电压信号往往是一个微小信号，需要信号放大电路对其进行放大，使之达到后端信号采集电路的量程范围。信号滤波电路主要用来滤除噪声，只允许在一定工作频率的信号通过。阻抗匹配电路用于匹配传感器输出阻抗和后端信号采集电路的输入阻抗，防止信号失真。信号调理电路3可以采用任何公知的起到信号调理功能的电路。
信号采集电路4用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号。具体地，信号采集电路例如是A/D转换器。
信号处理单元5用于根据信号采集电路4输出的上述数字信号判断微流控泵芯片及输注管路的工作状态，通过驱动控制单元6，调节驱动电压、驱动波形频率以及波形占空比等方式，控制微流控泵芯片调整其输出特性。当发现故障和异常后，比如堵塞、泵体失效，调整或停止整个微流控泵芯片工作，并报警。具体地，如图4所示，信号处理单元5进一步包括分析模块51、判断模块52以及输出模块53。
其中，分析模块51通过算法分析上述数字信号从而获得电信号反映的液体压力值。本领域技术人员可以采用已知的算法或方法进行上述分析步骤。
判断模块52判断该压力值对应于微流控泵的何种工作状态。微流控泵芯片1是一种定量定时输出的流体的芯片，液体在经过管路并输注的过程中，其压力变化是一种有规律的压力变化曲线。因此压力值随时间变化的特征值可以对应于微流控泵芯片和管路的工作状态，具体如下。
当管路堵塞的情况发生后，每次泵芯片的工作都会产生一次压力的增加，但压力的衰减曲线明显变缓，并且在分析其静态压力的时候出现压力持续增加的情况。
当储液器打空时，由于储液器部分会产生负压，该负压会和微流控泵芯片输出时的压力抵消，压力信号会反映出逐渐变小的趋势，直到最后变成非常小的动态压力信号。
当泵芯片失效的情况发生后，压力传感器无法感应到微流控泵芯片每次工作时产生的压力变化，压力信号反映出不变的一条直线信号。
当气泡驻留时，由于空气的可压缩性大大高于液体，所以压力值的变化幅度将小于正常工作时的幅度，且压力值的频率分量特征也会出不同。同时，考虑到系统工作的初期存在空气排空的过程，该状态的监控还必须设置一定的时间窗口，当气泡在一定的时间窗口内排出时，并不标记为气泡驻留。只有持续超过时间窗口的情况发生时，才触发报警。
当液体渗漏时，静态压力值的缓慢下降。同时泵芯片输出液体带来的动态压力变化也会很快的下降。而且不同位置的液体渗漏，动态压力变化的趋势也会有区别。
另外，使用压力传感器作为异常检测传感器有一个问题在于外界的运动干扰。当系统需要移动或者工作在运动的物体上时，外界的振动也会反映在压力变化中。系统无法分辨出压力变化时液体管路和泵体的工作状态变化还是外界干扰。该问题是采用压力传感器方案的一个难点。在本系统中，还包括用于滤除运动噪声干扰的噪声滤除模块。
在一个实施例中，噪声滤除模块可以采用闭环控制原理滤除运动噪声。具体地，微流控泵闭环系统的信号由信号处理单元发送给驱动控制单元。同时，该信号也作为滤除运动噪声的参考信号。将压力传感器采集到的信号和参考信号进行合并，只关注在参考信号有效时的压力信号。这样，只有在泵芯片工作时产生的压力信号才进行分析，其余的噪声信号被滤除，如图7(a)所示。
在另一个实施例中，噪声滤除模块还可以采用运动传感器滤除运动噪声。系统中集成运动传感器。将运动传感器采集到的信号经过处理、归一后和压力传感器采集到的信号进行相减。这样压力信号中的由外界运动带来的干扰信号被减去，留下的信号即为泵芯片工作时产生的压力信号，如图7(b)所示。
在又一个实施例中，噪声滤除模块还可以采用双压力传感器的方案。在管路的不同位置放置两个压力传感器。因为两个压力传感器的相对位置是固定的，所以由泵芯片产生的压力信号在管路中的传递时间差是固定的，所以这个信号在两个压力传感器上具有固定的相位差。而由运动产生的干扰信号同时影响两个压力传感器，所以干扰信号并不存在这个固定的相位差，所以通过简单的信号处理方法即可提取出由泵芯片工作产生的压力信号，如图7(c)所示。
上述三种实施方式可以同时使用，也可以使用其中的一种或两种方式。
输出模块53根据判断结果输出信号。该输出信号主要包括DO信号，Enable(使能)信号和Sig(驱动波形)信号。其中，DO信号用于调整驱动信号电压值，Enable信号用于开关驱动电路，Sig信号用于调整驱动信号的形状、频率值和占空比。
控制驱动单元6用于根据所述输出信号调整输出至所述微流控泵芯片1的驱动信号，以控制所述微流控泵芯片1的输出状态。控制驱动单元6主要控制驱动信号的三个参数，如前所述，分别是驱动信号电压值、驱动信号频率、驱动信号占空比，通过这三个参数来实时控制微流控泵芯片1的输出状态。
控制驱动单元6的结构示意图如图5所示，控制驱动单元6包括高压驱动电路61、升压电源62、电阻分压网络63以及使能开关64等部分。下面根据图5详细说明根据信号处理单元的三组输出信号来控制驱动信号三个参数。
驱动信号的幅度值是如下进行调整的。信号处理单元5的DO信号55调节电阻分压网络，主要通过两种方法：第一种是使用可调电阻，DO信号直接控制可调电阻的电阻值。第二种是通过输出一个可调的电压，该电压代替信号地作为电阻分压网络63的参考电压。这两种方法可以单独使用也可以结合使用，从而达到更细粒度的控制。通过对分压电阻网络63的调整，经过升压电源62内部的反馈电路，从而调节升压电源62的输出电压，最终控制驱动信号幅度值。
信号处理单元5通过Enable信号58连接到使能开关64控制升压电源62和高压驱动电路61的使能。具体地，Enable信号控制使能开关64，当Enable信号标志为关闭时，升压电路和高压驱动电路停止工作，从而使输出信号为0电平。当Enable信号标志为打开时，升压电路和高压驱动电路正常工作。
信号处理单元5的Sig信号56控制驱动信号频率和占空比，Sig信号是控制驱动单元6的输入参考信号，该信号决定了输出信号High Voltage Out+/-65的信号频率和占空比。Sig信号可以支持任意波形，波形包括且不限于方波、三角波、正弦波等。
