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摘要：为节省医护人员劳动力以及减少医患接触次数等问题，根据现医疗行业人员以及患者比例分析，研究了一种可以自动换液、自动插针、自动消毒的智能医疗点滴输液架。选用SolidWorks、UG软件建立设备三维建模以及受力分析。设备整体装置由整体调高装置、输液针头旋转装置、喷雾消毒装置、输液瓶插针装置、带轮子的底座、显示触摸屏、控制柜7大部分组成。整体运行由输液瓶升降模块、酒精消毒模块、针头旋转模块、整体升降模块、传感器模块以及通讯模块6大部分组成。电气控制采用可编程逻辑控制器(PLC)作为控制系统，设计了该控制系统的框架，确立了控制系统的硬件组成，基于三菱GX Works 2软件编写了该输液架的程序，完成了人机界面的组态。研究结果表明，所设计的装置结构合理、功能完善、性能稳定，提高了患者输液过程的舒适性，降低了医患接触次数和医务劳动强度。
关键词：新型医疗点滴输液架；控制系统；可编程逻辑控制器；人机界面
Design of a New Type of Medical Drip Infusion Stand Device
Chen Yiye，Lei Bin※，Su Jiang，Li Yiying，Yan Jialong，Chen Yongli
(School of Robotics,Guangdong Vocational College of Science and Technology,Zhuhai,Guangdong 519090,China)
Abstract:In order to save the labor of medical staff and reduce the number of doctor-patient contacts,an intelligent medical drip infusion stand that can automatically change fluid was developed,automatically insert needles,and automatically disinfect,based on the analysis of current medical industry personnel and patient ratios.SolidWorks and UG software were used to build equipment 3D modeling and force analysis.The overall device of the equipment consists of seven parts:the overall height adjustment device,the infusion needle rotation device,the spray disinfection device,the infusion bottle needle device,the base with wheels,the display touch screen,and the control cabinet.The overall operation was composed of six parts:infusion bottle lifting module,alcohol disinfection module,needle rotation module,overall lifting module,sensor module and communication module.The electrical control adopted programmable logic controller(PLC)as the control system.The framework of the control system was designed,and the hardware composition of the control system was established.The program of the infusion stand was written based on Mitsubishi GX Works 2 software,and the group of man-machine interface was completed.The research results show that the designed device has a reasonable structure,perfect function,and stable performance,which improves the comfort of the patient´s infusion process and reduces the number of doctor-patient contacts and the intensity of medical labor.
