一種新型數(shù)字化漏血傳感器設(shè)計(jì)*

李　柯， 吳昌哲， 霍小林

(1.中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，生物電磁學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190)

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一種新型數(shù)字化漏血傳感器設(shè)計(jì)*

李柯1,2， 吳昌哲1， 霍小林1

(1.中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，生物電磁學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190)

摘要:目前，人工肝、血液凈化設(shè)備的漏血檢測(cè)傳感器大多采用模擬設(shè)計(jì)，電路復(fù)雜，可靠性差，靈敏度低，針對(duì)該問題提出了一種非接觸式數(shù)字化漏血檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案。采用普通的單一綠色發(fā)光二極管作為光源，透過含有液體的管路照射在TCS230顏色傳感器上，TCS230接收光強(qiáng)信息并轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后傳遞給STM32單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)頻率值的變化判斷液路是否發(fā)生漏血，并通過RS—485串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)證明：該傳感器電路簡(jiǎn)單，靈敏度為100×10-6，響應(yīng)速度快，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到臨床檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞:人工肝； 血液凈化； 漏血； TCS230； 數(shù)字化

0引言

人工肝以及其他血液凈化設(shè)備主要是利用半透膜原理，通過擴(kuò)散、對(duì)流，實(shí)現(xiàn)清除患者體內(nèi)毒素，達(dá)到維持水、電解質(zhì)、酸堿平衡的目的[1]。但當(dāng)膜表面壓力超過耐受壓后導(dǎo)致膜破損，引起漏血，會(huì)危及患者生命安全。

漏血傳感器是血液凈化設(shè)備的重要組成部分[2]，當(dāng)發(fā)生漏血時(shí)，漏血傳感器會(huì)發(fā)出漏血報(bào)警，以保證患者的生命安全[3]。在實(shí)際使用中，大多數(shù)漏血報(bào)警為假報(bào)警，這不僅給血液透析帶來麻煩，也給醫(yī)護(hù)人員增加不必要的工作量[4,5]，另外也會(huì)發(fā)生漏血但是漏血傳感器沒有報(bào)警提示的情況，造成患者血液大量丟失，威脅患者的生命安全[6]。國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院廣泛使用德國(guó)費(fèi)森尤斯公司生產(chǎn)的血液透析機(jī)，以其4008S為例[7]，其漏血檢測(cè)傳感器基于模擬電路設(shè)計(jì)，非常復(fù)雜，靈敏度不高，且極大地增加發(fā)生故障的可能性，影響漏血檢查的可靠性。

針對(duì)當(dāng)前血液凈化設(shè)備中漏血檢測(cè)傳感器的缺點(diǎn)，本文采用單一綠色LED作為光源，顏色傳感器TCS230作為接收裝置，設(shè)計(jì)一種非接觸式漏血檢測(cè)電路，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，極大簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜性，并且檢測(cè)更加可靠、靈敏。

1漏血傳感器原理

漏血傳感器主要采用光電式檢測(cè)技術(shù)，由發(fā)光側(cè)和受光側(cè)構(gòu)成，透析液管路從傳感器中間穿過，當(dāng)發(fā)生漏血時(shí)，由于紅細(xì)胞懸浮在透析液中，產(chǎn)生了遮光效果，受光側(cè)接收到的光強(qiáng)度下降，使其電信號(hào)值變化，當(dāng)變化到一定幅度時(shí)發(fā)出漏血報(bào)警。

TCS230是TAOS公司開發(fā)的專門用于光檢測(cè)的顏色傳感器[8]，具有反應(yīng)速度快、可編程、數(shù)字化輸出、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由圖1所示，TCS230是將光電二極管陣列與電流/頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)CMOS電路上，并集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾波器。當(dāng)有光源照射時(shí)，通過控制引腳S2，S3，選擇不同的濾波器，隨后經(jīng)過電流/頻率轉(zhuǎn)換器，輸出占空比為50%的方波，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于不同頻率的方波。若只選定一種濾波器，且光源的顏色和濾波器對(duì)應(yīng)，那么，輸出的頻率值就只與投射到傳感器上的光強(qiáng)有關(guān)[9]，并且在血液對(duì)光的吸收度研究中發(fā)現(xiàn)，血液對(duì)綠光的吸收度較高[10]，這些特性使得在漏血檢測(cè)時(shí)，可采用綠色LED作為光源，在傳感器中選通綠光濾波器，輸出頻率值的變化表征光強(qiáng)的變化。因此，通過檢測(cè)TCS230輸出頻率的變化確定是否發(fā)生漏血[11]。

圖1　TCS230功能框圖Fig 1　TCS230 functional block diagram

2電路設(shè)計(jì)

漏血傳感器的設(shè)計(jì)電路主要包括：電源電路、光源電路和檢測(cè)電路。控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位單片機(jī)STM32F103C8T6。

2.1電源電路設(shè)計(jì)

