劉瑋，沈穎惠，鄒進(jìn)，黃謙，卜丹霞，張帆

岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)部，湖南岳陽 414000

一種基于浮球閥門控制的自動換瓶裝置研究

劉瑋，沈穎惠，鄒進(jìn)，黃謙，卜丹霞，張帆

岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)部，湖南岳陽 414000

目的研究并開發(fā)一種用物理原理控制的、不耗電的醫(yī)用輸液自動換瓶裝置來減輕臨床護(hù)士換瓶工作量。方法先對比分析各物理原理控制的自動換瓶裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，找出浮球閥門控制的核心原理、控制位點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，對浮球及浮球閥門室的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行函數(shù)推導(dǎo)，根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果確定適合的參數(shù)，包括醫(yī)用材料選擇、浮球閥門形狀及大小、閥門室大小及各開口位置等并最終設(shè)計(jì)成型。結(jié)果通過建模驗(yàn)證浮球閥門實(shí)現(xiàn)了控制液體、氣體分時(shí)相、分通道通過輸液頭的功能。結(jié)論該浮球閥門控制的自動換瓶裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，使用便捷，安全可靠，且為全軟袋輸液或軟袋硬瓶混合輸液的自動換瓶裝置研究提供了一個全新的解決思路。

物理原理；浮球閥門；醫(yī)用輸液；軟袋輸液；自動換瓶裝置

引言

醫(yī)療器械的自動化、智能化是一大發(fā)展趨勢。醫(yī)院輸液自動換瓶裝置由于具有減輕護(hù)士勞動強(qiáng)度、降低護(hù)患糾紛、免于照看，不影響患者休息等優(yōu)點(diǎn)而成為醫(yī)療器械研究的熱點(diǎn)。然而，一提到自動換瓶控制，人們很容易就想到自動控制原理，即由探測器、中心處理器、效應(yīng)控制器等基本部件構(gòu)成。這種方式筆者也做過研究并且已經(jīng)申請了中國國家發(fā)明專利[1-2]，但這種裝置的缺點(diǎn)也比較明顯，一是體積較大，使用不方便，特別是不能隨意移動；二是可靠性低，易受其它因素的影響，且要供電，使用成本也高。針對以上這些缺點(diǎn)，研究一種全新原理控制的自動換瓶裝置就顯得非常必要。物理原理（如重力、浮力、氣壓等）是自然界中普遍存在的自然規(guī)律，巧妙利用這些原理來實(shí)現(xiàn)自動控制能實(shí)現(xiàn)許多相對優(yōu)點(diǎn)，如：結(jié)構(gòu)簡單、輕便、可靠性高，且不耗電，使用極其方便。

1 常見醫(yī)用輸液物理控制自動換瓶的原理方式及評價(jià)

物理控制初看沒有電子控制復(fù)雜，但要真正實(shí)現(xiàn)起來其關(guān)鍵是控制原理是否“精妙”。通過對物理控制原理系統(tǒng)的研究及查閱專利庫中相關(guān)文獻(xiàn)，常見物理原理控制方式有以下幾種。

1.1 壓強(qiáng)閥門控制

壓強(qiáng)閥門控制是輸液自動換瓶領(lǐng)域內(nèi)最易想到的物理控制控制方式，專利庫中有較多利用這一原理的專利文件。其基本原理為通過改變各液體瓶的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)自動換瓶，使壓強(qiáng)最大的首先輸液，壓強(qiáng)第二的次之，如此類推。這種方式操作起來有一定難度，它既要考慮瓶內(nèi)隨著輸液其壓強(qiáng)的變化，又要考慮多瓶液體時(shí)使用高度的限制，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜化，同時(shí)，它還存在不能臨時(shí)加掛的抗生素類輸液瓶、不能杜絕輸液瓶藥液大量混合的問題，因此目前市場上一直沒有該類產(chǎn)品銷售[3-6]。

