直線式智能靜脈輸液加溫器的研制

李桂香， 黃德群， 陳軍， 何志彬， 李喆， 厲周， 韓帥， 王磊

（1廣東省醫療器械研究所／國家醫療保健器具工程技術研究中心／廣東省醫用電子儀器與高分子材料重點實驗室，廣東 廣州510500；2南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 廣州510515；3南方醫科大學珠江醫院 普通外科，廣東 廣州 510282；4海南大學 信息科學技術學院，海南 海口570228）

直線式智能靜脈輸液加溫器的研制

李桂香1， 黃德群1， 陳軍1， 何志彬1， 李喆2， 厲周3， 韓帥3， 王磊4

（1廣東省醫療器械研究所／國家醫療保健器具工程技術研究中心／廣東省醫用電子儀器與高分子材料重點實驗室，廣東 廣州510500；2南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 廣州510515；3南方醫科大學珠江醫院 普通外科，廣東 廣州 510282；4海南大學 信息科學技術學院，海南 ?？?70228）

目的研究可在低溫環境使用的直線式智能靜脈輸液加溫器。方法以單片機為控制芯片，熱敏電阻為溫度傳感器，數碼管實時顯示輸液管溫度，程序控制單片機斷開或開啟MOS管控制加熱器實現智能加溫，并以生理鹽水輸液為例進行實驗。結果輸液速度恒定，加熱功率越大，加熱到設定溫度越快；加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設定溫度越快；輸液達設定的最高溫度時加熱器自動斷開，余熱超溫紅光警示，降到設定的最低溫度時自動開啟，輸液管溫度基本恒定在設定溫度范圍，未出現加熱故障。結論該智能加熱器方便易用，有較好的恒溫效果，安全可靠，可應用于各類低溫輸液場所，提高輸液藥液溫度。

靜脈輸液；智能加溫；直線加溫器；恒溫

靜脈輸液是臨床治療過程中的一種常見給藥方式。藥液溫度過低會引起局部疼痛、肢體發涼、周身畏寒、局部痙攣、術后炎癥等一系列不良反應［1－2］。目前，國內尚未有廣泛使用的智能輸液加溫器，迫切需要研制一種可安全提升藥液溫度的加熱器提高輸液藥液溫度，消除患者發生輸液不良反應的潛在因素。因此，本研究研制了一種直線式智能靜脈輸液加溫器。

1 系統設計

直線式智能靜脈輸液加溫器是為實現輸液過程加熱藥液至設定溫度，由電源電壓轉換電路、單片機控制電路、溫度檢測電路、加熱控制電路、加熱電路、LED顯示電路、聲光報警電路組成。直線式智能靜脈輸液加溫器的系統原理組成如圖1所示。

電源電壓轉換電路將7～12 V轉為5 V為單片機供電。加熱控制電路采用MOS管和三極管。溫度檢測電路采用熱敏電阻，單片機根據檢測溫度采用脈寬調制方式，控制加熱頻率和幅度及聲光報警電路，實現溫度精確控制，保證輸液管出口溫度穩定在許可范圍內，溫度值在數碼管實時顯示。LED顯示電路用于顯示藥液溫度和設備工作狀態。

圖1 直線式智能輸液加溫器電路原理圖

1．1 直流電源

智能輸液加溫器所需電源功率為：

其中：P為功率 （W），J為熱功當量 （J／cal），c為比熱（cal／g·K），d為藥液密度 （g／mL），q為輸液速度 （mL／h），ΔT為溫差 （K）。

極端情況下，設輸液速度為250 mL／h（通常為50 mL／h，15滴為1 mL），最高加熱溫度42℃，藥液初始溫度為 2℃，則ΔT為40 K，比熱和密度數值皆為1，代入式①得最大功率為11．6 W （約12 W），輸液時確保功率小于12 W即可。市場標準充電器有3 V、5 V、9 V和12 V，考慮設備運行和電流承載能力，以及與手機充電器的區別，選擇7～12 V輸出電壓。額定情況下1 A電流可滿足要求。因此，該加溫器選擇直流電源7～12 V，電流2 A，USB 2．0接口。

1．2 加熱元件和控制電路

1．2．1 加熱元件

根據傅里葉定律，熱傳導功率與導熱系數、導熱面積和溫度梯度成正比，有如下公式：

有人問過作家梁曉聲，什么是文化，他用四句話概括：根植于內心的教養，無需提醒的自覺，以約束為前提的自由，為別人著想的善良。是的，文化的首要元素，就是內心的教養。一個民族的強大與文明，其最顯著的福祉，就是民眾教養的普遍與良善。

