基于嵌入式系統(tǒng)的負(fù)壓吸引器設(shè)計(jì)

由于很多病人手術(shù)后臟器創(chuàng)口沒有得到有效的愈合，此時(shí)會(huì)在腹腔內(nèi)積累各種液體。最為常見的就是在臨床中，為了保證腸道患者在術(shù)后能盡快康復(fù)，就需要將來自胃的低PH值的消化液借助引流設(shè)備排出體外。目前國內(nèi)外市場上通常使用一次性負(fù)壓吸引袋或機(jī)械式吸引器將體液引流至體外。但是這種方法產(chǎn)生的負(fù)壓并不穩(wěn)定，吸引的壓強(qiáng)可能會(huì)有較大的變化，導(dǎo)致負(fù)壓吸引的效果不理想。同時(shí)一次性負(fù)壓吸引袋的后期垃圾處理較為復(fù)雜，如果處理不當(dāng)，易造成較大污染。最重要的是，傳統(tǒng)方式氣密性不理想，容易造成倒灌而造成患者的二次感染。

相比之下，嵌入式系統(tǒng)通過檢測體內(nèi)腔壓的方式控制引流，能動(dòng)態(tài)控制負(fù)壓大小，也能實(shí)時(shí)監(jiān)控病人的體液的各種參數(shù)，穩(wěn)定性好。同時(shí)具有自動(dòng)清洗的功能，操作便捷。并能在液晶顯示屏上顯示有好的界面，實(shí)時(shí)更新病人排出體液的PH值、體積、流速、質(zhì)量等參數(shù)。同時(shí)，本系統(tǒng)提供了友好的操作界面。醫(yī)護(hù)人員可以通過選擇不同的手術(shù)類型設(shè)置負(fù)壓引流的類型。為了保障病人的安全，該系統(tǒng)還能檢測異常情況，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并及時(shí)將報(bào)警信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞至急救中心。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

術(shù)后引流負(fù)壓吸引器整體上是利用氣壓檢測模塊檢測體內(nèi)腔壓，并使用兩級(jí)電磁閥及薄膜泵的組合動(dòng)態(tài)控制體內(nèi)腔壓，流速等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

滅菌緩沖接口：將通過該接口的病人腔內(nèi)液體做前級(jí)滅菌、過濾及隔離處理。

氣壓檢測模塊：通過測量檢測容器內(nèi)的氣壓得出與管子連通的病人體內(nèi)的壓強(qiáng)。

緩沖容器：用于裝載一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)病人分泌的體液。這一級(jí)緩沖主要用于對(duì)當(dāng)前流量的進(jìn)行檢測。該容器裝載在重力檢測模塊上，能精確測量緩沖容器前后的質(zhì)量變化，并由此得出排出液的質(zhì)量。再利用人體體液參數(shù)計(jì)算出病人排出的體液的體積。

緩沖容器所接的氣囊：用于防止容器的內(nèi)壓過大。

薄膜泵：一種離心水泵，適用于輸送高腐蝕、固液兩相介質(zhì)，也是目前世界上最為先進(jìn)的料漿輸送設(shè)備。由于病人術(shù)后的體內(nèi)廢液可能會(huì)有較為復(fù)雜的成分(如滲漏的消化液)，有時(shí)會(huì)有較低的pH值，因此薄膜泵是本系統(tǒng)最好的選擇。

電磁閥：具有良好的氣密性，可以防止微漏，起到第二重保護(hù)作用，在薄膜泵完全開啟并開始工作之前，可能會(huì)瞬時(shí)出現(xiàn)后級(jí)的壓強(qiáng)暫時(shí)大于前級(jí)的壓強(qiáng)的情況，使用電磁閥可以防止后級(jí)的液體倒灌到前級(jí)進(jìn)入病人的體內(nèi)，有效保障了病人的健康。

吸收容器：含有弱堿性吸收劑，可以有效吸收來自緩沖容器的體液并中和酸性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

負(fù)壓吸引器系統(tǒng)主要由機(jī)械引流模塊、功率驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測模塊、電源管理模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊與主控模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

主要由薄膜泵、電磁閥、計(jì)量集液瓶(緩沖容器)、支架和連接導(dǎo)管構(gòu)成。

根據(jù)現(xiàn)有科研數(shù)據(jù)，腸胃道術(shù)后對(duì)患者進(jìn)行負(fù)壓引流時(shí)最佳負(fù)壓大小為-7~-5 kPa,系統(tǒng)使用容器截面積約為24cm2,使用P09A12R型薄膜泵，可實(shí)現(xiàn)至少-7 kPa的負(fù)壓。電磁閥采用BOSUN-2W250-25-DC12V型電磁閥，具有良好的氣密性。經(jīng)測試，采用這兩款薄膜泵和電磁閥能夠?qū)崿F(xiàn)最高8 mL/s抽取速度，完全能夠滿足對(duì)病人體液的抽取。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

負(fù)責(zé)執(zhí)行主控模塊對(duì)機(jī)械部分薄膜泵和電磁閥的控制。

同時(shí)也起到了對(duì)控制模塊和機(jī)械模塊之間的隔離作用，防止強(qiáng)電串?dāng)_至弱電毀壞控制電路。使用4個(gè)NPN型MOS管IRF3205(Vdss=55 V,導(dǎo)通電阻Rds=0.8 mΩ，極限電流80 A)驅(qū)動(dòng)薄膜泵和電磁閥并使用IR4427實(shí)現(xiàn)主控模塊對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng)。

2.3 傳感器檢測部分

由稱重傳感器、表壓傳感器、pH值傳感器等傳感器件構(gòu)成，主要完成對(duì)病人腔壓、負(fù)壓吸引器產(chǎn)生的負(fù)壓、體液的抽取速度、以及其它醫(yī)學(xué)參數(shù)(如體液的pN值等)的測量。

稱重傳感器設(shè)計(jì)：壓力應(yīng)變片內(nèi)部電橋阻值分布能夠根據(jù)外部壓力的大小而線性變化。采用20 kg壓力應(yīng)變片與信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)。變化范圍僅有50μV左右。首先使用精密儀放INA118構(gòu)成前級(jí)信號(hào)放大，將信號(hào)放大5 000倍，再用通用運(yùn)放LM358對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步放大和電平調(diào)整，使所稱重量在0~100 g間變化時(shí)輸出電壓范圍為0.2~2.5 V,方便主控模塊使用AD采樣。

氣壓傳感器設(shè)計(jì)：氣壓傳感器用于對(duì)負(fù)壓吸引器產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行精確舅量，使用亞科電子科技公司的TTP501型氣壓傳感器，一種橋式硅壓阻器件，其壓力測量范圍為0~120kPa,工作電流為0.3 mA,輸出電壓范圍為0.5~3 V,精度高于1%.利用此傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)壓的精確測量。

pH值傳感器設(shè)計(jì)：體液pH值為醫(yī)學(xué)中的重要參數(shù)，對(duì)pH值的精確測量可以有效監(jiān)控患者的體內(nèi)代謝狀況。使用有高電壓PMOS管和高壓二極管優(yōu)點(diǎn)的運(yùn)放CA3140組成雙高阻差分輸入電路以減小共模信號(hào)的干擾。輸出電壓：V0=(1+2R4/Rg)·(R3/R2)·(V2-V1)。

同時(shí)應(yīng)用DS18B20數(shù)字溫度傳感器結(jié)合軟件的設(shè)計(jì)完成溫度補(bǔ)償以提高測量精度。pH計(jì)的功耗約100 mW.測量精度可達(dá)±0.01 pH.