本發(fā)明涉及一種液體輸注方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種基于壓電、能精確控制的液體輸注方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

輸注泵已經(jīng)普遍適用于臨床治療，在國內(nèi)已廣發(fā)用于麻醉、鎮(zhèn)痛、抗生素治療、腫瘤化療、心腦血管疾病治療、高血壓、糖尿病的治療。輸注泵的應(yīng)用，降低了治療的患者的治療風(fēng)險，減少了護(hù)理工作人員的工作量，大大的降低了傳統(tǒng)輸注方法在重病患者治療過程中產(chǎn)生的給藥風(fēng)險。

醫(yī)療器械質(zhì)量安全是醫(yī)院管理的重中之重，因此希望有一種高性能、智能化的自動輸注裝置。智能輸注泵具有傳統(tǒng)重力輸注無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它可以精確測量和控制輸注速度，輸注量流線良好，能對氣泡、阻塞、漏血等異常進(jìn)行檢測，并具有報(bào)警功能和自動切斷輸注通路。確保了患者的安全，減少了醫(yī)療事故的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：構(gòu)建一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注方法及系統(tǒng)，克服現(xiàn)有技術(shù)液體輸注不方便進(jìn)行智能控制、液體輸注不精確的技術(shù)問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注方法，包括如下步驟：

輸入?yún)?shù)：輸入輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量和流速；

獲取控制參數(shù)：根據(jù)所述輸注參數(shù)確定輸注時間，根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)；

驅(qū)動壓電振子：向第一壓電振子和第二壓電振子輸入驅(qū)動電壓，使第一壓電振子和第二壓電振子在輸注時間內(nèi)以確定振動頻率振動；

輸注液體：第一壓電振子和第二壓電振子的振動控制第一腔體和第二腔體擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括監(jiān)測輸液工作狀態(tài)。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括輸出輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量、輸注液體流速、液體輸注時間、輸注液體剩余時間、輸注異常狀態(tài)提示信息、電池電量提示信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、輸注液體類型、液體輸注流速列表中的一種或多種。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括在輸注液體異常時報(bào)警。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：驅(qū)動壓電振子的驅(qū)動電壓為方波電壓。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注系統(tǒng)，包括輸入裝置、容納液體的第一腔體、容納液體的第二腔體、第一壓電振子、第二壓電振子、壓電驅(qū)動模塊、控制單元，所述第一腔體和所述第二腔體連通，所述第一腔體包括第一進(jìn)液閥，所述第二腔體包括出液閥，所述第一腔體的至少一個端面為彈性端面，所述第二腔體的至少一個端面為彈性端面，所述第一壓電振子設(shè)置在所述第一腔體的彈性端面上，所述第二壓電振子設(shè)置在所述第二腔體的彈性端面上，所述壓電驅(qū)動模塊連接所述第一壓電振子和第二壓電振子，所述輸入裝置輸入輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量和流速，所述控制單元根據(jù)所述輸注參數(shù)確定輸注時間，所述控制單元根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)，所述控制單元控制所述壓電驅(qū)動模塊向所述第一壓電振子和所述第二壓電振子輸入驅(qū)動電壓，使所述第一壓電振子和所述第二壓電振子在輸注時間內(nèi)以確定振動頻率振動，所述第一壓電振子和第二壓電振子的振動控制所述第一腔體和所述第二腔體擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：驅(qū)動所述壓電振子的驅(qū)動電壓為方波電壓。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括報(bào)警模塊，所述報(bào)警模塊在輸液狀態(tài)異常時報(bào)警。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括輸入輸液參數(shù)的輸入模塊，所述輸入模塊連接所述控制單元。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：還包括顯示輸液參數(shù)的顯示模塊，所述顯示模塊連接所述控制單元。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：構(gòu)建一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注方法及系統(tǒng)，輸入?yún)?shù)：輸入輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量和流速；獲取控制參數(shù)：根據(jù)所述輸注參數(shù)確定輸注時間，根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)；向第一壓電振子和第二壓電振子輸入驅(qū)動電壓，使第一壓電振子和第二壓電振子在輸注時間內(nèi)以確定振動頻率振動；輸注液體：壓電振子的振動控制腔體擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。本專利通過壓電振子的振動控制雙腔體的擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液，既方便進(jìn)行智能控制，又確保輸注的精確，實(shí)現(xiàn)液體的精確輸注控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施方式是：提供一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注方法，包括如下步驟：

輸入?yún)?shù)：輸入輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量和流速。

具體實(shí)施過程是：通過輸入裝置輸入輸注參數(shù)，包括輸入輸注液體總量和輸注液體的流速。

獲取控制參數(shù)：根據(jù)所述輸注參數(shù)確定輸注時間，根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)；

