直线式智能静脉输液加温器的研制

李桂香， 黄德群， 陈军， 何志彬， 李喆， 厉周， 韩帅， 王磊

（1广东省医疗器械研究所／国家医疗保健器具工程技术研究中心／广东省医用电子仪器与高分子材料重点实验室，广东 广州510500；2南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州510515；3南方医科大学珠江医院 普通外科，广东 广州 510282；4海南大学 信息科学技术学院，海南 海口570228）

直线式智能静脉输液加温器的研制

李桂香1， 黄德群1， 陈军1， 何志彬1， 李喆2， 厉周3， 韩帅3， 王磊4

（1广东省医疗器械研究所／国家医疗保健器具工程技术研究中心／广东省医用电子仪器与高分子材料重点实验室，广东 广州510500；2南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州510515；3南方医科大学珠江医院 普通外科，广东 广州 510282；4海南大学 信息科学技术学院，海南 海口570228）

目的研究可在低温环境使用的直线式智能静脉输液加温器。方法以单片机为控制芯片，热敏电阻为温度传感器，数码管实时显示输液管温度，程序控制单片机断开或开启MOS管控制加热器实现智能加温，并以生理盐水输液为例进行实验。结果输液速度恒定，加热功率越大，加热到设定温度越快；加热功率恒定，输液速度越小，加热到设定温度越快；输液达设定的最高温度时加热器自动断开，余热超温红光警示，降到设定的最低温度时自动开启，输液管温度基本恒定在设定温度范围，未出现加热故障。结论该智能加热器方便易用，有较好的恒温效果，安全可靠，可应用于各类低温输液场所，提高输液药液温度。

静脉输液；智能加温；直线加温器；恒温

静脉输液是临床治疗过程中的一种常见给药方式。药液温度过低会引起局部疼痛、肢体发凉、周身畏寒、局部痉挛、术后炎症等一系列不良反应［1－2］。目前，国内尚未有广泛使用的智能输液加温器，迫切需要研制一种可安全提升药液温度的加热器提高输液药液温度，消除患者发生输液不良反应的潜在因素。因此，本研究研制了一种直线式智能静脉输液加温器。

1 系统设计

直线式智能静脉输液加温器是为实现输液过程加热药液至设定温度，由电源电压转换电路、单片机控制电路、温度检测电路、加热控制电路、加热电路、LED显示电路、声光报警电路组成。直线式智能静脉输液加温器的系统原理组成如图1所示。

电源电压转换电路将7～12 V转为5 V为单片机供电。加热控制电路采用MOS管和三极管。温度检测电路采用热敏电阻，单片机根据检测温度采用脉宽调制方式，控制加热频率和幅度及声光报警电路，实现温度精确控制，保证输液管出口温度稳定在许可范围内，温度值在数码管实时显示。LED显示电路用于显示药液温度和设备工作状态。

图1 直线式智能输液加温器电路原理图

1．1 直流电源

智能输液加温器所需电源功率为：

其中：P为功率 （W），J为热功当量 （J／cal），c为比热（cal／g·K），d为药液密度 （g／mL），q为输液速度 （mL／h），ΔT为温差 （K）。

极端情况下，设输液速度为250 mL／h（通常为50 mL／h，15滴为1 mL），最高加热温度42℃，药液初始温度为 2℃，则ΔT为40 K，比热和密度数值皆为1，代入式①得最大功率为11．6 W （约12 W），输液时确保功率小于12 W即可。市场标准充电器有3 V、5 V、9 V和12 V，考虑设备运行和电流承载能力，以及与手机充电器的区别，选择7～12 V输出电压。额定情况下1 A电流可满足要求。因此，该加温器选择直流电源7～12 V，电流2 A，USB 2．0接口。

1．2 加热元件和控制电路

1．2．1 加热元件

根据傅里叶定律，热传导功率与导热系数、导热面积和温度梯度成正比，有如下公式：

有人问过作家梁晓声，什么是文化，他用四句话概括：根植于内心的教养，无需提醒的自觉，以约束为前提的自由，为别人着想的善良。是的，文化的首要元素，就是内心的教养。一个民族的强大与文明，其最显著的福祉，就是民众教养的普遍与良善。

