CN111905174B - 一种透析管路气泡检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，包括脉冲发生器(1)，与脉冲发生器(1)连接的超声波发射端(2)，与超声波发射端(2)相对设置的超声波接收端(4)，与超声波接收端(4)连接的信号处理器(5)，以及与信号处理器(5)连接的MCU单元(6)。本发明利用超声波在空气中快速衰减特性，与在不同密度液体吸收特性来设计通过接收超声波穿透透析管路，识别检测位置是液体(血液)或是空气，亦可识别液体(血液)浓度，其检测更加准确，灵敏度更高。

Description

一种透析管路气泡检测电路

技术领域

本发明涉及血液透析设备领域，具体是指一种透析管路气泡检测电路。

背景技术

在血液体外循环治疗中，由于某些客观原因，透析管路内会产生气泡，人体血路中一次性进入≥5毫升以上空气即可能发生明显的空气栓塞，甚至造成重大医疗事故。但是，若仅有少量气体呈微小泡沫缓慢进入血管，气体可分散到毛细血管，与血红蛋白结合或弥散至肺泡，可随呼吸排出体外，一般情况下不会发生任何症状。

血路管内空气的存在形式主要有单个气泡、多个气泡粘连、多个气泡重叠和气栓，气泡为球形或椭球形，如下图1、2所示。

为避免病人发生空气栓塞，透析设备中必须加装检测装置。在检测到管路有气泡时，能及时采取措施，防止发生医疗事故。

目前，在透析治疗时，体外血液循环管路中保留适量的空气存留空间，是血液透析机最重要的安全监测与保护器件之一。其中，动静脉壶在壶的上部留有一定的空气间隔，其主要的作用是通过空气传导压力，可以在不污染管路的前提下通过疏水过滤器实时监测管路压力。因此，需在动静脉壶加以检测，以防空气通过管路回流进入人体。在动静脉壶内应保持适宜的液位高度，液位过高有可能导致血液进入压力的传感通路，将堵塞疏水过滤器的过滤膜，使得压力测量失真，并有可能造成静脉压误报警或不报警，增加了治疗的风险。液位过低则会造成液位检测报警，透析机的频繁报警，不仅增加了医护人员的工作负担，延长治疗时间，还会不同程度的干扰患者情绪。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够更加准确的检测出气泡，且误报警率低的透析管路气泡检测电路。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种透析管路气泡检测电路，包括脉冲发生器，与脉冲发生器连接的超声波发射端，与超声波发射端相对设置的超声波接收端，与超声波接收端连接的信号处理器，以及与信号处理器连接的MCU单元；脉冲发生器包括施密特缓冲触发器与施密特缓冲触发器连接的MOS管调节电路；施密特缓冲触发器用于控制MOS管调节电路快速开关；MOS管调节电路用于产生基波信号，并调节基波信号的幅度。

信号处理器包括二阶反相滤波放大电路，与二阶反相滤波放大电路连接的比较电路，以及与比较电路连接的缓冲触发电路；二阶反相滤波放大电路用于将超声波接收端输出的电信号进行滤波放大处理；比较电路用于将经二阶反相滤波放大电路放大后的信号与参考电压作比较，并输出相应的信号给缓冲触发电路；缓冲触发电路用于将脉冲信号输送给外部的MCU。MCU单元用于提取回波时间，并将回波时间与发射波时间进行对比，计算出时间距。另外，MCU单元还用于计数接收到的脉冲个数，并将接收到的脉冲个数与超声波发射端2发出的脉冲个数进行比较。

进一步的，所述施密特缓冲触发器包括芯片U13，一端与芯片U13的A管脚连接、另一端作为时钟信号输入端的电阻R53，一端与芯片U13的A管脚连接、另一端接地的电阻R54，一端与芯片U13的VCC管脚连接、另一端与芯片U13的GND管脚连接的电容C62，一端与芯片U13的Y管脚连接、另一端接地的电容C71，与电容C71并联的电阻R71，以及一端与芯片U13的Y管脚连接、另一端与MOS管调节电路连接的电阻R72；芯片U13的VCC管脚接电源，其GND管脚接地。

所述MOS管调节电路包括MOS管Q2，正极经电阻FB9后接电源、负极与MOS管Q2的源极连接的极性电容EC3，N极与极性电容EC3的正极连接、P极与极性电容EC3的负极连接的二极管D3，串接在二极管D3的N极和MOS管Q2的漏极之间的电阻R55，P极与MOS管Q2的漏极连接、N极经电容C63后与MOS管Q2的源极连接的二极管D4，与二极管D4相并联的电阻R56，以及一端与MOS管Q2的源极相连接、另一端接地的电阻FB10；MOS管Q2的栅极与电阻R72连接；超声波发射端串接在MOS管Q2的漏极和源极之间。

