具有喇叭口结构的防刺伤针头帽的设计与评价

许红凤，王 红，张 印

1.首都医科大学附属北京朝阳医院，北京 100020；2.北京机电工程研究所

医务人员在工作时需要经常进行采血、注射、输液以及穿刺等操作，在这些操作中，极易发生针刺伤。相关研究表明，我国医务人员针刺伤发生率较高，特别是护理人员的每月平均针刺伤发生率达每1 000 人103.9次[1]，护理人员个体针刺伤发生率甚至达90%[2]。此外，据世界卫生组织估计，世界范围内每年约有300 万医务工作者至少发生1 次针刺伤[3]。针刺伤已成为临床操作中最常见的职业损伤之一[4]。针刺伤不仅会增加护理人员感染血源性疾病（如艾滋病、乙型病毒性肝炎、丙型病毒性肝炎等）的概率[5]，还会严重影响护理人员的心理，甚至会给医护人员和医疗单位带来经济损失。因此，如何有效预防和降低针刺伤的发生率是当前医疗领域亟待解决的一个重点问题。近年来，医务人员和医疗单位愈加重视针刺伤的防范工作，相关研究逐渐增多[6‐7]，但多是从防范意识及使用规范等方面探究针刺伤发生规律及应对策略。事实上，针头和针头帽的结构也是影响针刺伤发生率的重要因素。目前，有研究尝试通过改进针头结构来提升其防刺伤能力，如采用可相对移动的封针套管[8]、可旋式防刺伤穿刺针[9]以及可伸缩针头[10]等。这些改进的针头能够降低针刺伤发生率，但存在结构复杂、可靠性降低、使用不便等不足，并且容易被误触发而与病人肌体发生触碰或引起针头变形。相比较而言，在使用完针头后，及时将针头帽套回针头外侧（即回帽操作）可以有效降低针刺伤发生率，但常规的针头帽由于帽孔小，在回帽时也容易发生针刺伤。于是，有医护人员索性通过小泡沫垫充当针头帽[11]或者直接将针头丢弃到锐器盒或医疗垃圾桶中。为此，本研究提出借鉴自然界花朵的喇叭口结构，设计一种具有喇叭口结构的防刺伤针头帽，提高针头帽对针头的导向能力和位置偏差纠正能力，提升针头回帽成功率和工作效率，降低针刺伤发生率。

1 医用针头及针头帽结构与回帽过程

1.1 医用针头及针头帽结构 常用的医用针头及针头帽有多种样式。其中，针头多为不锈钢材质，其末端设计有锋利的斜口结构，具有直径小、穿刺性强等特点；针头帽则多采用医用聚氯乙烯（PVC）材料制作而成，一端通过内孔与针头尾部相连，另一端为封口结构。针头帽安装在针头外周，用于防止针刺伤。常规针头帽的内径约等于针头尾部针栓的外径，帽孔尺寸小，并且外观半透明不易观察，虽然针头帽内侧有一定的锥度，但其对针头的导向作用和位置偏差纠正作用较弱，导致双手回帽极易发生针刺伤，单手回帽则会显著降低工作效率。

1.2 针头帽回帽过程分析 本节以注射器为例，对针头帽的回帽过程进行说明，如图1 所示。其中，图1(a)所示为注射器的结构组成（含针头帽），图1(b)～1(d)所示则为注射器针头与针头帽之间的3 种典型位置关系，即针头位于针头帽帽孔内、针头位于针头帽边缘处以及针头位于针头帽外侧，在这3 种典型情形中，只有图1(b)所示的情形能够保证回帽操作的顺利完成。

图1 注射器针头与针头帽之间的位置关系

从数学角度讲，针头回帽成功率（记作Pb）可以用针头的截面积Sn与针头帽帽孔截面积Sc的比值来衡量，即Pb=Sn/Sc。将针头外径和针头帽帽孔内径分别记作dn和dp，则可得Pb=Sn/Sc=(dn/dp)2，说明回帽成功率Pb等于针头外径与针头帽帽孔内径比值的平方。据此可知，由于图1 所示的常规医用针头的外径与针头帽的帽孔内径的比值并不是很大，因而容易导致针头回帽成功率不高。

2 模拟花朵喇叭口结构的针头帽设计

2.1 花朵喇叭口结构分析 自然界有多种开花植物需要借助昆虫进行传粉和授粉。为增加昆虫在花朵上的停驻机会，在长期的自然选择和进化过程中，许多开花植物的花朵（如牵牛花、打碗花等）都进化成了喇叭口状的内凹锥形结构。除了较大的表面积有助于昆虫停驻外，喇叭口的内凹锥形结构还具有很好的导向作用，有助于昆虫在自身重力及喇叭口结构约束下向花蕊部分运动（如图2 所示），从而大大增加传粉和授粉的几率。

