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(yī)療器械研究所／國家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心／廣東省醫(yī)用電子儀器與高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510500；2南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515；3南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 普通外科，廣東 廣州 510282；4海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?70228）

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(yī)療器械研究所／國家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心／廣東省醫(yī)用電子儀器與高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510500；2南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515；3南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 普通外科，廣東 廣州 510282；4海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?70228）

目的研究可在低溫環(huán)境使用的直線式智能靜脈輸液加溫器。方法以單片機(jī)為控制芯片，熱敏電阻為溫度傳感器，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示輸液管溫度，程序控制單片機(jī)斷開或開啟MOS管控制加熱器實(shí)現(xiàn)智能加溫，并以生理鹽水輸液為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果輸液速度恒定，加熱功率越大，加熱到設(shè)定溫度越快；加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設(shè)定溫度越快；輸液達(dá)設(shè)定的最高溫度時(shí)加熱器自動(dòng)斷開，余熱超溫紅光警示，降到設(shè)定的最低溫度時(shí)自動(dòng)開啟，輸液管溫度基本恒定在設(shè)定溫度范圍，未出現(xiàn)加熱故障。結(jié)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(yīng)用于各類低溫輸液場(chǎng)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(huì)引起局部疼痛、肢體發(fā)涼、周身畏寒、局部痙攣、術(shù)后炎癥等一系列不良反應(yīng)［1－2］。目前，國內(nèi)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(fā)生輸液不良反應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

直線式智能靜脈輸液加溫器是為實(shí)現(xiàn)輸液過程加熱藥液至設(shè)定溫度，由電源電壓轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)電路、加熱控制電路、加熱電路、LED顯示電路、聲光報(bào)警電路組成。直線式智能靜脈輸液加溫器的系統(tǒng)原理組成如圖1所示。

電源電壓轉(zhuǎn)換電路將7～12 V轉(zhuǎn)為5 V為單片機(jī)供電。加熱控制電路采用MOS管和三極管。溫度檢測(cè)電路采用熱敏電阻，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)溫度采用脈寬調(diào)制方式，控制加熱頻率和幅度及聲光報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)溫度精確控制，保證輸液管出口溫度穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)，溫度值在數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。LED顯示電路用于顯示藥液溫度和設(shè)備工作狀態(tài)。

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(dāng)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(shè)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(shù)值皆為1，代入式①得最大功率為11．6 W （約12 W），輸液時(shí)確保功率小于12 W即可。市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)充電器有3 V、5 V、9 V和12 V，考慮設(shè)備運(yùn)行和電流承載能力，以及與手機(jī)充電器的區(qū)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(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)功率與導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)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(nèi)心的教養(yǎng)，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(nèi)心的教養(yǎng)。一個(gè)民族的強(qiáng)大與文明，其最顯著的福祉，就是民眾教養(yǎng)的普遍與良善。

