便携式智能输液设备关键技术的研究*

刘俊伶　陈廷静　张乐天　李 阳　祁海峰　刘明利　刘 蕾　李 雪*

近年来，由于各种灾难、交通事故及高处坠落等伤害发生频繁，患者往往伤势严重，其中创伤性休克是并发证之一，抢救中最为关键的急救措施就是及时为患者进行静脉输液，扩充循环血容量，有效提高失血性休克的抢救成功率，而在第一时间同时实现动脉和静脉输液对挽救患者的生命将具有重要的临床意义[1]。在患者转运途中常常可以看到医护人员与患者同步移动并高举液体，给救援带来不便，并造成人力浪费[2]。虽然现有的少部分便携式输液设备解决了快速输液和输血的问题，具备一定的智能性，也存在一定的局限性，多为单通道，无法同时进行动脉和静脉输液或完成多袋液体的自动切换[3-7]。因此，为了提高患者的救护成功率，减轻医护人员的劳动强度和心理压力，特别需要一种不受高度差影响，“移动性”、“便携性”更强，“智能化程度”更高，实现自动识别、自动加压、自动切换、自动报警、多通道(同时满足动脉和静脉输液)、重力与动力输液融合的输液设备。为此，本研究研发一种便携式智能输液设备，其结构简单、轻便易携带，可操作性强、智能性高，能够满足不同环境下的动脉和静脉输液，具有较好的临床应用前景。

1　便携式智能输液设备关键技术设计

1.1　设计思路

移动性(便携性)、安全性及智能化程度的高低是便携式输液设备的关键技术，针对现有便携式输液设备存在的不足，采用如下技术方案。

(1)微型打气泵技术。以微型打气泵作为“动力源”，使输液加压袋(或输液袋)获得输液所需的正压差，从而实现“动力输液”，通过与输液袋相连的输液器将药液、血液、电解质等输入患者体内。

(2)智能化安全技术。采用称重传感器+气泡传感器+压力传感器的多重监控方式，对输液过程进行全过程监控，保证输液过程中不会出现“空管”、“气泡”和“漏液”等异常现象，当异常现象出现时，能够自动停止输液，并发出警示。

(3)多通道控制技术。设备的执行机构由多组称重传感器+夹管机构构成，一组称重传感器+夹管机构就是一个输液通道，所有通道统一由一个单片机统一控制，每个输液通道的输液速度都可以自由调节，输液压力差可以不同，可同时在一台设备上进行不同压力要求的动脉和静脉输液(输血)，每个通道的输液量也可自由设定，当其中一个通道的输液量达到设定值时，或其中一个通道的输液袋内的液体输完时，执行机构能自行切换输液通道或关闭输液通道，并发出通知。

1.2　基本结构

主机以电动打气泵为“动力源”，打气泵安装在箱体内，通过气管与单向阀、三通接头的一个通道相连，三通接头的其余2个通道一个通过气管与隔板式快速接头的内接头相连，构成气泵式便携输液设备的内部充气气路，另一个通过气管与电路板的气压传感器相连，构成设备的检测气路；所述隔板式快速接头的外接头通过气管与一次性空气过滤器、气管接头与输液加压袋或输液袋相连，构成外部气路。电动打气泵通过内、外气路向加压输液袋或输液袋加压，通过加压袋挤压输液袋或空气压力直接挤压液面产生正压差，使药液流入患者体内，箱体内还安装一带有微型气压传感器的电路板、触摸屏、按键、微型电机、丝杆、输液管压块、蓄电池、空管检测传感器及用于控制气路的单向阀等，电机带动丝杆和输液管压块运动可开、关输液器并实现输液袋(输液瓶)间的自动切换；箱体的外部设有输液管及滴壶夹紧座，还安装有提手及一条可调节长短的背带，背带使患者在行走时也不影响输液(如图1所示)。

图1　便携式智能输液设备主机示图

设备的智能检测模块主要零部件是称重传感器和变送器信号放大器，能自动检测药液的剩余量，并结合已用时间计算出输液的速度，当药液的剩余量或剩余时间达到设定值时，发出警报，提醒护士进行下一组药液的配制(如图2所示)。

图2　便携式智能输液设备智能检测模块示图

1.3　控制系统原理

便携式输液设备由单片机控制。动力输液模式下，通过气压传感器实时感知输液加压袋(输液袋)内的气压，当气压值低于或达到预设值的下限时单片机指令打气泵向输液加压袋(输液袋)充气，当气压达到预设值上限时，单片机指令打气泵停止充气；在输液过程中气压传感器、空管检测传感器(气泡传感器)和称重传感器会对输液状况进行实时监测，当出现异常状况时(如输液管出现气泡、堵塞等)，单片机指令执行机构(由电机、丝杆、压块等组成)迅速切断液路，紧急中止输液，同时会通过扬声器发出刺耳的警报声；单片机通过智能模块(称重传感器和变送器等组成)可实时探测到各输液通道的剩余液量，根据输液的进程，指令扬声器发出“输液进行时”、“输液量达到预设值”和“输液完成”等音频提示信号，同时指令执行机构根据输液的进程完成关闭或切换输液通道等动作(如图3所示)。

