CN109718409A - 肝素泵多型号注射器监测控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种肝素泵多型号注射器监测控制方法及控制系统。该方法为对各型号注射器进行校正，记录当前注射器的型号、横截面尺寸参数、零刻度和满刻度；计算推动注射器的推动力F0；计算步进电机的驱动电流：I＝k*F0，k为正比例系数；以驱动电流I驱动步进电机转动，步进电机输出力矩，控制注射器的活塞移动。该肝素泵多型号注射器推动力控制方法根据注射器直径的大小设置不同的驱动电流I，从而使步进电机根据注射器的型号输出与其对应的力矩，从而能适应不同型号规格注射器的注射需求。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种肝素泵多型号注射器监测控制方法及控制系统。
背景技术
目前，血液透析(hemodialysis，HD)是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。它通过将体内血液引流至体外，经一个由无数根空心纤维组成的透析器中，血液与含机体浓度相似的电解质溶液(透析液)在一根根空心纤维内外，通过弥散/对流进行物质交换，清除体内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡；同时清除体内过多的水分，并将经过净化的血液回输人体的整个过程称为血液透析。
血液透析机是血液透析治疗中应用最广泛的一种治疗仪器，由透析液供给监控装置及体外循环监控装置组成。它包括血泵，是驱动血液体外循环的动力；透析液配置系统；联机配置合适电解质浓度的透析液；容量控制系统，保证进出透析器的液体量达到预定的平衡目标；及各种安全监测系统，包括压力监控、空气监控及漏血监控等。
肝素泵是血液透析机中的一个独立器件，其相当于临床上应用的微量注射泵，用于持续向病人血液中注射肝素。由于血液透析过程中血液在体外循环时容易发生凝血，使用肝素可以防止发生凝血。肝素作为临床上常用的抗凝剂，可防止血液在透析器等体外管道中凝固。一般情况下需要肝素泵能安装10、20或30mL注射器。
CRRT(即continuous renal replacement therapy)连续肾脏替代疗法的英文缩写。是指任何一种旨在替代受损的肾脏功能而进行的连续24小时或更长时间的体外血液净化治疗技术。主要应用于ICU病房。在治疗期间连续的清除机体多余的水分和毒素，调节酸碱和电解质的平衡，来有效地维持机体内环境的稳定。在连续治疗期间需要连续的抗凝来建立和维持一个良好的血液循环通路。抗凝是否充分，直接关系到液体的滤过，溶质的清除率以及滤器的使用寿命，CRRT同样配备肝素泵，并且肝素泵在CRRT治疗中起到非常关键的作用。另外在CRRT治疗中如果使用枸橼酸抗凝的话，肝素泵需要推注钙溶液来配合枸橼酸使用来实现体外血液抗凝，需要肝素泵能安装50或60mL的较大型号的注射器，所以对肝素泵的功能提出能适应不同型号规格注射器的需求。
当肝素泵在注射过程中发生阻塞时，体外血液回路得不到持续的肝素或抗凝剂注入，必须快速报警，否则将导致凝血，凝固的血液必须丢弃，造成病人失血，同时还要更换新的管路和透析器等耗材，造成经济损失。
目前市场上的肝素泵无法同时支持10、20、30、50、60mL注射器，同时，注射过程发生阻塞时，会出现较大的注射器型号可以快速报警，较小型号的注射器报警较慢的情况，无法实现所有型号的注射器均能快速的报警。
例如，广州市暨华医疗器械有限公司申请的申请号为2011201996191，名称为具有速度检测结构的肝素泵，该肝素泵无法根据注射器的大小设置不同的力矩，使每种型号的注射器在阻塞时都能快速的报警。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种肝素泵多型号注射器监测控制方法及控制系统。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种肝素泵多型号注射器监测控制方法，包括以下步骤：
对各型号注射器进行校正：在肝素泵上安装好注射器，记录当前注射器的型号，以及当前型号注射器的横截面尺寸参数、零刻度和满刻度，完成校正，并对每个型号注射器的校正结果进行存储；
计算推动注射器的推动力F0，F0最大值为F1+P2×S，其中，S为当前注射器的横截面积，F1为注射过程中步进电机在传动过程中的摩擦力，P2为注射器所连接的管路能承受的最大压强；
计算步进电机的驱动电流：I＝k*F0，k为正比例系数；
