一種新型醫(yī)療點滴輸液架裝置的設(shè)計*

陳依燁，雷 斌，蘇 江，李奕瑩，嚴(yán)家龍，陳泳立

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機器人學(xué)院，廣東珠海 519090）

0 引言

伴隨人工智能的不斷發(fā)展，基于人工智能的智慧醫(yī)療也逐步成為醫(yī)療技術(shù)發(fā)展的趨勢，而在醫(yī)療救治措施中，靜脈輸液治療作為一種高度專業(yè)技術(shù)，廣泛地用于腸道外輸液、營養(yǎng)支持、用藥與輸液的治療。通過調(diào)研分析，臨床上多數(shù)醫(yī)療機構(gòu)均以人工操作為主，靜脈輸液雖作為一種有效的醫(yī)療救治手段，但其在臨床應(yīng)用上也具有較多痛點，歸納如下[1]：藥液種類繁多，人工易出錯；藥液數(shù)量繁多，手動換液工序多；流速、高度需監(jiān)測，人工查看耗時多；輸液架高度固定，醫(yī)護更換麻煩多。

隨著疫情防控的常態(tài)化，傳統(tǒng)的人工操作會增加靜脈輸液的出錯風(fēng)險并耗費大量醫(yī)護資源，智能輸液系統(tǒng)的出現(xiàn)，可大大緩解我國醫(yī)護“一對多”的情況，減少醫(yī)護人員與患者的密切接觸，對病毒防控起到積極作用。由于智慧醫(yī)療和疫情防控的不斷發(fā)展，智慧醫(yī)療輸液系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究具有十分重要的實際意義。

基于上述痛點，為降低患者與醫(yī)護人員的接觸頻率、減輕醫(yī)護人員的工作強度，緩解醫(yī)護人員緊缺問題，本文設(shè)計研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧醫(yī)療輸液裝置，實現(xiàn)藥液溯源對比確認、智能換液、流速控制、液位監(jiān)測、自適應(yīng)高度等功能[2]，將人工操作的靜脈輸液變成智慧靜脈輸液，以實現(xiàn)醫(yī)療輸液的智慧化。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)及功能

新型醫(yī)療點滴輸液架裝置主要由高度升降模塊、通訊模塊、針頭旋轉(zhuǎn)模塊、傳感器模塊、點滴升降模塊、酒精消毒模塊以及控制柜七大部分組成[3]。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 新型輸液架結(jié)構(gòu)

（1）高度升降模塊

本模塊的主要功能是實現(xiàn)輸液架垂直方向的上升與下降，通過與通訊模塊的相互配合，完成輸液架高度的自由調(diào)節(jié)，從而配合操作者實現(xiàn)輸液瓶的輕松放置與取回。

（2）通訊模塊

其主要功能是實現(xiàn)操作者與設(shè)備的交互，通過觸摸屏的各類按鈕及指示燈實現(xiàn)點滴工作站操作與和實時監(jiān)視。

（3）針頭旋轉(zhuǎn)模塊

針頭旋轉(zhuǎn)模塊的主要功能是實現(xiàn)輸液針頭4個方向旋轉(zhuǎn)，通過與液位檢測模塊、輸液瓶升降模塊的相互配合，當(dāng)?shù)谝黄恳后w完成退針后，旋轉(zhuǎn)模塊工作，使輸液針頭旋轉(zhuǎn)至下一瓶輸液瓶口下方，完成輸液過程的換液動作，從而代替醫(yī)護人員自動換液。

（4）液體檢測模塊

液體檢測模塊的功能主要是智能檢測輸液瓶中的液位高度，利用水的感應(yīng)電容來檢測是否有液體存在，在沒有液體接近感應(yīng)器時，感應(yīng)器上由于分布電容的存在，因此感應(yīng)器對地存在一定的靜態(tài)電容，當(dāng)輸液管內(nèi)存在液體時，液體的寄生電容將耦合到這個靜態(tài)電容上，使感應(yīng)器的電容值變大，該變化的電容信號再輸入到控制IC進行信號轉(zhuǎn)換，將變化的電容量轉(zhuǎn)換成某種電信號的變化量進行信號輸出，通過程序控制指示輸液瓶升降模塊與旋轉(zhuǎn)模塊配合完成換藥動作，并更換藥液和輸液信息實時上傳至人機交互模塊，從而代替醫(yī)護人員對液體液面實時監(jiān)視[4]。

