输液泵

概述

输液泵是一种医疗设备,高精度控制液体注入患者体内。输液泵通常调节从IV包通过输液管的流量,并将其注入到患者体内。输液泵的类型有很多,包括病人自控镇痛泵(PCA)、橡胶泵、注射泵、肠内营养泵以及胰岛素泵。这些输液泵被广泛用于医院、疗养院等临床机构,以及包括家庭在内的门诊治疗机构。

根据应用的不同,输液泵内采用泵的类型变化很大。常见类型包括:蠕动泵和注射泵。这两种泵提供高精度液体输送控制,并且均由电机驱动。

请点击“设计注意事项”标签了解构建输液泵所需的关键参数和电路。关于参考设计以及实现不同功能的推荐产品,请点击“电路图”或“框图”标签。


输液泵设计必须充分考虑可靠性和安全性。随着产品内置功能越来越多,必须关注用户界面,包括控制界面和操作界面,以确保输液泵容易控制,并且根据要求输送治疗液。

输液泵的许多组件采用模块形式,例如带有轴角编码器的电机和齿轮机构。输液泵设计者的主要关注点是选择并指定模块组件和传感器,然后整合组件,设计连接泵和传感器与微控制器的模拟信号链。微控制器内部固件实现最终的设计功能。

输液泵设计必须控制泵在特定时间周期内高精度调整液体量。设计采用特殊类型的泵(即蠕动泵、注射泵)以及控制电路来实现这一目标。以下按功能讨论输液泵的设计注意事项。

泵和泵驱动


蠕动泵和注射泵均有电机驱动,而电机由系统微控制器控制。反馈电路提供旋转计数、电机位置及当前用量等信息。所用电机类型取决于具体应用,可能选择步进电机、有刷直流电机和BLDC电机。直流和BLDC电机一般与传动系统相匹配,与角位移传感器或旋转编码器安装在一起,为系统控制器提供旋转反馈信息。步进电机直接驱动某些泵。

所选电机驱动电路的取决于电机类型及具体应用。

器件选择

Maxim提供创新的有刷直流电机驱动器,非常适合小型输液泵。对于大型输液泵以及使用BLDC电机的输液泵,Maxim提供MOSFET驱动器IC。有些设计将监测电机的某一相或多相电流。对于这类应用,电机电流监测链路包括电流检测放大器,连接至多通道12位ADC。满足此类应用的Maxim推荐产品,请参考电机驱动信号链框图。

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流量监测


输液泵必须在规定时间内提供精密的液体流量。流量主要受电机速度的影响。然而,出于安全原因,也必须监测液体总流量。一般由安装在泵前和泵后的阻塞传感器监测流量。通过监测这些传感器值,确保工作在规定范围内。如果记录读数超限,应该发出声音报警,停止泵的工作。

器件选择

阻塞传感器一般为应变计形式,未经放大的输出可能为毫伏信号。被测压力范围非常有限(相对于工业压力应用),所以高精度10位或12位模/数转换器(ADC)一般足以支持这些传感器所需的精度。典型的阻塞传感器信号链为10位或12位ADC,前端有运放。关于满足此类应用的Maxim推荐产品,请参考压力传感器/导管空气检测链路方框图。

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导管空气检测


导管空气检测大多为超声传感器,当检测到导管存在气泡时,其输出电压发生变化。这些传感器的输出一般比阻塞/压力传感器输出幅度高,所以有时候可直接连接至ADC输入,或者通过比例运放直接连接至微控制器内部ADC。具体的信号链要求取决于所选传感器。

器件选择

根据传感器选择的不同,该信号链可能包括高压输出(例如0V至5V)或毫伏级输出。如果微控制器具有ADC,两种类型的输出均可能通过比例运放直接连接至微控制器ADC端口;或者,这些传感器可连接至单个多通道外部ADC,ADC也处理闭塞传感器。关于满足此类应用的Maxim推荐产品,请参考压力传感器/导管空气检测链路方框图。

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电源和电池


输液泵一般为便携仪器,放置在桌面或安装在移动IV架上。输液泵一般通过电网供电,也可由电池供电,取决于具体应用。电网供电输液泵通常提供电池备份,以便在断电或发生尖峰脉冲时可靠工作。

电源系统通常包括电网供电的交流适配器,输出通常为12V至24V直流电源,取决于系统设计。该电源为电池充电电路的输入,也通过电源开关连接至系统DC-DC转换器。如果直流电源有效,电源开关将选择直流电源;如果没有直流电源供电,则自动切换至电池。