漏血傳感器的電源必須是穩(wěn)定的直流電源，且對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高，若是電源電壓波動(dòng)，會(huì)引起發(fā)光二極管亮度變化，造成測(cè)量誤差。STM32系列單片機(jī)正常工作電壓為2.0～3.6 V，因此，采用TPS78833單通道線性穩(wěn)壓器可以輸出3.3 V穩(wěn)定的直流電壓，能滿足系統(tǒng)正常工作。如圖2所示，其輸入電壓為5 V，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。

圖2　電源電路Fig 2　Power supply circuit

2.2光源電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)光源電路如圖3 所示，采用單一綠色高亮發(fā)光二級(jí)管，R1為限流電阻器，防止擊穿LED，當(dāng)電源接通后，可通過電位器 RW1進(jìn)行電流方式調(diào)節(jié)LED亮度，以提高檢測(cè)靈敏度。

圖3　光源電路Fig 3　Light source circuit

2.3檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4為漏血傳感器的檢測(cè)電路。在該電路中采用一塊STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)TCS230的控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度和效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且能與上位機(jī)進(jìn)行通信，將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)。單片機(jī)的PB口對(duì)TCS230進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)顏色光濾波器的選擇，選擇不同的輸出比例因子，調(diào)整輸出頻率范圍，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度。將TCS230的檢測(cè)輸出引腳接入單片機(jī)PA0，并將其設(shè)置成定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式，在實(shí)際使用中，讀取單片機(jī)計(jì)數(shù)器的值就可以計(jì)算出TCS230的輸出頻率，確定接收到的光強(qiáng)度。

圖4　光強(qiáng)檢測(cè)電路Fig 4　Light intensity detection circuit

3漏血檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

漏血檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是光強(qiáng)檢測(cè)程序。在光強(qiáng)檢測(cè)時(shí)，單片機(jī)對(duì)傳感器輸出方波信號(hào)頻率進(jìn)行采集、計(jì)算處理以及與報(bào)警值的比較。計(jì)算傳感器輸出方波頻率的方法有兩種：一種是在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)輸出方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，另一種是測(cè)量記錄一定數(shù)量方波所用的時(shí)間。本系統(tǒng)采用的是第一種方法，即通過一定時(shí)間內(nèi)所記得的方波數(shù)，再根據(jù)處理器的時(shí)鐘頻率(72 MHz)來計(jì)算出方波的頻率。

在頻率的計(jì)算中，系統(tǒng)采用2n組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，n的取值范圍為0～10，可根據(jù)需求來設(shè)定，最終將測(cè)量的結(jié)果與報(bào)警閾值比較來決定是否輸出報(bào)警指令。據(jù)此，給出頻率計(jì)算相應(yīng)流程圖，如圖5。

圖5　頻率計(jì)算程序Fig 5　Frequency calculation program

4實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

在便于安裝的避光小盒內(nèi)，如圖6所示，將液體管路垂直夾卡，傳感器和綠色LED分別安裝在對(duì)射的直徑3.5 mm的圓孔內(nèi)，液體管路與檢測(cè)孔垂直。傳感器的輸出通過RS—485與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將檢測(cè)到的頻率值輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)。

圖6　安裝結(jié)構(gòu)圖Fig 6　Installation structure diagram

表1　檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7　不同濃度下頻率值的變化率Fig 7　Frequency change rate of different concentration

5結(jié)論

本文采用TCS230顏色傳感器設(shè)計(jì)的新型非接觸式漏血傳感器能可靠地檢測(cè)液路漏血情況的發(fā)生，滿足血液凈化設(shè)備對(duì)漏血監(jiān)測(cè)的需要；傳感器對(duì)光源無特殊要求，使用單一綠色LED作為光源，使得成本降低；與STM32F103C8T6單片機(jī)結(jié)合，數(shù)字化輸入輸出信號(hào)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且在靈敏度上達(dá)到臨床檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

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李柯(1987-)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事再生醫(yī)療設(shè)備研究。

霍小林，通訊作者,E—mail:huoxl@mail.iee.ac.cn。

Design of a new type of digital blood-leak sensor

LI Ke1,2, WU Chang-zhe1, HUO Xiao-lin1

(1.Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetism, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China； 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Abstract:Aiming at problem of complex circuit,low sensitivity and stability of blood-leak detection sensor in artificial liver and blood purification equipment because of using analog circuit design,propose a non-contact digital blood-leak detection circuit design scheme.The sensor uses a single green LED as light source,and light irradiate on TCS230 color sensor through pipe containing liquid,TCS230 receives light intensity information and converts to frequency signal and transmit to MCU STM32,which will judge whether the fluid path occurs blood-leak according to the changes of the frequency values,and communicate with upper PC by RS—485 serial port.Experimental result show that circuit of the sensor is simple,the sensitivity is 100×10-6,it has fast response speed,high reliability and strong anti-interference ability,and meet the requirements of clinical testing standards.

Key words:artificial liver; blood purification;blood-leak; TCS230;digitization

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào):TH 789

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)01—0098—03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA020505)

收稿日期：2015—04—23

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0098—03