賈瑤，姜雪，劉媛媛，李思彤

空軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科，陜西 西安 710038

引言

當(dāng)機(jī)體發(fā)生嚴(yán)重創(chuàng)傷時(shí)，為預(yù)防休克，以及為后續(xù)救治提供保障，需在第一救護(hù)階梯和轉(zhuǎn)運(yùn)途中及時(shí)進(jìn)行液體補(bǔ)充，以增加循環(huán)血量，挽救傷員生命，而靜脈輸液是臨床工作中最常用的治療操作之一[1-2]。有研究表明，持續(xù)輸入低溫液體或快速大量補(bǔ)液會(huì)增加低體溫發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致傷員救治成功率明顯降低[3-4]，由此可見(jiàn)，搶救傷員時(shí)對(duì)液體進(jìn)行加溫加壓尤為重要?，F(xiàn)階段，臨床應(yīng)用的加溫和加壓輸液裝置使用時(shí)需連接電源，設(shè)備體積較大，無(wú)法適應(yīng)戰(zhàn)時(shí)或野外救治需求，且這兩種裝置未實(shí)現(xiàn)一體化，不能同時(shí)滿(mǎn)足加壓和加溫要求。

目前戰(zhàn)時(shí)或野外救治時(shí)常用的輸液方式主要是將輸液袋懸掛在輸液架或用手舉高，依靠液體重力和大氣壓力為動(dòng)力進(jìn)行輸注[5]，輸注過(guò)程易被復(fù)雜救助環(huán)境破壞，如顛簸易造成氣泡進(jìn)入人體，發(fā)生空氣栓塞的危險(xiǎn)，因此便攜式加壓輸液裝置在救治過(guò)程中的作用日益凸顯。當(dāng)前加壓輸液時(shí)常采用蠕動(dòng)泵擠壓輸液管路完成液體的輸注，操作較繁瑣[6]。國(guó)內(nèi)已有新型加溫加壓輸液裝置設(shè)計(jì)的報(bào)道，該類(lèi)裝置加溫、加壓的原理均為通過(guò)擠壓充氣囊提供壓力，采用外接電源的方式對(duì)輸液袋加溫[7]；國(guó)外也有類(lèi)似新型輸液裝置設(shè)計(jì)研發(fā)的應(yīng)用報(bào)道，包括便于行走的可穿戴靜脈輸液裝置[8]、快速多腔液體輸注裝置[9]、新型碳納米管輸注裝置[10]等，但這些輸液裝置均未實(shí)現(xiàn)加溫加壓一體化。輸液泵智能化程度高，雖然可實(shí)現(xiàn)急救時(shí)液體快速輸注和對(duì)特殊患者進(jìn)行低速精確輸液的要求，但其體積、重量、功耗均較大，部分自帶充電電池一次充電使用時(shí)間太短（≤1 h）[11]。以上裝置在野外急救的使用上存在一定的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足野外、創(chuàng)傷事故現(xiàn)場(chǎng)救治的需求。因此，戰(zhàn)時(shí)或野外急救快速補(bǔ)液并對(duì)液體加溫加壓具有重要臨床價(jià)值[12-13]。為解決傷員低體溫及快速補(bǔ)充循環(huán)血容量的問(wèn)題，本研究擬研發(fā)一款新型智能加溫加壓輸液裝置，以實(shí)現(xiàn)體積小、方便攜帶、無(wú)須提高液面高度、有效防止空氣栓塞、持續(xù)加溫加壓及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)液體剩余量等功能。

1 智能加溫加壓輸液裝置的設(shè)計(jì)思路

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的智能加溫加壓裝置包括囊袋和控制盒兩部分。囊袋由內(nèi)向外依次為內(nèi)里層、氣囊層和防水層；控制盒內(nèi)設(shè)溫度處理器、壓力處理器、電源裝置及報(bào)警裝置。智能加溫加壓輸液裝置整體外觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能加溫加壓輸液裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

1.2.1 囊袋

囊袋由內(nèi)向外依次為內(nèi)里層、氣囊層和防水層，其中內(nèi)里層設(shè)電加熱片，與控制盒內(nèi)的溫度傳感器相連，用于輸注液體的加溫；氣囊層與控制盒內(nèi)的壓力傳感器相連，用于對(duì)輸注液體的加壓；囊袋外設(shè)計(jì)將輸液管的墨菲氏滴壺置于始終保持液面垂直的低重心裝置，從而防止空氣進(jìn)入（圖2）。

圖2 囊袋三層結(jié)構(gòu)

