摘要：為了穩(wěn)定精確地將病人術(shù)后腹腔內(nèi)積累的各種臟器分泌液排出體外，提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的負壓吸引器。該系統(tǒng)采用氣壓傳感器、重力感應(yīng)器、PH值傳感器、電磁閥和薄膜泵等模塊，通過檢測病人體內(nèi)的腔壓來調(diào)整負壓實現(xiàn)體液的引流，并能實時監(jiān)控病人排出液的各項參數(shù)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能動態(tài)控制負壓引流并精確測量排出體液的參數(shù)，具有穩(wěn)定可靠的特性。
關(guān)鍵詞：負壓吸引；嵌入式；引流；氣壓檢測；pH值檢測；流量檢測

    由于很多病人手術(shù)后臟器創(chuàng)口沒有得到有效的愈合，此時會在腹腔內(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，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壓吸引袋或機械式吸引器將體液引流至體外。但是這種方法產(chǎn)生的負壓并不穩(wěn)定，吸引的壓強可能會有較大的變化，導致負壓吸引的效果不理想。同時一次性負壓吸引袋的后期垃圾處理較為復雜，如果處理不當，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，能動態(tài)控制負壓大小，也能實時監(jiān)控病人的體液的各種參數(shù)，穩(wěn)定性好。同時具有自動清洗的功能，操作便捷。并能在液晶顯示屏上顯示有好的界面，實時更新病人排出體液的PH值、體積、流速、質(zhì)量等參數(shù)。同時，本系統(tǒng)提供了友好的操作界面。醫(yī)護人員可以通過選擇不同的手術(shù)類型設(shè)置負壓引流的類型。為了保障病人的安全，該系統(tǒng)還能檢測異常情況，產(chǎn)生報警信號，并及時將報警信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞至急救中心。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理
    術(shù)后引流負壓吸引器整體上是利用氣壓檢測模塊檢測體內(nèi)腔壓，并使用兩級電磁閥及薄膜泵的組合動態(tài)控制體內(nèi)腔壓，流速等關(guān)鍵性能指標。
    滅菌緩沖接口：將通過該接口的病人腔內(nèi)液體做前級滅菌、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。
    緩沖容器：用于裝載一個周期時間內(nèi)病人分泌的體液。這一級緩沖主要用于對當前流量的進行檢測。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的料漿輸送設(shè)備。由于病人術(shù)后的體內(nèi)廢液可能會有較為復雜的成分(如滲漏的消化液)，有時會有較低的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，起到第二重保護作用，在薄膜泵完全開啟并開始工作之前，可能會瞬時出現(xiàn)后級的壓強暫時大于前級的壓強的情況，使用電磁閥可以防止后級的液體倒灌到前級進入病人的體內(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
    負壓吸引器系統(tǒng)主要由機械引流模塊、功率驅(qū)動電路、傳感器檢測模塊、電源管理模塊、人機交互模塊、報警模塊與主控模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2．1 機械部分設(shè)計
    主要由薄膜泵、電磁閥、計量集液瓶(緩沖容器)、支架和連接導管構(gòu)成。
    根據(jù)現(xiàn)有科研數(shù)據(jù)，腸胃道術(shù)后對患者進行負壓引流時最佳負壓大小為-7～-5 kPa，系統(tǒng)使用容器截面積約為24cm2，使用P09A12R型薄膜泵，可實現(xiàn)至少-7 kPa的負壓。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，完全能夠滿足對病人體液的抽取。
2．2 功率驅(qū)動部分設(shè)計
    負責執(zhí)行主控模塊對機械部分薄膜泵和電磁閥的控制。

    同時也起到了對控制模塊和機械模塊之間的隔離作用，防止強電串擾至弱電毀壞控制電路。使用4個NPN型MOS管IRF3205(Vdss=55 V，導通電阻Rds=0．8 mΩ，極限電流80 A)驅(qū)動薄膜泵和電磁閥并使用IR4427實現(xiàn)主控模塊對MOS管的驅(qū)動。[!--empirenews.page--]
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，主要完成對病人腔壓、負壓吸引器產(chǎn)生的負壓、體液的抽取速度、以及其它醫(yī)學參數(shù)(如體液的pN值等)的測量。
    稱重傳感器設(shè)計：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)變片與信號調(diào)理電路實現(xiàn)。變化范圍僅有50μV左右。首先使用精密儀放INA118構(gòu)成前級信號放大，將信號放大5 000倍，再用通用運放LM358對信號做進一步放大和電平調(diào)整，使所稱重量在0～100 g間變化時輸出電壓范圍為0．2～2．5 V，方便主控模塊使用AD采樣。

