一种输液泵的输液精度自动校准控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及医疗器械及输液
技术领域：
，尤其是一种输液泵的输液精度自动校准控制系统及其控制方法。
背景技术：
：输液是临床给药治疗的重要手段，用输液泵控制给药剂量已经成为一种广泛使用的输液剂量控制方式。输液泵是光机电一体化的医疗设备，一般包括“流量控制”、“信号检测”、“人机交互”、“声光报警”及“计算、任务管理及决策”等核心功能。其中流量控制部分一般由步进电机及其驱动器、线性蠕动泵体、输液泵管路及其压紧机构组成，工作时根据用户设定的输液速度结合预先标定的管路参数，控制蠕动泵体按计算出来的转速进行旋转，以便达成控制输液速度的目的。从以上描述可以看出，现有输液泵的输液流量控制是典型的开环控制。输液管路的几何参数的制造偏差、管路材料对应温度、挤压速度、挤压时间等因素都会产生疲劳变形、回弹能力下降甚至开裂，从而改变管路的液体传输特性，进而产生输液偏差，甚至产生输液流速失控(freeflow)。同时输液泵的泵体、管路挤压机构及其关联机构和部件的磨损、老化、损坏也会引起不可察觉的输液流速失控(freeflow)。所有这些给临床带来了极大的安全风险，时有不良事件发生，亟待予以解决。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种输液泵的输液精度自动校准控制系统及其控制方法。本发明的目的在于通过在输液同时，检测来自输液吊瓶和液袋的重量数据，进而获得输液泵泵出液体重量数据，理论上液体的容量需要乘以液体比重才是重量，在实际中大输液液体比重基本接近等于1，近似的可以用重力数据代表容积数据(特殊差别大的情况，可以通过软件系数修正)，通过一系列算法及时调整流量控制单元的控制参数进而对输液管路产生的蠕变等引起的输液偏差及时进行在线补偿，始终保持输液精度在规定的范围内(例如：±3％)，并对输液失控及管路精度无法调控(例如管路丧失弹性)进行报警，形成输液流量闭环控制，确保输液安全。由于流量获取的主要手段是通过称量输液吊瓶或输液软袋的方式进行，输液软袋晃动、加药等行为直接构成了对测量结果的干扰，降低了流量测量的准确性、延缓了决策判断的进程，对重量数据中干扰的处理方法，是实现本发明目的关键技术方案。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种输液泵的输液精度自动校准控制方法，包括以下步骤：(1)在输液的同时，检测来自输液吊瓶和输液袋的重量数据，并获取输液泵泵出液体流量数据；(2)对液体流量数据预处理，区分正常数据和干扰数据，剔除输液吊瓶、输液袋晃动以及加药造成的扰动数据；(3)利用步骤(2)中预处理后的数据，以输液泵的输液速度或输液量作为控制基准进行输液精度自动校正；(4)对步骤(2)处理过的数据进行计算和分析，对输液流速失控进行识别，当实际输液超出理论输液量一定范围时，将输液流速失控报警信息传递给输液泵的基本功能单元，供其操控报警，并停止输液；(5)对步骤(3)处理过的数据进行计算和分析，对输液管路调控失效进行识别，输液精度系数超出正常设定范围时，将输液管路调控失效报警信息传递给输液泵的基本功能单元，供其操控报警，并停止输液。进一步，所述步骤(2)中，利用数据的二阶导数识别扰动，其中，数据的二阶导数为加速度，操作时，剔除扰动数据形成无扰动数据集，加速度分为两类门限，在加速度低于第一门限时数据可用；在加速度介于第一类第二之间时，数据受到干扰，不予以使用；在加速度超过第二门限时，说明存在大的扰动或换液、加药操作，校准及识别操作从头开始。进一步，在连续多个加速度值小于特定范围情况下，获取稳定的头尾2点数据，具体为开始时的重量数据及对应时间，及稳定的当前时刻的重量数据及对应时间。进一步，所述步骤(3)中，以输液泵的输液速度作为控制基准进行输液精度自动校正时，利用无扰动数据集的多点数据，基于最小二乘法，求解线性递归方程，获得速度估计值，并与设定流速相比较，修正下一控制周期的输液精度参数。进一步，所述步骤(3)中，以输液泵的输液速度作为控制基准进行输液精度自动校正时，采用两点法，利用稳定的2点数据及其时间差计算实际流速，与设定流速相比较，修正下一控制周期的输液精度参数。