基于浮球控制的多软袋输液的自动换液装置研究*

刘 玮 沈颖惠 刘 益 黄 谦 邹 进 张 帆

基于浮球控制的多软袋输液的自动换液装置研究*

刘 玮①沈颖惠②刘 益①黄 谦①邹 进①张 帆①

目的：在浮球阀门控制多个硬瓶输液自动换瓶装置的基础上，设计研究一种适用于软袋输液的自动换液装置。方法：研究浮球阀门控制的核心原理、控制位点及技术难点，提出适用于软袋输液的解决方案，对整个产品进行设计定型，通过建模研究验证及完善相关技术环节。结果：建模验证显示，浮球阀门在软袋输液时能很好地实现输液等待及防止液体反流，解决软袋输液的自动依次换液问题。结论：所研制的基于浮球阀门控制的软袋输液自动换袋装置，其结构简单，成本低廉，安全可靠，适用于临床上大部分为软袋输液的实际需求。

浮球控制；软袋；输液；自动换瓶

为保证临床治疗中的输液安全，通常做法是设计医用输液自动报警装置。然而，部分技术研发人员从自动换瓶的角度来实现不间断输液，消除回血和气体栓塞等安全隐患，不但彻底抛弃自动报警思路，而且还极大地减轻护理人员的工作量[1-2]。在自动换瓶装置中，优势最明显的是物理原理控制的自动换瓶，而本研究发明的基于浮球控制硬瓶内进气时机来实现医用输液自动换瓶功能的装置已经申报国家专利[3-4]。其原理是利用前一瓶液体来驱动浮球阀门上浮封闭第二瓶液体瓶的进气通道，阻止第二瓶液体输入；当前一瓶输注完毕后，瓶内空气流经第二瓶液体输液头时解除浮球阀门对第二瓶进气道的阻止功能，气体流入第二瓶液体内，第二瓶开始输液，从而实现多个硬瓶输液的自动换瓶。然而，目前医院用于输液治疗的容器中约有一半以上是软袋容器，由于软袋容器不需要进气，因而原有的应用于硬瓶的自动换瓶解决方案不能简单地移植到软袋容器自动换液中来，而是通过继续利用浮球阀门原理开发出一种应用于软袋输液的自动换袋装置[5]。基于此，本研究对技术难点、重点进行详细分析，对控制原理进行创新，在原有研究的基础上提出了一种全新的解决方案。

1 材料及方法

1.1 技术难点及解决思路

软袋输液容器不能有效对抗大气压力，临床上只要袋口插入输液头液体就会流出，而多个软袋液体组成串联组实现自动换袋的原理是全新的原理和思路。为了解决这一问题，本研究先定义了核心技术难点，在解决这些难点问题的基础上提出新的解决方案。

1.1.1 技术难点

(1)实现输液等待。软袋输液容器为单纯依靠重力来实现输注，袋内不需进气减压，因此只要输液头插入软袋容器内液体就会自然流出，当多袋液体一次性连通后则会导致药液严重混合，引发重大责任事故。因此，要实现多个软袋输液容器输液的自动依次换瓶功能，其本质就是实现软袋液体的输注等待，即当前一袋液体未输注完毕时，后面的液体不输注，待前一袋输注完毕后下一袋才开始输注。

(2)对抗液体压力。通过计算表明，浮球阀门要想对抗近30 cm高度的软袋液体所产生的压力几乎不可能。由于目前能应用于医疗上的塑胶相对密度最小的也有0.83，如要对抗软袋内的液体压力需要将浮球设计的非常大，而且为中空，造成产品材料和输液液体的巨大浪费。如何用较小的阀门或较小的浮力来对抗软袋液体的压力，即浮球阀门要关闭，且牢固关闭又是一个挑战。

(3)避免返流。根据连通器原理，在后一袋液体开始输注后(起等待作用的阀门被打开后)其液体一部分往后流动最后进入人体内，另一部分则返流至前一袋，最终导致2袋液面等高，然后再同时输注，存在一定的安全隐患。