其中：Φ為功率 （W），λ為導熱系數 （Wm－1K－1），A為導熱面積 （m2），dT／dx為溫度梯度 （K／m）。

智能輸液加溫器溫度梯度不變，加熱元件與輸液管間導熱系數一定，導熱面積決定導熱效率，因此需盡可能增大加熱元件與輸液管間的導熱面積，以降低功耗降低整機功率。常用加熱元件有鎳合金、PTC陶瓷、硅膠加熱片和聚酰亞胺加熱片系列。前兩種常為平板形狀難以塑形，后兩種具備塑形潛力，其中硅膠加熱片系列厚度約2 mm，絕緣性能優于聚酰亞胺系列，確定為加熱元件。為增大導熱面積，硅膠加熱片卷成帶缺口的圓筒形，缺口用來嵌入輸液管，寬度在2 mm左右，長度100～180 mm。

1．2．2 加熱控制電路

加熱控制電路采用大功率MOS管和三極管。單片機根據溫度傳感器檢測的溫度進行計算后發出控制信號，通過脈寬調制控制MOS管通斷，控制加熱頻率和幅度實現溫度精確控制，保證輸液出口端溫度穩定在許可范圍，同時還控制三極管接通與斷開實現過熱保護聲光報警。加熱控制流程如圖2所示。

圖2 直線式智能輸液加溫控制流程圖

1．3 顯示面板

顯示面板包括3位七段數碼管和2個LED燈。其中，數碼管顯示藥液溫度，精度為0．1℃；單紅色LED燈與電源相連，指示電源工作狀態，正常時燈亮；雙色LED燈在設備正常加熱時為綠色，在設定溫度范圍內為白色，超出設定溫度或出現故障時為紅色。LED指示燈分別安裝在數碼管兩邊，距離小于30 mm。

1．4 裝管凹槽與外殼

裝管凹槽截面為帶缺口圓形結構，缺口寬約2 mm，設在外殼底部，與外殼底部狹縫寬度對應，狹縫兩端倒角5 mm× 30°，其余部分等寬，作為嵌入輸液管通道；加熱元件固定槽內表面剖面為矩形或半圓形，外表面剖面為矩形，尺寸與加熱元件匹配。整個裝管凹槽緊貼塑料外殼。塑料外殼作為整個設備保護、裝飾和支撐機構，強度需符合力學要求，能抵擋外力沖擊變形；外形需符合人機工程學要求，便于操作使用，且具防插錯功能；材料需符合食品藥品安全屬性，無毒無味。因此，塑料外殼采用常用的無毒無味塑料，平板形結構，厚度約1 mm。外殼分上下兩塊，上面板設七段數碼管、LED燈及USB插口窗口，下底板中間設一條寬度約2．6 mm狹縫，縫兩端有5 mm×30°倒角。整機兩端分別設一個USB 2．0口和溫度探頭，使用時可根據輸液管安裝方向和患者實際體位任意連接，不會出現錯誤裝配。

2 系統測試及結果

以生理鹽水輸液為例，將穿刺部位附近 （50 cm處）一段輸液管嵌入智能輸液加溫器底部凹槽，插上電源，開啟智能輸液加溫器。

2.1 同時間不同滴速 （功率）下的輸液管溫度曲線

室溫29℃時，加溫范圍設為35℃～38℃。實驗測試情況如下：

①設定滴速15滴／分鐘，初始溫度T0＝34．2℃時開始計數，測定不同功率下同時間液體管溫度曲線，結果顯示，輸液速度恒定，加熱功率越大，加熱到設定溫度越快，如圖3所示。

圖3 同滴速不同功率同時間輸液管溫度曲線圖

②設定加熱功率8．772 W，初始溫度T0＝34．2℃時開始計數，測定同功率下不同滴速同時間液體管溫度曲線，結果顯示：加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設定溫度越快，如圖4所示。

圖4 同功率不同滴速同時間輸液管溫度曲線圖

2.2 同滴速和同功率下的輸液管溫度曲線

室溫27℃時，設定滴速42滴／分鐘，加熱功率7．4 W，加溫范圍35℃～36℃，35℃以下加熱器自動開啟加熱，超過36℃紅光警示并斷開加熱器，至降到35℃以下重新開啟自動加熱?，若加熱出現故障超過38℃聲光報警，完成自動控溫。實驗測試曲線如圖5所示。

