在手术中,医生需用温度适宜的无菌生理盐水进行创伤清洗。为了实现手术过程中常温冲洗液的迅速加温,设计了温控医用灌注泵。本文主要研究了温控医用灌注泵在待机模式和冲洗模式下两种不同的温度控制方法。待机模式时,系统采用传统比例-积分-微分(PID)控制算法;冲洗模式时,系统动态特性实时变化,恒温控制过程复杂,温度控制主要通过拟合控制函数结合PID控制算法实现。根据冲洗液的初始温度和流量实时调节温度控制参数,以实现冲洗液在不同初始温度、不同流速下的恒定温度输出。实验表明该控制系统效果良好,精度较高。
引用本文： 韩雪飞, 严荣国, 丁洁, 葛斌, 李小霞. 温控医用灌注泵温度控制系统的设计. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(6): 1294-1297,1309. doi: 10.7507/1001-5515.20140245 复制
引言
手术过程中或手术闭合前需要用温度适宜的(通常是37 ℃)冲洗液对手术区域进行冲洗。通过适当清洗可以清除创伤内坏死组织、渗液、积血和脓液，减少创伤内细菌数量，减少粘连和脓肿的形成，降低伤口感染率和死亡率，缩短手术后的康复过程。同时温度适宜的(通常是37 ℃)冲洗液有利于患者保持正常体温，防止因体温过低导致严重心律失常，如室颤。为防止冷的冲洗液导致患者体温过低，医院会在术前将室温下放置的冲洗液加温后手术中取用，以促进创口愈合，加快受损细胞恢复，同时可保障身体其他各器官的正常代谢，缩短术后患者的康复期[1]。
目前国内外市场上较多的是仅具有冲洗功能的医用灌注泵，将加温功能与冲洗功能相结合的温控医用灌注泵并不多见。大部分医院都是采用冲洗液恒温箱，手术前将冲洗液放入恒温箱加热，手术中取用。由于加热设备与冲洗设备分离，导致操作复杂，运行成本较高。
本研究设计的温控医用灌注泵温度控制系统，将带有精确恒温调节的恒温加热单元和灌注泵结合，对冲洗液即刻加温。灌注泵在待机时，冲洗液静止在加热仓内保持恒温(37±1.5)℃；冲洗模式时，在蠕动泵的作用下常温的冲洗液由入口流入加热仓，在加热仓内流动的同时被加热，到达出口流出时温度恰好达到(37±1.5)℃。温控医用灌注泵可在实现冲洗的同时对冲洗液进行加温，实时控制输出冲洗液的温度。在(24±1)℃的手术环境下，实现不同初始温度(15～25 ℃)的冲洗液多流速(200、300、400 mL/min)下恒温输出。本系统在不同的工作模式下，采用不同的控制算法，输出稳定快速，使用安全，操作简单，在保证患者安全的前提下，可减少医生工作量，提高手术效率。
1 系统结构设计
系统主要由单片机控制部分(ATmega32L)[2-3]、温度检测模块、压力检测模块、光耦检测模块、加热仓及加热电路、步进电机推动蠕动泵的机械动力部分、供电电源模块、显示系统、按钮和声光报警系统等组成[4]，系统框图如图 1所示。
图1
温控医用灌注泵系统框图
Figure1.
System block diagram of the thermostatic medical infusion pump
1.1 传感器模块
温控医用灌注泵系统的设计基于AVR单片机，可实现对各传感器信号的采集处理。温度传感器采用精度较高的Pt100，并采用一体化温度变送器对信号进行处理，分别检测加热仓的进水、出水温度和加热仓内加热板温度，最终实现温度控制[5]。系统采用非接触式压力传感器模块检测管路中冲洗液压力，当冲洗阀关闭使管路内的冲洗液压力超限时，灌注泵自动进入待机状态，以实现由冲洗模式到待机状态的自动切换[6]；光耦传感器采用MOCT0T3红外接收对管，将其夹持在加热仓输出端的透明管壁处，用于检测加热仓内是否充有冲洗液。当光耦传感器检测到加热仓内充有冲洗液时进行加热，一旦检测不到液体则自动停止蠕动泵和加热仓的加热[7]。传感器放置位置示意图如图 2所示。
图2
传感器配置示意图
Figure2.
