一種靜脈注射的藥液滴速控制方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種靜脈注射的藥液滴速控制方法及裝置，由控制單元、執(zhí)行單元和反饋單元組成。使用者根據(jù)顯示裝置中的工作界面指令產(chǎn)生藥液滴速給定值；然后控制器模塊按照模糊PID控制算法產(chǎn)生控制指令，執(zhí)行機構(gòu)模塊(即步進電機)按照控制指令來收緊或者放松藥液塑料管，同時反饋機構(gòu)模塊再次對當(dāng)前滴速信號進行測定并將其反饋給控制器，以便進行下一次控制指令的發(fā)出。本發(fā)明具有控制精度高、效果好、工作穩(wěn)定的優(yōu)點。
【專利說明】
一種靜脈注射的藥液滴速控制方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療靜脈輸液控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜脈注射的藥液滴速控制 方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜脈輸液相關(guān)的技術(shù)操作是護理中最重要的一項工作，靜脈輸液又是臨床常用的 給藥途徑之一，在單位時間內(nèi)給多少量的藥液，對治療疾病的效果起著一定的作用。因此在 靜脈輸液操作過程中，一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是根據(jù)患者年齡、身體情況和注射的藥液種類等來 控制藥液的滴速。傳統(tǒng)滴速調(diào)節(jié)過程中，醫(yī)護人員需要手動操作塑料管夾，通過收緊或放松 塑料管夾來改變藥液流量，最終達到控制藥液滴速的目的。這種傳統(tǒng)的人工控制方式操作 簡單，易于實現(xiàn)，但是其控制實時性較差，控制精度不高，大大增加了醫(yī)療事故發(fā)生的概率。 此外，人工控制的方式無法對多個病人的輸液進行統(tǒng)一監(jiān)控，也無法對輸液進程進行完整 的記錄，不利于醫(yī)院的信息化管理，弊端日益明顯。因此，根據(jù)靜脈輸液過程的特點，設(shè)計一 種合適的自動控制算法及裝置，對于輸液過程的智能化以及信息化發(fā)展具有重要意義。
[0003] 目前針對藥液滴速控制方面的算法主要是基于負反饋的固定參數(shù)比例積分微分 (Proportion Integral Derivative，PID)控制。這類方法雖然實現(xiàn)簡單，但是控制效果并 不理想。其缺點主要有兩方面:首先，反饋環(huán)節(jié)延時較大，而且延時長短還會隨滴速的變化 而變化，當(dāng)?shù)嗡佥^慢時，獲取反饋信息也需要較長的時間，可能導(dǎo)致控制精度降低，穩(wěn)定性 變差。其次，控制性能較差，由于執(zhí)行單元(電機)轉(zhuǎn)動步長與藥液滴速并不是嚴格的線性對 應(yīng)關(guān)系，在不同的輸液速度下，電機轉(zhuǎn)動相同的步長可能對滴速造成不同的影響，當(dāng)給定藥 液滴速值變化幅度較大時，固定參數(shù)PID算法難以按照指定精度進行快速控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有對靜脈輸液的藥液滴速進行控制的方法所存 在的精度低和速度慢的問題，提供一種靜脈注射的藥液滴速控制方法及裝置。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種靜脈注射的藥液滴速控制方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1，將輸液器固定在輸液架上，懸掛好輸液瓶;啟動并進行初始化，人為設(shè)定給 定藥液滴速和控制切換閥值；
[0008] 步驟2，讓反饋單元的光電傳感器對準輸液滴管，并通過反饋單元將輸液滴管的實 時藥液滴速反饋至控制單元；
[0009] 步驟3,控制單元根據(jù)給定藥液滴速和實時藥液滴速計算藥液滴速誤差，并將該藥 液滴速誤差送至模糊控制器和PID控制器中；模糊控制器對給定藥液滴速和藥液滴速誤差 進行模糊運算，獲得模糊控制量和PID動態(tài)參數(shù);PID控制器對PID動態(tài)參數(shù)和藥液滴速誤差 進行PID運算，獲得PID控制量；
