一種多功能輸液架的設計

陸鑫焱 王曼麗＊

（1、遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051 2、鞍山鋼鐵集團有限公司，遼寧 鞍山 114021）

1 研究背景

在醫療領域輸液架應用非常廣泛，是用于吊掛藥液容器的必備醫護設備。使用時患者坐臥在輸液架旁邊，藥液袋吊掛在輸液架上并通過輸液管和針頭，應用大氣壓強原理將藥業注射入患者的靜脈內，實現治療的目的。目前主要有天軌式、兒童座椅式、立式等，雖然這些種輸液架已經能夠滿足日常的基本需要，但是隨著人民生活水平的提高和社會科學技術水平的不斷進步，僅僅具有基本功能的一個架子，已經不能滿足患者高質量就醫環境的需要，本設計在規劃之初便進行了充分的調研，總結出人們對于輸液架的改進需求主要集中在三個方面，一是由于輸液情況監控不及時造成的事故；二是由于輸液時不能隨意走動而造成的不便；三是由于輸液的溫度與體溫有較大的溫度差而造成身體的不適應。為解決上述問題，本文應用電子信息和自動化技術設計了一種多功能輸液架，能夠實現患者輸液時監控輸液情況、跟隨患者行走和控制輸液溫度等功能，增加這些功能的輸液架能夠從醫院最常規的輸液環節提高醫療服務質量，對于改善患者的就醫體驗，減緩醫患矛盾有很大的幫助[1-2]。

2 總體方案設計

本輸液架的總體設計方案包括液量監督與控制、UWB 自動跟隨、藥液溫度控制三部分功能。輸液架主體是傳統的醫療輸液架，在原有承載輸液藥品功能的基礎上作為其他各新增功能模塊的載體；小管液位檢測傳感器用于監測輸液狀態，并通過內部繼電器控制輸液量控制模塊實現對輸液量的控制；自動伴隨控制模塊與UWB標簽手環相互傳輸信息計算相對位置，確定人和輸液架的位置變化數據，傳輸給中央控制器控制主動輪行走的方向和距離，實現伴隨功能；采用一個主動輪三個從動輪的設計即可以保持輸液架的平穩行走，又節省了整體設備的成本；加熱部件安裝在手環上實現在輸液過程中對輸入人體的藥液進行加熱；從而實現在原有輸液架基礎上增加自動伴隨功能、輸液液量控制和藥液加熱功能的設計目的。整體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 整體結構示意圖

3 設備功能的實現

3.1 液量監督與控制

患者在輸液時因為擔心輸液過程出現問題，需要不時的關注藥液的余量，這在很大程度上增加了患者和陪護人員的心理負擔。如果對輸液過程監控不及時就有可能發生輸液過快、過慢、腫脹、回血等醫療問題。堅持采用自動化的手段對輸液過程進行監控是非常有必要的，即可以大大緩解患者輸液時的心理負擔，也可以應用科技手段減少輸液過程缺乏監控而造成的醫療事故，從而減輕醫患矛盾，減輕醫護人員的工作壓力。在本設計中，輸液情況控制部分包括中央控制器、液位檢測開關、電動伺服夾爪以及蜂鳴器等部件。液位檢測開關連接電動伺服夾爪和蜂鳴器并固定在輸液支架上部。液量監控制過程如圖2 所示。

圖2 液量監控制過程

液位檢測開關采用小管道式5-10MM 非接觸液位傳感器，型號為XKC-Y28A-5V，信號選為常閉輸出，該傳感器隔著輸液管感應液體液面，不與藥液直接接觸不會影響藥液的品質，應用內部自帶的2A 繼電器可直接驅動負載，當感應到輸液管內的液體時指示燈亮繼電器不動作，當輸液管內沒有液體時指示燈滅繼電器動作。在本設計中，小管液位檢測開關時刻監測輸液液體流通情況，如果出現液體斷流，則繼電器動作控制電動伺服夾爪夾緊輸液管停止繼續輸液，同時控制蜂鳴器發出蜂鳴聲對患者和醫生進行提醒。

電動伺服夾爪的選擇很重要，通過該部件控制輸液的速度。本設計選用RM-GB 智能電動伺服夾爪，該電動夾爪內部帶有伺服電機易于操作，能夠完成高速度情況下的夾緊工作。在使用過程中，將電動伺服夾爪通過脈沖控制器連接到中央控制器上，患者和醫護人員可以通過調節按鈕精準的控制輸液的速度，當輸液將要完成時通過小管液位檢測開關的控制及時的夾緊輸液管停止輸液并控制蜂鳴聲通知醫護和患者。

3.2 基于UWB 的自動跟隨

患者輸液時間一般達到兩個小時以上甚至更長，在這期間會因為輸液的影響而產生去衛生間的需求，兒童患者更是因為好動的年紀很難長時間保持坐在座位上不走動，面對這種情況目前一般由陪護著幫助拿著輸液袋，并保持一定的高度陪同行走，患者和陪護人員都很不方便，尤其是出入衛生間時更是比較尷尬，因此在考慮輸液架整體制造成本的前提下，用簡單、經濟和實用的方法實現自動跟隨功能是非常必要的。

3.2.1 定位系統的選擇

自動跟隨技術依托于定位系統，隨著無線通訊技術的發展，定位逐漸趨于完善并應用到各行各業中。通過對四大全球定位系統[3-4]，以及藍牙定位、Wi-Fi 定位、UWB 超寬帶無線通信定位[5-6]等技術的分析，我們發現其中定位精度較高的UWB 超寬帶無線通信技術的特點符合本設計的需要，因此選擇該技術實現自動跟隨功能。

