新型可控制輸液吊瓶研究

高鑫誠(chéng) 王巍 馮曉晨 陳德宇 杜仲章 周倍涵

摘要：針對(duì)目前醫(yī)院醫(yī)護(hù)人力資源嚴(yán)重不足和現(xiàn)存吊瓶需要人工監(jiān)控容易導(dǎo)致公共資源浪費(fèi)的問題，基于可移動(dòng)式活塞瓶底及大氣壓原理設(shè)計(jì)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(cè)定系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)三大部分組成。吊瓶本體由瓶身和可移動(dòng)的活塞底組成;液面測(cè)定系統(tǒng)是由滑輪組和液面高度計(jì)組成;報(bào)警系統(tǒng)由帶有蜂鳴器的電路組成。此吊瓶可在就醫(yī)高峰期有效地解放醫(yī)護(hù)勞動(dòng)力，提高醫(yī)院基礎(chǔ)輸液工作的效率，具有成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)、工廠加工難度小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：新型可控制輸液吊瓶;液面高度計(jì);滑輪組;報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：R197.39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：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(shí)間較長(zhǎng)，反復(fù)查看則占用了醫(yī)護(hù)人員較長(zhǎng)的時(shí)間[1]，且藥液滴速會(huì)隨液面降低而減慢，如果不能及時(shí)換瓶，藥效也會(huì)因此而降低。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)的醫(yī)療水平實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，但是醫(yī)療資源尤其是醫(yī)護(hù)資源仍然寶貴。相關(guān)調(diào)查表明，我國(guó)醫(yī)護(hù)比例嚴(yán)重失調(diào)[2]。北京大學(xué)護(hù)理學(xué)院院長(zhǎng)尚少梅認(rèn)為，我國(guó)現(xiàn)行的護(hù)理人員配置仍是根據(jù)1978年原衛(wèi)生部有關(guān)規(guī)定確定的，要求醫(yī)護(hù)比例1∶1，普通病房床護(hù)比為1∶0.4。30多年前的標(biāo)準(zhǔn)已明顯不適應(yīng)醫(yī)院的發(fā)展變化和患者的需求。根據(jù)世衛(wèi)組織統(tǒng)計(jì)，全球人均擁有護(hù)士數(shù)量最多的是挪威，每千人擁有護(hù)士數(shù)量達(dá)17.27人，歐盟制定的基本標(biāo)準(zhǔn)為8人以上，而美國(guó)和日本分別為9.8人和11.49人。相比之下，我國(guó)每千人口護(hù)士數(shù)僅為2.36人。世界上大多數(shù)國(guó)家的護(hù)士占總?cè)丝诘谋戎丶s為5‰，而我國(guó)只有1‰左右。以此推算，我國(guó)目前尚缺數(shù)百萬名護(hù)士，護(hù)理人力資源配置嚴(yán)重不足。另一方面，由于醫(yī)護(hù)人員不足，很多病患需要家屬代理陪護(hù)，但是很多病患為孤寡老人，可能甚至沒有家屬，這進(jìn)一步加重了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

由此看來，目前普遍使用的醫(yī)用吊瓶，存在需人工監(jiān)控與人工換瓶?jī)纱笾饕獑栴}，極大地降低了醫(yī)護(hù)人員的工作效率。針對(duì)這兩大問題，國(guó)內(nèi)外提出了多種改進(jìn)方案，沈陽航空航天大學(xué)陸鑫宇[3]等設(shè)計(jì)出一種醫(yī)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(yè)技術(shù)學(xué)院的崔少晨[4]利用重力傳感器構(gòu)建了基于PLC的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)吊瓶質(zhì)量變化計(jì)算剩余液體量，并及時(shí)通過聲光報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員，避免了醫(yī)護(hù)人員反復(fù)查看。這些方案對(duì)吊瓶使用的便利性與醫(yī)護(hù)人員的工作效率有所改善，但這些改進(jìn)方案只解決了傳統(tǒng)吊瓶現(xiàn)存的兩大主要問題之一。

