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Minth University of Science and Technology:Item 987654321/1014

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大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

攜帶式靜脈注射裝置的研發

Research and Development of Portable Device for

Intravenous Injection

研 究 生:徐奎新

指導教授:杜鳳棋 博士

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攜帶式靜脈注射裝置的研發

Research and Development of Portable Device for

Intravenous Injection

研究生:徐奎新 Student: Kuei-Hsin Hsu

指導教授:杜鳳棋 博士 Advisor: Dr. Feng-Chyi Duh

大華科技大學 機電工程研究所

碩士論文

A Thesis

Department of Mechatronic Engineering Ta Hwa University of Science andTechnology

In partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of

Master of Science In

Mechatronic Engineering March 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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摘 要

傳統的靜脈輸注係將點滴袋或點滴瓶吊掛在點滴架上,藉由位能的壓力將 溶液或液態藥劑推注入靜脈內,並採用調控閥調整點滴注射速率。由於習知的 點滴注射方式,經常因為體位姿勢不正確、折扭或拉扯到點滴管,造成點滴管 子有回血或阻塞,甚至導致注射部位有紅腫熱痛及不適的情況。此外,在下床 活動時,必須扛著點滴架一起行動,又要將點滴容器提舉高於注射部位,對病 患或照顧者簡直是一種折磨。有鑒於此,本論文係提出一種利用蠕動幫浦帶動 轉動壓頭,擠壓軟管以持續定量注射點滴,體積小且攜帶方便,將徹底革除傳 統「吊大筒」必須使用點滴架的不便與危險,可供病患自由攜行,並擺脫傳統 點滴架帶來之行動不便與困擾;不會因為病患所處空間高度的限制,影響到點 滴注射的安全性;使用微電腦控制點滴輸液幫浦,是一種完全顧及病患尊嚴與 有效確保治療的安全性的嶄新醫療輔具。本論文的創新與創意思維,將使「吊 大筒」邁入一個便捷與安全的新紀元。 關鍵字:靜脈輸注、蠕動幫浦、點滴輸液。

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ABSTRACT

Intravenous infusion (IV) is the continuous giving of liquid substances directly into a vein. Intravenous infusion may be used to correct electrolyte imbalances, to deliver medications, for blood transfusion or as fluid replacement to correct, for example, dehydration. Compared with other routes of administration, the intravenous route is one of the fastest ways to deliver fluids and medications throughout the body. But there are many disadvantages and risks to intravenous infusion. Taking this into consideration, this project is to research and development a portable device for IV infusion, this new design IV infusion device consists of a peristaltic pump that allows the fluid to flow one drop at a time and also reducing air bubbles; a controller with a digital screen, making it easy to see the flow rate; a container to arrange to the access device. This new design portable device for IV infusion allows precise control over the flow rate and total amount delivered of liquid substance.

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誌謝

本論文能完稿付梓,除感謝本校機電工程研究所之所有老師諄諄教導,亦 感謝所有同學相互勉力與協助,對於論文及課業之完成受益匪淺,永誌不忘。 感謝磐石高中校長之玉成與支持,使得本人有機會到大華進修,謹由衷表 達感謝之意。本論文承蒙本科同仁協助,使實驗得以順利完成,特此致謝。 最後我要藉此向我的家人表達崇高謝忱之意,沒有他們的鼓舞與支持就不 會有今天的成果,感恩與感謝盡在不言中。 徐奎新 謹誌

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目錄

頁數 摘要 III ABSTRACT IV 誌謝 V 目錄 VI 圖目錄 VIII 表目錄 X 符號及縮寫表 XI 第一章 緒論 01 第二章 研究目的 04 第 2.1 節 點滴注射之氾濫性 04 第 2.2 節 點滴注射之不便性 07 第三章 研究方法 11 第 3.1 節 靜脈注射 11 第 3.2 節 蠕動幫浦 14 第 3.3 節 設計製作 18 第四章 結果與討論 24 第 4.1 節 測試注射之流量控制 24

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第 4.2 節 模擬靜脈注射之流量控制 27 第 4.3 節 實體成品製作 32 第五章 結論 34 第 5.1 節 歸納總結 34 第 5.2 節 未來展望 36 參考文獻 38 著作 41 圖表 42 附錄 62 第 A.1 節 注射針頭之型式 62 第 A.2 節 蠕動泵浦之型式 64 第 A.3 節 輸液軟管之型式 67 第 A.4 節 充電電池之型式 68

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圖目錄

頁數 圖 2.1 傳統的點滴注射裝置 42 圖 2.2 攜帶式靜脈注射裝置:(a)肩背式、(b)臂攜式、(c)腰帶式 42 圖 3.1 注射的方法 43 圖 3.2 蠕動幫浦的工作原理 43 圖 3.3 本論文創作之立體外觀圖 44 圖 3.4 本論文創作之控制流程圖 44 圖 3.5 本論文創作之立體透視圖 45 圖 3.6 本論文創作之控制方塊圖 45 圖 3.7 本論文創作之殼體立體圖 46 圖 3.8 步進馬達轉速控制電路圖 47 圖 4.1 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(採用 No.19 注射針) 48 圖 4.2 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(採用 No.21 注射針) 48 圖 4.3 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(採用 No.23 注射針) 49 圖 4.4 蠕動幫浦運作時間與點滴流量之關係圖(轉速 7 rpm) 49 圖 4.5 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(運轉 30 分鐘) 50 圖 4.6 點滴流率與蠕動幫浦轉速之關係圖 50 圖 4.7 測試注射之流量測量 51

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圖 4.8 模擬靜脈注射之流量測量實體照片 51 圖 4.9 模擬靜脈注射之流量測量系統示意圖 52 圖 4.10 模擬靜脈注射之轉速與流量關係圖(採用 No.19 注射針) 52 圖 4.11 模擬靜脈注射之轉速與流量關係圖(採用 No.21 注射針) 53 圖 4.12 模擬靜脈注射之轉速與流量關係圖(採用 No.23 注射針) 53 圖 4.13 模擬靜脈注射之運作時間與點滴流量之關係圖(轉速 7 rpm) 54 圖 4.14 模擬靜脈注射之點滴流率與蠕動幫浦轉速關係圖 54 圖 4.15 行動電源之測試照片 55 圖 4.16 行動電源之運作測試 55 圖 4.17 直流 DC12V 穩壓電路 56 圖 4.18 攜帶式靜脈注射裝置前右面照片 56 圖 4.19 攜帶式靜脈注射裝置前左面照片 57 圖 4.20 攜帶式靜脈注射裝置正面照片 57 圖 A.1 蠕動泵浦實體照片 64 圖 A.2 泵浦頭實體照片 66 圖 A.3 鋰聚電池實體照片 69

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表目錄

頁數 表 3.1 元件數字符號表 58 表 4.1 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=10min) 59 表 4.2 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=20min) 59 表 4.3 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=30min) 60 表 4.4 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係式 60 表 4.5 醫囑與合宜蠕動泵轉速對照表 61 表 4.6 市售小型沉水幫浦的規格表 61 表 4.7 模擬靜脈注射之轉速與點滴流量之關係式 61 表 A.1 注射針頭資料 62 表 A.2 針頭號碼及其適用情形 63 表 A.3 蠕動泵浦之詳細規格 65 表 A.4 泵浦頭之詳細規格 66 表 A.5 輸液軟管之詳細規格 67

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符號

英文字母 A 截面積 Cross-Sectional Area m2 C 常數 Constant ml/rpm g 重力加速度 Gravity Acceleration m/s2 hP 幫浦揚程 Pump Head m hL 損失揚程 Loss Head m ID 內徑 Inner Diameter mm L 壁厚 Thickness mm n 轉速 Speed rpm P 壓力 Pressure N/m2 Q 流量 Flow Volume ml Q 流率 Flow Rate ml/hr t 時間 Time min V 流速 Velocity m/s W 功率 Power w z 高度 Elevation m 希臘字母 γ 比重量 Specific Weight N/m3

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第一章 緒論

注射(Injection)俗稱打針,是一種利用注射針筒(Syringe)與針頭(Needle)穿過

皮膚,並將液體送入身體內的方法,也是一種給藥的途徑;注射所預期的作用

位置,不一定是受注射的位置。目前有多種不同的注射方法,包括:靜脈注射

(Intravenous Injection)、真皮內注射(Intradermal Injection)、皮下注射(Subcutaneous

Injection)、肌肉注射(Intramuscular Injection)以及骨內輸液(Intraosseous Infusion) 等;其中靜脈注射可100%吸收注射之藥物,充分的發揮藥效,但相對的也具有

