全自动多功能遥控造影剂专用泵的设计与应用

胡修玉，李 伟

（1.枣庄科技职业学院 实验实训中心，山东 滕州 277500；2. 滕州市金达煤炭有限责任公司 机电科，山东 滕州 277500）

全自动多功能遥控造影剂专用泵的设计与应用

胡修玉1，李 伟2

（1.枣庄科技职业学院 实验实训中心，山东 滕州 277500；2. 滕州市金达煤炭有限责任公司 机电科，山东 滕州 277500）

造影剂专用泵以单片机为系统控制的核心，来自微动行程开关、传感器的检测信号及遥控接收信号，均经单片机判断处理后，输出为数码管显示及驱动步进电机等多种控制信号，实现了远距离隔室遥控。造影剂专用泵具有造影过程中的药液量两地显示，可任意两地控制起停及造影剂流速快慢等功能，代替了原来完全手动的造影剂注射，减轻了劳动强度，医护人员不再受到X射线的直接伤害。

造影剂专用泵；造影剂；造影检查；X射线

Abstract:Single-chip microcontroller is the core of specialized pump of contrast agent, the received signals from the micromotion travel switch, sensors and the remote control are judged by the single-chip microcomputer, outputted to be the digital display and stepper motor driver control signal, etc.And then it is to achieve a long-distance remote compartment control and to contrast with the volume of liquid in the course of two shows that can be controlled from two places to stop and speed of contrast agent flow rate and other functions.These functions completely replace the original manual injection of contrast agent to reduce the labor intensity, and healthcare workers are no longer subject to the direct X-ray injury.

Key words:appropriative contrast agent pump; contrast agent; contrast examine;X-ray

本文导读 >>

课题背景：课题已申报山东省枣庄市科技攻关计划项目和枣庄科技职业学院教科研课题立项，并于2009年3月申请国家专利（200920009532.6）。目前医院放射科的各种造影检查，都是医生在X射线下人工注射造影剂，对身体造成严重辐射，迫切需要对X射线下手推注射的方法进行改进。

应用要点：该设计用智能化设备完全取代人工操作，医生在操作间使用遥控器，可实现任意时刻起停、加减速远距离的隔室遥控注射造影剂，以及两地药液量显示等功能，有效地配合了医生对造影部位详细观察或拍片的准确操作。

实验设计：设备在自主研发过程中，为了符合医用的各种严格要求，对设计方案进行了多次修改，对单片机程序及控制电路反复地调试，逐步实现了两地均可显示药液量、远距离隔室遥控，并且收发信号互不干扰，以及医用设备便携、低能耗、安全可靠等多种功能。

同行评价：本设计使操作者在操作间即可实现整个检查、造影过程中对造影剂远距离、高准确性和可靠性的控制。该产品具有较高的推广应用价值，使用该装置，既避免了X射线对医生的辐射，又能降低劳动强度，减少职业病的发生，将产生很大的社会效益和可观的经济效益。

目前，医院放射科的各种造影检查，都是在放射室内进行，从一开始的注射造影剂到全程检查、造影拍片过程，时间长达数十分钟。医生长期对每个造影病人在X射线下注射造影剂，许多在放射科负责各种造影工作的医护人员，工作没几年，就患上职业病，对身体造成了严重危害。因此，迫切需要对现在X射线下手推注射造影剂的方法进行更新。

1 目的、特点及应用

造影剂专用泵系统是自主研发的、以单片机为核心控制步进电机，实现全自动、多功能隔室遥控的造影剂专用泵，代替了原来完全手动的造影剂注射。该系统具有造影过程中的造影剂药液量动态两地显示，可任意两地控制起动、停止及造影剂流速快慢，以及各种状态声光报警等特点。操作者在操作间即可实现整个检查、造影过程对造影剂远距离、高准确性和高可靠性的控制，减轻了劳动强度，避免了X射线的辐射。

该泵可以广泛地应用于T形管造影、静脉肾盂造影、下肢静脉血管造影、泌尿系逆行造影及新生儿上消化道钡餐造影等造影剂的注入。

2 系统的组成及工作原理

2.1 主机电路

图 1 主机系统组成方框图

主机部分(如图1所示)主要由单片机AT89S52、遥控接收发射模块及编解码电路部分、霍尔传感器检测、键盘电路、数码管显示及步进电机驱动电路，以及各种状态指示、报警电路及电源电路等组成。各部分的工作原理简述如下。2.1.1 单片机AT89S52。主机电路以单片机AT89S52[1]为核心，其内部有8K字节的程序存储器Flash ROM和256字节的随机存储器RAM，完全能满足系统的要求，故不需扩展程序存储器和RAM。单片机AT89S52外部配置了一片存储容量为512字节的非易失性存储器EEPROM AT24C02B[2]，它是具有串行接口的、电可擦除的可编程只读存储器，用于存储控制系统的起始数据和断电后的数据。在系统可编程ISP[3](In-System Programming)功能是AT89S52的突出特点之一，用户可以通过计算机方便地对单片机进行编程、修改和调试。