本項(xiàng)目是一種基于信號(hào)控制和遠(yuǎn)程傳輸?shù)闹悄艿跗浚瑢煞N傳統(tǒng)吊瓶的改進(jìn)方案集約化，并加以簡(jiǎn)化，不僅實(shí)現(xiàn)了吊瓶的“智能化”，減輕了醫(yī)護(hù)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(chǎng)使用，造福于醫(yī)護(hù)工作提供了條件。該新型可控制輸液吊瓶可實(shí)現(xiàn)報(bào)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(yī)高峰期有效地解放醫(yī)護(hù)勞動(dòng)力，提高醫(yī)院基礎(chǔ)輸液工作的效率，使寶貴的醫(yī)護(hù)資源真正致用于痛點(diǎn)?；诨喗M傳動(dòng)技術(shù)，電信號(hào)液面高度測(cè)定以及信號(hào)傳輸?shù)燃夹g(shù)，可傳統(tǒng)吊瓶設(shè)計(jì)成一款能夠在輸液瓶中液面達(dá)到一定高度時(shí)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)醫(yī)院吊瓶能夠根據(jù)不同病人的要求設(shè)置吊瓶的液面停止高度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊瓶液面的準(zhǔn)確跟蹤，到達(dá)指定液面后停止，從而解放醫(yī)護(hù)人員雙手，提高工作效率，具有反應(yīng)迅速，定位準(zhǔn)確，成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2?吊瓶的原理

2.1?吊瓶本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊瓶將采用醫(yī)用無規(guī)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(jìn)行密封，瓶底中心設(shè)有卡扣，可以與滑輪進(jìn)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(shí)現(xiàn)更加精確的高度測(cè)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(nèi)沿?fù)醢澹乐蛊康自谶\(yùn)輸中移位，內(nèi)沿?fù)醢逶谑褂们氨仨毴∠虏⑶胰∠潞鬅o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(jìn)入輸液瓶的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度將等于瓶口到瓶體的長(zhǎng)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?jī)?nèi)液面的下降，瓶?jī)?nèi)氣壓降低，大氣壓將活塞瓶底向下壓從而實(shí)現(xiàn)瓶底與液面同時(shí)下降。瓶底下降的同時(shí)通過滑輪組帶動(dòng)電極滑塊向上移動(dòng)，達(dá)到不同高度時(shí)接通阻值不同的電路，利用電信號(hào)將高度信息傳遞給處理模塊，由處理模塊控制報(bào)警裝置和停止輸液裝置并將信息傳遞到護(hù)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(gè)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(tǒng)帶動(dòng)夾頭，可靠性高。

2.2?吊瓶液面測(cè)定系統(tǒng)

當(dāng)?shù)跗績(jī)?nèi)液面下降時(shí)，大氣壓壓迫可活動(dòng)的活塞式瓶底一同下降，帶動(dòng)滑輪組傳動(dòng)至右方導(dǎo)軌上整合的電信號(hào)液面高度計(jì)，產(chǎn)生電信號(hào)，由信號(hào)處理與發(fā)出指令單元處理，當(dāng)液面到達(dá)指定液面時(shí)，聯(lián)動(dòng)注射停止單元，輸液停止。

2.3?活塞式瓶底的穩(wěn)定性

由于有大氣壓的存在，當(dāng)?shù)跗績(jī)?nèi)液面高度下降時(shí)，活塞式可動(dòng)瓶底隨液面下降，從而聯(lián)動(dòng)滑輪組，那么活塞瓶底的需要有一定的穩(wěn)定性，來保證電信號(hào)液面高度計(jì)測(cè)量液面高度的準(zhǔn)確度。

3?吊瓶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該吊瓶與傳統(tǒng)吊瓶結(jié)構(gòu)類似，吊瓶的主體結(jié)構(gòu)主要由瓶身，可活動(dòng)的活塞式瓶底構(gòu)成，其中瓶身采用無規(guī)共聚聚丙烯材質(zhì)，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(zhì)，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?；钊淖兓跉鈮涸?，當(dāng)?shù)跗績(jī)?nèi)液體的液面高度降低時(shí)，吊瓶?jī)?nèi)上方空余體積增大，引起瓶?jī)?nèi)氣壓減小，大氣壓壓迫瓶底，由于瓶底設(shè)計(jì)為可活動(dòng)的活塞式，所以此時(shí)瓶底在大氣壓的作用下向下移動(dòng)，帶動(dòng)瓶底上連接的滑輪組一起移動(dòng)，從而與吊瓶外液面測(cè)定系統(tǒng)相聯(lián)系。配合活塞一起運(yùn)動(dòng)的是滑輪系統(tǒng)，當(dāng)滑輪組被帶動(dòng)時(shí)，固定在吊瓶右側(cè)架上的電信號(hào)液面高度計(jì)收到電信號(hào)，與信號(hào)處理與發(fā)出指令單元聯(lián)動(dòng)，針對(duì)不同設(shè)定做出不同應(yīng)答，當(dāng)液面高度到達(dá)設(shè)定液面時(shí)（未設(shè)定液面高度時(shí)則默認(rèn)吊瓶液面下降為零），信號(hào)處理與發(fā)出指令單元收到反饋，控制注射停止單元運(yùn)作，此時(shí)輸液將會(huì)停止。

