一種新型恒溫輸液輸血裝置設(shè)計(jì)

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(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621000)

0 引言

一般情況下，輸液輸血不需要在恒溫條件下進(jìn)行，但是在某些特定情況下，恒溫輸液輸血甚至能拯救病人[1]。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行搶救性治療時，輸液速度較快，倘若直接用冰涼的液體進(jìn)行輸液，可能會造成病人體溫快速下降而增加生命危險(xiǎn)，而加溫后的液體不僅沒有上述危險(xiǎn)，而且能夠快速流入患者體內(nèi)，喚醒患者的身體機(jī)能[2-3]。

現(xiàn)在市面上存在兩種輸血輸液加溫器，一種是傳統(tǒng)的箱式加溫裝置，其雖然加溫速度快，但是占用空間大、難以移動，且加溫和輸血分為2個步驟進(jìn)行，不僅操作不便，而且費(fèi)時費(fèi)力[4]。同時，加溫設(shè)備還需要能夠應(yīng)對一些特殊情況，比如在地震現(xiàn)場、火災(zāi)現(xiàn)場搶救傷員時，需要將設(shè)備移動到現(xiàn)場[5]。此時，箱式的加溫裝置就顯得十分不便。另一種是較為小巧的懸掛式輸液加溫器，但是這種加溫器大多依賴進(jìn)口，普遍存在著價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)[6]。因此，開發(fā)一套小巧輕便且價(jià)格低廉的加溫裝置是十分有必要的。本恒溫輸液輸血裝置以STM32單片機(jī)為核心控制器，運(yùn)用了一系列嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，相比于現(xiàn)有的產(chǎn)品而言，其體積小巧、移動方便、操作簡單且智能化程度較高。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

恒溫輸液輸血裝置的主控制器選用STM32F103VET6，以DS18B20數(shù)字溫度傳感器和220V，68W的硅橡膠加熱片為核心器件，再配合DHT11溫濕度傳感器、壓力傳感器、散熱扇等輔助器件以及USART HMI電阻觸摸屏、2.4寸TFT液晶屏、紅外遙控開關(guān)等人機(jī)交互器件，保證了裝置的正常運(yùn)行。如圖1所示為裝置總體設(shè)計(jì)框圖。

裝置的核心功能就是要在短時間內(nèi)對藥液或血液(下文敘述都以血液代替)進(jìn)行加熱并保溫。設(shè)計(jì)時，運(yùn)用單片機(jī)的PWM輸出，通過調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)加熱片功率，來對血袋進(jìn)行加熱，同時使用DS18B20對血液的當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時檢測，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時，調(diào)整PWM輸出來保證血液恒溫。整個加熱和保溫過程都在PID控制的調(diào)節(jié)之下，以確保血液能夠快速地加熱到指定溫度，并且穩(wěn)定地控制在這個溫度值附近。

恒溫輸液輸血裝置的部分設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定電壓220 V；額定電流0.7 A；加溫功率136 W；加溫響應(yīng)時間：0.5 s；溫度超調(diào)量：1±0.1 ℃；溫度穩(wěn)態(tài)誤差：0.1 ℃。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控制器

主控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103VET6，時鐘頻率最高能夠達(dá)到72 MHz[6]。其外設(shè)資源豐富，大容量的片內(nèi)FLASH和SRAM存儲器能夠很好地滿足設(shè)計(jì)的需求；豐富的串行接口如SPI、UART可以用來連接串口觸摸屏和TFT液晶顯示屏；功能強(qiáng)大的16位定時器，不僅能夠輸出不同頻率的PWM，去控制加熱片的功率，還可以用來產(chǎn)生高頻率的定時器中斷，使程序的編寫更加得心應(yīng)手。

2.2 血袋溫度采集

采集血袋溫度使用的是DS18B20，其生產(chǎn)廠家為DSLLAS公司，它是一款單線數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]。-55℃至+125℃的溫度測量范圍，對于本裝置來說已足夠。當(dāng)DS18B20與總線進(jìn)行連接是通過一個漏極開路端口或者三態(tài)端口將時，需要將一個弱上拉電阻連接到控制線上[8]，如圖2所示。另外，為了提高溫度采集的準(zhǔn)確性，本裝置運(yùn)用了2個DS18B20傳感器，分別置于血袋的左右兩邊，與血袋密切接觸，在采集血袋溫度時取2個傳感器的平均值，以減小溫度采集的誤差。

