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医院输液室输液设备改良设计

  第一章绪论

  第一节课题描述

  本次毕业设计的课题目标性很强——“医院输液室输液设备改良设计”,通过课题的字面意思已经很明确的表明,本次毕业设计直指实际应用方面,意在解决医院输液室输液设备的不足之处,很有现实意义。既然,目标已经明确,如何发现并解决医院输液室输液设备存在的问题便成为本次设计的关键点。通过发现分析现在输液设备的存在问题,结合人机的分析,进行合理的改良优化,本文将设计出一种能结合实际与医用的新型输液设备来改变目前医疗设备单一呆板的现状,让人们在就医的时候也能在精神上获得释放与解脱。设计艺术与实际医疗设备的结合,彰显新时代高新科技带给人们的便利和舒适。

  第二节课题相关概念

  一、医疗输液室输液设备

  医院输液室中的输液设备通常包括:输液器,输液泵,输液袋,输液架,输液椅(输液沙发、输液排椅),输液恒温器与加温器,输液监测器,输液计数报警器。

  二、产品改良设计

  产品改良设计师对原有的传统的现有产品,进行优化、充实和改进的再开发设计。所以,产品改良设计就应该从市场实地考察、分析与认识现有产品的基础上为出发点,对产品的“优点”、“缺点”进行客观的、细致深入的、全面的分析判断。并且对产品过去和将来的使用条件和使用环境进行区别分析。

  为了使这一分析判断过程更具有清晰的条理性,通常采用一种“产品部位部件功能效果分析”?设计方法。先将产品整体分解,然后对起各个部位或零件分别进行测绘分析。在局部分析认识的基础上再进行整体的系统分析。由于每一个产品的形成,都与特定的时间、环境以及使用者和使用方式等条件因素有关,因此做系统分析时要将上述因素加入一并考虑。设计者应力图从中找出现有产品“缺点”,“优点”。以及它们存在的合理性与不合理性、偶然性与必然性。

  在完成上述工作过程后,我们对现有产品局部零件、整体功能还有使用环境等因素具有了系统全面的认识,那么如何开展下一步产品改良设计也就不用多讲了,只要注意如何扬长避短,如何创新发展,如何将前期研究分析的成果引用到下一步的新产品设计开发中去。

  寻找切入点:发现问题、分析问题、解决问题。要思考如何去改进优化以下问题:基本功能;辅助功能;使用方式;产品人机工学因素的改良(手感、触感、视感)及产品的造型、色彩、材质。

  产品改良设计是一种针对人潜在需求的设计,是创新设计的重要组成部分,同样是工业设计师研究的重要课题。

  三、课题研究的背景与意义

  静脉输液(IntravenousInfusion,II)是医疗护理中一项重要的治疗技术,因其给药迅速、疗效快、刺激小,临床应用十分普遍,特别是急救、疾病治疗等情况下,更是必不可少的治疗措施。随着医疗技术的发展和医疗水平的提高,通过静脉输液进行给药、补充营养、调节体液平衡等已经逐渐成为诊疗工作中不可或缺的方法,开辟的输液通道也越来越多。据统计,住院患者需要接受静脉输液治疗的比例为70%~80%。目前全球约有5000万患者需要经常使用输液设备进行输液,世界输液设备市场年销售额高达830亿美元,具有良好的市场前景。

  在临床医学中,静脉输液虽然应用广泛,但目前普遍使用的输液工具仍然是传统的茂菲氏输液器,且以人工监控为主。输液时需要将输液瓶(袋)悬挂在输液架上或者高于患者的穿刺部位,利用势差将药液输入患者体内,护士凭借肉眼观察茂菲氏管中的液滴并估计输液滴速,根据经验手动调节输液器上的滑轮来控制输液速度。输液过程中护士需要不停地巡检,并由患者或陪护人员观察剩余药液量,当药液即将输完或者滴速出现异常时,及时通知值班护士前来处理。这样不仅增加了医护人员的劳动强度,导致差错率大为上升,而且不利于患者的休息,影响了治疗质量。如果发生药液输完或者输液管堵塞等情况而护士未能及时处理,则有可能会发生回血或其他危险,给患者造成痛苦,甚至导致医疗事故。

