药物注射泵的自动控制装置 技术领域：
药物注射泵的自动控制装置，属于医疗设备，适合于需要连续长时间药物注射的病人使用，尤其适合根据病人的年龄、性别、体重、健康状况、药物效果等情况，而需要综合考虑注射泵给药的速度和药量。
背景技术：
病人在医疗过程中，需要注射药物，可以采用分次静脉注射、滴注和用泵持续滴注给药的方法。这些方法均存在着一定的缺点。分次静脉给药会使血药浓度产生较大的波动，静脉注射后血药浓度迅速升高，高峰浓度会带来副作用；药物从血浆通过分解、转化和排泄迅速消除，血药浓度很快下降，当低于有效浓度时又达不到应有的药理作用。用注射泵恒速静脉滴注，需要较长时间才能使血药浓度达到稳态。由于药物半衰期长短不一，血药浓度难以控制。因此，改进给药方法很有必要。
发明内容：
药物注射泵的控制系统是为了克服用注射泵给药难以控制血药浓度的缺点，提高血液药液浓度控制的准确性，保证病人用药安全、有效且副作用小的目的。
本发明药物注射泵的自动控制装置是以药代动力学和药效学为基础，采用自动控制系统实时计算药物给药速率，从而调节注射泵药物地速度，达到控制血中药物的浓度。
药物注射泵的自动控制装置由注射泵、操作系统、机体组成，其特征在于有自动控制系统：它由中央控制电路、串行通信电路、显示电路、电源电路、报警电路、键盘控制电路连接而成；中央控制电路内置系统控制程序，中央控制电路的信号输出端连接串行通信电路的输入端；串行通信电路的输出端连接注射泵的控制输入端；显示电路的输入端连接中央控制电路的数据信号输出端；键盘控制电路的信号输出端连接中央控制电路的控制输入端；报警电路输入端连接中央控制电路报警信号输出端；电源电路的输出端连接各电路的电源输入端。
此外，自动控制系统的中央控制电路还连接内存扩展电路。
所述的中央控制电路由型号为ATmega128的单片机芯片U1及其外围元件连接而成，所述单片机芯片内置控制程序，该控制程序完成数据计算、串行通信、键盘输入、显示、报警功能。
串行通信电路由型号为MAX232的信号转换芯片U5及其外围电容连接而成，其输入端、输出端分别连接单片机串行通信口UART、注射泵的串行通信接口RS232，将单片机串行通信UART接口的TTL电平转换成RS-232电平
显示电路由型号为SED1335的液晶显示芯片U7构成，该液晶显示芯片可显示128×64点阵的汉字图形和汉字，内置8192个中文汉字，128个字符及64×256显示RAM，可直接与单片机芯片U1连接。
键盘控制电路由16个输入按键，通过键盘完成各种参数的输入和注射模式的选择。
报警电路由蜂鸣器或喇叭构成，其信号输入端连接前述单片机芯片的一个信号输出端。
电源电路由稳压集成芯片78M05构成，为单片机和外围其它元器件提供稳定的5V和3.3V电压。
内存扩展电路由存贮器芯片U3和地址锁存芯片U2构成，作为单机芯片ATmega128的外部存贮器。地址存储器型号为74HC573，32K存储器的型号为HM62256。
它具有如下特点：体积小，控制精度高，稳定性好；临床应用证实其实血药浓度目标血药浓度之间的误差可控制在20％以内。在药物的选择上依据临床实践做到多样化、实用化。
附图说明：
图1是本发明药物注射泵的自动控制装置原理框图。
图2是本发明药物注射泵的自动控制装置中央控制电路及内存扩展电路图。
图3是本发明药物注射泵的自动控制装置串行通信电路图。
图4是本发明药物注射泵的自动控制装置显示电路图。
图5是本发明药物注射泵的自动控制装置键盘控制电路图。
图6是本发明药物注射泵的自动控制装置电源电路图。
图7是本发明药物注射泵的自动控制装置的复位电路图。
图8是本发明药物注射泵的自动控制装置的控制程序流程图。
具体实施方式：
现用一具体例说明本方案。