单片机多功能控制的实现，主要由写入其内的程序软件[4]决定，既要对各种关键信息、步进电机的检测信息进行查询，又要对遥控指令进行识别处理，以及霍尔传感器[5]输出的转动脉冲分析计算等。单片机根据各种输入状态信息，经软件处理后，输出相应的步进电机正反转，加减速、数码显示及各种状态指示、报警等控制信号。

2.1.2 主机遥控接收电路。遥控接收电路由NR230、解码电路PT2272[6]、反相器CD4069等组成。来自天线的已调编码信号经NR230接收解调后，得到低频脉冲串行数据信号，输入至解码电路PT2272。经解码电路内部处理比较，若代表地址位的脉冲编码信号，与遥控器发射电路中编码电路PT2262的地址编码一致，则对应的四路数据位之一即有高电平输出，再经CD4069反相后，输出对应的低电平加至单片机，以便执行单片机软件设定的步进电机的控制程序。

2.1.3 主机遥控发射电路。霍尔传感器检测的、来自步进电机传动轴上的转动脉冲信号，配合注射器推板上的微动行程开关的检测信号，经单片机AT89S52运算处理后，输出造影剂总量，以及造影过程中的动态药液剩余量的脉冲信号，经遥控发射电路PT2262编码后，送至发射模块NT230，发回至手持遥控器，以便观察、控制造影过程。

2.1.4 键盘电路。该单片机系统除采用无线遥控外，还可以通过设备面板按键控制。有起动、停止、加、减速键，持续按住加、减速键，能够快速改变造影剂注射速度。手持遥控器也有四个按键与此具有相同的功能。

2.1.5 造影剂药液量两地显示及控制电路。造影注射器滑动板上的行程开关，接通瞬时的状态信息，经单片机计算处理后，作为造影剂起始药液总量，经数码管显示，并发回手持遥控器作药液量显示。造影完毕，终点停止用行程开关动作，并由蜂鸣器报警、发光二极管指示。

2.1.6 输出驱动电路。驱动电路主要由ULN2803AG组成，ULN2803AG是高耐压、大电流达林顿阵列集成电路，由八个硅NPN达林顿管组成八路驱动输出，有较强的驱动负载能力。八路驱动输出中的四路接至四位数码管，其中两位数码管用来显示造影时间，另两位显示造影剂起始总量及动态药液剩余量，驱动电路ULN2803AG的另四路输出驱动步进电机。

2.1.7 步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号，变换成相应的角位移或直线位移的精密机电执行元件。应用单片机程序软件，经集成电路直接驱动步进电机，既降低了硬件成本，又提高了控制的灵活性、多功能性、准确性和可靠性。通过控制步进电机的输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序,可以准确控制位移量、转速及转向。

2.2 手持遥控器电路

该电路由遥控发射和遥控接收两部分组成(如图2所示)。

图 2 手持遥控器组成方框图

2.2.1 遥控器发射电路。手持遥控器发射部分由按键矩阵电路、发射编码电路、发射模块NT230等组成。当接至发射编码电路PT2262数据输入端的任何一个键按下时，PT2262对应的数据位和地址位的状态，均转换成串行数字编码脉冲信号。发射模块NT230，在编码集成电路PT2262输出的串行数字脉冲信号调制下，产生高频键控调幅信号，通过天线发射给主机系统。

2.2.2 遥控器接收电路。手持遥控器的接收部分主要由NR230接收模块、接收解码电路PT2272及十进制计数器CD4017等组成，它与主机系统的发射部分，构成了双向遥控的第二部分——回收回路。双向遥控系统采用不同的地址编码和频率，它们互不干扰，工作可靠。来自主机系统发回的动态造影剂用量的数字信号，经手持遥控器接收模块NR230接收、PT2272解码后，输入至十进制计数器CD4017，CD4017的输出端Q0～Q9驱动相应的LED2～LED11逐个点亮，用来指示逐渐递减的造影剂量。

