面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵和方法技术

本发明专利技术公开一种面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵和方法，注射泵由状态检测、步进电机和驱动器、主控、输入/出人机交互、报警、通信、丝杠/半开合螺母传动和减速单元组成。光栅位移传感器的直接位移测量法，消除了减速传动副误差、丝杠/半开合螺母传动副误差，提高了注射器推杆位置的检测精度，扩大了微量注射泵搭配不同注射器的范围。检测步进电机电流，克服了检测输液管路阻塞上的缺陷，使微量注射泵的安全性更上一层楼。微量注射泵的位移参照S形加减速曲线执行；无加速度突变，有助于避免失步和电机损坏；起动加速和制动减速阶段，开环速度控制；匀速阶段，闭环位移控制，控制算法简单有效。

High precision and safe micro injection pump and method for multi brand syringe

The invention discloses a high-precision safety micro injection pump and a method for multi brand syringe. The injection pump is composed of state detection, stepper motor and driver, main control, input / output human-machine interaction, alarm, communication, screw / half open nut drive and deceleration unit. The direct displacement measurement method of grating displacement sensor eliminates the error of the reducer and the transmission error of the screw / half open nut, improves the detection accuracy of the position of the push rod of the syringe, and expands the range of the micro injection pump matching with different syringes. The detection of the current of the stepping motor overcomes the defects on the detection of the obstruction of the infusion pipeline, and makes the safety of the microinjection pump more safe. The displacement of the micro injection pump is executed according to the S shape acceleration and deceleration curve. No acceleration mutation can help to avoid loss of step and motor damage; the speed control of starting acceleration and braking deceleration stage, the uniform speed stage, the closed-loop displacement control, the control algorithm is simple and effective.