1.2 流體閥門控制

如“Y”形閥門控制方法，見圖1。其原理是利用流體對“Y”形閥門各分支沖擊力大小來控制閥門的開關(guān)。即當(dāng)前端輸入液體時(shí)，液體沖擊“Y”形閥門的下端閥門臂，“Y”形閥門逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，同時(shí)封閉上端的進(jìn)氣道和出液道，液體經(jīng)下端的連接管道流向下一瓶。當(dāng)前端輸入空氣時(shí)（前一瓶輸注完畢），“Y”形閥門右邊的閥門臂形成的力矩大于左邊兩個閥門臂形成的力矩，“Y”形閥門在重合力力矩作用下回位，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，打開上端導(dǎo)氣管和導(dǎo)液管同時(shí)關(guān)閉下端聯(lián)絡(luò)通道，空氣進(jìn)入導(dǎo)氣管，使當(dāng)前瓶液體流出導(dǎo)液管向后一輸液頭輸送，完成自動換瓶。這種物理原理控制自動換瓶裝置太過精巧，需要反復(fù)探索“Y”形閥門各支重力力矩大小及與輸液流體沖擊力、閥門關(guān)閉力度之間的關(guān)系，應(yīng)用條件苛刻，適應(yīng)范圍狹窄，因而實(shí)際應(yīng)用存在一定難度[3]。

圖1 “Y”形閥門控制示意圖

1.3 重力閥門控制原理

在醫(yī)用輸液瓶及輸液量沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的情況下，依靠重力來控制自動換瓶的裝置沒有多大的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)槠潇`敏度和安全性均較差。

浮球閥門控制原理是本團(tuán)隊(duì)率先應(yīng)用的物理控制原理[7-8]，它著眼點(diǎn)為輸液頭內(nèi)液體有無的變化，推導(dǎo)出浮力變化規(guī)律，并應(yīng)用該浮力變化規(guī)律來巧妙設(shè)計(jì)閥門。該物理原理控制自動換瓶的思路視角獨(dú)特，突破了思維上的局限，開創(chuàng)了一個全新的研究及應(yīng)用領(lǐng)域。

2 材料與方法

2.1 浮球閥門控制的控制位點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

目前常用的醫(yī)用輸液器（管）包括進(jìn)氣管、輸液頭、出液管、墨菲氏滴管、滴速閥門、轉(zhuǎn)換器、穿刺針等。其中，墨菲氏滴管以下一般不做結(jié)構(gòu)性改動。自動換瓶裝置應(yīng)能一次連接多瓶液體，形成多瓶輸液器。多瓶輸液器的連接方式多種多樣，最普遍的連接方式是用軟管連接多個輸液頭的方式。輸液頭部位是多瓶輸液器的浮球閥門控制機(jī)關(guān)的最佳實(shí)施部位。

在輸液頭部位實(shí)施浮球閥門控制機(jī)關(guān)要解決以下兩個問題：一是避免藥液混合的問題，即前一瓶液體如何通過后一瓶的輸液頭而且還要避免與后一瓶液體相混合；二是如何自動換瓶的問題，即當(dāng)前一瓶液體輸注完畢后即空氣進(jìn)入后一瓶的輸液頭時(shí)，如何及時(shí)引導(dǎo)氣體流入后一瓶液體瓶內(nèi)，使后一瓶開始輸液，完成自動換瓶。

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于浮球閥門控制的、應(yīng)用于臨床全硬瓶輸液的自動換瓶裝置的示意圖，見圖2。

圖2 基于浮球閥門控制的自動換瓶裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該浮球閥門控制的自動換瓶輸液頭由管道及開口、浮球閥門、手柄等基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其5個管道包括入液氣管、出液氣管、導(dǎo)氣管、導(dǎo)液管及聯(lián)絡(luò)管；對外有4個開口即導(dǎo)氣管口、導(dǎo)液管口、入液氣管口、出液氣管口。使用時(shí)，用軟管串聯(lián)連接多個輸液頭，其中第1個輸液頭的入液氣管口暴露于空氣中，最后1個輸液頭的出液氣管口連接墨菲氏滴管及流速控制閥門，多個輸液頭串聯(lián)示意圖，見圖3。

圖3 多個輸液頭串聯(lián)示意圖

2.3 浮球控制的工原理

如圖3所示，當(dāng)前輸液頭插入第2瓶液體內(nèi)。當(dāng)?shù)?瓶輸出的液體經(jīng)入液氣管口進(jìn)入浮球閥門室內(nèi)并充滿閥門室，使浮球閥門上浮，封閉導(dǎo)氣管在閥門室的開口，阻止氣體、液體進(jìn)入第2瓶液體瓶內(nèi)，達(dá)到避免液體混合的目的。同時(shí)，液體經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道流經(jīng)第2個輸液頭（即當(dāng)前輸液頭）。同理，液體再流經(jīng)第3個輸液頭并最終輸入人體血管內(nèi)。當(dāng)?shù)?瓶液體輸注完畢后，空氣經(jīng)第1瓶液體的瓶內(nèi)流入當(dāng)前輸液頭的入液氣管口，并進(jìn)入浮球閥門室，閥門室內(nèi)液體減少，當(dāng)浮力小于閥門重力時(shí)閥門下降，封閉閥門下端聯(lián)絡(luò)管的開口，同時(shí)打開閥門上端的導(dǎo)氣管開口，這時(shí)封閉的出液道主動抽吸第2瓶內(nèi)的液體，使閥門室內(nèi)的空氣被動進(jìn)入第2瓶內(nèi)，第2瓶的液體得以繼續(xù)輸注，換瓶成功。

