一种多功能自动换瓶智能输液装置的设计与应用

周泽宇 成秀芳 李 导 刘 湘

（湘潭医卫职业技术学院，湖南 湘潭 411104）

中国传统医学有言“三分治，七分养”，治的是疾病发作期，通过医疗方式祛除危险，称为“临床救治”；养的是疾病愈后期，通过食疗的方式，配合养生运动，调整机体阴阳平衡，身心健康。而在现代医学，我们称之为“三分治疗，七分护理”。由此可见，护理工作在整个疾病治疗过程中，起着至关重要的作用。

随着各级各类医院不断深入推进优质护理服务，护理工作的范围越来越广，任务越来越重，要求越来越高，最终导致护理人员工作压力越来越大，幸福指数越来越低。在湖南省各级医院护士劳动强度与护理模块关系的调查研究表明[1]，护理治疗模块相比常规护理模块、护理文书模块的劳动强度更高。静脉输液作为护理治疗模块当中重要的组成部分，是利用大气压和液体静压原理将大量无菌液体、电解质、药物由静脉输入体内的治疗方法，主要由配药、穿刺和换瓶三部分组成。它的两个子项目穿刺与换瓶的劳动强度之和占整个护理模块劳动强度的45%，接近所有护理工作的一半。穿刺是护理输液操作当中最为关键环节，决定了本次输液成功与否；换瓶则是最为繁杂，需要护理人员频繁往返于护士站与病房之间，耗费了大量的时间与精力。如若能够通过一种多功能自动换瓶智能输液装置，将护理人员从频繁的换瓶工作当中解放出来，这将大大地降低护理人员的劳动强度，减少护患矛盾产生的风险，提高护理工作的幸福指数，加强护理人员工作的稳定性。

一、产品介绍与注意事项

1.产品介绍

本产品由输液器主机、输液瓶挂杆和电源组成。主机主要由转盘、推针模块、加温模块、消毒模块和止液模块组成。输液挂杆上有弹簧挂钩，用于悬挂输液瓶。转盘由六个夹瓶口组成，用于夹紧输液瓶口。推针模块由定位销和针头卡扣组成，在推针模块上安装有液位传感器用于检测液体有无；在茂菲氏管处设置红外传感器用于监测输液滴数；当输液完毕，或茂菲氏管中液滴间隔时间过长时，推针模块完成拔退动作，停止输液。止液模块也是由卡停模块和电机组成，液位传感器监测到输液瓶内没有液体流出后，反馈信号给处理器，处理器驱动电机推动转盘，借助推针模块拔－推动作，完成自动换瓶。在前一瓶药液输液的同时，下一瓶药液通过消毒模块（紫外线灯）完成输液瓶口持续性的消毒工作，确保输液瓶口处于无菌状态。需要时，在输液过程中可通过温度传感器实时监测液体温度，所输液体在设定温度范围内可实现持续加热。直至最后一瓶药液输完，止液模块卡住输液管，从而达到止液的目的，同时能够防止回血，完成此次输液。

2.注意事项

二、产品功能与工作原理

1.产品功能

1.1 自动换瓶功能

当液位监测器监测到前一瓶药液输液完毕，同时茂菲氏管处的红外传感器监测到滴液间隔时间过长，处理器发出指令，推针模块执行拔退动作，转盘开始顺时针旋转，下一瓶药液准备到位，推针模块再次执行推进动作，连通输液瓶、输液管与人体之间的通路，从而实现整个自动换瓶功能。

1.2 自动止液功能

通过输液前准备，护士手动输入输液瓶数，当最后一瓶药液输液完毕，推针模块停止执行拔－推动作，同时转盘也不再执行旋转运动，液位传感器与滴数传感器共同监测余量，止液模块夹闭输液管，实现自动止液功能。

1.3 安全输液功能

能够借助红外传感器监测滴数，通过控速防止出现输液过快或是过慢的情况；通过温度传感器和加热模块，实现对液体温度的监控，同时完成设定温度范围内的加热功能；可以设置单瓶冲管或者是双瓶冲管，用等渗盐水将导管内残留的药液冲入血管，避免刺激局部血管，并减少药物之间的配伍禁忌；在切换液体、输液结束、设备故障等情况下，产品通过蜂鸣器发出不同提示音或是警报声，确保输液安全[2]。

2.工作原理

2.1 智能换瓶

整个控制单元由STM32芯片、电机驱动电路、显示电路、声光报警电路、传感电路5个部分组成。控制单元的电源采用36v，STM32芯片采用带 A/D转换的超低功耗单片机以降低控制单元的功耗和保证控制功能的实现[3]。开启电源开关进行开机初始化后，由液位传感器先检测瓶内药液是否满足工作要求，通过护理工作人员手动设定输液顺序。检测完成后，返回信号到STM32芯片，再由芯片输出信号控制步进电机运转，驱动齿轮传动机构控制转盘转动；另外芯片还会输出信号到推针模块的步进电机，由步进电机带动推针模块上下拔—推运动。输液时，推针模块处的LED指示灯亮，表示有药液通过。第一瓶输液完成后通过液位传感器把信号反馈到STM32芯片，输出信号控制步进电机运转更换下一瓶。全部药液输液完成后，STM32芯片发出提示信号通知医护人员即时处理。

2.2 机械传动模块

机械传动模块主要包括步进电机、电机到位开关、齿轮传动机构3部分组成。Stm32芯片发出电机运行信号后驱动步进电机运转，运行齿轮传动机构，带动固定的药瓶转动，驱动齿轮有6个相位差60°的反馈点，当驱动齿轮旋转60°后限位开关打开，stm32芯片收到反馈信号后停止电机运转。当全部输液完成后，步进电机返回到原始状态。