較高風險。

靜脈注射(Intravenous Injection, IV Injection) 其實就是為俗稱的點滴注射,

主要是將血液、藥液、營養液等液體物質直接注射到靜脈(Vein)中的一種醫療方 法(Medical Treatment)。靜脈注射可分短暫性(Temporality)與連續性(Continuity) ,短暫性的靜脈注射多以針筒直接注入靜脈,即一般常見的「打針」;連續性 的靜脈注射則以靜脈滴注(Intravenous Drip)實施,俗稱「點滴」,為將留置針插 入靜脈後固定,然後接上可更換或補充的瓶裝或袋裝醫療液體。如果短暫性靜 脈注射的液體多於50ml,也會使用點滴的方式注入。 點滴注射(Drip Injection)已有相當長久的歷史,1870年代就有醫師想將動物 的乳汁等注射進入血管,以替代人類的血液,治療失血過多的患者 [1](常春月 刊,2011)。到了1880年,林格氏(Sydney Ringer; 1835-1910)提出複方電解質溶

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液(Lactated Ringer's Solution)等各種不同的點滴藥劑陸續問市。 打 點 滴 也 有 不 少害 處 , 因 為 打 針畢 竟 是 一 種 侵 入性 醫 療 程 序 (Invasive Medical Procedures),各種侵入性醫療都有引發感染的風險,皮膚(Skin)是人體對 抗病菌的天然屏障,打點滴需要穿過皮膚留置靜脈導管,等於是給了病菌 (Bacteria)可趁之機,因此非必要的話盡量不要打點滴。而且點滴直接注入血管 內,如果處置不當或患者本身的免疫力(Immunity)較差,局部感染的風險就會增 加。最重要的是,愛請醫師打點滴的人,罹患靜脈炎(Phlebitis)或靜脈血栓(Vein Thrombosis)的風險會提高,打點滴其實是很傷血管的行為,容易造成靜脈表面 凹凸不平而發生血栓(Thrombosis),進而造成血管變得狹窄而不明顯,此部位以 後就很難再找出血管做靜脈注射。另外,經常打點滴也容易造成血管的組織纖 維化(Fibrosis),使血管狹窄且血流量變慢、血管壁也不健全,打針容易滲透的情 形也就是所謂的「漏針」,很多患者明明針已打入血管,但是點滴液卻滲透到 皮下而造成皮下血腫(Subcutaneous Hematoma),由於其他的位置也很難再找到血 管,也只有繼續慢慢打;常打點滴的人,很容易發生局部的皮膚變差而造成感 染。 對於小孩子而言,由於血管原本就比較小,加上發燒或脫水時血管會緊縮 變小,更增加了打針的難度,有時需要打好幾次才能放置好俗稱「軟針」的靜 脈導管(Venous Catheter)。如果小朋友掙扎的話,容易造成細小的血管破掉,又 要多挨了幾針。如果小孩子很怕打針,不必要的點滴只是徒增恐懼,對於疾病 本身並沒有幫助。有的小孩會很討厭留在身上的靜脈導管,常趁家長不注意的

(15)

時候去拉扯,一不小心反而可能從靜脈導管造成出血。 在台灣的醫療文化中,打點滴彷彿成了必要的治療儀式。點滴除了可以補 充水分和營養外,另外最重要的目的,是能讓藥物定時、定量經點滴管線注射 進入體內。吊大筒(Drip-Feed)的患者常因身上有條點滴管而不願下床,常會怕下 床拉扯到點滴管,使得點滴管滑脫、引流液逆流導致感染,或怕走路不方便造 成跌倒之慮。由於因點滴管 24 小時在體內的血管,而醫護人員根本不可能無時 無刻在旁照料,所以醫護人員都會叮嚀家屬在照顧小孩、老人、重症等病患的 同時,如何去「照顧」點滴。因此尋求一種可免除使用點滴架(Drip Stand),又 可準確的進行點滴注射之方式,成為醫界努力的方向之一。

(16)

第二章 研究目的

第2.1節 點滴注射之氾濫性

大量點滴注射俗稱為吊大筒(Drip-feed),是指經由靜脈輸注(Intravenous

Infusion, IV Infusion)瓶裝的生理食鹽水(Normal Saline)、林格兒氏液(Ringer's

Solution)、葡萄糖液(Rehydration Solution)…等液體 [2]。國人向來迷信「吊大筒 」的神效,舉凡疲勞、發燒、頭暈…等不適的症狀,都習慣接受大量點滴注射 做為治療。根據健保局的統計,光是申報門診給付大型點滴注射一年就有240多 萬人次 [3],還有一家診所幾乎每5個病患上門就有1人就吊點滴;但專家認為, 除非必要,多數人其實並不需要打點滴,民眾可能花錢又傷身。 衛生署過去曾估計,國人一年大概用掉3300萬瓶點滴液,花掉健保11億元 ,而且這還不包括自費部分 [4];由於有利可圖,因此有醫院設置有「點滴室」 ,專門讓病人打點滴用。進一步分析,大部分點滴液的成分,不外是生理食鹽 水、葡萄糖液、果糖液等,頂多再加些維他命,其營養價值可能比一瓶運動飲 料還低。雖然點滴輸液含有葡萄糖等能量,但一般輸液中的葡萄糖含量只有5% ,500cc的輸液換算下來只有25g葡萄糖,熱量只有100大卡,根本還不如一碗稀 飯 [3,5]。相較於人體一天所需的1000多大卡,能提供的熱量著實有限;而輸液 中所含的胺基酸(Amino Acid)、蛋白質(Protein)等營養素也很有限,想要藉此獲 得營養補充,未免是杯水車薪。然而依然有很多民眾堅信,吊點滴後體力真的 好很多?其實這可能是患者主觀受到類似於「安慰劑」的效應而自覺體能好轉

(17)

,另外吊一瓶點滴得花一、兩個小時,這段時間患者得以安靜躺下休息,對於 工作超支者而言,吊點滴的真正效果可能來自於休息吧! 打點滴風氣在基層診所尤其普遍,過去有基層開業的醫師要準備紅、黃兩 色點滴,以便因應不同的需要;推測紅色只是高濃度的維他命B12(Vitamin B12) 或稱氰鈷胺(Cyanocobalamin);黃色則是維他命B群(Vitamin B Complex),是一種 水溶性的有機化合物。不管顏色如何,重要的是,原本透明的點滴變顏色等, 可以讓廉價品身價連三翻,一瓶收費高達500元!由於利潤非常豐厚,也難怪診 所會樂此不疲的配合患者施打 [6]。 從健保局的資料顯示,有些診所申報點滴注射的比率確實偏高;平均而言 ,一般診所每2000個病人才有1人注射點滴,但部分診所的比率竟超過20%,幾 乎每5個病患就有1人吊點滴,健保局已注意到此異常狀況並進行稽查(薛桂文 ,2006)。健保局表示,靜脈注射大量點滴,通常只在腸胃道出血(Gastro-Intestinal Bleeding) 、 阻 塞 等 無 法 或 不 宜 進 食 的 情 況 下 , 必 須 以 點 滴 補 充 如 抗 生 素 (Antibiotics)、化療藥(Chemotherapeutic Agent),或因脫水(Dehydration)、電解質

(Electrolyte) 不 平 衡 、 血 糖 值 (Blood Glucose Level)<70mg/dl 的 低 血 糖

(Hypoglycemia)情況須快速改善,昏迷或休克(Shock)等需急救的狀況;所以,一 般門診理應不需打點滴。

醫師提醒,有些狀況並不適合打點滴,例如:心肌炎(Myocarditis)及心肌梗

塞(Myocardial Infarction)之病患,點滴注射可能增加心臟衰竭(Heart Failure)惡化

(18)

擔,所以除非必要,否則打點滴還可能無益反害。對此,開業小兒科醫師石賢 彥認為 [4],雖然有醫師的確是濫用點滴,但也有的是病人強烈要求、不惜翻臉 的情形下,醫師迫於壓力才用藥。對於病人的這種「指示」,醫師往往想拒絕 也難,因為患者若所求未遂,還會轉向其他醫療院所注射,而醫師也常基於短 時間內難扭轉病人觀念,於是勉為其難為人注射點滴,以致即使在醫藥發達、 民智日益高漲的今日,「點滴文化」仍是民間謬誤的醫藥文化一環。 在2006年健保局醫審小組主任高資彬曾指出,醫療院所共向健保申報240多 萬人次的大量點滴注射,光注射執行費1年就申報1億8,700多萬點 [7]。其實並不 只在台灣如此,美國點滴及靜脈注射設備市場的收益,在2005年就超過32億美 元;根據當時預測,將以每年4.1%的速度持續成長,到2010年將達到38億美元 的規模 [8]。姑且不論大量點滴注射的使用觀念正確與否,但由上述數據明顯的 反映「吊大筒」的潛在市場極為龐大,這將是不爭的事實。

(19)