图2 喇叭口结构的导向过程

由于喇叭口结构具有良好的导向作用和位置偏差纠正作用，因此，这种结构在多个领域都得到了广泛的应用，如飞机的空中加油对接机构[12]、水下机器人的对接机构[13]以及空间飞行器的对接机构[14]都不约而同地用到了喇叭口结构。

2.2 具有喇叭口结构的针头帽设计 受花朵喇叭口结构的启发，本节应用SolidWorks 软件设计了一种新型的具有喇叭口结构的针头帽，如图3 所示。其中，图3(a)所示为针头帽的整体结构，它主要由喇叭口和帽体组成，在喇叭口和帽体的外侧均设计有防滑条；图3(b)为针头帽的剖视图，图中的结合部是指针头帽与针头尾部针栓相连接的部位。

图3 具有喇叭口结构的针头帽

依据操作习惯，医务人员多以捏取方式对针头帽进行取放（如图4 所示），因此，为降低针刺伤发生率，可限定针头帽喇叭口底部内径dc满足dc≥tT+tI+ds，其中，tT和tI分别表示拇指和食指的指尖厚度，ds表示针头帽帽体外径，针头帽喇叭口的高度h应保证针头帽的结合部与针栓能实现有效连接。此时，针头帽的理论回帽成功率为Pb=(dn/dc)2，相比常规针头帽，其回帽成功率会显著提升。此外，喇叭口结构对针头具有很好的位置偏差纠正能力，当针头以多种姿态（如正对或倾斜等）向针头帽喇叭口运动时（如图5 所示），均有较大几率实现顺利回帽，有效提升针头回帽成功率和工作效率。

图4 人手以指尖捏取方式取放针头帽

图5 针头与具有喇叭口结构的针头帽之间的相对关系

2.3 具有喇叭口结构的针头帽使用方法 对于常规的医用针头帽，由于直径较小，回帽时极易发生针刺伤，因此，医疗单位多建议采用单手回帽而不建议甚至是禁止双手回帽。对于具有喇叭口结构的针头帽来讲，由于喇叭口具有很好的导向作用以及对人手手指的防护作用，既可以采用单手回帽，也可以采用双手回帽。此外，该针头帽可以与针头配套包装，也可以将多个针头帽置于针头帽盒中批量使用，以提升工作效率。

2.4 具有喇叭口结构的针头帽试样制作 以图6(a)所示的5 mL 医用注射器为例，结合图6(b)所示的医用针头帽，设计了相匹配的具有喇叭口结构的针头帽，其中，喇叭口的内侧最大直径为18 mm，喇叭口高度为10 mm，选用透明树脂材料，通过3D 打印技术制作了针头帽试样见图6(c)。

图6 医用注射器与两种针头帽

3 具有喇叭口结构的针头帽使用评价

在北京市某三级甲等医院冠心病监护室，邀请10名护理人员（均为女性）进行了使用。10 名护理人员的工作年限为3～8 年，平均每天使用医用针头≥10次。试验时，使用未拆封的注射器，并将针头帽试样进行酒精消毒处理，每名护理人员各自使用两种针头帽分别进行5 次单手回帽和5 次双手回帽，随后对使用效果进行评价。

对两种针头帽的使用效果如图7 所示。对于具有喇叭口结构的针头帽，单手回帽和双手回帽均具有很高的成功率，并且完成回帽所需的时间较短；而对于常规医用针头帽，单手回帽的成功率较低，双手回帽的成功率有所提升，但仍然偏低，并且完成回帽均需要较长的时间。10 名护理人员均认为具有喇叭口结构的针头帽具有良好的使用安全性，而常规医用针头帽的安全性较差。由此可知，相比常规医用针头帽，本研究所设计的具有喇叭口结构的针头帽能有效提升针头回帽成功率和工作效率，降低针刺伤发生率。

图7 两种针头帽的使用效果

4 结论

本文借鉴花朵的喇叭口结构，设计了一种具有喇叭口结构的防刺伤针头帽，然后采用3D 打印技术制作了针头帽试样，并进行了使用效果评价。结果表明，具有喇叭口结构的针头帽对针头具有良好的导向作用和位置偏差纠正作用，能够有效提升针头回帽成功率和工作效率，降低针刺伤发生率，并具有结构简单且使用方便的特点。