医用输液泵用气泡检测装置的机械结构设计及工艺实现

摘 要：本例中通过分析医用输液泵上气泡检测的作用，适用的输液器管路尺寸，结合临床适用范围，确定气泡检测精度和超声波检测原理。通过机械结构布局设计、关键细节验证、气泡壳体材料及工艺的选择、灌封胶种类选择、灌封过程参数的设置、工装设计等，完成了气泡检测装置的机械设计，并且成功的应用在临床上。

关键词：医用输液泵；气泡检测；超声波原理；机械结构设计；工艺实现

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.269

0 引言

医用输液泵是一种能够准确控制输液流速，保证药物能够速度均匀，药量准确并且安全地进入病人体内发挥作用的一种仪器。输液泵广泛应用在ICU、儿科、急诊、外科、内科等各个科室。输液泵内置了流速检测、压力检测、气泡检测等传感器，实时监测输液过程，如果出现异常，触发声光报警，减轻了护士的工作量，保证了病人安全。

1 气泡报警原理及关键件选择

1.1 气泡检测报警临界值的确定

在病人输液过程中，有少量气泡进入血液后可以溶解，不会有明显影响，如果大量气泡进入血液，可能导致气体栓塞，危及生命。所以在输液过程中对气泡的监测就必不可少，在输液泵专业标准中气泡检测是强制要求。不同年龄、性别、体质的病人对气泡大小的承受力不同，医用输液泵试用于各个科室，尤其是新生儿，考虑到使用范围以及风险等级，在气泡传感器设计中，结合软件硬件部分，确定40微升为报警的临界点。

1.2 超声波检测原理的选择

目前气泡检测传感器设计有超生波检测、红外线检测等原理，为了能够达到要求的灵敏度，以及重复性，我们选择了超声波原理。经过不同介质时，超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化不同。利用这个原理，在输液器管路两侧分别有发射端和接收端，当输液管路中有药液通过和有气泡时，接收端的能量变化不同，通过硬件电路处理，可以判断是否有气泡。当输液管路内气泡体积达到临界点时，即启动气泡报警，输液停止，防止气泡进入人体。

1.3 确定压电陶瓷片规格

压电陶瓷片作为超声检测元件，应用广泛。本例中发射端和接收端都选择压电陶瓷片。

目前市场上主流的输液泵都是兼容所有品牌和种类的输液器，其管路大部分外径是5mm左右，壁厚是0.3-0.6mm。考虑到适用的输液器管路尺寸，电容和频率等参数，以及硬件信号收集和处理，确定压电陶瓷片的尺寸为直径8mm，厚度1mm。

2 气泡检测装置结构设计

2.1 结构设计总体要求

关键部件选定之后，需要考虑适应于输液器安装的气泡检测装置的结构了。首先，使用时输液器管路需要安装在发射端和接收端之间，位置须居中。其次，输液器管路需要和检测部分贴合紧密，防止其中间隙导致的气泡检测不准确。再次，整个气泡检测装置是与操作者接触的，需要考虑管路安装方便性以及防水性能。基于以上几点，在气泡传感器结构设计方面要综合考虑，做到功能兼顾。

2.2 管路安装位置的宽度设计

适用的输液器管路壁厚差别大，从0.3mm到0.6mm， 将输液器管路安装在检测部件中间时，需要使输液器管路完全贴合侧边，并且能使药液顺畅留下。初步确定管路安装宽度在2.0mm到3.0mm之间。

2.3 安装方便性以及防水性能设计

每次使用时，都需要操作者将注射器管理安装在气泡检测装置上，所以安装方便性直接关系到使用者的体验，并且防水等级要达到IPX4，即从各个角度泼水，水不得进入。基于这一点，在设计时考虑压电陶瓷片需要全封闭在内部，确定采用一体化的气泡壳体设计方案。这样即能达到设计要求，有能简化后续的组装工艺。

2.4 输液管路和气泡壳体贴合部分设计

为了保证输液管路和气泡壳体贴合紧密，气泡壳体上与管路接触部分形状需要着重设计。初步设计时暂定了弧面和直面两种方式，曲率考虑了输液器管路壁厚以及硬度等参数，通过实验件的验证确认最优形状。

此外，气泡壳体上与管路配合处的表面粗糙度要求达到Ra0.8以上，否则接触部分的微小间隙会影响气泡检测的效果，导致误报警，增加操作者的工作量。

2.5 压电陶瓷片的位置和固定

为了保证发射端和接受端对中，并且居于输液器管路安装的中心，则压电陶瓷片安装的位置需要保证。本例中根据压电陶瓷片的形状，在气泡壳体上做了定位筋。压电陶瓷片与壳体上的筋位相对紧配，保证安装位置。压电陶瓷片安装在气泡壳体上之后，需要固定，并且在压电陶瓷片前端需要填充，防止有气泡对检测信号造成干扰。

