淺談新型醫用輸液泵半擠壓裝置

摘 要：靜脈輸液是臨床中最常用、最基本、最廣泛的護理操作。傳統的輸液采用重力輸液，隨著醫療技術的發展、藥物品類的增加和臨床的需要，對輸液精度的要求越來越高。輸液泵是一種能夠準確控制輸液流速，保證藥物能夠速度均勻、準確地進入病人體內的一種儀器。輸液泵由擠壓裝置、驅動控制裝置、監測裝置、顯示輸入輸出裝置等組成，在管路一定的情況下，它通過控制對輸液管路循環擠壓的速度達到控制輸液速度的目的。擠壓裝置是輸液泵的核心執行部件。本論文根據我國輸液泵的發展情況及遇到的問題，在總結經驗和認真分析的基礎上，對新型半擠壓裝置的研發和使用做了改進，利用新的半擠壓裝置可以有效提高輸液精度。

關鍵詞：輸液泵；輸液流速；新型半擠壓裝置；輸液精度；發展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.001

0 緒論

隨著人們生活的提高，對健康的重視，醫院的醫療水平、設備的檔次越來越受到人們的挑剔。早在半個世紀前，國外就開發與使用輸液泵類的醫療器械，后來我國才有了自己的輸液泵。輸液泵能夠準確控制輸液流速，保證藥物能夠速度均勻、準確地進入病人體內。最早的擠壓裝置是全擠壓方式的，隨著對輸液精度要求的提高，我們通過改進擠壓方式來提高輸液精度。

本文主要講述了擠壓裝置的類型及對比，半擠壓裝置的組成及工作原理，半擠壓裝置的輸液量計算及結構設計等。

1 擠壓裝置類型及對比

輸液泵常采用的擠壓方式有：指狀蠕動方式、半擠壓方式。

指狀蠕動方式又稱為全擠壓方式，擠壓示意如圖1左圖所示，由多個相同擠壓片逐次擠壓輸液管路，每個擠壓片都會經過一個由預壓管路到將管路完全壓扁的過程，使管中的液體被擠出。

半擠壓方式擠壓示意如圖1右圖所示，從外觀上看，此種擠壓方式是在全擠壓方式的基礎上進行了改進，其中有2個完全擠壓片，兩個擠壓片總有1個將輸液管路壓扁，其他擠壓片只是將管路擠壓一部分，這大大的降低了對輸液管的破壞性，保證了輸液的精度。

2 半擠壓裝置的組成及工作原理

2.1 半擠壓裝置的組成

半擠壓裝置是由凸輪軸、凸輪片、擠壓片、完全擠壓片、外殼、傳動機構、電機、減震裝置等組成，如圖2內部結構圖所示。

2.2 半擠壓裝置的工作原理

半擠壓裝置是由電機驅動，經過傳動機構減速，帶動凸輪軸旋轉，電機每轉一個角度，就有一定量的液體輸出。半擠壓裝置上有2個完全擠壓片、3個擠壓片，完全擠壓片是截止和流通液體，擠壓片是擠出液體。進液時，第1個完全擠壓片打開，前2個擠壓片從半擠壓狀態打開，液體進入管路，第2個完全擠壓片關閉，第3個擠壓片擠出液體。當管路里面進滿液體后，第1個完全擠壓片關閉，第2個完全擠壓片打開，3個擠壓片交替擠出液體。以此工作狀態循環擠出液體。

3 半擠壓裝置輸液量的設計計算

3.1 設計要求

推算半擠壓裝置凸輪軸每轉一圈的輸出量。

3.2 設計計算

經討論分析，確定半擠壓裝置中幾個重要參數，結合現有全擠壓方式的輸液量，確定半擠壓裝置每轉一圈的輸液量。

完全擠壓片主要是截止液體的流通，對輸液量影響較小，因此2個完全擠壓片截面寬度不必太長，參考全擠壓的擠壓片，完全擠壓片長度為3mm；其余3個擠壓片主要用于擠壓管路輸出液體，根據現有擠壓方式的輸出量和擠壓片整體長度對比，將半擠壓方式3個擠壓片的長度設為25mm。

（1）輸液管路內孔截面積的計算。根據擠壓片工作原理中的工作狀態可以看出，每個擠壓片都是在執行著一個由預壓狀態到半擠壓狀態的上下往復動作，管路內孔的截面積隨擠壓片擠壓管路不斷變化，擠壓片擠壓截面寬度一定，凸輪軸每轉一圈的輸液量由管路內孔截面積的變化量決定，以某品牌的輸液管路為例，計算管路內孔的截面積。

以某品牌的輸液管路為例，結合圖3輸液管路被擠壓的示意圖，推算輸液管路內孔截面積：（管路的參數：外徑 3.8mm壁厚 0.6mm）。

根據公式（3）計算管路內孔截面積，根據輸液管路被擠壓量的不同，輸液管路內孔截面積見表1。

（2）凸輪片的外形及輸液量計算。凸輪片的旋轉帶動擠壓片做上下往復運動，擠壓管路使液體輸出。在凸輪軸旋轉一個周期內，2個完全擠壓片主要用于截止、流通液體，對輸液量影響小，用余弦函數計算完全擠壓片的外形。

