急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)的研制

鐘君，蔡黎明，成賢鍇，劉永峰，于涌

中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163

急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)的研制

鐘君，蔡黎明，成賢鍇，劉永峰，于涌

中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163

目的針對目前連續(xù)血液凈化系統(tǒng)使用環(huán)境和自身尺寸重量的限制，為了適應(yīng)戰(zhàn)地、災(zāi)難現(xiàn)場和救護(hù)車上等特殊情況的應(yīng)用，研制便攜式的急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)。方法以STM32F407為系統(tǒng)核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代傳統(tǒng)的平衡腔或稱重式流體平衡技術(shù)，同時實現(xiàn)體外循環(huán)管路溫度、血壓和漏血等狀態(tài)的監(jiān)控，實現(xiàn)連續(xù)靜脈血液透析濾過等多種治療模式。結(jié)果該急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化輕量化設(shè)計，超濾控制精度能控制在0.5%，溫度測量精度達(dá)0.2℃，血壓測量精度在3 mmHg。結(jié)論研制急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)，有利于在第一時間搶救患者的生命，提高我國重癥監(jiān)護(hù)的醫(yī)療裝備水平，有著廣闊的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

連續(xù)血液凈化；血液凈化儀；超濾控制；陶瓷柱塞泵

引言

連續(xù)血液凈化（Continuous Blood Puri fication，CBP），又名連續(xù)性腎臟替代治療（Continuous Renal Replacement Therapy，CRRT），是所有連續(xù)、緩慢清除水分和溶質(zhì)治療方式的總稱[1]。連續(xù)性血液凈化技術(shù)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(yīng)用到了嚴(yán)重的水、電解質(zhì)及酸堿失衡、中毒和高熱中暑，并被廣泛應(yīng)用于各種疾病所致的全身炎性反應(yīng)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(nèi)市場上的相關(guān)產(chǎn)品主要靠進(jìn)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(yī)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(zhàn)地、災(zāi)難現(xiàn)場和救護(hù)車上等特殊環(huán)境的情況，本文研制了一套用于急救的移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)[9-10]，采用陶瓷柱塞泵計量方式的流量平衡技術(shù)，模塊化、分體式的設(shè)計思路使得系統(tǒng)具有小型化、輕量化和便攜化的特點(diǎn)，總重量低于15 kg，基于雙處理器的多狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)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(zāi)難現(xiàn)場、戰(zhàn)地等特殊情況下的醫(yī)療救護(hù)水平。

1 硬件設(shè)計

主控系統(tǒng)具備流速設(shè)定、流量平衡、狀態(tài)參數(shù)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(jī)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(jī)交互軟件界面的運(yùn)行，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)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(yùn)行。MSP 430單片機(jī)接收血壓、溫度和漏血傳感器信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將系統(tǒng)運(yùn)行的各項狀態(tài)信息傳輸給主控制器。系統(tǒng)電控工作原理，見圖1。

圖1 系統(tǒng)電控工作原理

1.1 主控模塊與通訊接口

系統(tǒng)采用STM32F407作為主控制器[13]，STM32F4系列采用Cortex-M4內(nèi)核，運(yùn)算速度可達(dá)210DMIPS@168 MHz，且集成了單周期DSP指令和FPU，運(yùn)算速度快，計算能力強(qiáng)，多達(dá)1 MB的Flash，外設(shè)接口豐富，通過RS 485接口與蠕動血泵直流伺服電機(jī)驅(qū)動器通訊，通過USART0轉(zhuǎn)RS 232接口與陶瓷柱塞泵驅(qū)動電機(jī)通訊，通過LCD接口與7寸觸摸屏連接，實現(xiàn)治療參數(shù)的輸入與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示。

1.2 供電模塊

考慮到使用環(huán)境的特殊性，以220 V交流電加24 V適配器為主導(dǎo)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(yīng)極端惡劣環(huán)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(lián)的方式組成電池組給主機(jī)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(guān)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?shù)膭恿Γ疫€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(tǒng)總的超濾速度和超濾量。陶瓷柱塞套件由一體化的UIRobot步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過CAN總線控制，通過指令的方式控制電機(jī)按速度或位移模式運(yùn)行。

1.4 溫度監(jiān)測模塊

以MSP 430單片機(jī)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(chǎn)的數(shù)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(xié)議通訊，讀取溫度數(shù)據(jù)。

1.5 血壓監(jiān)測模塊

采用NPC1220-015G-3L型氣壓傳感器，NPC 1220系列固態(tài)壓力傳感器是基于NovaSensor先進(jìn)的SenTable的壓電電阻技術(shù)，具有優(yōu)良的溫度特性，溫度補(bǔ)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(shè)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(zhuǎn)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(lán)（RGB）3種濾光器，是第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS 230的輸出信號是數(shù)字量，可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接， 實現(xiàn)每個彩色信道10位以上轉(zhuǎn)換精度。

2 軟件設(shè)計

2.1 操控界面軟件

主機(jī)采用了Android操作系統(tǒng)，具有緩慢連續(xù)超濾（Slow Continuous Ultra filtration，SCUF）、連續(xù)靜脈靜脈血液濾過（CVVH）、連續(xù)靜脈靜脈血液透析（CVVHD）和連續(xù)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(shù)輸入、操作步驟提示和狀態(tài)顯示等功能。

