一种电动洗胃机参数检测装置的研制

杜胜利，徐岩，安玳宁（通信作者）

河北省药品医疗器械检验研究院 （河北石家庄 050000）

电动洗胃机工作原理是利用内嵌的集成电路芯片进行编程，依靠压力传感器和流量传感器进行过程控制和监测，最终实现反复吸取胃液、灌入药液的功能。电动洗胃机属于二类医疗器械，普遍应用于各医疗单位、急救中心等抢救食物中毒、服毒患者及手术前洗胃[1-3]。电动洗胃机的发明和普及，不仅很大程度上减轻了医务工作者的工作压力，而且加快了救治速度，避免了传统洗胃装置误操作引发的二次伤害。压力和流量是电动洗胃机的两个关键性能指标[4]。在洗胃过程中，灌入药液流量过高会引发患者窒息、毒性吸收、心搏骤停等；灌入药液压力过大则会损伤患者的胃黏膜，导致胃溃疡、胃出血等并发症[5-6]。电动洗胃机产品强制标准YY 1105-2008[7]中明确规定了电动洗胃机的压力和流量参数限值，并给出了具体的检验方法。在实际检验过程中，操作比较烦琐。对手动冲、吸功能，分别测量1 min的冲、吸总液量，即为单位时间的冲、吸流量；对自动冲、吸功能，分别测量1 次冲、吸循环过程的总液量和总时间，然后计算得到单位时间的冲、吸流量。无论是测量哪种功能，都要用到量筒和秒表。人为操作与读数过程产生的误差都会对检测结果产生影响。

目前国内对电动洗胃机参数检测的研究较少。黄莉等[8]提出了一种检测方法，并从不确定度角度进行验证，该方法依然是采用人为操作的方式进行。吴国伟等[9]、周懿和陈爱军[10]分别研制了电动洗胃机检测仪，但没有从电磁兼容性的角度进行电路设计。本研究结合检验工作实际，现研制一种电动洗胃机参数检测装置（以下简称检测装置），以降低人为误差，提高检验效率，同时充分考虑电磁兼容抗扰度试验的要求，保障检测数据的准确性。

1 检测装置硬件组成

检测装置由主机和电源线组成，主机由压力传感器、流量传感器、温度传感器、STM32 微控制器（microcontroller unit，MCU）、触摸屏等组成，样机见图1，原理图见图2。工作时，当有液体流经检测装置时，压力传感器和流量传感器首先会感应产生4～20 mA 的电流信号，并通过电流/电压转换电路将电流信号转换为电压信号，此时得到的依然是模拟信号，然后通过模拟/数字转换（analog/digital conversion，ADC）单元将连续的模拟信号再转换为STM32 MCU 可识别的离散数字信号，再进行数据分析处理。触摸屏通过串口通信总线与主控制单元进行连接，STM32 MCU 利用RS232 异步串行通信接口将接收和处理得到的压力、流速、流量、时间、温度等参数的实时值、累计值显示在触摸屏上。检测装置采用网电源供电方式，内部由开关电源提供12 V DC，主控电路板则包括多个电源模块，可提供不同元器件需要的各种直流供电电压。

图1 检测装置样机

图2 检测装置原理图

检测装置主处理器采用主流的STM32 MCU，型号为STM32f103rct6，该芯片集成了时间单元、ADC 单元、数据处理单元等模块，具有响应时间快，测量精度高的特点。

触摸屏选取7寸人机交互显示屏DMT80480T070，采用基于8051 内核的T5L0 芯片，电阻触摸，分辨率为800×480，只需按下启动、停止键就可以测量多个参数，操作简便，人机交互性强。

压力传感器和流量传感器是检测装置的重要元器件。根据洗胃机行业标准，洗胃机限定压力范围不超过47～67 kPa，实际工作过程中压力误差不能超过±5 kPa，对于口腔插管流量指标要求≥2.0 L/min，对于鼻腔插管流量指标要求≥1.0 L/min。基于洗胃机的参数，压力传感器采用NXP 公司的差分压力传感器MPX5100，量程为0～100 kPa，误差为0.25 kPa，可以较好地满足检测装置的检测要求。流量传感器采用霍尔流量传感器，量程为0 ～10 L/min，误差为±1%，霍尔流量传感器体积小、无触点，无须担心磨损，结构简单，防水、抗老化，安装方便。

检测装置还增加了温度检测功能，以辅助观察流体状况，温度传感器采用DS18B20，抗干扰能力强、精度高。另外，检测装置内部采用防水设计，大大提高了产品的安全性。

2 软件设计

洗胃机检测装置的控制系统遵循完整性、可观察性和有效性的设计原则，采用C 语言对意法半导体的32 位单片机STM32f103rct6 进行编程。总体设计采用前后台系统，通过程序对搭建的ADC 单元、数据处理单元、时钟单元进行控制，可以实时采集传感器上感应的数据并进行处理，将模拟量转换为单片机可以识别的数字量，提高了响应速度；通过RS232 异步串行通信接口将数据传输至触摸屏，显示实时数据和参数。电流/电压转换电路在工作时会产生噪声和干扰，经过滤波电路处理转换为可采集的有效信号，再通过ADC 单元高速采样，进行最大值和最小值筛检剩余数据取平均值，提高了采样精度和准确度，同时有效滤除硬件电路中滤波电路滤除不掉的尖刺噪声；对多种传感器数据进行计算便可得到液体的流速、压力、流量、温度值。

