新型可控制輸液吊瓶研究

高鑫誠 王巍 馮曉晨 陳德宇 杜仲章 周倍涵

摘要：針對目前醫院醫護人力資源嚴重不足和現存吊瓶需要人工監控容易導致公共資源浪費的問題，基于可移動式活塞瓶底及大氣壓原理設計了一種新型可控制輸液吊瓶。該裝置由吊瓶本體、吊瓶液面測定系統和報警系統三大部分組成。吊瓶本體由瓶身和可移動的活塞底組成;液面測定系統是由滑輪組和液面高度計組成;報警系統由帶有蜂鳴器的電路組成。此吊瓶可在就醫高峰期有效地解放醫護勞動力，提高醫院基礎輸液工作的效率，具有成本低廉、實用性強、工廠加工難度小等優點。

關鍵詞：新型可控制輸液吊瓶;液面高度計;滑輪組;報警系統

中圖分類號：R197.39

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0226-04

1?引言

輸液是一種常用的治療方法，但由于過程時間較長，反復查看則占用了醫護人員較長的時間[1]，且藥液滴速會隨液面降低而減慢，如果不能及時換瓶，藥效也會因此而降低。

進入21世紀后，我國的醫療水平實現了跨越式的發展，但是醫療資源尤其是醫護資源仍然寶貴。相關調查表明，我國醫護比例嚴重失調[2]。北京大學護理學院院長尚少梅認為，我國現行的護理人員配置仍是根據1978年原衛生部有關規定確定的，要求醫護比例1∶1，普通病房床護比為1∶0.4。30多年前的標準已明顯不適應醫院的發展變化和患者的需求。根據世衛組織統計，全球人均擁有護士數量最多的是挪威，每千人擁有護士數量達17.27人，歐盟制定的基本標準為8人以上，而美國和日本分別為9.8人和11.49人。相比之下，我國每千人口護士數僅為2.36人。世界上大多數國家的護士占總人口的比重約為5‰，而我國只有1‰左右。以此推算，我國目前尚缺數百萬名護士，護理人力資源配置嚴重不足。另一方面，由于醫護人員不足，很多病患需要家屬代理陪護，但是很多病患為孤寡老人，可能甚至沒有家屬，這進一步加重了醫護人員的負擔。

由此看來，目前普遍使用的醫用吊瓶，存在需人工監控與人工換瓶兩大主要問題，極大地降低了醫護人員的工作效率。針對這兩大問題，國內外提出了多種改進方案，沈陽航空航天大學陸鑫宇[3]等設計出一種醫用新式輸液加壓器方案，解決了藥液滴速降低的問題;西安鐵路職業技術學院的崔少晨[4]利用重力傳感器構建了基于PLC的輸液監控系統，可根據吊瓶質量變化計算剩余液體量，并及時通過聲光報警提醒醫護人員，避免了醫護人員反復查看。這些方案對吊瓶使用的便利性與醫護人員的工作效率有所改善，但這些改進方案只解決了傳統吊瓶現存的兩大主要問題之一。

本項目是一種基于信號控制和遠程傳輸的智能吊瓶，將兩種傳統吊瓶的改進方案集約化，并加以簡化，不僅實現了吊瓶的“智能化”，減輕了醫護人員的工作量，而且降低了吊瓶制作的成本，為其真正投入市場使用，造福于醫護工作提供了條件。該新型可控制輸液吊瓶可實現報警提示與控制滴液量的功能，不僅可以解放患者自身的注意力，還可在就醫高峰期有效地解放醫護勞動力，提高醫院基礎輸液工作的效率，使寶貴的醫護資源真正致用于痛點。基于滑輪組傳動技術，電信號液面高度測定以及信號傳輸等技術，可傳統吊瓶設計成一款能夠在輸液瓶中液面達到一定高度時自動停止輸液的智能吊瓶，它可以在不需要人工控制的情況下，實現醫院吊瓶能夠根據不同病人的要求設置吊瓶的液面停止高度，可以實現對吊瓶液面的準確跟蹤，到達指定液面后停止，從而解放醫護人員雙手，提高工作效率，具有反應迅速，定位準確，成本低、實用性強的特點。

