一种屏磁定量输注系统

1.本发明属于强磁场环境下定量输注领域，具体涉及一种屏磁定量输注系统。


背景技术：

2.针对屏磁定量输注系统，例如中国专利，公开号为cn109009112a，其公开的一种基于法拉第笼的磁共振兼容输液系统，所述方法为“通过采用无磁金属材料的法拉第笼屏蔽模块和无磁材料的支撑模块将输液系统与磁共振强磁环境隔离开来，进而使输注模块与磁共振设备之间产生的电磁互不干扰，最终使病人可以在磁共振强磁环境下，在核磁扫描的同时进行输液操作。”3.然而，基于法拉第笼进行磁屏蔽的方式在法拉第笼外表面会产生等量的异种电荷，如果使用者不小心同时接触到两种电荷集中分布的区域就会形成回路，存在一定的触电风险。同时，一种基于法拉第笼的磁共振兼容输液系统中“输注工作站34为普通输注工作站或磁共振兼容输注工作站”，即用法拉第笼对现有的输注工作站进行磁屏蔽，并未提及对现有输注工作站的优化。此外，“当输液系统100离核磁共振设备过近而导致磁场强度过大时，即使有法拉第笼屏蔽模块，也仍然会对输液系统造成不利的影响。”，这就启发我们进一步思考如何更多地避免这种由于距离磁共振设备过近仍然带来的影响。
4.针对定量输注系统，例如中国专利，公开号为cn111317884a，其公开了一种便携式电子输注泵，“另一方面采用同轴的三个凸轮分别驱动对应的顶块先后运动，实现输液管的定量取料和定量输出，并形成一个蠕动过程”，即采用了三个顶块分别挤压输液管的形式实现定量输注，但是这忽略了每次挤压后输液管的变形，尤其是在输注速率较快时，输液管形变可能来不及恢复，这就导致每个周期输出的药液体积不一致。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种屏磁定量输注系统，具有以下优点，能够有效防止磁共振磁场与本系统磁场的互相干扰，保证使用过程的安全性，避免由于距离磁共振设备过近带来的影响；同时，改进的新蠕动泵结构进一步提高了输注精度。
6.技术方案：本发明包括屏磁定量输注装置、指压式血氧仪和心电监护仪；所述屏磁定量输注装置包括第一控制器，以及分别与第一控制器相连的动力部分、第一显示屏、第一通信模块，其中，动力部分包括顺次连接的机械结构、电机和电机驱动模块，且电机驱动模块与第一控制器连接；所述机械结构分为用于安装输液管的第一机械结构和用于安装注射器的第二机械结构，且每个机械结构均配有一个电机，电机在由第一控制器控制的电机驱动模块驱动下转动，带动机械结构挤压输液管或连续推动注射器；所述屏磁定量输注装置通过第一通信模块与指压式血氧仪、心电监护仪连接；所述屏磁定量输注装置的电机采用无磁旋转压电马达，导线均采用无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料；所述屏磁定量输注装置内部、指压式血氧仪和心电监护仪中向外辐射电磁波的元件或模块上均设有电磁屏蔽罩。
7.所述第一机械结构设置在屏磁定量输注装置左端，包括第一电机以及多个连接于第一电机转动轴的凸轮，第一电机转动，带动凸轮有规律地周期性挤压输液管；此外，首末两个凸轮的结构不同于中间的凸轮，首末两个凸轮用作锁死结构。
8.所述第二机械结构设置在屏磁定量输注装置右端，包括固定底板以及垂直安装在固定底板上方的前挡板、中间隔板、后挡板，，其中，前挡板和中间隔板之间安装注射器；所述前挡板、中间隔板、后挡板之间通过光轴连接，且在光轴位于中间隔板和后挡板之间的部分滑动安装滑块，滑块在光轴上由电机控制进行往复运动。
9.所述后挡板右侧安装刚性联轴器，刚性联轴器用于连接第二电机与滚珠丝杆，刚性联轴器一端与第二电机输出轴相连，刚性联轴器另一端与滚珠丝杆相连；所述第二电机旋转时通过刚性联轴器带动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆旋转时带动滑块旋转；所述光轴用于限制滑块的旋转，并将滑块的旋转运动转变成直线运动，从而使得滑块沿光轴直线运动。
10.所述屏磁定量输注装置还包括与第一控制器连接相连的气泡检测部分，气泡检测部分设置在输液管两侧，用于检测输液管内的气泡，并将检测结果传输至第一控制器。
11.所述气泡检测部分采用超声波气泡探测器。
12.所述屏磁定量输注装置还包括设置在输液管两端的压力传感器，用于实时监测输液管中的液压；所述压力传感器与第一控制器连接，将监测结果实时传输至第一控制器。