Configuration schematic of all sensors
1.2 加热单元
冲洗液的加温过程在加热仓内进行，加热仓由两块加热板和绝热材料构成。加热膜和铝板粘合构成加热板。具有S形回路的水袋放置在两加热板之间。当冲洗液进入加热仓后，在具有S形回路的水袋内多次循环加热后流出[8]。加热板的供电采用220 V转50 V安全电压，满足加热功率的同时保证患者和医生安全。
1.3 蠕动泵
蠕动泵由泵头、步进电机和驱动器构成。单片机通过步进电机驱动器控制步进电机，步进电机带动泵头转动。泵头通过挤压弹性软管使管内冲洗液不断流动，通过控制步进电机的转速控制冲洗液的流速。
1.4 其他功能单元
液晶显示屏可显示冲洗液的输入、输出温度，加热板温度和实时压力；40 ℃超温声光报警和自动停机保护；键盘实现流速、超压阈值等参数设置功能。
2 温度控制方法
温控医用灌注泵分待机模式和工作模式，停止冲洗进入待机模式时加热仓内液体温度加热到37 ℃后保温；工作模式时室温的冲洗液流经加热仓加热到37 ℃，然后经出水口流出。两种工作方式所采用的控制方式不同。待机模式时，温控系统采用传统比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制算法实现；冲洗模式时系统的动态特性变化复杂，温度控制主要通过拟合得到的恒温控制函数结合PID控制算法实现。
2.1 待机模式温度控制
在系统启动的预热阶段和使用过程中待机时，冲洗液静止在加热仓内，系统特性简单。此时恒温控制方法是将加热板恒温在37 ℃，通过热传递使冲洗液恒温在(37±1.5)℃，加热板的恒温控制方法则采用传统的PID算法控制[9]。
PID算法是一种比例、积分、微分并联应用广泛的一种模糊控制算法[10]。其基本数学模型为
| $y\left( t \right)={{K}_{p}}\left[ e\left( t \right)+\frac{1}{{{T}_{i}}}\int_{0}^{l}{e\left( t \right)dt}+{{T}_{d}}\frac{de\left( t \right)}{dt} \right]\text{ },$ |
其中e(t)为采样值与目标值的差，Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数。Kp值越大，过渡时间越短，但此值过大会导致振荡幅值大，所以选择恰当的Kp，才能快速稳定的达到设定值。Ti值越小，动作响应速度越快，但过小容易产生振荡；越大积分效果越弱，消除偏差需要的时间越长，使动作响应速度慢。Td主要用来消除静态误差，越大抑制误差的能力越强[11]。
3个系数的取值通常取决于实际经验，多采用试凑法确定。本系统中可实现在线整定，为达到最好控制效果，多次实验后取得最佳PID控制参数。
如图 3所示，闭环控制系统控制加热板温度达到37 ℃，通过热传递将冲洗液加热并保温到37 ℃。 PID控制中加热板的目标温度为37 ℃，单片机采集加热板温度与目标温度进行比较，得到系统误差e(t)。根据e(t)利用PID控制加热板的加热功率，使加热板温度保持37 ℃。PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，系统待机模式时可以得到较好的控制效果。
图3
待机模式时PID控制框图
Figure3.