2.3 裝置加溫器

加溫器主要包括調(diào)壓模塊和加熱片兩部分。調(diào)壓模塊的作用是利用單片機(jī)輸出PWM來調(diào)節(jié)加熱片電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)其輸出功率。加熱片選用的硅橡膠加熱片，它主要由硅橡膠高溫絕緣層和鎳鉻合金電熱絲組成，十分柔軟，能夠和待加熱物體緊密接觸，且擁有占用空間小、加熱均勻、熱效率高、安全壽命長等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為調(diào)壓模塊的連接圖，其中4、5接220 V市電，6、7接加熱片。

圖3 調(diào)壓模塊連接圖

2.4 加熱片選型

若病人在急救時需要恒溫輸血，則應(yīng)該盡可能快的輸入一定量血液，但是一般的血袋都被冷藏在血庫中，要在短時間內(nèi)加溫到人體正常所需的37 ℃并非一件易事。如何在不影響裝置安全工作的前提下盡量縮短加溫時間，加熱片的選型就顯得非常重要。

在進(jìn)行選型之前，首先就是要對加溫時間進(jìn)行計(jì)算。為了便于計(jì)算，假設(shè)帶加溫的血袋容量為400 mL，剛從血庫中拿出來時溫度為4 ℃，需要加溫到37 ℃。由于血液中水的含量最大，約占90%，而且考慮到后面在對裝置實(shí)際效果進(jìn)行測試時，沒辦法使用真的血液，因此這里用水來代替血液進(jìn)行計(jì)算，水的比熱取精確值4.1868 kJ/kg，水的密度為1 g/mL。根據(jù)以上信息，不考慮環(huán)境溫度等因素的影響，推算加溫一袋血液所需的能量約為：

Q=1×400×10-3×4.1868×103×(37-4)J≈55266

(1)

加熱片做功為(加熱片為兩片，因此功率要×2):

W=2Pt

(2)

假設(shè)加熱片做功全部用于血液加溫，即W=Q，由式(1)、式(2)即可計(jì)算加溫一袋血液所需的理論時間。經(jīng)過計(jì)算，得到不同規(guī)格的加熱片加溫相同容量血液所需要的時間如下表1所示。

表1 不同規(guī)格加熱片加溫一袋血液所需時間

由表1可知，功率為30 W的加熱片加溫一袋血液大約需要15分鐘，而68 W和100 W的加熱片分別只需要約6分半和4分半。雖然加熱片的功率越大，加溫時間就越短，但是功率過大的話，會使加熱片的溫度難以控制，一旦溫度過高，可能會導(dǎo)致血液中的血細(xì)胞破裂溶血。因此綜合考慮，最后選擇了規(guī)格為220 V，68 W的硅橡膠加熱片。

2.5 工作環(huán)境監(jiān)測

為了保證裝置當(dāng)前所處的工作環(huán)境是安全、可靠的，設(shè)計(jì)時選用DHT11溫濕度傳感器對裝置周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。DHT11不僅體積十分小巧，而且正常工作時的功耗極低，常被用于各種不同環(huán)境下的溫濕度測量，并且效果顯著。DHT11的量程為：濕度20～90%RH，溫度0～50℃，很好地滿足了本裝置的設(shè)計(jì)需求。

裝置在正常工作時，顯示屏上能夠?qū)崟r顯示DHT11測得的溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到溫濕度數(shù)值超過閾值時，裝置還能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，更好的保證了裝置工作時的安全性。

2.6 稱重傳感器模塊

稱重傳感器主要用來實(shí)時檢測血袋的容量，其主要由兩部分組成：壓力傳感器和HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片。

(1)HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片。

HX711是一款24位的A/D轉(zhuǎn)換器芯片，專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)。該芯片集成了包括片內(nèi)時鐘振蕩器、穩(wěn)壓電源等進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換所需要的外圍電路，與其它同類型的芯片相比，具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。

(2)壓力傳感器。

設(shè)計(jì)時，首先要對稱重傳感器進(jìn)行質(zhì)量校準(zhǔn)，即先在壓力傳感器上放置不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，然后用HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片采集壓力傳感器輸出的電壓，將電壓值的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到質(zhì)量與電壓數(shù)字量之間的一元線性回歸方程M=kV+b。利用此方程，建立了質(zhì)量與電壓值的關(guān)系，這樣就能夠通過測量電壓值得到待測血袋的重量。前面在對加熱片選型時，用水代替血液進(jìn)行計(jì)算，這里同樣作此處理，水的密度為1 g/mL，測得血液的質(zhì)量為a mg，即可得出血液的當(dāng)前容量為a mL。

2.7 人機(jī)交互系統(tǒng)

