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醫療案例分析 | Faulhaber快速響應緊急需求,高效驅動便攜式輸液泵

供稿:福爾哈貝傳動技術(太倉)有限公司 2020/6/4 13:54:04
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這是一個從一開始就充滿挑戰的項目,它緣于戰地醫護人員需要緊急救援。尤其是在戰場大規模人員傷亡,或是重癥患者需要運輸,抑或是因醫務人員缺少或空間不足等情況導致病人無法及時輸液而錯過最佳治療時機時,便攜式電子注射泵的重要性就十分明顯。

 

以軍隊為例,他們需要一種電池供電的注射泵,重量非常輕,不可超過一磅,也不能有電子信號,而且噪音得盡可能的小,以免被探測到。要滿足這些要求,就必須在設計上注重效率?;谝陨锨闆r,Power Infuser便攜式電子注射泵應運而生,其尺寸為12.7厘米x 10.2厘米x 5.8厘米,重量僅0.27千克。除了具有100毫升/分鐘的泵送速度外,該設備還能以單次快速推注的Bolusus模式運行,一次注射250毫升,然后停止,直至接到其他命令。

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大多數人可能沒意識到,人體水分含量高達85%。因此,像傷兵這類病人的一線治療方法就是以受控方式進行大量輸液。但問題是,傳統的輸液泵只能小劑量高精度輸液,例如在一個小時或更長時間內輸液100毫升,這無法滿足創傷性治療。美國陸軍在尋找一種以100毫升/分鐘速度運行的小型便攜式野戰輸液設備,最終,Infusion Dynamics(現為Zoll Medical Corp.)與運動控制專家FAULHABER達成合作,在其高效、高扭矩直流無刷伺服電機中找到了解決方案。

 

這款便攜式電子注射泵由模塊化的泵和泵頂的一次性輸液盒組成,它使用六節AAA電池,電壓為9伏。軍方的目標是換一次電池就能給一個病人輸液,還需非常高效,可全速運行8到10個小時,只需一個電池組就能給多個病人輸液。

 

通過運動控制驅動的輸液泵(綁在患者手腕上的黑盒子)能以100毫升/分鐘的速度為傷員輸液。

 

受控輸液  效率當先

 

輸液泵的機械部分由一個陽極化鋁制框架組成,頂部配有軛架,下側設有兩個呈叉形結構的法蘭。軛架頂部的一次性輸液盒由兩個平行透明的塑料管組成,每個塑料管的兩端都裝有被動止回閥,當塑料管被壓縮時,可單向流動。軛架下側的前叉橫跨在旋轉的偏心凸輪上,可驅動軛架來回搖動。在此過程中,頂部兩側的凸輪會壓縮上方的塑料管,將液體從插管中泵送到病人的靜脈輸液管中。

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Power Infuser便攜式電子注射泵由一個基泵組成,頂部裝有一次性輸液盒。(由Zoll Medical提供)

 

為了最大限度地延長電池的使用壽命,設計團隊首先關注的是效率。當其中一根塑料管被壓縮時,它會儲存勢能,一旦液體被排出,勢能就會轉化為動能,空塑料管膨脹會推動軛架向另一側搖動,從而壓縮另一根塑料管?!八男史浅8?,”Instech Labs現任總裁,也是該單元的設計師之一的Michael Loughnane說道,“如果只用一個塑料管,在一定功率下可獲得一定流量。如果添加一個塑料管,功率僅略微上升,但流量會翻倍。我們使用這種平衡的泵送方式實現了最高效率?!?/strong>

 

這種泵送設計主要是為了讓其運行時不阻塞塑料管。和蠕動泵一樣,一旦阻塞就會消耗用于壓縮和控制回流的能量。輸液盒內置了一個由親水膜和疏水膜組成的獨立的空氣消除過濾器,這樣空氣就能通過疏水膜被強制排出,則可確保沒有氣泡進入靜脈注射管線?!皩嶋H上,你可以將輸液袋扔在地上,它會將所有的空氣抽出來,然后泵送輸液袋中的液體?!甭摵显O計師 Kenneth Cook說道。

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由旋轉偏心凸輪搖動的軛架先壓縮一個塑料管,然后再壓縮另一個塑料管來泵送液體。(Zoll Medical提供)

 

為了給軛架提供動力,設計團隊需要可提供充足扭矩來壓縮塑料管的直流電機,它的體積得非常小,這樣才能滿足泵的尺寸局限性。更為重要的是,它必須高效。Loughnane說:“我們通過數學模型確定了最佳的傳動比和轉速,然后再根據這一標準來選擇合適的電機和傳動比?!彼麄冏詈筮x擇了FAULHABER的伺服電機,其直徑僅13毫米、長31毫米,配備直徑15毫米,減速比為76:1的減速箱?!拔覀円舱疫^其他公司,但發現在測試電機中,FAULHABER驅動的效率最高?!?/strong>

 

他們最初使用額定電壓為9V的電機生產原型機,結果發現,在12V電壓下運行低功率電機可獲得更高的性能?!叭绻皇歉咚龠\轉,電機的電流消耗通常更為樂觀,“Loughnane說道,“相比讓額定電壓9V的電機在9V電壓下運行,這種設計的效率更高?!睘榇?,設計團隊對電機進行改造,在軸的遠端加裝了外部軸承,以提供額外支撐。

 

保持控制  穩定運行

 

機械設計完成后,下個問題便是控制。該設備不能有電子信號,因此無法使用傳統的微處理器。最終,設計團隊選擇了基于反電動勢反饋的離散邏輯和模擬控制。設置泵速的選擇開關建立了一個電壓,電機放大的反電動勢需與之匹配。模擬電路根據其結果來改變電機的驅動信號,從而控制閉環速度。

 

“我們通過反電動勢常數來確定電機的運行速度?!盠oughnane說道。“我們選擇FAULHABER的原因之一是,它的反電動勢常數一直在其承諾的10%以內,實際上,它的表現比這個數據更好。如果電機間的常數發生變化可能會帶來某些問題,但這個數字一直很好,而且很穩定?!?/strong>

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Faulhaber直流微電機系列1331 ... SR

 

為進一步提高效率,速度控制器僅向前驅動電機,它不會在整個循環中保持電機的速度穩定。相反,如果電機在峰值壓縮后因存儲的電動勢能而加快運行,從電氣角度來看電路會允許其自由轉動。

 

這種控制方法的一個側面好處是,驅動所需的電流與管內的閉塞程度直接相關。如果因為泵的阻塞導致電流超過一定閾值,設備會自動停止運行。同樣的,如果靜脈注射管連接到施加了回流壓力的小號針頭上,裝置也會停止運行。Loughnane表示,18號針是傷員的最佳選擇,自動停止運行可以防止錯誤產生。

 

該設計還包括一對不銹鋼針腳,用于在流體路徑中形成電導率儀。如果因消除過濾器故障導致空氣進入管內,阻力上升的話,輸液泵會停止運轉。此時,醫護人員必須進行干預,以清除空氣并重啟輸液泵。電導率儀還可檢測液體是否使用恰當,包括生理鹽濃度的生理鹽水或其他溶液。

審核編輯(劉婷)
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