史剛，王姣，朱世磊，李雙民，唐紅新，丁攀，焦騰

1.第四軍醫(yī)大學(xué) 軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，陜西 西安 710032；2.解放軍第五醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，寧夏 銀川 750000；3.銀川市第一人民醫(yī)院 血液透析室，寧夏 銀川 750000

引言

靜脈輸液是搶救和治療過(guò)程中采取的重要措施之一，也是戰(zhàn)傷救治過(guò)程中快速、簡(jiǎn)單、行之有效的方法。北方冬季及春秋季節(jié)約占7～8個(gè)月，野外寒冷環(huán)境下，醫(yī)療帳篷在采取取暖措施的條件下溫度也只能維持在10℃～15℃，遇極端天氣帳篷內(nèi)溫度會(huì)更低，在這種環(huán)境條件下輸液極易引起傷員手臂冰涼、麻木，周身寒戰(zhàn)、血管痙攣等寒冷反應(yīng)[1-3]，且隨著輸液量和輸液時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)率有增高趨勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致靜脈炎[4]或發(fā)生血管硬化危及生命[5]。如何在野戰(zhàn)低溫環(huán)境條件下保證傷員輸液的溫度在合適范圍成為傷員救治過(guò)程中迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題。

現(xiàn)有的輸液加溫措施有一次性輸液加溫保暖貼、一次性輸液加溫棒和可以多次使用的輸液加溫裝置等，由于野戰(zhàn)環(huán)境的特殊性，例如要求輕巧便攜、加溫快速、可連續(xù)加熱、無(wú)需穩(wěn)定的電源供應(yīng)等特點(diǎn)，現(xiàn)有措施均不能很好的滿足針對(duì)野戰(zhàn)環(huán)境的特殊性。本文研究設(shè)計(jì)的便攜式野戰(zhàn)靜脈輸液自動(dòng)加熱控溫裝置選用電阻加熱方式，采用電池供電，無(wú)需外接電源，可連續(xù)加熱，加熱溫度可控，有過(guò)熱報(bào)警和低溫提醒功能，體積小、重量輕、易攜帶，特別適用于復(fù)雜環(huán)境且無(wú)穩(wěn)定的電源供給的野戰(zhàn)環(huán)境使用。

1 總體設(shè)計(jì)

液體加熱溫度控制具有大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的控制不能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)溫度的有效控制[6]。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)升溫控溫裝置，將電阻加熱方式與脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，有效解決了電阻加熱絲發(fā)熱功率無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加熱功率，精確控制加熱溫度的功能。裝置示意圖和實(shí)物圖，見(jiàn)圖1。該裝置體積小（實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸約300 cm3），重量輕（配一組電池的成套重量不超過(guò)200 g），電池供電（無(wú)需外接電源），佩戴使用舒適，使用時(shí)可固定于患者小臂或其他距離穿刺點(diǎn)較近的位置，不增加患者活動(dòng)限制。

圖1 裝置示意圖（a）和實(shí)物圖（b）

根據(jù)藥學(xué)理論有關(guān)輸液?jiǎn)栴}的報(bào)道，輸入人體的藥液最佳溫度為32℃～34℃，在此溫度下，人體對(duì)藥液的吸收最好，患者也感覺(jué)舒服[7]?？紤]到野戰(zhàn)環(huán)境下可提供更長(zhǎng)的續(xù)航能力，本裝置設(shè)置了高中低3個(gè)目標(biāo)溫度檔位，具體溫度設(shè)置為34℃、30℃和26℃，在傷員沒(méi)有明顯不適的前提下優(yōu)先選用低檔位，以提供更長(zhǎng)的加熱續(xù)航時(shí)間。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖2。工作流程為：開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)根據(jù)操作人員選定的溫度檔位和出口處藥液的實(shí)時(shí)溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱控溫模塊的工作模式，將出口處藥液溫度迅速提升并保持在設(shè)置的溫度。同時(shí)，系統(tǒng)具有聲光報(bào)警功能，在電池電量低或者出口處藥液溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)切斷加熱電路并啟動(dòng)聲光報(bào)警。

使用流程為，護(hù)士按照標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)菌輸液操作流程給傷病員建立靜脈通路并固定好穿刺針后，將流量調(diào)至最小，將自動(dòng)加熱控溫裝置通過(guò)該裝置自帶的具有自粘貼功能的袖帶固定在穿刺部位上游更靠近軀干的位置，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，裝置初始化后開(kāi)始預(yù)熱，打開(kāi)保溫加熱模塊的上蓋，將輸液管乳頭上游靠近輸液管乳頭的一段長(zhǎng)度約15 cm的輸液管S形盤(pán)放在保溫加熱模塊內(nèi)[8]，合上上蓋，按下擬設(shè)置的目標(biāo)溫度檔位鍵（高檔34℃、中檔30℃、低檔26℃），按下確認(rèn)鍵，此時(shí)將輸液流量調(diào)至治療所需流量，4 min內(nèi)，該裝置出口處藥液溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并保持此溫度連續(xù)輸液。輸液結(jié)束后，護(hù)士按照標(biāo)準(zhǔn)流程拔針，之后打開(kāi)保溫加熱模塊的上蓋，取出輸液管，醫(yī)療垃圾分類處理后關(guān)閉加熱控溫裝置的供電電源，松開(kāi)固定袖帶取下加熱控溫裝置即可。