13.所述压力传感器采用无磁材料构成的柔性薄膜压力传感器。
14.还包括远程控制仪，所述远程控制仪的第二通信模块与屏磁定量输注装置的第一通信模块相连。
15.所述屏磁定量输注装置的第一显示屏下方设有第一按键模块。
16.有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)屏磁定量输注装置核心部件为无磁旋转压电马达，在屏磁定量输注装置内部产生电磁波的电路和模块加装法拉第笼电磁屏蔽罩，导线均由无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料组成，从而更好地保证了使用过程的安全性，也更能摆脱由于距离磁共振设备过近仍然带来的影响；(2)改进的新蠕动泵结构进一步提高了输注精度，同时系统具有生理参数监护功能，保证了护理的连续性，减少了病人进行磁共振检查的准备时间以及转运时间；(3)具有无线远程控制仪，可以在控制室内远程滴注药物，无须暂停或中止扫描序列，高效使用mri扫描仪器并提高磁共振检查服务的吞吐量。
附图说明
17.图1为本发明的工作原理示意图；
18.图2为图1中屏磁定量输注装置的结构示意图；
19.图3为本发明中第一机械结构的结构示意图；
20.图4为本发明中第一机械结构所包含的凸轮的结构图；
21.图5为本发明中第二机械结构的结构图；
22.图6为本发明的应用场景示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。
24.如图1、图2、图6所示，本发明包括装有药液的容器2、含有药物的注射器3、屏磁定量输注装置4、输液器的输液管5、检查床6、辅助支架7、指压式血氧仪8、心电监护仪9、远程控制仪10。其中，装有药液的容器2为输液袋、输液瓶等常规药液容器。检查床6为常规配套磁共振扫描仪的磁共振检查床。辅助支架7由无磁材料构成，可以为无磁材料构成的输液台车或输液台。指压式血氧仪8为3.0t磁共振系统兼容的指压式血氧仪。心电监护仪9为3.0t磁共振系统兼容的心电采集与处理系统。远程控制仪10由于内含声音报警器，因而不可以在磁共振室高磁场环境下工作，仅在控制室等常规环境使用，因而虽然其中的时钟电路、控制器向外辐射电磁波，但远程控制仪10任何部件无需加电磁屏蔽罩进行屏蔽。
25.为了更好说明本屏磁定量输注系统的技术方案，将本屏磁定量输注系统分为以下几个部分：控制中心、人机交互部分、动力部分、报警部分、检测部分、监护部分、通讯部分、电源部分、磁屏蔽部分。
26.其中，控制中心由第一控制器和第二控制器组成，其主要作用分别是作为屏磁定量输注装置4和远程控制仪10的控制中心。第一控制器分别连接动力部分、第一显示屏16、第一通信模块，第一控制器根据屏磁定量输注装置4的人机交互部分、检测部分、监护部分、远程控制仪10的通讯部分传回的数据控制动力部分、报警部分执行操作，并将数据通过屏磁定量输注装置4的通讯部分实时传输至远程控制仪10。第二控制器根据屏磁定量输注装置4通讯部分传回的数据控制远程控制仪10人机交互部分、报警部分执行正确的操作，并将远端操作人员11在第二显示屏提示下通过第二按键模块设定的参数实时传输至屏磁定量输注装置4，从而远程监控屏磁定量输注装置4。第一控制器和第二控制器可选型为msp430系列、stm32系列。
27.其中，人机交互部分由第一显示屏16、第一按键模块19、第二按键模块、第二显示屏、开机键组成。第一显示屏16和第二显示屏作用相同，主要用于显示本系统工作进程及状态信息，辅助用户进行更快捷的操作。第一按键模块19设置在第一显示屏16下方。用户通过第一按键模块19和第二按键模块设定输注量、输注速率、选择工作模式，通过开机键开机关机。第二按键模块为常规按键开关。第一显示屏16和第二显示屏可选型号为oled显示屏、tft液晶屏、lcd液晶屏。
28.其中，动力部分由机械结构、电机、电机驱动模块组成。电机为无磁旋转压电马达，该类型电机的外壳和其他部件由非磁性合金制成，即使在mri机器内部也可以兼容使用，而不会干扰图像，无磁压电马达在距离电机外壳10mm处磁通密度小于1nt。电机在经过第一控制器控制的电机驱动模块驱动后转动，机械结构将转动转变为对一次性输液器的输液管5的挤压运动或对含有药物的注射器3的连续推动。机械结构在输注方式下的结构与推注方式下的结构是不同的，因此，机械结构具有两种结构形式，具体如下：
