双肩背式自动断液输液装备的设计*

张 朋 宋 莉 郭文松 闫 娟 马千里 孙传才

双肩背式自动断液输液装备的设计*

张 朋①宋 莉②*郭文松①闫 娟①马千里①孙传才①

目的：设计一种新型双肩背式自动断液输液装备，介绍各功能模块的实现方法，以方便输液患者任意行动。方法：通过移动底盘、双肩背带、药瓶垂直检测系统以及药液自动断液系统的设计，结合人体机制原理与电子机械设计基础进行三维仿真，设计出可随患者携带外出的输液装备。结果：设计的输液装备舒适且配带拆卸方便，采用药瓶垂直检测和药液自动断液两个系统，确保了患者外出活动的安全。结论：装备结构简单、成本低，输液患者可坐在椅子上轻便快捷的完成装备的配带与存放。

双肩背式；移动底盘；药瓶垂直检测系统；药液自动断液系统

[First-author’s address] College of Radiology, Taishan Medical University, Taian 271016, China.

输液患者是医院和各卫生室诊治的主要人群，由于其人数众多、输液地点较集中以及输液时间不等而造成输液过程中患者换药液、去卫生间等不便。为此，本研究在确保输液患者舒适、安全的基础上开发一套便于其行动的装备，使患者在整个输液过程中可独自轻易完成输液装备的装带与存放，同时采用药瓶垂直检测和药液自动断液两个系统，可使输液患者在输液期间任意行动。

1 双肩背式自动断液输液装备系统功能

装备设计以人性化、便携性为出发点，立足于输液患者的舒适性和安全性，在此基础上设计的一套双肩背式输液装备，使患者在输液过程中需要外出活动时不必手举药瓶，只需单手固定好双肩背带，调节好松紧度后安装上吊瓶，直接站立即可进行外出活动。待外出活动完毕，只需坐在配有取放底盘的椅子上，装备便可稳定放置在靠椅上，以便下位患者使用。该装备可减少输液患者对他人的依赖(如图1所示)。

图1 双肩背式自动断液输液装备三维仿真设计图

2 双肩背式自动断液输液装备结构设计

双肩背式自动断液输液装备由双肩背架、可移动底盘、药瓶垂直检测系统、药液自动断液系统以及自动断液装置组成。

2.1 双肩背架

双肩背架解决了输液患者外出活动不方便的问题。双肩背带松紧可调，适合不同体型的患者穿戴，两个背带配有插头可与底部插槽灵活对接，患者可独自完成装备的配带，同时还配有横向保护带，以确保药瓶稳定安全。药瓶卡槽侧面开有5 cm宽的走线、视线口，以便药瓶能够便捷地放入卡槽中，且输液过程中患者可观测到药液的剩余量。

2.2 可移动底盘

移动底盘安装在有靠背的椅子上，便于肩背输液架的存放，两侧为固定绷带，可拆卸移动。内设与背架上铁板配对的磁铁块，是双肩背架可移动存放的基础。输液患者只需坐在椅子上即可轻便快捷地完成装备的配带与存放。配带完成后即可进行外出活动，当活动结束，输液患者带着装备坐向带有移动底盘的椅子，装备便自然原样存放在座椅上，以便下位患者的使用。该装备不需要特殊的固定地点，只需一把有靠背的椅子，便可与传统输液架一样固定使用。

2.3 药瓶垂直检测系统

系统使用倾角传感器模块进行药瓶倾斜的角度测量、报警[1]。采用微机电系统(micro electro mechanical systems，MEMS)高精度单轴倾角传感器SCA103T-D04，使用测量范围在±15o[2]。通过SPI数字接口输出11位二进制加速度数值，实时监测药瓶的倾斜角度，一旦倾斜角度过大则会实时发出预警信号[3-4]。需要注意的是传感器的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行，且传感器双轴需相互垂直，解决了患者背着药瓶外出活动时药瓶随身体倾斜而倾斜的问题[5]。该系统使整个输液过程中药瓶口始终保持竖直向下，从而药液可以均匀流畅滴注(如图2所示)。

图2 药瓶垂直检测系统三维仿真图

2.4 药液自动断液系统

系统主要由直流电机、蜗轮蜗杆装置、夹断装置以及弹簧等原件组成[6-7]。药液滴尽后检查装置检测到的夹断信号控制直流电机转动，电机控制传动装置带动蜗轮蜗杆旋转，从而夹断杆控制阀下移，这时弹簧由压缩状态恢复原状时带动夹断装置铁芯弹出，弹出的铁芯在弹簧恢复力的作用下紧压输液管，实现了液体自动断流。如输液患者外出未能意识到药液即将滴尽或来不及回到输液地点，该系统可提前暂停输液，确保患者的治疗安全(如图3所示)。