图3　便捷式智能输液设备控制原理图

2　便携式智能输液设备应用实验

2.1　仿真模拟输液实验

2.1.1实验目的

主要完成机电与软件一体化联调。

(1)验证动力系统是否能为动脉输液和无“高度差”条件下的静脉输液提供足够和稳定的“动力源”。

(2)验证监测系统在出现各种异常状况时能否安全和有效。

(3)验证执行系统是否能够及时打开、关闭和切换输液通道。

(4)验证智能检测模块能否准确及时按预设值提示护理人员。

2.1.2实验步骤和方法

(1)将2只用上部剪有排气孔的空输液袋分别挂在不同的挂钩上，用于替代人体的血管和肾脏，作为输液时液体的容纳器具；在空塑料袋下方的挂钩上分别挂上2个智能检测模块，然后将2个装满液体的输液袋分别放入2个加压袋中，并分别挂在2个智能检测模块的挂钩上，也可将装满液体的输液袋直接挂在智能检测模块的挂钩上；将便携式智能输液设备的主机挂在输液袋的下方。

(2)用一次性输液器将输液袋、主机和液体容纳器具串联起来(如图4所示)。

图4　仿真模拟输液实验步骤示意图

(3)按下“电源”按钮启动主机，按任意键进入触摸屏，点启“动力”按钮，向加压袋或输液袋打气，待气压达到设定值后，根据实验要求同时启动左、右2个通道或左、右通道中任一通道进入“双通道输液模式”、“多通道模式”或“单通道模式”。

(4)在“模拟输液”过程中，可人为制造在平常的输液过程中所遇到各种异常状况，如“大气泡”、“小气泡”等，仔细观察设备是否能发现各种异常，并作出相应的警示和处理。观察当某通道的输液剩余时间(或剩余量)到达设定值时，设备是否会正确提示，观察在“双通道模式”下，当某一通道完成输液时，设备是否会及时关闭该通道，观察在“单通道模式”下，当该通道完成输液时，设备是否会及时关闭该通道并自动切换到另一通道。

(5)在输液过程中可进行各种操作，如“暂停某通道输液”、“调整动力源的设定压力”、“调整输液速度”以及“调整输液剩余时间预设提醒值”等。

2.2　动物失血性休克实验

2.2.1实验目的

主要检测该系统在抢救失血休克时其自动识别、自动加压、自动切换、自动报警、自动停止、多通道(同时满足动脉和静脉输液)以及重力与动力输液融合等关键技术，检测该系统的精准度、灵敏度、稳定性和安全性。

2.2.2实验步骤和方法

(1)实验动物及数量。巴马香猪3头，雄性，

30　～50 kg，实验前8 h禁食水。

(2)便携式智能输液装置准备。输液装置插电源(或充电备用)，准备不同规格的软袋液体(500 ml、250 ml及100 ml)，2套输液器，1套双腔充气管(设置压力参数通过双腔充气管自动加压到输液袋内)，2个加压袋(设备自带，设备通过设置压力参数自动加压)，连结输液管和加气管排气备用。

(3)麻醉方式。肌肉注射氯胺酮(10 mg/kg)诱导，耳缘静脉留置针建立静脉通道并固定；丙泊酚中长链脂肪乳注射液20 ml，0.2 g，微量泵泵入维持4～12 ml/kg·h，追加剂量每次2.5～5 ml。

(4)气管插管与通道建立。实验猪仰卧位固定于动物手术台，右颈部、胸部、下腹部以及双侧腹股沟剃刀备皮，于颈部正中偏右切开，暴露气管，直视下气管切开插入气管导管接呼吸机，于气管右侧分离暴露颈动脉鞘，分离出颈动脉和颈静脉，直视下分别插入动脉导管和中心静脉导管，插入深度为10 cm，缝合固定导管防止脱落，分别在颈内静脉、颈动脉建立通道连接输液装置。右侧腹股沟区切开。直视下穿刺右侧股动脉，用于放血。于耻骨联合上5 cm进行膀胱造瘘，接无菌引流袋，记录每小时尿量。

(5)放血策略。采用定容性失血性休克模型，动物总血容量按80 ml／kg计算。放血开始前进行基础检测(生命体征和血流动力学监测)，做好记录。通过股动脉导管用三通导管连接肝素储血袋，放血速率25 ml/min，放血至10%、20%、30%及40%等，停止放血期间进行相关数据测量，当实验猪出现休克后立即进行静脉和动脉液体的输入，观察输液速度与生命体征及压力监测的变化，及时记录液体输入时的各项指标，记录使用加压输液装置中存在的问题，及时调整输液装置。使用方法如图5所示。

