一種智能加溫加壓輸液裝置的設(shè)計與研發(fā)

賈瑤，姜雪，劉媛媛，李思彤

空軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科，陜西 西安 710038

引言

當機體發(fā)生嚴重創(chuàng)傷時，為預(yù)防休克，以及為后續(xù)救治提供保障，需在第一救護階梯和轉(zhuǎn)運途中及時進行液體補充，以增加循環(huán)血量，挽救傷員生命，而靜脈輸液是臨床工作中最常用的治療操作之一[1-2]。有研究表明，持續(xù)輸入低溫液體或快速大量補液會增加低體溫發(fā)生風險，導(dǎo)致傷員救治成功率明顯降低[3-4]，由此可見，搶救傷員時對液體進行加溫加壓尤為重要?，F(xiàn)階段，臨床應(yīng)用的加溫和加壓輸液裝置使用時需連接電源，設(shè)備體積較大，無法適應(yīng)戰(zhàn)時或野外救治需求，且這兩種裝置未實現(xiàn)一體化，不能同時滿足加壓和加溫要求。

目前戰(zhàn)時或野外救治時常用的輸液方式主要是將輸液袋懸掛在輸液架或用手舉高，依靠液體重力和大氣壓力為動力進行輸注[5]，輸注過程易被復(fù)雜救助環(huán)境破壞，如顛簸易造成氣泡進入人體，發(fā)生空氣栓塞的危險，因此便攜式加壓輸液裝置在救治過程中的作用日益凸顯。當前加壓輸液時常采用蠕動泵擠壓輸液管路完成液體的輸注，操作較繁瑣[6]。國內(nèi)已有新型加溫加壓輸液裝置設(shè)計的報道，該類裝置加溫、加壓的原理均為通過擠壓充氣囊提供壓力，采用外接電源的方式對輸液袋加溫[7]；國外也有類似新型輸液裝置設(shè)計研發(fā)的應(yīng)用報道，包括便于行走的可穿戴靜脈輸液裝置[8]、快速多腔液體輸注裝置[9]、新型碳納米管輸注裝置[10]等，但這些輸液裝置均未實現(xiàn)加溫加壓一體化。輸液泵智能化程度高，雖然可實現(xiàn)急救時液體快速輸注和對特殊患者進行低速精確輸液的要求，但其體積、重量、功耗均較大，部分自帶充電電池一次充電使用時間太短（≤1 h）[11]。以上裝置在野外急救的使用上存在一定的局限性，無法滿足野外、創(chuàng)傷事故現(xiàn)場救治的需求。因此，戰(zhàn)時或野外急救快速補液并對液體加溫加壓具有重要臨床價值[12-13]。為解決傷員低體溫及快速補充循環(huán)血容量的問題，本研究擬研發(fā)一款新型智能加溫加壓輸液裝置，以實現(xiàn)體積小、方便攜帶、無須提高液面高度、有效防止空氣栓塞、持續(xù)加溫加壓及動態(tài)監(jiān)測液體剩余量等功能。

1 智能加溫加壓輸液裝置的設(shè)計思路

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的智能加溫加壓裝置包括囊袋和控制盒兩部分。囊袋由內(nèi)向外依次為內(nèi)里層、氣囊層和防水層；控制盒內(nèi)設(shè)溫度處理器、壓力處理器、電源裝置及報警裝置。智能加溫加壓輸液裝置整體外觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能加溫加壓輸液裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

1.2.1 囊袋

囊袋由內(nèi)向外依次為內(nèi)里層、氣囊層和防水層，其中內(nèi)里層設(shè)電加熱片，與控制盒內(nèi)的溫度傳感器相連，用于輸注液體的加溫；氣囊層與控制盒內(nèi)的壓力傳感器相連，用于對輸注液體的加壓；囊袋外設(shè)計將輸液管的墨菲氏滴壺置于始終保持液面垂直的低重心裝置，從而防止空氣進入（圖2）。

圖2 囊袋三層結(jié)構(gòu)