圖5 同滴速和同功率下輸液管溫度曲線圖

從圖3～5可見，輸液速度恒定，加熱功率越大，加熱到設定溫度越快；加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設定溫度越快；輸液速度和加熱功率恒定，縮小加熱溫度范圍，加熱器能精確地將輸液管溫度智能控制在設定溫度范圍，余熱導致溫度升高最大不超過1．5℃，未出現故障，直線式智能輸液加溫器在藥液達到設定最高溫度時自動斷開，降到最低設定溫度自動開啟，能夠實現智能加熱，按預期設定提升和控制藥液溫度。

3 討論

智能靜脈輸液加溫器的目的是提高輸液藥液溫度，消除患者因藥液溫度過低發生的不良反應。目前提升藥液溫度的三種方式中直接加熱藥袋 （藥瓶）因距人體較遠，熱量易散失，進入人體時溫度降低，效果不太理想［3－4］；加熱穿刺部位局部區域加溫效果最好，但存在觸電和燙傷風險，且由于電源線牽拉影響患者運動，應用也不理想；加熱輸液管路位置選擇距離穿刺部位較近的輸液管路，熱量散失有限，且無觸電和燙傷風險， 應用最多［5－7］。 但輸液管路螺旋式安裝導熱效率高， 藥液溫度低，適用于輸血和對溫度敏感藥物［8］；直線式安裝導熱效率稍低，藥液溫度稍高，依靠槽形結構固定輸液管路，操作方便簡單［9］，適用于大多輸液情況。

臨床上尚未廣泛使用智能輸液加溫器，本研究研制的直線式智能靜脈輸液加溫器利用紅外熱輻射原理，適當隔空傳熱，可降低輸液管與藥液溫差，采用脈寬調制方式控制三極管和MOS器通斷控制加熱頻率和幅度實現溫度精確控制，保證輸液出口端溫度恒定在許可范圍，恒溫效果較好，設有過熱保護聲光報警電路，安全可靠，集智能化、便攜與人性化于一體，方便易用，可為低溫環境靜脈輸液提供一種便攜可靠的藥液溫度提升方式，適用于各類低溫輸液場所。

[1] 富曉東,付麗霞.冬季野戰條件下可調式輸液加溫、保溫器的設計與應用 [J].護理實踐與研究,2016,13(19):137.

[2] 鐘芬梅,林菁,蘭玉清.一種輸液用加溫裝置的設計與應用 [J].中國實用護理雜志,2006,22(2C):50.

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[4] 唐鏡軍,戚建愛.基于STC12C5A60S2單片機體溫輸液控制系統電路設計 [J].中國醫療器械信息,2014,20(12):68-71.

[5] 鞏萍,唐璐,倪紅艷.一種基于單片機的輸液加熱器的設計 [J].醫療衛生裝備,2013,34(12):23-25.

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（責任編輯：常海慶）

Development of Linear Intelligent Heater for Intravenous Infusion

LI Guixiang1,HUANG Dequn1,CHEN Jun1,HE Zhibin1,LI Zhe2,LI Zhou3,HAN Shuai3,WANG Lei4
(1Guangdong Institute of Medical Instruments/National Engineering Research Center for Healthcare Devices/Guangdong Key Laboratory of Medical Electronic Instruments and Polymer Material Products,Guangzhou 510500,China;2School of Biomedical Engineering,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China;3Department of General Surgery,Zhujiang Hospital of Southern Medical University,Guangzhou 510282,China;4College of Information Science&Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

ObjectiveTo develop a kind of linear intelligent heater for intravenous infusion which could be used in low temperature environments.MethodsSTC microcontroller was used as MCU,thermal resistor was used as temperature sensor,digital tube displayed the infusion tube temperature in real-time,program-controlled close or open of MOS tube achieved heating intelligently,and normal saline was used to conduct infusion experiments.ResultsWhen keeping the infusion speed in constant,the greater heating power led to faster heating to the set temperature;when keeping the heating power in constant,the smaller infusion speed led to faster heating to the set temperature. The heater closed automatically when reaching the highest set temperature,and started red light warning with over temperature made by excess heat;the heater opened automatically when lowering to the lowest set temperature.The perfusion tube temperature kept in constant range of set temperature,without heating faults.ConclusionsThe intelligent heater is practical and convenient with good temperature control effect and safety,which can be applied in all kinds of infusion in low temperature environments to improve the temperature of liquid drugs for intravenous infusion.

Intravenous infusion;Intelligent heating;Linear heater;Constant temperature

R197.39

：A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.08.1035

2017－04－09

2017－06－06

廣州市產學研協同創新重大專項 （201508020063）；國家自然科學基金項目 （61463011）

李桂香 （1988－），女，湖南永州人，碩士研究生學歷，從事醫用電子儀器研究。