  对于不同个体状况的患者,不同的输液目的和输液药物,所需要的输液速度不一样。一般情况下,成年人的输液速度常在40~60滴/分钟,而儿童、老年人的输液速度则不宜超过40滴/分钟。在输液过程中,如果输液速度过快,单位时间内进入人体内的药物剂量过大,可使循环血量突然增加,心脏负荷加重,可能会引起很多副作用或不良反应,例如急性心衰和肺水肿,甚至会有生命危险。输液过慢则可能导致药量不够或无谓地延长输液时间,影响治疗效果,给患者和护理工作增加不必要的负担。对于某些特殊药物的静脉输液,如麻醉药、降压药、催产素等,需要严格控制输液速度,手工调节难以达到所需的精度要求。因此,在输液过程中对输液速度的精确检测和控制是十分必要的。

  目前市场上的输液泵可以替代传统的重力式输液装置,实现更加精确安全地给药。但是输液泵经过长时间使用会使泵头和滑块产生磨损,由于采用开环控制输液速度,导致输液精度大大降低。近年来,许多国内外学者和医疗机构致力于医用智能输液监控系统的研究,并研制了多种类型的输液监控装置。但是这些输液装置或多或少存在缺陷或者安全隐患,且由于体积大、成本高、精度低、经常误报警、智能化程度不高等原因,增加了医院和患者的负担,并没有得到广泛的应用。

  四、国内外研究现状

  国内对医用智能输液监控系统的研究起步较晚,直到二十世纪八十年代后期才开始从事智能输液监控设备产品的研发。于向英等利用弹簧变形和输液瓶重量变化的原理研制出一种医用输液报警器,但该设备误差较大,每次使用前需根据输液容器重量调整,弹簧移动易产生疲劳,使用和维护非常不便;赵金农等设计了一种微型激光输液报警器,利用激光多普勒原理检测流速,实现对输液过程中异常情况的报警,但是该仪器灵敏度较低,容易产生误差。李长胜等利用光纤发出的光束在液面处发生全内反射的原理,研制了一种输液结束自动报警装置,该装置成本低且易于网络化,但是不便于安装,稳定性差;张爱华等将电容式液位传感器用于输液液位的非接触检测,其受吸附水作用和液位下降速度的影响较大,且不易操作;李云胜利用VC++语言编程和MSComm通信控件,设计了一套可视化输液实时监控系统,此系统界面直观,操作简单,提高了医院的管理水平和工作效率。

  周强等研究并成功制作了半挤压式输液泵,流速精度可控制在±5%以内,其凸轮分为进口开关阀凸轮、挤压凸轮、出口开关阀凸轮和补偿凸轮,如图1.5所示。新型半挤压式输液泵和传统的蠕动泵挤压输液管的方式不同,传统的蠕动泵在极限位置处会将输液管完全压扁,而半挤压式输液泵不会完全挤压输液管,因此能在长时间输液的情况下更好的维持输液管的弹性,减少医疗隐患。半挤压式输液泵对输液管的弹性要求不高,对以后使用普通重力输液器作为输液泵的耗材有重要意义,节省了耗材和输液泵的使用成本,大大减轻了患者的负担。由于传统的全挤压输液泵压力脉动太大,它本身的压力脉动就接近跑针的波动,从这些信号中将跑针的信号区分出来难度比较大,而半挤压输液泵可以补偿流量脉动,减小了管路中的脉动,使输液管路中的压力更加稳定。即使在流速较慢的情况下也不会出现短时停顿现象,这对于跑针报警来说是非常重要的。

  国内对智能输液设备研制较早的厂家有北京科力建元公司和浙江史密斯医学仪器公司,前者研制了ZNB系列输液泵,后者研制WZ系列注射泵,但是都存在输液精度不高,调整时间长,价格高等弊端。由于一味地模仿和借鉴国外的成熟产品,不愿投入人力物力去研发,如今国内的医疗输液监控设备技术相对落后,功能单一,精度和灵敏度不稳定,可靠性不高,自动化及智能化程度较低,设备性能达不到实际需要,因此未能在各级医院里广泛使用。