    氣壓傳感器設(shè)計：氣壓傳感器用于對負壓吸引器產(chǎn)生的負壓進行精確舅量，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現(xiàn)對負壓的精確測量。
    pH值傳感器設(shè)計：體液pH值為醫(yī)學中的重要參數(shù)，對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)點的運放CA3140組成雙高阻差分輸入電路以減小共模信號的干擾。輸出電壓：V0=(1+2R4／Rg)·(R3／R2)·(V2-V1)。

    同時應(yīng)用DS18B20數(shù)字溫度傳感器結(jié)合軟件的設(shè)計完成溫度補償以提高測量精度。pH計的功耗約100 mW。測量精度可達±0．01 pH。
2．4 控制部分
    人機交互模塊：用于用戶指令的輸入，顯示所測量的體內(nèi)體液參數(shù)。顯示模塊使用諾基亞5110液晶顯示屏實現(xiàn)，與主控模塊之間的通信通過SPI接口實現(xiàn)，具有功耗低、控制簡便等優(yōu)點。
    異常報警模塊：主要由有源蜂鳴器及一個NPN型三極管8050構(gòu)成。當主控模塊輸出報警信號時，給8050基極施加高電平，有源蜂鳴器發(fā)出洪亮的報警聲，提示醫(yī)護人員進行相應(yīng)操作。
    主控模塊：主要以STM32為核心，完成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、功能控制、顯示及針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的反饋處理。STM32 F103是一款32位單片機，AD數(shù)據(jù)采集的精度極高。具有2個12位AD轉(zhuǎn)換器(16通道)以及6路PWM輸出和7個定時器，足以實現(xiàn)對各功能模塊的自動控制、信號采集和處理。
[!--empirenews.page--]
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于Keil for ARM的開發(fā)環(huán)境下完成的。主要使用C語言編寫。軟件包括各個模塊的底層驅(qū)動及數(shù)據(jù)的采集和處理。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

    系統(tǒng)上電初始化，使用定時中斷方式掃描按鍵輸入，并定時在液晶顯示屏上更新顯示當前的瓶內(nèi)氣壓、總流量、平均流速、pH值等參數(shù)。這部分程序在中斷函數(shù)中，已在主體部分流程圖中省略。
    系統(tǒng)工作之前先由醫(yī)護人員選擇臟器手術(shù)類型，系統(tǒng)會據(jù)所需的負壓引流的門限壓強每30 s檢測一次檢測容器的氣壓，并動態(tài)控制薄膜泵引流體液，以保證瓶內(nèi)穩(wěn)定的負壓。當瓶內(nèi)的氣壓大于門限氣壓時，系統(tǒng)依次打開薄膜泵1和電磁閥1，以防止瞬間的倒灌現(xiàn)象。
    當液體被抽到緩沖容器中后，STM32使用12位AD采樣稱重傳感器模塊輸出的信號并計算得出每次注入的體液的質(zhì)量，并計算體液所占的體積。最后，控制后級的薄膜泵2和電磁閥2將稱量后的體液注入吸收容器之中。并累加計算吸收容器吸收的液體體積，能及時提醒醫(yī)護人員及時更換后級的吸收劑。

4 系統(tǒng)測試
4．1 氣壓傳感器壓力測試
    引流的壓力測試結(jié)果如表1所示。

4．2 液位流量測試
    引流的流量測試結(jié)果如表2所示。
    綜上可見：壓力測試模塊的平均誤差為0．52％，滿足設(shè)備的要求。
    流量檢測模塊的平均誤差為1．9％，滿足設(shè)備的要求。

5 結(jié)論
    為了能夠使手術(shù)后病人能夠更加安全、方便地排出體液，文中設(shè)計實現(xiàn)了“基于嵌入式的術(shù)后引流負壓吸引器”。該系統(tǒng)能夠智能設(shè)定負壓大小并同時在抽取體液的過程中對病人的人體狀態(tài)進行必要的檢測。對抽取的體液在流量、重量、pH值等方面進行精確控制和測量，使得體液抽取工作具有可靠性高，實現(xiàn)方便、使用方便等優(yōu)點。具有較為廣闊的應(yīng)用前景。