便攜式智能輸液設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究*

劉俊伶　陳廷靜　張樂天　李 陽　祁海峰　劉明利　劉 蕾　李 雪*

近年來，由于各種災(zāi)難、交通事故及高處墜落等傷害發(fā)生頻繁，患者往往傷勢嚴(yán)重，其中創(chuàng)傷性休克是并發(fā)證之一，搶救中最為關(guān)鍵的急救措施就是及時為患者進(jìn)行靜脈輸液，擴(kuò)充循環(huán)血容量，有效提高失血性休克的搶救成功率，而在第一時間同時實現(xiàn)動脈和靜脈輸液對挽救患者的生命將具有重要的臨床意義[1]。在患者轉(zhuǎn)運(yùn)途中常常可以看到醫(yī)護(hù)人員與患者同步移動并高舉液體，給救援帶來不便，并造成人力浪費[2]。雖然現(xiàn)有的少部分便攜式輸液設(shè)備解決了快速輸液和輸血的問題，具備一定的智能性，也存在一定的局限性，多為單通道，無法同時進(jìn)行動脈和靜脈輸液或完成多袋液體的自動切換[3-7]。因此，為了提高患者的救護(hù)成功率，減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度和心理壓力，特別需要一種不受高度差影響，“移動性”、“便攜性”更強(qiáng)，“智能化程度”更高，實現(xiàn)自動識別、自動加壓、自動切換、自動報警、多通道(同時滿足動脈和靜脈輸液)、重力與動力輸液融合的輸液設(shè)備。為此，本研究研發(fā)一種便攜式智能輸液設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、輕便易攜帶，可操作性強(qiáng)、智能性高，能夠滿足不同環(huán)境下的動脈和靜脈輸液，具有較好的臨床應(yīng)用前景。

1　便攜式智能輸液設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

1.1　設(shè)計思路

移動性(便攜性)、安全性及智能化程度的高低是便攜式輸液設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，針對現(xiàn)有便攜式輸液設(shè)備存在的不足，采用如下技術(shù)方案。

(1)微型打氣泵技術(shù)。以微型打氣泵作為“動力源”，使輸液加壓袋(或輸液袋)獲得輸液所需的正壓差，從而實現(xiàn)“動力輸液”，通過與輸液袋相連的輸液器將藥液、血液、電解質(zhì)等輸入患者體內(nèi)。

(2)智能化安全技術(shù)。采用稱重傳感器+氣泡傳感器+壓力傳感器的多重監(jiān)控方式，對輸液過程進(jìn)行全過程監(jiān)控，保證輸液過程中不會出現(xiàn)“空管”、“氣泡”和“漏液”等異常現(xiàn)象，當(dāng)異常現(xiàn)象出現(xiàn)時，能夠自動停止輸液，并發(fā)出警示。

(3)多通道控制技術(shù)。設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由多組稱重傳感器+夾管機(jī)構(gòu)構(gòu)成，一組稱重傳感器+夾管機(jī)構(gòu)就是一個輸液通道，所有通道統(tǒng)一由一個單片機(jī)統(tǒng)一控制，每個輸液通道的輸液速度都可以自由調(diào)節(jié)，輸液壓力差可以不同，可同時在一臺設(shè)備上進(jìn)行不同壓力要求的動脈和靜脈輸液(輸血)，每個通道的輸液量也可自由設(shè)定，當(dāng)其中一個通道的輸液量達(dá)到設(shè)定值時，或其中一個通道的輸液袋內(nèi)的液體輸完時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能自行切換輸液通道或關(guān)閉輸液通道，并發(fā)出通知。

1.2　基本結(jié)構(gòu)

