医用输液泵液体输送动力学与流速校准及计量方法研究

蔡 莉　李 菲　周卫华　张志强

医用输液泵液体输送动力学与流速校准及计量方法研究

蔡 莉①李 菲①周卫华①张志强②*

医用输液泵因能够准确控制液体流速，液流线性度良好，不产生脉冲，故主要用于大容量和较高流速的静脉常规输液，以确保药液能够速率均匀、药量精准、长时间安全地进人体。完成此功能的执行机件是动力泵，指状蠕动泵因其体积小、重量轻，定量准确，是目前输液泵广泛采用的液体输送动力泵。通过分析全挤压式指状蠕动泵和半挤压式指状蠕动泵的工作原理及结构组成，并对输液泵在应用中的优缺点进行深入探讨，从而重视对输液泵输注速率和计量作定期校准，以保证输液泵输注安全可靠。

指状蠕动；线性度；挤压；校准；计量

［First-author's address］ Department of Nuclear Medicine， General Hospital of Chinese People’s Armed Police Force， Beijing 100039， China.

临床上根据药物性质和患者体况，静脉输液中要控制适当的输液速率，液速过快，可能引发中毒，严重者会导致水肿或心力衰竭；液速过慢，则可能发生药量不足和拖延输液时间以致影响治疗效果。因此，要求医用输液泵能够准确控制液体流速，液流线性度良好，不产生脉冲，确保药液能够速率均匀、药量精准及长时间安全地进人体，并能够实时检测输液管路的气泡、空液、漏液以及阻塞等异常及时报警［1-3］。临床中用于大容量和较高流速的静脉常规输液，最低流速可以控制在1 ml/h、精度为±5%，单次给药量能达到9999 ml［4］。输液泵临床应用的风险管理引发人们的广泛注意，美国医疗器械评价机构（ECRI）每年发布的“10大病人安全问题”中均列有“输液泵问题”。因此，加强输液泵的质量控制管理是一重要课题。

1　输液泵工作原理及输送动力学

医用输液泵主要由微机系统、流量泵、监测装置、报警装置、输入及显示装置组成［5］。流量泵是输液泵的液体动力源，采用蠕动式结构，按动力源的结构形式，可分为指状蠕动泵、盘状蠕动泵及弹性蠕动泵等。

1.1指状蠕动泵

指状蠕动泵也称为线性蠕动泵，其体积小、重量轻、定量准确以及输液管安装方便，是目前输液泵主流的液体动力泵结构［6］。指状蠕动泵的关键机件是凸轮轴，由具有一定间隔距离的多个凸轮（通常为12个）组成，其中的各凸轮在轴线上都相差设定的角度。当步进电机驱动凸轮轴旋转时，凸轮驱使叶片（相当于手指）按照一定顺序和规律垂直往复运动，如同波浪一样依次挤压输液管，使输液管中的液体以一定的速度定向流动［7］（如图1所示）。顺序，由此可以确定输液管的液体流向。同理，凸轮轴转速能确定液体的流速，因此通过控制步进电机的驱动脉冲即可调节凸轮轴的转动速度，进而实现对输液速率和总量的精准控制。在输液管内径一定的情况下，液体流动速度主要与凸轮轴的转动速度有关，目前由指状蠕动泵驱动的输液泵其精度可达数ml/h。

图1　指状蠕动泵原理示意图凸轮轴的旋转方向能决定凸轮挤压输液管的先后

指状蠕动泵可根据用途分为全挤压式和半挤压式，全挤压式与半挤压式的主要区别在于挤压输液管的最小间隙和驱动方式［8］。

（1）全挤压式指状蠕动泵。全挤压式指状蠕动泵在挤压区内，其输液管路的每一处都要依次被完全挤压至断流状态［9］（如图2所示）。

图2　全挤压状态示意图

为满足全挤压式指状蠕动泵输出的液体脉动度和线性度，通常要在凸轮轴上选用12个凸轮，其中每个相邻凸轮的相位差为30o，并使泵片顺次达最低点。因此，每一挤压液体周期的曲线类似正弦波，可明显改善液体输出的线性度，其脉动也较小［10］。

全挤压式指状蠕动泵的特点是，每一个叶片都要依次将管路完全挤压至夹断状态。由于强挤压状态下输液管路的弹性容易被叶片损坏（压扁），使得管路不能恢复到原有的管径，会导致低流量时的液体供给精度下降。因而，若使用时间较长，通常可以变换一段蠕动泵挤压位置，以保证管路的弹性。全挤压式指状蠕动泵的优点是输液效率高、单个周期内线性度较好；缺点是输液不够均匀［11］。

（2）半挤压式指状蠕动泵。半挤压式指状蠕动泵的凸轮轴上有4种凸轮，分别为尖头的进液阀凸轮和出液阀凸轮、平顶的挤压凸轮和补偿凸轮，这4种凸轮有各自的运行轨迹和功能。进液时，进液阀A打开、出液阀B关闭、挤压叶片1、2、3、4上移，液体灌冲到输液管路内；出液时，进液阀A关闭、出液阀B打开、挤压叶片1、2、3、4下压（不到底），液体从输液管路中流出。如此往复，步进电机带动凸轮轴转动，使叶片按照一定顺序和运动轨迹上下往复运动挤压弹性输液管，输液管中的液体会以一定的速度定向流动［12］。半挤压式指状蠕动泵流速的控制较为精确，凸轮轴转速与流速基本呈线性关系（如图3所示）。

