一種多功能自動換瓶智能輸液裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周澤宇 成秀芳 李 導(dǎo) 劉 湘

（湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104）

中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)有言“三分治，七分養(yǎng)”，治的是疾病發(fā)作期，通過醫(yī)療方式祛除危險(xiǎn)，稱為“臨床救治”；養(yǎng)的是疾病愈后期，通過食療的方式，配合養(yǎng)生運(yùn)動，調(diào)整機(jī)體陰陽平衡，身心健康。而在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，我們稱之為“三分治療，七分護(hù)理”。由此可見，護(hù)理工作在整個(gè)疾病治療過程中，起著至關(guān)重要的作用。

隨著各級各類醫(yī)院不斷深入推進(jìn)優(yōu)質(zhì)護(hù)理服務(wù)，護(hù)理工作的范圍越來越廣，任務(wù)越來越重，要求越來越高，最終導(dǎo)致護(hù)理人員工作壓力越來越大，幸福指數(shù)越來越低。在湖南省各級醫(yī)院護(hù)士勞動強(qiáng)度與護(hù)理模塊關(guān)系的調(diào)查研究表明[1]，護(hù)理治療模塊相比常規(guī)護(hù)理模塊、護(hù)理文書模塊的勞動強(qiáng)度更高。靜脈輸液作為護(hù)理治療模塊當(dāng)中重要的組成部分，是利用大氣壓和液體靜壓原理將大量無菌液體、電解質(zhì)、藥物由靜脈輸入體內(nèi)的治療方法，主要由配藥、穿刺和換瓶三部分組成。它的兩個(gè)子項(xiàng)目穿刺與換瓶的勞動強(qiáng)度之和占整個(gè)護(hù)理模塊勞動強(qiáng)度的45%，接近所有護(hù)理工作的一半。穿刺是護(hù)理輸液操作當(dāng)中最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了本次輸液成功與否；換瓶則是最為繁雜，需要護(hù)理人員頻繁往返于護(hù)士站與病房之間，耗費(fèi)了大量的時(shí)間與精力。如若能夠通過一種多功能自動換瓶智能輸液裝置，將護(hù)理人員從頻繁的換瓶工作當(dāng)中解放出來，這將大大地降低護(hù)理人員的勞動強(qiáng)度，減少護(hù)患矛盾產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高護(hù)理工作的幸福指數(shù)，加強(qiáng)護(hù)理人員工作的穩(wěn)定性。

一、產(chǎn)品介紹與注意事項(xiàng)

1.產(chǎn)品介紹

本產(chǎn)品由輸液器主機(jī)、輸液瓶掛桿和電源組成。主機(jī)主要由轉(zhuǎn)盤、推針模塊、加溫模塊、消毒模塊和止液模塊組成。輸液掛桿上有彈簧掛鉤，用于懸掛輸液瓶。轉(zhuǎn)盤由六個(gè)夾瓶口組成，用于夾緊輸液瓶口。推針模塊由定位銷和針頭卡扣組成，在推針模塊上安裝有液位傳感器用于檢測液體有無；在茂菲氏管處設(shè)置紅外傳感器用于監(jiān)測輸液滴數(shù)；當(dāng)輸液完畢，或茂菲氏管中液滴間隔時(shí)間過長時(shí)，推針模塊完成拔退動作，停止輸液。止液模塊也是由卡停模塊和電機(jī)組成，液位傳感器監(jiān)測到輸液瓶內(nèi)沒有液體流出后，反饋信號給處理器，處理器驅(qū)動電機(jī)推動轉(zhuǎn)盤，借助推針模塊拔－推動作，完成自動換瓶。在前一瓶藥液輸液的同時(shí)，下一瓶藥液通過消毒模塊（紫外線燈）完成輸液瓶口持續(xù)性的消毒工作，確保輸液瓶口處于無菌狀態(tài)。需要時(shí)，在輸液過程中可通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測液體溫度，所輸液體在設(shè)定溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)加熱。直至最后一瓶藥液輸完，止液模塊卡住輸液管，從而達(dá)到止液的目的，同時(shí)能夠防止回血，完成此次輸液。

