便攜式雙針血液透析機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐江濤，肖鋒

（西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安710032）

便攜式雙針血液透析機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐江濤，肖鋒

（西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安710032）

血液透析是腎功能衰竭安全有效的替代療法之一，目前已廣泛應(yīng)用于臨床。由于醫(yī)療設(shè)備很難長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行在一種工況下，導(dǎo)致透析過(guò)程中出現(xiàn)漏血、凝血、失血、血流欠佳、透析液不適合、設(shè)備意外故障等多種問(wèn)題。本文針對(duì)在透析過(guò)程中出現(xiàn)的這些問(wèn)題，通過(guò)研究緩沖式血液透析技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，從而使透析設(shè)備運(yùn)行在最佳的工況下。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效解決了透析過(guò)程中各種問(wèn)題，測(cè)定尿素氮濃度為7.702mmol/L，處于正常值范圍。

血液透析；智能化；自動(dòng)化；過(guò)程監(jiān)控

尿毒癥是一個(gè)醫(yī)學(xué)界尚未完全攻克的世界難題，目前的有效治療手段就是腎移植和透析[1]。當(dāng)前，由于全球的腎移植用器官都非常短缺，大多數(shù)病人必須依靠長(zhǎng)期透析來(lái)維持生命；而透析技術(shù)中，由于和腹膜透析相比，血液透析具有效率高且不易感染的特點(diǎn)，因此，血液透析是腎功能衰竭終末期的最安全有效的替代療法，被各國(guó)廣泛應(yīng)用于臨床。但是，當(dāng)今世界上的主流血液透析機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗水量巨大，配套水處理系統(tǒng)體積龐大，安裝費(fèi)用和使用成本都居高不下。這對(duì)便攜式血液透析機(jī)的普及限制非常大。

目前，透析治療正在向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，但其主要還是涉及透析機(jī)、透析器、配套的血路和透析液等醫(yī)療產(chǎn)品研制，有關(guān)的臨床研究也受到一定限制。所以，國(guó)內(nèi)外在對(duì)治療過(guò)程監(jiān)護(hù)方面，目前主要還是采用人工方式，這就要求血透醫(yī)護(hù)人員既要有嫻熟的操作技術(shù)和豐富的臨床工作經(jīng)驗(yàn)，又要具備一定的技術(shù)管理能力，從而維持透析過(guò)程安全有效。但出于對(duì)安全性的考慮，人工經(jīng)驗(yàn)不可避免的存在隨機(jī)性、局限性和主觀性。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及居民收入持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)血液透析產(chǎn)業(yè)發(fā)展明顯提速，年均增長(zhǎng)速度均在20%以上[2]。該系統(tǒng)針對(duì)透析治療過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行研究，不僅在醫(yī)療行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分可觀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1）血液流路

本系統(tǒng)的血液流路包括來(lái)自患者靜脈血液通過(guò)血泵的推動(dòng)與肝素結(jié)合進(jìn)入緩沖器內(nèi)，然后流向透析器，通過(guò)與透析液的對(duì)流將毒素等其他物質(zhì)排出，再流入緩沖器，經(jīng)過(guò)加熱器來(lái)控制血液的溫度以及氣泡檢測(cè)器進(jìn)行氣泡檢測(cè)，之后通過(guò)血泵返回人體如圖1所示[3-4]。

2）血液透析機(jī)設(shè)計(jì)原理

便攜式血液透析機(jī)采用高通量緩沖式透析的方式進(jìn)行透析，從人體低速引入血液，通過(guò)水路緩沖設(shè)備進(jìn)行血液緩沖儲(chǔ)存并進(jìn)行低通量透析，當(dāng)緩沖壺中的血液量在一個(gè)特定的范圍內(nèi)時(shí)，由控制端給出指令調(diào)節(jié)血泵轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)高通量透析[5-6]如圖2所示。

圖1 血液透析流程框圖

圖2 透析原理

3）血液透析機(jī)的工作過(guò)程

透析機(jī)的工作過(guò)程如圖3所示[7-10]：閥1打開(kāi)，抽血泵引血進(jìn)入緩沖壺，通過(guò)超聲波氣泡檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)氣泡，血液通過(guò)流量計(jì)流量監(jiān)測(cè)進(jìn)入透析壺。同時(shí)，閥3打開(kāi)，透析液通過(guò)閥3經(jīng)過(guò)流量計(jì)進(jìn)入透析壺。閥4打開(kāi)，血泵將摻入透析液的血液經(jīng)過(guò)流量計(jì)通過(guò)閥4進(jìn)入血液透析器與反向進(jìn)入透析器的透析液形成壓力差，從而將毒素及其他的離子濾除。閥2打開(kāi)，經(jīng)過(guò)透析器后的血液通過(guò)回路的緩沖壺，并經(jīng)過(guò)氣泡檢測(cè)裝置回到人體。空氣氣泡監(jiān)測(cè)是以超聲波原理，檢測(cè)存在于血液流路及靜脈滴室中的空氣氣泡，配合血液流路的鎖住裝置以維護(hù)安全。血液透析儀在血液返回人體前有一個(gè)空氣氣泡檢測(cè)器，一旦檢測(cè)血管流路中有氣泡將馬上控制靜脈夾，切斷血液的流動(dòng)，待將氣泡排除后再繼續(xù)進(jìn)行透析治療。系統(tǒng)內(nèi)部有溫度控制器，一般設(shè)置在37℃，最低可達(dá)35℃。溫度超過(guò)42℃，可產(chǎn)生溶血，過(guò)低引起患者寒戰(zhàn)。溫度的設(shè)定是根據(jù)患者的具體情況的個(gè)性化選擇，是不以設(shè)備、醫(yī)生意志為轉(zhuǎn)移的，是必須以患者需求為最終目標(biāo)的設(shè)定。由于存在環(huán)境散熱，即便是同一個(gè)患者的溫度也可能是不同的。