[0010] 步驟4,當(dāng)藥液滴速誤差的絕對值等于或大于控制切換閥值時，則切換開關(guān)將控制 切換到模糊控制狀態(tài)，此時控制單元將模糊控制量輸出到執(zhí)行單元中；當(dāng)藥液滴速誤差的 絕對值小于控制切換閥值時，則切換開關(guān)將控制切換到PID控制狀態(tài)，此時控制單元將PID 控制量輸出到執(zhí)行單元中；
[0011] 步驟5，執(zhí)行單元根據(jù)控制單元輸出的模糊控制量或PID控制量的正負情況來控制 步進電機轉(zhuǎn)動方向，以完成藥液夾的收緊或者放松動作控制；同時根據(jù)控制單元輸出的模 糊控制量或PID控制量的幅值來控制步進電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，以完成藥液夾的收緊或者放松 的幅度的控制。
[0012] 上述方法中，所述模糊控制器的推理規(guī)則如下表所示：
[0013]
[0014]用三角隸屬函數(shù)把給定藥液滴速值r劃分為{S，Μ，L，XL}四個模糊子集，分別代表 給定藥液滴速值為小、中、大、極大；
[0015] 再把藥液滴速誤差值一劃分為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}七個模糊子集，分別代表 藥液滴速誤差值為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大；
[0016] 模糊控制量u對應(yīng)于藥液夾開度的增量，定義模糊子集{NL，NB，NM，NS，Z0，PS，PM， PB，PL}分別代表增量負極大、負大、負中、負小、零、正小、正中、正大、正極大；
[0017] PID動態(tài)參數(shù)模糊子集定義為{?3/13/03，？1/頂/1^，？17117〇1^，？乂/以/1?}，分別對 應(yīng)四組不同的PID動態(tài)參數(shù)。
[0018] 上述方法中，步驟1還進一步包括如下步驟:控制單元對整個輸液控制過程所輸出 的控制量進行累加，當(dāng)累加量達到預(yù)先設(shè)定的藥液總量時，則控制單元發(fā)出控制命令來控 制步進電機轉(zhuǎn)動，使得藥液夾的完全收緊，以停止整個輸液過程。
[0019] 基于上述方法而設(shè)計的一種靜脈注射的藥液滴速控制裝置，由控制單元、執(zhí)行單 元和反饋單元組成；上述控制單元包括給定輸入電路和控制器模塊;上述執(zhí)行單元包括驅(qū) 動電路、步進電機和傳動機構(gòu);上述反饋單元包括光電傳感器和斯密特觸發(fā)器。給定輸入電 路的輸出端連接控制器模塊的給定輸入端?？刂破髂K的控制輸出端連接驅(qū)動電路的輸入 端，驅(qū)動電路的輸出端與步進電機的輸入端相連，步進電機的輸出端連接傳動機構(gòu)的輸入 端，傳動機構(gòu)的輸出端連接被控對象即藥液夾。光電傳感器正對輸液滴管，光電傳感器的輸 出端連接斯密特觸發(fā)器的輸入端，斯密特觸發(fā)器的輸出端連接控制器模塊的反饋輸入端。
[0020] 上述裝置中，所述控制器模塊包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切換開關(guān)構(gòu) 成;乘法器一輸入端連接給定輸入電路的輸出端;乘法器的另一輸入端連接斯密特觸發(fā)器 的輸出端。模糊控制器的給定輸入端連接乘法器的輸出端，模糊控制器的誤差輸入端連接 給定輸入電路的輸出端;模糊控制器的控制量輸出端與切換開關(guān)的一輸入端連接。PID控制 器的誤差輸入端連接乘法器的輸出端，PID控制器的參數(shù)輸入端連接模糊控制器的參數(shù)輸 出端;PID控制器的控制量輸出端與切換開關(guān)的另一輸入端連接。切換開關(guān)的輸出端連接驅(qū) 動電路。
[0021] 上述裝置中，所述給定輸入電路為實體給定輸入電路、觸屏給定輸入電路和/或無 線通信輸入電路。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點：
[0023] 1、將模糊控制器和PID控制器相結(jié)合應(yīng)用于藥液滴速控制技術(shù)中，實現(xiàn)了以較高 準確率對靜脈輸液過程中藥液滴速進行快速自動檢測。同時通過模糊控制器來動態(tài)調(diào)整 PID控制參數(shù)，解決了傳統(tǒng)藥液滴速控制系統(tǒng)中的非線性問題和反饋環(huán)節(jié)延遲問題，實現(xiàn)了 對藥液滴速的快速、穩(wěn)定控制。