所述二阶反相滤波放大电路包括LM359M芯片，一端与超声波接收端的一端连接、另一端经电阻R58后与LM359M芯片的6管脚连接器电容C64，与超声波接收端相并联的电阻R57，串接在LM359M芯片的6管脚和4管脚之间的电阻R59，串接在LM359M芯片的6管脚和2管脚之间的电阻R61，一端与LM359M芯片的12管脚连接、另一端接地的电容C65，一端与LM359M芯片的2管脚连接、另一端经电阻R62后与LM359M芯片的10管脚连接的电容C66，串接在LM359M芯片的10管脚和14管脚之间的电阻R65，与电阻R65相并联的电容C67；串接在LM359M芯片的10管脚和9管脚之间的电阻R63，串接在LM359M芯片的1管脚和8管脚之间的电阻R64，以及一端与LM359M芯片的14管脚连接、另一端与比较电路连接的电容C68；LM359M芯片的7管脚与其4管脚连接的同时接地，其12管脚接电源，其11管脚和9管脚均接地。

所述比较电路包括LMV7219芯片，一端与电容C68连接、另一端经电阻FB11后与LMV7219芯片的3管脚连接的电阻R67，一端与电阻R67和电阻FB11的连接处连接、另一端经电阻R66后与电容C68连接的电容C69，一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接地的电阻R68，一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接电源的电阻R69，一端与LMV7219芯片的5管脚连接、另一端接地的电容C70，一端与LMV7219芯片的1管脚连接、另一端与缓冲触发电路连接的电阻R70；LMV7219芯片的5管脚接电源，其2管脚接地，电容C69和电阻R66的连接点接地。

所述缓冲触发电路包括芯片U14，一端与芯片U14的VCC管脚连接、另一端与芯片U14的GND管脚连接的电容C72，一端与芯片U14的Y管脚连接、另一端接地的电容C73，与电容C73相并联的电阻R73，一端与芯片U14的Y管脚连接、另一端作为信号输出端的电阻R74；芯片U14的GND管脚接地，其VCC管脚接电源，A管脚与电阻R70连接。

所述芯片U13和芯片U14均为SN74LVC1G17DBV芯片。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本发明利用超声波在空气中快速衰减特性，与在不同密度液体吸收特性来设计通过接收超声波穿透透析管路，识别检测位置是液体(血液)或是空气，亦可识别液体(血液)浓度，其检测更加准确，灵敏度更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的脉冲发生器的电路结构图。

图3为本发明的二阶反相滤波放大电路的结构图。

图4为本发明比较电路与缓冲触发电路连接的结构图。

上述附图中的附图标记为：1—脉冲发生器，2—超声波发射端，3—透析管，4—超声波接收端，5—信号处理器，6—MCU单元。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的透析管路气泡检测电路，包括脉冲发生器1，与脉冲发生器1连接的超声波发射端2，与超声波发射端2相对设置的超声波接收端4，以及与超声波接收端4连接的信号处理器5。使用时，透析管3位于超声波发射端2和超声波接收端4之间。

本实施例中超声波发射端2和超声波接收端4均采用压电陶瓷片，压电陶瓷片在有电压输入时，会随电压和频率变化产生振动，使机械变形来发出超声波能量。相反在接收到超声波能量时，跟着超声波频率振动，产生一个电荷信号。因本发明针对输液管类型，所以超声波发射端2和超声波接收端4选用 的压电陶瓷片，频率3MKz。

脉冲发生器1包括施密特缓冲触发器与施密特缓冲触发器连接的MOS管调节电路。施密特缓冲触发器用于控制MOS管调节电路快速开关。

具体的，如图2所示，所述施密特缓冲触发器包括芯片U13，电阻R53，电阻R54，电容C62，电容C71，电阻R71，电阻R72。连接时，电阻R53的一端与芯片U13的A管脚连接、其另一端作为时钟信号输入端。电阻R54的一端与芯片U13的A管脚连接、其另一端接地。电容C62的一端与芯片U13的VCC管脚连接、其另一端与芯片U13的GND管脚连接。电容C71的一端与芯片U13的Y管脚连接、其另一端接地。电阻R71与电容C71并联。电阻R72的一端与芯片U13的Y管脚连接、其另一端与MOS管调节电路连接。芯片U13的VCC管脚接电源，其GND管脚接地。