29.如图3和图4所示，第一种为设置在屏磁定量输注装置4左端的第一机械结构121，第一机械结构121包括多个连接于电机转动轴的凸轮，首末两个凸轮的结构不同于中间的凸轮，首末两个凸轮用作锁死结构。在输注模式下，输液管上端107为靠近装有药液的容器2的一端，输液管下端109为靠近患者1的一段，第一电机13通过与其转动轴带动相连的第一凸轮101、第二凸轮102、第三凸轮103、第四凸轮104、第五凸轮105、第六凸轮106的转动，第一电机13转动一圈，每个凸轮也转动一圈，随着第一电机13转动，凸轮转动有规律地周期性挤压输液管5，从而实现定量排液的目的。每个周期凸轮转动的次序为：随着转动轴的转动
第一凸轮101先将输液管5压紧，从而使得输液管5的剩余一段恢复形变并充满药液，之后，第二凸轮102逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101对应的一段)恢复形变并充满药液，之后，第三凸轮103逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102对应的一段)内充满药液，之后，第四凸轮104逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102、第三凸轮103对应的一段)内充满药液，同时第二凸轮102逐渐放松挤压直至完全不挤压输液管的状态，在第四凸轮104压紧时，第二凸轮102刚好完全打开，之后，第五凸轮105逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102、第三凸轮103、第四凸轮104对应的一段)内充满药液，同时第三凸轮103逐渐放松挤压直至完全不挤压输液管的状态，在第五凸轮105压紧时，第三凸轮103刚好完全打开，之后，第六凸轮106逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102、第三凸轮103、第四凸轮104、第五凸轮105对应的一段)内充满药液，同时第四凸轮104逐渐放松挤压直至完全不挤压输液管的状态，在第六凸轮106压紧时，第四凸轮104刚好完全打开，之后，第五凸轮105逐渐放松挤压直至完全不挤压输液管的状态，之后，在第一凸轮101的转动下，其对应的蠕动片29挤压输液管5的剩余一段(除第一凸轮101和第六凸轮106对应的一段)，从而使得该段恢复形变充满液体，最后，第六凸轮106逐渐放松挤压直至完全不挤压输液管的状态，同时，第二凸轮102逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102对应的一段)内充满药液，往复循环，从而且确保在凸轮1
‑
6依次全部压下的每个周期内挤出药液的体积是固定的。
30.如图5所示，第二种为设置在屏磁定量输注装置4右端的第二机械结构122，第二机械结构122包括固定底板301以及垂直安装在固定底板301上方的前挡板302、中间隔板303、后挡板304，其中，前挡板302上开设通孔，中间隔板303上与前挡板302通孔相对应的位置开设
‘
u’型凹槽，用以安装注射器3；前挡板302、中间隔板303、后挡板304之间通过光轴307连接。
31.前挡板302、中间隔板303用于支撑和固定一次性注射器，即一次性注射器空筒前端穿过前挡板302上的圆孔，且空筒尾端的突起被中间隔板303的
‘
u’型凹槽阻挡，限制空筒向前挡板302方向运动；滑块306可以在光轴307上由电机控制进行往复运动，其运动的范围被中间隔板303、后挡板304限制。滑块306向中间隔板303方向运动时，推动一次性注射器活塞柄挤压内部液体从而将液体挤出，滑块306向后挡板304方向运动时与一次性注射器活塞柄脱离，从而可以方便地将一次性注射器再次取下更换。刚性联轴器308用于连接第二电机14与滚珠丝杆305，其一端与第二电机14输出轴相连，一端与滚珠丝杆305相连。第二电机14旋转时能够通过刚性联轴器308带动滚珠丝杆305旋转，滚珠丝杆305旋转时能带动滑块306旋转。光轴307用于限制滑块306的旋转，并将滑块306的旋转运动转变成直线运动，从而使得滑块306能够沿光轴307直线运动。弹性绷带309起到进一步固定一次性注射器的作用。