第2.2節 點滴注射之不便性

傳統的點滴注射(圖 2.1 所示)而言,家屬與護理人員均須隨時盯著點滴的 液位是否快要探底;點滴注射過程中,輸液軟管可能也會阻塞,所以家屬與護 理人員也要察看點滴的液位是否有在下降。在點滴注射過程中,這些無形的壓 力對於家屬與護理人員都是一種身心煎熬。 尤其甚者,在點滴注射時使用點滴架極為不方便且不安全,譬如點滴流速 不易準確的調節,因此影響藥物的作用;此外,由於患者的姿勢變換,常會不 小心折彎或拉扯到輸液軟管,使輸液軟管有回血或阻塞。下床活動時,必須同 時移動點滴架,並且要將點滴袋舉高於注射部位。俗諺:「能站則不坐,能坐 則不躺」,此句話意涵著人要多活動才會有健康的概念,畢竟躺著不動,久而 久之就會問題叢生。然而,要推著點滴架行走,對於病人來講也不是一件方便 的事;下床活動時,常會拉扯輸液軟管而導致管路掉落或點滴架倒下。 點滴架(Drip Stand)可採用手壓式開關或旋轉鈕調整高度,使高度變化能在 130~250cm 之間。瓶架頭的鈎(Hook)型式包括:單鈎(輪椅用)、二鈎及四鈎。 由於點滴架的高度相當大,對於坑道、高壓氧艙(Hyperbaric Oxygen Chamber)、

高壓艙(Hyperbaric Chamber)、隔離艙(Isolation Chamber)、救護直升機、救護車…

等狹窄空間,使用上將會受到相當大的侷限。又因點滴架之架身為鐵或不鏽鋼

(Stainless Steel)材質,拿久了手會很酸;底座(Base) 的型式有工字形、三角架、 三爪底座 、 四爪底座、五爪底座,長度約為 52cm,很容易刮傷腳。

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方式相繼提出,近來有唐明彪 [9] 提出一種設有電磁感應線路、警示燈及蜂鳴 器所組合成的感應模組,固定於注射容器外部,由於該電磁感應片係以感應該 容器內液體流動時,所產生波頻之電壓差作為信號,當獲得電磁感應片之信號, 輸入電磁感應線路中,經由一個信號放大器將信號放大後,直接驅動本體內部 的警示燈及蜂鳴器發出聲光效果。林孟亮、林志明 [10] 提出一種利用一個荷重 元為感測元件,其上裝設有應變規與線性和數位混合IC 連接,固定端組裝於荷 重元固定結構,自由端與點滴吊鉤連接,用以偵測點滴之注射量。 近年來,楊文權、林俊安、周文隆 [11] 提出包含有重力感測器、資訊監控 單元、訊號傳輸單元以及訊號接收單元之點滴偵測警示裝置;其中該重力感測 器用以偵測並傳送點滴藥劑的重量變化數據訊號,當數據訊號値超出設定變化 範圍則發出警示訊息。林志昌、江仁富 [12] 提出一種自動推擠針筒定量注射器, 藉由馬達帶動底座上升,使推擠件隨設定的速度推擠針筒,藉此達到穩定劑量 的注射以方便醫療人員利用。 邱金和 [13,14] 提出一種由點滴袋、管體與注射針所組成之點滴結構,其中 該管體係包括有一個轉接部,使自點滴袋流入管體內之藥液經由該轉接部後, 再流入接續之管體,而轉接部外部設有一個偵測器,藉以使流入轉接部內之藥 液量過多或過少時,可透過該偵測器探知該浮體高度之變化,以提醒患者或醫 護人員。此外,邱金和 [15] 又提出一種點滴注射偵測裝置,該點滴注射偵測裝 置包括一個感應器、一個夾止器及一個控制/警示器,其中該感應器係與管體結 合,用以感應點滴袋內之藥液滴下時之速度,該夾止器與感應器間係透過控制/

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警示器連結,藉以使感應器感應到點滴袋內之藥液滴下時之速度改變時,可連 動該控制/警示器,以控制該夾止器夾持管體阻礙管體內之藥液流動。謝文振 [16] 在一本體內置入設有偵測元件、比較器、驅動器之控制電路,以及連接於該驅 動器之發光元件、發聲元件及警鈴連接座,藉由偵測元件偵測點滴包或點滴瓶 之重量,於藥液接近用罄重量變輕時,驅動發光元件及發聲元件構成閃光及聲 音之警示。 除上述專利之外,羅家景 [17] 利用彈簧承擔點滴袋之重量,將點滴袋吊掛 在點滴架上,並在點滴袋內液體流出之點滴管線上設置控制閥,並將感應器連 接到彈簧上,藉由彈簧之張力判斷點滴袋之重量,並在感應器中預設一定之重 量,當點滴袋之重量隨著液體流出而減輕到該預設重量時,感應器就會傳送出 訊號以為警示。陳文耀 [18] 則提出一種點滴液位偵測器,利用固定單元上設有 吸附部,以供吸附固定於點滴瓶(袋)上,又光敏電阻可感應周遭之光線變化,以 控制第感測元件改變其偵測時之靈敏度,並利用反射型紅外線感測元件偵測點 滴液之液面高度改變。魏慶華等人 [19] 提出一種非接觸式液位感測器,主要係 於點滴筒裝設有一個光耦合器,光耦合器包含有相連接之開關、電源、發光元 件與受光元件,因為發光元件與受光元件間信號之傳達是利用光來完成,可在 液位異常時發出警報,以提醒醫療人員前往處理。 現今市面已有點滴注射監視器,主要在於監視點滴注射過程中可能發生的 錯誤,同時亦可偵測、計算及顯示點滴流速、流量及剩餘時間,並提供各種警 告功能,以減輕看護人的負擔。該等產品的流速範圍可達到 800ml/hr、流量範圍

(22)

可達到 999 ml,機型尺度約為 174mm× 88mm × 62mm,重量約 400gw。此外, 也有部分的醫院已開始使用點滴輸液控制儀,是一種精確的提供點滴注射速度 和點滴流量的控制儀器,但礙於機體龐大、重量過大,且需使用交流電源,所 以並不適合廣泛的運用在病房。 除相關專利的創作外,賴坤煌 [20] 設計一套以脈壓訊號來控制注射流速, 且長時間連續監測注射處壓力與流速之控制器,藉以建立長期連續注射處壓力 訊號之相關資料,隨時監控其注射情況,並提供相關訊息來輔助臨床診斷上之 應用。經實際測試後,均可測得平穩壓力值,證明其所研發之恆壓控制器功能 正常,將可應用於點滴注射流速控制上。 . 綜上所述,絕大部分的專利創新研發均著重於點滴液位的監控與警示,但 就筆者的資料蒐集結果顯示,能控制流量並能具有攜行功能之點滴注設裝置, 至今仍付之闕如。本論文之創作將完全摒棄使用點滴架,而另行改用連續、定 量的注射方式,可利用不同的配戴方法而達到可攜式的目的,如圖 2.2 所示,這 將是一種創新與創意的方法。本作品完全摒棄傳統「吊大筒」的模式,藉由蠕 動幫浦配合流量控制器,將可達到主動定量輸注點滴的目的。

(23)

第三章 研究方法

第3.1節 靜脈注射

注射的方法有很多種,其中較普遍使用的方法包括:肌肉注射(Intramuscular

Injection, IM)、靜脈注射(Intravenous Injection, IV)及皮下注射(Subcutaneous, SC) 等三種,如圖3.1所示;有時靜脈注射又嚴格的區分為靜脈注射(IV Push)與靜脈

輸注(IV Infusion) [21] 。肌肉注射是透過肌肉(Muscle)內大量血管的機制,將注

射液傳輸到全身;靜脈注射是指經由周邊靜脈(Peripheral Vein)的途徑,使靜脈 輸液直接進入人體循環系統;皮下注射指將藥液注入到皮膚與肌肉之間的皮下 组織內,常用注射部位為上臂及骨外側。 血管是運送血液的管道,依運輸方向可分為動脈(Artery)、靜脈(Vein)與微 血管(Capillary)等三種。動脈從心臟將血液帶至身體組織;靜脈將血液自組織間 帶回心臟;微血管則連接動脈與靜脈,是血液與組織間物質交換的主要場所。 靜脈不僅僅是作為血液回流入心臟的通道,由於整個靜脈系統的容量很大,而 且靜脈容易被擴張又能夠收縮,因此靜脈具備血液儲存庫的功能。 傳統的靜脈注射係利用點滴袋吊掛在點滴架上,運用位能(重力原理)而 將點滴液注射到靜脈內,也就是利用液體静壓(Static Pressure)的物理原理,將液 體输入體内。由於靜脈血管內必定具有壓力(意即血壓),所以點滴液的位置 太低,經常會造成血液逆流至輸液軟管;意即點滴袋要吊的比注射部位高,不 然會回血。當體循環(又稱為大循環)血液經過動脈和毛細血管而達微靜脈時,