  在实际应用中,医院通常使用蠕动泵和注射泵进行连续输液。无论使用何种输液设备,精度都是非常重要的参考因素。蠕动泵的输液速度及精度与输液管的材质和物理特性(内外径尺寸、材料的弹性模量、变形恢复系数及抗张强度等)密切相关,进口输液泵一般配有相应的输液管,但是配套输液管的价格非常贵,国内很多医院或病人往往会出于对价格等的考虑使用国产的普通重力输液器替代使用。普通的一次性重力输液管由于弹性较差,输液时间一长,精度会大大下降,甚至发生输液管破裂等意外事故,存在严重的安全隐患。根据这一实际情况,国产输液泵生产厂家大多推出了耗材开放型产品。相对于国外的进口设备,耗材开放型国产输液泵对输液器的耗材可选择性较好,但正是因为耗材开放,导致精度远不如非耗材开放型输液泵。

  第三节研究的主要方法

  本文在研究中注重多学科理论的综合运用,侧重运用了调查法、文献研究法、分类归纳法、实例分析法等相结合的方法去收集、整理和分析相关资料,努力提高本论文研究的科学性、可信度,以保证本论文研究的理论价值和应用价值。主要采取的方法如下:

  (一)文献研究法

  广泛查阅、研究各类文献资料及相关书籍,以设计造型、设计心理学、材料学、人机工程学等为理论基础资料,构建研究内容的理论平台,设计出符合当代人习惯的医用输液设备。

  (二)调查分析法

  对目前居民对家具产品的需求状况和个性化需求进行市场调查,设计出符合现代消费群体的医用输液设备。

  (三)对比分析法

  通过对市场上出现的自动医用输液设备和非自动医用输液设备对比分析,在理解产品基本功能和辅助功能的基础上,探索出产品改良的方向与方法。

  在整个公交卡充值换币装置设计过程中,运用了文献研究、社会调查、系统分析、统计分析等方法,详细步骤如下:

  1.前期调研:对产品外观设计理念了解

  2.设计分析:对目前国内外工业产品外观设计状况分析,得出自己的结论。

  3.概念形成:浅试在公交卡充值换币装置外观上设计出草图。

  4.初步方案:结合整理的理论知识,分析作品用途从而在外观上进行改进。

  5.初步完成:相关系列化产品外观设计、论文撰写。

  6.最终完成:制作书架设计模型,版式设计并制作展板,展现设计。

  第二章医院输液设备产品调研

  第一节调研目的

  经过前期的对市场上已有的医用输液设备的大致的了解,我打算通过市场上现有的产品形态、材料、色彩以及功能等等各个方面通过走访各大医院及医疗器械设备专卖店,网上查阅资料收集资料以及问卷调查,人群采样等各种方式进行调查分析。目的在于了解和掌握产品的设计和市场。了解和掌握产品的有关结构和工艺知识。通过对市场调研,分析使用者的潜在需求,发现市场上现有产品存在的问题,针对相关的问题提出解决方法,确定设计方向,通过解决问题表现出设计思想和创新,为进行下一步的方案设计打好基础。

  第二节调研方式

  进行实地调研,走访市人民医院、市第一医院以及市妇幼保健院等家医疗机构。进行网上调研,登陆一些医疗器械网站以及一些大型医院的网站、Billwang工业设计和中国工业设计在线等医疗器械设计网站。

  第三节调研结果

  目前国内关于医用输液设备所存在的问题有:缺乏科学的营销战略。具体体现在市场营销、市场推广、渠道管理、物流配送、售后服务、厂商关系等营销问题上缺乏长远、稳定和科学的战略指导。

  现象一:品牌众多,市场竞争无序,区域性特征明显等。

  现象二:生产低端,成为外国企业的生产基地。

  现象三:设计能力普遍低下,没有独特的文化内涵,大多只能抄袭。

  现象四:伪劣产品冲击市场环境。

  现象五:人性化产品造型设计开发不够。

  总而言之,国内很多厂家产生技术还不成熟,只有相对较少的专业厂家才有成熟的生产工艺、人体工学性和产品质量,并且环保理念是国内医疗器械生产厂家所需要加强的。通过市场走访,可以发现,目前市场上相应产品并不常见,发展也相对不够成熟。同时对于充值换币并没有明确的细分,所以这就是我毕业设计题目的突破口,因此也更加明确了设计方向。市场走访结束后,我将继续进行有关产品本身的调研。