1.2.2 控制盒

控制盒內(nèi)設(shè)溫度處理器、壓力處理器、電源裝置及報警裝置4 個部分（圖3）：① 溫度處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成熱能，滿足對囊袋的持續(xù)恒定加溫。溫度控制采用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器閉環(huán)控制模式，PID 控制器是控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，即閉環(huán)控制要求，可不斷將低溫環(huán)境中液體溫度的實際值反饋給變頻器，變頻器將設(shè)定值（如37℃）與實際值進行比較，并將比較的結(jié)果轉(zhuǎn)化為指令，下達給MCU，MCU 每次通過采集過濾算出測量溫度值，測量溫度值每100 ms 進行1 次溫度的比較。當溫度接近于設(shè)定的時候，就會降低加熱功率，直到它溫度達到，當溫度超過的時候就會停止加熱，直到設(shè)定值與實際值完全相符，從而保證液體輸注過程中的最高溫度為37℃，并持續(xù)加溫。② 壓力處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能，滿足對囊袋的加壓。設(shè)定控制盒上的壓力范圍為150～300 mmHg，通過按壓壓力控制按鈕和壓力大小調(diào)節(jié)按鈕進行選定，外界氣體通過閥門、氣管到達囊袋的氣囊層，液體的流速可由氣囊層充氣加壓的高、低進行調(diào)節(jié)，待輸液結(jié)束后將氣閥門按下，氣閥即打開放氣，將氣囊層的氣體排出。③ 電源裝置帶有蓄電功能，可儲存8～10 h 的電量，滿足野外救護。在產(chǎn)品設(shè)計時，首先選用低功耗的中央處理器（芯片），其次整體電路設(shè)計、軟件設(shè)計等均要降低功耗，同時選用容量較大的鋰電池，例如，容量在6000～8000 mAh 的鋰電池，來保障能夠野外使用8～10 h 的蓄電量，電池可反復(fù)充電備用。④ 報警裝置，可通過囊袋內(nèi)里層的紅外線探頭，感應(yīng)輸液袋內(nèi)液體的剩余量并報警。

圖3 控制盒組成示意圖

2 智能加溫加壓輸液裝置測試結(jié)果

2.1 加熱處理器測試

在使用囊袋加熱時，發(fā)現(xiàn)加溫效果較差，加熱速度慢，雖然已加熱到指定溫度，液體經(jīng)過輸液管道（長約1 m）到達針頭時，已經(jīng)丟失熱量。故對加熱裝置進行優(yōu)化，設(shè)計加熱模塊，并將其位置調(diào)整至輸液管下端靠近針頭位置，輸液管纏繞至加熱模塊上，增加纏繞圈數(shù)使加熱面積增大來提升效果，加熱模塊的材料為鎳鉻合金加熱絲，其熱轉(zhuǎn)換效率高。但應(yīng)注意在極寒情況需要將輸液袋和輸液管進行保暖，避免暴露形成冰凍，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 加熱處理器測試結(jié)果

2.2 壓力處理器測試

模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器（Analog-to-Digital Converter，ADC）參數(shù)配置為0x04，根據(jù)實測數(shù)據(jù)推出轉(zhuǎn)換公式。最終轉(zhuǎn)換測試公式為：壓力值=（ADC 值-22395.21f）/156.3489f，使用該公式進行測試：壓力值實測誤差＜1 mmHg。應(yīng)用高空低壓試驗箱對壓力處理器進行測試，測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明大氣壓強對囊袋的加壓無明顯影響。

表2 壓力處理器測試結(jié)果

2.3 電源裝置測試

利用分容柜對電池進行充放電測試，獲取記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)實際容量值對應(yīng)的電壓生成關(guān)系表。在充電和放電狀態(tài)下，由于相同電流時電壓值有所不同，設(shè)計程序時根據(jù)是否充電的狀態(tài)來選擇需要轉(zhuǎn)換的對應(yīng)表格。產(chǎn)品的續(xù)航標準為常溫25℃環(huán)境的標準測試結(jié)果，續(xù)航時間為8 h。在極寒情況下續(xù)航會有所下降。本設(shè)備電池為特種電池（寬溫域型），放電溫度范圍為-20～80℃。在電量充足，壓力150 mmHg，溫度40℃，滴速40 滴/min 的條件下進行放電測試；在設(shè)備放電到空，關(guān)機狀態(tài)下進行充電測試，測試結(jié)果如表3 所示。

