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输液泵,IC设计

作者:angelazhang时间:2014-12-26浏览次数:3596

概述

计算机控制的输液泵与老式的滴注器和辊夹式输液器相比,在精度和安全性方面均有长足改进。现代输液泵精确控制通过静脉(IV)输送给患者的药剂速率,具有一流的安全保障,确保即时检测并报告不同程度的所有故障。

输液泵分为两种类型:大容量泵(LVP)和小容量泵(SVP或注射泵)。对于LVP,药剂通常储存在IV包或瓶中,输液泵控制与患者静脉留置针部位注射管部分。一些输液泵能够控制多达四路连接患者的IV通道,单通道和双通道最为常见。与LVP密切相关的是注射泵。注射泵高精度控制按压大注射器的柱塞速率。这些注射泵的输注率通常比LVP低几个数量级。除工作原理以外,注射泵的其它所有其他方面几乎均与LVP类似。

设计资料

FDA监管下的医疗设备


输液泵是一种便携式医疗设备,在美国,其设计和生产受美国食品药品管理局(FDA)的监管。这意味着其设计和架构必须符合备案文件的要求,性能必须满足严格的条例规定以及开发测试、生产测试、现场维护的要求。 设备还必须具备自检和故障指示功能,这就需要额外的支持电路和元件完成自检功能。 在患者侧的漏电是需要重点考虑的问题。医疗设备开发人员必须遵循IEC 60601-1产品安全性标准对医疗电子设备的要求。尽管输液泵是连接患者的设备,但其连接是非绝缘的,属于高级别中的最低档(B类),考虑到获得FDA批准所需要的时间和花费,制造商需要选择一家以客户为导向、能够严格控制停产政策的供应商,以确保若干年内维持系统厂商的供货。

便携性


输液泵必须便于携带,因为患者需要在医院或家里移动。设备必须采用电池供电,相对较小、较轻。因此,设计人员需要能够最大程度地缩小体积、降低功耗的方案。例如,可使用开关型稳压器代替线性稳压器,甚至是低能耗电源以及高频开关电源,以最大程度地缩小外部元件的尺寸。

输液泵解决方案


输液泵的工作原理
以前,泵系统常常采用步进电机,以提供精确的流速。利用角位移传感器或霍尔传感器,使得直流电机的应用成为可能。在这些设计中,系统每转一圈,电机驱动执行器(凸轮和指状构件)按压一次注射管,精确地挤压出设定好的药量。

电机负载随系统旋转而发生变化,受输液泵机械系统的位置、流体粘度和流速影响。为了降低功耗,电机驱动电路可包括电机负载传感器信号,该信号可馈送至闭环控制系统以调节电机驱动电压。各种电流检测放大器、运算放大器、比较器和滤波器被用于闭环控制系统。

供电电源
为了尽量延长电池使用寿命,系统设计人员采用开关型稳压器产生任意的电源电压。开关转换器的工作速度应尽量高,以最大程度地缩小尺寸、减小重量。低压差线性稳压器(LDO)仅用于极低的电源,该电路能够容许其低效率,或者LDO的输出电压不比输入电压低太多,从而保持高效率。使用比较复杂的处理器时,对供电电源有一定要求,供电电源包括中央处理器(CPU)的电压识别数字信号(VID)控制、快速负载瞬变响应和高精度低压/大电流输出。由于需要快速可编程,稳压控制器没有集成VID控制时,可将数/模转换器(DAC)或数字电位计用于这些电源。因为这些患者连接设备采用直流供电时必须满足UL®和IEC安全要求,意味着离线开关式电源的设计和认证必须由医疗组织完成。

电池管理
医护人员往往需要在搬运患者的同时不影响IV,所以输液泵必须能够单独由电池供电数小时。因此,规范强制要求必须使用可更换电池组。而输液泵绝对不能失去电源,否则会停止工作。这就需要高精度的电池电量计,库仑计是被广泛接受的方法,因为电压检测电量计的精度不足以满足这类患者连接设备的要求。

用户界面
用户界面用于编程流速并提供各种信息。除了输注率以外,医用设备还显示各种参数:例如正在注射的药剂、患者信息、输液泵系统的健康情况、剩余电量以及报警条件。

对于一些家用可穿戴设备,患者希望可对显示的信息进行编程。利用直观的图形用户界面(GUI),可帮助指导患者编程过程。这些输液泵往往具有彩色显示和触摸屏,方便用户输入。患者触摸输入的视觉、听觉和触觉响应有助于设计人员改善用户体验。

流速可在非常宽的范围内编程:典型值为0.01mL/h至999mL/h。由于存在输液泵编程错误导致发生用药差错的情况,输液泵已经采用了成熟的软件告警功能,警告用户选择异常或危险的输注率。

显示器/键盘
彩色、高分辨率背光液晶显示器(LCD)最为常见。一些输液泵还集成了辅助字母数字显示器。FDA要求显示器在上电时进行自检,设计中需要内置自检功能。

自检与系统监测
按照FDA条例,所有输液泵上电时必须首先运行自检(POST)程序,对关键的处理器、电路、指示器、显示器、报警功能进行检测。有些POST操作需要用户值守,附加自检电路有助于降低潜在的失效风险。 例如,有些模块使用安全处理器监测主处理器的运行,一旦发现意外状况将立即发出报警信号;有些自检系统可能只是简单地监测发光二极管(LED)通、断。一旦电流跌落到可接受的范围以下,即可产生故障指示。比较常见的自检电路采用看门狗定时器(WDT),带有WDT功能的微处理器监控电路对程序的运行状况进行监控。医疗设备通常不允许把监控电路集成在微处理器IC内部,因为这种架构中监控电路可能与处理器同时发生故障。监控电路是确保输液泵在患者使用期间正常工作的关键,

