智能輸液輔助機器人創新設計研究

鄧潔茹 蔡學鵬 成都工業學院

一、醫療機器人產業發展現狀

據調查，全球醫療器械投入金額從2011年的233 億美元到2019年的301 億美元，預計在2021年到達327 億美元，呈現出迅猛增長的態勢。全球醫療器械行業市場規模也呈現逐年遞增的趨勢，預計在2022年到達5220 億美元。隨著醫療器械的研發資金的不斷增長，未來的醫療器械將出現前所為有的發展機遇。

就行業發展動態而言，醫療機器人前景廣闊，目前，國外醫療機器人企業正在搶灘中國市場，部分國內企業也已經開展醫療機器人研發布局。業內專家認為，在醫療機器人這一新興行業，目前中、美、歐都處于“嬰兒期”，政府可加大對研發的支持力度，以實現中國健康產業彎道超車，助力“健康中國2030”宏偉目標達成。

雖然現在醫療機器人應用與實際還面領著諸多的挑戰，但是醫療機器人作為醫療器械從機械化向自動化、智能化方向發展的重要組成部分，將會迎來大發展的時期，醫療行業對醫療機器人期待不斷增加，未來將出現翻天覆地的變化。作為醫療機器人的一種細分市場的產品，輸液輔助機器人提供了創新的一體化智能輸液醫療解決方案，勢必會帶來醫療護理產業的新景象。

二、國內外輸液設備分析

目前國內外對輸液醫療過程提供的服務解決方案絕大部分是基于對單體輸液器的改進，但一體化智能化輸液服務設備的設計制造還較為少見。

(一)國外

國外對智能型輸液泵的研制較早，如日本、美國和德國等國家上世紀80年代末就進行了輸液泵的研制。現在市場上流行的大多是國外產品，類型多樣，性能較好，如日本JMS 株式會社，美國IMED公司以及德國博朗公司等。

(二)國內

國內對輸液泵的研制起步較晚，大都在90年代中期開始研究，市場上也有一些國產輸液泵，如北京科力豐高科，深圳康福特公司等。不過總體說來，種類較少，性能也需改進。智能輸液器在國內的研究還較少。

輸液設備在醫療行業中扮演著舉足輕重的地位，現有市場輸液設備大致分為兩種：莫非式輸液器，其特點為功能單一，僅靠重力和壓強進行輸液，價格便宜，市場占有率高，但用戶使用體驗感較差。輸液泵，其特點為可以提供控制溫度、控制流速、提供報警、數據可視化等功能，價格較貴，一般用于加護病房或較嚴重病患，用戶體驗感仍然不夠舒適。其他概念化輸液器的設計也在不斷涌現，這類概念化新興產品，市場普及率低，用戶體驗感得到大幅提升。通過對不同產品使用功能、價格、市場占有率等方面進行對比分析，可以看出，目前醫療行業的輸液設備大多采用莫非式輸液器，利用重力來輸液，功能單一，對于醫護人員與患者來說方便性較差。現在輸液器市場種類雖然逐步呈現多樣化發展趨勢，但仍有許多用戶需求還未被滿足，此外，還要考慮對產品的功能、形態、結構、色彩、工藝等方面進行優化，以及結合房間風格、空間大小等特點進行人性化設計。

隨著科技的發展和人們的生活水平不斷提高，不管是患者和醫護人員都需要一款智能高效和使用方便的輸液設備。智能輸液輔助機器人是一種新型的針對病患輸液場景而開發的智能醫療機器人，通過調研分析，智能化輸液器的發展還處于嬰兒期，一體化智能化的輸液輔助機器人還未在市場中出現成熟產品，其創新性較強，商業價值和社會價值較高，未來具有廣闊的市場發展空間。

