金鑫，董鳳華，陳康，廖旭輝，任志穎

（1.臺(tái)州市計(jì)量設(shè)備技術(shù)校準(zhǔn)中心，浙江 臺(tái)州 318014；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；3.四川中測(cè)儀器科技有限公司，四川 成都 610021）

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)洗胃機(jī)已成為醫(yī)療機(jī)構(gòu)搶救食物中毒病人的基礎(chǔ)性醫(yī)療設(shè)備。流量作為醫(yī)用電動(dòng)洗胃機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其量值準(zhǔn)確性極大影響患者搶救成功率。流量過(guò)大會(huì)增加患者胃部壓力，易將毒素打入腸道，加重患者中毒癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致病人胃穿孔，關(guān)乎生命安危；流量過(guò)小會(huì)造成洗胃液不能順利進(jìn)入患者胃中，無(wú)法達(dá)到洗胃目的，延誤病人搶救時(shí)機(jī)[1]。因此，文中開(kāi)展了醫(yī)用電動(dòng)洗胃機(jī)流量量值溯源方法研究，針對(duì)洗胃機(jī)雙向非穩(wěn)流液體[2]的流體特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的流量檢測(cè)方案，研制了醫(yī)用電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置，將流量量值溯源于基本物理參量質(zhì)量和時(shí)間參數(shù)上。

1 溯源方案

依據(jù)國(guó)家食品藥品管理局發(fā)布的YY 1105-2008《電動(dòng)洗胃機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求，醫(yī)用電動(dòng)洗胃機(jī)工作于沖、吸兩種模式時(shí)，洗胃流量有嚴(yán)格計(jì)量質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)洗胃機(jī)從藥液桶抽取洗胃液后經(jīng)胃管送至患者胃部，待短暫停留后，將胃部廢液從胃管抽出并排至廢液桶[3]。由上述內(nèi)容可知，洗胃機(jī)流量具有持續(xù)時(shí)間短、周期性切換方向、流速持續(xù)變化等特征，采用常規(guī)方法難以完成洗胃機(jī)的校準(zhǔn)工作。文章提出的流量間隔質(zhì)量采樣法可完成脈沖流量溯源，該方法的物理模型如圖1 所示。

圖1 間隔質(zhì)量采樣法模型

電動(dòng)洗胃機(jī)將藥液桶中的液體吸起后注入模擬胃容器中，經(jīng)短暫停留時(shí)間，洗胃機(jī)又將模擬胃中的液體吸起并排送到廢液桶，形成一次完整洗胃過(guò)程。通過(guò)安裝在模擬胃底部的應(yīng)變式質(zhì)量傳感器測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)注入和排出液體質(zhì)量，結(jié)合液體流量計(jì)算公式得到動(dòng)態(tài)流量值。液體流量計(jì)算公式為：

式中，qv——流量；t——時(shí)間；ρ——液體密度；M——液體質(zhì)量。

2 檢測(cè)裝置構(gòu)成

基于間隔質(zhì)量采樣法的電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置[4]以質(zhì)量傳感器、模擬胃為核心部件，通過(guò)測(cè)量壓力、質(zhì)量和時(shí)間實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)洗胃機(jī)的目的，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。由YY 1105-2008《電動(dòng)洗胃機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)可知鼻腔、口腔沖液流量分別不小于1 L/min和2 L/min，單次沖液量、吸液量分別不大于350 mL/次和450 mL/次，并且吸液量與沖液量之差必須小于150 mL/次，為適配洗胃機(jī)流體特殊工作性質(zhì)，解決洗胃過(guò)程中存在沖吸液量差的情況，將模擬胃容積設(shè)計(jì)為3 L。為保障質(zhì)量傳感器和模擬胃的同軸度，提升測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，在圓柱體型模擬胃的底部設(shè)計(jì)有三個(gè)向下凸起的定位柱；采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)玻璃作為加工材料，模擬胃的穩(wěn)固性讓測(cè)量過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量偏心問(wèn)題；模擬胃?jìng)?cè)壁刻度尺用于標(biāo)示純凈水注入深度。

圖2 校準(zhǔn)裝置構(gòu)成圖

注滿(mǎn)純凈水的模擬胃質(zhì)量大約為3 kg，文章選用量程為5 kg 的應(yīng)變式質(zhì)量傳感器作為測(cè)量工具。質(zhì)量傳感器最大允許誤差為0.01%，其計(jì)量性能滿(mǎn)足洗胃機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)要求。質(zhì)量傳感器垂直安裝于裝置基座，安裝過(guò)程重點(diǎn)考慮垂直度問(wèn)題，避免不垂直導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小現(xiàn)象。質(zhì)量傳感器頂部安裝有測(cè)量圓盤(pán)，該圓盤(pán)適配于模擬胃底部定位柱，起固定并承重作用。測(cè)量胃管末端懸空并浸沒(méi)于純凈水體中，有效減少流體沖擊脈沖力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。開(kāi)展校準(zhǔn)工作時(shí)，測(cè)試人員往模擬胃注入約2 L 純凈水，確保測(cè)量數(shù)據(jù)取值點(diǎn)處于流量穩(wěn)定區(qū)域。