主機(jī)以電動打氣泵為“動力源”，打氣泵安裝在箱體內(nèi)，通過氣管與單向閥、三通接頭的一個通道相連，三通接頭的其余2個通道一個通過氣管與隔板式快速接頭的內(nèi)接頭相連，構(gòu)成氣泵式便攜輸液設(shè)備的內(nèi)部充氣氣路，另一個通過氣管與電路板的氣壓傳感器相連，構(gòu)成設(shè)備的檢測氣路；所述隔板式快速接頭的外接頭通過氣管與一次性空氣過濾器、氣管接頭與輸液加壓袋或輸液袋相連，構(gòu)成外部氣路。電動打氣泵通過內(nèi)、外氣路向加壓輸液袋或輸液袋加壓，通過加壓袋擠壓輸液袋或空氣壓力直接擠壓液面產(chǎn)生正壓差，使藥液流入患者體內(nèi)，箱體內(nèi)還安裝一帶有微型氣壓傳感器的電路板、觸摸屏、按鍵、微型電機(jī)、絲桿、輸液管壓塊、蓄電池、空管檢測傳感器及用于控制氣路的單向閥等，電機(jī)帶動絲桿和輸液管壓塊運(yùn)動可開、關(guān)輸液器并實現(xiàn)輸液袋(輸液瓶)間的自動切換；箱體的外部設(shè)有輸液管及滴壺夾緊座，還安裝有提手及一條可調(diào)節(jié)長短的背帶，背帶使患者在行走時也不影響輸液(如圖1所示)。

圖1　便攜式智能輸液設(shè)備主機(jī)示圖

設(shè)備的智能檢測模塊主要零部件是稱重傳感器和變送器信號放大器，能自動檢測藥液的剩余量，并結(jié)合已用時間計算出輸液的速度，當(dāng)藥液的剩余量或剩余時間達(dá)到設(shè)定值時，發(fā)出警報，提醒護(hù)士進(jìn)行下一組藥液的配制(如圖2所示)。

圖2　便攜式智能輸液設(shè)備智能檢測模塊示圖

1.3　控制系統(tǒng)原理

便攜式輸液設(shè)備由單片機(jī)控制。動力輸液模式下，通過氣壓傳感器實時感知輸液加壓袋(輸液袋)內(nèi)的氣壓，當(dāng)氣壓值低于或達(dá)到預(yù)設(shè)值的下限時單片機(jī)指令打氣泵向輸液加壓袋(輸液袋)充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值上限時，單片機(jī)指令打氣泵停止充氣；在輸液過程中氣壓傳感器、空管檢測傳感器(氣泡傳感器)和稱重傳感器會對輸液狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(如輸液管出現(xiàn)氣泡、堵塞等)，單片機(jī)指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)(由電機(jī)、絲桿、壓塊等組成)迅速切斷液路，緊急中止輸液，同時會通過揚(yáng)聲器發(fā)出刺耳的警報聲；單片機(jī)通過智能模塊(稱重傳感器和變送器等組成)可實時探測到各輸液通道的剩余液量，根據(jù)輸液的進(jìn)程，指令揚(yáng)聲器發(fā)出“輸液進(jìn)行時”、“輸液量達(dá)到預(yù)設(shè)值”和“輸液完成”等音頻提示信號，同時指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)輸液的進(jìn)程完成關(guān)閉或切換輸液通道等動作(如圖3所示)。

圖3　便捷式智能輸液設(shè)備控制原理圖

2　便攜式智能輸液設(shè)備應(yīng)用實驗

2.1　仿真模擬輸液實驗

2.1.1實驗?zāi)康?/p>

主要完成機(jī)電與軟件一體化聯(lián)調(diào)。

(1)驗證動力系統(tǒng)是否能為動脈輸液和無“高度差”條件下的靜脈輸液提供足夠和穩(wěn)定的“動力源”。

(2)驗證監(jiān)測系統(tǒng)在出現(xiàn)各種異常狀況時能否安全和有效。

(3)驗證執(zhí)行系統(tǒng)是否能夠及時打開、關(guān)閉和切換輸液通道。

(4)驗證智能檢測模塊能否準(zhǔn)確及時按預(yù)設(shè)值提示護(hù)理人員。

2.1.2實驗步驟和方法

(1)將2只用上部剪有排氣孔的空輸液袋分別掛在不同的掛鉤上，用于替代人體的血管和腎臟，作為輸液時液體的容納器具；在空塑料袋下方的掛鉤上分別掛上2個智能檢測模塊，然后將2個裝滿液體的輸液袋分別放入2個加壓袋中，并分別掛在2個智能檢測模塊的掛鉤上，也可將裝滿液體的輸液袋直接掛在智能檢測模塊的掛鉤上；將便攜式智能輸液設(shè)備的主機(jī)掛在輸液袋的下方。