  第四节医用输液设备的发展趋势

  一、输液系统网络化

  目前在大多输液系统中,输液泵仅仅是作为输液设备单机使用。而在输液过程中,患者的生理特征参数会随时发生改变,如不及时地获得这些生理特征参数,并对输液过程加以适当的调整,就会对患者的身体产生一定的不良影响或者副作用。因此,把输液设备纳入到输液管理系统(TransfusionManagementSystem,TMS)并融入医院信息管理系统(HospitalInformationSystem,HIS)势在必行。合理利用医院现有的一些设备,并把从这些设备得到的生理信息及时地反馈给输液泵,输液泵根据得到的生理信息及时调整输液速度或药液浓度等,就会取得更佳的预期效果。

  医用智能输液监控系统监控网络可分为有线网络和无线网络两种。有线网络基于现场总线技术(例如RS-232总线、I2C总线、CAN总线等)监控多个医用智能输液监控系统,包括上位机、通信模块和多个现场智能输液仪器。有线输液监控网络信号传输稳定,传输速度快,但对设备依赖性强,需要对现有设备进行彻底改造,不仅浪费资源,而且扩展性较差。无线局域网络(WirelessLocalAreaNetworks,WLAN)是一种相当便利的数据传输系统,它利用射频技术取代以前铜线所构成局域网络,省去了铺设管路的复杂程序。WLAN易于进行网络规划和调整,灵活性和移动性较强,故障定位容易,但数据传输信号易受周围环境影响而不稳定,会产生一定的延迟和丢包率。对于没有安装HIS系统的医院来说,可以直接使用WLAN来方便地建立分布式智能输液监控网络系统,而不要再重新铺设有线网络。

  同济医科大学教授刘贺等和钟震宇等分别将蓝牙技术和ZigBee技术融入到医用智能输液监控系统的无线网络中。Zigbee技术相对于蓝牙技术来说,结构简单、功耗低、成本低、组网规模大,但是两者存在着传输距离太短等缺陷。美国著名医学博士XinlingWen开发了一套基于无线传输的远程输液监控系统,利用nRF905无线传输模块将各输液装置的信息传送到输液监控总站,对各输液装置进行实时监控和管理。当出现异常情况时,通过总站系统的声光报警并显示异常输液装置所在的病床位置,提醒护士及时处理。

  二、输液系统智能化和人性化

  现在的输液系统智能化程度仍然不高,操作步骤非常复杂,而且出错率高。有些医院刚刚引进输液设备时,由于操作难度大,许多护士仍旧使用传统的重力输液器,使得输液泵成为摆设。2004年,美国食品药品管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)颁布法令,要求生产厂商在所有药品和生物制品的包装上使用标准化机器可读条形码(barcode),条形码储存的数据包含了药品和生物制品的编号信息。这一举措应用于临床中,降低了药物的错用率,药物不良反应的情况也大大减少,提高了输液的效率和安全性。

  现在的医用智能输液监控系统还将射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)应用其中,设计出一种含有射频识别阅读器的智能输液仪器。无线射频识别技术是一种新兴的自动非接触性识别技术,通过射频信号自动识别安装在药品或生物制品上的RFID标签,并获取病人信息、药物名称、使用剂量、输液速度等相关数据,快速确认患者信息和药品的对应关系,而无需护士核对患者处方信息并手动输入输液参数,减少了因人工错误导致的输液事故。和与条形码技术相比,射频识别技术具有快速、高效、抗干扰性强、存储信息量大等优点。

  三、输液设备小型化和便携化

  现在大部分的输液监控仪、输液泵和注射泵都体积庞大,受到交流电源和输液架等的限制,只适合于在固定地点输液,限制了其使用范围。因此,各公司都加紧研制体积更小更轻便的医用智能输液监控系统,便于携带,可以在各种条件甚至恶劣的环境下进行输液。