芯片U13可采用SN74LVC1G17DBV芯片。SN74LVC1G17DBV为单路施密特触发缓冲器，工作电压1.65V至5.5V，执行布尔函数Y＝A。具有输入电压有两个阀值VL、VH，VL施密特触发器通常用作缓冲器消除输入端的干扰特性。芯片U13给出的时钟信号控制MOS管调节电路作快速开关作用。

MOS管调节电路用于产生基波信号，并调节基波信号的幅度。该MOS管调节电路包括MOS管Q2，极性电容EC3，二极管D3，电阻R55，电阻R56，二极管D4，电容C63，电阻FB9，电阻FB10。

连接时，极性电容EC3的正极经电阻FB9后接电源、其负极与MOS管Q2的源极连接。二极管D3的N极与极性电容EC3的正极连接、其P极与极性电容EC3的负极连接，电阻R55串接在二极管D3的N极和MOS管Q2的漏极之间，二极管D4的P极与MOS管Q2的漏极连接、其N极经电容C63后与MOS管Q2的源极连接，电阻R56与二极管D4相并联，电阻FB10的一端与MOS管Q2的源极连接、另一端接地。MOS管Q2的栅极与电阻R72连接；超声波发射端2串接在MOS管Q2的漏极和源极之间。

MOS管调节电路利用MOS管Q2的开关特性，来实现控制12V电压产生脉冲型号，即产生基信号。同时采用BSS214N型N沟道MOS管，该BSS214N型N沟道MOS管Q2的Vgs高于4.5V时，其源极和漏极导通，低电平时源极和漏极截至。当MOS管Q2的栅极极接收到施密特缓冲触发器输出的高电平时，MOS管Q2的源极和漏极导通，12V电压被拉低。时钟信号低电平时，MOS管Q2在源极和漏极阻断，12V电压保持高电平，实现12V脉冲信号。通过调节电阻R55的阻值大小，可调节脉冲拉低幅度，电阻R55的阻值越小，MOS管Q2的漏极电流越大，击穿MOS管内二级管能力越强，电压下拉越低，脉冲幅度越大；反之脉冲幅度越小。脉冲频率由芯片U13控制输出。极性电容EC3具有持续充电、放电性能，用于保证超声波发射端所需电压稳定性。电阻R55、电阻R56与电容C63组成RC低通滤波电路，滤掉高频干扰信号，只允许15MHz以下频率信号通过。

工作时，基波的幅度可根据检测的对象进行调节，如检测气泡时，可将基波信号调制50KHz左右；如检测血容量时，基波型号可调至30KHz左右。

信号处理器5包括二阶反相滤波放大电路，与二阶反相滤波放大电路连接的比较电路，以及与比较电路连接的缓冲触发电路。

具体的，二阶反相滤波放大电路用于对放大超声波接收端4输出的电信号进行滤波放大处理。如图3所示，所述二阶反相滤波放大电路包括LM359M芯片，一端与超声波接收端4的一端连接、另一端经电阻R58后与LM359M芯片的6管脚连接器电容C64，与超声波接收端4相并联的电阻R57，串接在LM359M芯片的6管脚和4管脚之间的电阻R59，串接在LM359M芯片的6管脚和2管脚之间的电阻R61，一端与LM359M芯片的12管脚连接、另一端接地的电容C65，一端与LM359M芯片的2管脚连接、另一端经电阻R62后与LM359M芯片的10管脚连接的电容C66，串接在LM359M芯片的10管脚和14管脚之间的电阻R65，与电阻R65相并联的电容C67；串接在LM359M芯片的10管脚和9管脚之间的电阻R63，串接在LM359M芯片的1管脚和8管脚之间的电阻R64，以及一端与LM359M芯片的14管脚连接、另一端与比较电路连接的电容C68；LM359M芯片的7管脚与其4管脚连接的同时接地，其12管脚接电源，其11管脚和9管脚均接地。

由于超声波接收端4输出的是微弱电信号，只有几十mV，为避免噪声放大，二阶反相滤波放大电路的初级先将信号进行1～2倍增益处理，得到几百mV信号，同时滤掉干扰信号。当本发明用于检测气泡时，二阶反相滤波放大电路的二级放大器将信号放大10～20倍；当本发明用于检测液位和血用量，则将信号放大30～40倍。