进一步，所述步骤(3)中，以输液泵的输液量作为控制基准进行输液精度自动校正时，利用理论已输液量和实际已输液量的偏差，采用诸如增量式数字pid等迭代方式不断修正输液系数，调整输液速度，减少输液量偏差，达成理论输液量和实际输液量一致。进一步，所述步骤(3)中，对输液流速失控识别时：在控制周期tc尚未结束时进行识别，每次测到无扰动的重量值都进行一次判断；实测输液量＝w(0)-w(n-1)，实测输液量为当前控制周期测得的稳定重量值与前测得的稳定重量值之差，即为这个时段测得的实际液体输出重量；理论输液量＝ts*(n-1)*rset，为设定流速与这个时段对应时间之乘积；流量偏差＝实测输液量-理论输液量，流量偏差超过规定值即为流速失控。进一步，所述步骤(3)中，对输液管路调控失效识别时：基于流速偏差，计算输液精度系数超出规定范围时，表明输液管路已失去调节能力，输液管路调控已失效。进一步，所述步骤(3)中，对输液管路调控失效识别时：基于各输液量控制周期的输液量偏差，迭代求解下一控制周期的输液泵输液精度系数，以使输液总量偏差趋近于0，若求得的输液精度系数与正常范围偏差超过一定程度时，即代表输液管路失去调节能力，输液管路调控已失效。一种输液泵的输液精度自动校准控制系统，包括输液泵基本功能单元，与输液泵基本功能单元连接的数据处理单元，与数据处理单元连接的输液流量数据获取单元以及输液流量数据供给单元，所述输液泵基本功能单元包括计算、任务管理及决策模块，所述数据处理单元包括扰动数据识别模块，与扰动数据识别模块连接的输液精度校准模块、输液失速识别模块，输液精度校准模块连接管路失调识别模块；所述的扰动数据识别模块用于剔除吊瓶或输液袋晃动的扰动数据,用于形成稳定的数据集或控制周期首尾数据；所述输液精度校准模块用于对预处理后的数据和输液泵基本功能单元的计算、任务管理及决策模块传递的信号进行处理，达成输液精度自动校准功能；所述输液失速识别模块用于对输液流速失控进行识别，当实际输液超出理论输液量一定范围时，将输液流速失控报警信息传递给输液泵的基本功能单元，供其操控报警，并停止输液；所述管路失调识别模块用于对输液管路调控失效进行识别，输液精度系数超出正常设定范围时，将输液管路调控失效报警信息传递给输液泵的基本功能单元进行报警。进一步，所述输液泵基本功能单元还包括：流量控制模块,用于输液泵输液流量的参数控制；信号及检测模块,用于对数据处理单元的信号接收和检测；人机交互模块,用于人机界面实时操控；报警模块,用于对输液流速失控和输液管路调控失效情况下的报警。进一步，所述输液流量数据供给单元为重力传感器或采用网络、通讯连接方式的传感器。进一步，所述输液流量数据获取单元为传感器信号处理电路模块或物联网接口或网络通讯接口。本发明的有益效果为：该控制系统的数据处理单元包括扰动数据识别模块，与扰动数据识别模块连接的输液精度校准模块、输液失速识别模块，输液精度校准模块连接管路失调识别模块，扰动数据识别模块用于剔除吊瓶或输液袋晃动的扰动数据,用于形成稳定的数据集或控制周期首尾数据；输液精度校准模块用于对预处理后的数据和输液泵基本功能单元的计算、任务管理及决策模块传递的信号进行处理，达成输液精度自动校准功能；输液失速识别模块和管路失调识别模块将输液流速失控报警信息和/或输液管路调控失效信息传递给输液泵的计算、任务管理及决策模块，计算、任务管理及决策模块通过报警模块报警，并停止输液，输液泵实现了输液的流量数据监控，该系统和方法具有输液精度自动校准功能，输液流速失控报警以及输液管路调控失效报警功能，监控精度高，大大提高了输液泵的输液安全性以及输液稳定性。附图说明图1为本发明具体实施方式中的系统结构示意图；图2为本发明具体实施方式中输液精度自动校准控制方法的流程图；图3为本发明具体实施方式中实施例1的数据处理流程图；图4为本发明具体实施方式中实施例2的数据处理流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进一步说明：实施例1如图1所示，一种输液泵的输液精度自动校准控制系统，包括输液泵基本功能单元1，与输液泵基本功能单元1连接的数据处理单元2，与数据处理单元2连接的输液流量数据获取单元3以及输液流量数据供给单元4，输液泵基本功能单元1包括计算、任务管理及决策模块11；数据处理单元2包括扰动数据识别模块21，与扰动数据识别模块21连接的输液精度校准模块22、输液失速识别模块23，输液精度校准模块22连接管路失调识别模块24；通过输液流量数据获取单元3获取外部的输液流量数据供给单元4的流量数据。