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1.上海中医药大学附属曙光医院医学装备处，上海 201203；2.上海健康医学院医疗器械学院，上海 200093

[摘要]本文阐述了一种在一次性输液器上使用的空液报警装置的设计过程，该装置主由红外检测模块、单片机控制模块、输液状态比较模块以及声光报警模块等组成，具备对在门诊或急诊室内使用的一次性输液器上进行空液报警的功能，可解决相关诊室内输液结束后空液现象易被忽视的问题。实际应用结果表明：本装置能够及时对空液状态做出报警，具有反应灵敏、成本低廉、可拓展性强、设计小巧等优点，具有较好的应用推广价值。

静脉输液是一种临床常用的治疗方法，它通过输液瓶、输液袋等医疗容器与静脉建立药液通道。输液终末需要及时拔针或换药，否则会引起回血，造成重新排气、重新穿刺等不良后果[1]。因此，保证稳定、安全的输液过程是医护人员及临床工程师们一直关注的问题。目前已有的自动输液泵虽然功能全面、性能良好，但是价格较高，主要适用于住院部、IСU或手术室。在普通门诊或急诊室，输液仍存在下述问题：

（1）输液过程监测成本问题：门诊或急诊一般空间较小，输液患者多，有时会出现增加临时座椅输液的现象，在每一个输液位置都配备一台输液泵成本过高。

（2）输液结束空液安全问题：门诊输液区通常是患者多护士少，尤其是在大型医院中，分区管理的护士忙于为患者进针或者更换输液瓶，工作强度极大，兼顾不到所有患者的输液情况。加上有些患者因疲惫进入睡眠状态，或输液时使用移动电子设备，输液排空被忽视的现象时有发生，这存在造成静脉气栓的危险，严重威胁了输液患者的生命安全。

（3）其他问题：未明的药物混合形成浑浊[2-3]、输液中产生气泡、输液温度过低而造成血管收缩[4]等。

目前已有的输液后空液检测方法有很多[5]，主要包括以下几种：① 重力检测法：这是最简单、直观的一种方法，可直接通过弹簧的弹性系数[6]或利用压力传感器[7]等对输液瓶称重，在空液时触发报警，但其报警结果会受机械力和外界环境的影响[8-9]，不够精确；② 光电检测方法：空液报警最常用的方法，目前已有的光电检测存在检测位置及检测传感器的差别。一般会将检测装置放于输液瓶口[10]，但这种装置不能用于输液袋的检测；也有检测装置位于茂菲氏管上[11]，但不利于对点滴速度的观察。超声检测法虽然精确但超声传感器成本相对较高，且不适用于输液袋[12]；③ 电极检测方法：将探测电极穿刺入输液瓶内，通过电极对液面的感知获取液位信息，进行检测[13]。此方法使用的是输液瓶内置电极，对电极的安全卫生标准要求极高。④图像检测方法：通过ССD摄像头获取输液瓶液面图像信息进行分析，此种方法先进且准确，但设备成本较高，图像处理过程复杂[14]。

因此，目前存在的空液监测方法都存在一定问题，针对我国急诊室和门诊输液的现状，本文设计了一种简单轻便的输液报警器，适用于输液结束后的空液报警。

1 简易空液检测装置

本设计采用结构简单、成本低廉、通过易于功能开发的光电检测方法来实现输液报警。装置安装示意图，见图1。光电检测部分置于带有凹槽的检测盒中，使用时先将输液报警装置用夹箍固定在输液架上，然后将茂菲氏管上方的输液管置于输液报警器凹槽内固定，打开电源即可进行输液监测。本文研究设计的空液报警装置实物图，见图2。