1.2.2 控制盒

控制盒內(nèi)設(shè)溫度處理器、壓力處理器、電源裝置及報(bào)警裝置4 個(gè)部分（圖3）：① 溫度處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成熱能，滿(mǎn)足對(duì)囊袋的持續(xù)恒定加溫。溫度控制采用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器閉環(huán)控制模式，PID 控制器是控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，即閉環(huán)控制要求，可不斷將低溫環(huán)境中液體溫度的實(shí)際值反饋給變頻器，變頻器將設(shè)定值（如37℃）與實(shí)際值進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果轉(zhuǎn)化為指令，下達(dá)給MCU，MCU 每次通過(guò)采集過(guò)濾算出測(cè)量溫度值，測(cè)量溫度值每100 ms 進(jìn)行1 次溫度的比較。當(dāng)溫度接近于設(shè)定的時(shí)候，就會(huì)降低加熱功率，直到它溫度達(dá)到，當(dāng)溫度超過(guò)的時(shí)候就會(huì)停止加熱，直到設(shè)定值與實(shí)際值完全相符，從而保證液體輸注過(guò)程中的最高溫度為37℃，并持續(xù)加溫。② 壓力處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，滿(mǎn)足對(duì)囊袋的加壓。設(shè)定控制盒上的壓力范圍為150～300 mmHg，通過(guò)按壓壓力控制按鈕和壓力大小調(diào)節(jié)按鈕進(jìn)行選定，外界氣體通過(guò)閥門(mén)、氣管到達(dá)囊袋的氣囊層，液體的流速可由氣囊層充氣加壓的高、低進(jìn)行調(diào)節(jié)，待輸液結(jié)束后將氣閥門(mén)按下，氣閥即打開(kāi)放氣，將氣囊層的氣體排出。③ 電源裝置帶有蓄電功能，可儲(chǔ)存8～10 h 的電量，滿(mǎn)足野外救護(hù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先選用低功耗的中央處理器（芯片），其次整體電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等均要降低功耗，同時(shí)選用容量較大的鋰電池，例如，容量在6000～8000 mAh 的鋰電池，來(lái)保障能夠野外使用8～10 h 的蓄電量，電池可反復(fù)充電備用。④ 報(bào)警裝置，可通過(guò)囊袋內(nèi)里層的紅外線(xiàn)探頭，感應(yīng)輸液袋內(nèi)液體的剩余量并報(bào)警。

圖3 控制盒組成示意圖

2 智能加溫加壓輸液裝置測(cè)試結(jié)果

2.1 加熱處理器測(cè)試

在使用囊袋加熱時(shí)，發(fā)現(xiàn)加溫效果較差，加熱速度慢，雖然已加熱到指定溫度，液體經(jīng)過(guò)輸液管道（長(zhǎng)約1 m）到達(dá)針頭時(shí)，已經(jīng)丟失熱量。故對(duì)加熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)加熱模塊，并將其位置調(diào)整至輸液管下端靠近針頭位置，輸液管纏繞至加熱模塊上，增加纏繞圈數(shù)使加熱面積增大來(lái)提升效果，加熱模塊的材料為鎳鉻合金加熱絲，其熱轉(zhuǎn)換效率高。但應(yīng)注意在極寒情況需要將輸液袋和輸液管進(jìn)行保暖，避免暴露形成冰凍，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 加熱處理器測(cè)試結(jié)果

2.2 壓力處理器測(cè)試

模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器（Analog-to-Digital Converter，ADC）參數(shù)配置為0x04，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推出轉(zhuǎn)換公式。最終轉(zhuǎn)換測(cè)試公式為：壓力值=（ADC 值-22395.21f）/156.3489f，使用該公式進(jìn)行測(cè)試：壓力值實(shí)測(cè)誤差＜1 mmHg。應(yīng)用高空低壓試驗(yàn)箱對(duì)壓力處理器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明大氣壓強(qiáng)對(duì)囊袋的加壓無(wú)明顯影響。

表2 壓力處理器測(cè)試結(jié)果

2.3 電源裝置測(cè)試

利用分容柜對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試，獲取記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際容量值對(duì)應(yīng)的電壓生成關(guān)系表。在充電和放電狀態(tài)下，由于相同電流時(shí)電壓值有所不同，設(shè)計(jì)程序時(shí)根據(jù)是否充電的狀態(tài)來(lái)選擇需要轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)表格。產(chǎn)品的續(xù)航標(biāo)準(zhǔn)為常溫25℃環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，續(xù)航時(shí)間為8 h。在極寒情況下續(xù)航會(huì)有所下降。本設(shè)備電池為特種電池（寬溫域型），放電溫度范圍為-20～80℃。在電量充足，壓力150 mmHg，溫度40℃，滴速40 滴/min 的條件下進(jìn)行放電測(cè)試；在設(shè)備放電到空，關(guān)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行充電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

