淺談新型醫(yī)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(hù)理操作。傳統(tǒng)的輸液采用重力輸液，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)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(zhǔn)確控制輸液流速，保證藥物能夠速度均勻、準(zhǔn)確地進(jìn)入病人體內(nèi)的一種儀器。輸液泵由擠壓裝置、驅(qū)動控制裝置、監(jiān)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(huán)擠壓的速度達(dá)到控制輸液速度的目的。擠壓裝置是輸液泵的核心執(zhí)行部件。本論文根據(jù)我國輸液泵的發(fā)展情況及遇到的問題，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，對新型半擠壓裝置的研發(fā)和使用做了改進(jìn)，利用新的半擠壓裝置可以有效提高輸液精度。

關(guān)鍵詞：輸液泵；輸液流速；新型半擠壓裝置；輸液精度；發(fā)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(yī)院的醫(yī)療水平、設(shè)備的檔次越來越受到人們的挑剔。早在半個世紀(jì)前，國外就開發(fā)與使用輸液泵類的醫(yī)療器械，后來我國才有了自己的輸液泵。輸液泵能夠準(zhǔn)確控制輸液流速，保證藥物能夠速度均勻、準(zhǔn)確地進(jìn)入病人體內(nèi)。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(jìn)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(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jīng)過一個由預(yù)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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(jī)構(gòu)、電機(jī)、減震裝置等組成，如圖2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所示。

2.2 半擠壓裝置的工作原理

半擠壓裝置是由電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)減速，帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)每轉(zhuǎn)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(jìn)液時(shí)，第1個完全擠壓片打開，前2個擠壓片從半擠壓狀態(tài)打開，液體進(jìn)入管路，第2個完全擠壓片關(guān)閉，第3個擠壓片擠出液體。當(dāng)管路里面進(jìn)滿液體后，第1個完全擠壓片關(guān)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(tài)循環(huán)擠出液體。

3 半擠壓裝置輸液量的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)要求

推算半擠壓裝置凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈的輸出量。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

經(jīng)討論分析，確定半擠壓裝置中幾個重要參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有全擠壓方式的輸液量，確定半擠壓裝置每轉(zhuǎn)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(jù)現(xiàn)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(shè)為25mm。

（1）輸液管路內(nèi)孔截面積的計(jì)算。根據(jù)擠壓片工作原理中的工作狀態(tài)可以看出，每個擠壓片都是在執(zhí)行著一個由預(yù)壓狀態(tài)到半擠壓狀態(tài)的上下往復(fù)動作，管路內(nèi)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(zhuǎn)一圈的輸液量由管路內(nèi)孔截面積的變化量決定，以某品牌的輸液管路為例，計(jì)算管路內(nèi)孔的截面積。

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

根據(jù)公式（3）計(jì)算管路內(nèi)孔截面積，根據(jù)輸液管路被擠壓量的不同，輸液管路內(nèi)孔截面積見表1。

（2）凸輪片的外形及輸液量計(jì)算。凸輪片的旋轉(zhuǎn)帶動擠壓片做上下往復(fù)運(yùn)動，擠壓管路使液體輸出。在凸輪軸旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)，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(shù)計(jì)算完全擠壓片的外形。

由完全擠壓片工作狀態(tài)得出，在凸輪軸旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)，0-60°時(shí)是第1個完全擠壓片工作狀態(tài)的前半個周期，流通液體；60-120°時(shí)是完全擠壓片工作狀態(tài)的后半個周期，截止液體；120-360°時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。擠壓片的工作狀態(tài)與對應(yīng)凸輪片1的工作狀態(tài)一致，將凸輪片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為擠壓片的上下直線運(yùn)動。根據(jù)公式（4）計(jì)算凸輪片1的外形。

余弦函數(shù)的計(jì)算公式：

余弦值=COS（旋轉(zhuǎn)度數(shù)°） （4）

完全擠壓片對管路預(yù)壓2mm，輸液管路外徑3.8mm，預(yù)留0.2mm的間隙，完全擠壓片上下運(yùn)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(zhuǎn)角細(xì)化，計(jì)算凸輪片的外形，具體數(shù)據(jù)見表2。

同樣的方法，計(jì)算其余凸輪片的外形尺寸，根據(jù)每個擠壓片的工作狀態(tài)、凸輪片每旋轉(zhuǎn)一個角度擠壓管路內(nèi)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(jì)算出凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈半擠壓裝置的輸液量。

4 半擠壓裝置的主要結(jié)構(gòu)

描述半擠壓裝置中幾個重要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

4.1 凸輪軸

通常采用圓軸作為凸輪軸，由于本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)，在軸向上采用卡槽及限位塊對凸輪片進(jìn)行限位。

4.2 凸輪片

根據(jù)前面凸輪片的計(jì)算，可以將每個凸輪片外形制作出來，考慮到后續(xù)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(yīng)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(yīng)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(zhí)行元件，將凸輪片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為擠壓片的上下運(yùn)動，擠壓輸液管路并輸出液體。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到以下幾點(diǎn)：

（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(fù)位問題，在每個擠壓片上加彈簧，使擠壓片能夠自動復(fù)位。

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

4.4 傳動機(jī)構(gòu)及其他部件

傳動機(jī)構(gòu)采用圓弧齒同步帶，其齒形具有圓弧的特點(diǎn)，區(qū)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(jī)是半擠壓裝置的動力源，經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)減速帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)、凸輪片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)擠壓片上下運(yùn)動。

將凸輪軸、凸輪片、擠壓片、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、減震裝置等裝配在一起，保證半擠壓裝置正常運(yùn)行情況下，將外殼尺寸設(shè)計(jì)到最小。在外殼內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有導(dǎo)向槽，擠壓片與導(dǎo)向槽配合，上下運(yùn)動順暢、無干涉。裝配后凸輪片旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)時(shí)還要考慮避免注塑問題。

5 實(shí)際樣機(jī)的測試數(shù)據(jù)

經(jīng)手版加工后，測試實(shí)際樣機(jī)。實(shí)測半擠壓裝置的輸液速度，測試數(shù)據(jù)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(shí)間：5h；

設(shè)備：天平 （500g）；輔助設(shè)備：半擠壓裝置的輸液泵。

6 結(jié)論

通過測試半擠壓裝置的實(shí)際樣機(jī)，以25ml/h的速度運(yùn)行時(shí)，在5小時(shí)內(nèi)各平均速度與測試速度的誤差在1.7%-2.88%，遠(yuǎn)小于4%，具體數(shù)據(jù)參看表3，由此見半擠壓裝置可以替代全擠壓裝置用于醫(yī)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(yī)護(hù)人員的效率、減少臨床醫(yī)療事故有很大的意義，是輸液泵擠壓裝置未來發(fā)展的方向。

本次設(shè)計(jì)中尚存在著不足，對某些方面的細(xì)節(jié)考慮還有著一定的欠缺，需要進(jìn)一步的提煉與改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉國，李世國，酈洪源.注塑件缺陷分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決方案[J].工程塑料應(yīng)用，2007，35（01）：73-77.

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[3]GB 9706.1-2007.醫(yī)用電氣設(shè)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(yī)療器械的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。