報(bào)警及停止輸液裝置的設(shè)計(jì)：報(bào)警裝置為一個(gè)蜂鳴器，集成在停止輸液裝置內(nèi)。輸液停止裝置利用電磁控制，控制夾頭的開合，以此實(shí)現(xiàn)輸液的停止。如果出現(xiàn)故障，輸液停止裝置可以及時(shí)停止輸液。

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

4?吊瓶各部分具體設(shè)計(jì)方案

4.1?活塞密閉設(shè)計(jì)

吊瓶將采用醫(yī)用無規(guī)共聚聚丙烯材料制作瓶身和可活動(dòng)的瓶底活塞，根據(jù)不同的病人輸液時(shí)需要的輸液量不同采用不同的規(guī)格參數(shù)，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(jìn)行密封，瓶底中心設(shè)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(shí)現(xiàn)更加精確的高度測(cè)量。瓶身最高處有一圈內(nèi)沿?fù)醢?，防止瓶底在運(yùn)輸中移位，同時(shí)活塞直徑設(shè)計(jì)的稍大于瓶身，以實(shí)現(xiàn)密閉作用。內(nèi)沿?fù)醢逶谑褂们氨仨毴∠虏⑶胰∠潞鬅o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(qiáng)之間的平衡

由于需要利用大氣壓原理來進(jìn)行液面高度的感知，輸液管取消了大氣壓平衡裝置。隨瓶?jī)?nèi)液面的下降，吊瓶?jī)?nèi)氣壓降低，大氣壓將活塞瓶底向下壓從而實(shí)現(xiàn)瓶底與液面同時(shí)下降。瓶底有一定重量，根據(jù)力學(xué)，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(guī)格的吊瓶設(shè)計(jì)的瓶底活塞重量也會(huì)有所變化。與此同時(shí)，輸液管將截短進(jìn)入輸液瓶的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度將等于瓶口到瓶體的長(zhǎng)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(gè)同規(guī)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(nèi)均可，圓心軸在支架上，線材選用較為堅(jiān)硬碳素線，尼龍線作為備選。2個(gè)滑輪同時(shí)裝在一根支架上，滑輪之間的距離可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)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(nèi)液面下降時(shí)產(chǎn)生的移動(dòng)距離轉(zhuǎn)換為在液面高度內(nèi)的滑塊的移動(dòng)。如圖4所示。

4.4?液面高度計(jì)的設(shè)計(jì)

液面高度計(jì)由一根圓柱形導(dǎo)軌和由滑輪組吊起的圓柱形滑塊組成，導(dǎo)軌內(nèi)壁不同高度的兩側(cè)嵌有電極，電極略微突起并通向?qū)к壨鈧?cè)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(dǎo)軌內(nèi)徑。液面高度計(jì)外部有可調(diào)節(jié)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(dǎo)軌和5對(duì)電極片組成，導(dǎo)軌內(nèi)壁不同高度的兩側(cè)嵌有電極，電極略微突起并有通向?qū)к壨鈧?cè)的有電阻電路，電阻的阻值由下到上依次增大。導(dǎo)軌上下平面設(shè)計(jì)為可螺旋擰開的形式導(dǎo)軌D=30 mm，h=300 mm。在高度計(jì)底部有一個(gè)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(dǎo)軌內(nèi)徑。由于電阻阻值的不同，當(dāng)瓶?jī)?nèi)液面下降時(shí)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)經(jīng)過不同電極片時(shí)會(huì)產(chǎn)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(shí)運(yùn)行。（剖面圖如下所示）報(bào)警裝置為一個(gè)蜂鳴器，集成在停止輸液裝置內(nèi)。輸液停止裝置利用電磁控制，控制夾頭的開合，以此實(shí)現(xiàn)輸液的停止。如果出現(xiàn)故障，輸液停止裝置可以及時(shí)停止輸液，以保障病人的安全，如圖5所示。

