新型可控制输液吊瓶研究

高鑫诚 王巍 冯晓晨 陈德宇 杜仲章 周倍涵

摘要：针对目前医院医护人力资源严重不足和现存吊瓶需要人工监控容易导致公共资源浪费的问题，基于可移动式活塞瓶底及大气压原理设计了一种新型可控制输液吊瓶。该装置由吊瓶本体、吊瓶液面测定系统和报警系统三大部分组成。吊瓶本体由瓶身和可移动的活塞底组成;液面测定系统是由滑轮组和液面高度计组成;报警系统由带有蜂鸣器的电路组成。此吊瓶可在就医高峰期有效地解放医护劳动力，提高医院基础输液工作的效率，具有成本低廉、实用性强、工厂加工难度小等优点。

关键词：新型可控制輸液吊瓶;液面高度计;滑轮组;报警系统

中图分类号：R197.39

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0226-04

1 引言

输液是一种常用的治疗方法，但由于过程时间较长，反复查看则占用了医护人员较长的时间[1]，且药液滴速会随液面降低而减慢，如果不能及时换瓶，药效也会因此而降低。

进入21世纪后，我国的医疗水平实现了跨越式的发展，但是医疗资源尤其是医护资源仍然宝贵。相关调查表明，我国医护比例严重失调[2]。北京大学护理学院院长尚少梅认为，我国现行的护理人员配置仍是根据1978年原卫生部有关规定确定的，要求医护比例1∶1，普通病房床护比为1∶0.4。30多年前的标准已明显不适应医院的发展变化和患者的需求。根据世卫组织统计，全球人均拥有护士数量最多的是挪威，每千人拥有护士数量达17.27人，欧盟制定的基本标准为8人以上，而美国和日本分别为9.8人和11.49人。相比之下，我国每千人口护士数仅为2.36人。世界上大多数国家的护士占总人口的比重约为5‰，而我国只有1‰左右。以此推算，我国目前尚缺数百万名护士，护理人力资源配置严重不足。另一方面，由于医护人员不足，很多病患需要家属代理陪护，但是很多病患为孤寡老人，可能甚至没有家属，这进一步加重了医护人员的负担。

由此看来，目前普遍使用的医用吊瓶，存在需人工监控与人工换瓶两大主要问题，极大地降低了医护人员的工作效率。针对这两大问题，国内外提出了多种改进方案，沈阳航空航天大学陆鑫宇[3]等设计出一种医用新式输液加压器方案，解决了药液滴速降低的问题;西安铁路职业技术学院的崔少晨[4]利用重力传感器构建了基于PLC的输液监控系统，可根据吊瓶质量变化计算剩余液体量，并及时通过声光报警提醒医护人员，避免了医护人员反复查看。这些方案对吊瓶使用的便利性与医护人员的工作效率有所改善，但这些改进方案只解决了传统吊瓶现存的两大主要问题之一。

本项目是一种基于信号控制和远程传输的智能吊瓶，将两种传统吊瓶的改进方案集约化，并加以简化，不仅实现了吊瓶的“智能化”，减轻了医护人员的工作量，而且降低了吊瓶制作的成本，为其真正投入市场使用，造福于医护工作提供了条件。该新型可控制输液吊瓶可实现报警提示与控制滴液量的功能，不仅可以解放患者自身的注意力，还可在就医高峰期有效地解放医护劳动力，提高医院基础输液工作的效率，使宝贵的医护资源真正致用于痛点。基于滑轮组传动技术，电信号液面高度测定以及信号传输等技术，可传统吊瓶设计成一款能够在输液瓶中液面达到一定高度时自动停止输液的智能吊瓶，它可以在不需要人工控制的情况下，实现医院吊瓶能够根据不同病人的要求设置吊瓶的液面停止高度，可以实现对吊瓶液面的准确跟踪，到达指定液面后停止，从而解放医护人员双手，提高工作效率，具有反应迅速，定位准确，成本低、实用性强的特点。

2 吊瓶的原理

2.1 吊瓶本体结构设计

吊瓶将采用医用无规共聚聚丙烯制作瓶身和瓶底活塞，瓶底活塞依靠极低凸缘进行密封，瓶底中心设有卡扣，可以与滑轮进行连接。瓶底活塞有一定的下凹，下凹角度与瓶身收口处一致，以此来实现更加精确的高度测量;瓶底有一定重量，用以平衡瓶底与瓶身的摩擦。瓶身最高处有一圈内沿挡板，防止瓶底在运输中移位，内沿挡板在使用前必须取下并且取下后无法重新装回去，以防吊瓶被多次使用。输液管将取消大气压平衡装置，并截短进入输液瓶的长度，该长度将等于瓶口到瓶体的长度，以防止瓶底因接触到输液管而停止下降。由于输液管取消了大气平衡装置，随瓶内液面的下降，瓶内气压降低，大气压将活塞瓶底向下压从而实现瓶底与液面同时下降。瓶底下降的同时通过滑轮组带动电极滑块向上移动，达到不同高度时接通阻值不同的电路，利用电信号将高度信息传递给处理模块，由处理模块控制报警装置和停止输液装置并将信息传递到护士站。由于密封的需求，活塞瓶底和瓶身之间有较大的摩擦阻力，这个摩擦阻力将有瓶底的自重平衡并提供一定向下的压力。输液停止装置将由电磁系统带动夹头，可靠性高。