三、智能輸液輔助機器人設計研究

近年來，涉及輸液的不良事件時有發生，其原因主要是人為錯誤，例如提供錯誤的劑量，給予錯誤的藥物以及輸液過程中操作不當。根據事故分析，以下被認為是引起輸液操作錯誤的原因：醫患間缺乏溝通，設備設計有缺陷，護士的多重任務、操作中斷、任務模糊，病患缺乏足夠的知識和技能等。通過調研發現輸液設備的設計不當容易造成患者使用困難、使用時感到不舒適，同時，在護士人手不足時，對病患的照看存在疏忽，病患本身也無法自主操作輸液設備，其中部分原因也與輸液設備本身設計不夠人性化有關。

輸液輔助機器人旨在改善用戶就醫體驗，提高患者自主活動便利性及安全性，減輕陪護人員工作負擔，針對輸液醫療全過程中的綜合用戶體驗提供智能化解決方案。整體設計遵循實用性、審美性、經濟性這三個基本原則來開展。主要考慮的功能設計內容包含對報警系統、控速系統、控溫系統等方面的改進和創新設計。

(一)設計原則

1.實用性

實用性要求產品必須首先具備特有的功能和用途，作為產品就必須實現其基本的功能屬性。輸液設備具有一定的使用范圍，若使用范圍過于廣泛，就會造成產品結構過于復雜、加工制造困難、成本提升、造成產品功能浪費。優良的輸液設備是通過合理的操作、使用的舒適、使用過程中安全可靠、能夠高效準確完成輸液來體現出來的。還要充分考慮人的生理、心理特征以及結合人機工程學的理論、數據來更好的解決人-機-環境之間的關系。

2.審美性

工業產品設計的審美性主要體現包括形式美、工藝美、材料美等。不同于工藝美術或藝術創作，產品設計的美服從于工業化生產需求，需要滿足人類生理、心理需求。因此，輸液設備的造型設計的審美性應該滿足以下特點：滿足現代生活條件下的實際要求；應該體現時代精神內涵；應該吸取藝術的精髓和科學技術的進步；應該能夠靈活運用新材料、新技術、新方法；還應該明確表達意圖，不能使產品的功能模棱兩可。

3.經濟性

經濟性就是設計要盡可能降低產品生產成本、使產品價格合理。合理運用新材料、新技術、新工藝、新結構來創造產品，從而達到最佳的經濟性效益。此外，在產品設計中，應以最少的人力、財力在最短的時間周期內完成設計生產，以達到最大的經濟效益。

(二)功能設計內容

1.報警系統——自動預警模塊

自動預警模塊主要是利用各類傳感器進行數據搜集，與控制系統聯動，進行預警提示。主要運用的傳感器有檢測液體流量流速的紅外滴數傳感器，檢查氣泡的超聲波傳感器，檢測堵塞漏液的壓力傳感器等。報警裝置檢測到報警信號，發出光電報警和聲音報警，第一時間響起蜂鳴聲，或閃爍燈光，以便引起使用者注意，進行正確的操作。

2.控速系統——顯示及控速模塊

利用手持產品與輸液設備結合，同時采用氣壓泵原理與加壓同步測試技術進行低位增壓，保持移動過程中輸液壓力和輸液速度，病人可以在輸液器的屏幕顯示上觀看輸液時的速度以及剩余時間，當病人在休息時，可以將輸液設備放在桌子上。

3.控溫系統——保暖加固模塊

保暖加固模塊通過控溫來解決病人在輸液過程中發生的血管低溫收縮影響液體流動的問題。保暖裝置采用低壓陶瓷加熱片，它是一種通電后板面發熱而不帶電且無明火的、外形呈圓形或方形的、安全可靠的電加熱平板。加熱板由于使用時主要靠熱傳導，因此熱效率高。

四、結論

輸液輔助機器人作為醫療機器人細分市場的一種護理類產品，避免了傳統輸液方式中的諸多不便，如獨立行動困難，需要陪護人員協助看護，容易造成回血、無法自動停液等情況，通過搭載自動預警模塊、顯示及控速模塊、保暖加固模塊等不同功能的智能模塊，全面提高了輸液醫療過程的安全性、精確性、效率性和宜人性。