便携式野战静脉输液自动加热控温装置的研究

史刚，王姣，朱世磊，李双民，唐红新，丁攀，焦腾

1.第四军医大学 军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032；2.解放军第五医院 医学工程科，宁夏 银川 750000；3.银川市第一人民医院 血液透析室，宁夏 银川 750000

引言

静脉输液是抢救和治疗过程中采取的重要措施之一，也是战伤救治过程中快速、简单、行之有效的方法。北方冬季及春秋季节约占7～8个月，野外寒冷环境下，医疗帐篷在采取取暖措施的条件下温度也只能维持在10℃～15℃，遇极端天气帐篷内温度会更低，在这种环境条件下输液极易引起伤员手臂冰凉、麻木，周身寒战、血管痉挛等寒冷反应[1-3]，且随着输液量和输液时间的延长，反应率有增高趋势，严重时可能导致静脉炎[4]或发生血管硬化危及生命[5]。如何在野战低温环境条件下保证伤员输液的温度在合适范围成为伤员救治过程中迫切需要解决的实际问题。

现有的输液加温措施有一次性输液加温保暖贴、一次性输液加温棒和可以多次使用的输液加温装置等，由于野战环境的特殊性，例如要求轻巧便携、加温快速、可连续加热、无需稳定的电源供应等特点，现有措施均不能很好的满足针对野战环境的特殊性。本文研究设计的便携式野战静脉输液自动加热控温装置选用电阻加热方式，采用电池供电，无需外接电源，可连续加热，加热温度可控，有过热报警和低温提醒功能，体积小、重量轻、易携带，特别适用于复杂环境且无稳定的电源供给的野战环境使用。

1 总体设计

液体加热温度控制具有大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点，因此传统的控制不能实现在复杂环境下对温度的有效控制[6]。本文设计的自动升温控温装置，将电阻加热方式与脉宽调制技术相结合，有效解决了电阻加热丝发热功率无法自动调节的问题，实现自动控制动态调节加热功率，精确控制加热温度的功能。装置示意图和实物图，见图1。该装置体积小（实验装置的尺寸约300 cm3），重量轻（配一组电池的成套重量不超过200 g），电池供电（无需外接电源），佩戴使用舒适，使用时可固定于患者小臂或其他距离穿刺点较近的位置，不增加患者活动限制。

图1 装置示意图（a）和实物图（b）

根据药学理论有关输液问题的报道，输入人体的药液最佳温度为32℃～34℃，在此温度下，人体对药液的吸收最好，患者也感觉舒服[7]。考虑到野战环境下可提供更长的续航能力，本装置设置了高中低3个目标温度档位，具体温度设置为34℃、30℃和26℃，在伤员没有明显不适的前提下优先选用低档位，以提供更长的加热续航时间。

系统结构框图，见图2。工作流程为：开机后，系统根据操作人员选定的温度档位和出口处药液的实时温度，动态调整加热控温模块的工作模式，将出口处药液温度迅速提升并保持在设置的温度。同时，系统具有声光报警功能，在电池电量低或者出口处药液温度过高时自动切断加热电路并启动声光报警。

使用流程为，护士按照标准的无菌输液操作流程给伤病员建立静脉通路并固定好穿刺针后，将流量调至最小，将自动加热控温装置通过该装置自带的具有自粘贴功能的袖带固定在穿刺部位上游更靠近躯干的位置，打开电源开关，装置初始化后开始预热，打开保温加热模块的上盖，将输液管乳头上游靠近输液管乳头的一段长度约15 cm的输液管S形盘放在保温加热模块内[8]，合上上盖，按下拟设置的目标温度档位键（高档34℃、中档30℃、低档26℃），按下确认键，此时将输液流量调至治疗所需流量，4 min内，该装置出口处药液温度达到目标温度并保持此温度连续输液。输液结束后，护士按照标准流程拔针，之后打开保温加热模块的上盖，取出输液管，医疗垃圾分类处理后关闭加热控温装置的供电电源，松开固定袖带取下加热控温装置即可。

图2 整体结构框图

2 硬件电路设计

2.1 元件的选取

微控制器：选择NXP系列的基于ARM Cortex-M3的LPC1788FBD144型嵌入式微控制器，可用于处理要求高集成度和低功耗的嵌入式应用。外设组件拥有512 kB的Flash存储器、4个UART、一个8通道12位ADC、4个通用定时器、两个6输出的通用PWM、一个窗口式看门狗定时器、109个通用I/O引脚等诸多资源，适用于医疗系统的应用场合。

供电电源：选择两组5 V、6800 mAh的便携大容量锂电池，装置运行时仅需一组电池，另一组备用，通过电池切换电路可实现不间断连续工作，单组质量为100 g，总电量13600 mAh，对应的能量为：

5 V×6800 mAh×2=5 V×2 A×6.8 h=5 V×2 A×6.8×3600 s=244800 J=244.8 kJ。

将500 mL水温度升高20℃所需能量为0.5 kg×4.2 kJ/（kg·℃）×20℃ =42 kJ，电池能量约为所需加热能量的6倍，考虑到加热效率，完全满足输液加热需求。

温度传感器：选择WD3703接触式温度传感器[9]，工作电压范围：2.35～5.5 V，体积小（2 mm×3 mm），响应时间小（≤80 ms），外围电路简单，无需A/D转换，直接将温度转化成数字信号输出，只需一根数据线和地线就可通过Single-Line协议完成串行传输数据。