其中：Φ為功率 （W），λ為導(dǎo)熱系數(shù) （Wm－1K－1），A為導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)一定，導(dǎo)熱面積決定導(dǎo)熱效率，因此需盡可能增大加熱元件與輸液管間的導(dǎo)熱面積，以降低功耗降低整機(jī)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(yōu)于聚酰亞胺系列，確定為加熱元件。為增大導(dǎo)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(jī)根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的溫度進(jìn)行計(jì)算后發(fā)出控制信號(hào)，通過脈寬調(diào)制控制MOS管通斷，控制加熱頻率和幅度實(shí)現(xiàn)溫度精確控制，保證輸液出口端溫度穩(wěn)定在許可范圍，同時(shí)還控制三極管接通與斷開實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)聲光報(bào)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(shù)碼管和2個(gè)LED燈。其中，數(shù)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(tài)，正常時(shí)燈亮；雙色LED燈在設(shè)備正常加熱時(shí)為綠色，在設(shè)定溫度范圍內(nèi)為白色，超出設(shè)定溫度或出現(xiàn)故障時(shí)為紅色。LED指示燈分別安裝在數(shù)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(jié)構(gòu)，缺口寬約2 mm，設(shè)在外殼底部，與外殼底部狹縫寬度對(duì)應(yīng)，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(nèi)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(gè)裝管凹槽緊貼塑料外殼。塑料外殼作為整個(gè)設(shè)備保護(hù)、裝飾和支撐機(jī)構(gòu)，強(qiáng)度需符合力學(xué)要求，能抵擋外力沖擊變形；外形需符合人機(jī)工程學(xué)要求，便于操作使用，且具防插錯(cuò)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(jié)構(gòu)，厚度約1 mm。外殼分上下兩塊，上面板設(shè)七段數(shù)碼管、LED燈及USB插口窗口，下底板中間設(shè)一條寬度約2．6 mm狹縫，縫兩端有5 mm×30°倒角。整機(jī)兩端分別設(shè)一個(gè)USB 2．0口和溫度探頭，使用時(shí)可根據(jù)輸液管安裝方向和患者實(shí)際體位任意連接，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤裝配。

2 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)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(shí)間不同滴速 （功率）下的輸液管溫度曲線

室溫29℃時(shí)，加溫范圍設(shè)為35℃～38℃。實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況如下：

①設(shè)定滴速15滴／分鐘，初始溫度T0＝34．2℃時(shí)開始計(jì)數(shù)，測(cè)定不同功率下同時(shí)間液體管溫度曲線，結(jié)果顯示，輸液速度恒定，加熱功率越大，加熱到設(shè)定溫度越快，如圖3所示。

圖3 同滴速不同功率同時(shí)間輸液管溫度曲線圖

②設(shè)定加熱功率8．772 W，初始溫度T0＝34．2℃時(shí)開始計(jì)數(shù)，測(cè)定同功率下不同滴速同時(shí)間液體管溫度曲線，結(jié)果顯示：加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設(shè)定溫度越快，如圖4所示。

圖4 同功率不同滴速同時(shí)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(shí)，設(shè)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(dòng)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(dòng)加熱?，若加熱出現(xiàn)故障超過38℃聲光報(bào)警，完成自動(dòng)控溫。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shè)定溫度越快；加熱功率恒定，輸液速度越小，加熱到設(shè)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(shè)定溫度范圍，余熱導(dǎo)致溫度升高最大不超過1．5℃，未出現(xiàn)故障，直線式智能輸液加溫器在藥液達(dá)到設(shè)定最高溫度時(shí)自動(dòng)斷開，降到最低設(shè)定溫度自動(dòng)開啟，能夠?qū)崿F(xiàn)智能加熱，按預(yù)期設(shè)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(fā)生的不良反應(yīng)。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(yuǎn)，熱量易散失，進(jìn)入人體時(shí)溫度降低，效果不太理想［3－4］；加熱穿刺部位局部區(qū)域加溫效果最好，但存在觸電和燙傷風(fēng)險(xiǎn)，且由于電源線牽拉影響患者運(yùn)動(dòng)，應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)， 應(yīng)用最多［5－7］。 但輸液管路螺旋式安裝導(dǎo)熱效率高， 藥液溫度低，適用于輸血和對(duì)溫度敏感藥物［8］；直線式安裝導(dǎo)熱效率稍低，藥液溫度稍高，依靠槽形結(jié)構(gòu)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(dāng)隔空傳熱，可降低輸液管與藥液溫差，采用脈寬調(diào)制方式控制三極管和MOS器通斷控制加熱頻率和幅度實(shí)現(xiàn)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(shè)有過熱保護(hù)聲光報(bào)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(huán)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(chǎng)所。

[1] 富曉東,付麗霞.冬季野戰(zhàn)條件下可調(diào)式輸液加溫、保溫器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].護(hù)理實(shí)踐與研究,2016,13(19):137.

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（責(zé)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(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng) （201508020063）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （61463011）

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