1.1.2 解决思路

本研究最核心的问题是如何解决输注等待问题，具体解决思路是用浮球阀门在浮力作用下上浮，关闭当前输液头的输液通道，实现输注等待[6]。对于解决浮球阀门对抗软袋液体的压力问题，可以采取避免正面对抗的策略来解决，即改变液体压力的受力方向，使其在浮球阀门开闭方向上的分力变为零。避免返流的问题可以设计一个机关，当返流到阀门室内的液体达到一定量时(还未返流至连接两输液头的连接管时)，阀门上浮导致输注暂停，阀门室内的液体流空后浮球阀门下沉，输液继续，整个输液过程为脉冲式输液，从而解决返流的问题。

1.2 原理设计及材料选择

自动换液装置由浮球阀门室、浮球及连接浮球的阀门活动部、插入杆内液体通道(进液管)、出液管、入液管、手柄等部件组成[7]。工作原理为：当前一袋的液体经入液管流入阀门室时，由于入液管在阀门室的开口大于出液管在阀门室的开口，因而阀门室内充满液体，当浮球阀门的浮力大于其重力时，浮球阀门上浮，带动阀门活动部滑入阀门固定部而关闭阀门，实现当前软瓶液体的输注等待，前一袋的液体顺利通过本输液头。同理，后面的所有软袋均实现了输注等待。当前一软袋液体输注完毕后空气经入液管进入阀门室，阀门室内液体减少，浮球阀门所受浮力小于其重力时，浮球下降，带动与其相连接的阀门活动部滑出阀门固定部，阀门开放，则当前软袋内液体经袋内液体通道流过阀门进入出液管内，部分继续向后流动，部分返流入阀门室[8-9]。当流入阀门室内的液体达到一定高度时(将要进入出液管时)，浮球阀门上浮，暂时中断输注，待阀门室内液体在出液管的“抽吸”下液面再次下降后，浮球阀门再次下沉，阀门打开，液体输注继续，从而下沉“脉冲”式输注(如图1所示)。

图1 自动换液装置原理示意图

在材料选择上强调两点：①安全性，即所有用于加工的塑料成型件均为医用树脂加工成型；②足够轻，即浮球阀门所选材料其相对密度应尽量小。目前所有医用高分子材料中相对密度最小的是聚甲基戊烯(相对密度为0.83)，其次为线性三嵌共聚物(SEBS)，相对密度为0.91。

1.3 细节处理及使用

1.3.1 细节处理

入液管在浮球阀门室侧壁的开口位置应高于出液管在浮球阀门室侧壁的开口位置，且入液管的开口直径要大于出液管的开口直径；袋内液体管道在阀门部位垂直折返，横向穿越阀门活动部，避免浮球浮力与液体的压力直接对抗；浮球浮力与重力的比例需恰当，即满足防止返流实现脉冲输注的条件；阀门活动部与固定部既要密封又不能有太大的阻力。

1.3.2 使用步骤

应用于软袋的自动换液装置为一次性使用，包含3～4个输液头，其使用步骤为：①连接第一袋液体并固定待用输液头，即去掉第一个输液头的保护套然后插入第一袋液体内，用支架固定后面所有的输液头，并使其始终保持近似垂直状态；②排气操作，打开调速阀门，第一袋内的液体以脉冲方式流进第一个输液头的出液管，再经连接管进入第二个输液头的浮球阀门室内，上浮该浮球阀门，阀门关闭，防止液体从液体管道开口溢出，液体流经该输液头，液体最终流进墨菲氏滴管，经控速阀门后流入穿刺针内，使整个输液管内气体全部从针尖排出；③添加输液软袋，此步骤可以按照护士的意愿来进行，可一次性将全部输液头挂上软袋容器(除去保护套插入即可)，也可以选择性地挂一袋、二袋等，既可以选择现在挂，也可以选择在前一袋输注完毕之前的任何时间挂上，需要注意将未挂上软袋的输液头用保护套套好，以防止污染；④重复使用的方法，即输注完3～4袋后还要继续输注时，在最后一袋输注完毕后立即关闭调速阀门，然后将第一个输液头插入新的软袋内，最后一个输液头拔出输液袋进行排气，当液体经过中间的所有输液头并进入最后一个输液头后再将其用保护套套好并固定垂直即可。第一袋以后的输液头可以用保护套套好，也可以挂上新的液体袋。

