蔡 莉　李 菲　周衛(wèi)華　張志強(qiáng)

醫(yī)用輸液泵液體輸送動(dòng)力學(xué)與流速校準(zhǔn)及計(jì)量方法研究

蔡 莉①李 菲①周衛(wèi)華①?gòu)堉緩?qiáng)②*

醫(yī)用輸液泵因能夠準(zhǔn)確控制液體流速，液流線(xiàn)性度良好，不產(chǎn)生脈沖，故主要用于大容量和較高流速的靜脈常規(guī)輸液，以確保藥液能夠速率均勻、藥量精準(zhǔn)、長(zhǎng)時(shí)間安全地進(jìn)人體。完成此功能的執(zhí)行機(jī)件是動(dòng)力泵，指狀蠕動(dòng)泵因其體積小、重量輕，定量準(zhǔn)確，是目前輸液泵廣泛采用的液體輸送動(dòng)力泵。通過(guò)分析全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵和半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)輸液泵在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入探討，從而重視對(duì)輸液泵輸注速率和計(jì)量作定期校準(zhǔn)，以保證輸液泵輸注安全可靠。

指狀蠕動(dòng)；線(xiàn)性度；擠壓；校準(zhǔn)；計(jì)量

［First-author's address］ Department of Nuclear Medicine， General Hospital of Chinese People’s Armed Police Force， Beijing 100039， China.

臨床上根據(jù)藥物性質(zhì)和患者體況，靜脈輸液中要控制適當(dāng)?shù)妮斠核俾?，液速過(guò)快，可能引發(fā)中毒，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致水腫或心力衰竭；液速過(guò)慢，則可能發(fā)生藥量不足和拖延輸液時(shí)間以致影響治療效果。因此，要求醫(yī)用輸液泵能夠準(zhǔn)確控制液體流速，液流線(xiàn)性度良好，不產(chǎn)生脈沖，確保藥液能夠速率均勻、藥量精準(zhǔn)及長(zhǎng)時(shí)間安全地進(jìn)人體，并能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)輸液管路的氣泡、空液、漏液以及阻塞等異常及時(shí)報(bào)警［1-3］。臨床中用于大容量和較高流速的靜脈常規(guī)輸液，最低流速可以控制在1 ml/h、精度為±5%，單次給藥量能達(dá)到9999 ml［4］。輸液泵臨床應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)管理引發(fā)人們的廣泛注意，美國(guó)醫(yī)療器械評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)（ECRI）每年發(fā)布的“10大病人安全問(wèn)題”中均列有“輸液泵問(wèn)題”。因此，加強(qiáng)輸液泵的質(zhì)量控制管理是一重要課題。

1　輸液泵工作原理及輸送動(dòng)力學(xué)

醫(yī)用輸液泵主要由微機(jī)系統(tǒng)、流量泵、監(jiān)測(cè)裝置、報(bào)警裝置、輸入及顯示裝置組成［5］。流量泵是輸液泵的液體動(dòng)力源，采用蠕動(dòng)式結(jié)構(gòu)，按動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)形式，可分為指狀蠕動(dòng)泵、盤(pán)狀蠕動(dòng)泵及彈性蠕動(dòng)泵等。

1.1指狀蠕動(dòng)泵

指狀蠕動(dòng)泵也稱(chēng)為線(xiàn)性蠕動(dòng)泵，其體積小、重量輕、定量準(zhǔn)確以及輸液管安裝方便，是目前輸液泵主流的液體動(dòng)力泵結(jié)構(gòu)［6］。指狀蠕動(dòng)泵的關(guān)鍵機(jī)件是凸輪軸，由具有一定間隔距離的多個(gè)凸輪（通常為12個(gè)）組成，其中的各凸輪在軸線(xiàn)上都相差設(shè)定的角度。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪驅(qū)使葉片（相當(dāng)于手指）按照一定順序和規(guī)律垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如同波浪一樣依次擠壓輸液管，使輸液管中的液體以一定的速度定向流動(dòng)［7］（如圖1所示）。順序，由此可以確定輸液管的液體流向。同理，凸輪軸轉(zhuǎn)速能確定液體的流速，因此通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖即可調(diào)節(jié)凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速率和總量的精準(zhǔn)控制。在輸液管內(nèi)徑一定的情況下，液體流動(dòng)速度主要與凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，目前由指狀蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的輸液泵其精度可達(dá)數(shù)ml/h。

圖1　指狀蠕動(dòng)泵原理示意圖凸輪軸的旋轉(zhuǎn)方向能決定凸輪擠壓輸液管的先后

指狀蠕動(dòng)泵可根據(jù)用途分為全擠壓式和半擠壓式，全擠壓式與半擠壓式的主要區(qū)別在于擠壓輸液管的最小間隙和驅(qū)動(dòng)方式［8］。