其中，外部的输液流量数据供给单元4可以是重力传感器，也可以是传感器+网络或通讯。输液流量数据获取单元3可以是传感器信号处理电路，也可以是物联网接口或网络通讯接口。其中，扰动数据识别模块21用于剔除吊瓶或输液袋晃动的扰动数据,用于形成稳定的数据集或控制周期首尾数据；输液精度校准模块22用于对预处理后的数据和输液泵基本功能单元的计算、任务管理及决策模块传递的信号进行处理，达成输液精度自动校准功能；输液失速识别模块23用于对输液流速失控进行识别，当实际输液超出理论输液量一定范围时，将输液流速失控报警信息传递给输液泵的基本功能单元1，供其操控报警，并停止输液；管路失调识别模块24用于对输液管路调控失效进行识别，输液精度系数超出正常设定范围时，将输液管路调控失效报警信息传递给输液泵基本功能单元1进行报警；输液泵基本功能单元1还包括流量控制模块12、信号及检测模块13、人机交互模块14以及报警模块15；流量控制模块12,用于输液泵输液流量的参数控制；信号及检测模块13,用于对数据处理单元的信号接收和检测；人机交互模块14,用于人机界面实时操控；报警模块15,用于对输液流速失控和输液管路调控失效情况下的报警。本发明中，数据处理单元2的功能主要表现在：1.区分正常数据和干扰数据，流量数据预处理模块21剔除吊瓶或输液袋晃动的扰动数据，避免使用收到扰动的数据；2.输液精度校准模块22利用流量数据预处理模块21预处理后的数据，以输液泵的输液速度或输液量作为控制基准进行输液精度自动校正；3.输液失速识别模块23和管路失调识别模块24将输液流速失控报警信息和/或输液管路调控失效信息传递给输液泵的计算、任务管理及决策模块11，计算、任务管理及决策模块11通过报警模块15报警，并停止输液。为了实现上述功能，如图2所示，该系统对应的输液泵的输液精度自动校准控制方法，包括以下步骤：(1)在输液的同时，检测来自输液吊瓶和输液袋的重量数据，并获取输液泵泵出液体流量数据；(2)对液体流量数据预处理，区分正常数据和干扰数据，剔除输液吊瓶、输液袋晃动以及加药造成的扰动数据；(3)利用步骤(2)中预处理后的数据，以输液泵的输液速度或输液量作为控制基准进行输液精度自动校正；(4)对步骤(2)处理过的数据进行计算和分析，对输液流速失控进行识别，当实际输液超出理论输液量一定范围时，将输液流速失控报警信息传递给输液泵的基本功能单元，供其操控报警，并停止输液；(5)对步骤(3)处理过的数据进行计算和分析，对输液管路调控失效进行识别，输液精度系数超出正常设定范围时，将输液管路调控失效报警信息传递给输液泵的基本功能单元，供其操控报警，并停止输液。步骤(2)中，利用数据的二阶导数识别扰动，其中，数据的二阶导数为加速度，操作时，剔除扰动数据形成无扰动数据集，加速度分为两类门限，在加速度低于第一门限时数据可用；在加速度介于第一类第二之间时，数据受到干扰，不予以使用；在加速度超过第二门限时，说明存在大的扰动或换液、加药操作，校准及识别操作从头开始。其中，如图3所示，步骤(2)中液体流量数据预处理方法为：以重量方式测量输液泵输出流速的方法，采用的线性方程为g＝g0-r*t其中，g为当前的液体重量，g0为期初的重量值，t为时间，输液泵自身的非线性、传感器自身的非线性、测量误差及噪声以及人为的扰动，实测的重力数据存在误差，通过识别和剔除数据中的干扰数据来满足使用要求。步骤(2)中进行识别和剔除数据中的干扰数据时,设置参数如下：g(t)为时刻t的称重值，r为液体输出的速度,g(t)的一次导数g’(t)＝r为液体流速，g(t)的二次导数g”(t)＝a为液体流速的加速度；输液泵输液中正常的情况为:流速＝常数或0，输液泵输液正常情况下加速度为0，当加药、挂瓶及推动输液支架过程中，称重值不平稳，此时的加速度值不为0，利用这一特点,对数据进行扰动预处理,对g(0)到g(k)的间隔为采样周期ts连续采集k+1个重量数据，采用具体公式如下：其中，ts为数据采样周期，基于输液流速的不同，范围为0.1s-60s，r(1)到r(k)为由重力数据计算获得的流速值，a(2)到a(k)为加速度值。