輸液針頭自動(dòng)剪切裝置的模塊化研制*

翟浩磊，常澎釗，張嘉旭，李佳宇，常雨晴，王春雷

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

據(jù)調(diào)查研究，針刺傷是醫(yī)護(hù)人員臨床傷害中最常見(jiàn)的一種，約占60%左右；化療藥物等腐蝕性液體的濺射也會(huì)對(duì)醫(yī)護(hù)人員造成危害。靜脈輸液是醫(yī)院住院病人和門診病人常見(jiàn)的治療方法，醫(yī)護(hù)人員對(duì)輸液管路及銳器的處理就顯得非常頻繁，該項(xiàng)操作會(huì)在無(wú)意間對(duì)醫(yī)護(hù)人員造成傷害。本項(xiàng)目旨在通過(guò)設(shè)計(jì)一款輸液針頭自動(dòng)剪切裝置來(lái)降低針刺傷及液體濺射對(duì)醫(yī)護(hù)人員的傷害[1,2]。

結(jié)合醫(yī)院護(hù)士對(duì)輸液針頭等銳器的手工剪切的規(guī)范操作，將人因工程學(xué)“以人為本”的設(shè)計(jì)--“讓機(jī)器更適合人”，貫徹在模塊自動(dòng)化研制過(guò)程中。輸液針頭自動(dòng)剪切裝置利用傳感器技術(shù)自動(dòng)識(shí)別需要剪切的銳器、同時(shí)識(shí)別手指等人類肢體。當(dāng)人體手指等部位誤操作進(jìn)入剪切位置時(shí)，發(fā)出指令瞬間停止電機(jī)工作，保證了模塊設(shè)計(jì)的安全性。模塊的設(shè)計(jì)由機(jī)械光圈裝置、雙向滾動(dòng)式剪切裝置、電池供電裝置、單片機(jī)控制單元、智能可控人機(jī)界面組成，保證了該模塊運(yùn)行的有效性。因模塊化的設(shè)計(jì)，故可以單獨(dú)使用，也可和臨床護(hù)理推車聯(lián)合使用，增加了該模塊的實(shí)用性[3]。

模塊化設(shè)計(jì)是該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，不僅在安裝維護(hù)上更加容易，更重要的是模塊化設(shè)計(jì)能夠和其它醫(yī)療設(shè)備整合在一起，保證了設(shè)計(jì)核心價(jià)值的同時(shí)降低了研發(fā)和制造成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)基本方案

1.1.1 單片機(jī)

采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內(nèi)部具有8kB ROM存儲(chǔ)空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，帶有2k字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,STC89C51可以通過(guò)串口下載，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz。反應(yīng)速度快，故本設(shè)計(jì)采用其作為核心控制單元[4]。

1.1.2 人體接近傳感器

人體接近傳感器基于多普勒技術(shù)原理，采用微波專用微處理器、平面型感應(yīng)天線，不但檢測(cè)靈敏度度高，探測(cè)范圍寬，而且工作非常可靠，一般沒(méi)有誤報(bào)，能在-15℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，是以往紅外線、超聲波、熱釋電元件組成的報(bào)警電路以及常規(guī)微波電路所無(wú)法比擬的，是目前用于安全防范和自動(dòng)監(jiān)控的最佳產(chǎn)品[5]。

1.1.3 機(jī)械光圈限位裝置

出于對(duì)安全的考慮，本設(shè)計(jì)采用相機(jī)光圈機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于其具有設(shè)計(jì)兼容性強(qiáng)、體積小、易于固定管狀物體的特點(diǎn)，所以在儀器儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制中具有廣泛的應(yīng)用。

1.1.4 雙向滾動(dòng)式剪切裝置

本剪切裝置為了實(shí)現(xiàn)剪切輸液管，提高剪切效率，自行設(shè)計(jì)了一種新的剪切裝置，稱之為雙向滾動(dòng)式剪切裝置。它包括凹形連接體結(jié)構(gòu)，直線電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)。所述傳動(dòng)系統(tǒng)，包括滑軌，滑輪，彈簧及剪切用刀片；它們依次安裝在剪切裝置兩側(cè)如圖1所示。所述剪切依靠相契合的一對(duì)刀片，通過(guò)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀片移動(dòng)，對(duì)輸液管進(jìn)行剪切[6]。

圖1 剪切裝置正視圖

1.1.5 超聲波距離傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)遵循模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)方案分為安全保護(hù)、針管固定、針頭剪切以及電源模塊四部分。