2.注意事項(xiàng)

二、產(chǎn)品功能與工作原理

1.產(chǎn)品功能

1.1 自動換瓶功能

當(dāng)液位監(jiān)測器監(jiān)測到前一瓶藥液輸液完畢，同時(shí)茂菲氏管處的紅外傳感器監(jiān)測到滴液間隔時(shí)間過長，處理器發(fā)出指令，推針模塊執(zhí)行拔退動作，轉(zhuǎn)盤開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，下一瓶藥液準(zhǔn)備到位，推針模塊再次執(zhí)行推進(jìn)動作，連通輸液瓶、輸液管與人體之間的通路，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動換瓶功能。

1.2 自動止液功能

通過輸液前準(zhǔn)備，護(hù)士手動輸入輸液瓶數(shù)，當(dāng)最后一瓶藥液輸液完畢，推針模塊停止執(zhí)行拔－推動作，同時(shí)轉(zhuǎn)盤也不再執(zhí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，液位傳感器與滴數(shù)傳感器共同監(jiān)測余量，止液模塊夾閉輸液管，實(shí)現(xiàn)自動止液功能。

1.3 安全輸液功能

能夠借助紅外傳感器監(jiān)測滴數(shù)，通過控速防止出現(xiàn)輸液過快或是過慢的情況；通過溫度傳感器和加熱模塊，實(shí)現(xiàn)對液體溫度的監(jiān)控，同時(shí)完成設(shè)定溫度范圍內(nèi)的加熱功能；可以設(shè)置單瓶沖管或者是雙瓶沖管，用等滲鹽水將導(dǎo)管內(nèi)殘留的藥液沖入血管，避免刺激局部血管，并減少藥物之間的配伍禁忌；在切換液體、輸液結(jié)束、設(shè)備故障等情況下，產(chǎn)品通過蜂鳴器發(fā)出不同提示音或是警報(bào)聲，確保輸液安全[2]。

2.工作原理

2.1 智能換瓶

整個(gè)控制單元由STM32芯片、電機(jī)驅(qū)動電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路、傳感電路5個(gè)部分組成。控制單元的電源采用36v，STM32芯片采用帶 A/D轉(zhuǎn)換的超低功耗單片機(jī)以降低控制單元的功耗和保證控制功能的實(shí)現(xiàn)[3]。開啟電源開關(guān)進(jìn)行開機(jī)初始化后，由液位傳感器先檢測瓶內(nèi)藥液是否滿足工作要求，通過護(hù)理工作人員手動設(shè)定輸液順序。檢測完成后，返回信號到STM32芯片，再由芯片輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動齒輪傳動機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動；另外芯片還會輸出信號到推針模塊的步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)帶動推針模塊上下拔—推運(yùn)動。輸液時(shí)，推針模塊處的LED指示燈亮，表示有藥液通過。第一瓶輸液完成后通過液位傳感器把信號反饋到STM32芯片，輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更換下一瓶。全部藥液輸液完成后，STM32芯片發(fā)出提示信號通知醫(yī)護(hù)人員即時(shí)處理。

2.2 機(jī)械傳動模塊

機(jī)械傳動模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)到位開關(guān)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)3部分組成。Stm32芯片發(fā)出電機(jī)運(yùn)行信號后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行齒輪傳動機(jī)構(gòu)，帶動固定的藥瓶轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪有6個(gè)相位差60°的反饋點(diǎn)，當(dāng)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)60°后限位開關(guān)打開，stm32芯片收到反饋信號后停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)全部輸液完成后，步進(jìn)電機(jī)返回到原始狀態(tài)。

