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医疗案例分析 | Faulhaber快速响应紧急需求,高效驱动便携式输液泵

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司
发布时间:2020-06-04

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这是一个从一开始就充满挑战的项目,它缘于战地医护人员需要紧急救援。尤其是在战场大规模人员伤亡,或是重症患者需要运输,抑或是因医务人员缺少或空间不足等情况导致病人无法及时输液而错过最佳治疗时机时,便携式电子注射泵的重要性就十分明显。

 

以军队为例,他们需要一种电池供电的注射泵,重量非常轻,不可超过一磅,也不能有电子信号,而且噪音得尽可能的小,以免被探测到。要满足这些要求,就必须在设计上注重效率。基于以上情况,Power Infuser便携式电子注射泵应运而生,其尺寸为12.7厘米x 10.2厘米x 5.8厘米,重量仅0.27千克。除了具有100毫升/分钟的泵送速度外,该设备还能以单次快速推注的Bolusus模式运行,一次注射250毫升,然后停止,直至接到其他命令。

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大多数人可能没意识到,人体水分含量高达85%。因此,像伤兵这类病人的一线治疗方法就是以受控方式进行大量输液。但问题是,传统的输液泵只能小剂量高精度输液,例如在一个小时或更长时间内输液100毫升,这无法满足创伤性治疗。美国陆军在寻找一种以100毫升/分钟速度运行的小型便携式野战输液设备,最终,Infusion Dynamics(现为Zoll Medical Corp.)与运动控制专家FAULHABER达成合作,在其高效、高扭矩直流无刷伺服电机中找到了解决方案。

 

这款便携式电子注射泵由模块化的泵和泵顶的一次性输液盒组成,它使用六节AAA电池,电压为9伏。军方的目标是换一次电池就能给一个病人输液,还需非常高效,可全速运行8到10个小时,只需一个电池组就能给多个病人输液。

 

通过运动控制驱动的输液泵(绑在患者手腕上的黑盒子)能以100毫升/分钟的速度为伤员输液。

 

受控输液  效率当先

 

输液泵的机械部分由一个阳极化铝制框架组成,顶部配有轭架,下侧设有两个呈叉形结构的法兰。轭架顶部的一次性输液盒由两个平行透明的塑料管组成,每个塑料管的两端都装有被动止回阀,当塑料管被压缩时,可单向流动。轭架下侧的前叉横跨在旋转的偏心凸轮上,可驱动轭架来回摇动。在此过程中,顶部两侧的凸轮会压缩上方的塑料管,将液体从插管中泵送到病人的静脉输液管中。

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Power Infuser便携式电子注射泵由一个基泵组成,顶部装有一次性输液盒。(由Zoll Medical提供)

 

为了最大限度地延长电池的使用寿命,设计团队首先关注的是效率。当其中一根塑料管被压缩时,它会储存势能,一旦液体被排出,势能就会转化为动能,空塑料管膨胀会推动轭架向另一侧摇动,从而压缩另一根塑料管。“它的效率非常高,”Instech Labs现任总裁,也是该单元的设计师之一的Michael Loughnane说道,“如果只用一个塑料管,在一定功率下可获得一定流量。如果添加一个塑料管,功率仅略微上升,但流量会翻倍。我们使用这种平衡的泵送方式实现了最高效率。”

 

这种泵送设计主要是为了让其运行时不阻塞塑料管。和蠕动泵一样,一旦阻塞就会消耗用于压缩和控制回流的能量。输液盒内置了一个由亲水膜和疏水膜组成的独立的空气消除过滤器,这样空气就能通过疏水膜被强制排出,则可确保没有气泡进入静脉注射管线。“实际上,你可以将输液袋扔在地上,它会将所有的空气抽出来,然后泵送输液袋中的液体。”联合设计师 Kenneth Cook说道。

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由旋转偏心凸轮摇动的轭架先压缩一个塑料管,然后再压缩另一个塑料管来泵送液体。(Zoll Medical提供)

 

为了给轭架提供动力,设计团队需要可提供充足扭矩来压缩塑料管的直流电机,它的体积得非常小,这样才能满足泵的尺寸局限性。更为重要的是,它必须高效。Loughnane说:“我们通过数学模型确定了最佳的传动比和转速,然后再根据这一标准来选择合适的电机和传动比。”他们最后选择了FAULHABER的伺服电机,其直径仅13毫米、长31毫米,配备直径15毫米,减速比为76:1的减速箱。“我们也找过其他公司,但发现在测试电机中,FAULHABER驱动的效率最高。”

 

他们最初使用额定电压为9V的电机生产原型机,结果发现,在12V电压下运行低功率电机可获得更高的性能。“如果不是高速运转,电机的电流消耗通常更为乐观,“Loughnane说道,“相比让额定电压9V的电机在9V电压下运行,这种设计的效率更高。”为此,设计团队对电机进行改造,在轴的远端加装了外部轴承,以提供额外支撑。

 

保持控制  稳定运行

 

机械设计完成后,下个问题便是控制。该设备不能有电子信号,因此无法使用传统的微处理器。最终,设计团队选择了基于反电动势反馈的离散逻辑和模拟控制。设置泵速的选择开关建立了一个电压,电机放大的反电动势需与之匹配。模拟电路根据其结果来改变电机的驱动信号,从而控制闭环速度。

 

“我们通过反电动势常数来确定电机的运行速度。”Loughnane说道。“我们选择FAULHABER的原因之一是,它的反电动势常数一直在其承诺的10%以内,实际上,它的表现比这个数据更好。如果电机间的常数发生变化可能会带来某些问题,但这个数字一直很好,而且很稳定。”

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Faulhaber直流微电机系列1331 ... SR

 

为进一步提高效率,速度控制器仅向前驱动电机,它不会在整个循环中保持电机的速度稳定。相反,如果电机在峰值压缩后因存储的电动势能而加快运行,从电气角度来看电路会允许其自由转动。

 

这种控制方法的一个侧面好处是,驱动所需的电流与管内的闭塞程度直接相关。如果因为泵的阻塞导致电流超过一定阈值,设备会自动停止运行。同样的,如果静脉注射管连接到施加了回流压力的小号针头上,装置也会停止运行。Loughnane表示,18号针是伤员的最佳选择,自动停止运行可以防止错误产生。

 

该设计还包括一对不锈钢针脚,用于在流体路径中形成电导率仪。如果因消除过滤器故障导致空气进入管内,阻力上升的话,输液泵会停止运转。此时,医护人员必须进行干预,以清除空气并重启输液泵。电导率仪还可检测液体是否使用恰当,包括生理盐浓度的生理盐水或其他溶液。

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关键词:Faulhaber

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