其中：Φ为功率 （W），λ为导热系数 （Wm－1K－1），A为导热面积 （m2），dT／dx为温度梯度 （K／m）。

智能输液加温器温度梯度不变，加热元件与输液管间导热系数一定，导热面积决定导热效率，因此需尽可能增大加热元件与输液管间的导热面积，以降低功耗降低整机功率。常用加热元件有镍合金、PTC陶瓷、硅胶加热片和聚酰亚胺加热片系列。前两种常为平板形状难以塑形，后两种具备塑形潜力，其中硅胶加热片系列厚度约2 mm，绝缘性能优于聚酰亚胺系列，确定为加热元件。为增大导热面积，硅胶加热片卷成带缺口的圆筒形，缺口用来嵌入输液管，宽度在2 mm左右，长度100～180 mm。

1．2．2 加热控制电路

加热控制电路采用大功率MOS管和三极管。单片机根据温度传感器检测的温度进行计算后发出控制信号，通过脉宽调制控制MOS管通断，控制加热频率和幅度实现温度精确控制，保证输液出口端温度稳定在许可范围，同时还控制三极管接通与断开实现过热保护声光报警。加热控制流程如图2所示。

图2 直线式智能输液加温控制流程图

1．3 显示面板

显示面板包括3位七段数码管和2个LED灯。其中，数码管显示药液温度，精度为0．1℃；单红色LED灯与电源相连，指示电源工作状态，正常时灯亮；双色LED灯在设备正常加热时为绿色，在设定温度范围内为白色，超出设定温度或出现故障时为红色。LED指示灯分别安装在数码管两边，距离小于30 mm。

1．4 装管凹槽与外壳

装管凹槽截面为带缺口圆形结构，缺口宽约2 mm，设在外壳底部，与外壳底部狭缝宽度对应，狭缝两端倒角5 mm× 30°，其余部分等宽，作为嵌入输液管通道；加热元件固定槽内表面剖面为矩形或半圆形，外表面剖面为矩形，尺寸与加热元件匹配。整个装管凹槽紧贴塑料外壳。塑料外壳作为整个设备保护、装饰和支撑机构，强度需符合力学要求，能抵挡外力冲击变形；外形需符合人机工程学要求，便于操作使用，且具防插错功能；材料需符合食品药品安全属性，无毒无味。因此，塑料外壳采用常用的无毒无味塑料，平板形结构，厚度约1 mm。外壳分上下两块，上面板设七段数码管、LED灯及USB插口窗口，下底板中间设一条宽度约2．6 mm狭缝，缝两端有5 mm×30°倒角。整机两端分别设一个USB 2．0口和温度探头，使用时可根据输液管安装方向和患者实际体位任意连接，不会出现错误装配。

2 系统测试及结果

以生理盐水输液为例，将穿刺部位附近 （50 cm处）一段输液管嵌入智能输液加温器底部凹槽，插上电源，开启智能输液加温器。

2.1 同时间不同滴速 （功率）下的输液管温度曲线

室温29℃时，加温范围设为35℃～38℃。实验测试情况如下：

①设定滴速15滴／分钟，初始温度T0＝34．2℃时开始计数，测定不同功率下同时间液体管温度曲线，结果显示，输液速度恒定，加热功率越大，加热到设定温度越快，如图3所示。

图3 同滴速不同功率同时间输液管温度曲线图

②设定加热功率8．772 W，初始温度T0＝34．2℃时开始计数，测定同功率下不同滴速同时间液体管温度曲线，结果显示：加热功率恒定，输液速度越小，加热到设定温度越快，如图4所示。

图4 同功率不同滴速同时间输液管温度曲线图

2.2 同滴速和同功率下的输液管温度曲线

室温27℃时，设定滴速42滴／分钟，加热功率7．4 W，加温范围35℃～36℃，35℃以下加热器自动开启加热，超过36℃红光警示并断开加热器，至降到35℃以下重新开启自动加热?，若加热出现故障超过38℃声光报警，完成自动控温。实验测试曲线如图5所示。

图5 同滴速和同功率下输液管温度曲线图

从图3～5可见，输液速度恒定，加热功率越大，加热到设定温度越快；加热功率恒定，输液速度越小，加热到设定温度越快；输液速度和加热功率恒定，缩小加热温度范围，加热器能精确地将输液管温度智能控制在设定温度范围，余热导致温度升高最大不超过1．5℃，未出现故障，直线式智能输液加温器在药液达到设定最高温度时自动断开，降到最低设定温度自动开启，能够实现智能加热，按预期设定提升和控制药液温度。

