急救移動式連續血液凈化系統的研制

鐘君，蔡黎明，成賢鍇，劉永峰，于涌

中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163

急救移動式連續血液凈化系統的研制

鐘君，蔡黎明，成賢鍇，劉永峰，于涌

中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163

目的針對目前連續血液凈化系統使用環境和自身尺寸重量的限制，為了適應戰地、災難現場和救護車上等特殊情況的應用，研制便攜式的急救移動式連續血液凈化系統。方法以STM32F407為系統核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代傳統的平衡腔或稱重式流體平衡技術，同時實現體外循環管路溫度、血壓和漏血等狀態的監控，實現連續靜脈血液透析濾過等多種治療模式。結果該急救移動式連續血液凈化系統實現了小型化輕量化設計，超濾控制精度能控制在0.5%，溫度測量精度達0.2℃，血壓測量精度在3 mmHg。結論研制急救移動式連續血液凈化系統，有利于在第一時間搶救患者的生命，提高我國重癥監護的醫療裝備水平，有著廣闊的經濟和社會效益。

連續血液凈化；血液凈化儀；超濾控制；陶瓷柱塞泵

引言

連續血液凈化（Continuous Blood Puri fication，CBP），又名連續性腎臟替代治療（Continuous Renal Replacement Therapy，CRRT），是所有連續、緩慢清除水分和溶質治療方式的總稱[1]。連續性血液凈化技術使用之初只是為了提高重癥腎衰的治療效果[2-4]，但隨著對它研究的不斷延伸，已逐步應用到了嚴重的水、電解質及酸堿失衡、中毒和高熱中暑，并被廣泛應用于各種疾病所致的全身炎性反應綜合征（包括急性胰腺炎、膿毒癥休克及重癥燒傷）的治療[5-6]。國內市場上的相關產品主要靠進口，廠商包括瑞典金寶、美國百特德國貝朗、日本JMS等，且都是針對大型醫院病房或ICU使用，不僅價格昂貴，而且鑒于其核心的流量平衡方式都是采取稱重式或者平衡腔式[7-8]，體積大重量大，都是幾十千克甚至上百千克，不便于移動。

針對野外、戰地、災難現場和救護車上等特殊環境的情況，本文研制了一套用于急救的移動式連續血液凈化系統[9-10]，采用陶瓷柱塞泵計量方式的流量平衡技術，模塊化、分體式的設計思路使得系統具有小型化、輕量化和便攜化的特點，總重量低于15 kg，基于雙處理器的多狀態參數的監控與融合，有利于在第一時間搶救患者的生命，有利于提高災難現場、戰地等特殊情況下的醫療救護水平。

1 硬件設計

主控系統具備流速設定、流量平衡、狀態參數顯示、安全報警等功能[11-12]。整個儀器采用STM32F407處理器+MSP 430單片機這種雙核處理器模式，STM32F407處理器作為主控制器支持觸屏人機交互軟件界面的運行，負責整個系統的工作流程控制，主要是控制蠕動血泵和陶瓷柱塞式透析液泵、置換液泵和廢液泵的運行。MSP 430單片機接收血壓、溫度和漏血傳感器信息，進行數據處理，將系統運行的各項狀態信息傳輸給主控制器。系統電控工作原理，見圖1。

圖1 系統電控工作原理

1.1 主控模塊與通訊接口

系統采用STM32F407作為主控制器[13]，STM32F4系列采用Cortex-M4內核，運算速度可達210DMIPS@168 MHz，且集成了單周期DSP指令和FPU，運算速度快，計算能力強，多達1 MB的Flash，外設接口豐富，通過RS 485接口與蠕動血泵直流伺服電機驅動器通訊，通過USART0轉RS 232接口與陶瓷柱塞泵驅動電機通訊，通過LCD接口與7寸觸摸屏連接，實現治療參數的輸入與系統運行狀態的顯示。

1.2 供電模塊

考慮到使用環境的特殊性，以220 V交流電加24 V適配器為主導供電模式，并留有汽車電源和鋰電池組接口。鋰電池的使用是為了適應極端惡劣環境下的意外情況，保證在外部電源切斷的情況下有2 h的緊急處理時間，擬選用大容量的三洋501876圓柱型鋰離子電池，通過6串2并聯的方式組成電池組給主機供電。

1.3 超濾控制模塊

超濾也就是控制體外管路中輸入人體血液的置換液、透析液與透析器濾除出來的廢液之間的流量平衡關系[14]，研制了高精度的陶瓷柱塞計量泵[15-16]，單個泵不僅能提供液體傳輸的動力，而且還同時計量總的流量，通過控制每個泵的流速和總量就可以精確控制系統總的超濾速度和超濾量。陶瓷柱塞套件由一體化的UIRobot步進電機驅動，通過CAN總線控制，通過指令的方式控制電機按速度或位移模式運行。

1.4 溫度監測模塊

以MSP 430單片機作為控制核心，利用紅外溫度傳感器MLX 90614完成溫度采集[17-18]，MLX 90614是由Melexis公司生產的數字式紅外溫度傳感器，溫度測量范圍為-40℃～+125℃, 溫度分辨率為0.02℃。在人體體溫范圍+32℃～+ 42℃時,測量的絕對精度為0.2℃，通過I/O端口模擬SMBus協議通訊，讀取溫度數據。