微控制器(一个输液泵中往往存在几个)必须在所有电源达到容限范围并保持稳定之前处于复位状态。电压监控电路监测电源的过压和欠压条件,同时还需要监测电机的运行和停机状况(电机失效属于严重的系统故障,发出报警的优先级最高)。考虑到系统的重要性,往往还需要使用ADC监测电源电压,以便可以定期记录准确数值。ADC还用于量化传感器(温度、电机加载、静脉压力和电池电压)的读数。电池组、电源、监视器和显示器具有温度检测功能。由于这些设计具有较高效率,通常不需要风扇。输液泵必须防溅,所以很难将其打开通风。

报警功能
输液泵需要视听报警功能,以便在检测到故障或潜在危险条件时提醒用户。双色或三色(红/橙/绿)LED通常用作视觉指示器。声音报警可以是由微控制器脉宽调制(PWM)输出驱动的简单蜂鸣器,或者是音频DAC产生的更为复杂的报警信号(例如语音合成)。即使简单的蜂鸣器也应配备自检电路,自检电路可以间接监测扬声器的阻抗是否处于正常范围;也可以在靠近扬声器的位置安装一个麦克风,直接记录音频输出并确认检测该电平是否处于正常范围。

计时功能
由于患者护理的重要性,系统需要记录每个事件并打上时标。每次按键、每次输液开始和结束、配置的每次改变(泵门打开/关闭,交流电源断开等)以及每次报告的故障条件均需要记录并打上时标,以供以后法律诉讼或仪器故障时检查。

该功能需要一个实时时钟(RTC)。由于微处理器和数字电路的其它时钟源不是特别关键,所以可以使用标准晶体时钟。如果需要极高精度的RTC,Maxim具有内置温度补偿晶体振荡器(TCXO)的RTC,其精度可以达到±2ppm (0°C 至+40°C),比标准晶体时钟高出两个数量级。

静电放电
所有输液泵必须满足IEC 61000-4-2静电放电(ESD)的保护要求,可以利用内置保护器件实现,也可以在外部增加ESD保护器件。Maxim提供各种具有较高ESD保护功能的接口器件,同时也提供ESD保护二极管阵列。

接口
现代的输液泵具有连接至医院信息系统的接口,可以是各种有线(RS-232、RS-485、USB和以太网)和/或无线接口(Bluetooth®和Wi-Fi®)。对于有线接口,电流隔离对于满足IEC 60601-1患者安全要求非常重要。对于单向线接口(例如RS-232、RS-485、RS-422),隔离并不困难。唯一的挑战是为隔离侧的接口设计一个隔离电源。诸如MAX256这样的集成器件,采用紧凑的SO封装为隔离接口提供高达3W的隔离电源,从而解决上述问题。

电路图

SPI/I²C UART with 128-Word FIFOs

MAX3107

An advanced universal asynchronous receiver-transmitter (UART) with 128 words each of receive and transmit first-in/first-out (FIFO) that can be controlled through I²C or high-speed SPI.

White LED Step-Up Converter with I²C Interface in 2mm x 2mm WLP

MAX8831

This IC is a 60mA, 28V PWM DC-DC step-up converter with five low-dropout LED current regulators for display and keypad backlighting in cell phones, PDAs, and other portable devices.

1% Accurate Voltage µP Supervisors

MAX16061A

These devices are 1% accurate, quad-/hex-/octal-voltage µP supervisors in a small thin QFN package. They provide supervisory functions for complex multi-voltage systems.

Low-Power, 4/8/12 Channel Serial 8-Bit ADCs

MAX11600-5

These 8-bit, multichannel, analog-to-digital converters (ADCs) feature internal track/hold (T/H), voltage reference, clock, and an I²C-compatible 2-wire serial interface.

Stand-Alone OCV-Based Fuel Gauge

DS2786B

This IC estimates available capacity for rechargeable Li-ion (Li+) and Li+ polymer batteries based on the cell voltage in the open-circuit state following a relaxation period.

Dual Step-Down DC-DC Regulator with Tracking/Sequencing Capability

MAX15021

This dual-output, pulse-width-modulated (PWM), step-down DC-DC regulator with tracking delivers up to 4A (regulator 1) and 2A (regulator 2) of output current.

Dual Step-Down DC-DC Regulator with Tracking/Sequencing Capability

MAX15021

This dual-output, pulse-width-modulated (PWM), step-down DC-DC regulator with tracking delivers up to 4A (regulator 1) and 2A (regulator 2) of output current.

Micropower, Uni-/Bidirectional, Current-Sense Amplifiers

MAX9928/9F

These low-cost, uni-/bidirectional, high-side, current-sense amplifiers are ideal for monitoring battery charge and discharge currents in portable equipment. These devices feature a wide -0.1V to +28V input common-mode voltage range, low 20µA supply current, and a gain accuracy better than 1.0%.

 框图

 

 


关键词: 输液泵 医疗

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