2.6 气泡检测结构细节设计

通过以上几点的功能以及实现形式的分析，初步确定大体的结构。气泡检测结构示意图如图1所示。细节部分的尺寸经过几次测试和验证，得到最优值。确认气泡壳体上安装输液器管路部分的间距为2.1mm. 贴合处表面粗糙度要求为Ra0.8，管路贴合部分形状为直面。 压电陶瓷片卡在气泡壳体的定位筋上，压电陶瓷片前端涂胶，实现固定和填充功能。在气泡壳体前端输液器管路安装处做倒角方便使用者将管路装入。

3 气泡检测装置工艺实现

3.1 气泡壳体的加工工艺方案

基于以上设计需求，气泡壳体结构相对复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求高，并且考虑到输液泵批量生产特性。气泡壳体采用精密注塑方式加工。为了使气泡壳体注塑工艺可实现，需要对产品结构进行优化设计，包括拔模角度的设定、浇口形式和位置选取、顶出结构部分的布局等。其中关键的是浇口部分，因为本产品在输液器管路安装接触面部分表面粗糙度要求高，并且不能有流痕、划伤、缩坑、熔接线等注塑缺陷。所以在设计时要考虑后续可能出现的工艺缺陷，在产品设计阶段就把问题避免掉。依据多年的产品设计经验，本例中采用测浇口，用SOLIDWORKS软件的模流分析模块，对可能产品注塑填充过程进行了模拟，确定选择的浇口型式和位置，可以避免关键部分的注塑缺陷。

3.2 气泡壳体的材料选择

气泡壳体的材料选择上，要兼顾使用特性和加工特性。结合之前的产品开发经验，确定选用PC（聚碳酸脂）材料。PC材料有优异的抗冲击性，尺寸稳定性好，无色透明，着色性好，耐腐蚀性好、耐磨性好，用于制作镜片、电脑外壳、头盔面罩等，广泛应用在医疗、家电、航空等领域。PC材料熔融温度高，粘度高，流动性差，对水敏感，所以在注塑时需要提前干燥材料，严格控制工艺参数，确保产品达到预期要求。本例中气泡壳体选用PC材料，保证在压电陶瓷片长时间使用时，强度有保障，并且注塑工艺方面可以借鉴现有的经验，从而满足产品性能。

3.3 压电陶瓷片前端灌封

压电陶瓷片前端灌封工艺，要保证压电陶瓷片与壳体粘接牢固，灌封后无气泡，并且批量生产可行。灌封胶种类的选择以及灌封过程的控制是比较关键的工序。本例中，初步选择了AB胶、导电银胶、环氧树脂胶等多种进行测试，最终确认环氧树脂胶在实现方面更优。环氧树脂胶种类很多，其流动性、硬度、固化温度和固化时间等参数不同，本例中气泡传感器使用时压电陶瓷片超生振动，所以灌封胶的硬度控制在邵氏A 60—70度之间，壳体上灌胶部分空间狭小，并且灌封后不得有气泡，所以要选择流动性好的环氧树脂胶。在灌封过程中，需要在真空干燥箱内进行，胶在固化过程中抽真空，从而保证灌封后无气泡残留，不影响气泡的检测效果。此外，考虑到工艺过程的控制，采用常温24小时固化方式。

综合考虑以上参数，经过多次测试，确认环氧树脂胶的型号以及固化工艺。

3.4 工装设计

为了保证整个安装和灌封过程，需要设计工装。工装设计的原则是保证操作规范，达到组装要求，并且提高效率。本例中工装采用托板和压板的方式，将气泡壳体相对固定，则压力陶瓷片焊接线之后压入气泡壳体，环氧树脂胶灌封过程中，保持气泡壳体向上，并且整体操作完成后方便放入真空干燥箱中固化。

4 气泡检测装置效果验证

医用输液泵用气泡检测装置，机械设计与软件硬件设计配合，经过多次验证，确认可以实现预期要求，并且批量稳定性很好，本装置已经使用在多种型号的输液泵上。在临床使用中，输液泵兼容大多数品牌的输液器，输液器壁厚以及表面粗糙度不同，但与本例中设计的气泡检测装置都可以兼容，可以准确的监测输液过程中的气泡，保证了病人安全。

5 结语

综上所述，本次医用输液泵用气泡检测装置的机械设计中，通过结构布局设计、关键参数的反复验证，确定了满足功能需要的最优方案。在满足功能的同时，兼顾产品工艺实现性以及成本，选择了广泛采用的注塑工艺，关键部件的材料选择方面结合多年工作经验，确定气泡壳体选用PC材料，兼顾性能及加工工艺。零部件组装以及灌胶过程，设计工装并选用真空干燥箱等专用设备，满足设计要求，提高工作效率。气泡检测装置已经成功的应用在输液泵上，并得到了临床的认可。

参考文献：

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[K].机械工业出版社，2005.

[2]陈丽丽，刘颖辉.塑料成型工艺与模具设计[J].中国铁道出版社，2014.

作者简介：刘颖（1981），女，河北涞源人，主要从事医疗器械机械设计相关工作。