2.4 產(chǎn)品實(shí)施

2.4.1 材料選擇及成型

本輸液頭可以在現(xiàn)有輸液頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，可以適當(dāng)增加輸液頭下部（瓶外部分）尺寸和形狀以方便設(shè)計(jì)閥門室及相關(guān)通道；也可以改變手柄形狀以便于握持方便；還可以適當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣管和出液管開口高度，使瓶內(nèi)殘留液體更少。輸液頭3D設(shè)計(jì)圖以及產(chǎn)品的成品圖，見圖4。在產(chǎn)品加工過程中，考慮到浮球閥門加工和放置的問題，可以在輸液頭閥門室預(yù)先開窗來處理。在材料選擇方面，輸液頭主體可以選擇普通醫(yī)用塑料，但浮球閥門的選材很關(guān)鍵，經(jīng)本團(tuán)隊(duì)成員廣泛查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)選擇相對密度為0.83的聚甲基戊烯為最好，其安全可靠，本身也可用于醫(yī)療器械及食品容器，其次可以選擇相對密度0.85～0.91聚丙烯，其價(jià)格便宜，易于加工。不管選擇哪種材料做浮球閥門，如能做成中空的最好。

圖4 輸液頭的3D設(shè)計(jì)圖(a)和產(chǎn)品成品圖(b)

2.4.2 細(xì)節(jié)處理

為了使浮球閥門隨著浮力增加而關(guān)閉愈緊可以把閥門室的上下端的截面設(shè)計(jì)成三角形，而浮球閥門的上下端設(shè)計(jì)為半球形；閥門室側(cè)面的開口即入口位置較高，可以防止輸注當(dāng)前液體瓶時(shí)液體經(jīng)底部開口處返流，即當(dāng)返流液體在閥門室內(nèi)積聚接近入口底部時(shí)，閥門浮起，阻斷空氣進(jìn)入而暫停瓶內(nèi)輸液輸注，殘留在閥門室內(nèi)的液體則繼續(xù)向后方流動，導(dǎo)致液面降低，避免返流。當(dāng)液面進(jìn)一步降低后閥門下降，空氣進(jìn)入瓶內(nèi)，瓶內(nèi)液體又開始輸注，整個過程使瓶內(nèi)的液體呈脈沖式輸注；閥門室側(cè)面入口的直徑應(yīng)大于其底端的開口；應(yīng)設(shè)計(jì)一個便于固定的裝置，便于在使用過程中保持輸液頭近似垂直；設(shè)計(jì)一個保護(hù)套用以保護(hù)輸液頭插入部分，且保護(hù)套在對應(yīng)氣體通道的開口處預(yù)留一排氣孔，排氣孔外有一軟瓣膜保護(hù)。

2.5 浮球閥門的相關(guān)函數(shù)推導(dǎo)

2.5.1 定變量分析

在分析相關(guān)變量之前先設(shè)定一些定量，我們設(shè)定浮球?yàn)橹虚g一個圓柱加上兩端兩個同樣半徑的半球構(gòu)成，浮球閥門室為中央一個圓柱體加上兩端兩個同半徑的圓錐體構(gòu)成。重力加速度為g，輸注的液體密度ρ0≈1，浮球分為空心和實(shí)心兩種。

浮球及浮球閥門室在設(shè)計(jì)中要考慮的變量有：浮球閥門的相對密度ρ1，浮球中間的圓柱及兩端半球的半徑均為r，中間圓柱的長為h0；閥門室中間的圓柱及兩端圓錐體的半徑均為R，圓柱的長為L0，圓錐的高為H。浮球閥門的體積為v，浮球閥門室的體積為V。閥門室中間圓柱部分從圓柱底部到入液氣管開口下緣的長度為h1。浮球閥門所受的浮力為F，浮球閥門的重力為G。當(dāng)浮球?yàn)榭招臅r(shí)，空心的浮球閥門浮球中間的圓柱及兩端半球的內(nèi)半徑均為r’，中間圓柱的長仍為l。