本实施例中，k＝8，对数据进行扰动预处理,对g(0)到g(8)的间隔为采样周期ts连续采集9个重量数据；具体为，在扰动数据识别模块21进行识别和剔除数据中的干扰时,设置参数如下：g(t)为时刻t的称重值，r为液体输出的速度,g(t)的一次导数g’(t)＝r为液体流速，g(t)的二次导数g”(t)＝a为液体流速的加速度，输液泵输液中正常的情况为:流速＝常数或0，输液泵输液正常情况下加速度为0，当加药、挂瓶及推动输液支架过程中，称重值不平稳，此时的加速度值不为0，利用这一特点,对数据进行扰动预处理,对g(0)到g(8)的间隔为采样周期ts连续采集9个重量数据，采用具体公式如下：其中，ts为数据采样周期，基于输液流速的不同，范围为0.1s-60s，r(1)到r(8)为由重力数据计算获得的流速值，a(2)到a(8)为加速度值。进一步，连续采集9个重量数据后，列出称重传感器输出的重量数据及其一二次导数值形成数据列表一：表一：采样数据及其一二次导数值gg(0)g(1)g(2)g(3)g(4)g(5)g(6)g(7)g(8)rr(1)r(2)r(3)r(4)r(5)r(6)r(7)r(8)aa(2)a(3)a(4)a(5)a(6)a(7)a(8)t01ts2ts3ts4ts5ts6ts7ts8ts假设加速度a(3)、a(4)的绝对值数值大于事先约定的数值almt，意味着a(3)、a(4)的数据源g(1)、g(2)、g(3)、g(4)会存在外部扰动，但同时考虑到随后的a(5)、a(6)接近0，绝对值小于almt，因此排除g(3)、g(4)的扰动，将a(3)、a(4)及计算a(3)、a(4)需要的受到了扰动的源数据统统以加粗斜体表示，我们将这几组数据从数据表中剔除，获得新的数据列表二，这组数据已经剔除了扰动，是接下来进行计算、识别的数据源。表二：剔除扰动后的数据表进一步，基于线性方程g(t)＝g0-r*t，利用剔除扰动后的数据，采用最小二乘法求解线性递归方程的参数g0和r，基于最小二乘法线性递归方程相关公式，可以得到：n为数据数量，w平均值时间坐标平均值r即为估计的实际流速。步骤(3)中，以输液泵的输液速度作为控制基准进行输液精度自动校正时，利用无扰动数据集的多点数据，基于最小二乘法，求解线性递归方程，获得速度估计值，并与设定流速相比较，修正下一控制周期的输液精度参数。另外，步骤(3)中，以输液泵的输液速度作为控制基准进行输液精度自动校正时，还可以采用另一种方法：在连续多个加速度值小于特定范围情况下，获取稳定的头尾2点数据，2点数据分别为开始时的重量数据、对应时间，及稳定的当前时刻的重量数据、对应时间。采用两点法评估计算实际流速：利用稳定的2点数据及其时间差计算实际流速，与设定流速相比较，修正下一控制周期的输液精度参数。采用最小二乘法和两点法评估计算实际流速后，输液精度自动校正方法为：设定流速为rset，流量数据预处理模块估算的实际流速为r，输液管路精度系数c为输液泵当前的转速流量传输特性参数，该参数为电机转动周数/ml或步进电机步数/ml等，该参数体现的是输液管路的传输液体的特性，在整个输液过程中由于管路的特性随时间、流速、温度等参数改变，该参数实际上是变化的，传统输液泵由于是开环控制，该参数一般是定值或仅仅根据流速的变化做一些简单的经验性补偿。对于同一管路在2个流速r1、r2相差不大的情况下，可以认为r1:c1＝r2:c2；本实施例基于本控制周期tc内的流速估计值r与设定rset的差异及当前的参数c，对下个tc控制周期内达成rset的目标对应的系数c进行估计：c＝c*rset/r将参数c传递给输液泵的计算、任务管理及决策模块11，计算、任务管理及决策模块11调整流量控制模块12的控制参数，达成输液精度自动校准功能。无论采用什么方法计算流速，由于采样获得的重量数据是包含干扰成分的，通过公式计算获得的流速值只是实际流速的估计值，采用最小二乘法求解线性递归方程的优点在于，其方法本身已经考虑了测量误差的影响，所以估计出的流速数据比两点法更平稳更接近实际值。