2.7.1 顯示屏

顯示屏由兩部分組成，一部分是2.4寸TFT液晶屏，主要用于顯示當(dāng)前時間、血袋溫度、剩余血量等相關(guān)信息；另一部分是2.4寸USART HMI串口觸摸屏，主要用于校準(zhǔn)時間、設(shè)置初值、更改參數(shù)等操作。

2.7.2 語音合成模塊

語音合成模塊選用的是TN6288，其需要接2個電源，一個5V作為揚(yáng)聲器的驅(qū)動，一個3V3作為模塊的工作電壓。SP-和SP+2個信號線用來驅(qū)動揚(yáng)聲器，單片機(jī)可通過串口與TN6288通信，例如控制TN6288播放相關(guān)語音的代碼如下：

const char buffer[] = "您好！歡迎使用本恒溫輸液輸血裝置！";

UartSend(buffer, sizeof(buffer));

2.7.3 紅外遙控開關(guān)

紅外遙控開關(guān)主要分為紅外發(fā)射部分和紅外接收部分。紅外發(fā)射部分采用的是紅外遙控器，紅外接收部分則使用包括紅外監(jiān)測二極管、放大器、比較器等電路組成的紅外接收頭。在使用紅外遙控開關(guān)之前，必須先打開給單片機(jī)供電的12 V電源，在紅外接收器接收到遙控開關(guān)發(fā)出的紅外信號后，會將信號傳送給單片機(jī)控制器，然后單片機(jī)控制繼電器閉合，進(jìn)而使220 V的電源電路導(dǎo)通，裝置便能夠正常運(yùn)行。

2.8 裝置外觀設(shè)計(jì)

測量電路板規(guī)格為10*15 cm，因此設(shè)計(jì)外殼底面的尺寸為14*18 cm，四面均留出了足夠的空間，硬件共分為三層，層與層之間用4 cm左右的銅柱連接，最后的高度為14 cm。至于其他的尺寸，均是用實(shí)測的方式來得到的，如TFT液晶屏、開關(guān)、散熱扇等孔位，裝置外觀如圖4所示。

圖4 外觀模型

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)流程圖

3.1.1 主程序流程圖

恒溫輸液輸血裝置在上電完成初始化工作之后，會語音提示裝置已啟動。此時可通過撥碼開關(guān)控制A0的電平選擇兩種運(yùn)行模式：用戶模式和管理模式。如圖5所示為主程序流程圖。

圖5 主程序流程圖

3.1.2 用戶模式

進(jìn)入用戶模式后，顯示屏上能夠顯示當(dāng)前時間、加熱時間、主控環(huán)境、剩余血量等信息，在屏幕的下方還會顯示溫度的實(shí)時波形圖。從開始加熱到停止加熱的過程中都有PID來調(diào)節(jié)功率，加溫時RBG燈顯示為紅色，恒溫時顯示為藍(lán)色。另外，在輸液過程中，裝置能夠?qū)崟r顯示血袋當(dāng)前的剩余血量，在血袋中的血液低于某個值時還可進(jìn)行聲光提醒，進(jìn)一步保障了輸血的安全性。用戶模式程序流程圖如圖6所示。

圖6 用戶模式程序流程圖

3.1.3 管理模式

進(jìn)入用戶界面后，如果發(fā)現(xiàn)溫度初值不合適、時間不準(zhǔn)或者是DS18B20的實(shí)測值與溫度計(jì)的實(shí)測值有一定的偏差，可以進(jìn)入管理模式更改時間，設(shè)定溫度，調(diào)整系數(shù)等。管理模式程序流程圖如圖7所示。

圖7 管理模式程序流程圖

3.2 DS18B20測溫過程分析

3.2.1 DS18B20時序分析

DS18B20的工作時序包括以下3個部分：初始化時序、寫時序、讀時序[9]。

(1)初始化時序。

如圖8(a)所示，在初始化過程中，主機(jī)先將總線拉低最短480 μs，然后將總線釋放，在4.7 kΩ上拉電阻的作用下，總線重新恢復(fù)到高電平。在檢測到上升沿之后，DS18B20會執(zhí)行以下動作：首先等待15至60 μs，然后發(fā)出存在脈沖，即將總線拉低60～240 μs。通過檢測這段脈沖是否存在，就可得知DS18B20有沒有初始化成功。

(2)寫時序和讀時序。

DS18B20通過時隙來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，傳輸1位數(shù)據(jù)需花費(fèi)一個時隙的時間。時隙分為兩種：寫時隙和讀時隙，兩種時隙的持續(xù)時間都最短為60 μs。同時，還必須在2個時隙之間插入一定長的恢復(fù)時間(至少1 μs)。圖8(b)、(c)所示為寫/讀時隙圖。通過讀時隙控制可以完成讀操作，分為讀“0”和讀“1”時隙；通過寫時隙控制能夠完成寫操作，分為寫“0”和寫“1”時隙。