【技术实现步骤摘要】
面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵和方法
本专利技术属医用微量注射泵技术范畴。特别是指通过光栅位移传感器获注射器推杆位置，检测电机电流判输液管路阻塞的高精度安全微量注射泵和方法。
技术介绍
随着我国医疗水平的进步，临床治疗所要求的给药精准度和稳定性越来越高。传统的护士人工注射，遵照医嘱指定的注射时间和注射速度，凭经验和手感控制注射器推进速度，即注射速度；人工注射导致护士工作量居高不下，占用了大量护理人力资源；同时注射精准度不高，实难全面胜任治疗任务。打点滴给药：悬挂输液袋，重力输液；人眼查看输液速度，手动调整轮夹松紧，改变药液流速；新瓶装旧酒--凭经验和手感，给药精准度亦不高。传统的两种给药方式，无法保证输注速度和输注药量的精准度，易受人为因素的干扰而影响疗效；在精准定量给药的场合，传统给药方式充其量为“明日黄花”登台献艺。旨在克服传统给药方式固有的人为误差和不确定性，微量注射泵应运而生！微量注射泵作为智能注射设备，具备微量、匀速、持续、精确地将药物泵入人体内的功能，且可按需调整给药速度、药物剂量；平稳无脉动的药液传输，在病人体内保持理想稳定的血药浓度，满足精准给药的治疗要求；此外，操作方便、快捷，高效。微量注射泵操列入临床治疗的标配设备名录，扮演ICU危重病人、手术病人、术后病人生命的守护神，护士工作的好帮手。1950年，哈佛仪器(HarvardApparatus)公司开发全球首台基于机械螺纹的微量注射泵；80年代推出著名的Pump22微量注射泵。1951年，德国贝朗(B.Braun)研制第一台医用微量注射泵；相继推出Multfuse、PerfusorCompact、InfusomatP和InfusomatFms型全系列微量注射泵。1995年，微量注射泵的中国研发元年；迄今为止，批准注册的微量注射泵厂家＞40。但上规模，有一定知名度的厂家＜10，寥寥无几：北京科为丰高公司ZNB系列、广西威力方舟注射泵TCI－II、浙江大学WZS系列；其中WZS系列市场份额最大，业内俗称浙大泵。对比国产、进口注射泵：功能类似；但流量阻塞检测精度、输液速度和输液量控制精度上尚存在差距。医用微量注射泵由状态检测单元、步进电机和驱动器单元、主控单元、输入/出人机交互单元、报警单元、通信单元、丝杠/半开合螺母传动和减速单元组成；状态检测单元包括注射器规格及脱落检测、注射将/排尽检测、注射阻塞检测、注射器推杆位置检测；步进电机和驱动器单元，驱动器以步进电机专用驱动芯片为核心，步进电机则首选混合式HB型；输入/出人机交互单元包括按键(启动/停止/快进/静音/总量查询/选择/数字设置/功能菜单)、LCD、LED；主控单元以PIC、或MCU、或FPGA为核心。WZS系列的主控单元选用PIC；注射器推杆位置检测：在步进电机上安装霍尔元件，统计霍尔脉冲(圈)数推算位移、即注射器推杆位置；注射阻塞检测：在微量注射泵推动滑块上布置电阻应变式压力传感器，测压力传感器的电阻值得注射器推杆受力、判是否发生阻塞；注射器规格及脱落检测采用微动开关实现。WZS系列是实用、可靠、低成本设计理念的代表作；行业翘楚名至实归，在日常临床治疗中的总体表现令人满意。注射“智能化”步伐持续加速，医用微量注射泵不再是ICU病房的专属品，延伸至普通病房是医院的常态；例如三甲医院微量注射泵:床位＞1:4、甚至＞1:3，“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。因此，微量注射泵所处的工作环境今非昔比--大多运行在无医护人员实时监护的状态下；提升产品安全性指标是新工作环境使然。另一方面，微量注射泵搭配不同品牌泵用注射器、甚至与一次性使用注射器为伍的场景，时有发生、屡见不鲜；微量注射泵的精准安全给药面临前所未有的严峻挑战。张丽.微量注射泵流速流量影响因素的研究[J].中国医疗设备，2015，30(8)：107-110；以及相关文献给出如下结论。以国家标准《GB9706.27-2005/IEC60601-2-24:1998医用电气设备第2-24部分:输液泵和输液控制器安全专用要求》、国质监局《JJF1259-2010医用注射泵与输液泵国家校准规范》为依据，微量注射泵质量控制指标为微量注射泵平均流速流量精确性、瞬时流速稳定性、阻塞压力报警。微量注射泵分别搭配同品牌、不同品牌的泵用注射器，一次性使用注射器；测得的质量控制指标依次递减，进口、国产微量注射泵概莫能外；一句话，精准给药不仅有赖注射泵，而且受搭配的注射器影响。必须指出，不同品牌的泵用注射器，一次性使用注射器价格悬殊；作为医疗耗材，关系患者的最终费用。如能消除或部分消除源自注射器对精准给药的负面影响，无疑是患者荷包的福音。侯延菊.微量注射泵阻塞报警延迟的影响因素分析[J].齐鲁护理杂志，2018，14(15)：33-35；何可人.医用微量注射泵设计和仿真研究(D).华东理工大学，2014；以及相关文献给出如下结论。注射泵输液延长管有弹性，病人体位变更、卫生处置后，针头易堵塞；输液管路阻塞，药液积聚在延长管内，延长管压力增至某阈值，电阻应变式压力传感器才报警，滞后报警对患者不利。就注射阻塞而言，现有微量注射泵的压力应变片可靠有效；面对输液管路阻塞，压力应变片的灵敏度差强人意、广受诟病。在无医护人员实时监护的状态下，输液管路阻塞报警上的缺陷，被倍增放大，寻求有效解决方案刻不容缓。立足微量注射泵主流架构，探讨上述缺陷的渐进创新解决方案。降低或消除注射器对精准给药的影响，扩大微量注射泵搭配不同品牌泵用注射器、一次性使用注射器的范围；切入点是提高注射器推杆位置的检测精度。编码器替换霍尔元件是常见的改进方法，实测效果有限；因编码器与霍尔元件的测量机理类同，本质上是间接位移测量；位移测量中的主要误差：减速传动副误差、丝杠/半开合螺母传动副误差，编码器毫无作为；采用光栅位移传感器的直接位移测量法，有望提高注射器推杆位置的检测精度。微量注射泵存在输液管路阻塞报警灵敏度差的缺陷；输液延长管压力直接测量法受制于：1、延长管上难觅压力应变片安装位置，2、不接触药液的安装位置难上难，3、每根延长管或每只注射器上装压力应变片的费用和工作量太大；路在何方？路在检测步进电机电流，间接监测输液管路阻塞。微量注射泵较有代表性的知识产权成果综述如下：·专利技术专利“一种高精度的微量注射泵及其应用”(ZL201410187851.1)，提出微量注射泵壳体上设针筒手柄卡槽和用于贴合托起注射器针筒的针筒托架，与针筒托架配合用于夹紧固定注射器针筒的弹性夹持机构；解决微量注射泵适应差，夹持注射器时稳定性差的难题。·专利技术专利“注射器推杆安装不正确报警传动装置”(ZL200610049883.0)，提出注射器推杆安装不正确报警传动装置，由丝杆螺母、螺母离合座、摆架、定位销、推杆/头护套、推头和槽、套、支/摆/推杆、夹座、机架、注射器推杆/片、拨簧、安全销、摆块、压/拉簧、滑套/槽/座、导滑杆、传感元件、触头组成。上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要立足现有研究成果，提高微量注射泵的注射精度和安全性，以及对不同品牌注射器的适应性上作深入的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵和方法。面向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵，其特征在于微量注射泵由状态检测单元(100)、步进电机和驱动器单元(200)、主控单元(300)、输入/出人机交互单元(400)、报警单元(500)、通信单元(600)、丝杠/半开合螺母传动和减速单元(700)组成；状态检测单元(100)包括注射器规格及脱落检测模块(110)、注射将/排尽检测模块(120)、注射阻塞检测模块(130)、注射器推杆位置检测模块(140)、步进电机电流检测模块(150)，步进电机和驱动器单元(200)包括驱动器模块(210)、步进电机(220)；状态检测单元(100)、步进电机和驱动器单元(200)、输入/出人机交互单元(400)、报警单元(500)、通信单元(600)与主控单元(300)相连，步进电机和驱动器单元(200)驱动丝杠/半开合螺母传动和减速单元(700)、半开合螺母平移带动注射器推杆完成注射；注射器推杆位置检测模块(140)的光栅尺平行丝杠安装，驱动器模块(210)内嵌步进电机电流检测模块(150)的霍尔电流传感器，驱动器模块(210)的输出从霍尔电流传感器的敏感元中间穿过；借助光栅位移传感器，参照S形加减速曲线执行微量注射泵的位移，获注射器推杆的高精度位置；霍尔电流传感器采集步进电机电流，判输液管路是否阻塞。...