機(jī)械光圈限位裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。機(jī)械光圈(具有重疊刀片)設(shè)計(jì)模型是一個(gè)用來(lái)控制光線透過(guò)鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置。由于其具有體積小，可固定管狀物體的特點(diǎn)，故采用其固定輸液管。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖2 機(jī)械光圈限位裝置

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本輸液針頭自動(dòng)剪切裝置的創(chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)銳器的感應(yīng)識(shí)別，運(yùn)用機(jī)械光圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)針管的固定。自行設(shè)計(jì)雙向滾動(dòng)式剪切裝置實(shí)現(xiàn)針頭的自動(dòng)剪切。

本輸液針頭自動(dòng)剪切裝置采用12V電源供電，電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、針頭剪切計(jì)數(shù)均基于單片機(jī)STC89C51來(lái)控制。

雙向滾動(dòng)式剪切裝置由凹形連接體結(jié)構(gòu)，直線電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行程序的初始化，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，超聲傳感器工作，當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)回波信號(hào)時(shí)，LED燈亮綠色，回波信號(hào)消失時(shí)，燈變?yōu)槌壬?；STC89C51單片機(jī)接收到超聲輸出脈沖信號(hào)時(shí)，1號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)1s，脈沖信號(hào)消失時(shí)，1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)3s。1號(hào)電機(jī)完成反轉(zhuǎn)后，2號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始工作，2號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)1s，正轉(zhuǎn)完成后，1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)1s，2號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)1s。最后，1號(hào)電機(jī)再反轉(zhuǎn)3s，歸位。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

2 實(shí)物評(píng)測(cè)

2.1 測(cè)試限位安全模塊

經(jīng)過(guò)3位護(hù)士的300次測(cè)試，證明該產(chǎn)品具備安全性，其機(jī)械光圈限位設(shè)計(jì)能合理地避免因操作失誤而造成的人體傷害。

2.2 測(cè)試自動(dòng)剪切模塊

穿刺針頭以15mm尺寸為測(cè)量基準(zhǔn)，橫截面為圓形，瓶塞穿刺器的尺寸全長(zhǎng)(28±1)mm,根部直徑(4.16±0.2)mm，對(duì)于與滴斗分離的瓶塞穿刺器，有一個(gè)長(zhǎng)度不小于20mm的把手，以供穿刺時(shí)握持[7]。

塑料瓶塞穿刺器主要材料為丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS樹脂)

ABS樹脂：強(qiáng)度高，韌性好

密度 1.03g/cm3～1.07g/cm3

伸長(zhǎng)率 20%～40%

拉伸強(qiáng)度 34MPa～49MPa

彎曲強(qiáng)度 59MPa～78MPa

Izod沖擊強(qiáng)度 186J/m～330J/m

洛氏硬度(R) 62～118

體積電阻率 (1.05～3.60)×1016Ω.cm

馬丁耐熱 74℃～85℃

管路主要成分為聚氯乙烯(PVC)

聚氯乙烯(PVC)：

密度 1380kg/m3

楊氏彈性模量(E) 2900MPa～3400MPa

拉伸強(qiáng)度(σt) 50MPa～80MPa

扯斷伸長(zhǎng)率 20%～40%

玻璃轉(zhuǎn)變溫度 87℃

熔點(diǎn) 212℃

維卡軟化點(diǎn)(Vicat) B185℃

熱容(c) 0.9kJ/(kg·K)

通過(guò)多次重復(fù)測(cè)試，對(duì)于以上參數(shù)的輸液軟管，該設(shè)計(jì)能夠正常剪切，且切口平整，無(wú)其他情況出現(xiàn)。

2.3 整體重復(fù)測(cè)試

將裝置安裝好后，接通電源進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。通過(guò)護(hù)士拔出用完的輸液器銳器端，將其按操作流程放入剪切裝置中，機(jī)械光圈限位器在1s內(nèi)能實(shí)現(xiàn)閉合，剪切在3s內(nèi)能夠完成，能夠按照預(yù)期結(jié)構(gòu)完成工作流程。

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試，可以確定該產(chǎn)品具有以下功能：

1) 具有自動(dòng)剪切輸液器銳器端的功能，能有效提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率；

2) 能與市場(chǎng)上存在的大多數(shù)輸液處理車契合，體積小，易安裝；

3) 能有效降低針刺傷的發(fā)生率，減少交叉感染的情況出現(xiàn)，從源頭減少護(hù)士輸液處理過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。