PID control algorithm in the standby mode
2.2 冲洗模式温度控制
当系统处于冲洗状态时，常温的冲洗液由入口进入加热仓，短时间内流出并在出口恰好达到设定温度(37 ℃)。此恒温控制过程冲洗液被加温到37 ℃后流出，输出温度受到冲洗液流速、初始温度和室温多个因素的影响。这一复杂过程的温度控制是系统设计的难点。
冲洗模式时系统采用加热板目标温度拟合函数[12]结合PID算法实时控制输出恒温。同时为进一步调高温度控制的精确性和自适应性，当输出冲洗液温度稳定后，再根据输出水温对加热板设置值进行反馈微调。
2.2.1 拟合函数
在此固定系统中，冲洗液初始温度、流速一定时，输出冲洗液的温度由加热板的温度决定。在(24±1)℃环境温度下进行多次重复实验，测量不同冲洗液初始温度(偏差小于0.5 ℃)、不同流速(偏差小于10%)下，稳定出水温度在(37±0.5)℃时，加热板实际设置的目标温度(偏差小于0.5 ℃)，得到数据表格，如表 1所示。
当输出水温为(37±1.5)℃时，为确定进水初始温度、流速和加热板设置温度三者的函数关系，依据残差最小的原则，可设
| $X=(37-{{T}_{in}})\cdot {{\left( \frac{Q}{1000} \right)}^{2}}~,$ |
加热板设置温度设为YTp。将表 1数据代入公式(2)，得到X数据。
如果可以确定X、YTp之间的函数关系，那么就可以得到进水初始温度、流速和加热板设置温度三者的函数关系。首先运用OriginLab软件的曲线拟合功能，对变量X、YTp进行拟合，通过对实验数据分析，采用一次函数Y=BX+A进行函数拟合。如
表1
初始温度、流速与加热板实际设置温度实验数据对应表
Table1.
The experimental data of the actual setting temperature of the heater versus the initial temperature and the flow rate of the washing solution
图 4所示，L1为实验数据测量曲线，L2为拟合的曲线。
图4
测量曲线和拟合曲线
Figure4.
Measured and the fitted curves
根据曲线拟合报告可知，取A=36.66，B=5.75时，确定系数(R2)为0.982 74＞0.98，说明一次函数对实验数据拟合的质量较好，方程可以表示为
| ${{Y}_{Tp}}=5.75\cdot X+36.66\text{ },$ |
将式(2)带入式(3)，得到Tin、Q、YTp三者的拟合函数关系
| ${{Y}_{Tp}}=5.75\cdot (37-{{T}_{in}})\cdot {{\left( \frac{Q}{1000} \right)}^{2}}+36.66$ |
所以冲洗状态时，已知流速和冲洗液初始温度，就可以通过拟合函数确定温度控制过程中加热板的目标温度值。结合PID算法控制加热板温度达到目标值后[13]，输出冲洗液温度则会稳定在37 ℃左右[14]。
2.2.2 自适应调节
由于室温变化，拟合函数误差等因素，冲洗状态下输出冲洗液温度的控制精度会受到一定影响。为进一步提高温度控制的精确性和系统的自适应性，当输出冲洗液温度稳定后再对加热板设置值进行反馈微调[15]。冲洗状态下温度控制框图，如图 5所示。
图5
冲洗模式温度控制结构框图
Figure5.
Temperature control algorithm in the flushing mode
其中ΔToutflow为冲洗液的实际输出温度与37 ℃的差值；r′(t)为拟合函数计算出的加热板的设置温度；e′(t)为加热板的设置温度需要调整的偏差。
程序查询冲洗液实际输出温度后，得到ΔToutflow。实际输出温度与37 ℃每偏差1 ℃，则加热板目标温度需调整1 ℃，即e′(t)=ΔToutflow，最后由r′(t)=r(t)-e′(t)得到微调后的加热板目标值。经过自适应调节后，冲洗液的输出温度保持(37±1.5)℃。
3 实验结果
经多次试验和现场调试，预热和待机时，冲洗液在不同初始温度(15～25℃)下采用PID控制算法，加热仓内冲洗液可精确控制在37 ℃，且温度上升迅速稳定。如图 6所示，为实验得到的待机状态时不同初始温度下的温度控制曲线。
图6
待机模式温控输出
Figure6.
Thermostatic output of the washing solution in the standby mode
不同流速(200、300、400 mL/min)、不同初始温度(15～25 ℃)的冲洗液在冲洗模式时，由加热仓出口流出的冲洗液温度始终保持在(37±1.5)℃范围内。冲洗模式下得到的实验结果曲线如图 7所示。
图7
冲洗模式下不同流速、不同初始温度的温控输出
Figure7.
