壓力感應(yīng)式傳感器輸液報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何洪林，趙育新，錢 俊，謝 峻，江 葉，徐 荀

壓力感應(yīng)式傳感器輸液報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何洪林，趙育新，錢 俊，謝 峻，江 葉，徐 荀

目的：設(shè)計(jì)一種壓力感應(yīng)式傳感器輸液報(bào)警系統(tǒng)。方法：結(jié)合一種成本低廉的硅橡膠/炭黑壓力傳感器，運(yùn)用簡(jiǎn)單電路與報(bào)警系統(tǒng)或者控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)輸液袋液面過低后報(bào)警甚至自行停止輸液的報(bào)警控制系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果：該報(bào)警系統(tǒng)在8組實(shí)驗(yàn)中，平均報(bào)警液面高度為3.5 cm，報(bào)警成功率高達(dá)87.5%。結(jié)論：在保證輸液正常進(jìn)行的前提下，該報(bào)警系統(tǒng)具有有效性以及良好的穩(wěn)定性，但在傳感器的敏感性方面還有待改進(jìn)。

壓力傳感器；輸液袋；報(bào)警系統(tǒng)

0 引言

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療的技術(shù)中，靜脈輸液依舊是臨床治療的最基本的操作方式與最重要的治療給藥途徑[1-3]。但是在輸液的過程中，醫(yī)務(wù)人員不可能全程監(jiān)控，患者自己或者陪護(hù)需要時(shí)刻注意輸液的進(jìn)程，觀察是否輸液完畢，否則輸液完畢后輸液管中的空氣進(jìn)入人體可能造成空氣栓塞，對(duì)人體造成負(fù)面影響，甚至是生命威脅。微量的空氣進(jìn)入人體，即使不會(huì)造成生理系統(tǒng)的紊亂或者生命威脅，對(duì)于患者的心理影響也是不可忽視的，由此引發(fā)的醫(yī)療糾紛也屢見不鮮。為了避免這種情況發(fā)生，結(jié)合新型材料的壓力傳感器，設(shè)計(jì)了輸液報(bào)警系統(tǒng)，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 壓力傳感器的工作機(jī)理

壓力傳感器通過在一般聚合物中加入各種導(dǎo)電填料、添加劑，采用分散復(fù)合、層積復(fù)合等方法制成。導(dǎo)電機(jī)理比較復(fù)雜，一般可分為導(dǎo)電回路如何形成以及回路形成后如何導(dǎo)電2個(gè)方面。

根據(jù)高分子材料的性能，與導(dǎo)電填料進(jìn)行復(fù)合，將含量控制在滲流閾值附近，形成聚合物——填料界面層。在這個(gè)界面的形成過程中要注意填料的分散是否均勻，形成良好的聚合物——填料界面層以后，在外界條件作用下，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電填料在高分子材料中的密度或者分布發(fā)生變化，從而使材料的電阻率發(fā)生改變，進(jìn)而影響到電阻發(fā)生變化。

但是通常導(dǎo)電填料加入聚合物基體中后，不可能真正達(dá)到多項(xiàng)均勻分布，因此，總有部分導(dǎo)電粒子能夠互相接觸而形成鏈狀導(dǎo)電通道，使復(fù)合材料得以導(dǎo)電；而另一部分導(dǎo)電粒子則以孤立粒子或小聚集體形式分布在絕緣的樹脂基體中，基本上不參與導(dǎo)電。但是由于導(dǎo)電粒子之間存在著內(nèi)部電場(chǎng)，如果這些孤立粒子或小聚集體之間距離很近，中間只被很薄的樹脂層隔開，那么由于熱振動(dòng)而被激活的電子就能越過樹脂界面層所形成的勢(shì)壘而躍遷到相鄰的導(dǎo)電粒子上，形成較大的隧道電流，這種現(xiàn)象在量子力學(xué)中被稱為隧道效應(yīng)?；蛘呤菍?dǎo)電粒子間的內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，電子將有很大的幾率飛越樹脂界面層的勢(shì)壘而躍遷到相鄰的導(dǎo)電粒子上產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電流，導(dǎo)致薄膜電阻值發(fā)生變化。

本文使用的傳感器的基本材料是由基體材料室溫硫化硅橡膠、導(dǎo)電填料炭黑以及其他添加材料例如二氧化硅等對(duì)人體無毒無害并且難以與輸送液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性材料復(fù)合而成，可以直接與輸液液體接觸而不會(huì)對(duì)人體造成負(fù)面影響。

壓力傳感器是主要由導(dǎo)電填料以及基體材料與添加劑、催化劑等制備成的具有壓敏效應(yīng)的復(fù)合材料。壓力傳感器具有良好的導(dǎo)電性以及彈性，當(dāng)受到外界應(yīng)力的時(shí)候，其內(nèi)部粒子的分布發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料的體積電阻率發(fā)生變化，由壓力而導(dǎo)致的電阻變化將轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸出來。

當(dāng)傳感器受到擠壓或者拉伸時(shí)，復(fù)合界面以及導(dǎo)電材料的體積發(fā)生形變，介質(zhì)中的絕緣體受到擠壓，導(dǎo)電顆粒相互接觸，形成新的導(dǎo)電通道。宏觀上來說，體積的壓縮增加了炭黑的體積百分比，因而達(dá)到電阻降低的效果，所以，只要控制炭黑的體積百分比，復(fù)合材料就能隨著外力增加而降低電阻，并且將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸出來[4-8]。其工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 壓力傳感器工作機(jī)理

2 報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 報(bào)警系統(tǒng)的工作原理

圖2 報(bào)警系統(tǒng)電路圖

圖2為報(bào)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電路圖。壓力傳感器以及與之相接的基本電路都鋪設(shè)于輸液袋的內(nèi)部靠近輸液口的位置，然后外接電源與信號(hào)接收系統(tǒng)，由處理器分析信號(hào)的變化控制系統(tǒng)報(bào)警以及阻斷輸液的工作。

