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針對輸液泵必備的堵塞監控設計，本文介紹一種基于集成運放搭建的，間接進行堵塞監控的電機電流檢測電路，相對于已有的壓力傳感器方案，具有兼容性好、精準度高、安全性強、生產成本低、工藝要求低等優勢。

1背景

輸液泵是預期通過泵產生的正壓來控制流入患者體內的液體流量的設備。目前常用的是便攜式電動輸液泵，可由患者攜帶，通過電機驅動產生正壓，將液體通過輸液管路傳輸至患者體內。常用于需要嚴格控制輸液量的情況，如在應用升壓藥物，抗心律失常藥物，嬰幼兒靜脈輸液或靜脈麻醉時。根據相應的國標、行標要求，便攜式輸液泵必須具備相應的堵塞報警功能。目前采用的方案是對輸注系統的末端進行監控。當輸液管路發生堵塞時，輸注產生的正壓將會使管內壓力大于正常輸注時的最大值，硅膠管路因管內壓力產生的最大形變隨之變大，管壁對相鄰器件的壓力也將會增大；通過緊貼輸液管路的壓力傳感器，檢測管壁膨脹產生的對外壓力，可以推算管路內部壓力大小，進而判斷管路是否堵塞。但是壓力傳感器檢測堵塞方案存在明顯問題：為保證監控的高精準度，輸液泵驅動裝置和配用裝置的加工精度，以及二者之間的裝配精度都必須保持在較高的水平上，否則管路堵塞檢測精度就難以保證；同時為了保證監控精度，需要采用高精度的壓力傳感器，費用控制困難。因此，該方案難以推廣應用。本文則介紹一種在輸注系統的源頭——電機處監控管路是否產生堵塞的方法。

2堵塞監控設計思路

輸液泵為了實現藥液輸注，通常采用電機作為動力來源，通過相應的傳動裝置，擠壓輸液管路，產生正壓，迫使藥液流入患者體內。如圖1所示就是一種常見的輸注系統，電機按照一定方向驅動凸輪軸旋轉，使擠壓件和兩個閥門件按照順序交替向前擠壓輸液管路，產生正壓，完成輸液功能。一般而言，輸液泵所用電機多為直流電機。對于該類電機而言，當電機電流小于額定電流時，電流和扭矩成正比；當電流超過額定電流時，扭矩不再隨電流增加。當輸液泵發生堵塞時，藥液無法正常流出，管內壓力增強，電機此時還未停止擠壓，輸注系統產生的正壓繼續將藥液向前推動，因此管內壓力繼續增大，直至管內持續負壓和擠壓系統產生的瞬時正壓形成平衡。此時輸液管內壓力要明顯大于正常輸注時的壓力，擠壓系統也需要更大的力才能繼續向前擠壓輸液管路，因此驅動電機也需要產生更大的轉矩來維持輸注系統運轉。因此，對于特定的直流電機，可以通過檢測電機驅動電流，推算電機輸出轉矩，進而判斷輸液泵是否發生堵塞。

3關鍵電路設計

3.1電流檢測電路設計思路

在實際電路中，電流難以直接檢測，為此我們運用歐姆定律，將電流轉換為容易檢測的電壓。此處我們采用1Ω精密電阻，串聯在電機負極和地之間。一方面后期數值容易計算，另一方面電阻阻值小對電機性能影響不大。用示波器觀察電阻分壓信號可知，電機電流信號為交流分量和直流分量相疊加；堵塞時相比正常輸注時，電機電流最大值相差約幾十毫安；存在非周期性的脈沖雜波。因此，需要對電阻分壓信號進行進一步的整形、放大處理。

3.2信號優化處理

采集到的電機電流信號，最終需要送到單片機的輸入引腳，經單片機內部AD轉換，監測電機電流數值變化，判斷輸液泵是否發生堵塞。常用STM32單片機內部AD輸入電壓范圍為0～2.5V，因此最終處理后的信號應在該范圍之內。本文中采用集成運放進行信號優化處理。如圖2所示。電路輸入部分，電阻分壓產生的電壓信號，先經C1和R1組成高通濾波電路，將電機電流的直流分量濾除（正常輸注和堵塞時均為相同常數，濾除后不影響判斷準確度）；同時電機起轉瞬間，會產生一個持續時間很短的尖峰脈沖，峰值一般都大于正常輸注和堵塞時的信號峰值，這會影響判斷的準確度，因此增加C2接地電容，將高頻分量濾除，進一步優化信號。電路放大部分，反饋回路增加小電容C3。一方面進行相位補償，調整反饋量和輸入信號的相位差，防止產生自激；另一方面，通直流隔交流，減小高頻信號的放大倍數，使目標頻率信號更加突出。電路輸出部分，在運放輸出端和單片機I/O口之間，增添一個低通濾波器（R4和C4），濾除高頻雜波，使信號平滑，優化信號。基于運放的輸液泵監控電路，可以將電機電流整形為可以供單片機內部AD識別的電壓信號，進而推算直流電機對外輸出力矩，判斷輸注系統堵塞情況。同時避免了使用壓力傳感器，減少由產品結構工藝所帶來的誤差，提高了輸液泵堵塞檢測的有效性和安全性。另外，此電路對不同類型的電機具有很好的適配性，在電機的各種應用場合均有參考價值，具有較好的應用前景。

作者：毛元龍 侯小飛 李正 趙彩云 肖小兵 單位：河南駝人醫療器械研究院有限公司