圖2 整體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 元件的選取

微控制器：選擇NXP系列的基于ARM Cortex-M3的LPC1788FBD144型嵌入式微控制器，可用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。外設(shè)組件擁有512 kB的Flash存儲(chǔ)器、4個(gè)UART、一個(gè)8通道12位ADC、4個(gè)通用定時(shí)器、兩個(gè)6輸出的通用PWM、一個(gè)窗口式看門(mén)狗定時(shí)器、109個(gè)通用I/O引腳等諸多資源，適用于醫(yī)療系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

供電電源：選擇兩組5 V、6800 mAh的便攜大容量鋰電池，裝置運(yùn)行時(shí)僅需一組電池，另一組備用，通過(guò)電池切換電路可實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)工作，單組質(zhì)量為100 g，總電量13600 mAh，對(duì)應(yīng)的能量為：

5 V×6800 mAh×2=5 V×2 A×6.8 h=5 V×2 A×6.8×3600 s=244800 J=244.8 kJ。

將500 mL水溫度升高20℃所需能量為0.5 kg×4.2 kJ/（kg·℃）×20℃ =42 kJ，電池能量約為所需加熱能量的6倍，考慮到加熱效率，完全滿足輸液加熱需求。

溫度傳感器：選擇WD3703接觸式溫度傳感器[9]，工作電壓范圍：2.35～5.5 V，體積小（2 mm×3 mm），響應(yīng)時(shí)間?。ā?0 ms），外圍電路簡(jiǎn)單，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出，只需一根數(shù)據(jù)線和地線就可通過(guò)Single-Line協(xié)議完成串行傳輸數(shù)據(jù)。

加熱裝置：選擇防水、抗化學(xué)腐蝕、可清洗、可折疊的復(fù)合纖維加熱絲密封在絕緣材料中制成的加熱片，絕緣層4 kV/5 s不擊穿，最大發(fā)熱功率2 W，工作電壓5 V。

2.2 電路圖的設(shè)計(jì)

微控制器通過(guò)I/O引腳監(jiān)測(cè)用戶的各項(xiàng)操作和出口處藥液實(shí)時(shí)溫度，經(jīng)過(guò)處理后控制輸出不同占空比的脈寬調(diào)制波形來(lái)控制加熱電路的加熱功率[10]，由于生理鹽水的比熱容較大，加熱裝置溫度與出口處藥液溫度有一定的延時(shí)。為了盡量減少出口處藥液溫度的波動(dòng)，輸出模式設(shè)置為：當(dāng)出口處藥液溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度相差3℃以上時(shí)，占空比為100%，最大功率輸出；當(dāng)溫度相差在3℃以內(nèi)時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出波形的占空比。

電源管理電路（圖3）：選用兩組鋰電池交替供電，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1來(lái)切換，同時(shí)電路中串聯(lián)限流保險(xiǎn)，避免電流過(guò)大損壞電池組。同時(shí)，為了滿足微控制器的用電需求，選用LM1117+3.3 V芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，保證微控制器及外圍元件的正常工作，電路中并聯(lián)了5個(gè)電容，其中C2、C3、C4無(wú)極性，電容較小，作用為效濾除電壓的波動(dòng)，去除干擾，極性電容C5、C6在開(kāi)關(guān)通斷時(shí)起到緩沖作用。

圖3 電池切換及變壓電路

溫度檢測(cè)模塊和加熱控制模塊電路（圖4）：溫度檢測(cè)模塊以WD3703型接觸式溫度傳感器為核心，傳感器的數(shù)字信號(hào)輸出引腳與微控制器的P2_2引腳相連，將出口處藥液實(shí)時(shí)溫度數(shù)字化后傳送到微控制器，微控制器根據(jù)出口處藥液的溫度與目標(biāo)溫度的關(guān)系，動(dòng)態(tài)控制P2_0引腳輸出脈寬調(diào)制波形的占空比。當(dāng)該引腳輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，此時(shí)Q2導(dǎo)通，加熱裝置工作，反之，加熱裝置不加熱，通過(guò)調(diào)整輸出波形的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱裝置輸出功率的精確控制。

檔位調(diào)節(jié)、聲光報(bào)警及復(fù)位電路（圖5）：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚴褂萌藛T想一鍵恢復(fù)開(kāi)機(jī)初始狀態(tài)時(shí)，按下復(fù)位開(kāi)關(guān)S6，微控制器的24引腳檢測(cè)到低電平，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位；微控制器通過(guò)P0_1、P0_2、P0_3、P0_5這四個(gè)引腳監(jiān)測(cè)用戶輸入，當(dāng)某個(gè)按鍵被按下時(shí)，該引腳輸入電平由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒖刂破鞣治鎏幚砗髮0_19、P0_21、P0_23這3個(gè)引腳中對(duì)應(yīng)的引腳變?yōu)榈碗娖剑刂葡鄳?yīng)的指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)微控制器判斷當(dāng)前的溫度過(guò)高或出現(xiàn)其他異常時(shí)，關(guān)閉P2_0引腳的脈沖輸出信號(hào)，并保持在低電平，將P0_17引腳變?yōu)榈碗娖?，將P0_12引腳變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)報(bào)警指示紅燈亮，同時(shí)蜂鳴器（Buzzer）發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警，系統(tǒng)停止加熱[11]。

