張 朋 宋 莉 郭文松 閆 娟 馬千里 孫傳才

雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備的設(shè)計(jì)*

張 朋①宋 莉②*郭文松①閆 娟①馬千里①孫傳才①

目的：設(shè)計(jì)一種新型雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備，介紹各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，以方便輸液患者任意行動(dòng)。方法：通過移動(dòng)底盤、雙肩背帶、藥瓶垂直檢測系統(tǒng)以及藥液自動(dòng)斷液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合人體機(jī)制原理與電子機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行三維仿真，設(shè)計(jì)出可隨患者攜帶外出的輸液裝備。結(jié)果：設(shè)計(jì)的輸液裝備舒適且配帶拆卸方便，采用藥瓶垂直檢測和藥液自動(dòng)斷液兩個(gè)系統(tǒng)，確保了患者外出活動(dòng)的安全。結(jié)論：裝備結(jié)構(gòu)簡單、成本低，輸液患者可坐在椅子上輕便快捷的完成裝備的配帶與存放。

雙肩背式；移動(dòng)底盤；藥瓶垂直檢測系統(tǒng)；藥液自動(dòng)斷液系統(tǒng)

[First-author’s address] College of Radiology, Taishan Medical University, Taian 271016, China.

輸液患者是醫(yī)院和各衛(wèi)生室診治的主要人群，由于其人數(shù)眾多、輸液地點(diǎn)較集中以及輸液時(shí)間不等而造成輸液過程中患者換藥液、去衛(wèi)生間等不便。為此，本研究在確保輸液患者舒適、安全的基礎(chǔ)上開發(fā)一套便于其行動(dòng)的裝備，使患者在整個(gè)輸液過程中可獨(dú)自輕易完成輸液裝備的裝帶與存放，同時(shí)采用藥瓶垂直檢測和藥液自動(dòng)斷液兩個(gè)系統(tǒng)，可使輸液患者在輸液期間任意行動(dòng)。

1 雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備系統(tǒng)功能

裝備設(shè)計(jì)以人性化、便攜性為出發(fā)點(diǎn)，立足于輸液患者的舒適性和安全性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套雙肩背式輸液裝備，使患者在輸液過程中需要外出活動(dòng)時(shí)不必手舉藥瓶，只需單手固定好雙肩背帶，調(diào)節(jié)好松緊度后安裝上吊瓶，直接站立即可進(jìn)行外出活動(dòng)。待外出活動(dòng)完畢，只需坐在配有取放底盤的椅子上，裝備便可穩(wěn)定放置在靠椅上，以便下位患者使用。該裝備可減少輸液患者對他人的依賴(如圖1所示)。

圖1 雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備三維仿真設(shè)計(jì)圖

2 雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備由雙肩背架、可移動(dòng)底盤、藥瓶垂直檢測系統(tǒng)、藥液自動(dòng)斷液系統(tǒng)以及自動(dòng)斷液裝置組成。

2.1 雙肩背架

雙肩背架解決了輸液患者外出活動(dòng)不方便的問題。雙肩背帶松緊可調(diào)，適合不同體型的患者穿戴，兩個(gè)背帶配有插頭可與底部插槽靈活對接，患者可獨(dú)自完成裝備的配帶，同時(shí)還配有橫向保護(hù)帶，以確保藥瓶穩(wěn)定安全。藥瓶卡槽側(cè)面開有5 cm寬的走線、視線口，以便藥瓶能夠便捷地放入卡槽中，且輸液過程中患者可觀測到藥液的剩余量。

2.2 可移動(dòng)底盤

移動(dòng)底盤安裝在有靠背的椅子上，便于肩背輸液架的存放，兩側(cè)為固定繃帶，可拆卸移動(dòng)。內(nèi)設(shè)與背架上鐵板配對的磁鐵塊，是雙肩背架可移動(dòng)存放的基礎(chǔ)。輸液患者只需坐在椅子上即可輕便快捷地完成裝備的配帶與存放。配帶完成后即可進(jìn)行外出活動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)結(jié)束，輸液患者帶著裝備坐向帶有移動(dòng)底盤的椅子，裝備便自然原樣存放在座椅上，以便下位患者的使用。該裝備不需要特殊的固定地點(diǎn)，只需一把有靠背的椅子，便可與傳統(tǒng)輸液架一樣固定使用。

2.3 藥瓶垂直檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)使用傾角傳感器模塊進(jìn)行藥瓶傾斜的角度測量、報(bào)警[1]。采用微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems，MEMS)高精度單軸傾角傳感器SCA103T-D04，使用測量范圍在±15o[2]。通過SPI數(shù)字接口輸出11位二進(jìn)制加速度數(shù)值，實(shí)時(shí)監(jiān)測藥瓶的傾斜角度，一旦傾斜角度過大則會實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信號[3-4]。需要注意的是傳感器的傳感元件在測量時(shí)需要與測量平臺保持平行，且傳感器雙軸需相互垂直，解決了患者背著藥瓶外出活動(dòng)時(shí)藥瓶隨身體傾斜而傾斜的問題[5]。該系統(tǒng)使整個(gè)輸液過程中藥瓶口始終保持豎直向下，從而藥液可以均勻流暢滴注(如圖2所示)。