以驱动电流I驱动步进电机转动，步进电机输出力矩，控制注射器的活塞移动。
该肝素泵多型号注射器推动力控制方法根据注射器直径的大小设置不同的驱动电流I，从而使步进电机根据注射器的型号输出与其对应的力矩，从而能适应不同型号规格注射器的注射需求。
进一步的，还包括阻塞判断报警步骤：校正时，驱动步进电机在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度，计算单个驱动脉冲下注射器的注射量L，其中，V表示当前注射器的满刻度容量，N表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度的时间内步进电机驱动芯片输出的驱动脉冲数，N为正整数；
采用注射量位移传感器采集注射器的注射量参数，计算注射量位移传感器的单个模数转换值AD对应的注射器的注射量d，其中，△AD表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度后注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量；
注射过程中，实时读取驱动芯片发出的脉冲数M，M为正整数，计算出注射器的理论注射量L'，L'＝L×M，同时实时检测注射器的实际注射量L”，L”＝Q×d，其中，Q为当前时刻注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量，当L'>L”时，判断注射器阻塞，控制单元发出警示信息。
该方法使得每种型号的注射器在阻塞时都能快速被发现，从而通知操作者采取应对措施。
本发明还提出了一种肝素泵多型号注射器控制系统，包括控制单元、步进电机驱动电路、步进电机、传动装置、采集注射器活塞位移变化的注射量位移传感器和识别注射器直径D的型号识别传感器；
所述注射量位移传感器和型号识别传感器信号输出端分别连接至所述控制单元的对应输入端，所述控制单元通过所述步进电机驱动电路驱动步进电机输出力矩，所述步进电机驱动所述传动装置移动，所述传动装置与注射器的活塞推动杆连接，推动注射器的活塞移动；
所述控制单元按上述的肝素泵多型号注射器推动力控制方法控制步进电机转动输出力矩，推动所述注射器的活塞移动。
该肝素泵多型号注射器推动力控制系统能根据注射器直径的大小设置不同的驱动电流I，从而使步进电机根据注射器的型号输出与其对应的力矩，从而能适应不同型号规格注射器的注射需求，并且使得每种型号的注射器在阻塞时都能快速被发现，从而发出警报。
进一步的，还包括报警单元，所述控制单元输出端连接所述报警单元，控制报警单元报警。
进一步的，所述步进电机驱动电路包括可调恒流源，所述可调恒流源连接所述控制单元且该可调恒流源为所述步进电机提供恒定电流。这使得在任意的推注速率下，步进电机输出恒定的力矩。
进一步的，还包括数据处理单元，所述数据处理单元包括滤波放大电路和AD转换电路，所述注射量位移传感器和/或型号识别传感器的数据输出端分别连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路输出端连接所述AD转换电路输入端，所述AD转换电路输出端连接所述控制单元输入端。
进一步的，所述注射器通过一注射器压板扣紧于注射器座上，该注射器座上滑动贯穿有锁紧杆，该锁紧杆上设有弹性件，该锁紧杆与所述注射器相垂直，所述注射器压板固定在该锁紧杆一端；
所述型号识别传感器为位移传感器，该位移传感器设置于一固定点，用于检测所述注射器压板的位移，该位移即为当前注射器的直径D。
所述注射器安装于注射器座上，该注射器座上转动定位有的传动螺杆，所述传动螺杆上水平滑动设有主体滑动部分，该主体滑动部分滑动方向与所述注射器的注射活塞活动方向相平行，且该主体滑动部分与所述注射活塞同步运动，所述注射量位移传感器测量所述主体滑动部分水平移动位移，该该位移即对应了注射器的注射量。
进一步的，所述控制单元与血液透析机通信连接，或所述控制单元与CRRT的主机通信连接。
本发明的有益效果是：该本发明适应于不同型号规格注射器的注射需求，并且使得每种型号的注射器在阻塞时都能快速被发现，从而发出警报。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的原理框图；
图2是数据处理单元的电路原理图；
图3是肝素泵的正面结构剖视图；
图4是肝素泵的反面局部结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种肝素泵多型号注射器监测控制方法，包括以下步骤：
