醫用輸液泵液體輸送動力學與流速校準及計量方法研究

蔡 莉　李 菲　周衛華　張志強

醫用輸液泵液體輸送動力學與流速校準及計量方法研究

蔡 莉①李 菲①周衛華①張志強②*

醫用輸液泵因能夠準確控制液體流速，液流線性度良好，不產生脈沖，故主要用于大容量和較高流速的靜脈常規輸液，以確保藥液能夠速率均勻、藥量精準、長時間安全地進人體。完成此功能的執行機件是動力泵，指狀蠕動泵因其體積小、重量輕，定量準確，是目前輸液泵廣泛采用的液體輸送動力泵。通過分析全擠壓式指狀蠕動泵和半擠壓式指狀蠕動泵的工作原理及結構組成，并對輸液泵在應用中的優缺點進行深入探討，從而重視對輸液泵輸注速率和計量作定期校準，以保證輸液泵輸注安全可靠。

指狀蠕動；線性度；擠壓；校準；計量

［First-author's address］ Department of Nuclear Medicine， General Hospital of Chinese People’s Armed Police Force， Beijing 100039， China.

臨床上根據藥物性質和患者體況，靜脈輸液中要控制適當的輸液速率，液速過快，可能引發中毒，嚴重者會導致水腫或心力衰竭；液速過慢，則可能發生藥量不足和拖延輸液時間以致影響治療效果。因此，要求醫用輸液泵能夠準確控制液體流速，液流線性度良好，不產生脈沖，確保藥液能夠速率均勻、藥量精準及長時間安全地進人體，并能夠實時檢測輸液管路的氣泡、空液、漏液以及阻塞等異常及時報警［1-3］。臨床中用于大容量和較高流速的靜脈常規輸液，最低流速可以控制在1 ml/h、精度為±5%，單次給藥量能達到9999 ml［4］。輸液泵臨床應用的風險管理引發人們的廣泛注意，美國醫療器械評價機構（ECRI）每年發布的“10大病人安全問題”中均列有“輸液泵問題”。因此，加強輸液泵的質量控制管理是一重要課題。

1　輸液泵工作原理及輸送動力學

醫用輸液泵主要由微機系統、流量泵、監測裝置、報警裝置、輸入及顯示裝置組成［5］。流量泵是輸液泵的液體動力源，采用蠕動式結構，按動力源的結構形式，可分為指狀蠕動泵、盤狀蠕動泵及彈性蠕動泵等。

1.1指狀蠕動泵

指狀蠕動泵也稱為線性蠕動泵，其體積小、重量輕、定量準確以及輸液管安裝方便，是目前輸液泵主流的液體動力泵結構［6］。指狀蠕動泵的關鍵機件是凸輪軸，由具有一定間隔距離的多個凸輪（通常為12個）組成，其中的各凸輪在軸線上都相差設定的角度。當步進電機驅動凸輪軸旋轉時，凸輪驅使葉片（相當于手指）按照一定順序和規律垂直往復運動，如同波浪一樣依次擠壓輸液管，使輸液管中的液體以一定的速度定向流動［7］（如圖1所示）。順序，由此可以確定輸液管的液體流向。同理，凸輪軸轉速能確定液體的流速，因此通過控制步進電機的驅動脈沖即可調節凸輪軸的轉動速度，進而實現對輸液速率和總量的精準控制。在輸液管內徑一定的情況下，液體流動速度主要與凸輪軸的轉動速度有關，目前由指狀蠕動泵驅動的輸液泵其精度可達數ml/h。

圖1　指狀蠕動泵原理示意圖凸輪軸的旋轉方向能決定凸輪擠壓輸液管的先后

指狀蠕動泵可根據用途分為全擠壓式和半擠壓式，全擠壓式與半擠壓式的主要區別在于擠壓輸液管的最小間隙和驅動方式［8］。

（1）全擠壓式指狀蠕動泵。全擠壓式指狀蠕動泵在擠壓區內，其輸液管路的每一處都要依次被完全擠壓至斷流狀態［9］（如圖2所示）。

圖2　全擠壓狀態示意圖

為滿足全擠壓式指狀蠕動泵輸出的液體脈動度和線性度，通常要在凸輪軸上選用12個凸輪，其中每個相鄰凸輪的相位差為30o，并使泵片順次達最低點。因此，每一擠壓液體周期的曲線類似正弦波，可明顯改善液體輸出的線性度，其脈動也較小［10］。

全擠壓式指狀蠕動泵的特點是，每一個葉片都要依次將管路完全擠壓至夾斷狀態。由于強擠壓狀態下輸液管路的彈性容易被葉片損壞（壓扁），使得管路不能恢復到原有的管徑，會導致低流量時的液體供給精度下降。因而，若使用時間較長，通常可以變換一段蠕動泵擠壓位置，以保證管路的彈性。全擠壓式指狀蠕動泵的優點是輸液效率高、單個周期內線性度較好；缺點是輸液不夠均勻［11］。

（2）半擠壓式指狀蠕動泵。半擠壓式指狀蠕動泵的凸輪軸上有4種凸輪，分別為尖頭的進液閥凸輪和出液閥凸輪、平頂的擠壓凸輪和補償凸輪，這4種凸輪有各自的運行軌跡和功能。進液時，進液閥A打開、出液閥B關閉、擠壓葉片1、2、3、4上移，液體灌沖到輸液管路內；出液時，進液閥A關閉、出液閥B打開、擠壓葉片1、2、3、4下壓（不到底），液體從輸液管路中流出。如此往復，步進電機帶動凸輪軸轉動，使葉片按照一定順序和運動軌跡上下往復運動擠壓彈性輸液管，輸液管中的液體會以一定的速度定向流動［12］。半擠壓式指狀蠕動泵流速的控制較為精確，凸輪軸轉速與流速基本呈線性關系（如圖3所示）。