圖8 DS18B20初始化和讀寫時序圖

3.2.2 DS18B20測溫流程

DS18B20采用一線通信接口，具體工作流程為：初始化操作→ROM操作指令→存儲器操作指令→處理、傳輸數(shù)據(jù)[9]。其測溫流程圖如圖9所示。

圖9 DS18B20測溫流程圖

3.3 PID控制算法

PID算法又稱為比例-積分-微分控制，是自動控制領(lǐng)域中的一種經(jīng)典控制算法。PID控制也被稱為誤差調(diào)節(jié)器，它是一個閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。圖10所示即為PID控制系統(tǒng)原理圖。

圖10 PID控制系統(tǒng)原理圖

在本恒溫輸液輸血裝置中，加熱片即為被控對象，溫度傳感器即為測量元件，血液溫度即為被控量。如圖11所示為PID控制溫度的流程圖。

圖11 PID控制流程圖

系統(tǒng)采用的是增量式PID控制算法，指的是數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)，其數(shù)學(xué)描述為：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)-e(k-2)]

(3)

增量式控制算法的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)誤動作小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。

(2)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠保持原值，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。

4 測試與分析

4.1 裝置測試

根據(jù)前面加熱時間的計(jì)算，在裝置完成之后，對容量分別為200、300、400 mL的血袋(血袋的初始化溫度為4 ℃，需加溫到37 ℃)進(jìn)行了加溫測試，測試環(huán)境、測試步驟及測試結(jié)果如下。

4.1.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境為溫度24℃、相對濕度55%RH的恒溫恒濕室，模擬實(shí)際手術(shù)室中的溫濕度環(huán)境，符合《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》GB50333-2013中要求的手術(shù)室的溫濕度必須控制在一定的范圍內(nèi)：即溫度在22～25 ℃；相對濕度在45%RH～60%RH[11]。

4.1.2 測試步驟

(1)檢查裝置硬件連線和外觀是否存在問題，沒有問題后固定好血袋；

(2)插上裝置的220 V電源線，先打開12 V電源，指示燈提示單片機(jī)正常工作后，通過紅外遙控器控制220 V電源打開；

(3)操作觸摸屏，進(jìn)入管理模式設(shè)定加溫的目標(biāo)溫度，然后進(jìn)入用戶模式，觀察加溫時的溫度曲線，并記錄血袋加溫到設(shè)定溫度時所需的時間。

(4)測試結(jié)束后，先關(guān)閉裝置220 V電源，再關(guān)閉12 V電源，然后統(tǒng)計(jì)測試數(shù)據(jù)。

4.1.3 測試結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)、處理后，得到如表2所列的測試數(shù)據(jù)。

表2 加溫不同容量的血液所需時間

(注：測試環(huán)境為溫度24℃、相對濕度55%RH的恒溫恒濕室)

圖12所示的是當(dāng)血液容量為200 mL時，根據(jù)血袋在加溫時的溫度數(shù)據(jù)繪制出的溫度曲線圖。從圖中可以清晰的看出，血袋溫度在較快時間內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)溫度，超調(diào)量很小，并且能迅速的穩(wěn)定在此溫度值附近。

圖12 200 mL容量血袋在加溫時的溫度曲線圖

4.2 數(shù)據(jù)分析

由表2中的數(shù)據(jù)不難看出，在實(shí)際加熱時，由于加熱片功率損耗、環(huán)境溫度等多方面因素的影響，加熱時間存在一定誤差，但都在預(yù)期的范圍之內(nèi)。同時可以看出，血袋的容量越低，加熱時間的相對誤差就越小，考慮到實(shí)際輸血時，血袋的容量會不斷的降低，加熱到設(shè)定也就會隨之減小。由此可見，本裝置具有實(shí)用、高效、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種新型恒溫輸液輸血裝置，對裝置核心部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的描述。經(jīng)實(shí)際測試后發(fā)現(xiàn)，本裝置可以順利地完成對血袋的加熱保溫工作，高效且穩(wěn)定，同時其價(jià)格低廉、人機(jī)交互性較好，可以很好的替代市面上一些或移動不便或價(jià)格昂貴的恒溫輸血器。目前，本裝置正在申請實(shí)用新型專利，并且已經(jīng)在一些小型醫(yī)院試運(yùn)行，得到了不錯的反饋。希望通過推廣這種恒溫輸液輸血裝置，能夠改善當(dāng)前市場國外恒溫輸血器的壟斷局面，為我國醫(yī)用電子儀器設(shè)備的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。