醫用輸液泵用氣泡檢測裝置的機械結構設計及工藝實現

摘 要：本例中通過分析醫用輸液泵上氣泡檢測的作用，適用的輸液器管路尺寸，結合臨床適用范圍，確定氣泡檢測精度和超聲波檢測原理。通過機械結構布局設計、關鍵細節驗證、氣泡殼體材料及工藝的選擇、灌封膠種類選擇、灌封過程參數的設置、工裝設計等，完成了氣泡檢測裝置的機械設計，并且成功的應用在臨床上。

關鍵詞：醫用輸液泵；氣泡檢測；超聲波原理；機械結構設計；工藝實現

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.269

0 引言

醫用輸液泵是一種能夠準確控制輸液流速，保證藥物能夠速度均勻，藥量準確并且安全地進入病人體內發揮作用的一種儀器。輸液泵廣泛應用在ICU、兒科、急診、外科、內科等各個科室。輸液泵內置了流速檢測、壓力檢測、氣泡檢測等傳感器，實時監測輸液過程，如果出現異常，觸發聲光報警，減輕了護士的工作量，保證了病人安全。

1 氣泡報警原理及關鍵件選擇

1.1 氣泡檢測報警臨界值的確定

在病人輸液過程中，有少量氣泡進入血液后可以溶解，不會有明顯影響，如果大量氣泡進入血液，可能導致氣體栓塞，危及生命。所以在輸液過程中對氣泡的監測就必不可少，在輸液泵專業標準中氣泡檢測是強制要求。不同年齡、性別、體質的病人對氣泡大小的承受力不同，醫用輸液泵試用于各個科室，尤其是新生兒，考慮到使用范圍以及風險等級，在氣泡傳感器設計中，結合軟件硬件部分，確定40微升為報警的臨界點。

1.2 超聲波檢測原理的選擇

目前氣泡檢測傳感器設計有超生波檢測、紅外線檢測等原理，為了能夠達到要求的靈敏度，以及重復性，我們選擇了超聲波原理。經過不同介質時，超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化不同。利用這個原理，在輸液器管路兩側分別有發射端和接收端，當輸液管路中有藥液通過和有氣泡時，接收端的能量變化不同，通過硬件電路處理，可以判斷是否有氣泡。當輸液管路內氣泡體積達到臨界點時，即啟動氣泡報警，輸液停止，防止氣泡進入人體。

1.3 確定壓電陶瓷片規格

壓電陶瓷片作為超聲檢測元件，應用廣泛。本例中發射端和接收端都選擇壓電陶瓷片。

目前市場上主流的輸液泵都是兼容所有品牌和種類的輸液器，其管路大部分外徑是5mm左右，壁厚是0.3-0.6mm。考慮到適用的輸液器管路尺寸，電容和頻率等參數，以及硬件信號收集和處理，確定壓電陶瓷片的尺寸為直徑8mm，厚度1mm。

2 氣泡檢測裝置結構設計

2.1 結構設計總體要求

關鍵部件選定之后，需要考慮適應于輸液器安裝的氣泡檢測裝置的結構了。首先，使用時輸液器管路需要安裝在發射端和接收端之間，位置須居中。其次，輸液器管路需要和檢測部分貼合緊密，防止其中間隙導致的氣泡檢測不準確。再次，整個氣泡檢測裝置是與操作者接觸的，需要考慮管路安裝方便性以及防水性能。基于以上幾點，在氣泡傳感器結構設計方面要綜合考慮，做到功能兼顧。

2.2 管路安裝位置的寬度設計

適用的輸液器管路壁厚差別大，從0.3mm到0.6mm， 將輸液器管路安裝在檢測部件中間時，需要使輸液器管路完全貼合側邊，并且能使藥液順暢留下。初步確定管路安裝寬度在2.0mm到3.0mm之間。

2.3 安裝方便性以及防水性能設計

每次使用時，都需要操作者將注射器管理安裝在氣泡檢測裝置上，所以安裝方便性直接關系到使用者的體驗，并且防水等級要達到IPX4，即從各個角度潑水，水不得進入。基于這一點，在設計時考慮壓電陶瓷片需要全封閉在內部，確定采用一體化的氣泡殼體設計方案。這樣即能達到設計要求，有能簡化后續的組裝工藝。

2.4 輸液管路和氣泡殼體貼合部分設計

為了保證輸液管路和氣泡殼體貼合緊密，氣泡殼體上與管路接觸部分形狀需要著重設計。初步設計時暫定了弧面和直面兩種方式，曲率考慮了輸液器管路壁厚以及硬度等參數，通過實驗件的驗證確認最優形狀。

此外，氣泡殼體上與管路配合處的表面粗糙度要求達到Ra0.8以上，否則接觸部分的微小間隙會影響氣泡檢測的效果，導致誤報警，增加操作者的工作量。

2.5 壓電陶瓷片的位置和固定

為了保證發射端和接受端對中，并且居于輸液器管路安裝的中心，則壓電陶瓷片安裝的位置需要保證。本例中根據壓電陶瓷片的形狀，在氣泡殼體上做了定位筋。壓電陶瓷片與殼體上的筋位相對緊配，保證安裝位置。壓電陶瓷片安裝在氣泡殼體上之后，需要固定，并且在壓電陶瓷片前端需要填充，防止有氣泡對檢測信號造成干擾。