Thermostatic output under different flow rate and initial temperature in the flushing mode
4 结论
本文主要介绍恒温医用灌注泵在不同工作状态下，不同的温度控制方法。特别是工作状态时，恒温控制采用拟合函数控制PID算法，同时结合反馈微调的方法，自适应性好，实现性强。设计有效地解决了冲洗液温度控制非线性、大时滞和大惯性的问题，可达到满意的控制效果。
引言
手术过程中或手术闭合前需要用温度适宜的(通常是37 ℃)冲洗液对手术区域进行冲洗。通过适当清洗可以清除创伤内坏死组织、渗液、积血和脓液，减少创伤内细菌数量，减少粘连和脓肿的形成，降低伤口感染率和死亡率，缩短手术后的康复过程。同时温度适宜的(通常是37 ℃)冲洗液有利于患者保持正常体温，防止因体温过低导致严重心律失常，如室颤。为防止冷的冲洗液导致患者体温过低，医院会在术前将室温下放置的冲洗液加温后手术中取用，以促进创口愈合，加快受损细胞恢复，同时可保障身体其他各器官的正常代谢，缩短术后患者的康复期[1]。
目前国内外市场上较多的是仅具有冲洗功能的医用灌注泵，将加温功能与冲洗功能相结合的温控医用灌注泵并不多见。大部分医院都是采用冲洗液恒温箱，手术前将冲洗液放入恒温箱加热，手术中取用。由于加热设备与冲洗设备分离，导致操作复杂，运行成本较高。
本研究设计的温控医用灌注泵温度控制系统，将带有精确恒温调节的恒温加热单元和灌注泵结合，对冲洗液即刻加温。灌注泵在待机时，冲洗液静止在加热仓内保持恒温(37±1.5)℃；冲洗模式时，在蠕动泵的作用下常温的冲洗液由入口流入加热仓，在加热仓内流动的同时被加热，到达出口流出时温度恰好达到(37±1.5)℃。温控医用灌注泵可在实现冲洗的同时对冲洗液进行加温，实时控制输出冲洗液的温度。在(24±1)℃的手术环境下，实现不同初始温度(15～25 ℃)的冲洗液多流速(200、300、400 mL/min)下恒温输出。本系统在不同的工作模式下，采用不同的控制算法，输出稳定快速，使用安全，操作简单，在保证患者安全的前提下，可减少医生工作量，提高手术效率。
1 系统结构设计
系统主要由单片机控制部分(ATmega32L)[2-3]、温度检测模块、压力检测模块、光耦检测模块、加热仓及加热电路、步进电机推动蠕动泵的机械动力部分、供电电源模块、显示系统、按钮和声光报警系统等组成[4]，系统框图如图 1所示。
图1
温控医用灌注泵系统框图
Figure1.
System block diagram of the thermostatic medical infusion pump
1.1 传感器模块
温控医用灌注泵系统的设计基于AVR单片机，可实现对各传感器信号的采集处理。温度传感器采用精度较高的Pt100，并采用一体化温度变送器对信号进行处理，分别检测加热仓的进水、出水温度和加热仓内加热板温度，最终实现温度控制[5]。系统采用非接触式压力传感器模块检测管路中冲洗液压力，当冲洗阀关闭使管路内的冲洗液压力超限时，灌注泵自动进入待机状态，以实现由冲洗模式到待机状态的自动切换[6]；光耦传感器采用MOCT0T3红外接收对管，将其夹持在加热仓输出端的透明管壁处，用于检测加热仓内是否充有冲洗液。当光耦传感器检测到加热仓内充有冲洗液时进行加热，一旦检测不到液体则自动停止蠕动泵和加热仓的加热[7]。传感器放置位置示意图如图 2所示。
图2
传感器配置示意图
Figure2.