2.5.2 浮球密度與閥門室液面高度的關(guān)系函數(shù)推導(dǎo)

當(dāng)浮球?yàn)閷?shí)心浮球時(shí)，閥門室內(nèi)液體掩蓋閥門的實(shí)際高度h相對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)如下[9-11]：

當(dāng)閥門室內(nèi)液體掩蓋閥門的高度h與浮球閥門的相對密度ρ1、總高度h0及半徑r均有關(guān)系，即當(dāng)h≥(ρ1?-3/8) r+ρ1h0時(shí)浮球開始上浮?？梢钥闯?，假如浮球閥門的相對密度為0.5，則h=0.5h0，即閥門室內(nèi)液體掩蓋浮球閥門一半高度的時(shí)候，浮球開始上浮。

當(dāng)浮球?yàn)榭招母∏驎r(shí)，閥門室內(nèi)液體掩蓋閥門的實(shí)際高度h相對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)如下：

結(jié)論：當(dāng)浮球閥門為空心浮球時(shí)，閥門室內(nèi)液體掩蓋閥門的高度h與浮球閥門的相對密度ρ1、總高度h0及外半徑r及內(nèi)半徑r，均有關(guān)系，即當(dāng)h≥ρ1(r-r’3/r2)?+ρ1h0[1-(r’/ r)2]-3r/8時(shí)浮球開始上浮。同樣地，假如浮球閥門的相對密度為0.5，r’=0.5r，則h=3r/64+3h0/8，即閥門室內(nèi)液體掩蓋浮球閥門高度為3r/64+3h0/8的時(shí)候，浮球開始上浮。

2.6 使用說明

使用時(shí)按以下步驟進(jìn)行：

（1）排氣操作。先把第1個輸液頭插入第1瓶液體內(nèi)，這時(shí)，其余待用的輸液頭全部用保護(hù)套套好，且用支架固定在第1個輸液頭上，讓它們基本保持垂直。然后在第1、2個輸液頭的連接軟管內(nèi)施加負(fù)壓（擠壓然后封閉固定遠(yuǎn)端即可），第1瓶內(nèi)的液體在該負(fù)壓的作用下打破原雙開口的氣壓平衡后進(jìn)入連接管，同時(shí)空氣開始進(jìn)入第1瓶液體內(nèi)。這時(shí)液體一邊往第2個輸液頭流動，一邊經(jīng)第2個輸液頭的導(dǎo)氣管排氣。當(dāng)液體進(jìn)入第2個輸液頭的閥門室內(nèi)后，閥門上浮封閉導(dǎo)氣管，液體通過第2個輸液頭底端通道繼續(xù)流向第3個輸液頭，第3個輸液頭同樣地先經(jīng)導(dǎo)氣管排氣，排氣完成后由閥門控制其液體經(jīng)底部通道流出，液體最后經(jīng)墨菲氏滴管后進(jìn)入穿刺針內(nèi)。這一步過程雖復(fù)雜，但并沒有增加護(hù)士額外的排氣的操作。

（2）按照意愿加掛液體。護(hù)士可以在完成第一步后一次性地全部加掛好所有的液體瓶（取下保護(hù)套，把輸液頭插入瓶內(nèi)即可），也可以先空著，只要在前一瓶滴完之前掛上就行。掛幾瓶、留幾瓶，什么時(shí)候補(bǔ)掛全都由護(hù)士自行安排，避免患者或家屬的集中呼叫。

（3）多輪使用方法。即有時(shí)患者輸注液體瓶數(shù)較多，而一根產(chǎn)品只有3～4個輸液頭，當(dāng)輸完這3～4瓶時(shí)該如何操作。首先，應(yīng)當(dāng)在這一輪最后一瓶輸注完畢后立即關(guān)閉墨菲氏滴管后的總閥門（保持該輸液頭后面的管道內(nèi)有液體），然后取下第1瓶的空瓶換上新的液體瓶，其后的空液體瓶取下后用保護(hù)套套好，并用支架固定好，再重復(fù)（1）的排氣操作即可。