加热装置：选择防水、抗化学腐蚀、可清洗、可折叠的复合纤维加热丝密封在绝缘材料中制成的加热片，绝缘层4 kV/5 s不击穿，最大发热功率2 W，工作电压5 V。

2.2 电路图的设计

微控制器通过I/O引脚监测用户的各项操作和出口处药液实时温度，经过处理后控制输出不同占空比的脉宽调制波形来控制加热电路的加热功率[10]，由于生理盐水的比热容较大，加热装置温度与出口处药液温度有一定的延时。为了尽量减少出口处药液温度的波动，输出模式设置为：当出口处药液温度与设置的目标温度相差3℃以上时，占空比为100%，最大功率输出；当温度相差在3℃以内时，动态调整输出波形的占空比。

电源管理电路（图3）：选用两组锂电池交替供电，通过单刀双掷开关S1来切换，同时电路中串联限流保险，避免电流过大损坏电池组。同时，为了满足微控制器的用电需求，选用LM1117+3.3 V芯片将5 V转换为3.3 V，保证微控制器及外围元件的正常工作，电路中并联了5个电容，其中C2、C3、C4无极性，电容较小，作用为效滤除电压的波动，去除干扰，极性电容C5、C6在开关通断时起到缓冲作用。

图3 电池切换及变压电路

温度检测模块和加热控制模块电路（图4）：温度检测模块以WD3703型接触式温度传感器为核心，传感器的数字信号输出引脚与微控制器的P2_2引脚相连，将出口处药液实时温度数字化后传送到微控制器，微控制器根据出口处药液的温度与目标温度的关系，动态控制P2_0引脚输出脉宽调制波形的占空比。当该引脚输出高电平时，Q1导通，此时Q2导通，加热装置工作，反之，加热装置不加热，通过调整输出波形的占空比，实现对加热装置输出功率的精确控制。

档位调节、声光报警及复位电路（图5）：当系统运行出现异常或使用人员想一键恢复开机初始状态时，按下复位开关S6，微控制器的24引脚检测到低电平，系统自动复位；微控制器通过P0_1、P0_2、P0_3、P0_5这四个引脚监测用户输入，当某个按键被按下时，该引脚输入电平由高电平变为低电平，微控制器分析处理后将P0_19、P0_21、P0_23这3个引脚中对应的引脚变为低电平，控制相应的指示灯点亮；当微控制器判断当前的温度过高或出现其他异常时，关闭P2_0引脚的脉冲输出信号，并保持在低电平，将P0_17引脚变为低电平，将P0_12引脚变为高电平，此时报警指示红灯亮，同时蜂鸣器（Buzzer）发出蜂鸣声报警，系统停止加热[11]。

图4 出口处药液温度实时检测电路

图5 档位调节、声光报警及复位电路

3 控制程序设计

本文设计的便携式野战寒冷条件下静脉输液自动加热控温装置工作流程为：接通电源后，系统进行初始化，设置各引脚的工作模式和输出电平状态，设置初始目标温度为低档温度，初始化完成后装置进入低档温度预热状态，并循环扫描获取出口处药液的实时温度，与设置的目标温度值对比，当温度高于设置温度时，进行判断，当差值小于1℃时，控制加热电路断开，停止加热，如果差值大于1℃，则停止加热的同时启动声光报警，提示使用人员检查；当出口处药液温度低于设置的温度时，判断差值的大小，考虑到药液加热温度的滞后性；当两者相差大于3℃时，控制加热电路以最大加热功率加热液体，以便快速提高出口处药液温度；当两者相差小于3℃时，根据不同的差值动态调节输出PWM信号的占空比[12]，控制加热功率，PWM信号的占空比与两者温差正相关；当两者温度很接近时，输出较低的占空比，以便将温度准确稳定在设定值左右，程序流程图，见图6。

图6 温度控制程序流程图

当循环过程中有按键被按下时，程序自动跳转进入按键扫描设置程序。当复位键（RST）按下时，系统重新进行初始化配置；当档位键按下时，更新档位标志并再次扫描按键，如检测到档位键被再次按下，则再次更新档位标志，如检测到确认键被按下，则更新目标温度并恢复档位标志，其他按键情况不更新目标温度。按键扫描设置程序的流程图，见图7。

图7 按键扫描设置程序流程图

4 实验测试数据

教材建议成人静脉输液速度不高于80 gtt/min，儿童输液滴速在20～40 gtt/min之间。为了验证该装置性能，本次实验中选择最大滴速进行测试，滴速设为80 gtt/min，在不同的环境温度下各进行10次重复测量，每次测量时间间隔15 min，以保证每次加热装置及药液的初始温度与设置的环境一致。实验测量结果，见表1。

表1 在不同环境温度下加热到不同温度档位所需平均加热时间 (s)

实验结果表明，环境温度为20℃时，本装置可在3 min左右将出口处药液温度提升至34℃；环境温度为15℃时，本装置可在4 min内将出口处药液温度提升至34℃；环境温度为10℃时，本装置可在5 min左右将出口处药液温度提升至34℃。

当出口处药液温度超过预设值时，控制装置可自动切断加热电路，在温度回落时再次接通加热电路。模拟控制电路发生故障，不能自动切断加热电路时，电路中串联的温控开关可以作为第二层保护切断加热电路。实验结果表明，该自动加热控温装置加热响应快、运行安全可靠，特别适用于战时战场低温环境输液时使用。

5 结语

本文分析野战环境对静脉输液加热装置提出的特殊要求，以微控制器LPC1788为核心，应用脉宽调制技术，动态调整加热装置输出功率[13-16]，实现药液快速加热并稳定控温的功能，设计出一种便携式野战静脉输液自动加热控温装置，既可以满足战时野外环境使用，也可以在平时门诊输液室使用，还可在冬季转运患者途中使用[17]，该装置体积小、重量轻、易携带、操作简单、安全可靠，特别适用于复杂环境且无稳定的电源供给的野战环境使用。