Key words:new medical drip infusion stand;control system;programmable logic controller;man-machine interface
0引言
伴随人工智能的不断发展，基于人工智能的智慧医疗也逐步成为医疗技术发展的趋势，而在医疗救治措施中，静脉输液治疗作为一种高度专业技术，广泛地用于肠道外输液、营养支持、用药与输液的治疗。通过调研分析，临床上多数医疗机构均以人工操作为主，静脉输液虽作为一种有效的医疗救治手段，但其在临床应用上也具有较多痛点，归纳如下[1]：药液种类繁多，人工易出错；药液数量繁多，手动换液工序多；流速、高度需监测，人工查看耗时多；输液架高度固定，医护更换麻烦多。
随着疫情防控的常态化，传统的人工操作会增加静脉输液的出错风险并耗费大量医护资源，智能输液系统的出现，可大大缓解我国医护“一对多”的情况，减少医护人员与患者的密切接触，对病毒防控起到积极作用。由于智慧医疗和疫情防控的不断发展，智慧医疗输液系统的设计与应用研究具有十分重要的实际意义。
基于上述痛点，为降低患者与医护人员的接触频率、减轻医护人员的工作强度，缓解医护人员紧缺问题，本文设计研究一种基于物联网技术的智慧医疗输液装置，实现药液溯源对比确认、智能换液、流速控制、液位监测、自适应高度等功能[2]，将人工操作的静脉输液变成智慧静脉输液，以实现医疗输液的智慧化。
1总体结构设计
1.1机械结构及功能
新型医疗点滴输液架装置主要由高度升降模块、通讯模块、针头旋转模块、传感器模块、点滴升降模块、酒精消毒模块以及控制柜七大部分组成[3]。其结构组成如图1所示。
(1)高度升降模块
本模块的主要功能是实现输液架垂直方向的上升与下降，通过与通讯模块的相互配合，完成输液架高度的自由调节，从而配合操作者实现输液瓶的轻松放置与取回。
(2)通讯模块
其主要功能是实现操作者与设备的交互，通过触摸屏的各类按钮及指示灯实现点滴工作站操作与和实时监视。
(3)针头旋转模块
针头旋转模块的主要功能是实现输液针头4个方向旋转，通过与液位检测模块、输液瓶升降模块的相互配合，当第一瓶液体完成退针后，旋转模块工作，使输液针头旋转至下一瓶输液瓶口下方，完成输液过程的换液动作，从而代替医护人员自动换液。
(4)液体检测模块
液体检测模块的功能主要是智能检测输液瓶中的液位高度，利用水的感应电容来检测是否有液体存在，在没有液体接近感应器时，感应器上由于分布电容的存在，因此感应器对地存在一定的静态电容，当输液管内存在液体时，液体的寄生电容将耦合到这个静态电容上，使感应器的电容值变大，该变化的电容信号再输入到控制IC进行信号转换，将变化的电容量转换成某种电信号的变化量进行信号输出，通过程序控制指示输液瓶升降模块与旋转模块配合完成换药动作，并更换药液和输液信息实时上传至人机交互模块，从而代替医护人员对液体液面实时监视[4]。
(5)输液瓶升降模块
本模块的主要功能是实现输液瓶垂直方向的上升与下降，通过与针头旋转模块的相互配合，完成输液过程中的插针与退针动作。
(6)酒精消毒模块
本模块主要由消毒器和酒精瓶组成，通过与针头旋转模块的配合，实现输液瓶口与针头的消毒。通过针头旋转模块带动针头运动，同时消毒器做同步转速运动。当针头到达输液瓶口下方位置时，消毒器从酒精瓶中吸取酒精，在出口以气雾形态喷出，对针头和瓶口进行酒精消毒。
(7)控制柜
控制柜主要功能是实现智能点滴工作站的整体电器控制，接收处理通讯模块下发的各类指令，将其下发到各个执行元件，并将各类信息上传至通讯模块。
1.2细分结构设计
(1)导轨式针头卡槽
如图2所示，该部位设置有磁铁块，限位挡板，针头滑轨等。放置输液针头时，将上述部分整体拉出，由于存在限位挡板，滑轨将受到行进限制。将输液针头安放到指定位置后，由于存在磁铁块，滑块将自动复位到缩进的工作状态。
(2)药物盘
药物盘上设计了可安放4个输液瓶的卡位，在卡位下方分别装有4个用于输液瓶瓶口固定的U型环扣(如图3示)，使在输液插针与退针时，输液瓶内液体能够保存稳定状态。
(3)旋转平台
通过与针头旋转模块的配合，实现输液瓶口与针头的消毒。通过针头旋转模块带动针头运动，同时消毒器做同步转速运动。当针头到达输液瓶口下方位置时，消毒器从酒精瓶中吸取酒精，在出口以气雾形态喷出，对针头和瓶口进行酒精消毒。
(4)输液系统
通过输液瓶的上下位移来实现输液效果，运用了丝杆滑台的原理，通过下方电机带动丝杆转动来使滑块上下移动(滑块与点滴瓶放置架连接同步运动)，实现插针与退针。
(5)电气柜的放置