3 測(cè)控系統(tǒng)

電動(dòng)洗胃機(jī)校準(zhǔn)裝置測(cè)控系統(tǒng)原理如圖3 所示。選用Arm Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F429 單片機(jī)作為系統(tǒng)微控制器，該控制器外設(shè)豐富，具有高精度定時(shí)能力等特性，滿(mǎn)足測(cè)控功能并盡可能減少外圍器件，利用控制器高級(jí)運(yùn)算能力進(jìn)一步提高設(shè)備性能。在電動(dòng)洗胃機(jī)校準(zhǔn)過(guò)程中，液體溫度對(duì)體積測(cè)量的準(zhǔn)確性有較大影響，選用高精度鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量[5]，軟件系統(tǒng)編制算法對(duì)體積測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。裝置選用Δ-Σ型DS1274 作為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[6]，該轉(zhuǎn)換器有24 位分辨率，輸入阻抗極高，適合測(cè)量應(yīng)變式傳感器微弱的電壓信號(hào)。管道壓力傳感器輸出阻抗小，無(wú)需阻抗匹配即可將應(yīng)變電信號(hào)直接輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)模數(shù)比較電路獲得壓力測(cè)量結(jié)果；質(zhì)量傳感器輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，需將該信號(hào)輸送至運(yùn)算放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，再經(jīng)模數(shù)比較電路獲得質(zhì)量測(cè)量結(jié)果；利用橋式電路實(shí)現(xiàn)鉑電阻傳感器的信號(hào)采集功能，將橋式比較電壓輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)模數(shù)比較電路獲得溫度測(cè)量結(jié)果。模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微處理器之間利用SPI 接口通信，實(shí)現(xiàn)壓力、質(zhì)量和溫度等測(cè)量結(jié)果的傳輸，微處理器進(jìn)行最終數(shù)據(jù)處理，通過(guò)電子顯示屏或RS485 通信接口輸出測(cè)量結(jié)果。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

質(zhì)量傳感器輸出電壓信號(hào)在1～10 mV 之間，需將該電壓信號(hào)放大后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用低功耗通用儀表放大器[7]INA128UA12Ks 作為放大芯片，質(zhì)量傳感器信號(hào)放大電路如圖4所示。INA128UA12Ks設(shè)計(jì)有三級(jí)運(yùn)算放大功能，輸入偏置電流低至0.6 nA，噪聲為8 nV/，適合對(duì)微小電壓信號(hào)進(jìn)行放大。

圖4 質(zhì)量傳感器信號(hào)放大電路

為提高鉑電阻傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確性，利用Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274 的高分辨率特性，結(jié)合比例式消源電路，消除電壓激勵(lì)源不穩(wěn)定造成鉑電阻輸出電壓信號(hào)波動(dòng)的問(wèn)題。測(cè)溫系統(tǒng)如圖5 所示，測(cè)量結(jié)果最大允許誤差小于±0.03 ℃，年穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±0.05 ℃。純凈水的密度在10～30 ℃范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)密度變化為0.999 699～0.995 645 g/mL，系統(tǒng)利用液體溫度對(duì)應(yīng)密度值實(shí)時(shí)修正質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。

圖5 溫度測(cè)量電路

4 軟件

校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)軟件框架如圖6 所示?？蚣芊譃樗膫€(gè)層次，主要包含質(zhì)量、壓力、體積測(cè)量和人機(jī)交互等功能，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)、交互組件、算法庫(kù)、測(cè)量算法等模塊完成應(yīng)用功能設(shè)計(jì)。

圖6 軟件框架

測(cè)量流程如圖7 所示。系統(tǒng)初始化過(guò)程加載溫度、壓力、質(zhì)量等部件存儲(chǔ)于EEPROM 內(nèi)的刻度數(shù)據(jù)，待自檢完成后執(zhí)行啟動(dòng)工作命令。電動(dòng)洗胃機(jī)啟動(dòng)后會(huì)將洗胃液注入模擬胃桶，質(zhì)量傳感器有相應(yīng)的增量出現(xiàn)，同步啟動(dòng)質(zhì)量、時(shí)間增量積分算法；電動(dòng)洗胃機(jī)沖藥液后需要執(zhí)行排廢液過(guò)程，電磁泵從模擬胃桶內(nèi)吸取廢液排至廢液桶，傳感器檢測(cè)到質(zhì)量持續(xù)減少，同步啟動(dòng)質(zhì)量、時(shí)間減量積分算法，再通過(guò)液體流量計(jì)算公式完成累計(jì)流量測(cè)量功能。檢測(cè)裝置根據(jù)YY 1105-2008《電動(dòng)洗胃機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)判定電動(dòng)洗胃的沖吸流量、體積、壓力是否滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)相關(guān)要求，進(jìn)而給出評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖7 測(cè)量流程圖

