输液气泡检测模块的应用

赵天锋 易艳辉 夏朝阳

（深圳圣诺医疗设备股份有限公司 广东省深圳市 518055）

1 引言

输液广泛应用于临床治疗，输液期间，若输液管的气泡聚集较多时会合并成大气泡或气柱（统称气泡），将随着药液进入人体，气泡进入血管内会产生不良后果，甚至危及生命。为此，一般的输液设备提供了气泡检测功能。气泡检测的主要方法有：电容法、光电法和超声波法，其中电容法容易受电路干扰影响，光电法对输液柱和气泡的区别不够明显，而超声波法灵敏度高、可靠 。因此本文基于超声波法，研制了一款输液气泡检测模块，根据使用要求，该模块气泡检测的阈值可调，能有效监测输液过程中的气泡，并提前预警提醒或者联动设备采取应对措施。

2 超声波气泡检测

2.1 超声波气泡检测的原理

超声波（频率高于20KHz的声波）在均匀介质中直线传播，但介质变化时，也像光波一样反射和折射并遵循几何光学定律，利用超声波检测法有多种，比如透射法、反射法、频率法等，本文选用透射法，根据超声波在气体、液体、固体中的吸收和衰减不同，利用透射法来探测超声波发射和接收换能器之间是否有气体存在，从而研制气泡检测系统。

超声波探测器在液柱中衰减很小穿透能力强，具有明显的界面反射和折射现象加之超声波的高频特性，便于对超声波脉冲计数，以判断气泡大小和连续液柱的长度。因而基于超声波的空气探测器灵敏度高、可靠稳定，还能测出小间隙的连续小气泡，因此本模块研究拟采用超声波法。

2.2 超声波气泡检测的框图

本输液气泡检测的原理框图如图1，包括超声波发射端、驱动电路、电平转换电路、超声波接收端、取样电路、放大处理、整流滤波、处理单元、输出、声光提醒、存储模块、通信等等单元模块，以及检测对象为输液管和输液管内的气泡。其中箭头代表电信号控制方向或者流向。处理单元的STM32F0303控制PWM输出高频（超声波频段）信号，通过电平转换并经驱动电路，驱动超声发射端，产生超声波信号，然后超声波透射过输液管，被超声波接收端（超声波换能器）接收，当输液管有气泡产生时，超声波接收端信号发生变化，进而经过信号取样电路、信号放大处理和整流滤波，得到适合处理单元ADC采样的信号，处理单元采集信号并进行判断处理。当信号的变化超过某一范围，则输出有气泡产生提醒信号，比如声光提醒、电平变化、或者通信等。储存模块实现数据的储存，比如设置阈值数据等；通信模块作为备用模块，实现设备与远程监护中心的通信。

2.3 系统软件工作流程

本输液气泡检测模块的工作流程如图2，包括如下步骤：

（1）系统初始化完成，并进入系统自检模式；

（2）自检系统OK与否，如果自检失败，则给出系统故障报警提醒；

（3）如果系统自检成功，则进入启动超声波发生驱动；

（4）开启超声波气泡监测功能，判断是否有气泡发生，当没有气泡，则继续处于气泡监测状态；

（5）当有气泡时，则输出声光提醒控制，并输出有气泡控制信号；

（6）气泡监测是否完成，如果未完成，则继续监测气泡；

（7）输液如果完毕，则完成单次监控。

从以上步骤可见，该模块能实现输液气泡的感测、信号处理和声光等输出控制功能。

2.4 应用模块实例

输液气泡检测的模块实例如图3，包括U型超声探头、信号处理板等：将输液管装卡于U型超声探头，开启输液并开启气泡检测，当有气泡经过时，检测模块输出声光报警提醒。

3 验证

3.1 验证目标

图1：输液气泡检测的原理框图

表1：设备材料信息

图2：气泡检测模块的软件工作流程图

图3：输液气泡检测模块

验证本输液气泡检测的可用性，进而评价其临床使用的可靠性。

3.2 实验记录

本实验环境为圣诺医疗公司研发实验室，设备材料信息如表1所列，进行应用研究。

Spearman相关性分析显示,宫颈鳞癌中PTTG、VEGF-C、VEGFR-3、LMVD均呈显著正相关(P<0.05)。见表3。

3.3 实验方法及数据

图4：速度为100ml/h气泡波形图

图5：速度为1200ml/h气泡波形图

实验方法：用输液泵控制输液速度分别为100ml/h、1200ml/h，把输液管装夹于U型超声波探头检测装置。注射器通过输液口，向输液管注入少量空气以制造气泡，启动输液并观察气泡流经气泡检测装置时，装置的声光提醒信号，用示波器检测有气泡时信号的波形，多次测量并记录确认测量结果。所检测的气泡（气柱约5～10mm）信号波形如图4和图5所示，其中图4为输液速度100ml/h时的气泡波形图，图5为输液速度1200ml/h时的气泡波形图，此二者波形图形态相似，但波形的上升沿和下降沿斜率不同，这是因为与输液速率有关，进一步与气泡的流动速度有关，气泡速度越慢波形的上升沿和下降沿的斜率越小，相反，气泡速度越快波形的上升沿和下降的斜率越大。

验证结论：

（1）超声波检测气泡灵敏度较高，且可靠稳定；

（2）输液速度对气泡检测的影响不大，只要有气泡发生，超声波检测容易扑捉到；

（3）装置的灵敏度可调，可根据输液速度和波形宽度，仅识别超过一定体积的气泡；

（4）环境温度差异、输液管路粗细、输液速度、实验环境差异等，检测波形都可能有差异。

4 结论

本输液气泡检测模块可以用于许多的输液气泡检测的设备，比如输液泵、管路的高压注射器等，该模块体积比较小、方便集成于设备。研究表明，该输液气泡检测能满足临床的应用需求，灵敏度高、可靠稳定。超声波检测法为输液管内气泡的主流检测方法 。