3.2.2 自動跟隨功能模塊的組成結構

自動跟隨功能模塊的組成包括中央控制器、USB 定位模塊、方向控制、運動控制等部分，本設計中選用3 個UWB 定位部件，其中1 個設置為標簽用于佩戴在患者身上，另外兩個設置為基站安裝在輸液架的基座上，用于獲得患者與輸液架之間的相對位置信息；應用方向控制電機實現運動方向控制，應用運動控制電機實現輸液架行走功能，從而實現設計目標的自動跟隨功能。自動跟隨模塊組成結構如圖3 所示。

圖3 自動跟隨模塊組成結構

3.2.3 自動跟隨模塊的功能實現

中央控制器采用Arduino mega2560 開發板，板載ATmega2560 微處理器，具有54 個輸入輸出接口，具有4對硬件串口以及模擬軟串口功能，能夠滿足本設計中液量監督與控制、自動跟隨、藥液溫度控制三個功能模塊公用同一中央控制器的需求。另外該開發板還具有價格低廉、使用方便等的特點。

UWB 定位模塊是實現自動跟隨功能的主要部件，通過串口（UART）與中央控制器通信。本設計中采用基于DW1000 芯片開發的NodeMCU-BU01 UWB 室內定位開發板，具有雙向測距功能，定位精度為10 厘米，數據傳輸速度達到6.8Mbps，符合輸液架實現自動跟隨需要的反饋速度和定位精度的要求。定位模塊包括UWB 標簽和UWB 基站兩個部分。UWB 標簽手環佩戴在患者的身上，與X 軸、Y 軸方向的UWB 基站模塊無線通信，檢測X 軸方向和Y 軸方向UWB 基站模塊與UWB 標簽定位手環之間的位置變化數據，通過UART 串口協議傳輸給中央控制器；中央控制器計算得到UWB 標簽手環與UWB 基站模塊之間的距離和角度變化，進行后續動作的應用。UWB 自動跟隨計算如圖4 所示。

圖4 UWB 自動跟隨計算

圖中已知標簽c 到基站a 和基站b 的距離分別為Dca 和Dcb ，基站a 和基站b 到中心點o 的距離分別為Doa 和Dob 。通過計算得到標簽c 到輸液架中心點o 的距離Dco 用于控制輸液架和標簽之間的距離，計算得到夾角∠coe 用于控制輸液架運動的方向。

方向控制電機采用20KG DS3218 舵機，連接到中央控制器的PWM 引腳，接收運動方向信息并帶動主動輪轉向。舵機是位置伺服的驅動器，可以通過程序控制轉角大小并保持狀態，在Arduino 開發板中通過調用servo函數庫可以很方便的操控舵機實現設計目標。運動控制電機采用齒輪箱與馬達一體的42 行星減速步進電機，減速比為17：1，扭矩可以達到0.7N，具有響應快調節方便等特點。步進電機通過步進電機驅動器連接到中央控制器的PWM 引腳，中央控制器通過程序控制發送脈沖的數量，從而控制步進電機的角位移量，通過控制脈沖發送的頻率，控制步進電機輸出軸轉動的速度，實現前進、后退、快速、慢速等動作，實現自動跟隨的設計目標。自動跟隨模塊各部分的通信關系如圖5 所示，步進電機驅動控制如圖6 所示。

圖5 自動跟隨模塊通信關系

圖6 步進電機驅動控制

3.3 藥液溫度控制

輸液過程中，藥液通過輸液管和針頭流入到人體靜脈血管中，由于藥液的保存環境和室內溫度等因素影響，藥液的溫度與人體溫度往往存在較大的溫度差，容易引起病人的不適和各種輸液反應[7]，特別是天氣冷的時候更易導致感覺冷、胃腸不舒服、咳嗽等癥狀。病人和家屬為了解決藥液溫度低的問題，經常采用體溫加熱，或用熱水袋為輸液管適度加溫等方式，這些做法不但增加了陪護難度，而且效果也不好。

本設計中加熱片選用聚酰亞胺加熱膜柔性電加熱片，該加熱片厚度僅0.25mm，常用于醫療儀器，適用于任意電壓，可以制作成U 型槽將輸液管放入其中進行加熱。溫控開關選用KSD-01F25℃常閉和KSD-01F30℃常開兩種規格，這種溫控開關突跳式工作，控制范圍為0度～150 度，工作環境溫度-55℃- 160℃，短時最高溫度：260℃/10 秒，性能和反應速度符合本設計的需要。KSD-01F25℃常閉開關連接電加熱片，將輸液管中的藥液溫度加熱到25℃，當液體溫度超過25℃時停止加熱；KSD-01F30℃常開開關連接蜂鳴報警器，當藥液溫度高于30℃時提醒患者和醫務人員及時查看情況。

4 結論

隨著電子信息與自動化技術的不斷發展，應用新技術和部件解決我們生活中遇到的問題，可以改善生活體驗和質量。本文設計的多功能輸液架在原有輸液架在基礎上，根據患者的需求增加了新的功能，解決了患者在輸液過程中經常遇到的一些問題。設計中選用Arduino為主控板，采用小管液位檢測開關、UWB 自動跟隨、溫控開關和加熱片等電子技術，解決了病人在輸液過程中遇到的輸液情況監控、不能輕易走動、輸液溫度不適等問題，使人們能夠獲得更好的就醫體驗，具有大規模推廣的價值。