[0024] 2、采用光電傳感器實現(xiàn)滴速檢測，使液滴檢測更加穩(wěn)定。
[0025] 3、提供了一個全新的人機交互通道，利用彩色液晶屏可以增加人機界面的友好 性，提供了用于參數(shù)輸入的全數(shù)字鍵盤，使得設(shè)備易于使用和推廣。
【附圖說明】
[0026]圖1是一種靜脈注射的藥液滴速控制裝置的原理示意圖。
[0027]圖2是一種靜脈注射的藥液滴速控制方法的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0029 ] -種靜脈注射的藥液滴速控制裝置，如圖1所示，由控制單元、執(zhí)行單元和反饋單 元組成。
[0030] 上述控制單元包括給定輸入電路和控制器模塊。給定輸入電路的輸出端連接控制 器模塊的給定輸入端。在本發(fā)明中，所述給定輸入電路可以實體給定輸入電路，即通過實體 按鍵電路鍵入給定信號;可以為觸屏給定輸入電路，即通過觸摸顯示屏鍵入給定信號;也可 以為無線通信輸入電路，即通過無線模塊接收外部發(fā)送的給定信號。
[0031] 上述執(zhí)行單元包括驅(qū)動電路、步進電機和傳動機構(gòu)。控制器模塊的控制輸出端連 接驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端與步進電機的輸入端相連，步進電機的輸出端連 接傳動機構(gòu)的輸入端，傳動機構(gòu)的輸出端連接被控對象即藥液夾。在本發(fā)明中，所述控制器 模塊包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切換開關(guān)構(gòu)成。乘法器一輸入端連接給定輸入 電路的輸出端。乘法器的另一輸入端連接斯密特觸發(fā)器的輸出端。模糊控制器的給定輸入 端連接乘法器的輸出端，模糊控制器的誤差輸入端連接給定輸入電路的輸出端。模糊控制 器的控制量輸出端與切換開關(guān)的一輸入端連接。PID控制器的誤差輸入端連接乘法器的輸 出端，PID控制器的參數(shù)輸入端連接模糊控制器的參數(shù)輸出端。PID控制器的控制量輸出端 與切換開關(guān)的另一輸入端連接。切換開關(guān)的輸出端連接驅(qū)動電路。
[0032] 上述反饋單元包括光電傳感器和斯密特觸發(fā)器。光電傳感器正對輸液滴管，負責(zé) 對液滴進行檢測。光電傳感器的輸出端連接斯密特觸發(fā)器的輸入端，斯密特觸發(fā)器負責(zé)將 模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，斯密特觸發(fā)器的輸出端連接控制器模塊的反饋輸入端。
[0033]上述裝置所實現(xiàn)的一種靜脈注射的藥液滴速控制方法，首先使用者根據(jù)顯示裝置 中的工作界面指令產(chǎn)生藥液滴速給定藥液滴速值;然后控制單元根據(jù)給定滴速與當(dāng)前反饋 滴速信號之間的誤差值，按照控制算法產(chǎn)生控制指令，控制算法同時處理執(zhí)行單元中電機 轉(zhuǎn)動步長與藥液滴速之間的非線性問題以及反饋單元中的延遲問題;接著執(zhí)行單元的步進 電機按照控制指令來收緊或者放松藥液塑料管；同時反饋單元再次對當(dāng)前滴速信號進行測 定并將其反饋給控制器，以便進行下一次控制指令的發(fā)出。在進行控制時，以給定藥液滴速 值的大小以及藥液滴速誤差值的大小作為模糊控制器的輸入，電機步進角度控制量u以及 PID動態(tài)參數(shù)作為輸出。模糊控制器輸出的模糊控制量與PID控制器輸出的PID控制量通過 一個切換開關(guān)進行選擇。當(dāng)藥液滴速誤差值絕對值I e |大于等于切換閥值時切換為模糊控 制，當(dāng)藥液滴速誤差值絕對值I e |小于切換閥值時切換為PID控制，以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。參 見圖2。
[0034]具體包括以下步驟：
[0035] (1)系統(tǒng)初始化:輸液器固定在輸液架上，懸掛好輸液瓶，讓反饋單元對準輸液滴 管，啟動系統(tǒng)并進行初始化，打開顯示裝置中的工作界面，并根據(jù)病人情況、藥液種類等設(shè) 定藥液滴速、藥液總量等信息，通過I/O接口模塊傳給控制單元。