（5）輸液瓶升降模塊

本模塊的主要功能是實現(xiàn)輸液瓶垂直方向的上升與下降，通過與針頭旋轉(zhuǎn)模塊的相互配合，完成輸液過程中的插針與退針動作。

（6）酒精消毒模塊

本模塊主要由消毒器和酒精瓶組成，通過與針頭旋轉(zhuǎn)模塊的配合，實現(xiàn)輸液瓶口與針頭的消毒。通過針頭旋轉(zhuǎn)模塊帶動針頭運動，同時消毒器做同步轉(zhuǎn)速運動。當(dāng)針頭到達輸液瓶口下方位置時，消毒器從酒精瓶中吸取酒精，在出口以氣霧形態(tài)噴出，對針頭和瓶口進行酒精消毒。

（7）控制柜

控制柜主要功能是實現(xiàn)智能點滴工作站的整體電器控制，接收處理通訊模塊下發(fā)的各類指令，將其下發(fā)到各個執(zhí)行元件，并將各類信息上傳至通訊模塊。

1.2 細分結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）導(dǎo)軌式針頭卡槽

如圖2所示，該部位設(shè)置有磁鐵塊，限位擋板，針頭滑軌等。放置輸液針頭時，將上述部分整體拉出，由于存在限位擋板，滑軌將受到行進限制。將輸液針頭安放到指定位置后，由于存在磁鐵塊，滑塊將自動復(fù)位到縮進的工作狀態(tài)。

圖2 導(dǎo)軌式針頭卡槽工作狀態(tài)對比

（2）藥物盤

藥物盤上設(shè)計了可安放4個輸液瓶的卡位，在卡位下方分別裝有4個用于輸液瓶瓶口固定的U型環(huán)扣（如圖3示），使在輸液插針與退針時，輸液瓶內(nèi)液體能夠保存穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 藥物盤結(jié)構(gòu)

（3）旋轉(zhuǎn)平臺

通過與針頭旋轉(zhuǎn)模塊的配合，實現(xiàn)輸液瓶口與針頭的消毒。通過針頭旋轉(zhuǎn)模塊帶動針頭運動，同時消毒器做同步轉(zhuǎn)速運動。當(dāng)針頭到達輸液瓶口下方位置時，消毒器從酒精瓶中吸取酒精，在出口以氣霧形態(tài)噴出，對針頭和瓶口進行酒精消毒。

（4）輸液系統(tǒng)

通過輸液瓶的上下位移來實現(xiàn)輸液效果，運用了絲桿滑臺的原理，通過下方電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動來使滑塊上下移動（滑塊與點滴瓶放置架連接同步運動），實現(xiàn)插針與退針。

（5）電氣柜的放置

將電氣柜放置在底盤面上，可以讓裝置的重心往下偏移，使得裝置更加穩(wěn)定。

（6）消毒裝置

消毒模塊的主要功能是對瓶口與針頭進行酒精消毒。其工作原理是當(dāng)輸液瓶液體到達臨界值，液位傳感器接收到信號從0值變?yōu)?值，消毒器從酒精儲存箱中吸取，形成氣霧，然后通過針頭旋轉(zhuǎn)模塊帶動針頭運動，同時消毒器做同步轉(zhuǎn)速運動。消毒器與針頭形成制定角度，在針頭到達輸液瓶口下方位置時，使得消毒器氣霧正對瓶口，給針頭進行酒精消毒。

（7）液體監(jiān)測

由于直接監(jiān)測瓶內(nèi)液體存在誤差性，選用了用于監(jiān)測輸液管內(nèi)部液體的非接觸式液體傳感器，在針頭滑軌下方設(shè)置有用于液體監(jiān)測的傳感器卡槽，便于直接監(jiān)測輸液管內(nèi)部的液體狀態(tài)[5]。液體傳感器安放位置如圖4所示。

圖4 針頭模塊布局

（8）線路擺布

為使裝置外觀更簡介，采用了內(nèi)部走線的方法，將裝置上部分的電線通過中空管連接到下面的電氣柜。

1.3 控制系統(tǒng)工作流程

本裝置總體由針頭旋轉(zhuǎn)電機、輸液瓶升降電機、噴霧消毒器、電動推拉桿、傳感器、觸摸屏、控制柜組成。

輸液開始前，設(shè)備先通電，待上電初始化完成后，醫(yī)護人員首先根據(jù)觸摸屏所顯示的患者信息核對輸液藥物是否正確，然后將輸液瓶分別按順序放置于承載輸液瓶的4個固定板卡槽內(nèi)，并將輸液針頭嵌入在針頭卡槽位。

