自動換瓶輸液機的研制

周鵬程,周芃芃,張振炎,胡曉珍

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

靜脈輸液是現代醫療手段中較為重要的工作之一，也是使病人康復的主要方式。大部分病人需要輸液才可以康復，故看護病人輸液是醫護人員較為重要的工作。傳統的輸液過程操作較為復雜，且需要醫護人員幫助才可完成換液換瓶工作，由于目前醫院人員較為短缺，傳統的輸液方式不僅會占用僅有的醫護人員大量的時間，而且一旦醫院繁忙，可能會發生病人換液不及時的情況，使醫院發生醫療事故[1-3]。為此，本研究設計一種輸液自動換瓶機，使得輸液過程中能夠自動更換液體，當輸液無法正常進行或者液體輸完時可以發出警報提醒別人，并通知護士辦公室，自動聯系醫護人員前來拔針或者解決問題。

1 自動換瓶輸液機的總體結構

機器主要由輸液瓶放置機構、托盤旋轉機構、退針換瓶機構組成，如圖1所示。

1.1 裝置各機構的工作原理

本輸液機設計為同時可以容納4瓶輸液瓶，采用盤式的形狀，呈90°依次安置輸液瓶。

圖1 整體結構圖

1.1.1 安裝方式

僅需對醫院現有立式輸液架做打孔改造，即可直接安裝本裝置，如圖2所示。

1.1.2 換瓶機構

換瓶動作由一個步進電動機直接執行，為了使得輸液瓶安置在托盤上時的摩擦力較小，電動機與托盤之間加載了數枚軸承鋼珠，如圖3所示。

1.1.3 針頭的拔插

圖2 輸液機安裝示意圖

圖3 托盤示意圖

針頭的拔插動作由一個絲杠滑臺機構與一個簡易機械爪共同執行。如圖4所示，通過絲杠滑臺實現縱向運動，由伺服電動機提供動力，構成了一個閉環系統，從而保證運動的精確性。簡易機械爪簡圖如圖4所示，舵機1提供動力，兩對連桿2、3實現張合動作，滑塊4限定運動軌跡為橫向運動，從而實現機械爪的開合。

如今市場上輸液針管靠輸液瓶一段均為國家標準尺寸，以該尺寸為基準，設計夾具，如圖5所示。針頭可以直接扣合在夾具上，夾具夾緊時，同時會夾緊針頭。此時管內藥液無法流通，針頭也無法取出。

圖4 機械手機構運動簡圖

1.2 工作流程

本輸液機的輸液瓶放置是由醫護人員完成的，在開始輸液至輸液完成的這一過程，除非出現意外，否則全部由機器自動完成所有動作。

圖5 夾具示意圖

1.2.1 機器運行前準備工作

輸液瓶安置后，設定瓶數，將針頭安置在機械爪夾具上，并將輸液管緊靠在夾具下方的液面檢測器后，經檢查無誤后打開電源。

1.2.2 輸液過程

整個輸液過程是由閉環的控制系統進行控制，當液面檢測器檢測到輸液瓶內液體流完時，信號反饋到控制系統，系統控制機械爪夾緊，之后，電動機驅動滑臺，帶動機械爪縱向下移直至針頭從瓶內拔出。然后，電動機驅動輸液瓶托盤旋轉90°。最后，機械爪上升，將針頭插入瓶內，夾具打開，藥液流入輸液管，開始第2瓶藥液的輸入。當液面檢測器檢測到輸液管內液面長時間較低時，會發出警報提示醫護人員前來診斷。同時發出蜂鳴提示病人。裝置工作流程如圖6所示。

1.2.3 輸液結束過程

當設定的最后一瓶藥液流盡時，輸液機自動呼叫醫護人員前來，為病人拔出靜脈針頭，回收輸液管以及輸液瓶。

2 自動換液機的控制系統設計

圖6 工作流程圖

圖7 控制系統結構框圖

2.1 控制系統簡介

整個控制系統由Arduino單片機作為控制核心，控制單元由步進電動機驅動、舵機驅動、聲光報警電路、無線傳輸電路、液體在位傳感電路和電壓調節電路6個部分組成。整個裝置直接連入生活電源，不采用外加電池。其流程如圖7所示。

2.2 控制系統工作過程

開啟電源開關進行開機初始化后，將需要輸入的藥瓶放入裝置中的倚掛處。在1～4按鈕按下輸液的瓶數，按下確認。一段時間后，裝置開始運動，執行模塊將針頭插入藥瓶瓶塞。在檢測到針頭插入后一段時間后，非接觸式電容傳感器開始監測輸液管中藥液并測速，同時將信號反饋給單片機，判斷是否進行換液下一步操作。

2.3 液面檢測原理

采用非接觸式電容傳感器檢測輸液管內液體有無并測速[4]。電容傳感器可以靈敏地感知液位高低，在監測到低于指定液位，即液體輸盡時，將會向單片機指定pin口發出一個低電平，觸發中斷，進而進行換液的操縱。電容傳感器使用了先進的信號解決方案，避免了容器壁厚的影響，實現了對密閉容器內液位高度的真正非接觸檢測。

2.4 無線傳輸電路原理

無線傳輸電路使用Zigbee網絡作為核心[3]。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通訊技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。基于Zigbee網絡在護士站點設置終端[6-12]，可以實時監測到輸液點的情況，在遇到特殊情況可以立即得知并前去解決，大大提高輸液的安全性。同時為了患者能實時聯系到護士，裝置也設計有主動報警按鈕。

3 結語

本文研發的輸液自動換瓶機，其構造簡單，功能實用，可實現輸液自動換瓶的功能，有較強的實用價值。目前，本裝置在設計上還存在一些不足：如放置輸液袋后固定無法解決，無法實現輸液時藥液的實時流速，單次輸液瓶數較少等。下一步將研究解決上述問題，設計一種可以實現實時監控與自動換液的智能輸液系統，以此改善醫院輸液現狀。

[參 考 文 獻]

[1] 林敏,榮必賢,成一楠.自動換瓶退針一體化輸液機[J].中國科技信息,2012(18)：98.

[2] 楊麗曉,王殊義,尚長浩.自動換液靜脈輸液裝置的研制[J].中國醫學裝備,2015(4)：35-37.

[3] 胡林峰.急診靜脈輸液中存在問題原因分析及對策[J].護理學報,2000(1)：14-15.

[4] 陳俊龍,施隆照.基于共面電容的非接觸式液位線性測量系統的研究[J].武夷學院學報,2015(12)：74-78.

[5] 祁長璞.基于Zigbee的無線傳感器網絡在監控系統中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[6] 劉建.基于ZigBee技術的遠程醫療監護節點的設計與研究[D].西安：西安科技大學,2011.

[7] 袁僑英,李學軍,徐強,等.一種全新的自動輸液輔助裝置的研制[J].醫療衛生裝備,2011,32(10)：33-34.

[8] 童耀英.輸液自動報警器的研制[J].醫療衛生裝備,2008,29(12)：59,61.

[9] 周希瑜,凌伯勛,鄭玉華,等.醫院輸液自動呼喚裝置的設計[J].岳陽職業技術學院學報,2006,21(6)：47-49.

[10] 祁長璞.基于Zigbee的無線傳感器網絡在監控系統中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[11] 付心釗.人體便攜式自動輸液器的可靠性及安全性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007.

[12]吳量.遠程醫療護理監測系統的關鍵技術研究與設計[D].長沙：中南大學,2012.