一种智能加温加压输液装置的设计与研发

2023-10-19贾瑶姜雪刘媛媛李思彤

中国医疗设备 2023年10期

贾瑶，姜雪，刘媛媛，李思彤

空军军医大学第二附属医院神经外科，陕西西安 710038

引言

当机体发生严重创伤时，为预防休克，以及为后续救治提供保障，需在第一救护阶梯和转运途中及时进行液体补充，以增加循环血量，挽救伤员生命，而静脉输液是临床工作中最常用的治疗操作之一[1-2]。有研究表明，持续输入低温液体或快速大量补液会增加低体温发生风险，导致伤员救治成功率明显降低[3-4]，由此可见，抢救伤员时对液体进行加温加压尤为重要。现阶段，临床应用的加温和加压输液装置使用时需连接电源，设备体积较大，无法适应战时或野外救治需求，且这两种装置未实现一体化，不能同时满足加压和加温要求。

目前战时或野外救治时常用的输液方式主要是将输液袋悬挂在输液架或用手举高，依靠液体重力和大气压力为动力进行输注[5]，输注过程易被复杂救助环境破坏，如颠簸易造成气泡进入人体，发生空气栓塞的危险，因此便携式加压输液装置在救治过程中的作用日益凸显。当前加压输液时常采用蠕动泵挤压输液管路完成液体的输注，操作较繁琐[6]。国内已有新型加温加压输液装置设计的报道，该类装置加温、加压的原理均为通过挤压充气囊提供压力，采用外接电源的方式对输液袋加温[7]；国外也有类似新型输液装置设计研发的应用报道，包括便于行走的可穿戴静脉输液装置[8]、快速多腔液体输注装置[9]、新型碳纳米管输注装置[10]等，但这些输液装置均未实现加温加压一体化。输液泵智能化程度高，虽然可实现急救时液体快速输注和对特殊患者进行低速精确输液的要求，但其体积、重量、功耗均较大，部分自带充电电池一次充电使用时间太短（≤1 h）[11]。以上装置在野外急救的使用上存在一定的局限性，无法满足野外、创伤事故现场救治的需求。因此，战时或野外急救快速补液并对液体加温加压具有重要临床价值[12-13]。为解决伤员低体温及快速补充循环血容量的问题，本研究拟研发一款新型智能加温加压输液装置，以实现体积小、方便携带、无须提高液面高度、有效防止空气栓塞、持续加温加压及动态监测液体剩余量等功能。

1 智能加温加压输液装置的设计思路

1.1 装置结构

本研究设计的智能加温加压装置包括囊袋和控制盒两部分。囊袋由内向外依次为内里层、气囊层和防水层；控制盒内设温度处理器、压力处理器、电源装置及报警装置。智能加温加压输液装置整体外观结构如图1 所示。

图1 智能加温加压输液装置结构图

1.2 工作原理

1.2.1 囊袋

囊袋由内向外依次为内里层、气囊层和防水层，其中内里层设电加热片，与控制盒内的温度传感器相连，用于输注液体的加温；气囊层与控制盒内的压力传感器相连，用于对输注液体的加压；囊袋外设计将输液管的墨菲氏滴壶置于始终保持液面垂直的低重心装置，从而防止空气进入（图2）。

图2 囊袋三层结构

1.2.2 控制盒

控制盒内设温度处理器、压力处理器、电源装置及报警装置4 个部分（图3）：① 温度处理器可以将电能转换成热能，满足对囊袋的持续恒定加温。温度控制采用比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器闭环控制模式，PID 控制器是控制应用中常见的反馈回路部件，即闭环控制要求，可不断将低温环境中液体温度的实际值反馈给变频器，变频器将设定值（如37℃）与实际值进行比较，并将比较的结果转化为指令，下达给MCU，MCU 每次通过采集过滤算出测量温度值，测量温度值每100 ms 进行1 次温度的比较。当温度接近于设定的时候，就会降低加热功率，直到它温度达到，当温度超过的时候就会停止加热，直到设定值与实际值完全相符，从而保证液体输注过程中的最高温度为37℃，并持续加温。② 压力处理器可以将电能转换成机械能，满足对囊袋的加压。设定控制盒上的压力范围为150～300 mmHg，通过按压压力控制按钮和压力大小调节按钮进行选定，外界气体通过阀门、气管到达囊袋的气囊层，液体的流速可由气囊层充气加压的高、低进行调节，待输液结束后将气阀门按下，气阀即打开放气，将气囊层的气体排出。③ 电源装置带有蓄电功能，可储存8～10 h 的电量，满足野外救护。在产品设计时，首先选用低功耗的中央处理器（芯片），其次整体电路设计、软件设计等均要降低功耗，同时选用容量较大的锂电池，例如，容量在6000～8000 mAh 的锂电池，来保障能够野外使用8～10 h 的蓄电量，电池可反复充电备用。④ 报警装置，可通过囊袋内里层的红外线探头，感应输液袋内液体的剩余量并报警。