2.2 主機(jī)工作流程

系統(tǒng)以CVVHDF模式為例，說明其系統(tǒng)工作流程，具體流程，見圖2。

圖2 系統(tǒng)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(tǒng)流量平衡技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，而柱塞泵的基本工作原理是容積泵，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，在球軸承作用下，柱塞動套件會完成一個周期的旋轉(zhuǎn)和伸縮往復(fù)運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)矩、球軸承運(yùn)動半徑、柱塞傾斜角和柱塞半徑等參數(shù)有關(guān)，在電機(jī)力矩為0.44 Nm，球軸承運(yùn)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(qiáng)約為2.3 bar。體外循環(huán)管路中的壓力波動不會造成流量精度的損失。通過設(shè)定泵的流速與流量，待輸注結(jié)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(shè)計精度為每個周期1.25 mL，系統(tǒng)誤差消除后，精度能達(dá)0.5%以內(nèi)，實測精度情況，見表1。

表1 柱塞泵精度試驗數(shù)據(jù)

3.2 血壓測量試驗

通過改變循環(huán)系統(tǒng)中的氣壓進(jìn)行多次實驗，同時，用OMEGA公司的HHP 352型氣壓計測量值進(jìn)行比對校準(zhǔn)。循環(huán)系統(tǒng)中氣壓每次升高2 kPa，進(jìn)行5次實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)，見表2，設(shè)計的血壓實時監(jiān)測模塊的精度達(dá)到了0.12%，小于1 mmHg。

表2 實驗壓力測量和標(biāo)定值數(shù)據(jù) (kPa)

3.3 溫度測試驗

在相同的試驗環(huán)境條件下，在一個房中房結(jié)構(gòu)實驗室中，同時用一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計與該測溫系統(tǒng)對同一個保溫杯內(nèi)的水溫進(jìn)行測量，并根據(jù)水銀溫度計的值將水溫控制在32℃～42℃之間，在試驗進(jìn)行時將外房實驗室的溫度控制在設(shè)定溫度附近。為了減小熱交換產(chǎn)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(nèi)。

圖3 35℃測量數(shù)據(jù)

圖4 38℃測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

急救移動式連續(xù)血液凈化系統(tǒng)以STM32F407為系統(tǒng)核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代傳統(tǒng)的平衡腔或稱重式流體平衡技術(shù)，同時實現(xiàn)基于MSP430的體外循環(huán)管路溫度、血壓和漏血等狀態(tài)的監(jiān)控，實現(xiàn)了整機(jī)系統(tǒng)的小型化輕量化設(shè)計，能夠按特定的工作模式完成參數(shù)的設(shè)置、操作步驟的提示和狀態(tài)的監(jiān)控，并實現(xiàn)了預(yù)期精度的超濾、漏血、氣泡等多種探測模塊的進(jìn)一步研究與完善，有利于提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，有利于提高災(zāi)難現(xiàn)場、戰(zhàn)地等特殊情況下的醫(yī)療救護(hù)水平。

[1] 歐陽德偉,梁蘭青.連續(xù)性血液凈化在多臟器功能衰竭中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)綜述,2013,19(3):476-479.

[2] 季大璽,徐斌,龔德華.CRRT在危重病中應(yīng)用新觀點(diǎn)[J].中國血液凈化,2014,13(5):357-360.

[3] Rempher KJ.Continuous renal replacement therapy for management of over hydration in heart failure[J].AA CN Clin Iss,2003,14(4):512.

[4] Ostermann M,Dickie H,Barrett NA.Re nal replacement therapy in critically ill patients with acute kidney injury-when to start [J].Nephrol Dial Transplant,2012,27(6):2242-2248.

[5] 劉勁,秦文俊.血液透析機(jī)原理及最新進(jìn)展[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2008,23(2):50-52.

[6] 劉偉,朱海鵬,于天林.連續(xù)性腎臟替代治療機(jī)的工作原理及臨床應(yīng)用[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(5):25-28.

[7] 張從周,包偉浩.血液透析機(jī)中平衡腔技術(shù)與流量平衡技術(shù)的比較[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,22(4):43-44.

[8] 劉杰.Fresenius 4008系列血液透析機(jī)平衡腔的工作模式分析[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2012,27(4):98-101.

[9] 林寧,程捷,林家榮.面向血液凈化中心透析設(shè)備的決策支持系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2016,31(2):95-96.

[10] 李小庭,袁謙,楊俊,等.移動血液凈化系統(tǒng)的設(shè)計與臨床應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2008,23(1):110-111.

[11] 金亮冰,李東升,陳愛軍.便攜式血液凈化裝置參數(shù)校準(zhǔn)儀的研制[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):128-131.

[12] 馮靖祎,鄭駿,姚向峰.血液透析數(shù)據(jù)集成采集技術(shù)的研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2012,31(4):629-633.

[13] 孫啟富,孫運(yùn)強(qiáng),姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設(shè)計與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,(10):35-36.

[14] 戴真楨,徐靖寧.金寶AK系列血液透析機(jī)維保方案的探討[J].中國醫(yī)療設(shè)備, 2015,30(6):133-134.

[15] 余祖耀,李壯云,聶松林,等.水液壓柱塞泵陶瓷柱塞的可靠性設(shè)計[J].機(jī)械 設(shè)計,2003,20(4):12-14.

[16] 徐兵,宋月超,楊華勇.柱塞泵斜盤交錯角降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2013,47(6):1043-1050.

[17] 沙春芳.紅外溫度計MLX90614及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(22):36-37.

[18] 張日欣.基于MLX90614的非接觸式體溫測量系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件導(dǎo)刊,2009,8(3):105-107.

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(jī)械電子、機(jī)電一體化。

通訊作者郵箱：yuyong@sibet.ac.cn