2?吊瓶的原理

2.1?吊瓶本體結構設計

吊瓶將采用醫用無規共聚聚丙烯制作瓶身和瓶底活塞，瓶底活塞依靠極低凸緣進行密封，瓶底中心設有卡扣，可以與滑輪進行連接。瓶底活塞有一定的下凹，下凹角度與瓶身收口處一致，以此來實現更加精確的高度測量;瓶底有一定重量，用以平衡瓶底與瓶身的摩擦。瓶身最高處有一圈內沿擋板，防止瓶底在運輸中移位，內沿擋板在使用前必須取下并且取下后無法重新裝回去，以防吊瓶被多次使用。輸液管將取消大氣壓平衡裝置，并截短進入輸液瓶的長度，該長度將等于瓶口到瓶體的長度，以防止瓶底因接觸到輸液管而停止下降。由于輸液管取消了大氣平衡裝置，隨瓶內液面的下降，瓶內氣壓降低，大氣壓將活塞瓶底向下壓從而實現瓶底與液面同時下降。瓶底下降的同時通過滑輪組帶動電極滑塊向上移動，達到不同高度時接通阻值不同的電路，利用電信號將高度信息傳遞給處理模塊，由處理模塊控制報警裝置和停止輸液裝置并將信息傳遞到護士站。由于密封的需求，活塞瓶底和瓶身之間有較大的摩擦阻力，這個摩擦阻力將有瓶底的自重平衡并提供一定向下的壓力。輸液停止裝置將由電磁系統帶動夾頭，可靠性高。

2.2?吊瓶液面測定系統

當吊瓶內液面下降時，大氣壓壓迫可活動的活塞式瓶底一同下降，帶動滑輪組傳動至右方導軌上整合的電信號液面高度計，產生電信號，由信號處理與發出指令單元處理，當液面到達指定液面時，聯動注射停止單元，輸液停止。

2.3?活塞式瓶底的穩定性

由于有大氣壓的存在，當吊瓶內液面高度下降時，活塞式可動瓶底隨液面下降，從而聯動滑輪組，那么活塞瓶底的需要有一定的穩定性，來保證電信號液面高度計測量液面高度的準確度。

3?吊瓶總體結構設計

該吊瓶與傳統吊瓶結構類似，吊瓶的主體結構主要由瓶身，可活動的活塞式瓶底構成，其中瓶身采用無規共聚聚丙烯材質，可用來盛放病人所需要的輸液液體;活塞式瓶底與瓶身同材質，主要作用是與滑輪組相連，跟隨液面升降而改變其在瓶身的位置。活塞的變化基于氣壓原理，當吊瓶內液體的液面高度降低時，吊瓶內上方空余體積增大，引起瓶內氣壓減小，大氣壓壓迫瓶底，由于瓶底設計為可活動的活塞式，所以此時瓶底在大氣壓的作用下向下移動，帶動瓶底上連接的滑輪組一起移動，從而與吊瓶外液面測定系統相聯系。配合活塞一起運動的是滑輪系統，當滑輪組被帶動時，固定在吊瓶右側架上的電信號液面高度計收到電信號，與信號處理與發出指令單元聯動，針對不同設定做出不同應答，當液面高度到達設定液面時（未設定液面高度時則默認吊瓶液面下降為零），信號處理與發出指令單元收到反饋，控制注射停止單元運作，此時輸液將會停止。

報警及停止輸液裝置的設計：報警裝置為一個蜂鳴器，集成在停止輸液裝置內。輸液停止裝置利用電磁控制，控制夾頭的開合，以此實現輸液的停止。如果出現故障，輸液停止裝置可以及時停止輸液。

