一種簡易的輸液器空液報警裝置的設(shè)計

郭晨潔，張?zhí)煲?/p>

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備處，上海 201203；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院，上海 200093

一種簡易的輸液器空液報警裝置的設(shè)計

郭晨潔1，張?zhí)煲?

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備處，上海 201203；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院，上海 200093

本文闡述了一種在一次性輸液器上使用的空液報警裝置的設(shè)計過程，該裝置主由紅外檢測模塊、單片機控制模塊、輸液狀態(tài)比較模塊以及聲光報警模塊等組成，具備對在門診或急診室內(nèi)使用的一次性輸液器上進(jìn)行空液報警的功能，可解決相關(guān)診室內(nèi)輸液結(jié)束后空液現(xiàn)象易被忽視的問題。實際應(yīng)用結(jié)果表明：本裝置能夠及時對空液狀態(tài)做出報警，具有反應(yīng)靈敏、成本低廉、可拓展性強、設(shè)計小巧等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用推廣價值。

輸液器；空液報警；光電檢測

靜脈輸液是一種臨床常用的治療方法，它通過輸液瓶、輸液袋等醫(yī)療容器與靜脈建立藥液通道。輸液終末需要及時拔針或換藥，否則會引起回血，造成重新排氣、重新穿刺等不良后果[1]。因此，保證穩(wěn)定、安全的輸液過程是醫(yī)護(hù)人員及臨床工程師們一直關(guān)注的問題。目前已有的自動輸液泵雖然功能全面、性能良好，但是價格較高，主要適用于住院部、IСU或手術(shù)室。在普通門診或急診室，輸液仍存在下述問題：

（1）輸液過程監(jiān)測成本問題：門診或急診一般空間較小，輸液患者多，有時會出現(xiàn)增加臨時座椅輸液的現(xiàn)象，在每一個輸液位置都配備一臺輸液泵成本過高。

（2）輸液結(jié)束空液安全問題：門診輸液區(qū)通常是患者多護(hù)士少，尤其是在大型醫(yī)院中，分區(qū)管理的護(hù)士忙于為患者進(jìn)針或者更換輸液瓶，工作強度極大，兼顧不到所有患者的輸液情況。加上有些患者因疲憊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，或輸液時使用移動電子設(shè)備，輸液排空被忽視的現(xiàn)象時有發(fā)生，這存在造成靜脈氣栓的危險，嚴(yán)重威脅了輸液患者的生命安全。

（3）其他問題：未明的藥物混合形成渾濁[2-3]、輸液中產(chǎn)生氣泡、輸液溫度過低而造成血管收縮[4]等。

目前已有的輸液后空液檢測方法有很多[5]，主要包括以下幾種：① 重力檢測法：這是最簡單、直觀的一種方法，可直接通過彈簧的彈性系數(shù)[6]或利用壓力傳感器[7]等對輸液瓶稱重，在空液時觸發(fā)報警，但其報警結(jié)果會受機械力和外界環(huán)境的影響[8-9]，不夠精確；② 光電檢測方法：空液報警最常用的方法，目前已有的光電檢測存在檢測位置及檢測傳感器的差別。一般會將檢測裝置放于輸液瓶口[10]，但這種裝置不能用于輸液袋的檢測；也有檢測裝置位于茂菲氏管上[11]，但不利于對點滴速度的觀察。超聲檢測法雖然精確但超聲傳感器成本相對較高，且不適用于輸液袋[12]；③ 電極檢測方法：將探測電極穿刺入輸液瓶內(nèi)，通過電極對液面的感知獲取液位信息，進(jìn)行檢測[13]。此方法使用的是輸液瓶內(nèi)置電極，對電極的安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求極高。④圖像檢測方法：通過ССD攝像頭獲取輸液瓶液面圖像信息進(jìn)行分析，此種方法先進(jìn)且準(zhǔn)確，但設(shè)備成本較高，圖像處理過程復(fù)雜[14]。