2.2 吊瓶液面测定系统

当吊瓶内液面下降时，大气压压迫可活动的活塞式瓶底一同下降，带动滑轮组传动至右方导轨上整合的电信号液面高度计，产生电信号，由信号处理与发出指令单元处理，当液面到达指定液面时，联动注射停止单元，输液停止。

2.3 活塞式瓶底的稳定性

由于有大气压的存在，当吊瓶内液面高度下降时，活塞式可动瓶底随液面下降，从而联动滑轮组，那么活塞瓶底的需要有一定的稳定性，来保证电信号液面高度计测量液面高度的准确度。

3 吊瓶总体结构设计

该吊瓶与传统吊瓶结构类似，吊瓶的主体结构主要由瓶身，可活动的活塞式瓶底构成，其中瓶身采用无规共聚聚丙烯材质，可用来盛放病人所需要的输液液体;活塞式瓶底与瓶身同材质，主要作用是与滑轮组相连，跟随液面升降而改变其在瓶身的位置。活塞的变化基于气压原理，当吊瓶内液体的液面高度降低时，吊瓶内上方空余体积增大，引起瓶内气压减小，大气压压迫瓶底，由于瓶底设计为可活动的活塞式，所以此时瓶底在大气压的作用下向下移动，带动瓶底上连接的滑轮组一起移动，从而与吊瓶外液面测定系统相联系。配合活塞一起运动的是滑轮系统，当滑轮组被带动时，固定在吊瓶右侧架上的电信号液面高度计收到电信号，与信号处理与发出指令单元联动，针对不同设定做出不同应答，当液面高度到达设定液面时（未设定液面高度时则默认吊瓶液面下降为零），信号处理与发出指令单元收到反馈，控制注射停止单元运作，此时输液将会停止。

报警及停止输液装置的设计：报警装置为一个蜂鸣器，集成在停止输液装置内。输液停止装置利用电磁控制，控制夹头的开合，以此实现输液的停止。如果出现故障，输液停止装置可以及时停止输液。

配件组装及信号传输：配件有滑扣固定在输液架上，可上下调节高度。信号传输接口采用通用USB（type-A）接口，将信号传递到处理系统。如图1所示。

4 吊瓶各部分具体设计方案

4.1 活塞密闭设计

吊瓶将采用医用无规共聚聚丙烯材料制作瓶身和可活动的瓶底活塞，根据不同的病人输液时需要的输液量不同采用不同的规格参数，以250 mL吊瓶为例：高度136±1.2 mm ，瓶口外径32± 0.3 mm。瓶底活塞依靠极低凸缘进行密封，瓶底中心设有卡扣，用来连接吊瓶架上的滑轮组。瓶底活塞有一定的下凹，下凹角度与瓶身收口处一致，以平衡瓶口处的液面损失误差，以此来实现更加精确的高度测量。瓶身最高处有一圈内沿挡板，防止瓶底在运输中移位，同时活塞直径设计的稍大于瓶身，以实现密闭作用。内沿挡板在使用前必须取下并且取下后无法重新装回去，以防吊瓶被多次使用。如图2所示。

4.2 活塞与瓶壁摩檫力与大气压强之间的平衡

由于需要利用大气压原理来进行液面高度的感知，输液管取消了大气压平衡装置。随瓶内液面的下降，吊瓶内气压降低，大气压将活塞瓶底向下压从而实现瓶底与液面同时下降。瓶底有一定重量，根据力学，瓶底的重力将与瓶底与瓶身的摩擦力相平衡，更好地利用大气压并减小误差，不同容量规格的吊瓶设计的瓶底活塞重量也会有所变化。与此同时，输液管将截短进入输液瓶的长度，该长度将等于瓶口到瓶体的长度，以防止瓶底因接触到输液管而停止下降，如图3所示。

4.3 滑轮组和线材选用

滑轮组将采用2个同规格的凹表面球轴承滑轮组成滑轮组，滑轮直径只要在30 mm以内均可，圆心轴在支架上，线材选用较为坚硬碳素线，尼龙线作为备选。2个滑轮同时装在一根支架上，滑轮之间的距离可以根据实际情况调整。支撑滑轮的硬杆采用20 mm×15 mm×300 mm的铝合金空心杆。以此装置将屏内液面下降时产生的移动距离转换为在液面高度内的滑块的移动。如图4所示。