配件組裝及信號傳輸：配件有滑扣固定在輸液架上，可上下調節高度。信號傳輸接口采用通用USB（type-A）接口，將信號傳遞到處理系統。如圖1所示。

4?吊瓶各部分具體設計方案

4.1?活塞密閉設計

吊瓶將采用醫用無規共聚聚丙烯材料制作瓶身和可活動的瓶底活塞，根據不同的病人輸液時需要的輸液量不同采用不同的規格參數，以250 mL吊瓶為例：高度136±1.2 mm ，瓶口外徑32± 0.3 mm。瓶底活塞依靠極低凸緣進行密封，瓶底中心設有卡扣，用來連接吊瓶架上的滑輪組。瓶底活塞有一定的下凹，下凹角度與瓶身收口處一致，以平衡瓶口處的液面損失誤差，以此來實現更加精確的高度測量。瓶身最高處有一圈內沿擋板，防止瓶底在運輸中移位，同時活塞直徑設計的稍大于瓶身，以實現密閉作用。內沿擋板在使用前必須取下并且取下后無法重新裝回去，以防吊瓶被多次使用。如圖2所示。

4.2?活塞與瓶壁摩檫力與大氣壓強之間的平衡

由于需要利用大氣壓原理來進行液面高度的感知，輸液管取消了大氣壓平衡裝置。隨瓶內液面的下降，吊瓶內氣壓降低，大氣壓將活塞瓶底向下壓從而實現瓶底與液面同時下降。瓶底有一定重量，根據力學，瓶底的重力將與瓶底與瓶身的摩擦力相平衡，更好地利用大氣壓并減小誤差，不同容量規格的吊瓶設計的瓶底活塞重量也會有所變化。與此同時，輸液管將截短進入輸液瓶的長度，該長度將等于瓶口到瓶體的長度，以防止瓶底因接觸到輸液管而停止下降，如圖3所示。

4.3?滑輪組和線材選用

滑輪組將采用2個同規格的凹表面球軸承滑輪組成滑輪組，滑輪直徑只要在30 mm以內均可，圓心軸在支架上，線材選用較為堅硬碳素線，尼龍線作為備選。2個滑輪同時裝在一根支架上，滑輪之間的距離可以根據實際情況調整。支撐滑輪的硬桿采用20 mm×15 mm×300 mm的鋁合金空心桿。以此裝置將屏內液面下降時產生的移動距離轉換為在液面高度內的滑塊的移動。如圖4所示。

4.4?液面高度計的設計

液面高度計由一根圓柱形導軌和由滑輪組吊起的圓柱形滑塊組成，導軌內壁不同高度的兩側嵌有電極，電極略微突起并通向導軌外側的有電阻電路，電阻的阻值由下到上依次增大。滑塊高度為5 mm，其圓柱面包裹一層鋁箔，滑塊直徑略小于導軌內徑。液面高度計外部有可調節高度的軸套將其固定在吊瓶架主體支柱上，主體由一根空心圓柱形導軌和5對電極片組成，導軌內壁不同高度的兩側嵌有電極，電極略微突起并有通向導軌外側的有電阻電路，電阻的阻值由下到上依次增大。導軌上下平面設計為可螺旋擰開的形式導軌D=30 mm，h=300 mm。在高度計底部有一個圓柱形滑塊，滑塊高度為5 mm，其圓柱面包裹一層鋁箔，滑塊直徑略小于導軌內徑。由于電阻阻值的不同，當瓶內液面下降時帶動滑塊移動經過不同電極片時會產生不同大小的電流，由大小不同的電流來控制輸液停止裝置何時運行。（剖面圖如下所示）報警裝置為一個蜂鳴器，集成在停止輸液裝置內。輸液停止裝置利用電磁控制，控制夾頭的開合，以此實現輸液的停止。如果出現故障，輸液停止裝置可以及時停止輸液，以保障病人的安全，如圖5所示。