2.6 氣泡檢測結構細節設計

通過以上幾點的功能以及實現形式的分析，初步確定大體的結構。氣泡檢測結構示意圖如圖1所示。細節部分的尺寸經過幾次測試和驗證，得到最優值。確認氣泡殼體上安裝輸液器管路部分的間距為2.1mm. 貼合處表面粗糙度要求為Ra0.8，管路貼合部分形狀為直面。 壓電陶瓷片卡在氣泡殼體的定位筋上，壓電陶瓷片前端涂膠，實現固定和填充功能。在氣泡殼體前端輸液器管路安裝處做倒角方便使用者將管路裝入。

3 氣泡檢測裝置工藝實現

3.1 氣泡殼體的加工工藝方案

基于以上設計需求，氣泡殼體結構相對復雜，尺寸精度和表面粗糙度要求高，并且考慮到輸液泵批量生產特性。氣泡殼體采用精密注塑方式加工。為了使氣泡殼體注塑工藝可實現，需要對產品結構進行優化設計，包括拔模角度的設定、澆口形式和位置選取、頂出結構部分的布局等。其中關鍵的是澆口部分，因為本產品在輸液器管路安裝接觸面部分表面粗糙度要求高，并且不能有流痕、劃傷、縮坑、熔接線等注塑缺陷。所以在設計時要考慮后續可能出現的工藝缺陷，在產品設計階段就把問題避免掉。依據多年的產品設計經驗，本例中采用測澆口，用SOLIDWORKS軟件的模流分析模塊，對可能產品注塑填充過程進行了模擬，確定選擇的澆口型式和位置，可以避免關鍵部分的注塑缺陷。

3.2 氣泡殼體的材料選擇

氣泡殼體的材料選擇上，要兼顧使用特性和加工特性。結合之前的產品開發經驗，確定選用PC（聚碳酸脂）材料。PC材料有優異的抗沖擊性，尺寸穩定性好，無色透明，著色性好，耐腐蝕性好、耐磨性好，用于制作鏡片、電腦外殼、頭盔面罩等，廣泛應用在醫療、家電、航空等領域。PC材料熔融溫度高，粘度高，流動性差，對水敏感，所以在注塑時需要提前干燥材料，嚴格控制工藝參數，確保產品達到預期要求。本例中氣泡殼體選用PC材料，保證在壓電陶瓷片長時間使用時，強度有保障，并且注塑工藝方面可以借鑒現有的經驗，從而滿足產品性能。

3.3 壓電陶瓷片前端灌封

壓電陶瓷片前端灌封工藝，要保證壓電陶瓷片與殼體粘接牢固，灌封后無氣泡，并且批量生產可行。灌封膠種類的選擇以及灌封過程的控制是比較關鍵的工序。本例中，初步選擇了AB膠、導電銀膠、環氧樹脂膠等多種進行測試，最終確認環氧樹脂膠在實現方面更優。環氧樹脂膠種類很多，其流動性、硬度、固化溫度和固化時間等參數不同，本例中氣泡傳感器使用時壓電陶瓷片超生振動，所以灌封膠的硬度控制在邵氏A 60—70度之間，殼體上灌膠部分空間狹小，并且灌封后不得有氣泡，所以要選擇流動性好的環氧樹脂膠。在灌封過程中，需要在真空干燥箱內進行，膠在固化過程中抽真空，從而保證灌封后無氣泡殘留，不影響氣泡的檢測效果。此外，考慮到工藝過程的控制，采用常溫24小時固化方式。

綜合考慮以上參數，經過多次測試，確認環氧樹脂膠的型號以及固化工藝。

3.4 工裝設計

為了保證整個安裝和灌封過程，需要設計工裝。工裝設計的原則是保證操作規范，達到組裝要求，并且提高效率。本例中工裝采用托板和壓板的方式，將氣泡殼體相對固定，則壓力陶瓷片焊接線之后壓入氣泡殼體，環氧樹脂膠灌封過程中，保持氣泡殼體向上，并且整體操作完成后方便放入真空干燥箱中固化。

4 氣泡檢測裝置效果驗證

醫用輸液泵用氣泡檢測裝置，機械設計與軟件硬件設計配合，經過多次驗證，確認可以實現預期要求，并且批量穩定性很好，本裝置已經使用在多種型號的輸液泵上。在臨床使用中，輸液泵兼容大多數品牌的輸液器，輸液器壁厚以及表面粗糙度不同，但與本例中設計的氣泡檢測裝置都可以兼容，可以準確的監測輸液過程中的氣泡，保證了病人安全。

5 結語

綜上所述，本次醫用輸液泵用氣泡檢測裝置的機械設計中，通過結構布局設計、關鍵參數的反復驗證，確定了滿足功能需要的最優方案。在滿足功能的同時，兼顧產品工藝實現性以及成本，選擇了廣泛采用的注塑工藝，關鍵部件的材料選擇方面結合多年工作經驗，確定氣泡殼體選用PC材料，兼顧性能及加工工藝。零部件組裝以及灌膠過程，設計工裝并選用真空干燥箱等專用設備，滿足設計要求，提高工作效率。氣泡檢測裝置已經成功的應用在輸液泵上，并得到了臨床的認可。

參考文獻：

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[K].機械工業出版社，2005.

[2]陳麗麗，劉穎輝.塑料成型工藝與模具設計[J].中國鐵道出版社，2014.

作者簡介：劉穎（1981），女，河北淶源人，主要從事醫療器械機械設計相關工作。