将电气柜放置在底盘面上，可以让装置的重心往下偏移，使得装置更加稳定。
(6)消毒装置
消毒模块的主要功能是对瓶口与针头进行酒精消毒。其工作原理是当输液瓶液体到达临界值，液位传感器接收到信号从0值变为1值，消毒器从酒精储存箱中吸取，形成气雾，然后通过针头旋转模块带动针头运动，同时消毒器做同步转速运动。消毒器与针头形成制定角度，在针头到达输液瓶口下方位置时，使得消毒器气雾正对瓶口，给针头进行酒精消毒。
(7)液体监测
由于直接监测瓶内液体存在误差性，选用了用于监测输液管内部液体的非接触式液体传感器，在针头滑轨下方设置有用于液体监测的传感器卡槽，便于直接监测输液管内部的液体状态[5]。液体传感器安放位置如图4所示。
(8)线路摆布
为使装置外观更简介，采用了内部走线的方法，将装置上部分的电线通过中空管连接到下面的电气柜。
1.3控制系统工作流程
本装置总体由针头旋转电机、输液瓶升降电机、喷雾消毒器、电动推拉杆、传感器、触摸屏、控制柜组成。
输液开始前，设备先通电，待上电初始化完成后，医护人员首先根据触摸屏所显示的患者信息核对输液药物是否正确，然后将输液瓶分别按顺序放置于承载输液瓶的4个固定板卡槽内，并将输液针头嵌入在针头卡槽位。
输液瓶放置完成后，由医护人员确认无误后按下触摸屏上的启动按钮，工作站开始输液准备工作，首先工作站上升至指定高度，其次旋转电机将针头旋转至输液瓶口下方，消毒器产生气雾对针头和瓶口进行消毒，输液瓶升降电机下降运行，开始插针动作，检测传感器信号后，插针完成，触摸屏显示医护人员输液前期工作已完成，提示医护人员可以开始将针头插入人体，调节输液流速，至此完成全部输液准备工作，患者开始正常输液。
当该输液瓶内药液输出完毕，液位传感器预警后，输液瓶升降模块上升，使针头与输液瓶脱离，完成退针动作，针头旋转电机开始转动至第2卡位，进行酒精喷雾消毒，完成下一输液瓶插针动作，重复上述步骤，直至4瓶药液全部输液完毕。最后，当所有全部输液完成后，输液架通讯系统将实时反馈输液信息至医护工作站的中央处理器，提示医护人员可以进行人体拔针动作，点滴输液架装置自动下降高度，人工回收输液瓶及输液管路，完成整个自动输液过程[6]。
2系统控制要求
为保证系统的政策运行，有如下控制要求。
(1)异常报警：在系统运行过程中，如果出现打点滴时长超过PLC内部程序设定的最长时间，液位检测器监测异常后，传递信号给PLC，PLC检测到信号后控制机构自动退针，并控制触摸屏进行报警，人工排除异常后，先点击护士界面里的初始化按键，后点击启动按键即可使系统重新开始正常运行。
(2)急停处理：为保证人员安全，当设备出现紧急情况时，需要立即点击护士界面里的紧急停止按钮实现紧急停止运行，确保相关设备工作区域内人员安全，当紧急情况处理完毕后，可点击复位初始化按钮使各执行机构回归原位，重新开始正常运行[7]。
3控制系统设计
3.1控制系统的组成
本控制系统的主要任务是根据医护人员所放置点滴瓶的数量检测数量并控制各个机构的运行，从而达到自动规顺序以及消毒。其主要包括自动换液、液位检测、高度调节、信息监控等，根据以上控制要求，本控制系统主要由PLC、两个带碟刹的两相四线制步进电机及其两个步进电机驱动器、DC24V开关电源、双输出DC24V/DC5V开关电源、24V直流电机推拉杆、DC24V转DC5V变压整流器、DC5V消毒水泵、空气开关、触摸屏人机界面、6个NPN四线制U型24V光电开关和24V液位检测器等部分构成[8]，其控制原理如图5所示。
3.2硬件选型
通过分析整个插针、拔针以及消毒的流程可知，要旋转到下一个点滴瓶之前需要消毒，既要求中空旋转台旋转角度的精度非常高，又要配合插针头所扎的最大深度同时还要防止两个步进电机由于丢步而导致插针位置错位甚至是与下面的插针机构碰撞，由于可编程逻辑控制器(PLC)是专门为工业自动化生产行业配备，其具有很强的逻辑运算、顺序控制、定时、技术等指令(插入文献)，并可以通过传感器、光电开关、机械开关以及继电器等作为输入信号，以电机、电磁阀、线圈等作为输出信号，进行自动化生产过程的控制。且触摸屏人机界面系列产品根据环境特点，具备坚固、防震、防潮、防尘、耐高温多插槽和易于扩充等特点。不仅可以作为输入设备，也可以作为输出设备，是各种工业控制、交通控制、环保控制、自动化领域等其他各种应用的最佳平台。因此，本系统控制器采用三菱公司生产的FX3U-32MT系列PLC实现对整个插针、拔针以及消毒过程的自动化控制，通过对于工作过程需求分析，该系列共有32个输入/输出点数[9]。且系统触摸屏人机界面采用威纶通科技有限公司生产的威纶通触摸屏EB8000系列—TK6100i(800×480像素)来实现对点滴管流速的实时监控以及对医护人员对患者信息的便捷查询，完全满足减轻医护人员工作强度以及减少疫情防控期间医患之间交叉感染的概率的需求[10]。
3.3系统输入、输出和人机界面地址的分配
