输液泵，IC设计

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

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。

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

 框图