一種多功能自動換瓶智能輸液裝置的設計與應用

周澤宇 成秀芳 李 導 劉 湘

（湘潭醫衛職業技術學院，湖南 湘潭 411104）

中國傳統醫學有言“三分治，七分養”，治的是疾病發作期，通過醫療方式祛除危險，稱為“臨床救治”；養的是疾病愈后期，通過食療的方式，配合養生運動，調整機體陰陽平衡，身心健康。而在現代醫學，我們稱之為“三分治療，七分護理”。由此可見，護理工作在整個疾病治療過程中，起著至關重要的作用。

隨著各級各類醫院不斷深入推進優質護理服務，護理工作的范圍越來越廣，任務越來越重，要求越來越高，最終導致護理人員工作壓力越來越大，幸福指數越來越低。在湖南省各級醫院護士勞動強度與護理模塊關系的調查研究表明[1]，護理治療模塊相比常規護理模塊、護理文書模塊的勞動強度更高。靜脈輸液作為護理治療模塊當中重要的組成部分，是利用大氣壓和液體靜壓原理將大量無菌液體、電解質、藥物由靜脈輸入體內的治療方法，主要由配藥、穿刺和換瓶三部分組成。它的兩個子項目穿刺與換瓶的勞動強度之和占整個護理模塊勞動強度的45%，接近所有護理工作的一半。穿刺是護理輸液操作當中最為關鍵環節，決定了本次輸液成功與否；換瓶則是最為繁雜，需要護理人員頻繁往返于護士站與病房之間，耗費了大量的時間與精力。如若能夠通過一種多功能自動換瓶智能輸液裝置，將護理人員從頻繁的換瓶工作當中解放出來，這將大大地降低護理人員的勞動強度，減少護患矛盾產生的風險，提高護理工作的幸福指數，加強護理人員工作的穩定性。

一、產品介紹與注意事項

1.產品介紹

本產品由輸液器主機、輸液瓶掛桿和電源組成。主機主要由轉盤、推針模塊、加溫模塊、消毒模塊和止液模塊組成。輸液掛桿上有彈簧掛鉤，用于懸掛輸液瓶。轉盤由六個夾瓶口組成，用于夾緊輸液瓶口。推針模塊由定位銷和針頭卡扣組成，在推針模塊上安裝有液位傳感器用于檢測液體有無；在茂菲氏管處設置紅外傳感器用于監測輸液滴數；當輸液完畢，或茂菲氏管中液滴間隔時間過長時，推針模塊完成拔退動作，停止輸液。止液模塊也是由卡停模塊和電機組成，液位傳感器監測到輸液瓶內沒有液體流出后，反饋信號給處理器，處理器驅動電機推動轉盤，借助推針模塊拔－推動作，完成自動換瓶。在前一瓶藥液輸液的同時，下一瓶藥液通過消毒模塊（紫外線燈）完成輸液瓶口持續性的消毒工作，確保輸液瓶口處于無菌狀態。需要時，在輸液過程中可通過溫度傳感器實時監測液體溫度，所輸液體在設定溫度范圍內可實現持續加熱。直至最后一瓶藥液輸完，止液模塊卡住輸液管，從而達到止液的目的，同時能夠防止回血，完成此次輸液。

2.注意事項

二、產品功能與工作原理

1.產品功能

1.1 自動換瓶功能

當液位監測器監測到前一瓶藥液輸液完畢，同時茂菲氏管處的紅外傳感器監測到滴液間隔時間過長，處理器發出指令，推針模塊執行拔退動作，轉盤開始順時針旋轉，下一瓶藥液準備到位，推針模塊再次執行推進動作，連通輸液瓶、輸液管與人體之間的通路，從而實現整個自動換瓶功能。

1.2 自動止液功能

通過輸液前準備，護士手動輸入輸液瓶數，當最后一瓶藥液輸液完畢，推針模塊停止執行拔－推動作，同時轉盤也不再執行旋轉運動，液位傳感器與滴數傳感器共同監測余量，止液模塊夾閉輸液管，實現自動止液功能。