[0036] (2)產(chǎn)生控制指令:控制單元的控制方式由模糊控制器和PID控制器組合而成。模 糊控制器的輸入?yún)?shù)是滴速給定藥液滴速值和滴速誤差，輸出參數(shù)是電機轉(zhuǎn)動步長控制和 PID動態(tài)參數(shù)。在控制過程中，首先計算滴速設(shè)定值與反饋值之間的誤差，然后控制狀態(tài)切 換模塊根據(jù)滴速誤差來選擇合理的控制方式：當(dāng)?shù)嗡僬`差值大幅度變化時即誤差絕對值I e 大于等于切換閥值時，主要由模糊控制器來進行輸出控制命令，以便保證控制的快速性。 當(dāng)?shù)嗡僬`差值小范圍變化時即誤差絕對值I e |小于切換閥值時，主要由PID控制器輸出控制 命令，以便保證系統(tǒng)控制精度。此外，模糊控制器還負責(zé)對PID控制器的P、I、D參數(shù)進行動態(tài) 調(diào)整，以解決電機轉(zhuǎn)動步長與藥液滴速之間存在非線性的問題，使系統(tǒng)在不同滴速給定藥 液滴速值下都能獲得良好的控制性能;最后，控制單元將控制命令經(jīng)I/O接口模塊傳送至執(zhí) 行單元和顯示裝置。
[0037]模糊控制器的推理規(guī)則如下表所示：
[0038]
[0039] 表 1
[0040] 假定給定藥液滴速值與藥液滴速誤差值的基本論域分別為[20,150]、[一150， 150 ]。用三角隸屬函數(shù)把給定藥液滴速值劃分為{S，Μ，L，XL}四個模糊子集，分別代表給定 藥液滴速值小、中、大、極大;再把藥液滴速誤差值劃分為{NB，匪，NS，Z0，PS，PM，PB}七個模 糊子集，分別代表藥液滴速誤差值為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大?？刂屏縰對應(yīng)于 藥液夾開度的增量，定義模糊子集{NL，NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB，PL}分別代表增量負極大、 負大、負中、負小、零、正小、正中、正大、正極大。PID動態(tài)參數(shù)模糊子集定義為{PS/IS/DS， 卩1/頂/1^，？171171^，？乂/以/1?}，分別對應(yīng)四組不同的？10動態(tài)參數(shù)。
[0041 ]制定模糊推理規(guī)則如表1所示。其中，控制量u的絕對值隨著滴速藥液滴速誤差值 的增大而增大，而且同樣藥液滴速誤差值絕對值下電機正轉(zhuǎn)(對應(yīng)于管夾打開)步長可略大 于反轉(zhuǎn)(對應(yīng)于管夾收緊)步長;其次是在滴速藥液滴速誤差值相同而給定藥液滴速值不同 的情況下，根據(jù)實驗所得的經(jīng)驗適當(dāng)調(diào)整控制量的大小以及PID控制器的參數(shù)，從而適應(yīng)電 機轉(zhuǎn)動步長與輸液滴速之間的非線性關(guān)系。
[0042] (3)滴速控制：滴速控制主要由步進電機完成。在執(zhí)行過程中，根據(jù)控制命令中的 正負情況來控制電機轉(zhuǎn)動方向，以便完成藥液夾的收緊或者放松動作;根據(jù)控制命令中信 號幅值來控制電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，以便控制藥液夾的收緊或者放松的幅度。
[0043] (4)反饋滴速信號:采用光電傳感器即光電對管對當(dāng)前的輸液滴速進行測定，并將 當(dāng)前滴速情況給到步驟(2)，從而發(fā)出下一次控制指令。
[0044] 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種靜脈注射的藥液滴速控制方法，其特征是，包括如下步驟： 步驟1，將輸液器固定在輸液架上，懸掛好輸液瓶;啟動并進行初始化，人為設(shè)定給定藥 液滴速和控制切換閥值； 步驟2,讓反饋單元的光電傳感器對準輸液滴管，并通過反饋單元將輸液滴管的實時藥 液滴速反饋至控制單元； 步驟3,控制單元根據(jù)給定藥液滴速和實時藥液滴速計算藥液滴速誤差，并將該藥液滴 速誤差送至模糊控制器和PID控制器中；模糊控制器對給定藥液滴速和藥液滴速誤差進行 模糊運算，獲得模糊控制量和PID動態(tài)參數(shù);PID控制器對PID動態(tài)參數(shù)和藥液滴速誤差進行 PID運算，獲得PID控制量； 步驟4，當(dāng)藥液滴速誤差的絕對值等于或大于控制切換閥值時，則切換開關(guān)將控制切換 到模糊控制狀態(tài)，此時控制單元將模糊控制量輸出到執(zhí)行單元中；當(dāng)藥液滴速誤差的絕對 值小于控制切換閥值時，則切換開關(guān)將控制切換到PID控制狀態(tài)，此時控制單元將PID控制 