对各型号注射器进行校正：在肝素泵上安装好注射器，记录当前注射器的型号，以及当前型号注射器的横截面尺寸参数、零刻度和满刻度，完成校正，并对每个型号注射器的校正结果进行存储。
计算推动注射器的推动力F0，F0最大值为F1+P2×S，其中，S为当前注射器的横截面积，F1为注射过程中步进电机在传动过程中的摩擦力,与注射器型号无关，由传动结构决定，是一个固定值，P2为注射器所连接的管路能承受的最大压强。
计算步进电机的驱动电流：I＝k*F0，k为正比例系数，为常数。
以驱动电流I驱动步进电机转动，步进电机输出力矩，控制注射器的活塞移动。本方法中，考虑到数据采集的方便性和准确性，将当前型号注射器的横截面尺寸系数优选但不限于为直径D，从而可得注射器的横截面积。
为了能及时的发现注射器阻塞，校正时，驱动步进电机在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度，计算单个驱动脉冲下注射器的注射量L，其中，V表示当前注射器的满刻度容量，N表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度的时间内步进电机驱动芯片输出的驱动脉冲数，N为正整数。
采用注射量位移传感器采集注射器的注射量参数，计算注射量位移传感器的单个模数转换值AD对应的注射器的注射量d，其中，△AD表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度后注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量。
准备注射时，选择当前注射器的型号，从而从存储单元中可直接读取到当前型号注射器的上述参数信息，或直接采集上述方法校正得到当前型号注射器的上述参数信息。
注射过程中，实时读取驱动芯片发出的脉冲数M，M为正整数，计算出注射器的理论注射量L'，L'＝L×M，同时实时检测注射器的实际注射量L”，L”＝Q×d，其中，Q为当前时刻注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量，当L'>L”时，判断注射器阻塞，控制单元发出警示信息，提醒操作者该肝素泵发生阻塞，应当采取应对措施。
采用该方法可根据注射器型号不同，其横截面积不同，设定不同的推动力F0，实现不同型号注射器的阻塞快速报警功能。
如图1所示，本发明还提出了一种肝素泵多型号注射器控制系统，包括控制单元、步进电机驱动电路、步进电机、传动装置、采集注射器活塞位移变化的注射量位移传感器、识别注射器直径D的型号识别传感器、报警单元。
所述注射量位移传感器和型号识别传感器信号输出端分别连接至所述控制单元的对应输入端，所述控制单元通过步进电机驱动电路驱动步进电机输出力矩，所述步进电机驱动所述传动装置移动，所述传动装置与注射器的活塞推动杆连接，推动注射器的活塞移动，所述控制单元输出端连接所述报警单元。所述步进电机驱动电路包括可调恒流源，该可调恒流源连接所述控制单元且该可调恒流源为所述步进电机提供恒定电流，保证了任意的推注速率下，步进电机输出恒定的力矩。同时，这里的步进电机驱动电路也可以选用电压型驱动电路，通过步进电机电流反馈，进行电压调节，实现对步进电机的恒流驱动。
所述控制单元按上述的肝素泵多型号注射器推动力控制方法控制步进电机转动输出力矩，推动所述注射器的活塞移动、控制报警单元报警。
注射量位移传感器和型号识别传感器所采集的数据还可分别经数据处理单元进行处理，具体的：所述数据处理单元有两组，且每组数据处理单元包括滤波放大电路和AD转换电路，所述注射量位移传感器数据输出端连接一组数据处理单元的滤波放大电路的输入端，该滤波放大电路输出端连接该组数据处理单元的AD转换电路输入端，该AD转换电路输出端连接所述控制单元输入端。数据处理单元也可集成于控制单元内。
如图2所示，该组数据处理单元的滤波放大电路包括第一运算放大器U2A、第三电阻R3和第四电容C4，注射量位移传感器数据输出端通过第二电阻R2连接至第一运算放大器U2A的正相端，第一运算放大器U2A的反相端连接至其输出端，该第一运算放大器U2A的输出端连接第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端连接至第四电容C4的一端，该第四电容C4另一端接地，同时第三电阻R3的第二端连接至该组数据处理单元的AD转换电路输入端。
型号识别传感器的数据输出端连接另一组数据处理单元的滤波放大电路的输入端，该滤波放大电路输出端连接该组数据处理单元的AD转换电路输入端，该AD转换电路输出端连接所述控制单元另一输入端。