1.3 安全輸液功能

能夠借助紅外傳感器監測滴數，通過控速防止出現輸液過快或是過慢的情況；通過溫度傳感器和加熱模塊，實現對液體溫度的監控，同時完成設定溫度范圍內的加熱功能；可以設置單瓶沖管或者是雙瓶沖管，用等滲鹽水將導管內殘留的藥液沖入血管，避免刺激局部血管，并減少藥物之間的配伍禁忌；在切換液體、輸液結束、設備故障等情況下，產品通過蜂鳴器發出不同提示音或是警報聲，確保輸液安全[2]。

2.工作原理

2.1 智能換瓶

整個控制單元由STM32芯片、電機驅動電路、顯示電路、聲光報警電路、傳感電路5個部分組成。控制單元的電源采用36v，STM32芯片采用帶 A/D轉換的超低功耗單片機以降低控制單元的功耗和保證控制功能的實現[3]。開啟電源開關進行開機初始化后，由液位傳感器先檢測瓶內藥液是否滿足工作要求，通過護理工作人員手動設定輸液順序。檢測完成后，返回信號到STM32芯片，再由芯片輸出信號控制步進電機運轉，驅動齒輪傳動機構控制轉盤轉動；另外芯片還會輸出信號到推針模塊的步進電機，由步進電機帶動推針模塊上下拔—推運動。輸液時，推針模塊處的LED指示燈亮，表示有藥液通過。第一瓶輸液完成后通過液位傳感器把信號反饋到STM32芯片，輸出信號控制步進電機運轉更換下一瓶。全部藥液輸液完成后，STM32芯片發出提示信號通知醫護人員即時處理。

2.2 機械傳動模塊

機械傳動模塊主要包括步進電機、電機到位開關、齒輪傳動機構3部分組成。Stm32芯片發出電機運行信號后驅動步進電機運轉，運行齒輪傳動機構，帶動固定的藥瓶轉動，驅動齒輪有6個相位差60°的反饋點，當驅動齒輪旋轉60°后限位開關打開，stm32芯片收到反饋信號后停止電機運轉。當全部輸液完成后，步進電機返回到原始狀態。

2.3 液滴監測與控速模塊

借助紅外發光二極管所發出的紅外光線，透過茂菲氏管中的液滴照射到光敏三極管，光敏三極管將接收到的光信號轉變成電流輸出[4]。當茂菲氏管中沒有液滴通過時，光線直接照射到光敏三極管，輸出比較強的光電流。當茂菲氏管中有液滴通過時，由于液滴對光線有吸收和散射作用，照射到光敏三極管的光信號比較弱，產生一個相對較弱的光電流。通過監測光敏三極管輸出電流之差，檢測有無液滴通過；從而實現滴數監測的功能。

當單片機監測到輸液實時滴數與預設值有偏差時，則執行相應的控制算法，通過步進電機控制輸液管的松緊來調節輸液速度，當輸液的速度高于護理人員手動設置的預定數值時，電機正向轉動以壓緊輸液管從而降低滴速，使之保持在要求的控制范圍之內；反之，當輸液速度低于預設值時，電機反向轉動以放松對輸液管的壓力從而增加滴速；從而達到調速與控速的目的[5]。

圖1 滴速監測示意圖

2.4 液溫監測與加熱模塊

液溫監測與加熱模塊由STM32芯片、新型材料石墨烯、電阻、MOS管以及三極管組成[6]。在輸液治療過程中，藥液流動速度十分緩慢。為了減少熱量在藥液輸送過程中的丟失，本產品將加熱模塊設計在主機與輸液管最后分離處，盡可能地減少熱量損耗。即借助低功耗STM32芯片的智能控制，通過溫度傳感器實時監測液體溫度并發送指令，接收指令后與預設溫度相匹配，若低于預設溫度范圍，則執行加熱指令。根據治療當時氣候溫度、原本所輸藥液的溫度以及輸液治療的要求等因素，對液溫進行升降調節，實現溫度實時可控并且能夠達到恒溫。同時，本裝置為加熱模塊單獨設立開關鍵，在不需要加熱的情況下（季節、天氣影響或藥物本身的特性等因素），可通過關閉加熱開關斷開加熱系統。