量輸出到執(zhí)行單元中； 步驟5,執(zhí)行單元根據(jù)控制單元輸出的模糊控制量或PID控制量的正負情況來控制步進 電機轉(zhuǎn)動方向，W完成藥液夾的收緊或者放松動作控制；同時根據(jù)控制單元輸出的模糊控 制量或PID控制量的幅值來控制步進電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)，W完成藥液夾的收緊或者放松的幅 度的控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜脈注射的藥液滴速控制方法，其特征是，所述模糊控制 器的推理規(guī)則如下表所示：用Ξ角隸屬函數(shù)把給定藥液滴速值r劃分為{S，M，L，XU四個模糊子集，分別代表給定 藥液滴速值為小、中、大、極大； 再把藥液滴速誤差值e劃分為{NB，醒，NS，Z0，PS，PM，PB}屯個模糊子集，分別代表藥液 滴速誤差值為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大； 模糊控制量U對應(yīng)于藥液夾開度的增量，定義模糊子集{NL，NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB， PL}分別代表增量負極大、負大、負中、負小、零、正小、正中、正大、正極大； PID動態(tài)參數(shù)模糊子集定義為{PS/IS/DS，PM/1M/DM，PL/IL/DL，PX/1X/DX}，分別對應(yīng)四 組不同的PID動態(tài)參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜脈注射的藥液滴速控制方法，其特征是，步驟1還進一 步包括如下步驟:控制單元對整個輸液控制過程所輸出的控制量進行累加，當(dāng)累加量達到 預(yù)先設(shè)定的藥液總量時，則控制單元發(fā)出控制命令來控制步進電機轉(zhuǎn)動，使得藥液夾的完 全收緊，W停止整個輸液過程。4. 基于權(quán)利要求1所述靜脈注射的藥液滴速控制方法而設(shè)計的一種靜脈注射的藥液滴 速控制裝置，其特征在于：由控制單元、執(zhí)行單元和反饋單元組成;上述控制單元包括給定 輸入電路和控制器模塊;上述執(zhí)行單元包括驅(qū)動電路、步進電機和傳動機構(gòu);上述反饋單元 包括光電傳感器和斯密特觸發(fā)器； 給定輸入電路的輸出端連接控制器模塊的給定輸入端； 控制器模塊的控制輸出端連接驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端與步進電機的輸 入端相連，步進電機的輸出端連接傳動機構(gòu)的輸入端，傳動機構(gòu)的輸出端連接被控對象即 藥液夾； 光電傳感器正對輸液滴管，光電傳感器的輸出端連接斯密特觸發(fā)器的輸入端，斯密特 觸發(fā)器的輸出端連接控制器模塊的反饋輸入端。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜脈注射的藥液滴速控制裝置，其特征在于:所述控制器 模塊包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切換開關(guān)構(gòu)成;乘法器一輸入端連接給定輸入 電路的輸出端;乘法器的另一輸入端連接斯密特觸發(fā)器的輸出端； 模糊控制器的給定輸入端連接乘法器的輸出端，模糊控制器的誤差輸入端連接給定輸 入電路的輸出端;模糊控制器的控制量輸出端與切換開關(guān)的一輸入端連接； PID控制器的誤差輸入端連接乘法器的輸出端，PID控制器的參數(shù)輸入端連接模糊控制 器的參數(shù)輸出端;PID控制器的控制量輸出端與切換開關(guān)的另一輸入端連接； 切換開關(guān)的輸出端連接驅(qū)動電路。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種靜脈注射的藥液滴速控制裝置，其特征在于:所述給定輸 入電路為實體給定輸入電路、觸屏給定輸入電路和/或無線通信輸入電路。
【文檔編號】A61M5/168GK105935462SQ201610224906
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】馮寶, 張紹榮, 覃科
【申請人】桂林航天工業(yè)學(xué)院