1.5 血壓監測模塊

采用NPC1220-015G-3L型氣壓傳感器，NPC 1220系列固態壓力傳感器是基于NovaSensor先進的SenTable的壓電電阻技術，具有優良的溫度特性，溫度補償范圍為0℃～60℃，滿量程0～750 mmHg壓力，輸出50 mV，精度為0.1%。

1.6 漏血探測模塊

本課題擬采用顏色傳感器TCS 230來設計漏血檢測裝置，它將可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成紅、綠、藍（RGB）3種濾光器，是第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS 230的輸出信號是數字量，可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接， 實現每個彩色信道10位以上轉換精度。

2 軟件設計

2.1 操控界面軟件

主機采用了Android操作系統，具有緩慢連續超濾（Slow Continuous Ultra filtration，SCUF）、連續靜脈靜脈血液濾過（CVVH）、連續靜脈靜脈血液透析（CVVHD）和連續靜脈靜脈血液透析濾過（CVVHDF）4中工作模式。軟件界面具有工作模式選擇、治療參數輸入、操作步驟提示和狀態顯示等功能。

2.2 主機工作流程

系統以CVVHDF模式為例，說明其系統工作流程，具體流程，見圖2。

圖2 系統工作流程圖

3 試驗分析

3.1 柱塞泵精度試驗

柱塞泵精度是系統流量平衡技術的關鍵基礎，而柱塞泵的基本工作原理是容積泵，電機每轉一圈，在球軸承作用下，柱塞動套件會完成一個周期的旋轉和伸縮往復運動，會泵出固定容積的液體，因此每個周期泵出液體的精度就決定了整個泵流速與總的流量精度。柱塞泵的輸出壓力與電機轉矩、球軸承運動半徑、柱塞傾斜角和柱塞半徑等參數有關，在電機力矩為0.44 Nm，球軸承運動半徑20 mm，柱塞傾斜角為16°，柱塞半徑為6 mm情況下，柱塞軸向最大輸出力為26 N，最大輸出壓強約為2.3 bar。體外循環管路中的壓力波動不會造成流量精度的損失。通過設定泵的流速與流量，待輸注結束之后，用精度為0.01 g的電子天平用稱重的方式來計量重量，再折合到每一個周期的泵出量，泵的設計精度為每個周期1.25 mL，系統誤差消除后，精度能達0.5%以內，實測精度情況，見表1。

表1 柱塞泵精度試驗數據

3.2 血壓測量試驗

通過改變循環系統中的氣壓進行多次實驗，同時，用OMEGA公司的HHP 352型氣壓計測量值進行比對校準。循環系統中氣壓每次升高2 kPa，進行5次實驗并記錄實驗數據，見表2，設計的血壓實時監測模塊的精度達到了0.12%，小于1 mmHg。

表2 實驗壓力測量和標定值數據 (kPa)

3.3 溫度測試驗

在相同的試驗環境條件下，在一個房中房結構實驗室中，同時用一等標準水銀溫度計與該測溫系統對同一個保溫杯內的水溫進行測量，并根據水銀溫度計的值將水溫控制在32℃～42℃之間，在試驗進行時將外房實驗室的溫度控制在設定溫度附近。為了減小熱交換產生的長期溫度漂移影響，每次測量時間間隔不宜過長，本試驗中間隔為5 s，理論溫度為35℃時的試驗曲線，見圖3。理論溫度為38℃時的試驗曲線，見圖4。實測精度在0.2℃以內。

圖3 35℃測量數據

圖4 38℃測量數據

4 結論

急救移動式連續血液凈化系統以STM32F407為系統核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代傳統的平衡腔或稱重式流體平衡技術，同時實現基于MSP430的體外循環管路溫度、血壓和漏血等狀態的監控，實現了整機系統的小型化輕量化設計，能夠按特定的工作模式完成參數的設置、操作步驟的提示和狀態的監控，并實現了預期精度的超濾、漏血、氣泡等多種探測模塊的進一步研究與完善，有利于提高設備運行的可靠性，有利于提高災難現場、戰地等特殊情況下的醫療救護水平。

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本文編輯 袁雋玲

Design of Emergency Mobile Continuous Blood Puri fication System

ZHONG Jun, CAI Liming, CHENG Xiankai, LIU Yongfeng, YU Yong
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou Jiangsu 215163, China

ObjectiveAt present, the continuous blood puri fication (CBP) system cannot adapt well to the field, disaster scene and the special situation of ambulance because of the using environment and its size and weight. The present study aims to design a portable emergency mobile CBP system to resolve the problem that mentioned above.MethodsSTM32F407 was used as the core of the system. Traditional balance chamber and weighting fluid balance technology was replaced by the ultra-precision ceramic plunger pump. The states of temperature, blood pressure and blood leak were monitored. In this case, variety of treatment models, such as continuous intravenous blood dialysis was carried out.ResultsThe emergency mobile CBP system realized the design of small and lightweight. The ultrafiltration precision could be controlled in 0.5%, the temperature measurement precision was 0.2℃, the blood pressure measurement precision could reach 3 mmHg.ConclusionThe design of emergency mobile CBP system is bene ficial to save the life of the patients timely, and can improve the medical equipment level in intensive care. It has broad economic and social bene fits.

continuous blood puri fication; blood puri fier; ultra filtration; ceramic plunger pump

TP274.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.011

1674-1633(2017)09-0049-04

2016-08-22

2016-09-01

蘇州市科技計劃項目（ZXY2013024）。

于涌，研究員，主要研究方向為機械電子、機電一體化。

通訊作者郵箱：yuyong@sibet.ac.cn