工作时，超声波接收端收到机械波信号，产生小电流信号。电流信号先通过电容C64、电阻R58、电阻R59组成的RC高通滤波器进行滤波处理。RC高通滤波器的截止频率公式为：f＝1/(2πRC)，根据需要频率计算出电容和电阻参数。再经过LM359芯片一级约2倍增益将信号放大(Gu＝20lg(Uo/Ui)＝20lgAu，公式中Uo为输出端电压，Ui为输入端电压，Au为Uo/Ui的比值，Gu为电压增益，结果为输出电压与输入电压比值的商10为底的对数的20倍，单位分贝dB)，再经过电容C66和电阻R62、电阻R63组成RC高通滤波，再经过二级约1倍增益放大，再经后续的电路进行处理。

LM359为两路可编程电流差分放大器，具有噪声低、高速、宽带频特点。高增益带宽积(I SET＝0.5mA)400MHz，AV＝10到100，30MHz AV＝1；高转换率(ISET＝0.5mA)，60AV的V/μs＝10至100，30V/μs，AV＝1；电流差分输入允许高共模输入电压，工作在5V至22V单电源，大反相放大器输出摆幅，2mV至V CC-2V，低点噪声，6nV/√Hz，对于f&gt；1kHz。

比较电路用于将经二阶反相滤波放大电路放大后的信号与输入的参考电压作比较，并输出相应的信号给缓冲触发电路。

如图4所示，比较电路包括LMV7219芯片，电阻R66，电阻R67，电阻R68，电阻FB11，电阻R69，电容C70，电阻R70。具体的，电阻R67的一端与电容C68连接、另一端经电阻FB11后与LMV7219芯片的3管脚连接。电容C69的一端与电阻R67和电阻FB11的连接处连接、其另一端经电阻R66后与电容C68连接。电阻R68一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接地。电阻R69的一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接电源。电容C70的一端与LMV7219芯片的5管脚连接、另一端接地。电阻R70的一端与LMV7219芯片的1管脚连接、另一端与缓冲触发电路连接。LMV7219芯片的5管脚接电源，其2管脚接地，电容C69和电阻R66的连接点接地。

电容C68、电容C69、电阻R66、电阻R67形成带通滤波电路，对信号进行滤波。该比较电路将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较电路的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。

本实施例采用LMV7219比较器，其具有功耗低，速度快，延迟只有7nS，输入脚有200mv共模电压差特点。电阻R69与R68组成分压电路，提供约0.7V参考比较电压；输入放大信号经过比较后，滤掉干扰小信号；输出标准高低电平脉冲信号。再缓冲触发电路后，由MCU读取信号。

如图4所示，所述缓冲触发电路包括芯片U14，一端与芯片U14的VCC管脚连接、另一端接地的电容C72，串接在芯片U14的GND管脚和Y管脚之间的电容C73，与电容C73相并联的电阻R73，一端与芯片U14的GND管脚连接、另一端作为信号输出端的电阻R74；芯片U14的Y管脚接地，其VCC管脚接电源。所述芯片U14为SN74LVC1G17DBV芯片。

MCU单元用于提取回波时间，并将回波时间与发射波时间进行对比，计算出时间距。另外，MCU单元还用于计数接收到的脉冲个数，并将接收到的脉冲个数与超声波发射端2发出的脉冲个数进行比较。

本发明用于检测血容量时，MCU单元根据其接收到的信号提取回波时间，即超声波穿过透析管的时间，并将回波时间与发射波时间对比，计算出时间距，即二者的时间差。此时间距与介质密度成正比关系，介质密度越高，回波信号时间越短，血容量越高，反之回波时间长，血容量越低。

本发明用于检测气泡时，当超声波能量穿过相对均匀的液体时，超声波接收端4接收到与超声波发射端2相同的脉冲频率信号，MCU单元计数接收脉冲个数，判断其是否与发出的脉冲个数相同。如果脉冲个数相同，则说明没有气泡混入。当接收到的脉冲个数比发出的脉冲个数少时，说明超声波信号有衰减，此时判断有气泡混入。

本发明用于检测液位时，MCU单元只需判断接收信号有无回波，当检测到液体时，有回波接收；当无液体时，超声波信号被空气滤，接收端没有回波脉冲。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (7)

1.一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，包括脉冲发生器(1)，与脉冲发生器(1)连接的超声波发射端(2)，与超声波发射端(2)相对设置的超声波接收端(4)，与超声波接收端(4)连接的信号处理器(5)，以及与信号处理器(5)连接的MCU单元(6)；脉冲发生器(1)包括施密特缓冲触发器与施密特缓冲触发器连接的MOS管调节电路；施密特缓冲触发器用于控制MOS管调节电路快速开关；MOS管调节电路用于产生基波信号，并调节基波信号的幅度；