32.其中，报警部分由第一led指示灯17、第二led指示灯、声音报警器组成。第一led指示灯17、第二led指示灯的作用是通过灯光变换来提示使用者本系统处于何种工作状态，绿色闪烁表示使用者正在进行参数设定，绿色常亮表示正常工作，红色闪烁表示输液管内有气泡，红色常亮表示入口/出口堵塞。当系统工作异常时声音报警器会在led指示灯亮起的同时发出短鸣声音报警。当监护部分监测到患者1生理参数超出正常范围后，会通过长鸣声
音报警。第二led指示灯可选型号为包含红绿两种颜色的彩色发光二极管。声音报警器可选为常规蜂鸣器。
33.其中，检测部分由气泡检测部分18、压力传感器20组成。本实施例中，气泡检测部分18采用超声波气泡探测器，本系统选用压电式超声波探头安置于5一次性输液器的输液管两侧，分别用于发射、接收超声波，通过投射型方式检测气泡，其原理是气泡能够阻止超声波的通过，在气泡后形成声影区，从而检测出气泡。压力传感器20为无磁材料构成的柔性薄膜压力传感器，实时检测输液器的输液管5的压力，当压力不在设定范围内时，则控制中心控制报警部分进行报警。
34.其中，监护部分由指压式血氧仪8、心电监护仪9组成。指压式血氧仪8、心电监护仪9均选用高场强磁共振兼容硬件，指压式血氧仪8用于患者1的血氧饱和度实时监护，心电监护仪9用于心率的实时监护，若患者1的血氧饱和度或心率超出正常范围则控制中心通过控制报警部分进行声音报警，同时，人机交互部分中的第一显示屏16和第二显示屏也会实时显示心率、血氧饱和度异常值及ecg波形。
35.其中，通讯部分由第一通信模块、第二通信模块组成。第一通信模块、第二通信模块传输的无线信号的频率不等于磁共振设备的工作频率，否则会干扰磁共振成像，可选型为由si24r1或nrf24l01+或bk2425芯片构成的2.4g模块。第一通信模块、第二通信模块之间互相通讯，实现屏磁定量输注装置4和远程控制仪10的信息交互，具体而言，第一控制器通过第一通信模块将人机交互部分用户设定的参数以及监护部分、检测部分的信息传送至第二通信模块，进而被第二控制器接收做出响应。第二控制器通过第二通信模块将远端操作人员11设定的参数传输给第一通信模块，进而被第一控制器做出响应。即第一通信模块、第二通信模块进行双向无线通信，远端操作人员11可以通过远程控制仪10来监控、更改屏磁定量输注装置4的输注参数。
36.其中，电源部分由第一电池、第二电池组成。第一电池、第二电池的作用是为本系统供电，第一电池选用无磁可充电电池，提高系统的实用性，同时第一控制器通过电池电量实时监控电路监控剩余电量，并将剩余电量实时显示在第一显示屏16上；第二电池由于跟随远程控制仪10放于控制室，因此可为市电供电或可充电电池供电，对于其无磁性没有要求，如果选用可充电电池，第二控制器通过电池电量实时监控电路监控剩余电量，并将剩余电量实时显示在第二显示屏上。本实施例中，第一电池可选为无磁铝聚合物电池，第一电池用于给电机及第一控制器供电，同时第一控制器通过电池电量实时监控电路监控剩余电量，并将剩余电量实时显示在第一显示屏上。第二电池为常规锂电池。
37.其中，磁屏蔽部分由无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料组成的导线和磁屏蔽罩组成。本系统所有导线均由无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料组成，无磁金属材料包括铜、铜合金、铝、铝合金和不锈钢的一种或多种，具备导电性的高阻抗非金属材料为碳材料，如石墨、碳纤维；本系统中的时钟电路、控制器等工作会向外辐射电磁波，因而必须在向外辐射电磁波的元件或模块上加电磁屏蔽罩，屏蔽罩为无磁金属材料制成的法拉第笼。法拉第笼是一个等位体，它的内部电势差为0，电场为0，因此可防止静电场进入或逃逸，从而使得法拉第笼内部器件工作产生的电磁波和外部强磁环境互不干扰，即磁共振室强磁场既不会干扰内部器件的工作，本屏磁定量输注系统也不会对磁共振设备成像产生干扰。