當(dāng)輸液袋懸掛于輸液架上時(shí)，接通電源，此時(shí)傳感器受到內(nèi)部液體的重力壓迫而處于多導(dǎo)電鏈狀態(tài)，電阻較小。隨著輸液的進(jìn)行與液面的下降，來自內(nèi)部液體的重力壓迫隨之減小，導(dǎo)電鏈數(shù)目減少，從而使傳感器的阻值隨之上升，直至達(dá)到極限最大電阻。此時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到電阻增大而發(fā)出的電信號(hào)，發(fā)出指令報(bào)警并且阻斷輸液以防空氣進(jìn)入人體。

用2片自制的銅網(wǎng)電極上下夾住傳感器，并且在外面包覆一層保護(hù)性織物，就制成了一個(gè)薄型的柔性的具有壓力感應(yīng)能力的傳感器。來自液體的壓力施加給傳感器，硅橡膠/炭黑壓力傳感器試樣由2片銅片電極夾持，隨著輸液袋中液體的減少，袋內(nèi)液面下降，傳感器受到的壓力降低，電阻上升，從而導(dǎo)致電壓在測(cè)量電路中分配變化，這種變化將被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)捕捉到并且反應(yīng)為電信號(hào)[9-10]。本文所設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖3所示。

2.2 報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

由于傳感器材料的限制，不同的硅橡膠/炭黑壓力傳感器的體積電阻率不同，每次的傳感器變更都需要重新確定傳感器的阻值變動(dòng)范圍以及極限電阻。

為了驗(yàn)證在不同液面高度也就是不同壓力下傳感器是否都能正常發(fā)出電信號(hào)，設(shè)計(jì)了以下8組實(shí)驗(yàn)，根據(jù)傳感器的使用情況，分別在不同種溶液以及不同種高度下進(jìn)行。作者研制的硅橡膠/炭黑壓力傳感器的壓敏閾值在0～30 kg，阻值變動(dòng)范圍在600～1 500 Ω，所以設(shè)置報(bào)警極限電阻為1 500 Ω。具體數(shù)據(jù)見表1。

圖3 輸液袋報(bào)警系統(tǒng)線路實(shí)物圖

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，平均報(bào)警液面高度為3．5 cm，報(bào)警成功率高達(dá)87．5%。

包裹在傳感器外面的保護(hù)膜有效地將電極與輸液液體隔離，在進(jìn)一步保證輸液液體不會(huì)被污染的條件下，也保證了報(bào)警裝置的有效性。否則，在輸液液體成分為電解質(zhì)的條件下，裸露的電極和輸液液體直接接觸的話，2個(gè)電極之間的電路回路將被破壞，造成系統(tǒng)短路或者報(bào)警系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，使用醫(yī)用NaCl溶液作為藥液組別的報(bào)警液面高度普遍較低，這是由醫(yī)用NaCl溶液的密度較大，達(dá)到報(bào)警極限電阻所需的溶液較少而造成的。報(bào)警液面的浮動(dòng)范圍較小，在可控范圍內(nèi)，證明傳感器的穩(wěn)定性良好，壓敏性能也比較出眾。第4組實(shí)驗(yàn)品沒有報(bào)警，原因有多種，可能是傳感器受到擠壓造成阻值回復(fù)不到極限電阻，也有可能是輸液袋傾斜造成傳感器一側(cè)的液體壓力過大。

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3 結(jié)語

壓力感應(yīng)式傳感器在輸液報(bào)警器材料的選擇方面與傳統(tǒng)的傳感式報(bào)警裝置有了很大的革新，但是傳感器的敏感性也是該裝置中比較不穩(wěn)定的因素，還需要在此方向上繼續(xù)改進(jìn)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)壓力傳感方式下輸液袋的報(bào)警控制系統(tǒng)。

[1] 王紅，曾尟枚，盧慧芳，等．輸液移動(dòng)信息系統(tǒng)在門診護(hù)理中的應(yīng)用[J]．華南國(guó)防醫(yī)學(xué)雜志，2013，27（2）：129-130．

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（收稿：2013-10-16 修回：2014-04-30）

Realization of transfusion alarm system with pressure sensor

HE Hong-lin1,ZHAO Yu-xin1,QIAN Jun2,XIE Jun1,JIANG Ye3,XU Xun2
(1.Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Wuhan 430070,China;2.School of Printing and Packaging,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3.Zhongnan Hospital of Wuhan University,Wuhan 430071,China)

ObjectiveTo design and realize a transfusion alarm system with pressure sensor.MethodsSome silicone rubber or carbon black pressure sensor,simple circuit,alarm system or control system were involved in the design and realization of the system,which could alarm or even stop transfusion in case of low liquid surface in the infusion bag. The experimental verification was performed also.ResultsIn 8 sets of experiments,the system alarmed with an average surface height of 3.5 cm and success rate of 87.5%.ConclusionThe alarm system behaves well in effectiveness and stability,with the transfusion uninterrupted,while the sensibility of the sensor has to be improved.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：36-37，73]

pressure sensor;infusion bag;alarm system

R318.6；TH777

A

1003-8868（2014）09-0036-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.036

何洪林（1960—），男，高級(jí)工程師，主要從事放射影像技術(shù)方面的研究工作，E-mail：wdrf2004@163.com。

430070武漢，廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院（何洪林，趙育新，謝 峻）；430072武漢，武漢大學(xué)印刷與包裝系（錢 俊，徐 荀）；430071武漢，武漢大學(xué)中南醫(yī)院（江 葉）