4）血液透析機(jī)設(shè)計(jì)方案

圖3 透析系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）和數(shù)據(jù)采集卡搭建而成，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)小型的集散控制系統(tǒng)（DCS），將血液透析過(guò)程優(yōu)化控制整合到了一起[11-12]。這樣控制前端可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)控制，上位機(jī)的故障不會(huì)影響到PLC的控制，極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性且擴(kuò)展方便。該系統(tǒng)具體分為3個(gè)部分如圖4所示：

圖4 透析系統(tǒng)模塊圖

2 軟硬件實(shí)現(xiàn)

1）總體方案本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2）PID控制算法

所謂PID控制算法，就是利用比例、積分和微分三者配合對(duì)測(cè)量參數(shù)的偏差進(jìn)行運(yùn)算而確定控制輸出量，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制[13]。PID控制是負(fù)反饋閉環(huán)控制，能夠抑制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的各種因素所引起的擾動(dòng)，使反饋跟隨給定變化。PID控制算法的原理如圖6所示。

圖6 PID控制原理圖

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

透析患者在進(jìn)入主界面后，有預(yù)沖、正常工況、回血、清洗以及信息設(shè)置等功能按鍵，在透析首頁(yè)還可以看見(jiàn)此刻時(shí)間，如圖7所示。

圖7 透析主界面

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè)量尿素氮濃度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1[14-15]所示。

表1 2014年4月15日的3次實(shí)驗(yàn)記錄/（mmol/L）

數(shù)據(jù)顯示尿素氮濃度在7.702mmol/L左右，處于正常值范圍。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)采用了緩沖式高通量透析的方式，是在低通量單針透析基礎(chǔ)上的一個(gè)優(yōu)化。低通量單針緩沖的透析效果不佳，并且在患者感覺(jué)舒適的引血速度下進(jìn)行透析，所以要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間；若在設(shè)定的較短的時(shí)間內(nèi)透析，其引血速度將會(huì)提高，同時(shí)也增加了患者抽血的疼痛感。血液透析凈化技術(shù)的研究，是延長(zhǎng)患者生命迫切需要解決的問(wèn)題，不僅能夠提高患者的生存率，還能保證他們有良好的生活質(zhì)量。

[1]季大璽，謝紅浪.連續(xù)性腎臟替代治療技術(shù)的現(xiàn)狀[J].腎臟病與透析腎移植雜志，2000，33（5）:42.

[2]汪濤，王海燕.我國(guó)腹膜透析發(fā)展中的問(wèn)題及前景[J].中華內(nèi)科雜志，2003，42（11）:757-759.

[3]RoncoC，BellomoR.Complications with continuous renal replacement theraples[J].Am J Kidney Dis，1996，28（l3）.

[4]徐占龍.透析水處理系統(tǒng)的選擇與要求 [J].醫(yī)療設(shè)備，2011，24（6）:110-111.

[5]PastanS，BaileyJ.Dialysistherapy[J].N EnglJMed，1998，338:1428.

[6]Polaschegg，Hans-Dietrich.Hemodialysis machine technology: A global overview[J].Expert Review of Medical Devices， 2010，7（6）:793-810.

[7]Berbari A E.Hemodialysis Definition Principles Indications& Complications[J].Human&Health，2009（8）：11-13.

[8]李朝偉，王振洲，賀建林.血透機(jī)超濾原理分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2011，34（10）:54.

[9]劉勁，秦文俊.血液透析機(jī)原理及最新進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2008，23（2）:50-51.

[10]Stamopoulos D，Benaki D，Bouziotis P，et al，Magnetically assisted hemodialysis:A new strategy for the treatment of end stage renal disease[J].Nova Science Pub Inc.，2009.

[11]朱戈，李曉東，吳新社.血液凈化水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及質(zhì)量控制[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)設(shè)備，2011，8（4）:36-37.

[12]Klespitz，Jozsef.Identification and control of peristaltic pumps in hemodialysis machines[J].CINTI 2013-14th IEEE International Symposium on Computational Intelligence and Informatics，2013：83-87.

[13]徐麗，馬成玲，劉帥.液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2011（6）：94-97.

[14]楊戈，趙凌怡，李志剛.血液透析機(jī)的基本原理和常見(jiàn)故障分析與處理[J].設(shè)備運(yùn)行與保障，2011，26（1）:127-128.

[15]Barsoum N N，Chin P R.Ethernet control AC motor via PLC using LabVIEW[J].Intelligent Control and Automation，2011，2（4）:330-339.

Design and implementation of a portable dual needle hemodialysis machine

XU Jiang-tao，XIAO Feng
（Computer Department of Xi'an Technological University，Xi’an 710032，China）

Hemodialysis is one of the safe and effective replacement therapy for renal failure，and has been widely used in clinical practice.Because it is difficult to long-term stable operation of medical equipment in a condition，lead to leakage of blood，blood coagulation，blood loss，poor blood flow，not suitable for dialysis fluid，equipment accident and other issues. The for these problems that appear in the process of dialysis，through the study on buffer hemodialysis technology，through a large number of experimental data analysis，and optimize the operating parameters，so that the dialysis equipment operation under the conditions of the best.The experimental results show that the system is stable and effective，and it can effectively solve various problems in the process of dialysis，and the determination of urea nitrogen concentration is 7.702mmol/L，which is in the range of normal value.

hemodialysis；intelligent；automation；process monit

TN99

A

1674－6236（2016）24-0009-03

2016-04-29 稿件編號(hào)：201604280

國(guó)家自然科學(xué)基金（61572392）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金（2013JK1109）

徐江濤（1974—），男，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)及應(yīng)用。