图3　半挤压式指状蠕动泵示意图

半挤压式指状蠕动泵的特点是，输液管路不会完全挤压，可以避免对输液管路的药液成份和叶片对输液管路的破坏，另外此种蠕动泵的流速也比较均匀；缺点是输液效率减半，若需要达到与全挤压式相同输液速率，电机的转速则要提高一倍［13］。

（3）弹性门。由于输液管的品牌与规格不尽相同，其管径也会存在一定的差异，为适应各种输液管壁厚的误差，输液泵在泵门上安置了弹性装置［14］。输液泵的舱门为弹性门，弹性门背面有一块弹性压板，其作用是通过弹性压板与蠕动泵的配合可以平稳挤压输液管。由于弹性压板由弹簧支撑，能够适应不同规格管径的输液管路。输液泵的弹性门如图4所示。

图4　输液泵弹性门示意图

1.2盘状蠕动泵

盘状蠕动泵有圆弧形内周面的泵壳和一个中心轮，中心轮的边缘呈轴对称性分布安装着数个可旋转的挤压轮，输液管夹在挤压轮和泵壳的圆弧形内周面之间。蠕动泵工作时，步进电机驱动中心轮转动，中心轮通过挤压输液管带动其周围的挤压轮随之转动，中心轮如同“恒星”、挤压轮类似于“行星”，挤压轮围绕中心轮公转，又绕自己轴线自转［15］。几个挤压轮沿着中心轮顺序挤压输液管，使液体按一定的方向流动。由此可见，中心轮的旋转方向决定液体的流向，转动速度与液体流速相关（如图5所示）。

图5　盘状蠕动泵示意图

盘状蠕动泵的优点是单位时间内液体的流量较大，适合于大流量液体输注场合，常用于血液透析机和体外循环系统。

2　输液泵的流速校准

输液泵是精确静脉输注的专用医疗设备，其液体输注速率的精准性直接关系到输液泵的使用安全，因此，输液泵需要定期校准或计量输注速率。

2.1EP520输液泵的流速校准

校准时，要在关机状态下，按住“1”键，同时开机，听到一声蜂鸣音，输液泵通过自检并进入速率的校准界面。将待测试的输液器（医院指定的）正确安装在输液泵上，排净管内空气，输液器末端放置一个量筒。按动“启动/停止”键，启动输液。当量筒中液体到达10 ml刻度（或者专用量具标线）时，再次按动“启动/停止”键，即停止输液，此时，速率校准完成，输液泵会自动转入正常工作界面（如图6所示）。

图6　EP520输液泵流速校准示意图

2.2输液泵的计量

输液泵流率计量最常用的方法为称重法，称重法是用电子天平作校准设备进行计量的方法［16］（如图7所示）。

图7　称重法示意图

按图连接校准系统，注意要在量筒容器中先加入一定量溶液（容器应加盖，若无盖时应加入一定量的石蜡油以防蒸发），注射针应在液面下，其中液面高度一般为（50±20）cm。这一方法由天平采集测试周期内输液泵输出的总质量，再将总质量根据被测溶液的密度转换为总体积，即容量。根据计量容积与测试周期的比值，与输液泵的设定值进行比对，从而计算最终的流速误差［17］。

3　结语

全挤压式指状蠕动泵和半挤压式指状蠕动泵各有不同的优缺点，在输液泵的使用中并无绝对优劣之分，根据对性能侧重点的不同而采用不同的指状蠕动泵，并都能够精确长时间地工作，确保输液泵输送药液速率均匀、药量精准以及长时间安全地进人体，达到对患者最佳的治疗效果，并通过定期校准或计量输注速率，保证输液泵输注安全可靠。

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The study of liquid delivery dynamics and flow rate calibration in medical infusion pump

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CAI Li， LI Fei， ZHOU Wei-hua，et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：136-138.

Medical infusion pump can control the liquid flow rate accurately due to the liquid flow good linearity， no pulse is generated， which is mainly used for large-capacity and high flow rate of a conventional intravenous infusion rate to ensure that the liquid can be uniformly accurate dose， safely into the human body for a long time. The mechanical power pump is the component of implementation. The finger peristaltic pump is currently widely used for liquid infusion power pump which is small， light and accurate. This paper gives a detailed analysis of works and structures of the whole squeeze finger peristaltic pump and half extrusion finger peristaltic pump. It gives a depth discussion of the features， calibration and measurement of flow rate.

Finger peristaltic； Linearity； Squeeze； Calibration； Measurement

1672-8270（2016）08-0136-03 ［中图分类号］R454.1

A

蔡莉，女，（1968- ），本科学历，主管技师。武警总医院核医学科，从事PET/CT操作与维护工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.043

①武警总医院核医学科 北京 100039

②武警总医院医学工程科 北京 100039

zzq6116@126.com

2016-02-25