三、產品優勢

功能豐富：本產品集自動換瓶與消毒、滴數監測與控速、液位監測與自動止液、液溫監測與加熱、手動切換與報警提示等功能于一體，智能化程度高，能夠根據治療方案滿足多種不同需求的靜脈輸液操作。

操作簡便：只需完成一次靜脈輸液“三查七對”信息核查，通過主機提示按流程設置相應指令，即可實現多瓶（至多6瓶）液體的自動換瓶動作。簡單易懂，一步到位。

安全可靠：本產品具有開機自檢功能，同時提供兩種供電方式。在緊急停電的情況下，可直接通過可拆卸式蓄電池供電（供電時間長達12個小時）。供電中斷啟動停電保護功能，能夠觸發蜂鳴器播報提示音，以便提醒護理工作人員及時處理，對整個靜脈輸液過程不會造成任何不良影響。

四、社會效應

通過自動換瓶的功能，減輕了護理人員需要時刻關注輸液進度帶來的心理壓力，同時節省了往返于護士站與病房之間的時間和精力，對于夜間護士來說，大大降低了勞動強度。原本碎片化的時間可以集中起來從事其他重要的工作，有利于提高護理服務的質量。本產品運用在集中輸液室更能發揮優勢，提高工作效率。

輸液是一項非常嚴謹的護理操作，在每次輸液、換瓶前都需要進行嚴格的“三查八對”，每換一次輸液瓶就需要核對一次信息，當護理人員產生疲勞與倦怠時，就容易發生差錯。使用本產品，只需要在輸液準備時，嚴格執行一次“三查七對”，手動設置相關參數即可，減少了人為因素所導致的輸液安全事故的出現。

減少了患者按呼叫鈴或是呼喊護士的次數，只有最后一瓶輸液完畢需要拔針時呼叫護士。避免了因護士無法及時到達病房處理換瓶操作所引發的護患矛盾，同時又降低了病房嘈雜吵鬧的概率，保障了病區安靜寧心的療養環境。

自動止液功能，解放了患者與陪護人員的注意力，無須時刻監護輸液進度，即使輸液完畢，也能防止空氣進入血管以及回血的發生，大大提高了輸液安全性。在輸液過程中患者與陪護人員可以休息娛樂，緩解了焦慮等負面情緒，對促進患者心理護理，保持愉悅心情起到了積極作用。

通過預設理想的溫度范圍，在氣溫較低的環境下，可對所輸液體實施溫度監測并實現持續加溫。有效減輕患者在低溫環境下輸液特別是大量補液時所產生的不適感，更能降低患者輸液部位發冷、疼痛甚至發生靜脈炎的風險。

適用性廣。經過反復實驗， 本產品工作穩定可靠 ，可用于各級各類醫院、診所、療養院等，也可用于醫療機構中的住院病房、門（急）診室和手術（搶救）室， 安全便捷、易于操作， 能切實有效地減輕患者的心理負擔并有助于護士進行輸液管理。

五、市場需求預測

數據顯示，2013年全國輸液量達到108億瓶，中國平均每人一年輸液高達8瓶，輸液費占門診醫療費逾四成。自2019年12月至今，輸液量出現劇增，由此可見，中國不僅僅是人口大國、醫療大國，更是輸液大國。根據市場需求來分析，從醫院角度：能減輕護患矛盾產生的風險，能降低輸液安全事故的發生，能增強護理人員的工作穩定性，有利于護理團隊高質量發展；從護理人員角度：能減輕勞動強度，能緩解工作壓力，更好地兼顧事業與家庭，能延長護理職業生涯；從患者角度：患者及陪護人員無須時刻關注輸液進展，能減輕焦慮情緒，有助于疾病痊愈與身心恢復。對于三方來說，本產品都將受到歡迎，具有極大的臨床推廣價值。