  市场上出现了一种新型的无输液管的贴附式泵(patchpump),它将含有输液泵控制器和输液组件的输液系统粘附在病人的皮肤表面,输液泵上针头直接插入静脉血管而无需用输液管连接,使用遥控器进行操作。这种输液泵携带更为方便,摆脱了输液管的束缚,提高了患者的舒适感。利用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)技术能进一步缩小泵的重量和尺寸,使得微型泵的尺寸达到厘米级甚至毫米级大小,有助于提高患者的生活质量。

  四、输液设备专业化 

  针对医院不同科室的具体使用环境,需要选择合适的输液设备。例如在放射科中电磁干扰较严重,输液系统的机器本身对外界的电磁干扰有相应的标准,一旦超出其抗扰标准,就容易导致输注精度不准,甚至停机。例如在核磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)超强磁场环境下,严禁任何含铁成分或磁性物质接近扫描机,此时如要输注麻醉药等,则需要输液泵具有良好的电磁兼容性。在心血管科中,例如冠心病监护病房(CoronaryCareUnit,CCU),是心血管危重患者的集中地,因患者病情危重,血流动力学不稳定,常常需要使用多种血管活性药物。微量输液设备的输液速度需要能精确控制,要求输液流速精度达到0.1ml/h,有脉动补偿功能使输液更加平缓。由于需要长时间输液,PVC管路被频繁挤压容易出现疲劳破裂或疲劳塌陷的风险,故最好需要有管路疲劳报警功能。在妇产科应用时,打催产素需要输液设备能够矫捷调速、精确控制,如遇到产妇产后出血性休克需要大量补液时,输液设备需要快速将药液快速注入人体内,为产妇赢得宝贵的抢救时间。应用于急救场合时,输液系统需要适宜救护车使用,小巧便携,安全可靠,不受周围环境影响,功能齐全,流速范围广,不需要提供交流电源。在高压环境中,例如应用高压氧治疗危重患者,由于高压舱特殊环境的安全要求,微量输液装置需要抗高压,在各种压力条件下能保持输液精度。输注具有腐蚀性的药物时,对泵体的材质也有所要求,需要根据实际情况选择不同材质的输液设备,以免使用时出现意外。

  第三章医院输液设备的改良设计分析

  第一节课题介绍

  课题名称:医院输液设备的改良设计

  课题说明:在日常生活中,我们会接触很多种类的工业系列产品,本次设计作品输液设备在日常生活中十分常见,并且其用途不可小视。不过,由于输液设备还是一个礼品性产品,目前市场上的输液设备设计也是参差不齐,在输液设备的设计造型、色彩以及人机工程上存在很大缺陷,缺乏人性化设计,因此,本次设计中,从分考虑人机工程学原理,采用人性化设计理念,充分结合现代元素。在输液设备的设计中,一切以人为本。另外,我认为,对于刚刚学完基础知识的我们来说,工业设计还是一个很大的命题,经过四年学习的我们似乎可以什么产品都去设计,但实际上,很多产品我们都不了解,与其盲目地选择一个不懂的产品纯粹去设计外观,还不如对身边看似再平常不过的东西重新审视一番。

  第二节设计思路分析

  现代的产品设计是对产品的构造、材料、功能性、经济性、加工方法、合理性以及审美性进行设计与推敲。输液设备外观对心理感受有影响。点、线、面以及空间、色彩等要素可通过不同的工艺手法与材料进行构成,构成节奏、韵律等形式美,体现出一种抽象的朦胧的情思,用以表达产品本身的特定内容。输液设备的外观设计上应该体现“时尚”的特点,即产品外观富有时代气息。因为产品外观不具有一般艺术珍品那样持久的、“无价”的艺术价值,所以在物质生活水平与精神生活水平日益提高的现代社会中,很多产品虽说具有物质功能,但却由于“式样落后”“不时髦”而失去欣赏价值。

  输液设备产品外观的创作活动,需要各专业、工种、多学科的共同协作,同时受功能、材料、结构、工艺、经济等条件的制约。所以,输液设备产品外观是技术和艺术的完美结合。因此,在进行现代元素的输液设备设计之前,先通过各大市场以及网上查看相关现代元素以及输液设备设计资料,统筹整理,以求为后期的实践做好充分的理论基础。