驅(qū)動壓電振子：向第一壓電振子和第二壓電振子輸入驅(qū)動電壓，使第一壓電振子和第二壓電振子在輸注時間內(nèi)以確定振動頻率振動；

輸注液體：第一壓電振子和第二壓電振子的振動控制第一腔體和第二腔體壓縮和擴(kuò)展從而完成進(jìn)液和出液。

如圖1、圖2所示，具體實(shí)施過程如下：包括進(jìn)液口1、出液口2、容納液體的第一腔體3、容納液體的第二腔體4、第一壓電振子5、第二壓電振子6，所述第一腔體3連接所述進(jìn)液口1，所述第二腔體4連接所述出液口2，所述第一腔體3和所述第二腔體4連通，所述第一腔體3包括第一進(jìn)液閥31，所述第一進(jìn)液閥31連接所述進(jìn)液口1，所述第二腔體4包括出液閥41，所述出液閥41連接所述出液口2，所述第一腔體3的至少一個端面為彈性端面，所述第二腔體4的至少一個端面為彈性端面，所述第一壓電振子5設(shè)置在所述第一腔體3的彈性端面上，所述第二壓電振子6設(shè)置在所述第二腔體4的彈性端面上，所述第一壓電振子5和所述第二壓電振子6的振動控制所述第一腔體3和所述第二腔體4的壓縮和擴(kuò)展從而完成進(jìn)液和出液。第一壓電振子5在交變電壓的作用下，產(chǎn)生彎曲變形形成所述第一腔體3內(nèi)的容積和壓力的變化從而實(shí)現(xiàn)流體的單向流動。第二壓電振子6在交變電壓的作用下，產(chǎn)生彎曲變形形成所述第二腔體4內(nèi)的容積和壓力的變化從而實(shí)現(xiàn)流體的單向流動。

具體工作過程為：當(dāng)?shù)谝粔弘娬褡?在電壓的驅(qū)動下向外彎曲形變時，所述第一腔體3內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，促使所述第一進(jìn)液閥31開啟，所述出液閥41關(guān)閉，將液體吸入所述第一腔體3內(nèi)。同時，當(dāng)?shù)诙弘娬褡?在電壓的驅(qū)動下向外彎曲形變時，所述第二腔體4內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，所述出液閥41關(guān)閉，將所述第一腔體3內(nèi)的液體吸入所述第二腔體4內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粔弘娬褡?向內(nèi)運(yùn)動時，所述第一進(jìn)液閥7關(guān)閉，所述第一腔體3中的液體流向所述第二腔體4。同時，所述第二壓電振子6向內(nèi)運(yùn)動時，所述第一進(jìn)液閥7關(guān)閉，所述第二壓電振子6推動流體使所述出液閥41打開，從所述出液口2向外輸出。具體實(shí)施例中，所述第一進(jìn)液閥31和所述出液閥41為單向閥門，單向閥門保證液體的單向流動。

如圖2所示，所述壓電驅(qū)動模塊5驅(qū)動所述壓電振子4振動，所述壓電振子4是由壓電陶瓷晶片和基板襯底組成，壓電陶瓷晶片設(shè)置在基板襯底上，所述壓電振子4的基板襯底為彈性材料，所述壓電陶瓷晶片包括但不僅限于壓電生物陶瓷，如linbo3單晶(鈮酸鋰)、pzt(鋯鈦酸鋁)和batio3(鈦酸鋇)壓電陶瓷等。

具體實(shí)施過程如下：當(dāng)外電場作用于所述壓電振子4的基板襯底兩端時材料發(fā)生形變，其形變量正比于與外電場強(qiáng)度，對其極化方向上的兩個端面施加正負(fù)相反的交變電壓，所述壓電振子4會進(jìn)行上凸或下凹的變形。

如圖1、圖2所示，壓電振子分成中間壓電振子和基板共同部分(n區(qū))，以及外圈部分(w區(qū))兩個部分。對于n區(qū)，此時可將壓電振子簡化為在r＝a處簡支的彎曲薄板，此時n區(qū)相對于o1的撓度為：