38.本发明的系统能实现在3.0t磁共振扫描仪的强磁场环境(最强10000高斯线)下可调速定量输注药液，其中，输注量、输液速率由用户根据显示屏提示通过按键设定，能(在磁共振控制室内)通过无线远程控制仪调控输液速率并进行患者生理参数连续监护，具备静脉滴注(intravenous drip,ivd)与静脉推注(intravenous push,ivp)两种输注方式可选，其中，ivd方式适用于大剂量药液输注，如输注葡萄糖、生理盐水等；ivp方式适用于小剂量药液注射，如糖尿病患者对一次性对胰岛素的需求有限、磁共振造影剂一次性注入剂量有限但对输注速率稳定性要求高，以确保造影剂在血管内分布均匀。
39.如图6所示，本发明的应用场景如下：1患者平躺在磁共振室的检查床6上，屏磁定量输注装置4放于磁共振室内检查床6一侧，输注给药方式下，在其上方悬挂有装有药液的容器2，一次性输液器的输液管5穿过屏磁定量输注装置4并由其中的凹槽31固定，推动活动门盖30，使其与锁槽32卡合。推注给药方式下，在第二机械结构122上安装含有药物的注射器3并由弹性绷带309将其固定，装有药液的容器2和屏磁定量输注装置4安装或固定在辅助支架7上。穿过屏磁定量输注装置4的一次性输液器的输液管5向患者1手臂静脉内输注药物，屏磁定量输注装置4可由按键在显示屏的提示下进行人机交互，从而人为设置输注量，输注速率，同时可与控制室内远程控制仪10之间进行无线信息传输，即远端操作人员11也可以监控屏磁定量输注装置4。此外，考虑到一些患者有生理参数监护的需要，因此，屏磁定量输注装置4被设计为可无线接收来自指压式血氧仪8，心电监护仪9的生理参数。
40.高场强磁共振设备工作时产生的电磁场环境主要包括静磁场、梯度磁场和射频磁场。静磁场吸引铁磁性金属材料(如铁、钴和镍)，这种力学作用可能造成铁磁性元件移位，限制铁磁性金属数量是减少机械作用力的有效途径；由于电磁感应，导体在时变电磁场中会产生涡流，涡流存在热效应，同时其产生的磁场会影响静磁场的均匀性和射频磁场，从而使图像产生伪影和畸变，采用高阻抗非金属材质的导线以及减少回路面积能达到抑制涡流副作用的效果；射频磁场发射一系列射频脉冲，可以通过加磁屏蔽消除射频磁场对处于其中的其他系统正常工作的影响。
41.本屏磁定量输注系统之所以能在高磁场环境下正常工作，主要是因为屏磁定量输注装置4、指压式血氧仪8、心电监护仪9是磁兼容的，其中，屏磁定量输注装置4的电机选用无磁旋转压电马达，导线均由无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料组成，部分电路及模块在工作时会产生电磁波，将产生电磁波的部分加一无磁金属材料制成的法拉第笼电磁屏蔽罩，从而保证屏磁定量输注装置4是磁兼容的，而且需加屏蔽罩的模块均在屏磁定量输注装置4的内部，使得加屏蔽罩的面积更少，因而其安全性更好。其中，指压式血氧仪8和心电监护仪9的磁兼容方案是在其工作时会产生电磁波的部分模块加装法拉第笼电磁屏蔽罩，从而使得指压式血氧仪8和心电监护仪9也是磁兼容的。当然，为了磁兼容，装有药液的容器2、含有药物的注射器3、一次性输液器的输液管5、辅助支架7也需要是磁兼容的，但这由常规手段就可以实现，只要组成它们的材料是无磁的即可，故不再赘述。
42.同时，本系统为了增强输注精度，改进了蠕动泵的结构。具体为，在现有蠕动泵方案的基础上，增设了至少一块通过充盈液体使得输液管恢复形变的结构、以及前后至少各一块的锁死结构以确保液体不会回流，进一步提高了输注精度。具体为，本系统中，在第一凸轮101的转动下，其对应的蠕动片29挤压输液管5的剩余一段(除第一凸轮101和第六凸轮106对应的一段)，从而使得该段恢复形变充满液体，最后，第六凸轮106逐渐放松挤压直至
完全不挤压输液管的状态，同时，第二凸轮102逐渐压下直至最终压紧，从而使得输液管5的剩余一段(除第一凸轮101、第二凸轮102对应的一段)内充满药液，往复循环，从而且确保在凸轮1
‑
6依次全部压下的每个周期内挤出药液的体积是固定的。
43.总的来说，本系统中屏磁定量输注装置4核心部件为无磁旋转压电马达，仅其中部分产生电磁波的电路和模块在4屏磁定量输注装置内部加装法拉第笼电磁屏蔽罩，导线均由无磁金属材料或具备导电性的高阻抗非金属材料组成，有效防止磁共振磁场与本系统磁场的互相干扰，从而更好地保证了使用过程的安全性，也更能摆脱由于距离磁共振设备过近仍然带来的影响。改进的新蠕动泵结构进一步提高了输注精度，同时系统具有生理参数监护功能。从而使得本系统技术方案比现有技术上在安全性、输注精度方面更具优势。