圖2 藥瓶垂直檢測系統(tǒng)三維仿真圖

2.4 藥液自動(dòng)斷液系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、蝸輪蝸桿裝置、夾斷裝置以及彈簧等原件組成[6-7]。藥液滴盡后檢查裝置檢測到的夾斷信號控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)控制傳動(dòng)裝置帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，從而夾斷桿控制閥下移，這時(shí)彈簧由壓縮狀態(tài)恢復(fù)原狀時(shí)帶動(dòng)夾斷裝置鐵芯彈出，彈出的鐵芯在彈簧恢復(fù)力的作用下緊壓輸液管，實(shí)現(xiàn)了液體自動(dòng)斷流。如輸液患者外出未能意識到藥液即將滴盡或來不及回到輸液地點(diǎn)，該系統(tǒng)可提前暫停輸液，確保患者的治療安全(如圖3所示)。

圖3 自動(dòng)斷液裝置整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維仿真圖

3 藥液滴盡檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

輸液設(shè)備的藥液滴盡檢測裝置采用紅外對管，在藥瓶口處對藥液剩余量進(jìn)行監(jiān)測[8-9]。發(fā)光二極管正向偏置發(fā)出紅外光，光線透過藥水照射到光電三級管上，光電三級管將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出[10-12]。由于藥液對紅外光的吸收和散射作用，當(dāng)藥瓶里有藥液時(shí)光電三級管接收到的光信號比較弱，輸出的電流相應(yīng)較弱，反之則輸出電流較強(qiáng)[13](如圖4所示)。

圖4 藥液滴盡檢測示意圖

3.2 電路設(shè)計(jì)

紅外發(fā)光二級管(D)發(fā)出的光線穿過藥瓶口照射到光電三極管(T)上[14]。設(shè)瓶內(nèi)有藥液時(shí)光電管T感應(yīng)出的集電極[12]電流為A1，與之對應(yīng)的比例運(yùn)算放大器A的反向輸入電壓為公式1：

無藥液時(shí)感應(yīng)電流為A2，則為公式2：

可變電阻器Rx與電阻Rz串聯(lián)分壓[15]，與之對應(yīng)的比例運(yùn)算放大器正向輸入電壓為公式3：

圖5 藥液滴盡檢測系統(tǒng)電路圖

比例運(yùn)算放大器A的輸出電壓為公式4：

合理設(shè)計(jì)Rx與Rz的比值，使U1＜Uz＜U2。代入為公式3可知：藥瓶中有藥液時(shí)Uo為正值，二極管D2導(dǎo)通，藥液夾斷裝置的直流電機(jī)不工作；藥瓶中無藥液時(shí)Uo為負(fù)值，二極管D2截止，藥液夾斷裝置的直流電機(jī)工作(如圖5所示)。

4 雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備可行性分析

該輸液裝備尤其適合患兒輸液使用，可使陪護(hù)人員輕松、安全地幫助輸液患兒完成輸液的全過程。由于患兒活潑好動(dòng)，輸液過程中需要去衛(wèi)生間，陪護(hù)人員長時(shí)間托舉藥瓶既不方便又不安全，而使用該裝備可以解放雙手，陪伴患兒外出活動(dòng)。同時(shí)該輸液裝備結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，各級醫(yī)院的集中輸液室可配備2～5套，且固定在有靠背的椅子上，以便患者外出時(shí)使用。該輸液裝備于2012年8月榮獲山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽二等獎(jiǎng)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)制作的雙肩背式自動(dòng)斷液輸液裝備的總體框架、各個(gè)系統(tǒng)及各具體功能模塊的工作流程以及設(shè)計(jì)方案，在充分利用藥液滴盡檢測系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上采用紅外對管，在藥瓶口處對藥水剩余量進(jìn)行監(jiān)測，其精確度高，并及時(shí)將監(jiān)測結(jié)果傳輸于自動(dòng)斷液系統(tǒng)，由直流電機(jī)、蝸輪蝸桿裝置、夾斷裝置以及彈簧等原件配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷液功能。通過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地報(bào)警和自動(dòng)斷液，誤報(bào)率低，值得在各級醫(yī)院臨床推廣使用。

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Practical design of backpack transfusion equipment with automatic pinch-off device/

ZHANG Peng, SONG Li, GUO Wen-song, et al// China Medical Equipment,2015,12(4):15-17.

Objective: To solve the problem that patients who are transfusing can’t move at random, this article introduces a design of backpack transfusion equipment with automatic pinchoff device and the implement methods of each function module. Methods: Via a movable underpan, two straps, the detection system of perpendicular medicine bottle, the design of a automatic pinch-off system, combining the man-machine principles and electromechanical design, we modeled a 3D simulation system. At last, we designed this portable transfusion device. Results: The equipment is comfortable and is convenient to wear and dismantle. And the use of two systems (the system that ensure medicine bottle perpendicular to the ground and automatic pinch-off system) ensure the security when patients are out. Conclusion: The structure and cost of this equipment is simple and low. It is convenient for patients sitting in the chair to assemble and place the equipment. Hospitals in each region can provide this equipment according to patient’s condition to arrange patients.

Backpack; Movable under-pan; The detection system of perpendicular bottle; Automatic pinch-off system

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.005

1672-8270(2015)04-0015-03

R197.39

A

張朋,男,(1990- ),本科學(xué)歷。泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

2014-03-25

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201310439016)“人性化便攜肩背式輸液架”

①泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院 山東 泰安 271016

②泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程教研室 山東 泰安 271016

*通訊作者:songlikjd@163.com