图1是药物注射泵的自动控制装置原理框图。它显示了自动控制系统的组成：它由中央控制电路、串行通信电路、显示电路、电源电路、报警电路、键盘控制电路连接而成。中央控制电路内置系统控制程序、其控制信号输出端连接串行通信电路的输入端，串行通信电路的输出端连接注射泵的控制输入端；显示电路的输入端连接中央控制电路输出端；键盘控制电路输出端连接中央控制电路控制输入端；报警电路输入端连接中央控制电路报警信号输出端；电源电路输出端连接其余各电路的电源输入端。
图2是所述的中央控制电路，由型号为ATmega128)的单片机芯片U1及其外围元件连接而成，所述单片机芯片U1通过插座J1、J2、J3、J4连接其它各步分电路。所述单片机芯片U1内置控制程序，该程序完成数据计算、串行通信、键盘输入、显示功能。
ATmega128单片机是ATMEL公司生产的8位简化指令(RISC)AVR系列单片机，该单机执行大多数指令只需要一个时钟周期，运行速度非常快，8MHz的AVR系列单片机相当于200MHz51系列单片机；AVR单片机的32个通用寄存器直接与算术逻辑单元(ALU)相连，从而消除了运行瓶颈，可以有效地解决药代动力学参数计算数量大、系统控制实时性高的问题。系统程序采用单片机C语言编写。
内存扩展电路(图2)。内存扩展电路为满足系统程序运算大量数据的要求，为单片ATmege128机扩充了32K外部存储器。内存扩展电路由型号为74HC573数据锁存器U2、型号为628128的内存芯片U3、外部石英晶振子组成，为32.768K的石英晶体X1接到U1的18、19脚，8M的石英晶体X2接到U1的23、24脚。
图3是串行通信电路显示图，串行通信电路由型号为MAX232的信号转换芯片U5、电容C5、C6、C7、C8、C9组成，它将单片机串行通信UART接口的TTL电平转换成RS-232电平。通信信号接到U1的2、3、27、28脚。输出端连接到注射泵的串行通信接口，
图4是本发明的显示电路图。型号为SED1335的液晶显示芯片U7，型号为HM62256的内存芯片U4、液晶显示正压升压电路组成，液晶显示正压升压电路由U8(X9313)，U9(MAX629)，外围电阻R12、R13、R14、R18、R19、R20、R21，电容C25、C10、C22、C14组成。该部分电路将5V电压升压为20.5V，供给液晶模块产生显示对比度。
图5是本发明的键盘控制电路图。键盘控制电路由16个输入按键，通过键盘完成各种参数的输入和注射模式的选择。所述的键盘接口J2通过排阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8连接到U1的10-17脚。通过键盘输入可以设置参数，控制系统的运行。
报警电路由蜂鸣器构成，其信号输入端连接前述单片机芯片的一个信号输出端。
图6是本发明的电源电路图。电源电路由BG1、三端稳压UV1(78M05)、3.3V电源UV2(LM1117)、二极管D2、电阻R15、电容E2、E1、C11、C15组成。通过电源电路产生整机所需的5V和3.3V电压。
图7是本发明药物注射泵的自动控制装置的复位电路，由型号为IMP809的U10、反向器U6A、U6B(74HC04)、电容C12、电阻R16、R17组成。
图8是本发明中央控制电路内置控制程序流程图。能根据病人的体重、身高、年龄、性别确定药物，自动检测通信接口是否正常，自动计算药物剂量及各种药代动力学参数，自动控制注射泵的工作，还可根据显示电路的指示，从控制键盘更改各种药物的浓度。
程序控制过程：
控制系统接通电源后，核心控制模块首先进行系统硬件初始化，完成单片机端口输入输出方向设置；完成串行通信接口初始化，设置串行数据传输的波特率和数据格式；启动对外部数据存储器的支持；以及设定液晶显示控制器命令和数据寄存器在系统地址空间的绝对地址，完成液晶显示模块的初始化，并显示欢迎界面。