圖3　半擠壓式指狀蠕動泵示意圖

半擠壓式指狀蠕動泵的特點是，輸液管路不會完全擠壓，可以避免對輸液管路的藥液成份和葉片對輸液管路的破壞，另外此種蠕動泵的流速也比較均勻；缺點是輸液效率減半，若需要達到與全擠壓式相同輸液速率，電機的轉速則要提高一倍［13］。

（3）彈性門。由于輸液管的品牌與規格不盡相同，其管徑也會存在一定的差異，為適應各種輸液管壁厚的誤差，輸液泵在泵門上安置了彈性裝置［14］。輸液泵的艙門為彈性門，彈性門背面有一塊彈性壓板，其作用是通過彈性壓板與蠕動泵的配合可以平穩擠壓輸液管。由于彈性壓板由彈簧支撐，能夠適應不同規格管徑的輸液管路。輸液泵的彈性門如圖4所示。

圖4　輸液泵彈性門示意圖

1.2盤狀蠕動泵

盤狀蠕動泵有圓弧形內周面的泵殼和一個中心輪，中心輪的邊緣呈軸對稱性分布安裝著數個可旋轉的擠壓輪，輸液管夾在擠壓輪和泵殼的圓弧形內周面之間。蠕動泵工作時，步進電機驅動中心輪轉動，中心輪通過擠壓輸液管帶動其周圍的擠壓輪隨之轉動，中心輪如同“恒星”、擠壓輪類似于“行星”，擠壓輪圍繞中心輪公轉，又繞自己軸線自轉［15］。幾個擠壓輪沿著中心輪順序擠壓輸液管，使液體按一定的方向流動。由此可見，中心輪的旋轉方向決定液體的流向，轉動速度與液體流速相關（如圖5所示）。

圖5　盤狀蠕動泵示意圖

盤狀蠕動泵的優點是單位時間內液體的流量較大，適合于大流量液體輸注場合，常用于血液透析機和體外循環系統。

2　輸液泵的流速校準

輸液泵是精確靜脈輸注的專用醫療設備，其液體輸注速率的精準性直接關系到輸液泵的使用安全，因此，輸液泵需要定期校準或計量輸注速率。

2.1EP520輸液泵的流速校準

校準時，要在關機狀態下，按住“1”鍵，同時開機，聽到一聲蜂鳴音，輸液泵通過自檢并進入速率的校準界面。將待測試的輸液器（醫院指定的）正確安裝在輸液泵上，排凈管內空氣，輸液器末端放置一個量筒。按動“啟動/停止”鍵，啟動輸液。當量筒中液體到達10 ml刻度（或者專用量具標線）時，再次按動“啟動/停止”鍵，即停止輸液，此時，速率校準完成，輸液泵會自動轉入正常工作界面（如圖6所示）。

圖6　EP520輸液泵流速校準示意圖

2.2輸液泵的計量

輸液泵流率計量最常用的方法為稱重法，稱重法是用電子天平作校準設備進行計量的方法［16］（如圖7所示）。

圖7　稱重法示意圖

按圖連接校準系統，注意要在量筒容器中先加入一定量溶液（容器應加蓋，若無蓋時應加入一定量的石蠟油以防蒸發），注射針應在液面下，其中液面高度一般為（50±20）cm。這一方法由天平采集測試周期內輸液泵輸出的總質量，再將總質量根據被測溶液的密度轉換為總體積，即容量。根據計量容積與測試周期的比值，與輸液泵的設定值進行比對，從而計算最終的流速誤差［17］。

3　結語

全擠壓式指狀蠕動泵和半擠壓式指狀蠕動泵各有不同的優缺點，在輸液泵的使用中并無絕對優劣之分，根據對性能側重點的不同而采用不同的指狀蠕動泵，并都能夠精確長時間地工作，確保輸液泵輸送藥液速率均勻、藥量精準以及長時間安全地進人體，達到對患者最佳的治療效果，并通過定期校準或計量輸注速率，保證輸液泵輸注安全可靠。

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The study of liquid delivery dynamics and flow rate calibration in medical infusion pump

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CAI Li， LI Fei， ZHOU Wei-hua，et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：136-138.

Medical infusion pump can control the liquid flow rate accurately due to the liquid flow good linearity， no pulse is generated， which is mainly used for large-capacity and high flow rate of a conventional intravenous infusion rate to ensure that the liquid can be uniformly accurate dose， safely into the human body for a long time. The mechanical power pump is the component of implementation. The finger peristaltic pump is currently widely used for liquid infusion power pump which is small， light and accurate. This paper gives a detailed analysis of works and structures of the whole squeeze finger peristaltic pump and half extrusion finger peristaltic pump. It gives a depth discussion of the features， calibration and measurement of flow rate.

Finger peristaltic； Linearity； Squeeze； Calibration； Measurement

1672-8270（2016）08-0136-03 ［中圖分類號］R454.1

A

蔡莉，女，（1968- ），本科學歷，主管技師。武警總醫院核醫學科，從事PET/CT操作與維護工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.043

①武警總醫院核醫學科 北京 100039

②武警總醫院醫學工程科 北京 100039

zzq6116@126.com

2016-02-25