图3 控制盒组成示意图

2 智能加温加压输液装置测试结果

2.1 加热处理器测试

在使用囊袋加热时，发现加温效果较差，加热速度慢，虽然已加热到指定温度，液体经过输液管道（长约1 m）到达针头时，已经丢失热量。故对加热装置进行优化，设计加热模块，并将其位置调整至输液管下端靠近针头位置，输液管缠绕至加热模块上，增加缠绕圈数使加热面积增大来提升效果，加热模块的材料为镍铬合金加热丝，其热转换效率高。但应注意在极寒情况需要将输液袋和输液管进行保暖，避免暴露形成冰冻，测试结果如表1 所示。

表1 加热处理器测试结果

2.2 压力处理器测试

模数转换寄存器（Analog-to-Digital Converter，ADC）参数配置为0x04，根据实测数据推出转换公式。最终转换测试公式为：压力值=（ADC 值-22395.21f）/156.3489f，使用该公式进行测试：压力值实测误差＜1 mmHg。应用高空低压试验箱对压力处理器进行测试，测试结果如表2所示，结果表明大气压强对囊袋的加压无明显影响。

表2 压力处理器测试结果

2.3 电源装置测试

利用分容柜对电池进行充放电测试，获取记录数据，根据实际容量值对应的电压生成关系表。在充电和放电状态下，由于相同电流时电压值有所不同，设计程序时根据是否充电的状态来选择需要转换的对应表格。产品的续航标准为常温25℃环境的标准测试结果，续航时间为8 h。在极寒情况下续航会有所下降。本设备电池为特种电池（宽温域型），放电温度范围为-20～80℃。在电量充足，压力150 mmHg，温度40℃，滴速40 滴/min 的条件下进行放电测试；在设备放电到空，关机状态下进行充电测试，测试结果如表3 所示。

2.4 液位报警装置测试

最初使用环境光传感器，利用传感器的测距功能来探测输液袋的厚度变化，但在实际使用过程中，输液袋在囊袋中的位置不同，造成测量结果偏差较大，故对检测方式进行优化：使用压力值的变化间隔来间接检测输液袋容量是否为空，但在实际测试过程中当输液滴速低于30 滴/min 的情况下，压力变化太小无法精细检测，从而造成误报警；另外如果输液袋存在气体，气体的容量会被当成液体的容量，导致不能及时报警。最后采用差分电容检测方式，用液位检测模块的电极片接触输液管，当输液管内的液体发生变化时电容值会随之变化，从而主控制器能做出准确判断是否报警，液位检测模块需要夹在滴壶上端。

3 智能加温加压输液装置的操作方法及注意事项

3.1 操作方法

如图4～5 所示，长按“ON/OFF”按键3 s，屏幕亮，绿灯亮，启动设备；调节温度时，按“温度+”“温度-”，温度栏设定值会跟随加减目标温度值，长按“温度+”“温度-”按键，实现快速更改数值，将靠近针头的输液管缠绕在加热模块上，缠绕圈数越多，加热效果越好。当温度值设定低于33℃，屏幕显示“--”，表示关闭加温功能。调节压力时，按“压力+”“压力-”，压力栏设定值会跟随加减目标压力值，长按“压力+”“压力-”按键实现快速更改数值（压力单位：mmHg）。