  1.设计具体思路

  1.资料收集:完成输液设备、现代元素相关资料的收集、查阅、整理;

  2.明确主题:明确输液设备设计具体内容

  3.方案构思:围绕设计定位,尽可能多地找到解决问题的思路,通过草图表现出来。

  4.方案确定:对多个方案的筛选比较,选定可以进行深入设计的方案,不断完善和细化,并进行人机工程、材料工艺、结构等方面的研究。

  5.制作模型:完成设计建模、效果图渲染、模型制作等工作。

  2.研究方法步骤

  在整个输液设备设计过程中,运用了文献研究、社会调查、系统分析、统计分析等方法,详细步骤如下:

  1.前期调研:对产品外观设计理念了解

  2.设计分析:对目前国内外工业产品外观设计状况分析,得出自己的结论。

  3.概念形成:浅试在现代外观上设计出草图。

  4.初步方案:结合整理的理论知识,分析作品用途从而在外观上进行改进。

  5.初步完成:相关系列化产品外观设计、论文撰写。

  6.最终完成:制作书架设计模型,版式设计并制作展板,展现设计。

  第三节医院输液设备设计方案的确定

  根据前期的资料整合,在后期对我所希望做的输液设备外观上以及结构上进行了调整,使之更加出众并且结构上合理,整个造型看起来要和谐美观,有独特之处,现在将其全部展示出来进行对比,以展示方案的修改与成熟,三维视图展示。在风格设计上采用简约风格,通过自己的艺术加工,使之更具有时代气息,简洁大方,使用舒适。(如图3-1)

  图3-1草图方案

  第四节医院输液设备效果图绘制

  因为前期的概念虽好,但是如果细分的不够,那么也不能达到预期的效果。而且也表达不清自己的想法,那么就无法让老师们和同学们明白我的设计。所以要做的工作还很多。首先是建模,在建模的时候,我就要考虑清楚各个位置的布置。因为输液设备的壶把、壶盖、配杯、壶座这些是必须表达出来的。如何使他们整体搭配协调又不破坏我的输液设备的整体性,这些都要认真考虑、仔细斟酌。如何设计的巧妙,是我一个比较头疼的问题,因此,这这点上面我花费了很大时间琢磨。

  在模型建好后,接下来就是渲染,并且为了体现出输液设备的个性化、人性化、仿生以及环保理念,首先要考虑它的材质,其次考虑各部分的颜色。而且还要给它放在一个场景里进行搭配,这时候还要考虑如何打灯光,灯光真的不好打,经常是细分了参数,但是却看不出效果,不停的检验问题就要花上大半天时间。同时还要输液设备的搭配场景怎么配置才能协调。而且还要多角度的来渲染,要展示多个面让大家明白它的结构,所以这步的工作一点也不轻松,而且一遍渲了不好看,就要重新改参数,不停的再调试。最后,还要利用其他的一些绘图工具进行一些处理,使图片更加完善(如图3-2、3-3)。

  第五节输液设备外观分析

  输液设备造型设计功能是通过产品形状和颜色来呈现的。在使用输液设备时,其外观和颜色将是使用者非常直观的感受,即直观的赞赏。要想提高产品设计的艺术功能性,首先在产品的造型和颜色上要包涵一定美学原则,其美学原则有:尺度比例,变化统一,节奏和律,对比调和方法等。在运用这些原则时,我们要以充分发挥产品的效用功能为前提,以创造功能和审美形式统一为最高目标。本次输液设备设计中主要采用黑色与白色,这样就形成了强烈的对比,给人以极强的视觉冲击,同时把输液设备的造型凸显出来(如图3-4)。

  结语

  通过本文的初步研究,阐述了现代工业设计中比较常用的四种现代元素,并且通过产品实例来说明其要素在产品中的应用情况,同时又展示了电热水壶设计中所运用到的现代工业设计理念。随着人们的生活水平进一步提高,电热水壶这样的生活用品将会越来越多的走入每个人的生活,这也为电热水壶的发展带来了强大的推动力,由此可见,未来电热水壶市场的竞争将更加激烈,设计师只有将现代元素融于产品设计理中才能使自己的产品在市场竞争中立于不败之地。

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2020年9月19日 18:22
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