Configuration schematic of all sensors
1.2 加热单元
冲洗液的加温过程在加热仓内进行，加热仓由两块加热板和绝热材料构成。加热膜和铝板粘合构成加热板。具有S形回路的水袋放置在两加热板之间。当冲洗液进入加热仓后，在具有S形回路的水袋内多次循环加热后流出[8]。加热板的供电采用220 V转50 V安全电压，满足加热功率的同时保证患者和医生安全。
1.3 蠕动泵
蠕动泵由泵头、步进电机和驱动器构成。单片机通过步进电机驱动器控制步进电机，步进电机带动泵头转动。泵头通过挤压弹性软管使管内冲洗液不断流动，通过控制步进电机的转速控制冲洗液的流速。
1.4 其他功能单元
液晶显示屏可显示冲洗液的输入、输出温度，加热板温度和实时压力；40 ℃超温声光报警和自动停机保护；键盘实现流速、超压阈值等参数设置功能。
2 温度控制方法
温控医用灌注泵分待机模式和工作模式，停止冲洗进入待机模式时加热仓内液体温度加热到37 ℃后保温；工作模式时室温的冲洗液流经加热仓加热到37 ℃，然后经出水口流出。两种工作方式所采用的控制方式不同。待机模式时，温控系统采用传统比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制算法实现；冲洗模式时系统的动态特性变化复杂，温度控制主要通过拟合得到的恒温控制函数结合PID控制算法实现。
2.1 待机模式温度控制
在系统启动的预热阶段和使用过程中待机时，冲洗液静止在加热仓内，系统特性简单。此时恒温控制方法是将加热板恒温在37 ℃，通过热传递使冲洗液恒温在(37±1.5)℃，加热板的恒温控制方法则采用传统的PID算法控制[9]。
PID算法是一种比例、积分、微分并联应用广泛的一种模糊控制算法[10]。其基本数学模型为
| $y\left( t \right)={{K}_{p}}\left[ e\left( t \right)+\frac{1}{{{T}_{i}}}\int_{0}^{l}{e\left( t \right)dt}+{{T}_{d}}\frac{de\left( t \right)}{dt} \right]\text{ },$ |
其中e(t)为采样值与目标值的差，Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数。Kp值越大，过渡时间越短，但此值过大会导致振荡幅值大，所以选择恰当的Kp，才能快速稳定的达到设定值。Ti值越小，动作响应速度越快，但过小容易产生振荡；越大积分效果越弱，消除偏差需要的时间越长，使动作响应速度慢。Td主要用来消除静态误差，越大抑制误差的能力越强[11]。
3个系数的取值通常取决于实际经验，多采用试凑法确定。本系统中可实现在线整定，为达到最好控制效果，多次实验后取得最佳PID控制参数。
如图 3所示，闭环控制系统控制加热板温度达到37 ℃，通过热传递将冲洗液加热并保温到37 ℃。 PID控制中加热板的目标温度为37 ℃，单片机采集加热板温度与目标温度进行比较，得到系统误差e(t)。根据e(t)利用PID控制加热板的加热功率，使加热板温度保持37 ℃。PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，系统待机模式时可以得到较好的控制效果。
图3
待机模式时PID控制框图
Figure3.
PID control algorithm in the standby mode
2.2 冲洗模式温度控制
当系统处于冲洗状态时，常温的冲洗液由入口进入加热仓，短时间内流出并在出口恰好达到设定温度(37 ℃)。此恒温控制过程冲洗液被加温到37 ℃后流出，输出温度受到冲洗液流速、初始温度和室温多个因素的影响。这一复杂过程的温度控制是系统设计的难点。
冲洗模式时系统采用加热板目标温度拟合函数[12]结合PID算法实时控制输出恒温。同时为进一步调高温度控制的精确性和自适应性，当输出冲洗液温度稳定后，再根据输出水温对加热板设置值进行反馈微调。
2.2.1 拟合函数
在此固定系统中，冲洗液初始温度、流速一定时，输出冲洗液的温度由加热板的温度决定。在(24±1)℃环境温度下进行多次重复实验，测量不同冲洗液初始温度(偏差小于0.5 ℃)、不同流速(偏差小于10%)下，稳定出水温度在(37±0.5)℃时，加热板实际设置的目标温度(偏差小于0.5 ℃)，得到数据表格，如表 1所示。
当输出水温为(37±1.5)℃时，为确定进水初始温度、流速和加热板设置温度三者的函数关系，依据残差最小的原则，可设
| $X=(37-{{T}_{in}})\cdot {{\left( \frac{Q}{1000} \right)}^{2}}~,$ |
加热板设置温度设为YTp。将表 1数据代入公式(2)，得到X数据。
如果可以确定X、YTp之间的函数关系，那么就可以得到进水初始温度、流速和加热板设置温度三者的函数关系。首先运用OriginLab软件的曲线拟合功能，对变量X、YTp进行拟合，通过对实验数据分析，采用一次函数Y=BX+A进行函数拟合。如
表1
初始温度、流速与加热板实际设置温度实验数据对应表
Table1.