5?報(bào)警系統(tǒng)與安全

液面高度計(jì)由傳導(dǎo)裝置和測(cè)高裝置組成，液面的下降帶動(dòng)底部活塞的下降，通過滑輪組構(gòu)成的傳導(dǎo)裝置將位移傳遞至測(cè)高裝置，從而實(shí)現(xiàn)液面高度的測(cè)量。傳導(dǎo)裝置由固定在同一直線的兩個(gè)同型號(hào)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(cè)高裝置的滑塊相連。測(cè)高裝置的主體部分為一條C形開縫導(dǎo)軌和一個(gè)圓柱形滑塊，導(dǎo)軌內(nèi)壁不同高度的兩側(cè)嵌有電極，并且在導(dǎo)軌外側(cè)的相應(yīng)高度標(biāo)有刻度線，電極略微突起并通向?qū)к壨鈧?cè)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(dǎo)軌內(nèi)徑，并且中部有通過導(dǎo)軌開縫伸出導(dǎo)軌外側(cè)的高度指針。停止輸液裝置由報(bào)警裝置和停止裝置組成，該裝置由輸液系統(tǒng)自動(dòng)控制，同時(shí)也可以由人工控制，從而實(shí)現(xiàn)輸液裝置停止輸液的自動(dòng)化。報(bào)警裝置主要為一個(gè)蜂鳴器，當(dāng)液面下降至預(yù)先設(shè)定好的高度時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音予以警示，操作人員可以通過蜂鳴器復(fù)位按鍵是蜂鳴器停止工作，停止裝置的主體部分為一個(gè)可以完全閉合的夾子和用以驅(qū)動(dòng)夾子的電磁開關(guān)，當(dāng)液面下降至預(yù)先設(shè)定的高度時(shí)，電磁鐵通電工作，帶動(dòng)夾子閉合，以此實(shí)現(xiàn)輸液的停止，需要夾子復(fù)位時(shí)，可以通過復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)整個(gè)停止輸液裝置的復(fù)位。若有需要，相關(guān)人員可以通過緊急停止按鍵實(shí)現(xiàn)夾子的緊急閉合，并且發(fā)出信號(hào)，如果出現(xiàn)故障，輸液停止裝置可以及時(shí)停止輸液，以保障病人的安全。

6?結(jié)語

傳統(tǒng)吊瓶的主要弊端在于需要人工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在就診高峰時(shí)會(huì)大量分散醫(yī)護(hù)人員的注意力，而醫(yī)護(hù)資源在我國(guó)大部分地區(qū)普遍短缺。醫(yī)護(hù)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(yī)護(hù)資源沒有得到充分利用，反而浪費(fèi)在了意義不大的基礎(chǔ)看護(hù)中。

本文提出的新型吊瓶，應(yīng)用大氣壓與電信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行液面測(cè)定與控制，原理簡(jiǎn)單;瓶身與可活動(dòng)的活塞式瓶底均采用無規(guī)共聚聚丙烯材質(zhì)，成本低廉。但其性能方面相對(duì)于肉眼控制來說，液面、滑輪組、信號(hào)處理與發(fā)出指令單元三者聯(lián)動(dòng)，不僅靈敏度高，輸液更加精準(zhǔn)，而且實(shí)現(xiàn)了輸液控制的全面自動(dòng)化，極大解放了醫(yī)護(hù)勞動(dòng)力，并提高了醫(yī)院的整體工作效率。它可以在不需要人工控制的情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止輸液，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便、實(shí)用性強(qiáng)，無需重新設(shè)計(jì)輸液架的特點(diǎn)。通過重新設(shè)計(jì)的吊瓶結(jié)構(gòu)，解決了吊瓶的液面測(cè)定問題，吊瓶瓶底為活塞式可活動(dòng)設(shè)計(jì)，大氣壓原理使瓶底隨液面下降從而通過滑輪組帶動(dòng)滑塊使電信號(hào)液面高度計(jì)發(fā)出電信號(hào)，從而得知液面高度。吊瓶反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將平面導(dǎo)軌以及電信號(hào)液面高度計(jì)連接至外電路的信號(hào)處理與發(fā)出指令單元，當(dāng)外電路接收到電信號(hào)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(yùn)作。

該傳統(tǒng)吊瓶的智能化改進(jìn)方案原理簡(jiǎn)單、成本低廉，但實(shí)用性強(qiáng)，可達(dá)到事半功倍的效果，易被醫(yī)院和廣大消費(fèi)者接受。且其工廠加工難度小，使得量產(chǎn)和真正投入市場(chǎng)使用成為可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙?蘭，張化武.電子輸液報(bào)警器的研制及臨床應(yīng)用價(jià)值[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2001（6）：60.

[2]駱俊梅.護(hù)理人力資源緊缺分析及管理對(duì)策[J].中西醫(yī)結(jié)合心血管病電子雜志，2019，7（10）：129～130.

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

[4]崔少晨.基于PLC的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（19）：135，223.