2.3 液滴監(jiān)測與控速模塊

借助紅外發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外光線，透過茂菲氏管中的液滴照射到光敏三極管，光敏三極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電流輸出[4]。當(dāng)茂菲氏管中沒有液滴通過時(shí)，光線直接照射到光敏三極管，輸出比較強(qiáng)的光電流。當(dāng)茂菲氏管中有液滴通過時(shí)，由于液滴對光線有吸收和散射作用，照射到光敏三極管的光信號比較弱，產(chǎn)生一個(gè)相對較弱的光電流。通過監(jiān)測光敏三極管輸出電流之差，檢測有無液滴通過；從而實(shí)現(xiàn)滴數(shù)監(jiān)測的功能。

當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測到輸液實(shí)時(shí)滴數(shù)與預(yù)設(shè)值有偏差時(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，通過步進(jìn)電機(jī)控制輸液管的松緊來調(diào)節(jié)輸液速度，當(dāng)輸液的速度高于護(hù)理人員手動設(shè)置的預(yù)定數(shù)值時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動以壓緊輸液管從而降低滴速，使之保持在要求的控制范圍之內(nèi)；反之，當(dāng)輸液速度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動以放松對輸液管的壓力從而增加滴速；從而達(dá)到調(diào)速與控速的目的[5]。

圖1 滴速監(jiān)測示意圖

2.4 液溫監(jiān)測與加熱模塊

液溫監(jiān)測與加熱模塊由STM32芯片、新型材料石墨烯、電阻、MOS管以及三極管組成[6]。在輸液治療過程中，藥液流動速度十分緩慢。為了減少熱量在藥液輸送過程中的丟失，本產(chǎn)品將加熱模塊設(shè)計(jì)在主機(jī)與輸液管最后分離處，盡可能地減少熱量損耗。即借助低功耗STM32芯片的智能控制，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測液體溫度并發(fā)送指令，接收指令后與預(yù)設(shè)溫度相匹配，若低于預(yù)設(shè)溫度范圍，則執(zhí)行加熱指令。根據(jù)治療當(dāng)時(shí)氣候溫度、原本所輸藥液的溫度以及輸液治療的要求等因素，對液溫進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)可控并且能夠達(dá)到恒溫。同時(shí)，本裝置為加熱模塊單獨(dú)設(shè)立開關(guān)鍵，在不需要加熱的情況下（季節(jié)、天氣影響或藥物本身的特性等因素），可通過關(guān)閉加熱開關(guān)斷開加熱系統(tǒng)。

三、產(chǎn)品優(yōu)勢

功能豐富：本產(chǎn)品集自動換瓶與消毒、滴數(shù)監(jiān)測與控速、液位監(jiān)測與自動止液、液溫監(jiān)測與加熱、手動切換與報(bào)警提示等功能于一體，智能化程度高，能夠根據(jù)治療方案滿足多種不同需求的靜脈輸液操作。

操作簡便：只需完成一次靜脈輸液“三查七對”信息核查，通過主機(jī)提示按流程設(shè)置相應(yīng)指令，即可實(shí)現(xiàn)多瓶（至多6瓶）液體的自動換瓶動作。簡單易懂，一步到位。

安全可靠：本產(chǎn)品具有開機(jī)自檢功能，同時(shí)提供兩種供電方式。在緊急停電的情況下，可直接通過可拆卸式蓄電池供電（供電時(shí)間長達(dá)12個(gè)小時(shí)）。供電中斷啟動停電保護(hù)功能，能夠觸發(fā)蜂鳴器播報(bào)提示音，以便提醒護(hù)理工作人員及時(shí)處理，對整個(gè)靜脈輸液過程不會造成任何不良影響。

四、社會效應(yīng)