图3 自动断液装置整体及内部结构三维仿真图

3 药液滴尽检测系统设计

3.1 工作原理

输液设备的药液滴尽检测装置采用红外对管，在药瓶口处对药液剩余量进行监测[8-9]。发光二极管正向偏置发出红外光，光线透过药水照射到光电三级管上，光电三级管将光信号转换成电流信号输出[10-12]。由于药液对红外光的吸收和散射作用，当药瓶里有药液时光电三级管接收到的光信号比较弱，输出的电流相应较弱，反之则输出电流较强[13](如图4所示)。

图4 药液滴尽检测示意图

3.2 电路设计

红外发光二级管(D)发出的光线穿过药瓶口照射到光电三极管(T)上[14]。设瓶内有药液时光电管T感应出的集电极[12]电流为A1，与之对应的比例运算放大器A的反向输入电压为公式1：

无药液时感应电流为A2，则为公式2：

可变电阻器Rx与电阻Rz串联分压[15]，与之对应的比例运算放大器正向输入电压为公式3：

图5 药液滴尽检测系统电路图

比例运算放大器A的输出电压为公式4：

合理设计Rx与Rz的比值，使U1＜Uz＜U2。代入为公式3可知：药瓶中有药液时Uo为正值，二极管D2导通，药液夹断装置的直流电机不工作；药瓶中无药液时Uo为负值，二极管D2截止，药液夹断装置的直流电机工作(如图5所示)。

4 双肩背式自动断液输液装备可行性分析

该输液装备尤其适合患儿输液使用，可使陪护人员轻松、安全地帮助输液患儿完成输液的全过程。由于患儿活泼好动，输液过程中需要去卫生间，陪护人员长时间托举药瓶既不方便又不安全，而使用该装备可以解放双手，陪伴患儿外出活动。同时该输液装备结构简单成本低廉，各级医院的集中输液室可配备2～5套，且固定在有靠背的椅子上，以便患者外出时使用。该输液装备于2012年8月荣获山东省大学生机电产品创新设计竞赛二等奖。

5 结论

本研究设计制作的双肩背式自动断液输液装备的总体框架、各个系统及各具体功能模块的工作流程以及设计方案，在充分利用药液滴尽检测系统工作原理的基础上采用红外对管，在药瓶口处对药水剩余量进行监测，其精确度高，并及时将监测结果传输于自动断液系统，由直流电机、蜗轮蜗杆装置、夹断装置以及弹簧等原件配合，实现自动断液功能。通过实验证明，系统运行状况良好，性能指标达到设计要求，能够准确、及时地报警和自动断液，误报率低，值得在各级医院临床推广使用。

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Practical design of backpack transfusion equipment with automatic pinch-off device/

ZHANG Peng, SONG Li, GUO Wen-song, et al// China Medical Equipment,2015,12(4):15-17.

Objective: To solve the problem that patients who are transfusing can’t move at random, this article introduces a design of backpack transfusion equipment with automatic pinchoff device and the implement methods of each function module. Methods: Via a movable underpan, two straps, the detection system of perpendicular medicine bottle, the design of a automatic pinch-off system, combining the man-machine principles and electromechanical design, we modeled a 3D simulation system. At last, we designed this portable transfusion device. Results: The equipment is comfortable and is convenient to wear and dismantle. And the use of two systems (the system that ensure medicine bottle perpendicular to the ground and automatic pinch-off system) ensure the security when patients are out. Conclusion: The structure and cost of this equipment is simple and low. It is convenient for patients sitting in the chair to assemble and place the equipment. Hospitals in each region can provide this equipment according to patient’s condition to arrange patients.

Backpack; Movable under-pan; The detection system of perpendicular bottle; Automatic pinch-off system

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.005

1672-8270(2015)04-0015-03

R197.39

A

张朋,男,(1990- ),本科学历。泰山医学院放射学院，研究方向：生物医学工程。

2014-03-25

国家级大学生创新创业训练计划(201310439016)“人性化便携肩背式输液架”

①泰山医学院放射学院 山东 泰安 271016

②泰山医学院放射学院生物医学工程教研室 山东 泰安 271016

*通讯作者:songlikjd@163.com