选择用于电池充电电路的IC必须与电池化学特性及原电池节数相匹配。电池类型包括铅酸电池、Li+和LiPo电池。基于多节锂电池的电池组需要对每节电池进行均衡充电,以保证最佳使用寿命并防止爆炸。根据电池制造商提供的信息选择所用充电电路。Maxim参考电路3241:通过USB为电池充电提供了电池充电设计的入门参考。

除电池充电器IC外,为用户提供电池电量指示也非常重要。这类应用需要电池电量计IC。

器件选择

Maxim制造众多不同类型的电池充电器IC。选择具体的充电IC取决于所选电池的类型,并且应该根据电池制造商提供的信息选择使用的充电电路。

满足该应用的推荐电池充电和电量计IC,请参考主框图

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系统电源


电机一般由主电池或直流总线电压供电。系统IC通过一个或多个开关稳压器,并与低压差线性稳压器相结合,产生各部分供电电压。尽管许多显示屏模块只要求3.3V或5V电源,并通过电压转换为模块内的显示屏供电,但根据显示屏设计的不同,可能需要较高电压为LCD显示屏供电。

器件选择

该应用中所需供电电压的数量取决于处理器。例如,可能需要升压型开关稳压器为显示屏供电。此外,有时候利用低压差稳压器(LDO)提供低噪电源,用于特定的微控制器电压。Maxim提供众多降压型和升压型开关调节器和LDO,保证所需的供电电压。关于满足该应用的推荐产品,请参考主框图

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用户界面和报警


大多数输液泵的用户界面包括显示屏和一组操作按钮,显示屏提供操作指令,按钮提供操作输入。显示屏可能是从简单字符型LCD到彩色图形TFT LCD的各种显示屏。通常采用完备的显示模块。这些模块一般只要求一路电源供电,并提供I2C数据接口。

输液泵需要视听报警功能,以便在检测到故障或潜在危险时提醒用户。双色或三色(红/橙/绿)LED通常用作视觉指示器。声音报警可以是由微控制器脉宽调制(PWM)输出驱动的蜂鸣器,或者是音频DAC产生的更为复杂的报警信号(例如语音合成)。即使简单的蜂鸣器也应配备自检电路,自检电路可以间接监测扬声器的阻抗是否处于正常范围;也可以在靠近扬声器的位置安装一个麦克风,直接记录音频输出并确认检测该电平是否处于正常范围。

关于可集成至输液泵设计用户界面的Maxim电路,请参考用户界面音频方框图。

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静电放电


所有输液泵必须满足IEC 61000-4-2静电放电(ESD)保护要求,可以利用内置保护器实现,也可以在外部增加ESD保护器。Maxim提供各种具有高ESD保护功能的接口器件,同时也提供ESD保护二极管阵列。

关于更多设计信息,请参考右侧所列应用笔记、电路图标签列出的电路,以及框图标签列出的方框图。

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3.5V至36V、2A/3A、同步Buck转换器,15µA静态电流和低EMI

MAX17242

工作可靠(42V输入瞬态保护)、长电池寿命(15µA IQ)和EN55022 EMI性能

2.75V至4.8V输入、10mA输出、35µVRMS 超低噪声和纹波升压调节器

MAX77231

小尺寸升压器,纹波和噪声仅35µVRMS

300mA、降压转换器,1.1μA IQ

MAX77596

小尺寸、同步降压转换器,内置开关。在3.5V至24V输入电压时,可提供高达300mA电流,而空载时的静态电流仅为1.1μA。

0.4V至5.5V输入、同步升压调节器

MAX17222

提供300nA IQ、95%峰值效率,方案尺寸减小高达50%


Sensors Signal Chain Motor Driver Signal Chain User Interface Communications Audio Signal Chain Multivoltage Supervisor Temperature RTC SD Card Reader Battery Charger Fuel Gauge Battery Isolation Step-Down DC-DC Step-Up DC-DC LDO 输液泵框图

管线中空气检测、阻塞传感器、压力传感器信号链


Amplifier VREF ADC

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通信


Isolated Power USB Protection Isolation RS-232 Transceiver NFC

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电机驱动信号链


DC Motor Driver Half-Bridge Driver CS Amp ADC

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用户界面


LCD Power and Control LCD Backlight Drivers Key Scanner GPIO Indicator Drivers

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音频


Audio Codec Speaker Driver Piezo Driver

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类型 料号 标题
评估板 MAX9918EVKIT MAX9918 评估板
评估板 MAX9921EVKIT MAX9921 评估板
评估板 DS89C450-KIT DS89C450 评估板