The experimental data of the actual setting temperature of the heater versus the initial temperature and the flow rate of the washing solution
图 4所示，L1为实验数据测量曲线，L2为拟合的曲线。
图4
测量曲线和拟合曲线
Figure4.
Measured and the fitted curves
根据曲线拟合报告可知，取A=36.66，B=5.75时，确定系数(R2)为0.982 74＞0.98，说明一次函数对实验数据拟合的质量较好，方程可以表示为
| ${{Y}_{Tp}}=5.75\cdot X+36.66\text{ },$ |
将式(2)带入式(3)，得到Tin、Q、YTp三者的拟合函数关系
| ${{Y}_{Tp}}=5.75\cdot (37-{{T}_{in}})\cdot {{\left( \frac{Q}{1000} \right)}^{2}}+36.66$ |
所以冲洗状态时，已知流速和冲洗液初始温度，就可以通过拟合函数确定温度控制过程中加热板的目标温度值。结合PID算法控制加热板温度达到目标值后[13]，输出冲洗液温度则会稳定在37 ℃左右[14]。
2.2.2 自适应调节
由于室温变化，拟合函数误差等因素，冲洗状态下输出冲洗液温度的控制精度会受到一定影响。为进一步提高温度控制的精确性和系统的自适应性，当输出冲洗液温度稳定后再对加热板设置值进行反馈微调[15]。冲洗状态下温度控制框图，如图 5所示。
图5
冲洗模式温度控制结构框图
Figure5.
Temperature control algorithm in the flushing mode
其中ΔToutflow为冲洗液的实际输出温度与37 ℃的差值；r′(t)为拟合函数计算出的加热板的设置温度；e′(t)为加热板的设置温度需要调整的偏差。
程序查询冲洗液实际输出温度后，得到ΔToutflow。实际输出温度与37 ℃每偏差1 ℃，则加热板目标温度需调整1 ℃，即e′(t)=ΔToutflow，最后由r′(t)=r(t)-e′(t)得到微调后的加热板目标值。经过自适应调节后，冲洗液的输出温度保持(37±1.5)℃。
3 实验结果
经多次试验和现场调试，预热和待机时，冲洗液在不同初始温度(15～25℃)下采用PID控制算法，加热仓内冲洗液可精确控制在37 ℃，且温度上升迅速稳定。如图 6所示，为实验得到的待机状态时不同初始温度下的温度控制曲线。
图6
待机模式温控输出
Figure6.
Thermostatic output of the washing solution in the standby mode
不同流速(200、300、400 mL/min)、不同初始温度(15～25 ℃)的冲洗液在冲洗模式时，由加热仓出口流出的冲洗液温度始终保持在(37±1.5)℃范围内。冲洗模式下得到的实验结果曲线如图 7所示。
图7
冲洗模式下不同流速、不同初始温度的温控输出
Figure7.
Thermostatic output under different flow rate and initial temperature in the flushing mode
4 结论
本文主要介绍恒温医用灌注泵在不同工作状态下，不同的温度控制方法。特别是工作状态时，恒温控制采用拟合函数控制PID算法，同时结合反馈微调的方法，自适应性好，实现性强。设计有效地解决了冲洗液温度控制非线性、大时滞和大惯性的问题，可达到满意的控制效果。