由完全擠壓片工作狀態得出，在凸輪軸旋轉一個周期內，0-60°時是第1個完全擠壓片工作狀態的前半個周期，流通液體；60-120°時是完全擠壓片工作狀態的后半個周期，截止液體；120-360°時處于截止狀態。擠壓片的工作狀態與對應凸輪片1的工作狀態一致，將凸輪片的旋轉運動轉化為擠壓片的上下直線運動。根據公式（4）計算凸輪片1的外形。

余弦函數的計算公式：

余弦值=COS（旋轉度數°） （4）

完全擠壓片對管路預壓2mm，輸液管路外徑3.8mm，預留0.2mm的間隙，完全擠壓片上下運動行程為0-1.6mm，即凸輪片最低位置為0，最高位置為1.6。取凸輪片基圓直徑為6mm，將凸輪片按3°旋轉角細化，計算凸輪片的外形，具體數據見表2。

同樣的方法，計算其余凸輪片的外形尺寸，根據每個擠壓片的工作狀態、凸輪片每旋轉一個角度擠壓管路內孔截面積的變化量、每個擠壓片擠壓管路的輸液量疊加之后，計算出凸輪軸每轉一圈半擠壓裝置的輸液量。

4 半擠壓裝置的主要結構

描述半擠壓裝置中幾個重要零件的結構設計：

4.1 凸輪軸

通常采用圓軸作為凸輪軸，由于本設計的凸輪片外形均不一致，選用六方軸作為凸輪軸，將凸輪片依次裝在六方軸上，六方軸可以限制凸輪片繞軸向旋轉，在軸向上采用卡槽及限位塊對凸輪片進行限位。

4.2 凸輪片

根據前面凸輪片的計算，可以將每個凸輪片外形制作出來，考慮到后續的注塑加工，每個凸輪片的厚度做成3mm，對于完全擠壓片，完全擠壓片的厚度為3mm，對應使用1個凸輪片作用在擠壓片上即可；擠壓片的厚度為25mm，每個擠壓片對應使用2個凸輪片作用在擠壓片上。第2、3個凸輪片的外形一致，此半擠壓裝置共有4種凸輪片，每個凸輪片的外形如圖4所示，從左往右依次為凸輪片1、凸輪片2和3、凸輪片4、凸輪片5的外形。為保證輸液精度，要考慮凸輪片的加工精度。

4.3 擠壓片

對于凸輪片來說，擠壓片是執行元件，將凸輪片的旋轉運動轉化為擠壓片的上下運動，擠壓輸液管路并輸出液體。設計時考慮到以下幾點：

（1）考慮到塑料間的摩擦，通過軸承，凸輪片作用在擠壓片上。

（2）考慮擠壓液體后，擠壓片的復位問題，在每個擠壓片上加彈簧，使擠壓片能夠自動復位。

（3）考慮到擠壓片的上下運動，在擠壓片上有導向塊，使擠壓片運動順暢、無卡阻。

4.4 傳動機構及其他部件

傳動機構采用圓弧齒同步帶，其齒形具有圓弧的特點，區別于梯型齒同步帶和T型同步帶的方形齒，圓弧齒同步帶，能夠滿足大功率的傳動，其傳動功率比梯型齒大3-5倍。對中心距變動的敏感性比漸開線大。

電機是半擠壓裝置的動力源，經傳動機構減速帶動凸輪軸旋轉、凸輪片旋轉，實現擠壓片上下運動。

將凸輪軸、凸輪片、擠壓片、電機、傳動機構、減震裝置等裝配在一起，保證半擠壓裝置正常運行情況下，將外殼尺寸設計到最小。在外殼內側設計有導向槽，擠壓片與導向槽配合，上下運動順暢、無干涉。裝配后凸輪片旋轉靈活，與外殼及其它件無卡阻。采用注塑加工外殼、凸輪片、擠壓片，設計時還要考慮避免注塑問題。

5 實際樣機的測試數據

經手版加工后，測試實際樣機。實測半擠壓裝置的輸液速度，測試數據如表3。

測試條件：溫度：20℃；輸液器：某品牌的輸液器；測試速度：25ml/h；測試時間：5h；

設備：天平 （500g）；輔助設備：半擠壓裝置的輸液泵。

6 結論

通過測試半擠壓裝置的實際樣機，以25ml/h的速度運行時，在5小時內各平均速度與測試速度的誤差在1.7%-2.88%，遠小于4%，具體數據參看表3，由此見半擠壓裝置可以替代全擠壓裝置用于醫用輸液泵上，對提高輸液泵的精度、減少輸液管路的損耗、提高醫護人員的效率、減少臨床醫療事故有很大的意義，是輸液泵擠壓裝置未來發展的方向。

本次設計中尚存在著不足，對某些方面的細節考慮還有著一定的欠缺，需要進一步的提煉與改善。

參考文獻：

[1]張偉國，李世國，酈洪源.注塑件缺陷分析及結構設計解決方案[J].工程塑料應用，2007，35（01）：73-77.

[2]JB/T 7512.3-2014.圓弧齒同步帶傳動.第3部分：設計方法[S].

[3]GB 9706.1-2007.醫用電氣設備.第1部分：安全通用要求[S].

作者簡介：薛秀英（1985-），女，山西大同人，本科，工程師，主要從事醫療器械的機械結構設計開發工作。