(24)

血壓大約下降至15-20mmHg;右心房(Atrium Dextrum)為體循環血液的終點,血

壓最低約趨近於零。

血壓(Blood Pressure)是指血管內的血液在單位面積上的壓力,習慣以毫米

汞柱(mm-Hg)為單位。一般所稱的高血壓(High Blood Pressure,亦稱Hypertension)

或低血壓(Low Blood Pressure,亦稱Hypotension),所指的都是動脈血管(Artery)

的壓力,意即動脈血壓;動脈血壓則指的是血液對動脈血管的壓力,一般平均

動脈血壓的簡易推算公式 [22] 如下所列:

平均動脈血壓 收縮壓 張壓 (3.1)

根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)於1999年的指引,

120/80以下是理想的收縮壓/ 張壓,139/89以下是為正常血壓,140/90至160/90 是屬於偏高血壓,180/90以上便是高血壓。靜脈是人體將各個部位的廢物運送 回心臟的管道,所以有「人體第二心臟」之稱;靜脈血管的壓力就稱為靜脈壓, 靜脈壓的正常值為35mm-Hg以下。 點滴注射用的輸液袋(IV Bag)的容量多為250、500及1000cc的裝置,由於袋 體隨著溶液流動而變形,造成袋內壓力持續的改變,故不需導入空氣來改變袋

內壓力。靜脈輸液(Intravenous Fluid, IVF )套管(IV Set)分成下列二種:

1. 普通輸液套管:屬大滴套管(Macro-Drip Set,滴係數為10~20 gtt/cc),其 滴室(馬菲氏滴室Murphy Drip Chamber)水滴較大,故滴係數較少;一般

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個防逆流( Anti-Backflow)或倒灌(Reflux)功能的閥門(Valve)。

2. 計量輸液套管(Volume-Controlled Set):屬微滴套管(Micro-Drip Set),滴室 之滴係數為60gtt/cc,具流量控制設備以協助控制流量。

(26)

第3.2節 蠕動幫浦

本創作利用蠕動幫浦(Peristaltic Pump, Tubing Pump)帶動轉動壓頭擠壓軟管,

配合微電腦控制點滴輸液幫浦,以持續定量注射點滴。蠕動幫浦的工作原理係 由轉動壓頭擠壓一根充滿流體的軟管,以連續、定量的使軟管內的流體向前流 動。配合低脈衝幫浦頭的運用,可達到高精度流量的要求。 蠕動幫浦的工作原理,係由轉動壓頭擠壓一根充滿流體的軟管(Tubing), 以連續、定量的使軟管內的流體向前流動 [23,24],如圖3.2所示。配合低脈衝幫 浦頭的運用,蠕動幫浦將可達到高精度流量的要求。目前拜電子元件日趨微型 化之賜,蠕動幫浦的微型化的潮流也正方興未艾,在Koch等人 [25] 的論文顯 示,他們所開發的蠕動微型幫浦,其中流體/制動器(Fluid/Actuator)僅約2 cm 2 cm 1 cm,所使用的迷你馬達/齒輪箱的尺寸為2.1 cm 2.1 cm 1.2 cm,在變化 馬達轉速的情況下,輸送液體的線性流率(Linear Flow Rate)範圍可從0.5 μL/min

至27μL/min;若採用同一種醫療用軟管,則流率範圍可從0.65 μL/min變化至41 μL/min。蠕動幫浦在配合不同直徑的軟性塑膠管(Plastic tube)(簡稱軟管),將 會輸注不同的流量值。 點滴正式名稱為「靜脈注射溶液」,大瓶點滴常用的種類有250 ml、500 ml、 1000 ml以及2000 ml的包裝;ml(Milliliter)為毫升,係為容量計量單位,1 cc=1 ml。傳統的點滴注射方式,係將點滴袋或點滴瓶吊掛在點滴架上,藉由位能的 壓力將溶液或液態藥劑推注入靜脈內,並採用調控閥(Clamp)調整滴速滴入靜脈。 普通成人的注射速率約維持在20~60gtt/min,靜脈注射的點滴數的計算可採用

(27)

下列公式: 每分鐘點滴數 輸液總量 每毫升滴數 輸液總時數 (3.2) 式中gtt=滴,例如:15 gtt/cc表示1 cc有15滴。此外,在一般醫護工作所使用的

輸液套組(IV Set),習慣採用滴係數(Drop Factor)作為注射速率之依據,對於微

滴套管(Micro Set)或小兒點滴套組之滴係數為60 gtt/ml、普通輸液套組之滴係數 為15 gtt/ml或20 gtt/ml、輸血之滴係數為12 gtt/ml、大滴套管常用者為輸血套組之 滴係數為10gtt/ml。 傳統的點滴注射所需具備的相關配件,包括輸液包裝容器與輸液套組二組 件,其中輸液包裝容器的種類有玻璃瓶裝(須導入空氣)、塑膠袋裝(不須使 用導氣設備)及塑膠瓶裝(須插入導氣針頭)等三種。至於輸液套組包含普通

輸液套組(Regular IV Set)、微滴輸液套組(Micro-Drip Set)、輸血套組(Blood

Transfusion Set; BT set)及精密輸液套組(Volume Controlled Bag; VCB)等四種。 靜脈注射之血管選擇,攸關本論文的設計技巧,因此我們必須充分的掌握醫護

人員的注射原理。在一般護理實務中,通常搭配剪刀片(Scissor Blade)用以卸下

靜脈注射套組的軟管,以便疏通阻塞的靜脈注射軟管 [26] 。

步進馬達(Stepping Motor, Step Motor, or Stepper Motor) 是脈衝馬達的一種,

在現今工業中所扮演的角色日趨重要,尤以電腦週邊裝置不可或缺的元件,例

如:磁碟機、列表機、繪圖機…等,又如 CNC 工具機、機械人、順序控制…系

(28)

步進馬達結構主要包含有:轉子(Rotor)、不會轉動的定子(Stator),還有包 在 定 子 上 面 的 線圈 (Coil)。 步 進 馬達 運 作 原 理 是 將脈 衝 信 號 轉 變 成角 位 移 (Angular Displacement),即給一個脈衝信號則步進馬達轉子就轉動一個角度,然 後以一定角度逐步轉動。步進馬達的特徵是因採用開迴路(Open Loop) 控制方式 處理,不需要運轉量檢知器(Sensor)或編碼器(Encoder),且因切換電流觸發器 (Current Trigger) 的 是 脈 波 信 號 , 不 需 要 位 置 檢 出 和 速 度 檢 出 的 回 授 裝 置 (Feedback Device),所以步進馬達可正確的依比例追隨脈波信號而轉動,因此就 能達成精確的位置和速度控制,且穩定性佳。步進馬達具備的特性有下列諸項: 1. 步進馬達必須加驅動電路才能轉動,驅動電路的信號輸出端,必須輸入脈波 信號,若無脈波輸入時,則轉子保持一定的位置,維持靜止狀態;反之,若 加入適當的脈波信號時,則轉子是以一定的角度(稱為步進角,Step Angle) 轉動。故若加入連續脈波時,則轉子旋轉的角度與脈波頻率成正比。 2. 步進馬達的一步角一般為 1.8 度,及一周為 360 度,需要 200 步進數才完成 1 轉。

3. 可調式電流迴路增益(Current Loop Gain),可依不同馬達調整,藉以完全發揮 馬達可用轉矩,且降低發熱量。

4. 靜止時具有相當的保持力,超低速下可有高轉矩傳動。

5. 解析度可達 50800 步/轉。

6. 價格低,且容易與電腦搭配使用(PC、PLC…)。

(29)

8. 旋轉的角度和輸入的脈波數成正比,因此用開迴路控制即可達成高精確角 度。 9. 每一步級的角度誤差小,而且沒有累積誤差。 10. 可靠性高,整個系統的價格低。 11. 在中低速的運轉領域擁有較大的扭力。 12. 馬達輸出轉矩:0.3~24.5 N-m。 13. 採 用 數 位 化 控 制 , 可 輕 易 的 得 到 穩 定 的 轉 速 及 精 確 定 位 (Accurate Positioning)。 14. 具有電子阻尼(Electronic Damping),能有效的抑制共振(Resonance)。 15. 啟動、停止、正反轉的反應性良好,極為容易控制。 16. 靜止時,步進馬達有很高的保持轉矩(Holding Torque),可保持在停止的位置, 不需使用煞車迴路就不會自由轉動。 17. 步進馬達具有瞬間啟動與急速停止之優越特性。 18. 改變線圈激磁(Coil Exciting)的順序,可以較輕易的改變馬達的轉動方向。

(30)