输出信号High Voltage Out+/-67是一对信号，和微流控泵芯片1的致动器件相连。本实例中，输出信号是一对相位差为180度的同源信号。该组信号的生成方式如下，单端Sig信号首先一分二，其中一路连接到反相器65，这样单端Sig信号就变成了一对相位差为180度的信号Input+/-66。当微流控泵芯片的致动器件连接High Voltage Out+和HighVoltage Out-时，可以支持正电平-负电平输出。当微流控泵芯片的致动器件连接HighVoltage Out+和地信号时，可以支持正电平-地输出。
同时，High Voltage Out+/-67也可以支持任意相位差的非对称信号，此时，Sig信号由单端信号变成双端信号，每信号的波形，相位，幅度都可以根据实际需求调整，从而在输出信号High Voltage Out+/-67实现任意驱动波形的输出，从而对微流控泵芯片的致动器件实现更加灵活的控制。
驱动信号幅度值可以控制微流控泵芯片1的致动器件11的振动程度，从而改变微流控泵芯片1的输出的压力和流量。驱动信号的频率对应了单位时间内致动器件11工作的次数。信号占空比对应了微流控泵芯片1工作和非工作的时间比例。根据信号处理单元5传递过来的信息，控制驱动单元6调整这三个参数中的任意一者或两者以上，实时控制微流控泵芯片1的输出状态。
当信号处理单元5判断出现异常后，即当微流控泵芯片或者输送管路状态异常时，报警单元7发出报警。报警方式包括且不限于：震动报警、声音报警、灯光报警、液晶屏幕显示异常信息。同时通过无线传输模块71至控制终端，在控制终端中同时报警。也可以通过无线传输模块发至互联网，实现远程报警。
另外，本系统作为闭环控制还可以实现某些故障排除的功能。当检测到异常发生后，信号处理单元可以调整三个参数，改变泵芯片的工作状态，从而实现故障排除的功能。他们的具体实施方法如下：
当检测到堵塞发生后，首先提高驱动信号的幅度值，提高泵芯片的输出压力，如果压力传感器检测到液体压力先升高后持续降低，表明此时堵塞情况解除，输出压力回到额定值。如果没有降低，则继续提高驱动信号的幅度值，直到堵塞情况解除。如果在最高幅度值下仍然检测到堵塞，则表明故障排除失败。
当检测到气泡驻留时，可以同时提高驱动信号幅度值和驱动信号频率，此时泵芯片的输出流量增加，加速液体运动推动气泡使之能够排出。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围。

Claims (10)

1.一种基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，包括：
微流控泵芯片，通过控制致动器件的振动以输出液体；
压力传感器，位于所述微流控泵芯片输出口后的管路中，通过感知所述微流控泵输出液体的压力变化而输出电信号；
信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；
信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；
信号处理单元，用于根据所述数字信号判断所述微流控泵芯片及输注管路的工作状态，当发现异常时，向报警单元发出信号；
报警单元，用于根据所述信号发出报警；以及
控制驱动单元，用于根据所述信号处理单元的输出来调整所述微流控泵芯片的输出状态。
2.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述微流控泵芯片进一步包括致动器件、泵腔、连接机构、入口阀和出口阀，所述泵腔供液体通过，所述致动器件作为驱动源。
3.根据权利要求2所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述压力传感器由压敏材料、阻隔层、上盖、底盖和感应腔室构成。
4.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述压力传感器安装在一个单独的腔室中，或者集成在输送管路上成为管路的一部分。
5.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，可以集成多个压力传感器，位于微流控芯片输入口之前、微流控泵芯片中、微流控泵芯片输出口之后，从而对整个液路进行监控。
6.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述信号处理单元进一步包括分析模块、判断模块和输出模块，所述分析模块分析所述数字信号以获得所述电信号反映的液体压力值，所述判断模块根据所述压力值判断所述微流控泵芯片及输注管路处于何种工作状态，当发现异常时，所述输出模块向所述报警单元输出信号，所述异常包括管路堵塞、储液器打空、泵芯片失效、气泡驻留和液体渗漏。
7.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述报警单元的报警方式包括屏幕报警、灯光报警、震动报警和声音报警。
8.根据权利要求7所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述报警单元进一步包括无线传输模块。
9.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，进一步包括噪声滤除模块，用于滤除运动噪声干扰。
10.根据权利要求1所述的基于微流控泵的输注异常状态检测及控制系统，其特征在于，所述控制驱动单元根据所述信号处理模块的输出调整输出至所述微流控泵芯片的所述驱动信号的参数，所述参数包括驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比。
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