一種電動洗胃機參數檢測裝置的研制

杜勝利，徐巖，安玳寧（通信作者）

河北省藥品醫療器械檢驗研究院 （河北石家莊 050000）

電動洗胃機工作原理是利用內嵌的集成電路芯片進行編程，依靠壓力傳感器和流量傳感器進行過程控制和監測，最終實現反復吸取胃液、灌入藥液的功能。電動洗胃機屬于二類醫療器械，普遍應用于各醫療單位、急救中心等搶救食物中毒、服毒患者及手術前洗胃[1-3]。電動洗胃機的發明和普及，不僅很大程度上減輕了醫務工作者的工作壓力，而且加快了救治速度，避免了傳統洗胃裝置誤操作引發的二次傷害。壓力和流量是電動洗胃機的兩個關鍵性能指標[4]。在洗胃過程中，灌入藥液流量過高會引發患者窒息、毒性吸收、心搏驟停等；灌入藥液壓力過大則會損傷患者的胃黏膜，導致胃潰瘍、胃出血等并發癥[5-6]。電動洗胃機產品強制標準YY 1105-2008[7]中明確規定了電動洗胃機的壓力和流量參數限值，并給出了具體的檢驗方法。在實際檢驗過程中，操作比較煩瑣。對手動沖、吸功能，分別測量1 min的沖、吸總液量，即為單位時間的沖、吸流量；對自動沖、吸功能，分別測量1 次沖、吸循環過程的總液量和總時間，然后計算得到單位時間的沖、吸流量。無論是測量哪種功能，都要用到量筒和秒表。人為操作與讀數過程產生的誤差都會對檢測結果產生影響。

目前國內對電動洗胃機參數檢測的研究較少。黃莉等[8]提出了一種檢測方法，并從不確定度角度進行驗證，該方法依然是采用人為操作的方式進行。吳國偉等[9]、周懿和陳愛軍[10]分別研制了電動洗胃機檢測儀，但沒有從電磁兼容性的角度進行電路設計。本研究結合檢驗工作實際，現研制一種電動洗胃機參數檢測裝置（以下簡稱檢測裝置），以降低人為誤差，提高檢驗效率，同時充分考慮電磁兼容抗擾度試驗的要求，保障檢測數據的準確性。

1 檢測裝置硬件組成

檢測裝置由主機和電源線組成，主機由壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、STM32 微控制器（microcontroller unit，MCU）、觸摸屏等組成，樣機見圖1，原理圖見圖2。工作時，當有液體流經檢測裝置時，壓力傳感器和流量傳感器首先會感應產生4～20 mA 的電流信號，并通過電流/電壓轉換電路將電流信號轉換為電壓信號，此時得到的依然是模擬信號，然后通過模擬/數字轉換（analog/digital conversion，ADC）單元將連續的模擬信號再轉換為STM32 MCU 可識別的離散數字信號，再進行數據分析處理。觸摸屏通過串口通信總線與主控制單元進行連接，STM32 MCU 利用RS232 異步串行通信接口將接收和處理得到的壓力、流速、流量、時間、溫度等參數的實時值、累計值顯示在觸摸屏上。檢測裝置采用網電源供電方式，內部由開關電源提供12 V DC，主控電路板則包括多個電源模塊，可提供不同元器件需要的各種直流供電電壓。

圖1 檢測裝置樣機

圖2 檢測裝置原理圖

檢測裝置主處理器采用主流的STM32 MCU，型號為STM32f103rct6，該芯片集成了時間單元、ADC 單元、數據處理單元等模塊，具有響應時間快，測量精度高的特點。

觸摸屏選取7寸人機交互顯示屏DMT80480T070，采用基于8051 內核的T5L0 芯片，電阻觸摸，分辨率為800×480，只需按下啟動、停止鍵就可以測量多個參數，操作簡便，人機交互性強。

壓力傳感器和流量傳感器是檢測裝置的重要元器件。根據洗胃機行業標準，洗胃機限定壓力范圍不超過47～67 kPa，實際工作過程中壓力誤差不能超過±5 kPa，對于口腔插管流量指標要求≥2.0 L/min，對于鼻腔插管流量指標要求≥1.0 L/min?；谙次笝C的參數，壓力傳感器采用NXP 公司的差分壓力傳感器MPX5100，量程為0～100 kPa，誤差為0.25 kPa，可以較好地滿足檢測裝置的檢測要求。流量傳感器采用霍爾流量傳感器，量程為0 ～10 L/min，誤差為±1%，霍爾流量傳感器體積小、無觸點，無須擔心磨損，結構簡單，防水、抗老化，安裝方便。

檢測裝置還增加了溫度檢測功能，以輔助觀察流體狀況，溫度傳感器采用DS18B20，抗干擾能力強、精度高。另外，檢測裝置內部采用防水設計，大大提高了產品的安全性。

2 軟件設計

洗胃機檢測裝置的控制系統遵循完整性、可觀察性和有效性的設計原則，采用C 語言對意法半導體的32 位單片機STM32f103rct6 進行編程?？傮w設計采用前后臺系統，通過程序對搭建的ADC 單元、數據處理單元、時鐘單元進行控制，可以實時采集傳感器上感應的數據并進行處理，將模擬量轉換為單片機可以識別的數字量，提高了響應速度；通過RS232 異步串行通信接口將數據傳輸至觸摸屏，顯示實時數據和參數。電流/電壓轉換電路在工作時會產生噪聲和干擾，經過濾波電路處理轉換為可采集的有效信號，再通過ADC 單元高速采樣，進行最大值和最小值篩檢剩余數據取平均值，提高了采樣精度和準確度，同時有效濾除硬件電路中濾波電路濾除不掉的尖刺噪聲；對多種傳感器數據進行計算便可得到液體的流速、壓力、流量、溫度值。