輸液瓶放置完成后，由醫(yī)護人員確認無誤后按下觸摸屏上的啟動按鈕，工作站開始輸液準(zhǔn)備工作，首先工作站上升至指定高度，其次旋轉(zhuǎn)電機將針頭旋轉(zhuǎn)至輸液瓶口下方，消毒器產(chǎn)生氣霧對針頭和瓶口進行消毒，輸液瓶升降電機下降運行，開始插針動作，檢測傳感器信號后，插針完成，觸摸屏顯示醫(yī)護人員輸液前期工作已完成，提示醫(yī)護人員可以開始將針頭插入人體，調(diào)節(jié)輸液流速，至此完成全部輸液準(zhǔn)備工作，患者開始正常輸液。

當(dāng)該輸液瓶內(nèi)藥液輸出完畢，液位傳感器預(yù)警后，輸液瓶升降模塊上升，使針頭與輸液瓶脫離，完成退針動作，針頭旋轉(zhuǎn)電機開始轉(zhuǎn)動至第2卡位，進行酒精噴霧消毒，完成下一輸液瓶插針動作，重復(fù)上述步驟，直至4瓶藥液全部輸液完畢。最后，當(dāng)所有全部輸液完成后，輸液架通訊系統(tǒng)將實時反饋輸液信息至醫(yī)護工作站的中央處理器，提示醫(yī)護人員可以進行人體拔針動作，點滴輸液架裝置自動下降高度，人工回收輸液瓶及輸液管路，完成整個自動輸液過程[6]。

2 系統(tǒng)控制要求

為保證系統(tǒng)的政策運行，有如下控制要求。

(1)異常報警：在系統(tǒng)運行過程中，如果出現(xiàn)打點滴時長超過PLC內(nèi)部程序設(shè)定的最長時間，液位檢測器監(jiān)測異常后，傳遞信號給PLC，PLC檢測到信號后控制機構(gòu)自動退針，并控制觸摸屏進行報警，人工排除異常后，先點擊護士界面里的初始化按鍵，后點擊啟動按鍵即可使系統(tǒng)重新開始正常運行。

(2)急停處理：為保證人員安全，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)緊急情況時，需要立即點擊護士界面里的緊急停止按鈕實現(xiàn)緊急停止運行，確保相關(guān)設(shè)備工作區(qū)域內(nèi)人員安全，當(dāng)緊急情況處理完畢后，可點擊復(fù)位初始化按鈕使各執(zhí)行機構(gòu)回歸原位，重新開始正常運行[7]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)醫(yī)護人員所放置點滴瓶的數(shù)量檢測數(shù)量并控制各個機構(gòu)的運行，從而達到自動規(guī)順序以及消毒。其主要包括自動換液、液位檢測、高度調(diào)節(jié)、信息監(jiān)控等，根據(jù)以上控制要求，本控制系統(tǒng)主要由PLC、兩個帶碟剎的兩相四線制步進電機及其兩個步進電機驅(qū)動器、DC24V開關(guān)電源、雙輸出DC24V/DC5V開關(guān)電源、24V直流電機推拉桿、DC24V轉(zhuǎn)DC5V變壓整流器、DC5V消毒水泵、空氣開關(guān)、觸摸屏人機界面、6個NPN四線制U型24V光電開關(guān)和24V液位檢測器等部分構(gòu)成[8]，其控制原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制原理