(2)用一次性輸液器將輸液袋、主機(jī)和液體容納器具串聯(lián)起來(如圖4所示)。

圖4　仿真模擬輸液實驗步驟示意圖

(3)按下“電源”按鈕啟動主機(jī)，按任意鍵進(jìn)入觸摸屏，點啟“動力”按鈕，向加壓袋或輸液袋打氣，待氣壓達(dá)到設(shè)定值后，根據(jù)實驗要求同時啟動左、右2個通道或左、右通道中任一通道進(jìn)入“雙通道輸液模式”、“多通道模式”或“單通道模式”。

(4)在“模擬輸液”過程中，可人為制造在平常的輸液過程中所遇到各種異常狀況，如“大氣泡”、“小氣泡”等，仔細(xì)觀察設(shè)備是否能發(fā)現(xiàn)各種異常，并作出相應(yīng)的警示和處理。觀察當(dāng)某通道的輸液剩余時間(或剩余量)到達(dá)設(shè)定值時，設(shè)備是否會正確提示，觀察在“雙通道模式”下，當(dāng)某一通道完成輸液時，設(shè)備是否會及時關(guān)閉該通道，觀察在“單通道模式”下，當(dāng)該通道完成輸液時，設(shè)備是否會及時關(guān)閉該通道并自動切換到另一通道。

(5)在輸液過程中可進(jìn)行各種操作，如“暫停某通道輸液”、“調(diào)整動力源的設(shè)定壓力”、“調(diào)整輸液速度”以及“調(diào)整輸液剩余時間預(yù)設(shè)提醒值”等。

2.2　動物失血性休克實驗

2.2.1實驗?zāi)康?/p>

主要檢測該系統(tǒng)在搶救失血休克時其自動識別、自動加壓、自動切換、自動報警、自動停止、多通道(同時滿足動脈和靜脈輸液)以及重力與動力輸液融合等關(guān)鍵技術(shù)，檢測該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、靈敏度、穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2實驗步驟和方法

(1)實驗動物及數(shù)量。巴馬香豬3頭，雄性，

30　～50 kg，實驗前8 h禁食水。

(2)便攜式智能輸液裝置準(zhǔn)備。輸液裝置插電源(或充電備用)，準(zhǔn)備不同規(guī)格的軟袋液體(500 ml、250 ml及100 ml)，2套輸液器，1套雙腔充氣管(設(shè)置壓力參數(shù)通過雙腔充氣管自動加壓到輸液袋內(nèi))，2個加壓袋(設(shè)備自帶，設(shè)備通過設(shè)置壓力參數(shù)自動加壓)，連結(jié)輸液管和加氣管排氣備用。

(3)麻醉方式。肌肉注射氯胺酮(10 mg/kg)誘導(dǎo)，耳緣靜脈留置針建立靜脈通道并固定；丙泊酚中長鏈脂肪乳注射液20 ml，0.2 g，微量泵泵入維持4～12 ml/kg·h，追加劑量每次2.5～5 ml。

(4)氣管插管與通道建立。實驗豬仰臥位固定于動物手術(shù)臺，右頸部、胸部、下腹部以及雙側(cè)腹股溝剃刀備皮，于頸部正中偏右切開，暴露氣管，直視下氣管切開插入氣管導(dǎo)管接呼吸機(jī)，于氣管右側(cè)分離暴露頸動脈鞘，分離出頸動脈和頸靜脈，直視下分別插入動脈導(dǎo)管和中心靜脈導(dǎo)管，插入深度為10 cm，縫合固定導(dǎo)管防止脫落，分別在頸內(nèi)靜脈、頸動脈建立通道連接輸液裝置。右側(cè)腹股溝區(qū)切開。直視下穿刺右側(cè)股動脈，用于放血。于恥骨聯(lián)合上5 cm進(jìn)行膀胱造瘺，接無菌引流袋，記錄每小時尿量。

