Устройство контроля инфузата в инфузионной магистрали

Рассмотрим в общих чертах принцип действия медицинского оборудования, известного как капельница. Лекарственное средство (инфузат) из флакона (или из пакета) поступает в организм пациента через инфузионную магистраль. Внешне для обывателя инфузионная магистраль – это пластиковая трубка с резервуаром (ловушкой воздуха) для жидкости посередине и двумя иглами на концах. Ловушка воздуха с иглой может быть расположена на одном конце магистрали, а игла для ввода в вену – на другом. Перед инъекцией убеждаются в отсутствии пузырьков воздуха в инфузате, имеющиеся пузырьки удаляют из раствора. Через трубку врач или медсестра видит, с какой скоростью движется лекарство. Скорость падения капель меняют с помощью устройства, которое сдавливает снаружи верхнюю часть трубки. При внутривенном вливании особенно важно не допустить попадания пузырьков воздуха в организм. Флакон устанавливают на штанге на высоте, которая обеспечивает устойчивую работу капельницы. В процессе подготовки последней в нижней части ловушки воздуха обязательно создают определённый уровень жидкости, чтобы в нижнюю часть трубки, а по ней и в вену, не попал воздух. Понятно, что при случайном попадании воздуха во флакон с лекарственным средством уровень жидкости в ловушке воздуха инфузионной магистрали будет падать. В настоящее время на российском рынке представлен широкий спектр как отечественных, так и зарубежных одноразовых инфузионных магистралей. Ловушки воздуха в них могут отличаться друг от друга формой, длиной, внешним диаметром, толщиной стенок.

Представленное устройство позволяет контролировать уровень жидкости в ловушке воздуха и состоит из двух частей: ультразвукового датчика жидких сред и блока питания. Датчик устанавливается на ту же штангу, что и флакон с лекарственным средством.

Сформируем основные технические требования к датчику как к функционально законченному узлу:

В основу работы датчика положен ультразвуковой метод контроля. В [1] дано достаточно полное обоснование этого метода. Принцип работы подобных сигнализаторов основывается на фиксации изменения энергии ультразвуковой волны, проходящей через жидкость или газ, вследствие резких различий значений акустических сопротивлений этих сред. Для измерения уровня жидкости в большинстве случаев используется принцип прохождения ультразвуковых колебаний между излучателем и приёмником акустического датчика. В качестве преобразователя электрических колебаний высокой частоты (порядка 1 МГц) в ультразвуковые, распространяющиеся в контролируемой среде между излучателем и приёмником, обычно используется пьезокерамика цирконата-титанта свинца в виде круглых пластин диаметром 6…30 мм, толщиной 1…2 мм с резонансной частотой 0,5…2 МГц. Возбуждение и приём колебаний производятся в непрерывном или импульсном режиме.

Конструктивно излучатель и приёмник абсолютно одинаковы.

Принципиальная схема устройства контроля жидкости приведена на рисунке 1.

В ультразвуковом датчике используется временнáя селекция сигналов по жидкости от возможных сигналов помехи по газу через рабочий зазор датчика и металлу корпуса датчика. Это разделение возможно из-за различных скоростей распространения звука в этих средах: в жидкости – 1500 м/c, в газе – 340 м/c, т.е. в 5 раз меньше; в металлах – 6000 м/c; т. е. в 4 раза больше. База прозвучивания – расстояние между излучателем и приёмником детектора – устанавливается равной 18 мм. Время распространения между излучателем и приёмником определяется базой детектора и средой, в которой сигнал распространяется. Скорость распространения звука в жидкости составляет с=1500 м/с. Если взять базу b=20 мм, то для воды время распространения колебаний между излучателем и приёмником в детекторе будет равно t_в=b/с=0,02/1500=13 мкс. Поскольку сигнал помехи по газу достигает приёмного преобразователя в 5 раз дольше, то его легко можно разделить во времени с сигналом по жидкости.