2.4 液位報警裝置測試

最初使用環(huán)境光傳感器，利用傳感器的測距功能來探測輸液袋的厚度變化，但在實際使用過程中，輸液袋在囊袋中的位置不同，造成測量結(jié)果偏差較大，故對檢測方式進行優(yōu)化：使用壓力值的變化間隔來間接檢測輸液袋容量是否為空，但在實際測試過程中當輸液滴速低于30 滴/min 的情況下，壓力變化太小無法精細檢測，從而造成誤報警；另外如果輸液袋存在氣體，氣體的容量會被當成液體的容量，導(dǎo)致不能及時報警。最后采用差分電容檢測方式，用液位檢測模塊的電極片接觸輸液管，當輸液管內(nèi)的液體發(fā)生變化時電容值會隨之變化，從而主控制器能做出準確判斷是否報警，液位檢測模塊需要夾在滴壺上端。

3 智能加溫加壓輸液裝置的操作方法及注意事項

3.1 操作方法

如圖4～5 所示，長按“ON/OFF”按鍵3 s，屏幕亮，綠燈亮，啟動設(shè)備；調(diào)節(jié)溫度時，按“溫度+”“溫度-”，溫度欄設(shè)定值會跟隨加減目標溫度值，長按“溫度+”“溫度-”按鍵，實現(xiàn)快速更改數(shù)值，將靠近針頭的輸液管纏繞在加熱模塊上，纏繞圈數(shù)越多，加熱效果越好。當溫度值設(shè)定低于33℃，屏幕顯示“--”，表示關(guān)閉加溫功能。調(diào)節(jié)壓力時，按“壓力+”“壓力-”，壓力欄設(shè)定值會跟隨加減目標壓力值，長按“壓力+”“壓力-”按鍵實現(xiàn)快速更改數(shù)值（壓力單位：mmHg）。

圖4 操作面板

圖5 顯示信息

設(shè)定好需要的工作溫度和壓力后，按“啟動”鍵，設(shè)備開始運行；輸液完成后按“停止”鍵，設(shè)備停止加壓、加溫控制，進入待機狀態(tài)。在待機狀態(tài)下，按“消音”鍵，打開泄壓閥，囊袋開始放氣，再按“消音”鍵，可以停止放氣。當實時壓力值為0 mmHg 時，30 s 后會自動關(guān)閉泄壓閥，方便人工排出剩余的氣體。將檢測模塊夾在滴壺上方，按啟動鍵開啟工作后，液位報警會校準一次，當液體流動狀態(tài)發(fā)生改變，設(shè)備會發(fā)出警報（如果調(diào)整點滴速度，應(yīng)在調(diào)整后按下檢測模塊上的按鍵，進行重新校準，以免誤觸發(fā)報警）；當存在異常狀態(tài)時，蜂鳴器會發(fā)聲告警。該狀態(tài)下按“消音”鍵，設(shè)備會靜音，屏幕狀態(tài)欄顯示“靜音”圖標。再次按鍵會解除靜音（待機模式下只有低電量告警時，“消音鍵”可以生效）；關(guān)閉設(shè)備時，長按“ON/OFF”按鍵3 s，屏幕滅，綠燈滅；最后，設(shè)備通過USB 線進行充電，充電時，充電圖標會動態(tài)顯示，充滿時，圖標為滿電狀態(tài)[設(shè)備采用type-C USB 線充電，使用5V 2A（10 W）以上的充電器進行充電]。

3.2 注意事項

應(yīng)注意以下內(nèi)容：① 使用適合的電源適配器進行充電；② 使用前檢查囊袋和管道有無漏氣，以免影響氣密性造成設(shè)備工作異常；③ 嚴禁使用本設(shè)備的人員私自拆除修理本設(shè)備，如果檢測設(shè)備故障，應(yīng)立即停止操作并關(guān)閉設(shè)備，聯(lián)系廠家進行處理；④ 如果需要離開工作場所，請斷開電源并關(guān)閉設(shè)備，不要讓設(shè)備在無人看管的情況下運行；⑤ 請勿在腐蝕性環(huán)境中使用本設(shè)備，腐蝕性物質(zhì)會破壞絕緣層，從而導(dǎo)致設(shè)備故障；⑥ 不要對控制按鈕和設(shè)備屏幕施加過大的力；⑦ 避免碰撞或跌落導(dǎo)致設(shè)備損壞；⑧ 禁止兒童靠近本設(shè)備，以免傷害他人或使本設(shè)備失靈。