当系统硬件初始化完成后，就进行控制系统的初始化，主要是默认参数的设置，包括控制模式、患者参数、药物浓度、目标浓度。这些初始值都存放在指定的数据存储区中，要改变这些参数，需调用键盘管理程序，用键盘进行参数的选择和设置。当控制系统所需数据全部输入无误后，可以确认启动，系统自动监测同注射泵的连接状态，一旦准备就绪，就可以开始工作。
在系统的运行过程中，单片机系统通过接口保持同注射泵的通信，在程序设定的时间间隔内查询注射泵工作状态，根据需要发出新的更改注射速率命令，在控制过程中，医师可以根据需要改变目标浓度，控制系统将自动计算新的注射速率；控制系统允许在注射过程中更换注射器，更换新的注射器后，系统自动补充损失的药物剂量，使药物浓度尽快维持在目标水平。
药物注射泵的自动控制装置临床应用情况。
病例1
男，67岁
术前诊断：胃癌，手术名称：胃癌根治术。
手术时间：2003年12月18日
药物选择：异丙酚+芬太尼。
麻醉方式：全麻。
给药方式：使用两台药物注射泵的自动控制装置进行静脉注射。
操作步骤如下：
1、启动药物注射泵的自动控制装置电源开关，屏幕显示病人住院号、年龄、性别、身高及体重。2、输入病人参数后，选择确定(按健1)或修改(按健2)。3、选择以血药浓度(1)或效应室浓度(2)给药，按(1)确定以血药浓度给药。4、选择静脉麻醉药，选择异丙酚，并确定注射器药物浓度、初始靶浓度值，选择异丙酚靶浓度值为4ug/ml，此时异丙酚设置完毕。同样在另一药物注射泵的自动控制装置设置芬太尼，其初始靶浓度值为2ng/ml。5、充分吸氧去氮后，按启动键给药，病人90秒后意识消失。6、静注琥珀酰胆碱后行气管插管。7、根据术中情况调整异丙酚或芬太尼靶浓度维持麻醉完善，仪器显示给药时间、用药量、预计清醒时间以及药物设定浓度、预测血药浓度和效应室浓度等。麻醉平稳，注药290分后停药，共用药物异丙酚1480mg、芬太尼0.46mg。8分钟后病人睁眼，安静，此时异丙酚靶浓度值1.5ug/ml、芬太尼1.5ng/ml。术后随访无术中知晓，无麻醉并发症。
病例2
女，68岁
术前诊断：胆囊结石，高血压，糖尿病。
手术时间：2004年5月17号
手术名称：腹腔镜胆囊切除。
麻醉方式：全麻。
药物选择：异丙酚+瑞芬太尼。
给药方式：应用药物注射泵的自动控制装置进行静脉注射。
操作步骤如下：
1、按静药物注射泵的自动控制装置电源开关，屏幕显示病人住院号、年龄、性别、身高及体重。2、输入病人参数后确定(按健1)或修改(按健2)。3、选择以血药浓度(1)或效应室浓度(2)给药，按(1)确定以血药浓度给药。4、选择静脉麻醉药，选择异丙酚，并确定注射器药物浓度、初始靶浓度值，选择异丙酚靶浓度值为3ug/ml，此时异丙酚设置完毕。同样在另一静脉麻醉控制仪设置瑞芬太尼，其初始靶浓度值为3ng/ml。5、充分吸氧去氮后，按启动健给药，病人65秒后意识消失。6、静注琥珀酰胆碱后行气管插管，控制呼吸，根据术中情况调整异丙酚、瑞芬太尼靶浓度值，血流动力学稳定，95分钟停药，一共用异丙酚340mg、瑞芬太尼0.4mg。5分钟后病人睁眼，可耐受气管导管，拔除气管导管，病人可说出自己名字，此时异丙酚、瑞芬太尼靶浓度值分别为1.2ug/ml和1.5ng/ml，术后随访无术中知晓，无麻醉并发症。
上述两病例应用药物注射泵的自动控制装置给药，以单片机芯片ATmega128为控制核心，采用药代动力学三室模型，实时计算维持患者麻醉深度所需麻醉药物量，通过其串行通信接口与注射泵通信，控制注射泵的注射速率，将相应量静脉麻醉药物注射到病患体内，以维持手术患者麻醉深度，从而减少患者术后清醒所需时间，降低麻醉意外的可能性。