【技术特征摘要】
1.一种面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵，其特征在于微量注射泵由状态检测单元(100)、步进电机和驱动器单元(200)、主控单元(300)、输入/出人机交互单元(400)、报警单元(500)、通信单元(600)、丝杠/半开合螺母传动和减速单元(700)组成；状态检测单元(100)包括注射器规格及脱落检测模块(110)、注射将/排尽检测模块(120)、注射阻塞检测模块(130)、注射器推杆位置检测模块(140)、步进电机电流检测模块(150)，步进电机和驱动器单元(200)包括驱动器模块(210)、步进电机(220)；状态检测单元(100)、步进电机和驱动器单元(200)、输入/出人机交互单元(400)、报警单元(500)、通信单元(600)与主控单元(300)相连，步进电机和驱动器单元(200)驱动丝杠/半开合螺母传动和减速单元(700)、半开合螺母平移带动注射器推杆完成注射；注射器推杆位置检测模块(140)的光栅尺平行丝杠安装，驱动器模块(210)内嵌步进电机电流检测模块(150)的霍尔电流传感器，驱动器模块(210)的输出从霍尔电流传感器的敏感元中间穿过；借助光栅位移传感器，参照S形加减速曲线执行微量注射泵的位移，获注射器推杆的高精度位置；霍尔电流传感器采集步进电机电流，判输液管路是否阻塞。2.根据权利要求1所述的面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵，其特征在于所述的注射器推杆位置检测模块(140)由LE型的直线光栅尺(145)、6N137型的第1光耦(141)、第2光耦(148)，第1与非门(142)、第2与非门(149)组成，光耦和与非门构成直线光栅尺(145)输出信号的记数/判向电路；直线光栅尺(145)的B相端口经R142、与第1光耦(141)脚3相连，第1光耦(141)脚2经R141接24V，R143、R144与第1光耦(141)脚6、第1与非门(142)输入端1相连，R143另一端与第1光耦(141)脚7、8、5V相连，R144另一端与第1与非门(142)输入端2、C141相连，C141另一端与第1光耦(141)脚5相连并接地，第1与非门(142)输出端3与主控单元(300)的ATmega128脚31相连；直线光栅尺(145)的A相端口信号处理电路与B相端口相同，第2与非门(149)输出端3与主控单元(300)的ATmega128脚6相连。3.根据权利要求1所述的面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵，其特征在于所述的步进电机电流检测模块(150)由HBC06LTS3.3型的霍尔电流传感器单元(151)，OP-27型的运放单元(152)组成；驱动器模块(210)的A+端口电缆穿过霍尔电流传感器单元(151)的空心圆，运放单元(152)为巴特沃斯滤波器、调理霍尔电流传感器单元(151)采集的驱动器模块(210)的A+端口电流信号；R151、R152、C152相连，R151的另一端接HBC06LTS3.3的脚9，R152的另一端与C151、OP-27的脚3相连，C151的另一端接地，C152的另一端接OP-27的脚6；R153和R154相连、接OP-27的脚2，R153的另一端接地，R154的另一端接OP-27的脚6；OP-27的脚6与主控单元(300)的ATmega128脚61相连。4.根据权利要求1所述的面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建平，袁潇，王志康，褚永华，吴明光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33