4 討論

本研究研發(fā)的智能加溫加壓輸液裝置包含囊袋和控制器兩部分，控制器屬于核心結(jié)構(gòu)，其中溫度處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成熱能，滿足對囊袋的加溫；壓力處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能，滿足對囊袋的加壓；電源裝置帶有蓄電功能，可儲存8～10 h 的電量，滿足野外急救現(xiàn)場救護；報警裝置可通過囊袋內(nèi)里層的紅外線探頭，感應(yīng)輸液袋內(nèi)液體剩余量并報警。在戰(zhàn)時或野外現(xiàn)場救護時，可將輸液袋置于囊袋內(nèi)固定，同時將囊袋固定于傷員肢體或轉(zhuǎn)運裝置安全帶上，將墨菲式滴壺固定于低重心裝置內(nèi)。使用時，通過按壓控制盒上的溫度按鈕，完成對囊袋的加溫，最高溫度為37℃，并可根據(jù)輸注藥物的性質(zhì)調(diào)整相應(yīng)的溫度；按壓控制盒上的壓力按鈕，完成對囊袋的充氣，根據(jù)液體的速度要求，調(diào)整相應(yīng)的壓力范圍（150～300 mmHg），以滿足急救現(xiàn)場救護需求，這與國外研發(fā)的加溫加壓輸液裝置臨床性能和安全效果一致[14]。

傳統(tǒng)的液體復(fù)蘇主要依賴于口服補液和靜脈補液，在難以建立靜脈通路時可以考慮骨髓內(nèi)輸液。在戰(zhàn)時或野外救治條件下，迅速建立有效的靜脈通路對維持組織灌注，確保傷員生命安全至關(guān)重要[15]。因此，對外傷導(dǎo)致的失血、脫水傷員，為預(yù)防休克發(fā)生，在戰(zhàn)時或野外救護守則中均要求在第一救護階梯和后送途中能對其快速補充液體，以盡早恢復(fù)循環(huán)血量，使傷員得到充分復(fù)蘇，挽救傷員生命。據(jù)統(tǒng)計，有50%的一線重癥傷員在得到救治前均需要快速補液[16]，多達66%的創(chuàng)傷傷員存在一定程度的低體溫（＜36℃），80%以上的死亡傷員體溫低于34℃[17]，發(fā)生中、重度低體溫可使傷員病死率增加3倍，是傷員死亡的重要危險因素之一[18-19]。因此在創(chuàng)傷救治的預(yù)防理念中，早期的保溫復(fù)溫尤為重要[20]。治療措施包括最大限度地減少創(chuàng)傷人員的體表暴露，在條件允許的情況下，可使用防護裝置，并盡快將傷員置于隔熱表面上；如需靜脈注射液體，應(yīng)首選溫暖的液體。在轉(zhuǎn)運過程中，除救治階段的必要措施外，還應(yīng)強調(diào)使用便攜式加溫輸液泵，加溫所有的靜脈注射液體。目前該裝置性能測試已得到有效驗證，在通過倫理和患者知情的情況下，下一步還需應(yīng)用于戰(zhàn)時或野外救治現(xiàn)場，驗證其可靠性和安全性，進而實現(xiàn)研發(fā)轉(zhuǎn)化的目的。

5 結(jié)論

本研究研發(fā)的智能加溫加壓輸液裝置實現(xiàn)了輸液加溫加壓一體化，簡易便攜，不僅可以滿足戰(zhàn)時或野外創(chuàng)傷的快速救治，也適用于急診科、手術(shù)室、重癥監(jiān)護室等臨床科室，確?？焖傺a充循環(huán)血容量和維持人體正常體溫，維護傷員生命，提高救治成功率。