2.4 液位報(bào)警裝置測(cè)試

最初使用環(huán)境光傳感器，利用傳感器的測(cè)距功能來(lái)探測(cè)輸液袋的厚度變化，但在實(shí)際使用過(guò)程中，輸液袋在囊袋中的位置不同，造成測(cè)量結(jié)果偏差較大，故對(duì)檢測(cè)方式進(jìn)行優(yōu)化：使用壓力值的變化間隔來(lái)間接檢測(cè)輸液袋容量是否為空，但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中當(dāng)輸液滴速低于30 滴/min 的情況下，壓力變化太小無(wú)法精細(xì)檢測(cè)，從而造成誤報(bào)警；另外如果輸液袋存在氣體，氣體的容量會(huì)被當(dāng)成液體的容量，導(dǎo)致不能及時(shí)報(bào)警。最后采用差分電容檢測(cè)方式，用液位檢測(cè)模塊的電極片接觸輸液管，當(dāng)輸液管內(nèi)的液體發(fā)生變化時(shí)電容值會(huì)隨之變化，從而主控制器能做出準(zhǔn)確判斷是否報(bào)警，液位檢測(cè)模塊需要夾在滴壺上端。

3 智能加溫加壓輸液裝置的操作方法及注意事項(xiàng)

3.1 操作方法

如圖4～5 所示，長(zhǎng)按“ON/OFF”按鍵3 s，屏幕亮，綠燈亮，啟動(dòng)設(shè)備；調(diào)節(jié)溫度時(shí)，按“溫度+”“溫度-”，溫度欄設(shè)定值會(huì)跟隨加減目標(biāo)溫度值，長(zhǎng)按“溫度+”“溫度-”按鍵，實(shí)現(xiàn)快速更改數(shù)值，將靠近針頭的輸液管纏繞在加熱模塊上，纏繞圈數(shù)越多，加熱效果越好。當(dāng)溫度值設(shè)定低于33℃，屏幕顯示“--”，表示關(guān)閉加溫功能。調(diào)節(jié)壓力時(shí)，按“壓力+”“壓力-”，壓力欄設(shè)定值會(huì)跟隨加減目標(biāo)壓力值，長(zhǎng)按“壓力+”“壓力-”按鍵實(shí)現(xiàn)快速更改數(shù)值（壓力單位：mmHg）。

圖4 操作面板

圖5 顯示信息

設(shè)定好需要的工作溫度和壓力后，按“啟動(dòng)”鍵，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行；輸液完成后按“停止”鍵，設(shè)備停止加壓、加溫控制，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下，按“消音”鍵，打開(kāi)泄壓閥，囊袋開(kāi)始放氣，再按“消音”鍵，可以停止放氣。當(dāng)實(shí)時(shí)壓力值為0 mmHg 時(shí)，30 s 后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉泄壓閥，方便人工排出剩余的氣體。將檢測(cè)模塊夾在滴壺上方，按啟動(dòng)鍵開(kāi)啟工作后，液位報(bào)警會(huì)校準(zhǔn)一次，當(dāng)液體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，設(shè)備會(huì)發(fā)出警報(bào)（如果調(diào)整點(diǎn)滴速度，應(yīng)在調(diào)整后按下檢測(cè)模塊上的按鍵，進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以免誤觸發(fā)報(bào)警）；當(dāng)存在異常狀態(tài)時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)聲告警。該狀態(tài)下按“消音”鍵，設(shè)備會(huì)靜音，屏幕狀態(tài)欄顯示“靜音”圖標(biāo)。再次按鍵會(huì)解除靜音（待機(jī)模式下只有低電量告警時(shí)，“消音鍵”可以生效）；關(guān)閉設(shè)備時(shí)，長(zhǎng)按“ON/OFF”按鍵3 s，屏幕滅，綠燈滅；最后，設(shè)備通過(guò)USB 線(xiàn)進(jìn)行充電，充電時(shí)，充電圖標(biāo)會(huì)動(dòng)態(tài)顯示，充滿(mǎn)時(shí)，圖標(biāo)為滿(mǎn)電狀態(tài)[設(shè)備采用type-C USB 線(xiàn)充電，使用5V 2A（10 W）以上的充電器進(jìn)行充電]。

3.2 注意事項(xiàng)