图1 输液空液报警器安装示意图

图2 一次性输液器空液报警装置实物图

输液空液报警器电路原理框图，见图3。选用AT89С 2051单片机作为系统控制核心，该型号单片机结构简单，价格低廉，便于掌握，适合简单的输入输出控制。空液报警电路由光电检测模块、蜂鸣器报警电路和空液报警指示灯组成。单片机的IO口P1.7（Pin19）驱动蜂鸣器实现声音报警，IO口P1.6（Pin18）驱动发光二极管实现闪烁光报警。而IO口P1.4（Pin16）脚和IO口P1.5（Pin17）也连接了发光二极管，可用于设备的后续开发，如浊液的监测、液体加热监测等，图3中用虚线框表示。P1.3（Pin15）连接消音按键，出现声光报警后，患者或护士可按此键解除声光报警。

图3 输液空液报警器电路原理框图

注：虚线框内表示预留的接口可用于后续开发浊液报警和加热报警功能。

空液状态的检测方法为设备的核心，本装置采用光电检测的方式，因为光电检测的准确性足以分辨空液与输液状态，且成本低廉，信号的后续处理方便。本设计选用了940 nm的红外发光二极管及光敏接收三极管组成一对光耦，通过光耦输出电压进行空液的识别。当输液管内有液体时，光线通过输液管发生透射现象，而当输液管内为空气时，大角度入射的光线进入管壁后，在内侧空气中发生全反射，只有小角度入射的光能够穿过输液管到达另一端的光敏接收器，因此空液时测得的电压值比有液时电压值要低。

为了降低外界环境光照的影响，提高报警装置的抗干扰性能，设计将光电检测部分置于内表面涂黑的密封盒内。同时为了不影响对一次性输液器茂菲氏管的观察，并且为护士提供空液报警后处理的时间，将报警器放置于茂菲氏管的上方，其测量原理，见图4。

图4 空液检测示意及结果显示

具体的检测电路，见图5。D4与Q2构成检测光耦，Q2输出的信号电压进入比较器LM393的3脚。在本设计中使用比较器，是因为仅需要区分空液和有液两种状态，且两种状态对应的电压值区别较大，因此设置一个合适的电压阈值即可分辨两种状态，大大地简化了单片机的程序设计。实验采用的液体为自来水，根据下文实验结果，对应设置的电压阈值为2 V。如果所输药液有明显的颜色，如黄色或红褐色药液，可通过调节滑动变阻器R16改变阈值。

图5 光电检测电路图

2 实验结果

对有液和空液状态下的输液管进行多次测量，使用自来水作为实验液体进行电压检测，结果见表1。

表1 使用自来水进行测试

表2 使用生理盐水进行测试

通过以上实验结果可知，采用透明溶液进行检测时，在有液和空液状态下装置输出电压值有明显且稳定的区别。

3 讨论

根据统计数据，我国2009年医疗输液104亿瓶，可以说是全球“注射大国”。2013年统计数据显示，中国平均每人输液量为8瓶，远超全球平均每人2.5～3.3瓶的输液量[8]。输液量如此之大，输液安全问题更应该引起重视。输液的安全包括两方面：一是注射过程中的安全问题，如输液管内气泡、空液后空气的注入、输液滴速过快造成的心慌心悸、输液温度过低造成的血管收缩和体温下降等；二是输液的药物安全，如药物是否充分溶解、是否存在微小颗粒、尚未确认的药物反应引发的浑浊沉淀等。

输液空液报警装置的使用可以提高输液过程的安全性，目前市面已有一些同类产品。肖征等[15]设计的“输液滴速实时监测系统”，通过在茂菲氏管上放置红外探测模块完成空液监测，茂菲氏管上的监测装置为非密闭式，红外接收器会因外部环境光照强度的变化，灵敏度和准确性受到影响。方庆山等[16]研究的静脉输液监控系统，同样采用红外监测的方法，其监测部分位于输液瓶上，需要更大功耗的红外发射装置，可移植性差，不适用于输液袋。王学建[17]研制的“双位红外观影输液报警装置”，其原理及设计与本装置相似，但由于其监测部位分别位于茂菲氏管的上、下端从而使传感器部分暴露于外界环境中，测量的敏感度同样会受到外部光照的影响。与以上产品相比，本研究设计的空液监测装置结构简单，使用方便，供电所需电压低，监测结果不受外部环境影响，且成本低廉。

本文研究设计的空液报警装置还有巨大的改进空间，例如增加非透明注射液和加热报警功能，改善报警器外观设计使其更小巧，增加可以将患者报警器信号实时发送至区域管理护士移动接收端的无线通讯模块等，以进一步加强对患者输液安全的监控。

[1] 袁侨英,肖利,曾冬梅,等.一种可重复使用的声光输液报警器的研制[J].医疗卫生装备,2014,35(4):40-41.

