本發明涉及一種液體輸注方法及系統，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。

背景技術：

輸注泵已經普遍適用于臨床治療，在國內已廣發用于麻醉、鎮痛、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。輸注泵的應用，降低了治療的患者的治療風險，減少了護理工作人員的工作量，大大的降低了傳統輸注方法在重病患者治療過程中產生的給藥風險。

醫療器械質量安全是醫院管理的重中之重，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重力輸注無法比擬的優點，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、漏血等異常進行檢測，并具有報警功能和自動切斷輸注通路。確保了患者的安全，減少了醫療事故的發生。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：構建一種基于壓電精確控制的液體輸注方法及系統，克服現有技術液體輸注不方便進行智能控制、液體輸注不精確的技術問題。

本發明的技術方案是：提供一種基于壓電精確控制的液體輸注方法，包括如下步驟：

輸入參數：輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速；

獲取控制參數：根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率；

驅動壓電振子：在確定的輸注時間向壓電振子施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子以確定的振動頻率工作；

輸注液體：壓電振子的振動控制腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。

本發明的進一步技術方案是：還包括監測輸液工作狀態。

本發明的進一步技術方案是：還包括輸出輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量、輸注液體流速、液體輸注時間、輸注液體剩余時間、輸注異常狀態提示信息、電池電量提示信息、網絡狀態信息、輸注液體類型、液體輸注流速列表中的一種或多種。

本發明的進一步技術方案是：還包括在輸注液體異常時報警。

本發明的進一步技術方案是：驅動壓電振子的驅動電壓為方波電壓。

本發明的技術方案是：構建一種基于壓電精確控制的液體輸注系統，包括輸入模塊、容納液體的腔體、壓電振子、壓電驅動模塊、控制單元，所述腔體的至少一個端面為彈性端面,所述壓電振子設置在所述腔體的彈性端面上，所述控制單元連接所述壓電驅動模塊，所述壓電驅動模塊連接所述壓電振子，所述輸入模塊輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速，所述控制單元根據所述輸注參數確定輸注時間，所述控制單元根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率，所述控制單元控制所述壓電驅動模塊在確定的輸注時間向壓電振子施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子以確定的振動頻率工作，所述壓電振子的振動控制所述腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。

本發明的進一步技術方案是：驅動所述壓電振子的驅動電壓為方波電壓。

本發明的進一步技術方案是：驅動所述壓電振子的振動頻率為0赫茲到1000赫茲。

本發明的進一步技術方案是：所述腔體包括進液閥和出液閥，所述進液閥連接所述進液口，所述出液閥連接所述出液口。

本發明的進一步技術方案是：所述進液閥和所述出液閥為單向閥門。

本發明的技術效果是：構建一種基于壓電精確控制的液體輸注方法及系統，輸入參數：輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速；獲取控制參數：根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率；驅動壓電振子：在確定的輸注時間向壓電振子施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子以確定的振動頻率工作；輸注液體：壓電振子的振動控制腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。本專利通過壓電振子的振動控制腔體的擴展和壓縮從而完成進液和出液，既方便進行智能控制，又確保輸注的精確，實現液體的精確輸注控制。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明壓電振子結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。

如圖1所示，本發明的具體實施方式是：提供一種基于壓電精確控制的液體輸注方法，包括如下步驟：

輸入參數：輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速。

具體實施過程是：通過輸入模塊10輸入輸注參數，包括輸入輸注液體總量和輸注液體的流速。

獲取控制參數：根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子4振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率。

驅動壓電振子：在確定的輸注時間向壓電振子4施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子4以確定的振動頻率工作。驅動壓電振子4的驅動電壓為方波電壓。

輸注液體：壓電振子4的振動控制腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。

具體實施過程如下：所述腔體3包括進液閥7和出液閥8，所述進液閥7連接所述進液口1，所述出液閥8連接所述出液口2。壓電振子4在交變電壓的作用下，產生彎曲變形從而形成腔體3內的容積和壓力的變化從而實現流體的單向流動。當壓電振子4在電壓的驅動下向外彎曲形變時，腔體3內產生一定的真空度，促使所述進液閥7開啟，所述出液閥8關閉，將液體吸入所述腔體3內。當壓電振子4向內運動時，所述進液閥7關閉，壓電振子4推動流體使所述出液閥8打開，所述腔體3中的液體從所述出液口2向外輸出。

如圖2所示，所述壓電驅動模塊5驅動所述壓電振子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。

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

如圖2所示，壓電振子4分成中間壓電陶瓷晶片部分(n區)，以及外圈基板襯底的共同部分(w區)兩個部分。對于n區，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表示距中心點距離(m)；

de表示n區等效彎曲剛度(n/m)，其計算公式如式(1-2)；

ve表示n區等效泊松比，其計算公式如式(1-4)；

m2表示n區外緣彎矩(n/m)，其計算公式如式(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相關知識計算得:

式中h表示n區總厚度，h＝hc+hp(m)；

ee表示n區等效彈性模量(pa)，其計算公式如式(1-3)：

n區等效彈性模量及等效泊松比為：

式中：c1表示壓電陶瓷與內圈部分厚度比c1＝hc/h；

c2表示基板與內圈部分厚度比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生的彎矩(n·m)，其計算公式如式(1-6)；

m1表示屬基板變形產生的彎矩(n·m)。

由壓電陶瓷產生的彎矩m0為：

式中dc表示基板抗彎剛度，

對于w區部分，其固定支撐為基板外圈外緣，根據彈性力學知識可得w區撓度為：

式中dp表示基板彎曲剛度，

b表示基板半徑(m)。

利用兩區域連接處的連續性方程，求解化簡得整個振子的振幅為：

式中k表示簡化系數，

綜上所述，壓電振子振幅為：

振子振動產生的容積變化量為：

如圖1、圖2所示，當壓電振子4在電壓的驅動下向外彎曲形變時，腔體3內產生一定的真空度，促使所述進液閥7開啟，所述出液閥8關閉，將液體吸入腔內。當壓電振子4向內運動時，所述進液閥7關閉，壓電振子4推動流體使所述出液閥8打開，液體從所述出液口2向外輸出。液體流量與振子振動幅度及驅動頻率有關，其每分鐘的輸出流量計算公式為：

、q＝(v0+δv)f·60

式中v0表示腔體固定體積(m³)；

δv表示振子的容積變化量(m³)；

f表示驅動頻率(hz)。

根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率。然后向壓電振子4以確定的振動頻率和輸注時間工作。壓電振子4的振動控制腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。還包括輸出輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量、輸注液體流速、液體輸注時間、輸注液體剩余時間、輸注異常狀態提示信息、電池電量提示信息、網絡狀態信息、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，本發明的具體實施方式是：構建一種基于壓電精確控制的液體輸注系統，包括：輸入模塊10、進液口1、出液口2、容納液體的腔體3、壓電振子4、壓電驅動模塊5、控制單元6，所述壓電振子4設置在所述腔體3的彈性端面31上，所述控制單元6連接所述壓電驅動模塊5，所述壓電驅動模塊5連接所述壓電振子4，所述腔體3連接所述進液口1和所述出液口2，所述控制單元6控制所述壓電驅動模塊5驅動所述壓電振子4振動，所述壓電振子4的振動控制所述腔體3擴展和壓縮從而完成進液和出液。所述輸入模塊10輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速，所述控制單元6根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率，所述控制單元6控制所述壓電驅動模塊5在確定的輸注時間向壓電振子4施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子4以確定的振動頻率工作，所述壓電振子4的振動控制所述腔體3擴展和壓縮從而完成進液和出液。具體實施例中，驅動所述壓電振子4的驅動電壓為方波電壓,驅動所述壓電振子4的壓電振子的振動頻率為0赫茲到1000赫茲。

如圖1所示，還包括監測模塊9，所述監測模塊9監測輸液工作狀態。監測模塊9包括檢測管路阻塞狀態的壓力傳感器，壓力傳感器傳感管路內部的壓力，若壓力超過設定值，則判斷為管路阻塞狀態。所述監測模塊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。所述監測模塊9還包括電池電量監測模塊，電池電量監測模塊監測電池的電量情況，然后進行電量使用情況的顯示以及信息提示。所述監測模塊9還包括系統監測模塊，在系統出錯時進行提醒。還包括報警模塊10，所述報警模塊在輸液狀態異常時報警。還包括輸出輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量、流速、輸注液體時間、電池容量、運行狀態以及輸注液體剩余時間。還包括輸出輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量、輸注液體流速、液體輸注時間、輸注液體剩余時間、輸注異常狀態提示信息、電池電量提示信息、網絡狀態信息、輸注液體類型、液體輸注流速列表中的一種或多種。

優選實施例中，所述腔體3包括進液閥7和出液閥8，所述進液閥7連接所述進液口1，所述出液閥8連接所述出液口2。壓電振子4在交變電壓的作用下，產生彎曲變形從而形成腔體3內的容積和壓力的變化從而實現流體的單向流動。當壓電振子4在電壓的驅動下向外彎曲形變時，腔體3內產生一定的真空度，促使所述進液閥7開啟，所述出液閥8關閉，將液體吸入所述腔體3內。當壓電振子4向內運動時，所述進液閥7關閉，壓電振子4推動流體使所述出液閥8打開，所述腔體3中的液體從所述出液口2向外輸出。所述進液閥7和所述出液閥8為單向閥門。

如圖1所示，本發明的優選實施方式是：還包括輸入輸液參數的輸入模塊11，所述輸入模塊11連接所述控制模塊6。還包括顯示輸液參數的顯示模塊12，所述顯示模塊12連接所述控制模塊6

本發明的技術效果是：構建一種基于壓電精確控制的液體輸注方法及系統，輸入參數：輸入輸注參數，所述輸注參數包括輸注液體總量和流速；獲取控制參數：根據所述輸注參數確定輸注時間，根據q＝(v0+δv)f·60確定壓電振子的振動頻率，其中：q表示每分鐘輸入流量，v0表示腔體容積，δv表示壓電振子振動時腔體容積的變化量，f表示壓電振子的振動頻率；驅動壓電振子：在確定的輸注時間向壓電振子4施以驅動電壓，該驅動電壓驅動壓電振子4以確定的振動頻率工作；輸注液體：壓電振子的振動控制腔體擴展和壓縮從而完成進液和出液。本專利通過壓電振子的振動控制腔體的擴展和壓縮從而完成進液和出液，既方便進行智能控制，又確保輸注的精確，實現液體的精確輸注控制。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。