第3.3節 設計製作

圖 3.3 係本論文創作「攜帶式靜脈注射裝置」之立體外觀圖,由於每一元件

均賦予一數字符號,由於元件相當多,故彙整於表 3.1 以利說明。依功能屬性而

將創作區分為:控制單元(Control Unit,#1)、注射單元(Injection Unit,#2)、殼

體單元(Casing Unit 或 Housing Unit,#3)及附屬單元(Attachment Unit,#4)等四個

部分,其中控制單元與注射單元均容置在殼體單元中。控制單元的元件均利用

螺絲固設在殼體單元內,並採用撓性導線作電性連接;注射單元的元件亦均固

設在殼體單元內,並採用撓性軟管串接。附屬單元係為供應外部電能的傳輸媒

介,使用時才插入控制單元作電性連接。

圖 3.4 為本論文創作之控制流程圖,其中控制單元(#1)包括一組充電電池

(#11)、一片 PC 控制板(Control Panel of Printed Circuit,#12)、一個風扇(#13)、 一片顯示面板(Display Panel,#14)及一片操作面板(Operation Panel,#15)。充電

電池(#11)為一組具有蓄積電能的功用,規格為直流 DC12V 之儲能元件;該充電

電池(#11)可透過 PC 控制板(#12)提供電能給顯示面板(#14)、操作面板(#15)及注

射單元(#2);當電能不足時,可再由外部輸入並予以儲存。PC 控制板為本單元

的核心電路板(Circuit Board);該 PC 控制板為一印刷電路(Printed Circuit)之控制

板(Control Board),主要兼具有脈波(Pulse Wave)產生、微電腦控制(Microcomputer

Control)及驅動放大等三大功能。風扇之功能在於產生形成空氣快速流通,藉由 強制對流而降低 PC 控制板的溫度。顯示面板(Display Panel)係採用 3 位數類比

(31)

作之操作面板(Operation Panel)具有電源開關、全速運轉及流量控制等觸控鍵

(Touch Keys),寬大鍵帽能提供優質的敲擊手感與友善的人機介面。

圖 3.5 為本論文創作之立體透視圖,其中注射單元(#2)包括點滴袋(#21)、複

數條輸液軟管(#22)、一個蠕動泵頭(Peristaltic Pump Head,#23)及一顆步進馬達

(#24)。此一單元藉由控制單元(#1)的操作指令而使步進馬達(#24)作動,進而驅 動蠕動泵浦頭旋轉,因而將從點滴袋中抽取定量的注射溶液,同時會擠壓充滿 流體的輸液軟管,促使輸液軟管內的流體會連續、定量的向前流動。配合低脈 衝(Low Pulse)泵頭的運用,可達到高精度流量的要求;當配合不同的步進馬達轉 速,帶動蠕動泵浦頭旋轉,將可輸注不同流量值的注射溶液。 圖 3.6 為本論文創作之控制方塊圖(Block Diagram),從圖中可看出使用者可 透過控制單元(#1)來驅動注射單元(#2);該攜帶式靜脈注射裝置利用步進馬達帶 動蠕動幫浦頭擠壓輸液軟管,配合控制單元控制注射單元,以持續定量的注射 溶液。 圖 3.7 為本論文創作之殼體立體圖,其中殼體單元(#3)包括有一片層板(Layer Plate,#31)、一片底板(#32)、一片門板(#33)、複數個門鉸鏈(Door Hinges,#34)、 複數片壁板(#35)、一個軟管出入孔(#36)、一個風扇通氣孔(#37)、一個顯示面板 安裝孔(#38)及一個操作面板安裝孔(#39)。殼體單元主要係用以容置控制單元(#1) 與注射單元(#2),其內部至少含有一層板(#31)用以置放點滴袋(#21),另有一底 板用以固設充電電池、PC 控制板(#12)及步進馬達(#24),其他複數壁板分別銑有 軟管出入孔、風扇通氣孔、顯示面板安裝孔及操作面板安裝孔,可分別用以裝

(32)

設輸液軟管(#22)、風扇(#13)、顯示面板(#14)及操作面板(#15)。在殼體單元之後 側裝設有門板,利用門鉸鏈使該門板可輕易的開啟與閉合,以利於殼體單元內 的元件維修與點滴袋更換。 再檢視圖 3.4 及圖 3.5,其中附屬單元(#4)包括複數插頭(#41)、複數撓性導 線(#42)及一個充電器(Transformer,#43),插頭固設在撓性導線之二端,中間固 設串接一個充電器。附屬單元之主要是提供充電電池(#11)使用家用電源作為充 電之用,只要將該單元其中一端之插頭插入家用電源之插座,另一端之插頭插 入充電電池(#11)之插座;家用電源之電流流經該單元之充電器,將會使電力從 AC110~240V 變換至 DC 電源,然後再流入充電電池中。 圖 3.8 為本論文創作之步進馬達轉速控制電路圖,透過步進馬達精密的運轉, 帶動蠕動泵頭擠壓輸液軟管,以便持續定量的注射溶液;我們配合圖 3.8 亦作以 下之設計說明。 1. 步進馬達之運轉特性 圖 3.8 之步進馬達控制電路圖中,步進馬達係由微電腦控制器所控制,當控制 訊號自微電腦輸出後,隨即藉由驅動器將訊號放大,達到控制馬達運轉的目 的,整個控制流程中並無利用到任何回饋訊號(Feedback Signal),因此步進馬 達的控制模式為典型的開迴路控制(Open-Loop Control)。開迴路控制的優點為 控制系統簡潔,無回饋訊號,因此不需要感測器而可減低成本。 2. 步進馬達之應用

(33)

由於步進馬達所使用的驅動訊號為脈波訊號(Pulse Signal),因此以普通直流電 源加在馬達繞組(Motor Winding)時,馬達是不會連續轉動的。此外,步進馬 達的電源線最少有五條,其中一條為共接點(Common),其餘四條分別為 A 相、 A+相、B 相、B+等四相的輸入點;有些步進馬達的電源線共有六條,其中兩 條為共接點,將 A 相、A+相,與 B 相、B+等四相的輸入點分成兩組。 要分辨何者為共接點,何者為輸入點以及正、反轉的激磁順序(Excitation Sequence),可以先用三用電表(Volt-Ohm-Milliammeter, VOM)之歐姆檔量測線 圈之電阻值,理論上各相的電阻值應相等,找出共接點後再以低於額定電壓

(Rated Voltage)、額定電流(Rated Current)之直流電源逐一測試,便可找出步進 馬達正、反轉的激磁順序。 步進馬達所使用的驅動訊號為脈波訊號,因此在實際使用步進馬達時需包含 三個部份,分別是脈波訊號產生器、訊號放大器(驅動器,Driver)、與步進 馬達,以下針對脈波訊號產生器與訊號放大器做進一步的介紹。 脈波訊號產生器 一般而言,能夠產生脈波訊號的平台相當多,例如:訊號產生器、8051 或

68HC11…等單晶片(Single-Chip)製作成的單板電腦(Single Board Computer,

SBC)、以及利用個人電腦(Personal Computer)以程式語言產生訊號再以界面輸 出。訊號產生器由於輸出的訊號為固定頻率與振幅,因此彈性不大只適合運

用在一般的檢測方面;8051 單晶片製作成的單板電腦由於功能強、彈性大且

(34)

訊號放大器 以微電腦系統作為脈波訊號產生的平台所產生的脈波訊號為小電壓(0~5V)、 小電流(0.5mA)之訊號,根本無法產生足夠的電磁場推動轉子,因此還需要 一 個 能 夠 將 訊 號 放 大 的 驅 動 器 , 也 就 是 一 般 俗 稱 的 功 率 放 大 器 (Power Amplifier)。 如圖 3.8 所示即為利用四組達林頓電晶體(Darlington Transistor)所構成的驅動 電路,放大倍率為兩顆電晶體發射極(Emitter)電流增益之乘積。 此外,一般+12V 之外部電源與 ULN2003 界面之間並無隔離保護,倘若外部 電源突然升高時極有可能將界面甚至是 PC 燒毀,因此在圖 3.8 中的驅動器中 加入利用光耦合器(Optical Coupler)作為隔離保護的設計。 3. 實驗設計 步進馬達之所以能夠以開迴路控制達到定位控制的原因,是由於步進馬達所 使用的驅動訊號為脈波訊號,因此只要控制輸入馬達的脈波數目與步進角 (Step Angle)就能達成定位控制,例如:若馬達之步進角為 1.8°時,輸入 200 個脈波訊號至馬達時,則馬達將旋轉一圈(1.8°×200=360°),這就是步進馬達 名稱的由來。由於驅動簡單、定位準確且為開迴路控制,因此常被運用在各 類需要定位精確的場合,如印表機、繪圖機、軟式磁碟機、分割定位機構等 裝置。 4. 步進馬達加減速實驗設計

(35)