5?報警系統與安全

液面高度計由傳導裝置和測高裝置組成，液面的下降帶動底部活塞的下降，通過滑輪組構成的傳導裝置將位移傳遞至測高裝置，從而實現液面高度的測量。傳導裝置由固定在同一直線的兩個同型號的小型低阻滑輪以及一根尼龍線組成，線的一端固定有卡扣，卡扣接在底部活塞的中心位置，另一端則與測高裝置的滑塊相連。測高裝置的主體部分為一條C形開縫導軌和一個圓柱形滑塊，導軌內壁不同高度的兩側嵌有電極，并且在導軌外側的相應高度標有刻度線，電極略微突起并通向導軌外側的有電阻電路，電阻的阻值由下到上依次增大，滑塊高度為5 mm，其圓柱面包裹一層鋁箔，滑塊直徑略小于導軌內徑，并且中部有通過導軌開縫伸出導軌外側的高度指針。停止輸液裝置由報警裝置和停止裝置組成，該裝置由輸液系統自動控制，同時也可以由人工控制，從而實現輸液裝置停止輸液的自動化。報警裝置主要為一個蜂鳴器，當液面下降至預先設定好的高度時，蜂鳴器會發出聲音予以警示，操作人員可以通過蜂鳴器復位按鍵是蜂鳴器停止工作，停止裝置的主體部分為一個可以完全閉合的夾子和用以驅動夾子的電磁開關，當液面下降至預先設定的高度時，電磁鐵通電工作，帶動夾子閉合，以此實現輸液的停止，需要夾子復位時，可以通過復位按鍵實現整個停止輸液裝置的復位。若有需要，相關人員可以通過緊急停止按鍵實現夾子的緊急閉合，并且發出信號，如果出現故障，輸液停止裝置可以及時停止輸液，以保障病人的安全。

6?結語

傳統吊瓶的主要弊端在于需要人工進行實時監控，在就診高峰時會大量分散醫護人員的注意力，而醫護資源在我國大部分地區普遍短缺。醫護資源的超低端利用與大量短缺這一主要矛盾，使得寶貴的醫護資源沒有得到充分利用，反而浪費在了意義不大的基礎看護中。

本文提出的新型吊瓶，應用大氣壓與電信號處理系統進行液面測定與控制，原理簡單;瓶身與可活動的活塞式瓶底均采用無規共聚聚丙烯材質，成本低廉。但其性能方面相對于肉眼控制來說，液面、滑輪組、信號處理與發出指令單元三者聯動，不僅靈敏度高，輸液更加精準，而且實現了輸液控制的全面自動化，極大解放了醫護勞動力，并提高了醫院的整體工作效率。它可以在不需要人工控制的情況下，實現自動停止輸液，具有結構簡單使用方便、實用性強，無需重新設計輸液架的特點。通過重新設計的吊瓶結構，解決了吊瓶的液面測定問題，吊瓶瓶底為活塞式可活動設計，大氣壓原理使瓶底隨液面下降從而通過滑輪組帶動滑塊使電信號液面高度計發出電信號，從而得知液面高度。吊瓶反饋系統設計。將平面導軌以及電信號液面高度計連接至外電路的信號處理與發出指令單元，當外電路接收到電信號后，外電路反饋給整合在架上的注射停止單元，使注射停止單元運作。

該傳統吊瓶的智能化改進方案原理簡單、成本低廉，但實用性強，可達到事半功倍的效果，易被醫院和廣大消費者接受。且其工廠加工難度小，使得量產和真正投入市場使用成為可能。

參考文獻：

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[3]陸鑫宇，高?崇.醫用新式輸液加壓器方案設計[J].西部皮革，2019，41（2）：110～111.

[4]崔少晨.基于PLC的輸液監控系統設計[J].電子技術與軟件工程，2018（19）：135，223.