式中a表示壓電陶瓷半徑(m)；

r表示距中心點(diǎn)距離(m)；

de表示n區(qū)等效彎曲剛度(n/m)，其計(jì)算公式如式(1-2)；

ve表示n區(qū)等效泊松比，其計(jì)算公式如式(1-4)；

m2表示n區(qū)外緣彎矩(n·m)，其計(jì)算公式如式(1-5)。

令壓電陶瓷厚度為hc，基板厚度為hp，等效彎曲剛度由材料力學(xué)相關(guān)知識計(jì)算得：

式中h表示n區(qū)總厚度，h＝hc+hp(m)；

ee表示n區(qū)等效彈性模量(pa)，其計(jì)算公式如式(1-3)：

n區(qū)等效彈性模量及等效泊松比為：

式中：c1表示壓電陶瓷與內(nèi)圈部分厚度比c1＝hc/h；

c2表示基板與內(nèi)圈部分厚度比c2＝hp/h；

ec表示壓電陶瓷的彈性模量(pa)；

ep表示基板的彈性模量(pa)；

vc表示壓電陶瓷的泊松比；

vp表示基板的泊松比。

n區(qū)外緣彎矩m2可寫為

m2＝m0-m1(1-5)

式中m0表示壓電陶瓷變形產(chǎn)生的彎矩(n·m)，其計(jì)算公式如式(1-6)；

m1表示金屬基板變形產(chǎn)生的彎矩(n·m)。

由壓電陶瓷產(chǎn)生的彎矩m0為：

式中dc表示基板抗彎剛度，

d31表示z方向上的機(jī)電耦合系數(shù)。

對于w區(qū)部分，其固定支撐為基板外圈外緣，根據(jù)彈性力學(xué)知識可得w區(qū)撓度為：

式中dp表示基板彎曲剛度，

b表示基板半徑(m)。

利用兩區(qū)域連接處的連續(xù)性方程，求解化簡得整個振子的振幅為：

式中k表示簡化系數(shù)，

綜上所述，壓電振子振幅為：

振子振動產(chǎn)生的容積變化量為：

如圖1、圖2所示，壓電驅(qū)動模塊為輸注裝置的驅(qū)動單元，壓電振子在交變電壓的作用下，產(chǎn)生彎曲變形從而形成腔體內(nèi)的容積和壓力的變化配合上單向閥門的開閉，從而實(shí)現(xiàn)流體的單向流動。當(dāng)壓電振子在電壓的驅(qū)動下向上彎曲形變時，腔體內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，促使進(jìn)口閥開啟，將液體吸入腔內(nèi)。當(dāng)振子向下運(yùn)動時，壓電振子推動流體使出口閥打開，液體從出口處向外輸出。雙腔體壓電微泵相當(dāng)于所述第一腔體3和所述第二腔體4兩個單腔體微泵依次相連。其中中間閥門既作為所述第一腔體3的出口閥，也作為所述第二腔體4的進(jìn)口閥。串聯(lián)方式的雙腔體壓電泵多采用異步驅(qū)動的方式，當(dāng)一個振子處在吸程狀態(tài)時另一個振子處于排程狀態(tài)，這樣帶來的好處是兩個振子對中間閥的作用力方向是一致的，或是一起使它打開或關(guān)閉，中間閥片的驅(qū)動力更大，運(yùn)動速度更快，減小了反向流量。同時由于所述第二腔體4在吸程時所述第一腔體3在排程，通過中間閥片由所述第一腔體3進(jìn)入所述第二腔體4的液體將會獲得一定的動能，再經(jīng)過第二個振子6進(jìn)行推動向外輸出，所以獲得的輸出壓力更大，性能更好。同時從尺寸上來講，雙腔體壓電泵只增加了一層閥片和一個腔體高度，對總體尺寸影響不大，仍然可以十分便攜，同時輸出能力得到顯著增強(qiáng)。

雙腔體串聯(lián)壓電泵的第二腔體入口壓力為第一腔體出口壓力，輸出壓力為：

pout-p1+p2(1-12)

式中p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(kpa)；

p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(kpa)。

同時要滿足工作介質(zhì)為空氣和水時都能實(shí)現(xiàn)泵送功能，由理想氣體絕熱壓縮公式可得：

式中v0表示初始體積(m³)；

δv表示振子引起的體積變化(m³)；

γ表示絕熱系數(shù)；

δp表示振子引起的壓力差(pa)；

而當(dāng)工作介質(zhì)為水時，設(shè)水的壓縮比為κ，由

v0+δv＝v0(1-κδv)(1-14)

p0為入口處壓強(qiáng)也就是大氣壓強(qiáng)

對于第一個腔體來說，p1為出口壓力，p1＝p0+δp

帶入計(jì)算可得：(1)

對于第二腔體來說，p1為入口壓力，p2為出口壓力

帶入公式得：(2)