(5)放血策略。采用定容性失血性休克模型，動物總血容量按80 ml／kg計算。放血開始前進(jìn)行基礎(chǔ)檢測(生命體征和血流動力學(xué)監(jiān)測)，做好記錄。通過股動脈導(dǎo)管用三通導(dǎo)管連接肝素儲血袋，放血速率25 ml/min，放血至10%、20%、30%及40%等，停止放血期間進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測量，當(dāng)實驗豬出現(xiàn)休克后立即進(jìn)行靜脈和動脈液體的輸入，觀察輸液速度與生命體征及壓力監(jiān)測的變化，及時記錄液體輸入時的各項指標(biāo)，記錄使用加壓輸液裝置中存在的問題，及時調(diào)整輸液裝置。使用方法如圖5所示。

圖5　動物失血性休克輸液實驗示圖

2.3　戶外移動輸液實驗

2.3.1實驗?zāi)康?/p>

檢測該系統(tǒng)在戶外輸液條件下的移動性、便攜性、自動加壓、自動識別、自動切換、自動報警、自動停止以及多通道關(guān)鍵技術(shù)的穩(wěn)定性和安全性。

2.3.2實驗步驟和方法

(1)模擬平車轉(zhuǎn)運(yùn)輸液。①將患者平臥于轉(zhuǎn)運(yùn)車上，該設(shè)備固定于床沿；②準(zhǔn)備2袋液體，將輸液袋和輸液管連接排氣，輸液管莫非氏滴管固定于輸液設(shè)備的2個卡槽內(nèi)，開機(jī)調(diào)節(jié)壓力，根據(jù)輸液的速度調(diào)節(jié)壓力，靜脈輸液高于靜脈壓，動脈輸液高于動脈壓，連結(jié)患者的靜脈通道。

(2)戶外移動輸液?；颊哒玖⑽?，將該設(shè)備背在患者身上，調(diào)節(jié)背帶的長度，將2袋輸液掛于微型掛鉤上，輸液管莫非氏滴管固定于輸液設(shè)備的2個卡槽內(nèi)，開機(jī)根據(jù)輸液的速度調(diào)節(jié)壓力(如圖6所示)。

圖6　戶外移動輸液實驗示圖

3　便攜式智能輸液設(shè)備應(yīng)用價值與效果

3.1　臨床應(yīng)用價值

(1)理想的輸液裝置不僅應(yīng)該能夠滿足院內(nèi)救護(hù)常規(guī)治療的需要，還要滿足院前急救和野戰(zhàn)急救環(huán)境惡劣條件下的救護(hù)需要[8]。本研究中設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用范圍廣，不僅可解決野外及戶外移動式急救輸液存在的問題，還可提高群體傷員搶救的效率與安全性，也適合病房的輸液，可提前通知下一組液體的配制，預(yù)先計劃性準(zhǔn)備另一通道，當(dāng)輸完液體后自動切換。同時，可預(yù)先設(shè)置好滴速，當(dāng)液體全部輸完時自動關(guān)閉，避免空氣進(jìn)入血管內(nèi)形成空氣栓塞及凝血堵針頭的情況發(fā)生[9]。

(2)重癥患者或手術(shù)中實施搶救時可通過自動加壓快速輸入藥物，對術(shù)中失血性休克患者實施快速補(bǔ)液和輸血及心跳驟停的搶救。動脈穿刺成功后該設(shè)備可以持續(xù)性、穩(wěn)定性進(jìn)行加壓，并設(shè)有傳統(tǒng)加壓袋自動加壓和通過帶過濾器的雙腔加壓管向輸液袋內(nèi)加壓的2種加壓方式，克服傳統(tǒng)加壓袋手動加壓的局限性，滿足動脈和靜脈單通道或雙通道的輸液方式，對提高搶救的成功率具有重要的臨床意義。

