1 系统设计原理
术后引流负压吸引器整体上是利用气压检测模块检测体内腔压，并使用两级电磁阀及薄膜泵的组合动态控制体内腔压，流速等关键性能指标。
灭菌缓冲接口：将通过该接口的病人腔内液体做前级灭菌、过滤及隔离处理。
气压检测模块：通过测量检测容器内的气压得出与管子连通的病人体内的压强。
缓冲容器：用于装载一个周期时间内病人分泌的体液。这一级缓冲主要用于对当前流量的进行检测。该容器装载在重力检测模块上，能精确测量缓冲容器前后的质量变化，并由此得出排出液的质量。再利用人体体液参数计算出病人排出的体液的体积。
缓冲容器所接的气囊：用于防止容器的内压过大。
薄膜泵：一种离心水泵，适用于输送高腐蚀、固液两相介质，也是目前世界上最为先进的料浆输送设备。由于病人术后的体内废液可能会有较为复杂的成分(如渗漏的消化液)，有时会有较低的pH值，因此薄膜泵是本系统最好的选择。
电磁阀：具有良好的气密性，可以防止微漏，起到第二重保护作用，在薄膜泵完全开启并开始工作之前，可能会瞬时出现后级的压强暂时大于前级的压强的情况，使用电磁阀可以防止后级的液体倒灌到前级进入病人的体内，有效保障了病人的健康。
吸收容器：含有弱碱性吸收剂，可以有效吸收来自缓冲容器的体液并中和酸性。

2 系统硬件设计
负压吸引器系统主要由机械引流模块、功率驱动电路、传感器检测模块、电源管理模块、人机交互模块、报警模块与主控模块构成。其系统框图如图2所示。

2．1 机械部分设计
主要由薄膜泵、电磁阀、计量集液瓶(缓冲容器)、支架和连接导管构成。
根据现有科研数据，肠胃道术后对患者进行负压引流时最佳负压大小为-7～-5 kPa，系统使用容器截面积约为24cm2，使用P09A12R型薄膜泵，可实现至少-7 kPa的负压。电磁阀采用BOSUN-2W250-25-DC12V型电磁阀，具有良好的气密性。经测试，采用这两款薄膜泵和电磁阀能够实现最高8 mL／s抽取速度，完全能够满足对病人体液的抽取。

2．2 功率驱动部分设计
负责执行主控模块对机械部分薄膜泵和电磁阀的控制。

同时也起到了对控制模块和机械模块之间的隔离作用，防止强电串扰至弱电毁坏控制电路。使用4个NPN型MOS管IRF3205(Vdss=55 V，导通电阻Rds=0．8 mΩ，极限电流80 A)驱动薄膜泵和电磁阀并使用IR4427实现主控模块对MOS管的驱动。

2．3 传感器检测部分
由称重传感器、表压传感器、pH值传感器等传感器件构成，主要完成对病人腔压、负压吸引器产生的负压、体液的抽取速度、以及其它医学参数(如体液的pN值等)的测量。
称重传感器设计：压力应变片内部电桥阻值分布能够根据外部压力的大小而线性变化。采用20 kg压力应变片与信号调理电路实现。变化范围仅有50μV左右。首先使用精密仪放INA118构成前级信号放大，将信号放大5 000倍，再用通用运放LM358对信号做进一步放大和电平调整，使所称重量在0～100 g间变化时输出电压范围为0．2～2．5 V，方便主控模块使用AD采样。

气压传感器设计：气压传感器用于对负压吸引器产生的负压进行精确舅量，使用亚科电子科技公司的TTP501型气压传感器，一种桥式硅压阻器件，其压力测量范围为0～120kPa，工作电流为0．3 mA，输出电压范围为0．5～3 V，精度高于1％。利用此传感器可以实现对负压的精确测量。
pH值传感器设计：体液pH值为医学中的重要参数，对pH值的精确测量可以有效监控患者的体内代谢状况。使用有高电压PMOS管和高压二极管优点的运放CA3140组成双高阻差分输入电路以减小共模信号的干扰。输出电压：V0=(1+2R4／Rg)·(R3／R2)·(V2-V1)。

同时应用DS18B20数字温度传感器结合软件的设计完成温度补偿以提高测量精度。pH计的功耗约100 mW。测量精度可达±0．01 pH。

2．4 控制部分
人机交互模块：用于用户指令的输入，显示所测量的体内体液参数。显示模块使用诺基亚5110液晶显示屏实现，与主控模块之间的通信通过SPI接口实现，具有功耗低、控制简便等优点。
异常报警模块：主要由有源蜂鸣器及一个NPN型三极管8050构成。当主控模块输出报警信号时，给8050基极施加高电平，有源蜂鸣器发出洪亮的报警声，提示医护人员进行相应操作。
主控模块：主要以STM32为核心，完成本系统的数据分析、功能控制、显示及针对系统数据的反馈处理。STM32 F103是一款32位单片机，AD数据采集的精度极高。具有2个12位AD转换器(16通道)以及6路PWM输出和7个定时器，足以实现对各功能模块的自动控制、信号采集和处理。

3 系统软件设计
本系统软件开发是基于Keil for ARM的开发环境下完成的。主要使用C语言编写。软件包括各个模块的底层驱动及数据的采集和处理。系统软件流程图如图7所示。

系统上电初始化，使用定时中断方式扫描按键输入，并定时在液晶显示屏上更新显示当前的瓶内气压、总流量、平均流速、pH值等参数。这部分程序在中断函数中，已在主体部分流程图中省略。
系统工作之前先由医护人员选择脏器手术类型，系统会据所需的负压引流的门限压强每30 s检测一次检测容器的气压，并动态控制薄膜泵引流体液，以保证瓶内稳定的负压。当瓶内的气压大于门限气压时，系统依次打开薄膜泵1和电磁阀1，以防止瞬间的倒灌现象。
当液体被抽到缓冲容器中后，STM32使用12位AD采样称重传感器模块输出的信号并计算得出每次注入的体液的质量，并计算体液所占的体积。最后，控制后级的薄膜泵2和电磁阀2将称量后的体液注入吸收容器之中。并累加计算吸收容器吸收的液体体积，能及时提醒医护人员及时更换后级的吸收剂。

4 系统测试
4．1 气压传感器压力测试
引流的压力测试结果如表1所示。

4．2 液位流量测试
引流的流量测试结果如表2所示。
综上可见：压力测试模块的平均误差为0．52％，满足设备的要求。
流量检测模块的平均误差为1．9％，满足设备的要求。

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