（1）全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵。全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵在擠壓區(qū)內(nèi)，其輸液管路的每一處都要依次被完全擠壓至斷流狀態(tài)［9］（如圖2所示）。

圖2　全擠壓狀態(tài)示意圖

為滿(mǎn)足全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵輸出的液體脈動(dòng)度和線(xiàn)性度，通常要在凸輪軸上選用12個(gè)凸輪，其中每個(gè)相鄰?fù)馆喌南辔徊顬?0o，并使泵片順次達(dá)最低點(diǎn)。因此，每一擠壓液體周期的曲線(xiàn)類(lèi)似正弦波，可明顯改善液體輸出的線(xiàn)性度，其脈動(dòng)也較?。?0］。

全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵的特點(diǎn)是，每一個(gè)葉片都要依次將管路完全擠壓至夾斷狀態(tài)。由于強(qiáng)擠壓狀態(tài)下輸液管路的彈性容易被葉片損壞（壓扁），使得管路不能恢復(fù)到原有的管徑，會(huì)導(dǎo)致低流量時(shí)的液體供給精度下降。因而，若使用時(shí)間較長(zhǎng)，通?？梢宰儞Q一段蠕動(dòng)泵擠壓位置，以保證管路的彈性。全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵的優(yōu)點(diǎn)是輸液效率高、單個(gè)周期內(nèi)線(xiàn)性度較好；缺點(diǎn)是輸液不夠均勻［11］。

（2）半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵。半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵的凸輪軸上有4種凸輪，分別為尖頭的進(jìn)液閥凸輪和出液閥凸輪、平頂?shù)臄D壓凸輪和補(bǔ)償凸輪，這4種凸輪有各自的運(yùn)行軌跡和功能。進(jìn)液時(shí)，進(jìn)液閥A打開(kāi)、出液閥B關(guān)閉、擠壓葉片1、2、3、4上移，液體灌沖到輸液管路內(nèi)；出液時(shí)，進(jìn)液閥A關(guān)閉、出液閥B打開(kāi)、擠壓葉片1、2、3、4下壓（不到底），液體從輸液管路中流出。如此往復(fù)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使葉片按照一定順序和運(yùn)動(dòng)軌跡上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)擠壓彈性輸液管，輸液管中的液體會(huì)以一定的速度定向流動(dòng)［12］。半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵流速的控制較為精確，凸輪軸轉(zhuǎn)速與流速基本呈線(xiàn)性關(guān)系（如圖3所示）。

圖3　半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵示意圖

半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵的特點(diǎn)是，輸液管路不會(huì)完全擠壓，可以避免對(duì)輸液管路的藥液成份和葉片對(duì)輸液管路的破壞，另外此種蠕動(dòng)泵的流速也比較均勻；缺點(diǎn)是輸液效率減半，若需要達(dá)到與全擠壓式相同輸液速率，電機(jī)的轉(zhuǎn)速則要提高一倍［13］。

（3）彈性門(mén)。由于輸液管的品牌與規(guī)格不盡相同，其管徑也會(huì)存在一定的差異，為適應(yīng)各種輸液管壁厚的誤差，輸液泵在泵門(mén)上安置了彈性裝置［14］。輸液泵的艙門(mén)為彈性門(mén)，彈性門(mén)背面有一塊彈性壓板，其作用是通過(guò)彈性壓板與蠕動(dòng)泵的配合可以平穩(wěn)擠壓輸液管。由于彈性壓板由彈簧支撐，能夠適應(yīng)不同規(guī)格管徑的輸液管路。輸液泵的彈性門(mén)如圖4所示。

圖4　輸液泵彈性門(mén)示意圖

1.2盤(pán)狀蠕動(dòng)泵

盤(pán)狀蠕動(dòng)泵有圓弧形內(nèi)周面的泵殼和一個(gè)中心輪，中心輪的邊緣呈軸對(duì)稱(chēng)性分布安裝著數(shù)個(gè)可旋轉(zhuǎn)的擠壓輪，輸液管夾在擠壓輪和泵殼的圓弧形內(nèi)周面之間。蠕動(dòng)泵工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，中心輪通過(guò)擠壓輸液管帶動(dòng)其周?chē)臄D壓輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，中心輪如同“恒星”、擠壓輪類(lèi)似于“行星”，擠壓輪圍繞中心輪公轉(zhuǎn)，又繞自己軸線(xiàn)自轉(zhuǎn)［15］。幾個(gè)擠壓輪沿著中心輪順序擠壓輸液管，使液體按一定的方向流動(dòng)。由此可見(jiàn)，中心輪的旋轉(zhuǎn)方向決定液體的流向，轉(zhuǎn)動(dòng)速度與液體流速相關(guān)（如圖5所示）。