进一步，输液失速识别模块23和管路失调识别模块24的异常识别包括:输液流速失控识别和输液管路调控失控识别；其中，输液流速失控识别具体为：为了确保安全，失速识别要求在控制周期tc尚未结束时就能识别，每次测到无扰动的重量值都要进行一次判断；实测输液量＝w(0)-w(n-1)，实测输液量为当前控制周期测得的稳定重量值与前测得的稳定重量值之差，即为这个时段测得的实际液体输出重量；理论输液量＝ts*(n-1)*rset，为设定流速与这个时段对应时间之乘积；流量偏差＝实测输液量-理论输液量，流量偏差超过规定值即为流速失控；规定值设定为tc控制周期内理论输液值的0.1-2倍，该值越小输液速度失控识别的误识别率越高，该值越大输液速度失控时非预期进入人体内的药液量越大；另外，输液管路调控失控识别具体为：流速校准中，调节后的输液管路精度系数c＝c*rset/r，如果管路的弹性不好，每个控制周期tc计算得到c值会逐渐增加，当c值达到预设的最大值cmax时，系统认定为管输液管路已不再适合继续使用，识别为：管路调控失控，数据处理单元2控制输液泵停止输液，报警模块15进行报警，提示医护更换管路。实施例2本实施例与实施例1的区别在于，实施例1以输液泵的输液流速作为校准对象，确保通过校准后的输液流速与设定流速相一致；本实施例将以输液泵的输液总量作为校准对象，确保通过校准后的理论输液总量与实际输液总量相一致。具体为，利用理论已输液量和实际已输液量的偏差，采用诸如增量式数字pid等迭代方式不断修正输液系数，调整输液速度，减少输液量偏差，达成理论输液量和实际输液量一致。如图4所示，扰动数据识别模块21的扰动数据的识别及处理中，设定一包含特定数量重量采样值的移动的数据观测窗，求数据观测窗内的各个加速度值，当所有加速度均处于接近0的一个范围内时，认为此时段内数据平稳，可以用于计算，否则予以舍弃。精度校准具体为：以输液总量作为控制目标，取稳定的初始重量值及各满足时间间隔大于等于控制周期tc要求的稳定的控制周期期末重量值，计算各控制周期的实际输液量值与理论输液量值的偏差e3、e2、e1，其中e3为当前控制周期内的输液量偏差，e2为上一个控制周期的输液量偏差，e1为再上一个控制周期的输液量偏差。每个控制周期迭代计算输液精度参数c0＝c0+q3*e3+q2*e2+q1*e1，其中q1、q2、q3为算法参数。按精度系数c0，限定(cmin，cmax)范围内，调节输液泵的电机转速，不断减少输液偏差。其中cmin为精度系数最小允许值，cmax为精度系数最大允许值。输液管路调控识别具体为：精度校准中，如果c0的计算结果超出cmax若干倍，说明管路的弹性已经无法满足使用要求，通知输液泵基本功能单元进行管路失调报警，以提醒客户更换管路，确保输液安全进行。输液流速失控识别具体为：在控制周期内，任何获得稳定重量数据的时刻都可以作为识别流速失控的时机，这确保了流速失控侦测的及时性。通过计算初始稳定重量值与当前稳定重量值之差获得初始稳定重量值时刻至当前的实际输液量，求取同样时段的理论输液量值，及实际输液量与理论输液量之差，如果该差值超过了偏差允许限则认为产生了流速失速，通知输液泵基本功能单元1进行管输液失速报警，以提醒客户及时干预，终止输液风险。综上，该系统的数据处理单元2包括扰动数据识别模块21，与扰动数据识别模块21连接的输液精度校准模块22、输液失速识别模块23，输液精度校准模块22连接管路失调识别模块24，扰动数据识别模块21用于剔除吊瓶或输液袋晃动的扰动数据,用于形成稳定的数据集或控制周期首尾数据；输液精度校准模块22用于对预处理后的数据和输液泵基本功能单元的计算、任务管理及决策模块传递的信号进行处理，达成输液精度自动校准功能；输液失速识别模块23和管路失调识别模块24将输液流速失控报警信息和/或输液管路调控失效信息传递给输液泵的计算、任务管理及决策模块，计算、任务管理及决策模块通过报警模块15报警，并停止输液，该系统和方法控制输液泵实现了输液的流量数据监控，该装置具有输液精度自动校准功能，输液流速失控报警以及输液管路调控失效报警功能，监控精度高，大大提高了输液泵的输液安全性以及输液稳定性。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。当前第1页12