3 讨论

智能静脉输液加温器的目的是提高输液药液温度，消除患者因药液温度过低发生的不良反应。目前提升药液温度的三种方式中直接加热药袋 （药瓶）因距人体较远，热量易散失，进入人体时温度降低，效果不太理想［3－4］；加热穿刺部位局部区域加温效果最好，但存在触电和烫伤风险，且由于电源线牵拉影响患者运动，应用也不理想；加热输液管路位置选择距离穿刺部位较近的输液管路，热量散失有限，且无触电和烫伤风险， 应用最多［5－7］。 但输液管路螺旋式安装导热效率高， 药液温度低，适用于输血和对温度敏感药物［8］；直线式安装导热效率稍低，药液温度稍高，依靠槽形结构固定输液管路，操作方便简单［9］，适用于大多输液情况。

临床上尚未广泛使用智能输液加温器，本研究研制的直线式智能静脉输液加温器利用红外热辐射原理，适当隔空传热，可降低输液管与药液温差，采用脉宽调制方式控制三极管和MOS器通断控制加热频率和幅度实现温度精确控制，保证输液出口端温度恒定在许可范围，恒温效果较好，设有过热保护声光报警电路，安全可靠，集智能化、便携与人性化于一体，方便易用，可为低温环境静脉输液提供一种便携可靠的药液温度提升方式，适用于各类低温输液场所。

[1] 富晓东,付丽霞.冬季野战条件下可调式输液加温、保温器的设计与应用 [J].护理实践与研究,2016,13(19):137.

[2] 钟芬梅,林菁,兰玉清.一种输液用加温装置的设计与应用 [J].中国实用护理杂志,2006,22(2C):50.

[3] 张薇薇.一种具有恒温加热功能的输液控制报警器的设计 [J].电子设计工程,2015,23(15):23-25.

[4] 唐镜军,戚建爱.基于STC12C5A60S2单片机体温输液控制系统电路设计 [J].中国医疗器械信息,2014,20(12):68-71.

[5] 巩萍,唐璐,倪红艳.一种基于单片机的输液加热器的设计 [J].医疗卫生装备,2013,34(12):23-25.

[6] 宋俊磊.输液恒温自动控制装置的研制 [J].电子技术,2012,39 (9):68-71.

[7] 卢杰,徐俊彦.便携加温输液装置的设计 [J].产业与科技论坛, 2011,10(21):57.

[8] 张继芝,申英平,常以芳.螺旋式医用输液管加温滴速控制器的研制与应用 [J].护理学杂志,2009,24(2):48.

[9] 李娟利,辛霞,辛爱利,等.恒温加压输液装置的设计与应用 [J].临床医学研究与实践,2016,1(15):125-126.

（责任编辑：常海庆）

Development of Linear Intelligent Heater for Intravenous Infusion

LI Guixiang1,HUANG Dequn1,CHEN Jun1,HE Zhibin1,LI Zhe2,LI Zhou3,HAN Shuai3,WANG Lei4
(1Guangdong Institute of Medical Instruments/National Engineering Research Center for Healthcare Devices/Guangdong Key Laboratory of Medical Electronic Instruments and Polymer Material Products,Guangzhou 510500,China;2School of Biomedical Engineering,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China;3Department of General Surgery,Zhujiang Hospital of Southern Medical University,Guangzhou 510282,China;4College of Information Science&Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

ObjectiveTo develop a kind of linear intelligent heater for intravenous infusion which could be used in low temperature environments.MethodsSTC microcontroller was used as MCU,thermal resistor was used as temperature sensor,digital tube displayed the infusion tube temperature in real-time,program-controlled close or open of MOS tube achieved heating intelligently,and normal saline was used to conduct infusion experiments.ResultsWhen keeping the infusion speed in constant,the greater heating power led to faster heating to the set temperature;when keeping the heating power in constant,the smaller infusion speed led to faster heating to the set temperature. The heater closed automatically when reaching the highest set temperature,and started red light warning with over temperature made by excess heat;the heater opened automatically when lowering to the lowest set temperature.The perfusion tube temperature kept in constant range of set temperature,without heating faults.ConclusionsThe intelligent heater is practical and convenient with good temperature control effect and safety,which can be applied in all kinds of infusion in low temperature environments to improve the temperature of liquid drugs for intravenous infusion.

Intravenous infusion;Intelligent heating;Linear heater;Constant temperature

R197.39

：A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.08.1035

2017－04－09

2017－06－06

广州市产学研协同创新重大专项 （201508020063）；国家自然科学基金项目 （61463011）

李桂香 （1988－），女，湖南永州人，硕士研究生学历，从事医用电子仪器研究。