3.2 硬件選型

通過分析整個插針、拔針以及消毒的流程可知，要旋轉(zhuǎn)到下一個點滴瓶之前需要消毒，既要求中空旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的精度非常高，又要配合插針頭所扎的最大深度同時還要防止兩個步進電機由于丟步而導(dǎo)致插針位置錯位甚至是與下面的插針機構(gòu)碰撞，由于可編程邏輯控制器（PLC）是專門為工業(yè)自動化生產(chǎn)行業(yè)配備，其具有很強的邏輯運算、順序控制、定時、技術(shù)等指令（插入文獻），并可以通過傳感器、光電開關(guān)、機械開關(guān)以及繼電器等作為輸入信號，以電機、電磁閥、線圈等作為輸出信號，進行自動化生產(chǎn)過程的控制。且觸摸屏人機界面系列產(chǎn)品根據(jù)環(huán)境特點，具備堅固、防震、防潮、防塵、耐高溫多插槽和易于擴充等特點。不僅可以作為輸入設(shè)備，也可以作為輸出設(shè)備，是各種工業(yè)控制、交通控制、環(huán)?？刂?、自動化領(lǐng)域等其他各種應(yīng)用的最佳平臺。因此，本系統(tǒng)控制器采用三菱公司生產(chǎn)的FX3U-32MT系列PLC實現(xiàn)對整個插針、拔針以及消毒過程的自動化控制，通過對于工作過程需求分析，該系列共有32個輸入/輸出點數(shù)[9]。且系統(tǒng)觸摸屏人機界面采用威綸通科技有限公司生產(chǎn)的威綸通觸摸屏EB8000系列—TK6100i（800×480像素）來實現(xiàn)對點滴管流速的實時監(jiān)控以及對醫(yī)護人員對患者信息的便捷查詢，完全滿足減輕醫(yī)護人員工作強度以及減少疫情防控期間醫(yī)患之間交叉感染的概率的需求[10]。

3.3 系統(tǒng)輸入、輸出和人機界面地址的分配

根據(jù)智能醫(yī)療點滴工作站的控制要求，確定控制系統(tǒng)需要配置7個輸入端口、7個輸出端口和10個觸摸屏人機界面按鈕及指示燈分配的地址，輸入、輸出地址和人機界面按鈕及指示燈的分配表如表1和表2所示。

表1 輸入、輸出地址分配表

表2 人機界面按鈕/指示燈分配地址表

3.4 控制軟件編程

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計本系統(tǒng)控制軟件流程如圖6所示（以點滴瓶數(shù)為4作例子），從而采用順序控制設(shè)計法進行直觀梯形圖編程，設(shè)備可根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)，在輸入信號執(zhí)行時[11]，使各個執(zhí)行機構(gòu)按動作執(zhí)行的先后次序自動依次進行工作。

圖6 系統(tǒng)控制程序流程

本裝置的PLC軟件設(shè)計采用三菱公司的GX Works 2編程軟件，在分配好各個輸入/輸出地址后進行PLC程序編程。根據(jù)插針、拔針以及消毒流程，在設(shè)計本裝置程序時，將主控程序分為初始化程序、判斷程序和主程序3部分進行編程，程序設(shè)計需考慮插針、退針、針頭旋轉(zhuǎn)到下一個點滴瓶下方后先消毒后插針等各個步驟之間的銜接[12]。

本裝置的觸摸屏人機界面組態(tài)軟件設(shè)計采用威綸通科技有限公司的EB8000 Project Manager編程軟件，在分配好各個按鈕以及指示燈地址后進行觸摸屏編程以及顯示畫面設(shè)計，在設(shè)計方面，觸摸屏顯示界面主要分為登錄界面、護士界面和管理員界面。

登錄界面上設(shè)置對應(yīng)不同人員的權(quán)限密碼，主要是為了防止醫(yī)護人員對裝置進行誤操作以及非法人員惡意篡改觸摸屏人機界面數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致機械損壞或觸摸屏人機界面數(shù)據(jù)混亂[13]。

護士界面主要由啟動按鈕、急停按鈕、初始化按鈕、整體高度上升按鈕、整體高度下降按鈕、1～4號輸液位指示燈和消毒噴霧指示燈組成，其界面上設(shè)有患者的信息、點滴瓶數(shù)以及流速的速度。而管理者界面主要是兩個步進電機的脈沖數(shù)及方向數(shù)、復(fù)位按鈕、初始化完成指示燈、整體高度上升按鈕、整體高度下降按鈕1～4號輸液位指示燈和消毒噴霧指示燈組成[14]。以便技術(shù)人員進行檢修以及醫(yī)護人員的簡便操作。