步進馬達為開路控制,為了達到精確的控制與提高效率,因此如何利用適當

的加減速使步進馬達避免失步與失速就顯得格外的重要。本論文中介紹了各

式的步進馬達之結構與驅動原理,並以鍵盤數字鍵作為輸入需求控制,以鍵

盤控制鍵作為控制步進馬達的啟動、轉向、以及加減速等功能,以達到產品

(36)

第四章 結果與討論

第4.1節 測試注射之流量控制

注射針與點滴注射具有密不可分的關聯性【附錄,第A.1節】,而蠕動泵(或 稱為蠕動幫浦)又是本論文創作的核心【附錄,第A.2節】,配合不同輸液軟管 的使用【附錄,第A.3節】,我們將可滿足各種點滴注射的需求。因此,本論文 首先所要探討的議題,是要瞭解使用不同大小的注射針,對於點滴注射量的影 響;還有要瞭解採用不同的蠕動泵轉速,對於點滴注射量的影響。 經由實際蠕動泵運轉10、20及30分鐘所測量的點滴流量(Flow Volume)[Q, ml],或稱為流率(Flow Rate)[Q , ml/hr],結果分別列示於表4.1、表4.2及表4.3, 其中針對不同的針頭號數與相異的轉速(n, rpm),所得到的數據均詳列在表中。 從三個表可看出,注射時所使用的針頭號數,對於點滴流量(Q)的影響幾乎微乎 其微;相對地,轉速(n)與時間(t)才是攸關點滴流量(Q)變化的二個重要參數,數 據顯示點滴流量(Q)與轉速(n)、時間(t)均呈正比遞增的趨勢。 若將上述之數據利用圖形來顯現,結果圖4.1、圖4.2及圖4.3係分別針對針頭 號數No.19、No.21及No.23,在不同時間(t, min)的點滴流量(Q)數據;其中縱座標 為點滴流量(Q)、橫座標為轉速(n, rpm)。從三個圖中的數據顯示點滴流量(Q)- 轉速(n)均完全呈現線性直線(Linear Line)狀態,時間(t)越長點滴流量(Q)就越大; 為定量分析(Quantitative Analysis)以便求出線性直線的關係式,如下(4.1)式所列

(37)

(4.1)

式中Q表示點滴流量,單位為ml;n表示轉速,單位為rpm;C則是代表圖中線性

直線的斜率(Slope),C1值為一個常數(Constant),導出單位(Derived Unit)則是

ml/rpm。經由實驗數據的擬合(Fitting)結果,常數C1的值表列於表4.4。 再從圖4.1、圖4.2及圖4.3分別代表時間(t)在3、6、10、20及30分鐘之五條直 線,進一步的做比較分析發現,無論針頭號數是為No.19、No.21或No.23,但三 個圖中對應於時間(t)的直線幾乎完全吻合。為再確認以上的結論,我們將測試 數據改用圖4.4的呈現方式-縱座標為點滴流量(Q)、橫座標則為時間(t),在此圖 中以固定轉速n=7 rpm為分析例,從圖中的描繪結果可看到,針頭號數No.19、 No.21及No.23等三例,點滴流量(Q)隨時間(t)變化的線性直線完全一致;意即三 條線性直線完全重合。據此可知,若採用蠕動泵來進行點滴注射,點滴流量(Q) 與使用的針頭號數完全無關;點滴流量(Q)與轉速(n)則呈現線性直線的關係。 根據上述的分析結果可知,轉速(n)與時間(t)才是攸關點滴流量(Q)變化的二 個重要參數,因此我們將點滴流量(Q)的測試數據改採用長條圖(Bar Chart)來呈 現,分析例針對轉速(n)分別為3、5及7 rpm,時間(t)設定在30分鐘的狀況下,針 頭號數分別為No.19、No.21及No.23等三例之點滴流量(Q),顯然的,轉速(n)越 快則點滴流量(Q)越大;然而針頭號數卻完全沒有影響。 在此強調,由於蠕動泵的點滴流量(Q)與轉速(n)、時間(t)具有強烈的關聯性, 若改採用每單位時間的點滴流量(意即點滴流率 Q ,單位為ml/hr)來呈現測試 結果,如圖4.6所示-縱座標為轉速(n)、橫座標則為點滴流率( Q )。從圖中的結

(38)

果亦呈現線性直線的狀態;為定量分析以便求出線性直線的關係式,如下(4.2) 式所列 (4.2) 式中 表示點滴流率,單位為ml/hr;n表示轉速,單位為rpm;C2代表圖中線性 直線的斜率,導出單位則是ml/rpm hr。經由實驗數據的擬合結果,常數C2=23.2; 或(4.2)式可改寫成 (4.3) 雖然進行點滴注射須考量到病患的年齡與病症,然而醫師常用的點滴流率 (Q )通常設定為60、80、100、120及140ml/hr,根據(4.3)式的換算,我們將可輕 易地轉換成蠕動泵的準確轉速(n),同時亦可獲得點滴輸液的流量精度,如表4.5 所列。

(39)

第4.2節 模擬靜脈注射之流量控制

第4.1節均為測試注射情況下之流量測量,如圖 4.7所示;測量方法係將點 滴袋之注射液透過蠕動幫浦作固定流量之傳輸,由點滴袋輸出之注射液係直接 由注射針頭流入量杯,外界之壓力係為大氣壓(Atmosphere),故錶壓力(Gage Pressure)係為零。然而,真正點滴注射是將針頭插入靜脈血管內,其間的靜脈壓 雖然是在35mm-Hg以下,但為了考量靜脈壓對於使用蠕動幫浦的影響性,我們 製作一套實驗機構來模擬真實的靜脈注射情形,如圖 4.8所示。 在圖 4.8中,我們利用一個沉水幫浦(Submersible Pump)來製造水在塑膠軟 管流動,藉以模擬人體的血液循環系統(Circulatory System),其中在照片正中央 的沉水幫浦就像是心臟,塑膠軟管(淺藍色)則像是靜脈血管,而整個水循環 系統正是血液循環系統的複製。本節的模擬靜脈注射之流量測量系統示意圖, 如圖4.9所示;在測量系統中,主要分成模擬血液循環單元與點滴注射單元的設 計,圖中藍色部分代表血液循環單元,綠色部分則是代表點滴注射單元。由於 血液循環單元之塑膠軟管內有水流動,透過柏努利方程式(Bernoulli Equation) [27],可獲知在塑膠軟管內任意點(圖中點)之管內壓力,藉此可模擬真實靜 脈血管內之壓力;再重複進行上一節所作的流量測量,從而推估靜脈壓對於本 裝置的影響性。 在 圖 4.9 中 , 針 對 模 擬 血 液 循 環 單 元 , 在 沿 著 點  與 點  之 間 的 流 線

(Streamline)上,假設流體為均勻流(Uniform Flow)、穩定流(Steady Flow)且不可 壓縮流(Incompressible Flow)之情況,由於考慮沉水幫浦的功率輸入及摩擦損失

(40)

的因素,故可利用擴充柏努利方程式(Extended Bernoulli Equation)描述流動情形,

如(4.4)式所列:

(4.4)

上式亦稱為機械能方程式(Mechanical Energy Equation),其中 V 為流體流速,g

為重力加速度(Gravity Acceleration),z 為高度(Elevation),P 為流體壓力,γ 則為

流體比重量(Specific Weight);hP與 hL分別表示幫浦揚程(Pump Head)與損失揚

程(Loss Head),其中二個物理量的單位均為公尺(m)。 有關幫浦揚程 hP之定義如下所列: (4.5) 式中 W 為沉水幫浦之功率(Power),Q 為塑膠軟管內的水流率。通常,市售水族 箱使用之小型沉水幫浦的功率 W、流率 Q 以及揚程 hP之間,實際的關聯性如表 4.6。 為簡化(4.4)式的運用,我們再增列以下合理之假設條件:  點處液面之水位變化極微小,可忽略不計,故 v1=0。  忽略點與點之間的高度差,故 z1=z2。  點處為大氣壓,故錶壓力值為 0,即 P1=0;點之對應壓力 P2則為錶壓力 值。  塑膠軟管內部平滑,故不考慮摩擦損失,故 hL=0。

(41)

除上列之假設條件外,我們透過圖 4.9 所示的實驗測量系統,獲得模擬血液 循環單元中的參數值(沉水幫浦:查表 4.6;塑膠軟管:查表 A.5),並且從相 關資料 [27] 查得固定之常數值,如下所列:  沉水幫浦之流率 Q =410 m l/min=6.83×10-6 m3/s。  沉水幫浦之揚程 hP=1.8 m。  採用#4 編號之塑膠軟管:內徑 ID=3.2 mm=3.2×10-3 m,壁厚 L=1.6 mm。  水在 15℃之比重量 γ=9800 N/m3  重力加速度 g=9.81m/s2 根據以上所臚列的數據,首先可先求得在塑膠軟管內的水流速,其中管內 水流速之定義為流率 Q 除以管截面積(Cross-Sectional Area),即: 接著,我們再將上述所有假設為零的物理量全部代入(4.4)式中,我們可先將方程 式簡化如下: (4.6) 據此,再將水流速 v2與幫浦揚程 hP代入方程式(4.6)中,結果可計算出所賸唯一 的未知數-管內之壓力 P2,如下所列:

(42)

式中之壓力若改採用mmHg來表示,則換算單位為1 kPa=7.50062 mm-Hg,或可 改寫成 129.8 mm-Hg 此模擬靜脈血管之壓力(129.8 mm-Hg)之值較一般靜脈壓(35mm-Hg以下) 高出許多,因此我們可重複上一節的流量測量,然後對照對應數據之差異性 (Differentiation),藉以探討在真實點滴注射中,靜脈壓對於蠕動幫浦”擠壓”點滴 液精確性的影響。 若將本節所測量之數據描繪成圖,結果在圖4.10、圖4.11及圖4.12係分別為 No.19、No.21以及No.23之針頭,在不同時間(t, min)的點滴流量(Q)數據;其中縱 座標為點滴流量(Q, ml)、橫座標為轉速(n, rpm)。從三個圖中的數據顯示點滴流 量(Q)-轉速(n)均完全呈現出線性直線,時間(t)越長點滴流量(Q)就越大。若同樣 採用直線關係式作為定量分析,如(4.1)式所列,但常數改成C3;經由實驗數據 的擬合結果,常數C3的值表列於表4.7。從表4.4與表4.7的結果比較得知,對應於 注射時間為10、20及30分鐘,在測試注射狀況的擬合C1常數分別為3.86、7.73及 11.59,而在模擬靜脈注射狀況的擬合C3常數分別為3.86、7.71及11.57,二種狀 態下的差異不到0.26%。據此可推斷,即使靜脈血管內存在靜脈壓,但對本裝置 流量準確性的影響卻微乎其微! 圖4.10、圖4.11及圖4.12中之三條直線,分別代表時間(t)在10、20及30分鐘 的流量數據分佈,進一步的做比較分析發現,無論針頭號數是為No.19、No.21

(43)

或No.23,但三個圖中對應於時間(t)的直線幾乎完全吻合。為再確認以上的結論, 我們將測試數據改用圖4.13的呈現方式-縱座標為點滴流量(Q)、橫座標則為時 間(t),在此圖中以轉速n=7 rpm為分析例。從圖4.13的描繪結果可看到,針頭號 數No.19、No.21及No.23等三例,點滴流量(Q)隨時間(t)變化的線性直線完全一致; 意即三條線性直線完全重合。據此可再度確認,若採用蠕動泵來進行點滴注射, 點滴流量(Q)與使用的針頭號數完全無關;點滴流量(Q)與轉速(n)則呈線性關 係。 為再次強調蠕動泵的點滴流量(Q)與轉速(n)、時間(t) 的強烈關聯性,改採 用點滴流率 Q (單位為ml/hr)來呈現測試結果,如圖4.14所示,其中改用縱座 標為點滴流率( Q )、橫座標則為轉速(n)。從圖中的結果亦成線性關係;同樣採用 直線關係式作為定量分析,如(4.2)式所列,但常數改成C4。經由實驗數據的擬 合結果,式中 表示點滴流率,單位為ml/hr;n表示轉速,單位為rpm;C4代表 圖中線性直線的斜率,導出單位則是ml/rpm hr。經由實驗數據的擬合結果,常 數C4=23.57;或(4.2)式可改寫成 (4.7) 再從(4.3)式與(4.7)式的結果比較得知,在測試注射狀況的擬合C3常數為23.2, 而在模擬靜脈注射狀況的擬合C4常數為23.57,二種狀態下的差異僅為1.59%。據 此可再度確定,靜脈壓對本裝置流量準確性的影響確實是極微小!

(44)

第4.3節 實體成品製作

本論文創作強調是攜帶式之裝置,因此必須採用5000mA h高容量(High Capacity)之行動電源(Power Bank),不但攜行方便,而且能符合點滴注射所需提 供 蠕 動 幫 浦 之 運 作 時 間 。 本 論 文 所 使 用 的 行 動 電 源 為 鋰 聚 電 池 (Lithium- Polymer Battery),簡稱為Li-Po電池【附錄,第A.4節】,該型電池為可充電電池; 經實際測試(參見圖4.15)結果顯示,即使使用時間達到300分鐘,其輸出電壓 仍大於14.8V以上,如圖4.16所示。 參見圖4.17,經由本論文設計之DC12V穩壓電路(Regulation Circuit),將充 電電池之電能輸出至選用的蠕動泵浦,其轉速不會變動且能維持固定之正常運 轉速度。電路要求規格為使圖4.17的電路能達到12V穩壓,使用的電池需高於 12V穩壓電路2.5V以上的設計。圖4.17之電路為市面上常見的直流穩壓電路, 能夠提供最高1A左右的電流輸出,本實驗使用之鋰聚電池容量為5000mA h, 而設計之蠕動泵浦負載所需平均電流只需要620mA左右,經由公式的計算 據此得知,經由選用蠕動泵浦與鋰聚電池之匹配,理論可連續使用8.06小時, 結果顯示已能達成需要之設計時間(超過4小時以上)。經由實際測試在5小時 之後,總電壓也能夠維持在15.01V,並且保持穩定12V的輸出電壓,如圖4.16 所示。據此,只要能維持充電電池之正常使用,在充滿電的狀況下,攜帶式之 裝置可連續施打2~4袋點滴注射液。

(45)

藉由本論文之努力,我們已完成「攜帶式靜脈注射裝置」的研發工作,雛

型機如圖4.18至圖4.20所示,分別是從前右面、前左面以及正面所拍攝的實體照

片。雖然本論文已完稿付梓,但我們對於儀器商品化才正式要啟動,期待能將

(46)

第五章 結論

第5.1節 歸納總結

傳統的「吊大筒」必須使用點滴架,對於使用病患極為不便且相當危險, 對於家屬與醫護人員也是極大負擔且相當麻煩。相對地,本論文創作可供病患 自由攜行,並擺脫傳統點滴架帶來之行動不便與困擾;不會因為病患所處空間 高度的限制,影響到點滴注射的安全性。本創作是一種完全顧及病患尊嚴,有 效確保治療的安全性的嶄新醫療輔具,將使「吊大筒」邁入一個便捷與安全的 新紀元。 本論文創作係利用蠕動幫浦帶動轉動壓頭擠壓軟管,配合電腦控制點滴輸 液幫浦,以持續定量注射點滴。經由實驗測量結果,我們可將上一章的討論綜 合歸納出以下的結論:  點滴流量(Q)與使用的針頭號數完全無關。  點滴流量(Q)與轉速(n)則呈線性關係。  測試注射狀況下,點滴流率(Q )與轉速(n)之線性關係式為 。  模擬靜脈注射狀況下,點滴流率(Q )與轉速(n)之線性關係式為 。  不論注射時間之長短,經由測試注射狀況下擬合之點滴流量(Q)與轉速(n)方 程式呈線性,與在模擬靜脈注射狀況的擬合之線性方程式,二種狀態下的差 異不到 0.26%。  測試注射與模擬靜脈注射狀況下,靜脈壓對本裝置流量準確性的影響僅為

(47)

1.59%,差異極微小。據此可推斷,即使靜脈血管內存在靜脈壓,但對本裝 置流量準確性的影響卻微乎其微!  經由選用蠕動泵浦與鋰聚電池之匹配,理論可連續使用 8.06 小時,結果顯 示已能達成需要之設計時間(超過 4 小時以上)。  實際測試在 5 小時之後,鋰聚電池之總電壓尚能維持在 15.01V,並且保持 穩定 12V 的輸出電壓。 藉由本論文的製作與撰寫,學生獲得以下具體的寶貴經驗:  學習跨領域整合能力。  透過課程學習與老師指導,而能開發具有國際競爭力的產品。

 稍具有高階醫療產品的智慧財產權(Intellectual Property Right, IPR)知識。

 學習如何取得研發成果之智慧財產權保護。

 初步瞭解醫材產品通過臨床測試及商品化過程。

(48)