洗胃機檢測裝置開機后首先完成初始化自檢，確認各傳感器通信是否正常，采樣的ADC 單元是否在量程范圍內，自檢通過后觸摸屏進入測試界面，見圖3。當洗胃機檢測裝置接收到測量開始信號后，正式開始測量前選擇手動測量次數，目的是使洗胃機檢測裝置內的液體充滿導管，以提高檢測精度，降低外界誤差。采用手動測量進行測試，或者采用自動測量進行測試，檢測流經檢測儀單次沖/吸液壓力、進/出胃流量、總進/出胃的液量、進/出胃時間、洗胃次數及洗胃機工作環境的溫濕度技術等參數，并將檢測值實時通過觸摸屏中顯示，記錄測量結果直至檢測完成，然后關機結束。

圖3 檢測裝置測試界面

3 電路設計

電動洗胃機作為醫療器械，需滿足相關國家、行業標準要求，其中包括電磁兼容性[11]和電氣安全性。壓力和流量作為電動洗胃機的兩個關鍵性能指標，也是電動洗胃機產品規定的基本性能。本檢測裝置預期用途包括作為輔助裝置應用于電動洗胃機的電磁兼容抗擾度檢測，因此本檢測裝置也應滿足電磁兼容標準的相關要求，保證本身正常運行的同時，也不影響電動洗胃機參數的試驗結果。本檢測裝置在印刷電路板（printed circuit board，PCB）設計中充分考慮了電磁兼容性方面的要求。

醫療器械電磁兼容抗擾度試驗包括7 項測試，其中浪涌（沖擊）抗擾度和電快速瞬變脈沖群抗擾度是設備電磁兼容試驗過程中比較容易失敗的試驗項目。浪涌（沖擊）抗擾度試驗是設備對由開關和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌（沖擊）的抗擾度要求[12]。電快速瞬變脈沖群抗擾度是由工業設備產生的電脈沖，各種醫療、電氣設備產生的火花或雷電也會引起脈沖群的干擾[13]。兩類干擾均通過設備的電源線引入，進而對設備功能產生干擾，導致產品性能降低或喪失。

為防止浪涌和脈沖群信號干擾設備正常功能，可增加濾波器濾除相應的干擾信號，從而達到保護自身電路的目的。濾波器可以是鐵氧體磁環，也可以是濾波電路。電子產品電路部分工作電壓不一定相同。網電源電壓工作區域通常被稱為初級電路，這部分電路工作電壓較高，通常為220 V 交流電壓；而板級電路的工作電壓通常為直流低壓電路，一般稱為次級電路。初級電路和次級電路之間通過穩壓電路連接。通常穩壓電路模塊都具有一定的濾波能力，能夠濾除電源線上的浪涌或者脈沖群干擾信號，保證次級電路的安全。但浪涌和脈沖群干擾信號并非都沿信號線傳播，也會通過空間耦合的方式從一根信號線傳輸至另一根信號線，即干擾信號可能從強電信號線通過線與線之間的電容耦合直接傳輸至次級電路的弱電工作電路，從而導致產品性能降低或喪失，甚至破壞產品元器件。綜合考慮本檢測裝置內部空間比較寬裕，電路設計無須過于緊湊，因此選用開關電源和主控電路板的設計。

首先，本設計選用獨立的開關電源與主控電路板隔離開，從根本上避免了強電、弱電電路間的信號干擾。其次，本設計采用雙層PCB 作為主控電路板，增加了可用空間，元器件分布設計更方便。在布局布線時，將信號線布線在電路板的一端，盡可能遠離控制電路部分和電源模塊，加大走線間距，減少線間寄生電容，從而降低線間信號耦合的可能。印刷電路板圖見圖4。除此之外，本設計選用帶有熔斷器的網電源開關，并在網電源開關處增加脈沖群抑制器。

圖4 印刷電路板圖

經驗證，本檢測裝置順利通過了浪涌（沖擊）抗擾度和電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，證明本電路設計是可靠的。

4 試驗驗證

檢測裝置設計完成后，對其進行驗證試驗。將檢測裝置的進胃、出胃管和電動洗胃機的管路相連，并在出胃口串接高精度壓力表，對出液壓力進行測量，同時用500 ml 的玻璃量筒對電動洗胃機的出液量進行測量。測試時選擇自控模式，分別記錄每次的測量結果，見表1、2。

表1 單次出液量檢測數據

表2 單次出液壓力檢測數據

由測量結果可以看出，單次出液量最大偏差為4.5%，單次出液壓力最大偏差為-1.7%。綜合上述測量結果，檢測裝置可靠性較高，可作為檢測電動洗胃機流量和壓力參數的裝置。出現偏差的原因：由于流量計測量需要在滿管狀態下測量，而檢測裝置實際工作過程中，開始和停止時會出現非滿管狀態；另外，霍爾傳感器得到的霍爾電壓信號為直流小信號，會受到極化電壓的影響。

5 結論

電動洗胃機參數檢測裝置設計合理、操作方便、檢測準確，減小了人為檢測誤差，最終實現了電動洗胃機關鍵參數的測量，因此可作為輔助檢測手段，提高電動洗胃機的檢測效率。需要注意的是，本試驗采用的測試介質是水，而不同介質的電導率不同，需要通過實際測量補償霍爾傳感器系數，所以該檢測裝置尚不能直接用于洗胃機生產廠家、醫院等場所。下一步，本研究將采用模擬嘔吐物進行驗證，以保證檢測裝置的準確性。