3 控制系统的工作过程和实现的功能

3.1 主要工作过程

造影剂准备就绪后，接通电源，系统即进入复位后的准备状态。若按动主机面板上的或遥控器上的起动键，单片机接收到此控制信号后，在其内部软件的控制下，开始正常工作，步进电机驱动的推板前行，当碰触到造影剂注射器针栓时，其上的微动开关动作，此时单片机对霍尔传感器转换的传动轴的转动信息，进行处理后，即可计算出造影剂的剂量。造影剂的初始总药液量，以及造影过程中的动态剩余药液量信息，一路输出到数码管显示器显示，另一路输入至主机发射电路，以便发回至手持遥控器显示。

遥控器接收到来自单片机的信息后，由10位LED显示造影过程中的动态药液量，以便医务人员在操作间及时了解造影剂的用量，并能通过遥控器的操作键方便地控制起动、停止及造影剂注入速度的快慢，准确地配合了医生对造影部位详细地观察和造影拍片等操作。

3.2 实现的主要功能

(1) 整个造影过程，都能在操作间进行遥控控制。医护人员不需要在X射线下作任何操作，不会无辜地遭受X射线[7]的辐射，减少或避免了职业病的发生。

(2) 检查或造影过程中，通过遥控器，可任意控制起动、停止及造影剂流速的快慢，有效地配合了医生对造影部位的详细观察和拍片。

(3) 控制系统的双向遥控功能，使受控主机的工作状态及时回馈至遥控器上，以利进行随时调控。

(4）遥控操作时，无论是主机，还是遥控器，控制有效时，均有状态指示。

(5) 当放射室内的主机数码管显示，由于病人遮挡等原因而影响视线，或者医生在操作间不便观察时，被控主机的状态也能通过回馈在遥控器上的显示信息，及时地进行观察，给造影、检查带来了极大的方便。

(6) 单片机外接具有串行接口的电可擦除、可编程的只读存储器，可用于存储控制系统的初始数据，以及正常或意外断电后的数据，以便重新通电后继续工作。

(7) 造影注射完毕时，专用泵自动停止，主机发光二极管、蜂鸣器发出报警信号，遥控器发光二极管停止指示。

(8) 电路采用单片机直接经ULN2803AG集成电路驱动步进电机，使系统设计简单，成本低，工作可靠，达到了准确定位的目的。

(9) 本次造影剂注射结束后，若需再次注射造影剂，按动一次返回键，步进电机驱动滑动推板，快速返回至触碰到起始微动行程开关后，即复位停止，下一次工作即可重新开始。

(10) 电路采用抗干扰技术设计，使设备具有较强的抑制干扰和噪声能力，给系统可靠工作带来了保障。

4 结论

本控制系统由于采用单片机为核心的遥控电路，实现了造影过程的多功能控制，既可在主机上进行面板控制，又可远距离或隔室遥控。在操作间的遥控操作中，不但具有遥控起停、加减速的任意调节，而且，还具有造影药液量多少的信息反馈功能。该设备代替了原来完全靠手动的造影剂注射，整个造影过程实现了灵活方便、准确可靠的遥控操作，不但大大减轻了医护人员的劳动强度，更重要的是工作人员不再受到X射线的直接伤害，避免了X射线的不良影响，减少了职业病的发生。

[1] 张晓斌,陈阳海.电子报(2006年合订本下)[M].成都:电子科技大学出版社,2006:717.

[2] 李全利.单片机原理及应用技术[M].第3版.北京:高等教育出版社,2009.

[3] 电子报(2004年合订本上)[M].成都:四川科学技术出版社,2004: 186.

[4] 李光飞,李良儿,楼然苗.单片机C程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[5] 宋文绪.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[6] 电子报(2005年合订本上)[M].成都:电子科技大学出版社,2005: 285.

[7] 马延洪.X线物理与防护[M].北京:人民卫生出版社,1999.

Design and Application Research of Fully Automatic Multi-Function Remote Control Contrast Agent Pump

HU Xiu-yu1, LI Wei2
(1. Experimental Training Center, Zaozhuang Vocational College of Science ＆ Technology, Tengzhou Shandong 277500, China;2. Machinery Electrical Department, Jinda Coal Co., Ltd.,Tengzhou Shandong 277500, China)

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.03.007

1674-1633(2010)03-0026-03

2009-07-14

2009-08-15

专利：国家专利(200920009532.6)。

本文作者：胡修玉，副教授。

作者邮箱：hu6789@126.com