1.4 建模研究

为了直观地反映自动换液装置是如何实现输注等待及自动换液工作的原理和过程，特建造一个模型，并在该模型的3个开口(分别是入液管口、出液管口及进液管口)处均安置一个流速感应器。经模拟多袋输液，观测并记录第二个软袋容器输液头模型中各开口的流速及时间变化曲线。

1.5 流速及时间变化曲线

为了记录方便，研究时以换液时间为中点，向前、向后扩大2～3 s为记录换液时间，然后以时间为横坐标，以流速为纵坐标，绘制其自动换液前后各管口流速变化曲线图。其结果如图2所示。

图2 软袋输液自动换液装置模型各开口流速时间变化曲线图

第1～2 s该输液头仅提供通道(入量=出量)，进液管口流量为0，表明该软袋为输注等待状态。当前一软袋输注完毕(第3 s时)其入液管口流量为0，进液管口量为1，当前软袋结束输注等待开始输液，自动换液功能完成(此时进液管口流量等于出液管口流量)。此外，从曲线结果还可以看出，该原理装置能很好地防止返流(入液管口换液后流量一直为0)。

2 自动换液装置的应用

2.1 使用优势

(1)利用物理原理控制自动换液且不耗电，相比通常的“电子智能化”原理控制的自动换液，自动换液装置不但结构简单、可靠性高，而且使用不受限制，极大地满足了各级各类医疗机构的广泛需求。

(2)一次串联多袋液体，排气方便，不需较多的额外操作。

(3)输液过程中免于照看，只需在输注完毕后提醒护士拔针即可。

(4)适应了目前临床上普遍使用软袋容器输液的实情，相较于玻璃硬瓶输液，软袋容器在包装、搬运、运输、摩擦及碰撞等方面均具有极大的优势，因此我国目前大输液生产厂商基本上都使用塑胶软袋容器来分装，而基于软袋容器开发的自动换液装置必将具有较大的推广优势。

(5)自动换液装置只改造插入输液容器内的输液头，在输液头底部设计了一个控制开关，利用物理原理来驱动控制开关的开闭。由于对整个输液器产品改动较低，因而成本提升较少。通过应用不但解决了多袋输液时自动换液的问题，适应了输液容器变化的趋势，而且还拓宽了物理原理控制自动换液的应用范围，增强了该类装置的生命力[10]。

2.2 不足及改进措施

(1)在使用过程中主要存在以下不足：①使用时该装置倾斜角度不能过大，因为倾斜角度过大其浮球阀门在垂直方向上浮力的分力就会减少，导致阀门关闭乏力；②浮球阀门之阀门杆与沟槽摩擦力与密封性之间的矛盾较难调和，即密封太好则摩擦力太大，摩擦力太小时密封性又不能保证；③浮球阀门材料选择范围狭窄，能用于医疗器械及相对密度较小的材料不多，且最小的相对密度也有0.83左右，因此很难提供足够的浮力。

(2)针对以上不足进行改进：①修改阀门结构，将阀门活动部件由柱形改变成锥形，利用锥形开口来引导阀门在较大倾斜角度时进行开闭，由于阀门活动部件改变为锥形后巧妙地解决了阀门摩擦力和密封性之间的矛盾问题，只要浮力足够，阀门运动幅度越大则阀门关闭越紧密，密封性越好，且这种结构中不存在摩擦力这一影响因素；②针对医用塑料相对密度较大，不能提供足够浮力的问题，拟将装置成比例扩大，通过扩大能使浮球阀门做成中空形状，即能提供足够的浮力，且尽量降低浮球阀门加工难度。