В блок питания А1 входят следующие элементы: сетевой шнур (сетевая вилка Х1 – принадлежность сетевого шнура); предохранители FU1, FU2; сетевая лампочка H1; модуль питания U1; конденсатор С1; пьезоизлучатель звука ВА1. Модуль питания ингалятора U1 AC/DC типа NFS40-7908J “MEDICAL”. Данный модуль питания отвечает всем необходимым требованиям по электробезопасности (МЭК601-1) для изделий медицинской техники.

Конструктивно датчик А2 состоит из платы усилителя АВ1 и пьезоэлементов BQ2, BQ3. В таблице приведены основные технические характеристики датчика.

Осциллограммы, поясняющие работу устройства, представлены на рисунке 2.

Алгоритм работы устройства следующий. Микроконтроллер D1 с вывода 8 подаёт импульс лог. 1 длительностью 1 мкс (см. рис. 2.1) на вход усилителя, собранного на элементе D2.1. Импульс через конденсатор C7 и резистор R8 поступает на базу транзистора D2.1. Нагрузкой D2.1 служит пьезоэлемент BQ2. Усиленный импульс возбуждает BQ2 (см. рис. 2.2). Сигнал через время t₂ (отсчёт времени идёт по фронту запускающего импульса) поступает на пьезоэлемент BQ3 (приёмник датчика) (см. рис. 2.3) и возбуждает его. Время t₂ (время распространения между излучателем и приёмником), как было вычислено ранее, составляет порядка 13 мкс. Экспериментально установлено, что, например, при комнатной температуре для воды t₂≈15…17 мкс. С пьезоэлемента BQ3 сигнал поступает на вход двухтактного усилителя, собранного на D2.3 и D2.4. Положительные полуволны сигнала, усиленные двухтактным усилителем, через фильтр C8, R6 поступают на базу элемента D2.2 и с коллектора D2.2 на вывод 6 микроконтроллера D1 (см. рис. 2.4). В микроконтроллере временной селектор организован следующим образом. В момент времени t₂ микроконтроллер начинает анализировать состояние вывода 6 и при наличии уровня лог. 0 устанавливает на выводе 2 сигнал уровня лог. 1. Время t₂=20 мкс задаётся программно. Отсчёт времени (начало каждого цикла) идёт по фронту запускающего импульса с вывода 8 микроконтроллера D1. С момента времени t₂ микроконтроллер анализирует состояние вывода 6 (ждёт лог. 0) только в течение 15 мкс, т.е. можно сказать, открывает временны́е «ворота». Задержка, равная 20 мкс (см. рис. 2.5), подобрана экспериментально, учитывая среды, с которыми будет работать датчик (раствор глюкозы, физиологический раствор и т.д.). Длительность «ворот» определяется длительностью принимаемого сигнала, приходящего с излучателя через рабочую среду на приёмник. Длительность принимаемого сигнала t_с (см. рис. 2.3) может составлять от 10 до 60 мкс и определяется рядом факторов: пьезоэлементами BQ2 и BQ3, качеством их склейки в стаканах приёмника и излучателя, центровкой, коэффициентом усиления транзисторов в транзисторной матрице, акустическим контактом стакана с корпусом ловушки воздуха и т.д. В момент времени t₂, перед тем как открыть «ворота», микроконтроллер устанавливает вывод 2 в лог. 0.