图4 操作面板

图5 显示信息

设定好需要的工作温度和压力后，按“启动”键，设备开始运行；输液完成后按“停止”键，设备停止加压、加温控制，进入待机状态。在待机状态下，按“消音”键，打开泄压阀，囊袋开始放气，再按“消音”键，可以停止放气。当实时压力值为0 mmHg 时，30 s 后会自动关闭泄压阀，方便人工排出剩余的气体。将检测模块夹在滴壶上方，按启动键开启工作后，液位报警会校准一次，当液体流动状态发生改变，设备会发出警报（如果调整点滴速度，应在调整后按下检测模块上的按键，进行重新校准，以免误触发报警）；当存在异常状态时，蜂鸣器会发声告警。该状态下按“消音”键，设备会静音，屏幕状态栏显示“静音”图标。再次按键会解除静音（待机模式下只有低电量告警时，“消音键”可以生效）；关闭设备时，长按“ON/OFF”按键3 s，屏幕灭，绿灯灭；最后，设备通过USB 线进行充电，充电时，充电图标会动态显示，充满时，图标为满电状态[设备采用type-C USB 线充电，使用5V 2A（10 W）以上的充电器进行充电]。

3.2 注意事项

应注意以下内容：① 使用适合的电源适配器进行充电；② 使用前检查囊袋和管道有无漏气，以免影响气密性造成设备工作异常；③ 严禁使用本设备的人员私自拆除修理本设备，如果检测设备故障，应立即停止操作并关闭设备，联系厂家进行处理；④ 如果需要离开工作场所，请断开电源并关闭设备，不要让设备在无人看管的情况下运行；⑤ 请勿在腐蚀性环境中使用本设备，腐蚀性物质会破坏绝缘层，从而导致设备故障；⑥ 不要对控制按钮和设备屏幕施加过大的力；⑦ 避免碰撞或跌落导致设备损坏；⑧ 禁止儿童靠近本设备，以免伤害他人或使本设备失灵。

4 讨论

本研究研发的智能加温加压输液装置包含囊袋和控制器两部分，控制器属于核心结构，其中温度处理器可以将电能转换成热能，满足对囊袋的加温；压力处理器可以将电能转换成机械能，满足对囊袋的加压；电源装置带有蓄电功能，可储存8～10 h 的电量，满足野外急救现场救护；报警装置可通过囊袋内里层的红外线探头，感应输液袋内液体剩余量并报警。在战时或野外现场救护时，可将输液袋置于囊袋内固定，同时将囊袋固定于伤员肢体或转运装置安全带上，将墨菲式滴壶固定于低重心装置内。使用时，通过按压控制盒上的温度按钮，完成对囊袋的加温，最高温度为37℃，并可根据输注药物的性质调整相应的温度；按压控制盒上的压力按钮，完成对囊袋的充气，根据液体的速度要求，调整相应的压力范围（150～300 mmHg），以满足急救现场救护需求，这与国外研发的加温加压输液装置临床性能和安全效果一致[14]。

传统的液体复苏主要依赖于口服补液和静脉补液，在难以建立静脉通路时可以考虑骨髓内输液。在战时或野外救治条件下，迅速建立有效的静脉通路对维持组织灌注，确保伤员生命安全至关重要[15]。因此，对外伤导致的失血、脱水伤员，为预防休克发生，在战时或野外救护守则中均要求在第一救护阶梯和后送途中能对其快速补充液体，以尽早恢复循环血量，使伤员得到充分复苏，挽救伤员生命。据统计，有50%的一线重症伤员在得到救治前均需要快速补液[16]，多达66%的创伤伤员存在一定程度的低体温（＜36℃），80%以上的死亡伤员体温低于34℃[17]，发生中、重度低体温可使伤员病死率增加3倍，是伤员死亡的重要危险因素之一[18-19]。因此在创伤救治的预防理念中，早期的保温复温尤为重要[20]。治疗措施包括最大限度地减少创伤人员的体表暴露，在条件允许的情况下，可使用防护装置，并尽快将伤员置于隔热表面上；如需静脉注射液体，应首选温暖的液体。在转运过程中，除救治阶段的必要措施外，还应强调使用便携式加温输液泵，加温所有的静脉注射液体。目前该装置性能测试已得到有效验证，在通过伦理和患者知情的情况下，下一步还需应用于战时或野外救治现场，验证其可靠性和安全性，进而实现研发转化的目的。