由伯努利方程與連續(xù)性方程可推得通過矩形狹縫的液體流量為：

式中c表示流量系數(shù)；

δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)；

l表示閥片長度(m)；

h表示閥片厚度(m)；

b表示閥片寬度(m)；

ρ表示液體密度(kg/m⁵)；

其中

然后向壓電振子4以確定的壓電振子的振動頻率和輸注時間輸入驅(qū)動電壓，該驅(qū)動電壓驅(qū)動壓電振子4工作。壓電振子4的振動控制腔體擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的具體實(shí)施方式是：構(gòu)建一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注系統(tǒng)，包括：進(jìn)液口1、出液口2、容納液體的第一腔體3、容納液體的第二腔體4、第一壓電振子5、第二壓電振子6、壓電驅(qū)動模塊7、控制單元8，所述第一腔體3連接所述進(jìn)液口1，所述第二腔體4連接所述出液口2，所述第一腔體3和所述第二腔體4連通，所述第一腔體3包括第一進(jìn)液閥31，所述第一進(jìn)液閥31連接所述進(jìn)液口1，所述第二腔體4包括出液閥41，所述出液閥41連接所述出液口2，所述第一腔體3的至少一個端面為彈性端面，所述第二腔體4的至少一個端面為彈性端面，所述第一壓電振子5設(shè)置在所述第一腔體3的彈性端面上，所述第二壓電振子6設(shè)置在所述第二腔體4的彈性端面上，所述壓電驅(qū)動模塊7連接所述第一壓電振子5和第二壓電振子6，所述控制單元8根據(jù)所述輸注參數(shù)確定輸注時間，所述控制單元8根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)，所述控制單元8控制所述壓電驅(qū)動模塊7以確定的壓電振子的振動頻率和輸注時間輸入驅(qū)動電壓驅(qū)動所述第一壓電振子5和第二壓電振子6振動，所述第一壓電振子5和第二壓電振子6的振動控制所述第一腔體3和所述第二腔體4擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。具體實(shí)施例中，驅(qū)動所述壓電振子4的驅(qū)動電壓為方波電壓,驅(qū)動所述壓電振子4的壓電振子的振動頻率0hz至1000hz。

如圖1、圖2所示，還包括監(jiān)測模塊9，所述監(jiān)測模塊9監(jiān)測輸液工作狀態(tài)。監(jiān)測模塊9包括檢測管路阻塞狀態(tài)的壓力傳感器，壓力傳感器傳感管路內(nèi)部的壓力，若壓力超過設(shè)定值，則判斷為管路阻塞狀態(tài)。所述監(jiān)測模塊9還包括時間提醒模塊，時間提醒模塊通過確定的輸注時間可以確定輸液時間，包括提醒輸注即將完畢或者輸注完畢的信息。所述監(jiān)測模塊9還包括電池電量監(jiān)測模塊，電池電量監(jiān)測模塊監(jiān)測電池的電量情況，然后進(jìn)行電量使用情況的顯示以及信息提示。所述監(jiān)測模塊9還包括系統(tǒng)監(jiān)測模塊，在系統(tǒng)出錯時進(jìn)行提醒。還包括報(bào)警模塊10，所述報(bào)警模塊在輸液狀態(tài)異常時報(bào)警。還包括輸出輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量、輸注液體流速、液體輸注時間、輸注液體剩余時間、輸注異常狀態(tài)提示信息、電池電量提示信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、輸注液體類型、液體輸注流速列表中的一種或多種。

如圖1所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式是：還包括輸入輸液參數(shù)的輸入模塊11，所述輸入模塊11連接所述控制單元8。還包括顯示輸液參數(shù)的顯示模塊12，所述顯示模塊12連接所述控制單元8。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：構(gòu)建一種基于壓電雙腔體精確控制的液體輸注方法及系統(tǒng)，輸入?yún)?shù)：輸入輸注參數(shù)，所述輸注參數(shù)包括輸注液體總量和流速；獲取控制參數(shù)：根據(jù)確定壓電振子的振動頻率f，其中：qout表示每分鐘輸入流量，p1表示第一腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，p2表示第二腔體單獨(dú)輸出壓力(單位：kpa)，其中：c表示流量系數(shù)，δp表示閥片兩側(cè)壓力差(pa)，l表示閥片長度(m)，h表示閥片厚度(m)，b表示閥片寬度(m)，ρ表示液體密度(kg/m³),e表示閥片的彈性模量，l表示閥片的總長度，f表示壓電振子的振動頻率(hz)；驅(qū)動壓電振子：向壓電振子以確定的壓電振子的振動頻率和輸注時間輸入驅(qū)動電壓，該驅(qū)動電壓驅(qū)動壓電振子工作；輸注液體：壓電振子的振動控制腔體擴(kuò)展和壓縮從而完成進(jìn)液和出液。本專利通過壓電振子的振動控制從而完成進(jìn)液和出液，既方便進(jìn)行智能控制，又確保輸注的精確，實(shí)現(xiàn)液體的精確輸注控制。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。