Таким образом, временны́е «ворота» настроены только на полезный сигнал по жидкости: если между излучателем и приёмником (в рабочем зазоре) есть жидкость, то в интервале времени t₂...t₃ на входе запроса прерывания INT0 (вывод 6 микроконтроллера) будет присутствовать уровень лог. 0; тогда на выводе 2 микроконтроллера будет лог. 1 (см. рис. 2.6), индикатор HL1 датчика будет включён, а пьезоизлучатель звука ВА1 – выключен. Если жидкости нет (воздух), то на выводе 2 микроконтроллера будет лог. 0, индикатор HL1 детектора будет выключен, а пьезоизлучатель звука ВА1 – включён. Время каждого цикла T_ц составляет порядка 35 мкс. Период следования запускающих импульсов (время между циклами) – 5 мс. Сигнал по металлу не попадает во временны́е «ворота». Временной селектор реализован программно. Данная схема управления с описанным алгоритмом работает очень устойчиво и достоверно. Элементы С4 и R4 при подаче напряжения питания +5 В осуществляют системный аппаратный сброс микроконтроллера (сброс происходит при подаче лог. 1 на вход 1 (RST) микроконтроллера). Питающие напряжения поступают на плату усилителя через соединитель Х5. Потребление тока по каждому каналу составляет:

С контакта 2 соединителя Х1 напряжение +12 В поступает на фильтр из элементов R3, C6. С контакта 3 напряжение -12 В поступает на фильтр из элементов R2, C5. Схема разведена на двусторонней печатной плате размерами 40×70 мм.

В устройстве использованы резисторы типа С2-33Н, подойдут любые другие с погрешностью ±5%. Конденсаторы С1, С2, С4 – К50-35 USL; C3, С5…С7, С9 – К10-17б-Н90; С8 – К10-17а-М47. Кварцевый резонатор BQ1 11,0592 Мгц, тип корпуса HC-49S. Индикатор HL1 КИПД02Б-1К красного цвета. Микроконтроллер типа AT89C4051- 24PU.

Пьезоэлемент BQ2 является составной частью излучателя датчика. Как уже говорилось ранее, конструктивно излучатель и приёмник абсолютно одинаковы. Внешний вид излучателя (приёмника) показан на рисунке 3.

В принципиальной схеме (см. рис. 1) передатчик (пьезоэлемент BQ2) и приёмник (пьезоэлемент BQ3) взаимозаменяемы. В приёмнике пьезоэлемент (см. рис. 3) приклеивается к резонансным стаканам клеем. Тип пьезоэлемента – ЭПЧД-010. Пьезоэлемент с обеих сторон имеет металлизированное напыление. При склейке необходимо выдержать особый технологический режим, т.к. от этого зависит получение идентичных акустических параметров как приёмника, так и излучателя. В [1] приведены конструкции сигнализаторов, в которых крепление пьезопластин (пьезоэлементов) осуществляется с помощью цилиндрических и тарельчатых пружин: пружины поджимаются гайкой либо стопорным кольцом. Независимо от способа крепления, необходимо обеспечить хороший акустический контакт между пьезоэлементом и внутренней поверхностью донышка стакана (см. рис. 3). В передатчике центральная жила экранированного провода (см. рис. 3) припаивается к пьезоэлементу и к клемме 1 на плате усилителя (см. рис. 1), а наружная оплётка провода (экран) – к корпусу и к клемме 2 на плате усилителя. Соответственно, в приёмнике центральная жила экранированного провода (см. рис. 3) припаивается к пьезоэлементу и к клемме 3 на плате усилителя (см. рис. 1), а наружная оплётка провода (экран) – к корпусу и к клемме 4 на плате усилителя. Тип провода – МГТФэ-1´0,12. При пайке центральной жилы экранированного провода к пьезоэлементу необходимо выдержать особый температурный режим, чтобы металлизированное напыление не отделилось от корпуса пьезоэлемента. После выдержки место пайки заливается клеем.

Ловушка воздуха инфузионной магистрали вставляется в держатель ловушки воздуха датчика. Внешний вид датчика с ловушкой воздуха инфузионной магистрали фирмы KDM внешним диаметром d=15 мм представлен на рисунке 4.

Описанный вариант устройства контроля является недорогим, достаточно прост в эксплуатации, надёжен, обладает небольшим энергопотреблением и отвечает всем требованиям, предъявляемым к медицинской технике.      

Литература