信号处理器(5)包括二阶反相滤波放大电路，与二阶反相滤波放大电路连接的比较电路，以及与比较电路连接的缓冲触发电路；二阶反相滤波放大电路用于将超声波接收端(4)输出的电信号进行滤波放大处理；比较电路用于将经二阶反相滤波放大电路放大后的信号与参考电压作比较，并输出相应的信号给缓冲触发电路；缓冲触发电路用于将脉冲信号输送给外部的MCU单元；MCU单元用于提取回波时间，并将回波时间与发射波时间进行对比，计算出时间距；另外，MCU单元还用于计数接收到的脉冲个数，并将接收到的脉冲个数与超声波发射端(2)发出的脉冲个数进行比较。

2.根据权利要求1所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述施密特缓冲触发器包括芯片U13，一端与芯片U13的A管脚连接、另一端作为时钟信号输入端的电阻R53，一端与芯片U13的A管脚连接、另一端接地的电阻R54，一端与芯片U13的VCC管脚连接、另一端与芯片U13的GND管脚连接的电容C62，一端与芯片U13的Y管脚连接、另一端接地的电容C71，与电容C71并联的电阻R71，以及一端与芯片U13的Y管脚连接、另一端与MOS管调节电路连接的电阻R72；芯片U13的VCC管脚接电源，其GND管脚接地。

3.根据权利要求2所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述MOS管调节电路包括MOS管Q2，正极经电阻FB9后接电源、负极与MOS管Q2的源极连接的极性电容EC3，N极与极性电容EC3的正极连接、P极与极性电容EC3的负极连接的二极管D3，串接在二极管D3的N极和MOS管Q2的漏极之间的电阻R55，P极与MOS管Q2的漏极连接、N极经电容C63后与MOS管Q2的源极连接的二极管D4，与二极管D4相并联的电阻R56，以及一端与MOS管Q2的源极相连接、另一端接地的电阻FB10；MOS管Q2的栅极与电阻R72连接；超声波发射端(2)串接在MOS管Q2的漏极和源极之间。

4.根据权利要求3所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述二阶反相滤波放大电路包括LM359M芯片，一端与超声波接收端(4)的一端连接、另一端经电阻R58后与LM359M芯片的6管脚连接器电容C64，与超声波接收端(4)相并联的电阻R57，串接在LM359M芯片的6管脚和4管脚之间的电阻R59，串接在LM359M芯片的6管脚和2管脚之间的电阻R61，一端与LM359M芯片的12管脚连接、另一端接地的电容C65，一端与LM359M芯片的2管脚连接、另一端经电阻R62后与LM359M芯片的10管脚连接的电容C66，串接在LM359M芯片的10管脚和14管脚之间的电阻R65，与电阻R65相并联的电容C67；串接在LM359M芯片的10管脚和9管脚之间的电阻R63，串接在LM359M芯片的1管脚和8管脚之间的电阻R64，以及一端与LM359M芯片的14管脚连接、另一端与比较电路连接的电容C68；LM359M芯片的7管脚与其4管脚连接的同时接地，其12管脚接电源，其11管脚和9管脚均接地。

5.根据权利要求4所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述比较电路包括LMV7219芯片，一端与电容C68连接、另一端经电阻FB11后与LMV7219芯片的3管脚连接的电阻R67，一端与电阻R67和电阻FB11的连接处连接、另一端经电阻R66后与电容C68连接的电容C69，一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接地的电阻R68，一端与LMV7219芯片的4管脚连接、另一端接电源的电阻R69，一端与LMV7219芯片的5管脚连接、另一端接地的电容C70，一端与LMV7219芯片的1管脚连接、另一端与缓冲触发电路连接的电阻R70；LMV7219芯片的5管脚接电源，其2管脚接地，电容C69和电阻R66的连接点接地。

6.根据权利要求5所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述缓冲触发电路包括芯片U14，一端与芯片U14的VCC管脚连接、另一端与芯片U14的GND管脚连接的电容C72，一端与芯片U14的Y管脚连接、另一端接地的电容C73，与电容C73相并联的电阻R73，一端与芯片U14的Y管脚连接、另一端作为信号输出端的电阻R74；芯片U14的GND管脚接地，其VCC管脚接电源，A管脚与电阻R70连接。

7.根据权利要求6所述的一种透析管路气泡检测电路，其特征在于，所述芯片U13和芯片U14均为SN74LVC1G17DBV芯片。