如图2所示，该组数据处理单元的滤波放大电路包括第二运算放大器U3A、第六电阻R6和第9电容C9，型号识别位移传感器的数据输出端通过第五电阻R5连接至第二运算放大器U3A的正相端，第二运算放大器U3A的反相端连接至其输出端，该第二运算放大器U3A的输出端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端连接至第九电容C9的一端，该第九电容C9另一端接地，同时第六电阻R6的第二端连接至该组数据处理单元的AD转换电路输入端。
如图2所示，本实施例中的两个AD转换电路可集成于一个多通道AD转换器中，如型号为AD7798的多通道AD转换器，控制单元通过SPI总线可在AD转换器中读取到注射量位移传感器采集的数据以及型号识别位移传感器所采集的数据。
为给操作者提供便利，该肝素泵多型号注射器推动力控制系统中控制单元与血液透析机通信连接，或所述控制单元与CRRT的主机通信连接。这里可以是无线通信连接，也可以采用有线通信连接。在血液透析机或CRRT上设计一肝素泵校正功能界面，该功能界面包括了零刻度、满刻度、型号选择等按键。由于控制单元同血液透析机或CRRT的主机通信，传递校正指令以及数据信息，因此可通过该功能界面指导完成肝素泵的校正。
在安装注射量位移传感器和型号识别传感器时，有多种设置方法，只要能采到注射器活塞位移变化和注射器直径D皆可，本实施例中提供以下设置方法。
如图2和图3所示，本实施例中的肝素泵包括注射器座15、设于该注射器座15上的注射器压板11、转动定位于该注射器座15上的传动螺杆7。注射器座15上定位有步进电机3，该步进电机3通过动力传动部分1与传动螺杆7动力连接。肝素泵多型号注射器推动力控制系统的部分元器件或全部元器件集成于一电路板5上，该电路板5固定于注射器座15的一侧，注射器压板11将注射器12压紧扣于所述注射器座15的另一侧，传动螺杆7上水平滑动设有主体滑动部分13，该主体滑动部分13滑动方向与注射器12的活塞活动方向相平行，且该主体滑动部分13与注射器12的活塞同步运动。注射量位移传感器4设置于注射器座15上也可以设置于电路板5上，用于测量主体滑动部分13水平移动位移，当然注射量位移传感器4也可以设置于其它位置。
具体的，传动螺杆7通过左挡板2、右挡板10活动定位于注射器座15上或电路板5上，注射量位移传感器4优选为电位器，定位于所述左挡板2、右挡板10上，或者定位于电路板5上，该电位器平行于传动螺杆7设置，且该电位器的滑动端通过一连接件(如卡扣)与主体滑动部分13固接，使得该电位器的滑动端与主体滑动部分13同步运动，主体滑动部分13上连接有导管部分8，该导管部分8与注射器12的活塞相平行，且该导管部分8、注射器12的活塞的推动杆通过尾夹部分9固接。当主体滑动部分13滑动时，可带动这里的电位器的滑动端以及注射器12的活塞同步运动，从而电位器的滑动端移动距离即对应了注射器12的注射量。
这里注射量位移传感器4也可以采用霍尔传感器来采集注射器12的注射量，此时，霍尔传感器通常由两部分组成，其中一部分设置于左挡板2或右挡板10上，另一部分设置于主体滑动部分13上，从而可以采集到左挡板2或右挡板10与主体滑动部分13的之间的距离变化，而这里的距离变化量正好对应了即对应了注射器12的注射量。
在识别注射器12型号时，型号识别传感器6优选但不限于为位移传感器，设置于锁紧杆14长度方向上，如电位器，该电位器设置于电路板5的背面，且该电位器的滑动方向垂直于注射器12活塞运动方向。注射器座15上滑动贯穿有锁紧杆14，该锁紧杆14与所述注射器12相垂直，所述注射器压板11固定在该锁紧杆14一端，且该锁紧杆14另一端与这里的电位器的滑动端固接，在该锁紧杆14上套设有弹性件16，该弹性件16位于电位器滑动端与注射器座15之间，且该弹性件16一端固接于该锁紧杆14上。当需要安装注射器12时，拉动注射器压板11，锁紧杆14带动电位器的滑动端滑动，弹性件16被迫压缩，将注射器12卡入注射器压板11与注射器座15之间，电位器滑动端滑动的距离即为注射器12的直径D。
这里的型号识别传感器6也可采用霍尔传感器，该霍尔传感器设置于锁紧杆14长度方向上，该霍尔传感器的一部份设置于注射器座15，另一部份设置于注射器压板11，只需采集注射器座15与注射器压板11之间的距离变化，从而可得到注射器12的直径。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种肝素泵多型号注射器监测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对各型号注射器进行校正：在肝素泵上安装好注射器，记录当前注射器的型号，以及当前型号注射器的横截面尺寸参数、零刻度和满刻度，完成校正，并对每个型号注射器的校正结果进行存储；