洗胃机检测装置开机后首先完成初始化自检，确认各传感器通信是否正常，采样的ADC 单元是否在量程范围内，自检通过后触摸屏进入测试界面，见图3。当洗胃机检测装置接收到测量开始信号后，正式开始测量前选择手动测量次数，目的是使洗胃机检测装置内的液体充满导管，以提高检测精度，降低外界误差。采用手动测量进行测试，或者采用自动测量进行测试，检测流经检测仪单次冲/吸液压力、进/出胃流量、总进/出胃的液量、进/出胃时间、洗胃次数及洗胃机工作环境的温湿度技术等参数，并将检测值实时通过触摸屏中显示，记录测量结果直至检测完成，然后关机结束。

图3 检测装置测试界面

3 电路设计

电动洗胃机作为医疗器械，需满足相关国家、行业标准要求，其中包括电磁兼容性[11]和电气安全性。压力和流量作为电动洗胃机的两个关键性能指标，也是电动洗胃机产品规定的基本性能。本检测装置预期用途包括作为辅助装置应用于电动洗胃机的电磁兼容抗扰度检测，因此本检测装置也应满足电磁兼容标准的相关要求，保证本身正常运行的同时，也不影响电动洗胃机参数的试验结果。本检测装置在印刷电路板（printed circuit board，PCB）设计中充分考虑了电磁兼容性方面的要求。

医疗器械电磁兼容抗扰度试验包括7 项测试，其中浪涌（冲击）抗扰度和电快速瞬变脉冲群抗扰度是设备电磁兼容试验过程中比较容易失败的试验项目。浪涌（冲击）抗扰度试验是设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）的抗扰度要求[12]。电快速瞬变脉冲群抗扰度是由工业设备产生的电脉冲，各种医疗、电气设备产生的火花或雷电也会引起脉冲群的干扰[13]。两类干扰均通过设备的电源线引入，进而对设备功能产生干扰，导致产品性能降低或丧失。

为防止浪涌和脉冲群信号干扰设备正常功能，可增加滤波器滤除相应的干扰信号，从而达到保护自身电路的目的。滤波器可以是铁氧体磁环，也可以是滤波电路。电子产品电路部分工作电压不一定相同。网电源电压工作区域通常被称为初级电路，这部分电路工作电压较高，通常为220 V 交流电压；而板级电路的工作电压通常为直流低压电路，一般称为次级电路。初级电路和次级电路之间通过稳压电路连接。通常稳压电路模块都具有一定的滤波能力，能够滤除电源线上的浪涌或者脉冲群干扰信号，保证次级电路的安全。但浪涌和脉冲群干扰信号并非都沿信号线传播，也会通过空间耦合的方式从一根信号线传输至另一根信号线，即干扰信号可能从强电信号线通过线与线之间的电容耦合直接传输至次级电路的弱电工作电路，从而导致产品性能降低或丧失，甚至破坏产品元器件。综合考虑本检测装置内部空间比较宽裕，电路设计无须过于紧凑，因此选用开关电源和主控电路板的设计。

首先，本设计选用独立的开关电源与主控电路板隔离开，从根本上避免了强电、弱电电路间的信号干扰。其次，本设计采用双层PCB 作为主控电路板，增加了可用空间，元器件分布设计更方便。在布局布线时，将信号线布线在电路板的一端，尽可能远离控制电路部分和电源模块，加大走线间距，减少线间寄生电容，从而降低线间信号耦合的可能。印刷电路板图见图4。除此之外，本设计选用带有熔断器的网电源开关，并在网电源开关处增加脉冲群抑制器。

图4 印刷电路板图

经验证，本检测装置顺利通过了浪涌（冲击）抗扰度和电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，证明本电路设计是可靠的。

4 试验验证

检测装置设计完成后，对其进行验证试验。将检测装置的进胃、出胃管和电动洗胃机的管路相连，并在出胃口串接高精度压力表，对出液压力进行测量，同时用500 ml 的玻璃量筒对电动洗胃机的出液量进行测量。测试时选择自控模式，分别记录每次的测量结果，见表1、2。

表1 单次出液量检测数据

表2 单次出液压力检测数据

由测量结果可以看出，单次出液量最大偏差为4.5%，单次出液压力最大偏差为-1.7%。综合上述测量结果，检测装置可靠性较高，可作为检测电动洗胃机流量和压力参数的装置。出现偏差的原因：由于流量计测量需要在满管状态下测量，而检测装置实际工作过程中，开始和停止时会出现非满管状态；另外，霍尔传感器得到的霍尔电压信号为直流小信号，会受到极化电压的影响。

5 结论

电动洗胃机参数检测装置设计合理、操作方便、检测准确，减小了人为检测误差，最终实现了电动洗胃机关键参数的测量，因此可作为辅助检测手段，提高电动洗胃机的检测效率。需要注意的是，本试验采用的测试介质是水，而不同介质的电导率不同，需要通过实际测量补偿霍尔传感器系数，所以该检测装置尚不能直接用于洗胃机生产厂家、医院等场所。下一步，本研究将采用模拟呕吐物进行验证，以保证检测装置的准确性。