2.3 市场需求分析及预测

前期关于医用输液自动换瓶装置在医院使用的相关情况市场调查中表明，医院目前对各种自动换瓶装置需求迫切，特别是不耗电、结构简单及使用方便的自动换瓶装置[8]。本研究除了适应市场需求外，还满足了用户的特殊需求，即软袋容器输液自动换液的需求。在产业链方面，应用于软袋的自动换液装置迎合上游厂商的容器性质，主动融入产业链，符合产业链发展规律。在用户方面，由于该装置所具有3大优点，即减轻护士劳动强度、输液治疗时免于照看、降低护患纠纷，因此会有一定的推广应用价值。

3 结语

针对目前医院较广泛使用软袋容器输液的事实，利用物理原理即浮球阀门控制多袋容器按顺序开始输注，实现自动换液功能。其设计结构简单，使用方便，优点突出、缺点可控，在解决浮球阀门控制多瓶硬瓶输液自动换瓶的基础上又创新性地解决了多个软袋容器输液自动换液问题，因此适应了医院软袋输液实情，应用前景广阔。

[1]史国川，徐洋，史斌浩，等.医用输液自动报警控制系统的开发与应用[J].中国数字医疗，2014(9)：97-98，104.

[2]史斌浩，史国川，何绵锦，等.一种医用输液自动监控系统的设计[J].计算机与数字工程，2013，41(10)：1708-1709.

[3]郭雯.医用智能输液监控系统的研究与设计[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[4]刘玮，沈颖惠，米明，等.一种医用输液自动换瓶装置的研究[J].临床医学工程，2014，21(9)：1087-1088.

[5]张朋，宋莉，郭文松，等.双肩背式自动断液输液装备的设计[J].中国医学装备，2015，12(4)：15-17.

[6]刘玮，沈颖惠，米明，等.几种常见医用输液自动换瓶装置的比较研究[J].临床医学工程，2015，22(4)：527-528.

[7]沈颖惠，刘玮.一种自动控制液、气体分时相输入的双通道输液头：中国，201210408974.4[P].2013-09-25.

[8]沈颖惠，刘玮.一种用于软袋输液的自动继液输液头：中国，201420755150.9[P].2015-08-05.

[9]刘玮，沈颖惠，米明，等.医用输液自动换瓶装置的市场需求调查及分析[J].岳阳职业技术学院学报，2015，30(2)：81-83.

[10]杨丽晓，王殊义，尚长浩，等.自动换液静脉输液装置的研制[J].中国医学装备，2015，12(4)：35-37.

A research about automatically replacing liquid device in a control of floating ball and in the application of infusion by using multi-soft bag

/LIU Wei, SHEN Ying-hui, LIU Yi, et al

Objective:To design a device which could automatically replace liquid and was suitable for infusion by using soft bag based on experience of the control for automatically replacing bottle device of multi hard bottle by floating ball valve.Methods:Through researched the core principle, control point and technical difficulties of the control theory of floating ball valve, and proposed solving ideas for suiting infusion of soft bag so as to achieve design and typification for the product. And then the product was verified and relative detail was improved through modeling research.Results:The results of verification showed that floating ball valve could realize infusion waiting and prevent regurgitation of liquid, and resolve the problem of automatically and successively replacing liquid in the transfusion by using soft bag.Conclusion:The design of floating ball valve in the application of automatically replacing bag in infusion of soft bag has a series of advantages including simple structure, lower cost, safe and reliability. And it can suit the basic situation that soft bag has been used in most of transfusion in clinical practice, therefore, it has well prospects in market.

Floating ball control; Soft bag; Infusion; Automatic replacing bottle

Department of basic Medicine, Yueyang Vocational Technical College, Yueyang 414000,China.

刘玮,男,(1974- ),博士研究生，副教授。岳阳职业技术学院，研究方向：医疗器械创新及医疗技术研究。

1672-8270(2017)12-0028-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.009

湖南省教育厅2016年度资助课题(16C1636)“医用输液‘一次性连续输液管’产品的研究”

①岳阳职业技术学院医学基础部 湖南 岳阳 414000

②岳阳职业技术学院护理学院 湖南 岳阳 414000

//China Medical Equipment,2017,14(12):28-31.

2017-01-05