應(yīng)注意以下內(nèi)容：① 使用適合的電源適配器進(jìn)行充電；② 使用前檢查囊袋和管道有無(wú)漏氣，以免影響氣密性造成設(shè)備工作異常；③ 嚴(yán)禁使用本設(shè)備的人員私自拆除修理本設(shè)備，如果檢測(cè)設(shè)備故障，應(yīng)立即停止操作并關(guān)閉設(shè)備，聯(lián)系廠家進(jìn)行處理；④ 如果需要離開(kāi)工作場(chǎng)所，請(qǐng)斷開(kāi)電源并關(guān)閉設(shè)備，不要讓設(shè)備在無(wú)人看管的情況下運(yùn)行；⑤ 請(qǐng)勿在腐蝕性環(huán)境中使用本設(shè)備，腐蝕性物質(zhì)會(huì)破壞絕緣層，從而導(dǎo)致設(shè)備故障；⑥ 不要對(duì)控制按鈕和設(shè)備屏幕施加過(guò)大的力；⑦ 避免碰撞或跌落導(dǎo)致設(shè)備損壞；⑧ 禁止兒童靠近本設(shè)備，以免傷害他人或使本設(shè)備失靈。

4 討論

本研究研發(fā)的智能加溫加壓輸液裝置包含囊袋和控制器兩部分，控制器屬于核心結(jié)構(gòu)，其中溫度處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成熱能，滿(mǎn)足對(duì)囊袋的加溫；壓力處理器可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，滿(mǎn)足對(duì)囊袋的加壓；電源裝置帶有蓄電功能，可儲(chǔ)存8～10 h 的電量，滿(mǎn)足野外急救現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)；報(bào)警裝置可通過(guò)囊袋內(nèi)里層的紅外線(xiàn)探頭，感應(yīng)輸液袋內(nèi)液體剩余量并報(bào)警。在戰(zhàn)時(shí)或野外現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)時(shí)，可將輸液袋置于囊袋內(nèi)固定，同時(shí)將囊袋固定于傷員肢體或轉(zhuǎn)運(yùn)裝置安全帶上，將墨菲式滴壺固定于低重心裝置內(nèi)。使用時(shí)，通過(guò)按壓控制盒上的溫度按鈕，完成對(duì)囊袋的加溫，最高溫度為37℃，并可根據(jù)輸注藥物的性質(zhì)調(diào)整相應(yīng)的溫度；按壓控制盒上的壓力按鈕，完成對(duì)囊袋的充氣，根據(jù)液體的速度要求，調(diào)整相應(yīng)的壓力范圍（150～300 mmHg），以滿(mǎn)足急救現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)需求，這與國(guó)外研發(fā)的加溫加壓輸液裝置臨床性能和安全效果一致[14]。

傳統(tǒng)的液體復(fù)蘇主要依賴(lài)于口服補(bǔ)液和靜脈補(bǔ)液，在難以建立靜脈通路時(shí)可以考慮骨髓內(nèi)輸液。在戰(zhàn)時(shí)或野外救治條件下，迅速建立有效的靜脈通路對(duì)維持組織灌注，確保傷員生命安全至關(guān)重要[15]。因此，對(duì)外傷導(dǎo)致的失血、脫水傷員，為預(yù)防休克發(fā)生，在戰(zhàn)時(shí)或野外救護(hù)守則中均要求在第一救護(hù)階梯和后送途中能對(duì)其快速補(bǔ)充液體，以盡早恢復(fù)循環(huán)血量，使傷員得到充分復(fù)蘇，挽救傷員生命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有50%的一線(xiàn)重癥傷員在得到救治前均需要快速補(bǔ)液[16]，多達(dá)66%的創(chuàng)傷傷員存在一定程度的低體溫（＜36℃），80%以上的死亡傷員體溫低于34℃[17]，發(fā)生中、重度低體溫可使傷員病死率增加3倍，是傷員死亡的重要危險(xiǎn)因素之一[18-19]。因此在創(chuàng)傷救治的預(yù)防理念中，早期的保溫復(fù)溫尤為重要[20]。治療措施包括最大限度地減少創(chuàng)傷人員的體表暴露，在條件允許的情況下，可使用防護(hù)裝置，并盡快將傷員置于隔熱表面上；如需靜脈注射液體，應(yīng)首選溫暖的液體。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，除救治階段的必要措施外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)使用便攜式加溫輸液泵，加溫所有的靜脈注射液體。目前該裝置性能測(cè)試已得到有效驗(yàn)證，在通過(guò)倫理和患者知情的情況下，下一步還需應(yīng)用于戰(zhàn)時(shí)或野外救治現(xiàn)場(chǎng)，驗(yàn)證其可靠性和安全性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)研發(fā)轉(zhuǎn)化的目的。

5 結(jié)論

本研究研發(fā)的智能加溫加壓輸液裝置實(shí)現(xiàn)了輸液加溫加壓一體化，簡(jiǎn)易便攜，不僅可以滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)或野外創(chuàng)傷的快速救治，也適用于急診科、手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室等臨床科室，確保快速補(bǔ)充循環(huán)血容量和維持人體正常體溫，維護(hù)傷員生命，提高救治成功率。