图5　动物失血性休克输液实验示图

2.3　户外移动输液实验

2.3.1实验目的

检测该系统在户外输液条件下的移动性、便携性、自动加压、自动识别、自动切换、自动报警、自动停止以及多通道关键技术的稳定性和安全性。

2.3.2实验步骤和方法

(1)模拟平车转运输液。①将患者平卧于转运车上，该设备固定于床沿；②准备2袋液体，将输液袋和输液管连接排气，输液管莫非氏滴管固定于输液设备的2个卡槽内，开机调节压力，根据输液的速度调节压力，静脉输液高于静脉压，动脉输液高于动脉压，连结患者的静脉通道。

(2)户外移动输液。患者站立位，将该设备背在患者身上，调节背带的长度，将2袋输液挂于微型挂钩上，输液管莫非氏滴管固定于输液设备的2个卡槽内，开机根据输液的速度调节压力(如图6所示)。

图6　户外移动输液实验示图

3　便携式智能输液设备应用价值与效果

3.1　临床应用价值

(1)理想的输液装置不仅应该能够满足院内救护常规治疗的需要，还要满足院前急救和野战急救环境恶劣条件下的救护需要[8]。本研究中设备的关键技术应用范围广，不仅可解决野外及户外移动式急救输液存在的问题，还可提高群体伤员抢救的效率与安全性，也适合病房的输液，可提前通知下一组液体的配制，预先计划性准备另一通道，当输完液体后自动切换。同时，可预先设置好滴速，当液体全部输完时自动关闭，避免空气进入血管内形成空气栓塞及凝血堵针头的情况发生[9]。

(2)重症患者或手术中实施抢救时可通过自动加压快速输入药物，对术中失血性休克患者实施快速补液和输血及心跳骤停的抢救。动脉穿刺成功后该设备可以持续性、稳定性进行加压，并设有传统加压袋自动加压和通过带过滤器的双腔加压管向输液袋内加压的2种加压方式，克服传统加压袋手动加压的局限性，满足动脉和静脉单通道或双通道的输液方式，对提高抢救的成功率具有重要的临床意义。

(3)应用于介入手术治疗时，保证术中导引导管、微导管与微导丝之间通畅，防止腔内血栓形成以及保持动脉加压灌注线通畅是保证手术成功的关键[10]。该设备可以自动加压，当液体达到预设量、管道有气泡时可自动报警提示医生和护士，并自动切换到另一袋准备好的液体，减轻了手术医生、巡回护士的工作负担，提高了工作效率，保证介入手术的安全。

3.2　临床应用效果

3.2.1自动加压系统

便携式智能输液设备能满足“动脉输液”或无“高度差”条件下的“静脉输液”所需要的动力能，可以用于任何环境下动脉和静脉加压输液的需求，摆脱了重力输液的局限性，极大提高了抢救效率，适用于野外救护、伤病员后送及住院患者外出检查使用。

3.2.2自动报警功能

当输液管中出现“小气泡”时设备能及时提示，当输液管中出现“大气泡”时设备能及时发出警示，并终止输液直到医护人员排除异常为止，避免气体进入患者静脉，提高急救的安全性；当某通道的输液剩余时间(或液体剩余量)到达预设值时，设备能及时通知医护人员提前配药、接瓶，降低了护士的劳动强度，提高了工作效率。

3.2.3自动切换功能

在“单通道模式”下，当通道完成输液时设备能及时关闭该通道；在“双通道模式”下，当某一通道完成输液时，设备能及时关闭该通道并自动切换到另一“备输液”的通道，节省了人力。

3.2.4多通道监测功能

可以同时执行动脉和静脉输液，使液体及药物迅速进入患者体内，纠正水电解质失衡，恢复正常血液循环。

3.3　设备存在的问题

便携式智能输液设备与现有的便携式智能输液设备相比，更安全、更轻便、更智能，可以在短时间内实现快速的输液，解决了一些临床和野外输液问题。但是，本设备也存在一些缺陷，由于使用压缩空气作为“动力源”，不像输液泵采取蠕动泵强制压入的输液方式，患者血液循环的快慢对输液速度有所影响，对输液速度的自动精准设定和调整可能有影响，直接加大了电气控制和软件设计人员的技术难度；由于压缩空气直接进入输液袋，虽然此压力远低行业标准对于输液袋应该承受压力的要求，但本研究未针对不同容量输液袋所存受的最大压力进行实验；同时该设备未考虑到对液体的快速加温功能和保温系统，这一点对严寒地区或创伤失血性休克患者很重要。这些不足也是下一步要解决的问题。

4　结语

便携式智能输液系统设备结构简单、轻便、可操作性强、智能化程度高，能够解决目前便携式输液设备普遍存在的功能性和操作性的问题，适用于野外现场救护、院前急救、重症病房、手术室、介入治疗及普通病房或患者外出输液、输血的需求，根据输液环境可低位、平放、高位、手提、肩背行走或放置在车船、飞机、担架和手推车上，具有较好的临床应用前景。