根据智能医疗点滴工作站的控制要求，确定控制系统需要配置7个输入端口、7个输出端口和10个触摸屏人机界面按钮及指示灯分配的地址，输入、输出地址和人机界面按钮及指示灯的分配表如表1和表2所示。
3.4控制软件编程
根据系统控制要求，设计本系统控制软件流程如图6所示(以点滴瓶数为4作例子)，从而采用顺序控制设计法进行直观梯形图编程，设备可根据其内部状态，在输入信号执行时[11]，使各个执行机构按动作执行的先后次序自动依次进行工作。
本装置的PLC软件设计采用三菱公司的GX Works 2编程软件，在分配好各个输入/输出地址后进行PLC程序编程。根据插针、拔针以及消毒流程，在设计本装置程序时，将主控程序分为初始化程序、判断程序和主程序3部分进行编程，程序设计需考虑插针、退针、针头旋转到下一个点滴瓶下方后先消毒后插针等各个步骤之间的衔接[12]。
本装置的触摸屏人机界面组态软件设计采用威纶通科技有限公司的EB8000 Project Manager编程软件，在分配好各个按钮以及指示灯地址后进行触摸屏编程以及显示画面设计，在设计方面，触摸屏显示界面主要分为登录界面、护士界面和管理员界面。
登录界面上设置对应不同人员的权限密码，主要是为了防止医护人员对装置进行误操作以及非法人员恶意篡改触摸屏人机界面数据，从而导致机械损坏或触摸屏人机界面数据混乱[13]。
护士界面主要由启动按钮、急停按钮、初始化按钮、整体高度上升按钮、整体高度下降按钮、1~4号输液位指示灯和消毒喷雾指示灯组成，其界面上设有患者的信息、点滴瓶数以及流速的速度。而管理者界面主要是两个步进电机的脉冲数及方向数、复位按钮、初始化完成指示灯、整体高度上升按钮、整体高度下降按钮1~4号输液位指示灯和消毒喷雾指示灯组成[14]。以便技术人员进行检修以及医护人员的简便操作。
根据控制要求，主程序设定当一瓶输液瓶所花时长超过PLC内部设定的最长点滴时间，系统会自动退针，并发出超时报警，医护人员上前查看情况；若检查无误后，医护人员根据提示进行人工复位操作，按下启动后即可重新开始工作。初始化程序设定中要以上限位U型光电开关和“1号位”U型光电开关为插针电机和旋转电机的起始点，使各模块机构移动到相对应的位置上。
判断程序设定中点滴瓶数量需要根据触摸屏人机界面上点滴瓶数的数字进行判断并自动规划出打点滴瓶的顺序，来解决因为PLC盲目规划顺序而导致绕管和损坏设备电线的问题。而在输液过程中，若设备检测到目前所打的点滴瓶不是本次患者打点滴流程的最后一瓶，则继续进行下一轮的扎针、退针以及消毒等流程；反之，若现在所打的点滴瓶是本次患者打点滴流程的最后一瓶，则在目前所打的输液瓶输液完成后，输液架通讯系统将实时反馈输液信息至医护工作站的中央处理器[15]，提示医护人员可以进行人体拔针动作，点滴输液架装置先是进行退针动作，7 s后自动下降高度，最后两个电机带动各自的机构回到各自的初始位置上，医护人员上前人工回收输液瓶及输液管路，完成整个自动输液过程。
4设备测试验证
4.1设备运行测试
由于本设备属于医疗器械，在实际投入使用之前需大量验证其安全性，通过对设备运行环境进行调研，利用实验样机进行模拟运行以验证其可靠性，模拟测试运行环境如图7所示。
通过在实验室环境对样机主要功能模块进行多环节大批次模拟测试，总结得出测试运行数据如图8所示。如图所示，本设备在实验室环境下共计进行3轮的模拟运行测试，总计完成自动化输液次数300次，成功次数294次，统计得出自动化输液成功率98%，并且由实验数据可知，每一轮输液成功率均在97%以上，模拟运行数据比较理想，能够满足设备设计要求(要求成功率大于95%)。从图示模拟运行数据分析可知，本设备总体运行安全、稳定，可靠性较好，能够较好地完成患者自动化输液[17]。
4.2效率改善对比
通过对本设备与人工输液架进行比较分析可知，采用自动输液装置替代原有人工输液操作，平均每个输液工位能够有效地节省1个医护资源并能将医患的接触频率在原有基础上有效降低80%，成功实现了自动化输液的功能，有效地节省了医护资源。
5结束语
该装置目前输液点滴架大都是手动无法自由移动，而本设计的新型医疗点滴输液架装置可以自动打针、退针、自由移动以及自动消毒来实现自动化打点滴，减少了医患接触次数和医护人员的劳动强度。节省了医护人员所花时间，实现了患者打点滴的自动化。限于目前的技术水平，该装置设计时未考虑到多名患者同时打点滴的自动化设计，目前以一个患者一台装置为主，后期若采用多名患者同时打点滴的自动化设计，可通过实际情况对各个机构进行自定义增加，并调整各个机构的关键部件尺寸，即可实现多名患者同时自动打点滴的控制要求，这也是该装置将来需要改进的地方，并进一步降低了医患接触次数和医护人员的劳动强度。
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