第5.2節 未來展望

台灣醫療器材產業(Medical Devices Industry)於 2006 年底產值已達 697 億台

幣,過去曾在兩兆雙星產業發展計畫 (Two Trillion and Twin Star Development

Program)中重點扶植生技醫藥產業,未來政府更預估每年產值將以倍數成長,足 見醫療器材在台灣未來經濟發展中舉足輕重的地位。再根據工研院(Industrial

Technology Research Institute, ITRI)的報告指出,2009 年全球醫療器材市場規模 為 2568 億美元,其中電子類醫療器材市場規模高達 1248 億美元,預估到 2014 年更將突破 2000 億美元大關,無疑已成為醫療器材業者商場制勝的兵家必爭之 地。其中,台灣醫療器材業者原本就在數位體溫計、血糖計、血壓計、健康和 健身器材…等居家產品(Homecare Product)市場享有盛名,國際出貨排名也在全 球名列前茅。 台灣醫療顯示器(Medical Displays)產品在有先進之半導體與面板產業技術 支援之下,已普遍獲得醫療業界肯定;而台灣研發之呼吸照護(Respiratory Care)、 遠距照護(Long-Distance Caregiving)產品也逐步進入商業化營運階段。特別在台 灣資通訊業者紛紛宣示投入醫療器材產品研發行列之際,也讓台灣發展醫療器 材的道路,未來將走得更加踏實穩健。 醫學科技愈是發達,人們對於高品質健康生活的要求也就愈高;長久以來, 點滴注射所造成病患的不便是眾所周知的問題,對於家屬與護理人員所衍生不 便也是眾人皆知的困擾。因此能夠提出解決不便的任何創作,將是值得鼓勵的 一件事;對於能夠有效解決不便的任何創作,更是值得喝采的一件事。本論文

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之研發目前已取得中華民國新型專利證書 [28],改良的創作亦已提出中華民國

新型專利 [29] ,預定未來一年內能組裝原型機,期望能儘速達成各項預定功能,

(50)

參考文獻

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[29]杜鳳棋、徐奎新(2013),「攜帶式靜脈注射裝置(Portable Device for

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著 作

 杜鳳棋、林啟昌、徐福光、徐奎新,車用太陽能空氣淨化裝置之研發

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 杜鳳棋、徐奎新,攜帶式靜脈注射裝置(Portable Device for Intravenous

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 杜鳳棋、徐奎新,攜帶式靜脈注射裝置的研發,2012 兩岸機電暨產學合

(54)

圖 2.1 傳統的點滴注射裝置

(a) (b) (c) 圖 2.2 攜帶式靜脈注射裝置:(a)肩背式、(b)臂攜式、(c)腰帶式

(55)

圖 3.1 注射的方法

(56)

圖 3.3 本論文創作之立體外觀圖

(57)

圖 3.5 本論文創作之立體透視圖

(58)
(59)
(60)

圖 4.1 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(採用 No.19 注射針)

(61)

圖 4.3 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(採用 No.23 注射針)

(62)

圖 4.5 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係圖(運轉 30 分鐘)

(63)

圖 4.7 測試注射之流量測量

(64)

圖 4.9 模擬靜脈注射之流量測量系統示意圖

(65)

圖 4.11 模擬靜脈注射之轉速與流量關係圖(採用 No.21 注射針)

(66)

圖 4.13 模擬靜脈注射之運作時間與點滴流量之關係圖(轉速 7rpm)

(67)

圖 4.15 行動電源之測試照片

(68)

BT1 14.8V S1 SW SPDT D1 RL204 C1 C2 0.1μF 100μF U1 78L12 VIN VOUT GND 1 2 3 35V C3 C4 R1 2K D2 LED 0.1μF 100μF 35V 12V 圖 4.17 直流 DC12V 穩壓電路 圖 4.18 攜帶式靜脈注射裝置前右面照片

(69)

圖 4.19 攜帶式靜脈注射裝置前左面照片

(70)

表 3.1 元件數字符號表 符號 元件 件數 備註 1 控制單元 1 個 11 充電電池 1 組 12 PC 控制板 1 片 13 風扇 1 個 14 顯示面板 1 片 15 操作面板 1 片 2 注射單元 1 個 21 點滴袋 1 袋 22 輸液軟管 1 條 23 蠕動泵頭 1 個 24 步進馬達 1 顆 3 殼體單元 1 個 31 層板 1 片 32 底板 1 片 33 門板 1 片 34 門鉸鏈 2 個 35 壁板 4 片 36 軟管出入孔 1 個 37 風扇通氣孔 1 個 38 顯示面板安裝孔 1 個 39 操作面板安裝孔 1 個 4 附屬單元 1 個 41 插頭 1 個 42 撓性導線 數條 43 充電器 1 個

(71)

表 4.1 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=10min) 針頭 號數 (No) 轉速 n (rpm) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 19 7.80 9.78 11.92 13.84 15.70 17.62 19.58 21.26 23.29 25.05 27.06 20 7.78 9.76 11.90 13.82 15.68 17.61 19.57 21.25 23.28 25.06 27.07 21 7.83 9.80 11.94 13.81 15.72 17.61 19.60 21.25 23.26 25.07 27.05 22 7.80 9.78 11.92 13.81 15.70 17.62 19.58 21.26 23.25 25.07 27.06 23 7.81 9.80 11.93 13.83 15.71 17.61 19.58 21.28 23.28 25.08 27.08 24 7.79 9.77 11.91 13.81 15.71 17.60 19.59 21.27 23.26 25.08 27.07 表 4.2 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=20min) 針頭 號數 (No) 轉速 n (rpm) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 19 15.09 19.39 23.82 27.63 31.44 35.23 39.16 42.62 46.59 50.16 54.11 20 15.07 19.40 23.81 27.63 31.45 35.22 39.15 42.62 46.58 50.17 54.12 21 15.10 19.41 23.82 27.66 31.43 35.22 39.15 42.61 46.57 50.18 54.11 22 15.09 19.41 23.80 27.65 31.44 35.23 39.16 42.63 46.59 50.16 54.11 23 15.12 19.42 23.84 27.65 31.45 35.24 39.18 42.62 46.58 50.16 54.12 24 15.11 19.40 23.82 27.66 31.45 35.24 39.17 42.61 46.58 50.18 54.11

(72)

表 4.3 蠕動幫浦轉速與點滴流量之測試關係(t=30min) 針頭 號數 (No) 轉速 n (rpm) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 19 22.46 29.07 35.78 41.51 47.17 52.87 58.74 63.97 69.87 75.27 81.13 20 22.45 29.08 35.78 41.50 47.17 52.86 58.72 63.97 69.88 75.26 81.14 21 22.45 29.06 35.76 41.48 47.17 52.88 58.75 63.96 69.88 75.26 81.15 22 22.46 29.06 35.77 41.47 47.16 52.86 58.74 63.95 69.86 75.27 81.15 23 22.48 29.08 35.79 41.51 47.15 52.88 58.75 63.98 69.88 75.27 81.15 24 22.47 29.07 35.78 41.48 47.15 52.88 58.75 63.98 69.88 75.27 81.15 表 4.4 蠕動幫浦轉速與點滴流量之關係式 t (min) 常數 C (ml/rpm)

No. 19 No. 20 No. 21 No. 22 No. 23 No. 24 3 1.16

6 2.32 10 3.86 20 7.73 30 11.59

(73)

表 4.5 醫囑與合宜蠕動泵轉速對照表 醫囑 合宜 rpm/min 流量精度 ml/hr 60 ml/hr 2.6 rpm/min < 0.82 ml/hr 80 ml/hr 3.4 rpm/min < 0.96 ml/hr 100 ml/hr 4.3 rpm/min < 0.72 ml/hr 120 ml/hr 5.2 rpm/min < 0.65 ml/hr 140 ml/hr 6.0 rpm/min < 0.68 ml/hr 160 ml/hr 6.9 rpm/min < 0.75 ml/hr 表 4.6 市售小型沉水幫浦的規格表 功率 W(w) 流率 Q (l/min) 揚程 hP (m) 32 12 1.8 42 22 3.0 48 30 3.3 表 4.7 模擬靜脈注射之轉速與點滴流量之關係式 t (min) 常數 C1 (ml/rpm)

No. 19 No. 20 No. 21 10 3.86

20 7.71 30 11.57

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附 錄

第A.1節 注射針頭之型式

目前的注射針頭大多採用不銹鋼針頭(Stainless Needle),針頭粗細一般以 G

(Gauge)做為外徑(Outer Diameter, OD)的標準單位。靜脈留置針(IV Catheter,簡 稱 IC Needle),針頭大小為 12G~25G(數字越大則針頭越細),常用的注射針頭 資料如表 A.1 所列。 表 A.1 注射針頭資料 外徑(OD) Needle length in in in 1 in in in Gauge mm 13 mm 16 mm 19 mm 25 mm 32 mm 38 mm 18G 1.20 19G 1.10 20G 0.90 21G 0.80 22G 0.70 23G 0.60 24G 0.55 25G 0.50 26G 0.45

數據

圖 2.1 傳統的點滴注射裝置
圖 3.1  注射的方法
圖 3.4  本論文創作之控制流程圖
圖 3.6  本論文創作之控制方塊圖
+7

參考文獻

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