2.3 液滴监测与控速模块

借助红外发光二极管所发出的红外光线，透过茂菲氏管中的液滴照射到光敏三极管，光敏三极管将接收到的光信号转变成电流输出[4]。当茂菲氏管中没有液滴通过时，光线直接照射到光敏三极管，输出比较强的光电流。当茂菲氏管中有液滴通过时，由于液滴对光线有吸收和散射作用，照射到光敏三极管的光信号比较弱，产生一个相对较弱的光电流。通过监测光敏三极管输出电流之差，检测有无液滴通过；从而实现滴数监测的功能。

当单片机监测到输液实时滴数与预设值有偏差时，则执行相应的控制算法，通过步进电机控制输液管的松紧来调节输液速度，当输液的速度高于护理人员手动设置的预定数值时，电机正向转动以压紧输液管从而降低滴速，使之保持在要求的控制范围之内；反之，当输液速度低于预设值时，电机反向转动以放松对输液管的压力从而增加滴速；从而达到调速与控速的目的[5]。

图1 滴速监测示意图

2.4 液温监测与加热模块

液温监测与加热模块由STM32芯片、新型材料石墨烯、电阻、MOS管以及三极管组成[6]。在输液治疗过程中，药液流动速度十分缓慢。为了减少热量在药液输送过程中的丢失，本产品将加热模块设计在主机与输液管最后分离处，尽可能地减少热量损耗。即借助低功耗STM32芯片的智能控制，通过温度传感器实时监测液体温度并发送指令，接收指令后与预设温度相匹配，若低于预设温度范围，则执行加热指令。根据治疗当时气候温度、原本所输药液的温度以及输液治疗的要求等因素，对液温进行升降调节，实现温度实时可控并且能够达到恒温。同时，本装置为加热模块单独设立开关键，在不需要加热的情况下（季节、天气影响或药物本身的特性等因素），可通过关闭加热开关断开加热系统。

三、产品优势

功能丰富：本产品集自动换瓶与消毒、滴数监测与控速、液位监测与自动止液、液温监测与加热、手动切换与报警提示等功能于一体，智能化程度高，能够根据治疗方案满足多种不同需求的静脉输液操作。

操作简便：只需完成一次静脉输液“三查七对”信息核查，通过主机提示按流程设置相应指令，即可实现多瓶（至多6瓶）液体的自动换瓶动作。简单易懂，一步到位。

安全可靠：本产品具有开机自检功能，同时提供两种供电方式。在紧急停电的情况下，可直接通过可拆卸式蓄电池供电（供电时间长达12个小时）。供电中断启动停电保护功能，能够触发蜂鸣器播报提示音，以便提醒护理工作人员及时处理，对整个静脉输液过程不会造成任何不良影响。

四、社会效应

通过自动换瓶的功能，减轻了护理人员需要时刻关注输液进度带来的心理压力，同时节省了往返于护士站与病房之间的时间和精力，对于夜间护士来说，大大降低了劳动强度。原本碎片化的时间可以集中起来从事其他重要的工作，有利于提高护理服务的质量。本产品运用在集中输液室更能发挥优势，提高工作效率。

输液是一项非常严谨的护理操作，在每次输液、换瓶前都需要进行严格的“三查八对”，每换一次输液瓶就需要核对一次信息，当护理人员产生疲劳与倦怠时，就容易发生差错。使用本产品，只需要在输液准备时，严格执行一次“三查七对”，手动设置相关参数即可，减少了人为因素所导致的输液安全事故的出现。

减少了患者按呼叫铃或是呼喊护士的次数，只有最后一瓶输液完毕需要拔针时呼叫护士。避免了因护士无法及时到达病房处理换瓶操作所引发的护患矛盾，同时又降低了病房嘈杂吵闹的概率，保障了病区安静宁心的疗养环境。

自动止液功能，解放了患者与陪护人员的注意力，无须时刻监护输液进度，即使输液完毕，也能防止空气进入血管以及回血的发生，大大提高了输液安全性。在输液过程中患者与陪护人员可以休息娱乐，缓解了焦虑等负面情绪，对促进患者心理护理，保持愉悦心情起到了积极作用。

通过预设理想的温度范围，在气温较低的环境下，可对所输液体实施温度监测并实现持续加温。有效减轻患者在低温环境下输液特别是大量补液时所产生的不适感，更能降低患者输液部位发冷、疼痛甚至发生静脉炎的风险。

适用性广。经过反复实验， 本产品工作稳定可靠 ，可用于各级各类医院、诊所、疗养院等，也可用于医疗机构中的住院病房、门（急）诊室和手术（抢救）室， 安全便捷、易于操作， 能切实有效地减轻患者的心理负担并有助于护士进行输液管理。

五、市场需求预测

数据显示，2013年全国输液量达到108亿瓶，中国平均每人一年输液高达8瓶，输液费占门诊医疗费逾四成。自2019年12月至今，输液量出现剧增，由此可见，中国不仅仅是人口大国、医疗大国，更是输液大国。根据市场需求来分析，从医院角度：能减轻护患矛盾产生的风险，能降低输液安全事故的发生，能增强护理人员的工作稳定性，有利于护理团队高质量发展；从护理人员角度：能减轻劳动强度，能缓解工作压力，更好地兼顾事业与家庭，能延长护理职业生涯；从患者角度：患者及陪护人员无须时刻关注输液进展，能减轻焦虑情绪，有助于疾病痊愈与身心恢复。对于三方来说，本产品都将受到欢迎，具有极大的临床推广价值。