定体积位移增量法测量医用微小流量技术研究

2020-09-08廖旭辉陈昱桥王尧君张秋辰冉文杰杨俊杰

计量学报 2020年8期

廖旭辉, 陈昱桥, 杨勇, 王尧君, 张秋辰,冉文杰, 杨俊杰, 李鹏

(1. 中国测试技术研究院, 四川成都 610021; 2. 乐山市计量测试所, 四川乐山 614000;3. 四川中测辐射科技有限公司, 四川成都 610021)

1 引言

微流量输液技术在医用输液泵、注射泵等临床治疗设备上有广泛应用,该医用泵类设备能够准确控制输液流量大小,保证药物能够速度均匀、药量准确地进入病人体内,在急诊、手术室、ICU等科室进行硝普钠、多巴胺、肝素钠、尿激酶、硫酸镁等药品输液时,可达到高精度、平稳输液的目的,有效提升病人治疗的临床效果[1]。医用输液泵和注射泵作为典型的微小流量计量器具,其输出药液流量大小的准确性对临床治疗具有重要意义。通常采用涡轮式、转子式和差压式等方法测量液体流量[2],但这些方法难以测到低至1 mL/h的微小流量。目前,微小流量测量主要有红外液面、气泡检测和温度漂移等几种用于输液泵和注射泵的测量方法。红外液面法存在容易受环境干扰和长期稳定性不高的缺点,检测液面时灵敏度不高,导致测量累计流量非常耗时,现场检测效率低;气泡检测法对流体测量管路存留气泡具有严格要求,任何微小气泡进入管路中都会影响测量结果,对使用人员操作要求较高,不利于到医院开展现场校准工作;温度漂移法可实现分辨率为10 μL/h的超低流量检测,但该方法对测量介质、环境的温度要求高,需在特定的条件下开展测试工作,当测量条件未处于理想条件时存在测量准确性不够高的缺点。

本文研究了一种基于定体积位移增量的医用微小流量测量方法,该方法采用高度准直的定型腔体作为液体体积定量装置,结合密封效果良好的推杆[3],把液体体积增量转换为推杆的位移增量,利用光栅尺测量出单位时间内推杆的位移增量[4]变化情况,通过计算得到瞬时和累积流量值。

2 微流量测量模型

定体积位移增量法测量微流量物理模型原理如图1所示。输液泵或注射泵输出的液体通过引流管持续注入定型腔体内,定型腔内液体体积增加时将推动推杆,推杆与定型腔表面摩擦力小而均匀,因此在克服摩擦力后推杆将基于液体体积增量产生相应线性位移增量,该增量直接对应输液泵或注射泵输出液体体积变化情况。

图1 定体积位移增量法测量原理图Fig.1 Constant volume displacement incremental method measurement schematic

单位时间内定型腔内液体增量为:

ΔV=π r2×ΔL

(1)

式中:r为定型腔体的内径;ΔL为推杆的位移增量。

定体积位移增量法采用光栅尺测量推杆位移量,推杆通过连接杆与光栅尺读数头连接为一体。通过读取光栅尺上读数头的位移变化量,可直接获得推杆的位移量,利用式(1)计算出单位时间内液体的累积流量。液体的瞬时流量为:

(2)

式中t为液体增量采样时间。

3 定型腔体设计

依据JJF1259-2018《医用注射泵和输液泵校准规范》的校准要求[5],输液泵和注射泵检测装置在流量为20～200 mL/h时必须满足最大测量允许误差不超过±1%。定型腔体直径的准确性对测量结果起决定性作用,加工过程必须严格控制腔体直径误差。在相同阻塞压力报警阈值下,医用泵输出液体压强与定型腔内液体压强相等,推杆受到液体的垂直作用力为:

F=pS

(3)

式中:p为压强;S为受力面积。

推杆所受液体作用力正比于定型腔腔体横截面积,选取恰当的定型腔腔体直径可有效解决推杆和定型腔管壁之间摩擦力不均匀问题。医用输液泵和注射泵多数情况使用容量小于或等于50 mL的注射器,该类注射器腔体直径一般小于30 mm。定型腔体容积设计为50 mL,直径为32 mm。为满足测量最大允许误差不超过±1%的要求,结合评定示值误差的不确定度U95与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值MPEV之比应小于或等于1:3[6],同时考虑测量系统的其它影响因素,需将直径误差控制在20 μm内。测试5 mL/h流量时,推杆保持2 μm/s的移动速度,腔体直径加工的一致性将会影响测量结果的准确性。

推杆作为液体体积增量的传递介质,其位移增量与液体体积增量成线性关系。定型腔体与推杆须紧密配合,防止液体泄漏导致测量不准；同时需考虑定型腔体与推杆配合松紧度问题,防止滑动摩擦力过大形成液体挤压,造成推杆位移非线性影响瞬时流量测量结果。定型腔体、推杆材料选用有防锈功能的不锈钢和耐磨润滑的聚四氟乙烯。