電動(dòng)洗胃機(jī)采用正負(fù)壓泵作為沖吸液體的動(dòng)力裝置，該驅(qū)動(dòng)方式存在液體輸送體積波動(dòng)大的問(wèn)題，吸液或沖液過(guò)程有液體反向瞬變現(xiàn)象，系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量增量或減量積分時(shí)需要用滑動(dòng)平均算法結(jié)合瞬態(tài)時(shí)間量來(lái)識(shí)別沖吸狀態(tài)[8]。軟件系統(tǒng)設(shè)有長(zhǎng)度值為100 的固定隊(duì)列，在1 s 內(nèi)連續(xù)取100 個(gè)傳感器采樣值，將新采樣數(shù)據(jù)放到隊(duì)列尾部，并丟棄隊(duì)列首部數(shù)據(jù)，再將隊(duì)列中數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運(yùn)算，從而解決液體驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)質(zhì)量換算法獲得液體體積，此時(shí)需同步考慮液體密度引入的測(cè)量誤差，水溫從20 ℃變化至30 ℃，純水密度[9-11]將變化0.004 1 g/mL，變化率為0.4%，軟件系統(tǒng)創(chuàng)建溫度/密度曲線(xiàn)修正表，結(jié)合線(xiàn)性插值法完成體積結(jié)果修正。

5 實(shí)驗(yàn)分析

醫(yī)用電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置如圖8 所示。國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)關(guān)于電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置的相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范，電動(dòng)洗胃機(jī)技術(shù)參數(shù)溯源至電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置后，進(jìn)一步溯源到國(guó)家基準(zhǔn)則缺乏技術(shù)規(guī)范支撐，需解決電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置的累積流量、正反向流速、管道壓力等參數(shù)量值溯源問(wèn)題。利用主動(dòng)活塞式液體流量發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)裝置[12-13]模擬電動(dòng)洗胃機(jī)實(shí)際工作模式，該裝置具備50～3 000 mL/min 的變速、雙向脈沖型流量輸出功能，同時(shí)具備10～3 000 mL 范圍輸出累積流量，模擬電動(dòng)洗胃機(jī)實(shí)際工作狀況，最后通過(guò)間隔質(zhì)量采樣法完成校準(zhǔn)裝置的累積流量和流速的溯源工作[14]。

圖8 電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置

采用福祿克測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的Fluke-719 100G 便攜式壓力校驗(yàn)儀作為電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置的壓力校準(zhǔn)設(shè)備，通過(guò)該精密數(shù)字壓力表可將壓力值溯源至國(guó)家基準(zhǔn)[15-16]。Fluke-719 100G 內(nèi)置電動(dòng)氣泵，該設(shè)備能夠直接輸出壓力，電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果與Fluke-719 100G 標(biāo)準(zhǔn)值偏差小，最大允許誤差小于1.3%。該實(shí)驗(yàn)對(duì)電動(dòng)洗胃機(jī)壓力參數(shù)進(jìn)行了有效校準(zhǔn)。

表1 壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置在天津同業(yè)科技發(fā)展有限公司的SC-ⅢB 型自動(dòng)洗胃機(jī)上測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

測(cè)試結(jié)果如表2 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SC-IIIB 型自動(dòng)洗胃機(jī)的計(jì)量性能滿(mǎn)足YY 1105-2008《電動(dòng)洗胃機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求，電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置也符合檢測(cè)工作需要。

表2 電動(dòng)洗胃機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置是檢測(cè)、校準(zhǔn)電動(dòng)洗胃機(jī)流量和壓力準(zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)器，結(jié)合國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范可對(duì)電動(dòng)洗胃機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的量值進(jìn)行有效溯源。隨著國(guó)家將高風(fēng)險(xiǎn)醫(yī)療設(shè)備質(zhì)控工作納入醫(yī)療機(jī)構(gòu)考核范疇，生產(chǎn)廠(chǎng)家、醫(yī)療結(jié)構(gòu)、省市計(jì)量單位以及眾多第三方計(jì)量校準(zhǔn)公司都會(huì)積極開(kāi)展電動(dòng)洗胃機(jī)的計(jì)量校準(zhǔn)和質(zhì)控工作，電動(dòng)洗胃機(jī)檢測(cè)裝置溯源需求將會(huì)快速增加，因此文章所論述的檢測(cè)裝置為檢測(cè)工作的開(kāi)展提供了較為便捷的測(cè)量途徑。