通過自動換瓶的功能，減輕了護(hù)理人員需要時(shí)刻關(guān)注輸液進(jìn)度帶來的心理壓力，同時(shí)節(jié)省了往返于護(hù)士站與病房之間的時(shí)間和精力，對于夜間護(hù)士來說，大大降低了勞動強(qiáng)度。原本碎片化的時(shí)間可以集中起來從事其他重要的工作，有利于提高護(hù)理服務(wù)的質(zhì)量。本產(chǎn)品運(yùn)用在集中輸液室更能發(fā)揮優(yōu)勢，提高工作效率。

輸液是一項(xiàng)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖o(hù)理操作，在每次輸液、換瓶前都需要進(jìn)行嚴(yán)格的“三查八對”，每換一次輸液瓶就需要核對一次信息，當(dāng)護(hù)理人員產(chǎn)生疲勞與倦怠時(shí)，就容易發(fā)生差錯(cuò)。使用本產(chǎn)品，只需要在輸液準(zhǔn)備時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行一次“三查七對”，手動設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可，減少了人為因素所導(dǎo)致的輸液安全事故的出現(xiàn)。

減少了患者按呼叫鈴或是呼喊護(hù)士的次數(shù)，只有最后一瓶輸液完畢需要拔針時(shí)呼叫護(hù)士。避免了因護(hù)士無法及時(shí)到達(dá)病房處理換瓶操作所引發(fā)的護(hù)患矛盾，同時(shí)又降低了病房嘈雜吵鬧的概率，保障了病區(qū)安靜寧心的療養(yǎng)環(huán)境。

自動止液功能，解放了患者與陪護(hù)人員的注意力，無須時(shí)刻監(jiān)護(hù)輸液進(jìn)度，即使輸液完畢，也能防止空氣進(jìn)入血管以及回血的發(fā)生，大大提高了輸液安全性。在輸液過程中患者與陪護(hù)人員可以休息娛樂，緩解了焦慮等負(fù)面情緒，對促進(jìn)患者心理護(hù)理，保持愉悅心情起到了積極作用。

通過預(yù)設(shè)理想的溫度范圍，在氣溫較低的環(huán)境下，可對所輸液體實(shí)施溫度監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)持續(xù)加溫。有效減輕患者在低溫環(huán)境下輸液特別是大量補(bǔ)液時(shí)所產(chǎn)生的不適感，更能降低患者輸液部位發(fā)冷、疼痛甚至發(fā)生靜脈炎的風(fēng)險(xiǎn)。

適用性廣。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)， 本產(chǎn)品工作穩(wěn)定可靠 ，可用于各級各類醫(yī)院、診所、療養(yǎng)院等，也可用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的住院病房、門（急）診室和手術(shù)（搶救）室， 安全便捷、易于操作， 能切實(shí)有效地減輕患者的心理負(fù)擔(dān)并有助于護(hù)士進(jìn)行輸液管理。

五、市場需求預(yù)測

數(shù)據(jù)顯示，2013年全國輸液量達(dá)到108億瓶，中國平均每人一年輸液高達(dá)8瓶，輸液費(fèi)占門診醫(yī)療費(fèi)逾四成。自2019年12月至今，輸液量出現(xiàn)劇增，由此可見，中國不僅僅是人口大國、醫(yī)療大國，更是輸液大國。根據(jù)市場需求來分析，從醫(yī)院角度：能減輕護(hù)患矛盾產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，能降低輸液安全事故的發(fā)生，能增強(qiáng)護(hù)理人員的工作穩(wěn)定性，有利于護(hù)理團(tuán)隊(duì)高質(zhì)量發(fā)展；從護(hù)理人員角度：能減輕勞動強(qiáng)度，能緩解工作壓力，更好地兼顧事業(yè)與家庭，能延長護(hù)理職業(yè)生涯；從患者角度：患者及陪護(hù)人員無須時(shí)刻關(guān)注輸液進(jìn)展，能減輕焦慮情緒，有助于疾病痊愈與身心恢復(fù)。對于三方來說，本產(chǎn)品都將受到歡迎，具有極大的臨床推廣價(jià)值。