4.4 液面高度计的设计

液面高度计由一根圆柱形导轨和由滑轮组吊起的圆柱形滑块组成，导轨内壁不同高度的两侧嵌有电极，电极略微突起并通向导轨外侧的有电阻电路，电阻的阻值由下到上依次增大。滑块高度为5 mm，其圆柱面包裹一层铝箔，滑块直径略小于导轨内径。液面高度计外部有可调节高度的轴套将其固定在吊瓶架主体支柱上，主体由一根空心圆柱形导轨和5对电极片组成，导轨内壁不同高度的两侧嵌有电极，电极略微突起并有通向导轨外侧的有电阻电路，电阻的阻值由下到上依次增大。导轨上下平面设计为可螺旋拧开的形式导轨D=30 mm，h=300 mm。在高度计底部有一个圆柱形滑块，滑块高度为5 mm，其圆柱面包裹一层铝箔，滑块直径略小于导轨内径。由于电阻阻值的不同，当瓶内液面下降时带动滑块移动经过不同电极片时会产生不同大小的电流，由大小不同的电流来控制输液停止装置何时运行。（剖面图如下所示）报警装置为一个蜂鸣器，集成在停止输液装置内。输液停止装置利用电磁控制，控制夹头的开合，以此实现输液的停止。如果出现故障，输液停止装置可以及时停止输液，以保障病人的安全，如图5所示。

5 报警系统与安全

液面高度计由传导装置和测高装置组成，液面的下降带动底部活塞的下降，通过滑轮组构成的传导装置将位移传递至测高装置，从而实现液面高度的测量。传导装置由固定在同一直线的两个同型号的小型低阻滑轮以及一根尼龙线组成，线的一端固定有卡扣，卡扣接在底部活塞的中心位置，另一端则与测高装置的滑块相连。测高装置的主体部分为一条C形开缝导轨和一个圆柱形滑块，导轨内壁不同高度的两侧嵌有电极，并且在导轨外侧的相应高度标有刻度线，电极略微突起并通向导轨外侧的有电阻电路，电阻的阻值由下到上依次增大，滑块高度为5 mm，其圆柱面包裹一层铝箔，滑块直径略小于导轨内径，并且中部有通过导轨开缝伸出导轨外侧的高度指针。停止输液装置由报警装置和停止装置组成，该装置由输液系统自动控制，同时也可以由人工控制，从而实现输液装置停止输液的自动化。报警装置主要为一个蜂鸣器，当液面下降至预先设定好的高度时，蜂鸣器会发出声音予以警示，操作人员可以通过蜂鸣器复位按键是蜂鸣器停止工作，停止装置的主体部分为一个可以完全闭合的夹子和用以驱动夹子的电磁开关，当液面下降至预先设定的高度时，电磁铁通电工作，带动夹子闭合，以此实现输液的停止，需要夹子复位时，可以通过复位按键实现整个停止输液装置的复位。若有需要，相关人员可以通过紧急停止按键实现夹子的紧急闭合，并且发出信号，如果出现故障，输液停止装置可以及时停止输液，以保障病人的安全。

6 结语

传统吊瓶的主要弊端在于需要人工进行实时监控，在就诊高峰时会大量分散医护人员的注意力，而医护资源在我国大部分地区普遍短缺。医护资源的超低端利用與大量短缺这一主要矛盾，使得宝贵的医护资源没有得到充分利用，反而浪费在了意义不大的基础看护中。

本文提出的新型吊瓶，应用大气压与电信号处理系统进行液面测定与控制，原理简单;瓶身与可活动的活塞式瓶底均采用无规共聚聚丙烯材质，成本低廉。但其性能方面相对于肉眼控制来说，液面、滑轮组、信号处理与发出指令单元三者联动，不仅灵敏度高，输液更加精准，而且实现了输液控制的全面自动化，极大解放了医护劳动力，并提高了医院的整体工作效率。它可以在不需要人工控制的情况下，实现自动停止输液，具有结构简单使用方便、实用性强，无需重新设计输液架的特点。通过重新设计的吊瓶结构，解决了吊瓶的液面测定问题，吊瓶瓶底为活塞式可活动设计，大气压原理使瓶底随液面下降从而通过滑轮组带动滑块使电信号液面高度计发出电信号，从而得知液面高度。吊瓶反馈系统设计。将平面导轨以及电信号液面高度计连接至外电路的信号处理与发出指令单元，当外电路接收到电信号后，外电路反馈给整合在架上的注射停止单元，使注射停止单元运作。

该传统吊瓶的智能化改进方案原理简单、成本低廉，但实用性强，可达到事半功倍的效果，易被医院和广大消费者接受。且其工厂加工难度小，使得量产和真正投入市场使用成为可能。

参考文献：

[1]赵 兰，张化武.电子输液报警器的研制及临床应用价值[J].医疗卫生装备，2001（6）：60.

[2]骆俊梅.护理人力资源紧缺分析及管理对策[J].中西医结合心血管病电子杂志，2019，7（10）：129～130.

[3]陆鑫宇，高 崇.医用新式输液加压器方案设计[J].西部皮革，2019，41（2）：110～111.

[4]崔少晨.基于PLC的输液监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（19）：135，223.