圖4 出口處藥液溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)電路

圖5 檔位調(diào)節(jié)、聲光報(bào)警及復(fù)位電路

3 控制程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的便攜式野戰(zhàn)寒冷條件下靜脈輸液自動(dòng)加熱控溫裝置工作流程為：接通電源后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置各引腳的工作模式和輸出電平狀態(tài)，設(shè)置初始目標(biāo)溫度為低檔溫度，初始化完成后裝置進(jìn)入低檔溫度預(yù)熱狀態(tài)，并循環(huán)掃描獲取出口處藥液的實(shí)時(shí)溫度，與設(shè)置的目標(biāo)溫度值對(duì)比，當(dāng)溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，進(jìn)行判斷，當(dāng)差值小于1℃時(shí)，控制加熱電路斷開(kāi)，停止加熱，如果差值大于1℃，則停止加熱的同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，提示使用人員檢查；當(dāng)出口處藥液溫度低于設(shè)置的溫度時(shí)，判斷差值的大小，考慮到藥液加熱溫度的滯后性；當(dāng)兩者相差大于3℃時(shí)，控制加熱電路以最大加熱功率加熱液體，以便快速提高出口處藥液溫度；當(dāng)兩者相差小于3℃時(shí)，根據(jù)不同的差值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比[12]，控制加熱功率，PWM信號(hào)的占空比與兩者溫差正相關(guān)；當(dāng)兩者溫度很接近時(shí)，輸出較低的占空比，以便將溫度準(zhǔn)確穩(wěn)定在設(shè)定值左右，程序流程圖，見(jiàn)圖6。

圖6 溫度控制程序流程圖

當(dāng)循環(huán)過(guò)程中有按鍵被按下時(shí)，程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入按鍵掃描設(shè)置程序。當(dāng)復(fù)位鍵（RST）按下時(shí)，系統(tǒng)重新進(jìn)行初始化配置；當(dāng)檔位鍵按下時(shí)，更新檔位標(biāo)志并再次掃描按鍵，如檢測(cè)到檔位鍵被再次按下，則再次更新檔位標(biāo)志，如檢測(cè)到確認(rèn)鍵被按下，則更新目標(biāo)溫度并恢復(fù)檔位標(biāo)志，其他按鍵情況不更新目標(biāo)溫度。按鍵掃描設(shè)置程序的流程圖，見(jiàn)圖7。

圖7 按鍵掃描設(shè)置程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

教材建議成人靜脈輸液速度不高于80 gtt/min，兒童輸液滴速在20～40 gtt/min之間。為了驗(yàn)證該裝置性能，本次實(shí)驗(yàn)中選擇最大滴速進(jìn)行測(cè)試，滴速設(shè)為80 gtt/min，在不同的環(huán)境溫度下各進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間間隔15 min，以保證每次加熱裝置及藥液的初始溫度與設(shè)置的環(huán)境一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 在不同環(huán)境溫度下加熱到不同溫度檔位所需平均加熱時(shí)間 (s)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度為20℃時(shí)，本裝置可在3 min左右將出口處藥液溫度提升至34℃；環(huán)境溫度為15℃時(shí)，本裝置可在4 min內(nèi)將出口處藥液溫度提升至34℃；環(huán)境溫度為10℃時(shí)，本裝置可在5 min左右將出口處藥液溫度提升至34℃。

當(dāng)出口處藥液溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，控制裝置可自動(dòng)切斷加熱電路，在溫度回落時(shí)再次接通加熱電路。模擬控制電路發(fā)生故障，不能自動(dòng)切斷加熱電路時(shí)，電路中串聯(lián)的溫控開(kāi)關(guān)可以作為第二層保護(hù)切斷加熱電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自動(dòng)加熱控溫裝置加熱響應(yīng)快、運(yùn)行安全可靠，特別適用于戰(zhàn)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)低溫環(huán)境輸液時(shí)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析野戰(zhàn)環(huán)境對(duì)靜脈輸液加熱裝置提出的特殊要求，以微控制器LPC1788為核心，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱裝置輸出功率[13-16]，實(shí)現(xiàn)藥液快速加熱并穩(wěn)定控溫的功能，設(shè)計(jì)出一種便攜式野戰(zhàn)靜脈輸液自動(dòng)加熱控溫裝置，既可以滿足戰(zhàn)時(shí)野外環(huán)境使用，也可以在平時(shí)門(mén)診輸液室使用，還可在冬季轉(zhuǎn)運(yùn)患者途中使用[17]，該裝置體積小、重量輕、易攜帶、操作簡(jiǎn)單、安全可靠，特別適用于復(fù)雜環(huán)境且無(wú)穩(wěn)定的電源供給的野戰(zhàn)環(huán)境使用。