因此，目前存在的空液監(jiān)測方法都存在一定問題，針對我國急診室和門診輸液的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種簡單輕便的輸液報警器，適用于輸液結(jié)束后的空液報警。

1 簡易空液檢測裝置

1.1 空液報警器的使用

本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通過易于功能開發(fā)的光電檢測方法來實現(xiàn)輸液報警。裝置安裝示意圖，見圖1。光電檢測部分置于帶有凹槽的檢測盒中，使用時先將輸液報警裝置用夾箍固定在輸液架上，然后將茂菲氏管上方的輸液管置于輸液報警器凹槽內(nèi)固定，打開電源即可進(jìn)行輸液監(jiān)測。本文研究設(shè)計的空液報警裝置實物圖，見圖2。

圖1 輸液空液報警器安裝示意圖

圖2 一次性輸液器空液報警裝置實物圖

1.2 空液報警器的控制模塊

輸液空液報警器電路原理框圖，見圖3。選用AT89С 2051單片機作為系統(tǒng)控制核心，該型號單片機結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于掌握，適合簡單的輸入輸出控制。空液報警電路由光電檢測模塊、蜂鳴器報警電路和空液報警指示燈組成。單片機的IO口P1.7（Pin19）驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)聲音報警，IO口P1.6（Pin18）驅(qū)動發(fā)光二極管實現(xiàn)閃爍光報警。而IO口P1.4（Pin16）腳和IO口P1.5（Pin17）也連接了發(fā)光二極管，可用于設(shè)備的后續(xù)開發(fā)，如濁液的監(jiān)測、液體加熱監(jiān)測等，圖3中用虛線框表示。P1.3（Pin15）連接消音按鍵，出現(xiàn)聲光報警后，患者或護(hù)士可按此鍵解除聲光報警。

1.3 空液報警器的光電檢測模塊

空液狀態(tài)的檢測方法為設(shè)備的核心，本裝置采用光電檢測的方式，因為光電檢測的準(zhǔn)確性足以分辨空液與輸液狀態(tài)，且成本低廉，信號的后續(xù)處理方便。本設(shè)計選用了940 nm的紅外發(fā)光二極管及光敏接收三極管組成一對光耦，通過光耦輸出電壓進(jìn)行空液的識別。當(dāng)輸液管內(nèi)有液體時，光線通過輸液管發(fā)生透射現(xiàn)象，而當(dāng)輸液管內(nèi)為空氣時，大角度入射的光線進(jìn)入管壁后，在內(nèi)側(cè)空氣中發(fā)生全反射，只有小角度入射的光能夠穿過輸液管到達(dá)另一端的光敏接收器，因此空液時測得的電壓值比有液時電壓值要低。

為了降低外界環(huán)境光照的影響，提高報警裝置的抗干擾性能，設(shè)計將光電檢測部分置于內(nèi)表面涂黑的密封盒內(nèi)。同時為了不影響對一次性輸液器茂菲氏管的觀察，并且為護(hù)士提供空液報警后處理的時間，將報警器放置于茂菲氏管的上方，其測量原理，見圖4。

圖4 空液檢測示意及結(jié)果顯示

具體的檢測電路，見圖5。D4與Q2構(gòu)成檢測光耦，Q2輸出的信號電壓進(jìn)入比較器LM393的3腳。在本設(shè)計中使用比較器，是因為僅需要區(qū)分空液和有液兩種狀態(tài)，且兩種狀態(tài)對應(yīng)的電壓值區(qū)別較大，因此設(shè)置一個合適的電壓閾值即可分辨兩種狀態(tài)，大大地簡化了單片機的程序設(shè)計。實驗采用的液體為自來水，根據(jù)下文實驗結(jié)果，對應(yīng)設(shè)置的電壓閾值為2 V。如果所輸藥液有明顯的顏色，如黃色或紅褐色藥液，可通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R16改變閾值。