2.7 建模研究

為了直觀地反映其自動換瓶工作原理及過程，特建造一個模型，并在該模型的4個開口（分別是入氣液管口、導(dǎo)液口、出液氣管口）中的3個開口處均安置一個流速感應(yīng)器（除了導(dǎo)氣管，因?yàn)槠涫冀K沒有液體經(jīng)過，為了避免多條線重疊而省略）。模擬多瓶輸液，觀測并記錄第2瓶以后任意一瓶輸液頭的各開口的流速及時(shí)間變化曲線。

3 結(jié)果

為了記錄方便，研究時(shí)以換瓶時(shí)間為中點(diǎn)，向前向后擴(kuò)大3 s為記錄換瓶時(shí)間，然后以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以流速為縱坐標(biāo)，繪制其自動換瓶前后各管口流速變化曲線圖，見圖5。

圖5 自動換瓶前后各管口流速變化曲線圖

可以看出，第1～2 s該輸液頭僅提供通道，入量=出量。出液氣管口其流速始終沒有變化，說明該管口沒有斷流。入氣液管口流速先降低，而導(dǎo)液管內(nèi)這時(shí)還沒有液體（因浮球閥門還沒有下沉），但由于閥門室內(nèi)殘留液體補(bǔ)充，因此出液氣管口流速不變。隨后導(dǎo)液口開始流經(jīng)液體，說明浮球閥門已經(jīng)下沉空氣進(jìn)入輸液瓶內(nèi)。從圖表可以看出，浮球閥門發(fā)揮作用的時(shí)間在第2～3 s內(nèi)。

4 討論

相比于其他物理原理控制的自動換瓶裝置，通過實(shí)驗(yàn)，證明本產(chǎn)品從理論到實(shí)踐完全可行，且結(jié)構(gòu)簡單（只改變輸液頭底部結(jié)構(gòu)），可靠性高，使用方便。產(chǎn)品加工工藝簡單，原材料消耗較少。相比于其他電子智能控制的自動換瓶裝置，本產(chǎn)品的優(yōu)勢更加明顯，如體積小，移動方便；不耗電，救護(hù)車內(nèi)也可應(yīng)用；一次性使用，可靠性高，不用擔(dān)心產(chǎn)品故障；成本低廉，個體診所也可以應(yīng)用。但使用時(shí)要注意一些小的細(xì)節(jié)，如排氣操作中的氣體通道的開口要通暢，始終要保持近似垂直等[12-13]。另外相比于電子智能控制的自動換瓶裝置，在液體輸注完成后不能自動停止輸液也是本產(chǎn)品最大的缺陷，而電子控制的自動換瓶裝置一般都可以自動終止或報(bào)警[14]。

本產(chǎn)品由于滿足了3方面的需求，即護(hù)士需求（減輕勞動強(qiáng)度）[15]、醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)需求（提升效益，減少護(hù)患糾紛）、患者需求（免于輸液照看，不影響其休息），再加上結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、方便可靠等特點(diǎn)，可以斷定在不久的將來必定會取代當(dāng)前廣泛使用的普通輸液器[16]。

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本文編輯 袁雋玲

Study of a Automatic Bottle Change Device Based on Float Valve Control

LIU Wei, SHEN Ying-hui, ZOU Jin, HUANG Qian, BO Dan-xia, ZHANG Fan
Department of Basic Medicine, Yueyang Vocational and Technical College, Yueyang Hunan 414000, China

ObjectiveTo develop a medical infusion automatic bottle change device that was physical principle controlled and was without power consumption so as to alleviate the workload of clinical nurses.MethodsFirstly, the advantages and disadvantages of each automatic bottle change device guided by physical principle were analyzed. Then, the core principles of fl oat valve control, locus control and technical diff i culties were found out. The function of relevant indicators of fl oating ball and fl oat valve chamber was deduced. Based on the derived results, suitable parameters including medical material selection, shape and size of fl oat valve, size of the valve chamber and each open position were decided and fi nal design was determined.ResultsThrough modeling and verif i cation fl oat valve, functions like liquid control, gas phase time-sharing and channeled infusion were realized.ConclusionThe structure of this automatic bottle change device controlled by fl oat valve is simple. The cost of it is low. In addition, it is easy to use, as well as safe and reliable. It provides a new solution for automatic bottle change device of soft bag injection and the mixed infusion of soft bag and hard bottle.

physical principle; fl oat valve; medical infusion; soft bag injection; automatic bottle change device

R472

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.013

1674-1633(2017)04-0046-04

2016-04-22

2016-05-09

湖南省教育廳一般資助項(xiàng)目（16C1636）。

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