(3)應(yīng)用于介入手術(shù)治療時，保證術(shù)中導(dǎo)引導(dǎo)管、微導(dǎo)管與微導(dǎo)絲之間通暢，防止腔內(nèi)血栓形成以及保持動脈加壓灌注線通暢是保證手術(shù)成功的關(guān)鍵[10]。該設(shè)備可以自動加壓，當(dāng)液體達(dá)到預(yù)設(shè)量、管道有氣泡時可自動報警提示醫(yī)生和護(hù)士，并自動切換到另一袋準(zhǔn)備好的液體，減輕了手術(shù)醫(yī)生、巡回護(hù)士的工作負(fù)擔(dān)，提高了工作效率，保證介入手術(shù)的安全。

3.2　臨床應(yīng)用效果

3.2.1自動加壓系統(tǒng)

便攜式智能輸液設(shè)備能滿足“動脈輸液”或無“高度差”條件下的“靜脈輸液”所需要的動力能，可以用于任何環(huán)境下動脈和靜脈加壓輸液的需求，擺脫了重力輸液的局限性，極大提高了搶救效率，適用于野外救護(hù)、傷病員后送及住院患者外出檢查使用。

3.2.2自動報警功能

當(dāng)輸液管中出現(xiàn)“小氣泡”時設(shè)備能及時提示，當(dāng)輸液管中出現(xiàn)“大氣泡”時設(shè)備能及時發(fā)出警示，并終止輸液直到醫(yī)護(hù)人員排除異常為止，避免氣體進(jìn)入患者靜脈，提高急救的安全性；當(dāng)某通道的輸液剩余時間(或液體剩余量)到達(dá)預(yù)設(shè)值時，設(shè)備能及時通知醫(yī)護(hù)人員提前配藥、接瓶，降低了護(hù)士的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

3.2.3自動切換功能

在“單通道模式”下，當(dāng)通道完成輸液時設(shè)備能及時關(guān)閉該通道；在“雙通道模式”下，當(dāng)某一通道完成輸液時，設(shè)備能及時關(guān)閉該通道并自動切換到另一“備輸液”的通道，節(jié)省了人力。

3.2.4多通道監(jiān)測功能

可以同時執(zhí)行動脈和靜脈輸液，使液體及藥物迅速進(jìn)入患者體內(nèi)，糾正水電解質(zhì)失衡，恢復(fù)正常血液循環(huán)。

3.3　設(shè)備存在的問題

便攜式智能輸液設(shè)備與現(xiàn)有的便攜式智能輸液設(shè)備相比，更安全、更輕便、更智能，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)快速的輸液，解決了一些臨床和野外輸液問題。但是，本設(shè)備也存在一些缺陷，由于使用壓縮空氣作為“動力源”，不像輸液泵采取蠕動泵強(qiáng)制壓入的輸液方式，患者血液循環(huán)的快慢對輸液速度有所影響，對輸液速度的自動精準(zhǔn)設(shè)定和調(diào)整可能有影響，直接加大了電氣控制和軟件設(shè)計人員的技術(shù)難度；由于壓縮空氣直接進(jìn)入輸液袋，雖然此壓力遠(yuǎn)低行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于輸液袋應(yīng)該承受壓力的要求，但本研究未針對不同容量輸液袋所存受的最大壓力進(jìn)行實驗；同時該設(shè)備未考慮到對液體的快速加溫功能和保溫系統(tǒng)，這一點對嚴(yán)寒地區(qū)或創(chuàng)傷失血性休克患者很重要。這些不足也是下一步要解決的問題。

4　結(jié)語

便攜式智能輸液系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、輕便、可操作性強(qiáng)、智能化程度高，能夠解決目前便攜式輸液設(shè)備普遍存在的功能性和操作性的問題，適用于野外現(xiàn)場救護(hù)、院前急救、重癥病房、手術(shù)室、介入治療及普通病房或患者外出輸液、輸血的需求，根據(jù)輸液環(huán)境可低位、平放、高位、手提、肩背行走或放置在車船、飛機(jī)、擔(dān)架和手推車上，具有較好的臨床應(yīng)用前景。