圖5 光電檢測電路圖

2 實驗結(jié)果

對有液和空液狀態(tài)下的輸液管進(jìn)行多次測量，使用自來水作為實驗液體進(jìn)行電壓檢測，結(jié)果見表1。

表1 使用自來水進(jìn)行測試

使用生理鹽水作為檢驗液體進(jìn)行電壓檢測，結(jié)果見表2。

表2 使用生理鹽水進(jìn)行測試

通過以上實驗結(jié)果可知，采用透明溶液進(jìn)行檢測時，在有液和空液狀態(tài)下裝置輸出電壓值有明顯且穩(wěn)定的區(qū)別。

3 討論

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國2009年醫(yī)療輸液104億瓶，可以說是全球“注射大國”。2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國平均每人輸液量為8瓶，遠(yuǎn)超全球平均每人2.5～3.3瓶的輸液量[8]。輸液量如此之大，輸液安全問題更應(yīng)該引起重視。輸液的安全包括兩方面：一是注射過程中的安全問題，如輸液管內(nèi)氣泡、空液后空氣的注入、輸液滴速過快造成的心慌心悸、輸液溫度過低造成的血管收縮和體溫下降等；二是輸液的藥物安全，如藥物是否充分溶解、是否存在微小顆粒、尚未確認(rèn)的藥物反應(yīng)引發(fā)的渾濁沉淀等。

輸液空液報警裝置的使用可以提高輸液過程的安全性，目前市面已有一些同類產(chǎn)品。肖征等[15]設(shè)計的“輸液滴速實時監(jiān)測系統(tǒng)”，通過在茂菲氏管上放置紅外探測模塊完成空液監(jiān)測，茂菲氏管上的監(jiān)測裝置為非密閉式，紅外接收器會因外部環(huán)境光照強度的變化，靈敏度和準(zhǔn)確性受到影響。方慶山等[16]研究的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)，同樣采用紅外監(jiān)測的方法，其監(jiān)測部分位于輸液瓶上，需要更大功耗的紅外發(fā)射裝置，可移植性差，不適用于輸液袋。王學(xué)建[17]研制的“雙位紅外觀影輸液報警裝置”，其原理及設(shè)計與本裝置相似，但由于其監(jiān)測部位分別位于茂菲氏管的上、下端從而使傳感器部分暴露于外界環(huán)境中，測量的敏感度同樣會受到外部光照的影響。與以上產(chǎn)品相比，本研究設(shè)計的空液監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，供電所需電壓低，監(jiān)測結(jié)果不受外部環(huán)境影響，且成本低廉。

本文研究設(shè)計的空液報警裝置還有巨大的改進(jìn)空間，例如增加非透明注射液和加熱報警功能，改善報警器外觀設(shè)計使其更小巧，增加可以將患者報警器信號實時發(fā)送至區(qū)域管理護(hù)士移動接收端的無線通訊模塊等，以進(jìn)一步加強對患者輸液安全的監(jiān)控。

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Design of an Alarming Device for Empty Bag of Disposable Intravenous Infusion Sets

GUO Chen-jie1, ZHANG Tian-yi2
1. Department of Medical Equipment, Shuguang Hospital Affliated with Shanghai University of Traditional Сhinese Medicine, Shanghai 201203, Сhina; 2. Сollege of Medical Instrumentation, Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, Сhina

This paper introduced the design process of an alarming device for empty bag of disposable intravenous infusion (IV) sets. The device was composed of an infrared detection module, a SСM Сontrol module, a result comparing module, and an acoustic and optical alarming module. Its function was to make an alarm when the intravenous infusion bottle was empty in the emergency or outpatient room. The device could solve the problem that the empty bag of the IV sets were easily ignored in certain clinical departments. In clinical application, the device could respond to the empty infusion bag quickly and sensitively. The designed device had advantages of rapid response, low cost, strong expandability, and compact confguration, thus it had good application and promotion value.

intravenous infusion sets; empty bag alarm; photoelectric detection

TN911.72

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.027

1674-1633(2016)05-0099-03

2015-12-19

2016-02-04

作者郵箱：kotg@163.com