计算推动注射器的推动力F0，F0最大值为F1+P2×S，其中，S为当前注射器的横截面积，F1为注射过程中步进电机在传动过程中的摩擦力，P2为注射器所连接的管路能承受的最大压强；
计算步进电机的驱动电流：I＝k*F0，k为正比例系数；
以驱动电流I驱动步进电机转动，步进电机输出力矩，控制注射器的活塞移动。
2.根据权利要求1所述的肝素泵多型号注射器监测控制方法，其特征在于，还包括阻塞判断报警步骤：
校正时，驱动步进电机在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度，计算单个驱动脉冲下注射器的注射量L，其中，V表示当前注射器的满刻度容量，N表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度的时间内步进电机驱动芯片输出的驱动脉冲数，N为正整数；
采用注射量位移传感器采集注射器的注射量参数，计算注射量位移传感器的单个模数转换值AD对应的注射器的注射量d，其中，△AD表示在推动力F0的作用下推动注射器的活塞从满刻度移动到零刻度后注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量；
注射过程中，实时读取驱动芯片发出的脉冲数M，M为正整数，计算出注射器的理论注射量L'，L'＝L×M，同时实时检测注射器的实际注射量L”，L”＝Q×d，其中，Q为当前时刻注射量位移传感器的模数转换值AD的变化量，当L'>L”时，判断注射器阻塞，控制单元发出警示信息。
3.一种肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，包括控制单元、步进电机驱动电路、步进电机、传动装置、采集注射器活塞位移变化的注射量位移传感器和识别注射器直径D的型号识别传感器；
所述注射量位移传感器和型号识别传感器信号输出端分别连接至所述控制单元的对应输入端，所述控制单元通过所述步进电机驱动电路驱动步进电机输出力矩，所述步进电机驱动所述传动装置移动，所述传动装置与注射器的活塞推动杆连接，推动注射器的活塞移动；
所述控制单元按权利要求1或2所述的肝素泵多型号注射器推动力控制方法控制步进电机转动输出力矩，推动所述注射器的活塞移动。
4.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，还包括报警单元，所述控制单元输出端连接所述报警单元，控制报警单元报警。
5.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动电路包括可调恒流源，所述可调恒流源连接所述控制单元且该可调恒流源为所述步进电机提供恒定电流。
6.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，还包括数据处理单元，所述数据处理单元包括滤波放大电路和AD转换电路，所述注射量位移传感器和/或型号识别传感器的数据输出端分别连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路输出端连接所述AD转换电路输入端，所述AD转换电路输出端连接所述控制单元输入端。
7.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，所述注射器通过一注射器压板扣紧于注射器座上，该注射器座上滑动贯穿有锁紧杆，该锁紧杆上设有弹性件，该锁紧杆与所述注射器相垂直，所述注射器压板固定在该锁紧杆一端；
所述型号识别传感器为位移传感器，该位移传感器设置于一固定点，用于检测所述注射器压板的位移。
8.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，所述注射器安装于注射器座上，该注射器座上转动定位有的传动螺杆，所述传动螺杆上水平滑动设有主体滑动部分，该主体滑动部分滑动方向与所述注射器的注射活塞活动方向相平行，且该主体滑动部分与所述注射活塞同步运动，所述注射量位移传感器测量所述主体滑动部分水平移动位移。
9.根据权利要求3所述的肝素泵多型号注射器控制系统，其特征在于，所述控制单元与血液透析机通信连接，或所述控制单元与CRRT的主机通信连接。
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