根據(jù)控制要求，主程序設(shè)定當(dāng)一瓶輸液瓶所花時長超過PLC內(nèi)部設(shè)定的最長點滴時間，系統(tǒng)會自動退針，并發(fā)出超時報警，醫(yī)護人員上前查看情況；若檢查無誤后，醫(yī)護人員根據(jù)提示進行人工復(fù)位操作，按下啟動后即可重新開始工作。初始化程序設(shè)定中要以上限位U型光電開關(guān)和“1號位”U型光電開關(guān)為插針電機和旋轉(zhuǎn)電機的起始點，使各模塊機構(gòu)移動到相對應(yīng)的位置上。

判斷程序設(shè)定中點滴瓶數(shù)量需要根據(jù)觸摸屏人機界面上點滴瓶數(shù)的數(shù)字進行判斷并自動規(guī)劃出打點滴瓶的順序，來解決因為PLC盲目規(guī)劃順序而導(dǎo)致繞管和損壞設(shè)備電線的問題。而在輸液過程中，若設(shè)備檢測到目前所打的點滴瓶不是本次患者打點滴流程的最后一瓶，則繼續(xù)進行下一輪的扎針、退針以及消毒等流程；反之，若現(xiàn)在所打的點滴瓶是本次患者打點滴流程的最后一瓶，則在目前所打的輸液瓶輸液完成后，輸液架通訊系統(tǒng)將實時反饋輸液信息至醫(yī)護工作站的中央處理器[15]，提示醫(yī)護人員可以進行人體拔針動作，點滴輸液架裝置先是進行退針動作，7 s后自動下降高度，最后兩個電機帶動各自的機構(gòu)回到各自的初始位置上，醫(yī)護人員上前人工回收輸液瓶及輸液管路，完成整個自動輸液過程。

4 設(shè)備測試驗證

4.1 設(shè)備運行測試

由于本設(shè)備屬于醫(yī)療器械，在實際投入使用之前需大量驗證其安全性，通過對設(shè)備運行環(huán)境進行調(diào)研，利用實驗樣機進行模擬運行以驗證其可靠性，模擬測試運行環(huán)境如圖7所示。

圖7 設(shè)備模擬運行

通過在實驗室環(huán)境對樣機主要功能模塊進行多環(huán)節(jié)大批次模擬測試，總結(jié)得出測試運行數(shù)據(jù)如圖8所示。如圖所示，本設(shè)備在實驗室環(huán)境下共計進行3輪的模擬運行測試，總計完成自動化輸液次數(shù)300次，成功次數(shù)294次，統(tǒng)計得出自動化輸液成功率98%，并且由實驗數(shù)據(jù)可知，每一輪輸液成功率均在97%以上，模擬運行數(shù)據(jù)比較理想，能夠滿足設(shè)備設(shè)計要求(要求成功率大于95%)。從圖示模擬運行數(shù)據(jù)分析可知，本設(shè)備總體運行安全、穩(wěn)定，可靠性較好，能夠較好地完成患者自動化輸液[17]。

圖8 設(shè)備運行測試數(shù)據(jù)

4.2 效率改善對比

通過對本設(shè)備與人工輸液架進行比較分析可知，采用自動輸液裝置替代原有人工輸液操作，平均每個輸液工位能夠有效地節(jié)省1個醫(yī)護資源并能將醫(yī)患的接觸頻率在原有基礎(chǔ)上有效降低80%，成功實現(xiàn)了自動化輸液的功能，有效地節(jié)省了醫(yī)護資源。

5 結(jié)束語

該裝置目前輸液點滴架大都是手動無法自由移動，而本設(shè)計的新型醫(yī)療點滴輸液架裝置可以自動打針、退針、自由移動以及自動消毒來實現(xiàn)自動化打點滴，減少了醫(yī)患接觸次數(shù)和醫(yī)護人員的勞動強度。節(jié)省了醫(yī)護人員所花時間，實現(xiàn)了患者打點滴的自動化。限于目前的技術(shù)水平，該裝置設(shè)計時未考慮到多名患者同時打點滴的自動化設(shè)計，目前以一個患者一臺裝置為主，后期若采用多名患者同時打點滴的自動化設(shè)計，可通過實際情況對各個機構(gòu)進行自定義增加，并調(diào)整各個機構(gòu)的關(guān)鍵部件尺寸，即可實現(xiàn)多名患者同時自動打點滴的控制要求，這也是該裝置將來需要改進的地方，并進一步降低了醫(yī)患接觸次數(shù)和醫(yī)護人員的勞動強度。