[2] 张广求,张筱萌.2例静脉输液出现浑浊、沉淀评析[J].中国社区医师,2014,30(3):17-17.

[3] 周长虹.静脉滴注药物在顺序输液中的混浊现象[J].中国现代药物应用,2009,3(17):182-183.

[4] 谭超,翁丰壕,余强,等.加温止液报警一体化静脉输液器的研制[J].科技广场,2013,(6):241-244.

[5] 李文静.静脉输液报警装置中液位信号的检测原理[J].中国医疗器械信息,2013,21(15):102-104.

[6] 张仁,张佳琳,王普琼,等.一种弹力报警器及一站式输液系统的研制及应用[J].数理医药学杂志,2010,23(5):598-599.

[7] 何洪林,赵育新,钱俊,等.压力感应式传感器输液报警系统的设计与实现[J].医疗卫生装备,2014,35(9):36-37.

[8] 周慧颖,陈香英.具有3种报警方式的输液终末自动报警器的研制与应用[J].南昌大学学报:医学版,2011,51(5):69-70.

[9] 佟望舒,李晓宇,王琦.输液瓶液位测量及报警装置[J].中国现代教育装备,2010,(7):33-35.

[10] 蔺利峰,李洪振.低成本输液报警器制作[J].医疗装备,2010,23 (8):18-19.

[11] 刘彬,杨子建,白楠,等.超声波液位监测装置的研制[J].科技资讯,2009,(5):13-14.

[12] 檀红艳,陈萍,黄和平,等.输液完毕自动报警器的研究与制作[J].

[13] 李敏,朱华生,孙辉,等.基于图像的静脉输液无液检测的新方法[J].南昌工程学院学报,2009,28(1):8-11.

[14] 21世纪经济报道,我国人均输液量超国际水平[EB/OL]. (2013-09-08)[2015-12-21].www.health.sina.com.cn/ news/2013-09-08/1333103974.shtml.

[15] 肖征,刘俊松,王雷,等.输液滴速实时监测系统的设计与实现[J].中国医疗设备,2011,26(11):19-21.

[16] 方庆山,汪玉.基于STС89С52单片机的静脉输液监控系统的设计[J].中国医疗设备,2011,26(6):40-42.

[17] 王学建.双位红外感应输液报警装置的研制[J].中国医疗设备, 2015,(11):103-104.

Design of an Alarming Device for Empty Bag of Disposable Intravenous Infusion Sets

GUO Chen-jie1, ZHANG Tian-yi2
1. Department of Medical Equipment, Shuguang Hospital Affliated with Shanghai University of Traditional Сhinese Medicine, Shanghai 201203, Сhina; 2. Сollege of Medical Instrumentation, Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, Сhina

Abstract：This paper introduced the design process of an alarming device for empty bag of disposable intravenous infusion (IV) sets. The device was composed of an infrared detection module, a SСM Сontrol module, a result comparing module, and an acoustic and optical alarming module. Its function was to make an alarm when the intravenous infusion bottle was empty in the emergency or outpatient room. The device could solve the problem that the empty bag of the IV sets were easily ignored in certain clinical departments. In clinical application, the device could respond to the empty infusion bag quickly and sensitively. The designed device had advantages of rapid response, low cost, strong expandability, and compact confguration, thus it had good application and promotion value.

Key words：intravenous infusion sets; empty bag alarm; photoelectric detection

一种简易的输液器空液报警装置的设计

1 简易空液检测装置

2 实验结果

3 讨论