圖5　盤(pán)狀蠕動(dòng)泵示意圖

盤(pán)狀蠕動(dòng)泵的優(yōu)點(diǎn)是單位時(shí)間內(nèi)液體的流量較大，適合于大流量液體輸注場(chǎng)合，常用于血液透析機(jī)和體外循環(huán)系統(tǒng)。

2　輸液泵的流速校準(zhǔn)

輸液泵是精確靜脈輸注的專(zhuān)用醫(yī)療設(shè)備，其液體輸注速率的精準(zhǔn)性直接關(guān)系到輸液泵的使用安全，因此，輸液泵需要定期校準(zhǔn)或計(jì)量輸注速率。

2.1EP520輸液泵的流速校準(zhǔn)

校準(zhǔn)時(shí)，要在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，按住“1”鍵，同時(shí)開(kāi)機(jī)，聽(tīng)到一聲蜂鳴音，輸液泵通過(guò)自檢并進(jìn)入速率的校準(zhǔn)界面。將待測(cè)試的輸液器（醫(yī)院指定的）正確安裝在輸液泵上，排凈管內(nèi)空氣，輸液器末端放置一個(gè)量筒。按動(dòng)“啟動(dòng)/停止”鍵，啟動(dòng)輸液。當(dāng)量筒中液體到達(dá)10 ml刻度（或者專(zhuān)用量具標(biāo)線(xiàn)）時(shí)，再次按動(dòng)“啟動(dòng)/停止”鍵，即停止輸液，此時(shí)，速率校準(zhǔn)完成，輸液泵會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入正常工作界面（如圖6所示）。

圖6　EP520輸液泵流速校準(zhǔn)示意圖

2.2輸液泵的計(jì)量

輸液泵流率計(jì)量最常用的方法為稱(chēng)重法，稱(chēng)重法是用電子天平作校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量的方法［16］（如圖7所示）。

圖7　稱(chēng)重法示意圖

按圖連接校準(zhǔn)系統(tǒng)，注意要在量筒容器中先加入一定量溶液（容器應(yīng)加蓋，若無(wú)蓋時(shí)應(yīng)加入一定量的石蠟油以防蒸發(fā)），注射針應(yīng)在液面下，其中液面高度一般為（50±20）cm。這一方法由天平采集測(cè)試周期內(nèi)輸液泵輸出的總質(zhì)量，再將總質(zhì)量根據(jù)被測(cè)溶液的密度轉(zhuǎn)換為總體積，即容量。根據(jù)計(jì)量容積與測(cè)試周期的比值，與輸液泵的設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，從而計(jì)算最終的流速誤差［17］。

3　結(jié)語(yǔ)

全擠壓式指狀蠕動(dòng)泵和半擠壓式指狀蠕動(dòng)泵各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在輸液泵的使用中并無(wú)絕對(duì)優(yōu)劣之分，根據(jù)對(duì)性能側(cè)重點(diǎn)的不同而采用不同的指狀蠕動(dòng)泵，并都能夠精確長(zhǎng)時(shí)間地工作，確保輸液泵輸送藥液速率均勻、藥量精準(zhǔn)以及長(zhǎng)時(shí)間安全地進(jìn)人體，達(dá)到對(duì)患者最佳的治療效果，并通過(guò)定期校準(zhǔn)或計(jì)量輸注速率，保證輸液泵輸注安全可靠。

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The study of liquid delivery dynamics and flow rate calibration in medical infusion pump

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CAI Li， LI Fei， ZHOU Wei-hua，et al//
China Medical Equipment，2016，13（8）：136-138.

Medical infusion pump can control the liquid flow rate accurately due to the liquid flow good linearity， no pulse is generated， which is mainly used for large-capacity and high flow rate of a conventional intravenous infusion rate to ensure that the liquid can be uniformly accurate dose， safely into the human body for a long time. The mechanical power pump is the component of implementation. The finger peristaltic pump is currently widely used for liquid infusion power pump which is small， light and accurate. This paper gives a detailed analysis of works and structures of the whole squeeze finger peristaltic pump and half extrusion finger peristaltic pump. It gives a depth discussion of the features， calibration and measurement of flow rate.

Finger peristaltic； Linearity； Squeeze； Calibration； Measurement

1672-8270（2016）08-0136-03 ［中圖分類(lèi)號(hào)］R454.1

A

蔡莉，女，（1968- ），本科學(xué)歷，主管技師。武警總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，從事PET/CT操作與維護(hù)工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.043

①武警總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100039

②武警總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100039

zzq6116@126.com

2016-02-25