3 测量系统搭建

系统采用光栅尺[7,8]测量推杆的μm级位移量。本文设计了具有自排水、自清零和平衡适应等功能的智能化输液泵和注射泵检测装置,以提升校准效率和准确性,硬件系统如图2所示。定型腔与光栅尺安装在同一基座上,推杆通过连接杆与光栅尺读数头形成一个整体,当液体从进水口流入并充满定型腔腔体后,微处理器打开出水口处的电磁阀,步进电机驱动推块, 推动U型连接杆及推杆，将把液体从出水口排走。为保护定型腔体不被推杆挤压损坏,设计了红外对管软限位和铝块硬限位的电机行程保护装置。

图2 硬件系统设计图Fig.2 Hardware system design diagram

为防止气体进入定型腔影响推杆位移测量结果,在进水口处增加红外气泡检测传感器,通过微机控制电磁阀排气方式解决该问题。气泡检测红外线发射管和接收管分别位于输液管两侧,红外线可直接穿过没有液体的透明输液管透射至接收管,当有液体进入到输液管后,红外线发生折射[9],接收管接收到的红外线光量减少。微处理器通过判断红外对管输出信号的变化情况识别管路中存在的气泡,利用电磁阀排气泡功能,提升装置测量准确性。红外对管的电路设计如图3所示。

图3 红外对管电路图Fig.3 Infrared pair tube circuit diagram

推杆和光栅读数头通过U型连接杆形成联动装置,位移量通过读数头将编码数据送至微处理器计算, 测量结果在人机交互界面显示。光栅尺信号处理框架如图4所示。读数头输出一组相位差为2.5 μs的正交信号,使用Texas Instruments公司的四路差动线路接收器AM26C32ID将差分信号转化为单端信号,送至微处理器的定时器编码信号输入口,计算获得推杆位移量。

图4 差动信号处理框架Fig.4 Differential signal processing framework

4 软件流程

测量系统初始化后,位于管路两侧的气泡传感器检测管路中是否有液体,待检测液体进入管路后,对液体中是否残留气泡进行延时判断,无气泡执行关闭排水电磁阀动作,控制步进电机后撤,允许液体进入定型腔。液体在定型腔内累积使推杆产生线性位移,光栅尺通过编码信号将推杆位移结果传送至微处理器,系统软件通过计算获得累积和瞬时流量结果。测量过程中需要执行气泡检测功能,实时修正测量结果。定型腔充满液体后,系统提示容量已满并停止测量,电机执行排水动作,待排水结束并检测到管路中无气泡存在,系统将执行下一测量周期。系统软件流程如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

利用千分表测量定型腔体内径[10],将该直径数值代入式(1),通过计算得到累积流量。系统选用光栅尺最小分辨率是0.5 μm,输液泵或注射泵输出5 mL/h流量时,推杆前进速度约1.5 μm/s,因此系统可每秒动态更新推杆位移增量,采用滑动窗口滤波算法,每4 s作为一个滑动窗口,对瞬时流量求取平均值,进一步提高瞬时流量测量准确性。

5 实验分析

采用HRVARD公司生产的双通道精密微量注射泵作为流量输出源,该泵输出流量最大允许误差±0.3%,通过输液延长管将流量引入测量装置,现场测试如图6所示,测量结果如表1所示。

图6 流量测试图Fig.6 Flow test chart

实验结果表明:基于定体积位移增量法的医用微小流量检测装置测量范围为1～1 500 mL/h,全量程内可将测量误差控制在1%以内。检测医用泵输出5 mL/h流量响应时间最快只需要16 s,满足JJF 1259-2018《医用注射泵和输液泵校准规范》校准要求。

表1 流量测试数据Tab.1 Flow rate test data

为了排除不锈钢腔体和聚四氟乙烯推杆的膨胀系数不同带来的测量误差,将装置置于不同温区,测试了精密微量注射泵输出液体分别为5,200,800 mL/h时的温度响应数据,测量结果见表2。当温度低于13 ℃时,测量误差最大达到-54%,查找原因后发现定型腔体与推杆之间出现漏水现象,导致仪器无法准确测量流量;当温度高于37 ℃时,由于聚四氟乙烯推杆膨胀系数大于不锈钢腔体,出现推杆膨胀量过多,摩擦力变大情况,泵体无法推动推块导致测量结果为0。因此,本文介绍的流量测量方法须将液体和环境温度控制在15～35 ℃之间,超出此限制将会出现测量不准确现象。JJF 1259-2018《医用注射泵和输液泵校准规范》要求测试条件为15～30 ℃环境温度,因此本文所介绍的微小流量检测装置能满足检测实验室的测试需求。

为检验定型腔体密封及耐磨性,装置内部排水电机充当模拟泵的测试模式,采用2台微流量测试装置往返对推液体,加速仪器磨损损耗。实验装置模拟测试场景如图7所示,左侧电机推动推杆向右运动时,右侧推杆被液体推动向右运动;换向后,右侧电机推动推杆向左运动,左侧推杆被液体推动向左运动。试验时,HRVARD泵输出流量为100 mL/h经过不同往返次数实验后,装置测试泵输出的流量,结果如表3所示。试验结果表明:经过8万次的往返运动,流量测量误差小于1%,在装置寿命阶段能满足医学计量校准工作的需要。