一種維持肝臟灌注血液溫度平衡的新型熱交換系統(tǒng)

魏曉磊 任曉龍 方碧云

摘要：為滿足肝臟機械灌注時對常溫和低溫兩種狀態(tài)的溫度需求。該文闡述了一種肝臟灌注過程維持血液溫度平衡的新型熱交換系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)置低壓PI加熱片和冷凝機組，采用增量PID算法動態(tài)調(diào)節(jié)水箱溫度實現(xiàn)肝臟機械灌注的常溫及低溫兩種溫度控制模式。該系統(tǒng)具有溫度動態(tài)范圍廣，響應速度快，醫(yī)療風險低的特點。通過功能樣機實驗，該系統(tǒng)十分鐘內(nèi)可使膜肺升高6℃，溫度達到穩(wěn)定后，膜肺內(nèi)溫度波動小于0.3℃，在機械灌注過程中，為肝臟提供了一個良好的溫度范圍，激發(fā)肝功能活性。

關鍵詞：機械灌注；熱交換系統(tǒng)；PID算法；PI加熱片；冷凝機

中圖分類號： TH789 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）23-0262-03

Abstract： In order to meet the liver mechanical perfusion at normothermic temperature and hypothermic temperature requirements . This paper describes a new type of heat exchange system that maintains blood temperature balance during liver perfusion. The system uses PT1000 to detect the temperature，According to the temperature command the circuit dynamically controls the PI heater and the condenser to achieve the two mechanical perfusion temperature modes at normothermic temperature and hypothermic temperature. the system has the characteristics of the temperature with a wide dynamic range，fast speed of response and low medical risk. Through the functional prototype experiment，The system can increase the membrane oxygenator solution 6℃ in 10 minutes，After the temperature is stable，the temperature fluctuation is less than 0.3℃.During the mechanical perfusion process，the liver is provided with a good temperature range to stimulate liver function.

Key words： mechanical perfusion； heat exchange system； PID algorithm； PI heater； condenser

1 引言

肝臟移植是治療各種終末期肝臟疾病、急性肝功能衰竭的最后有效手段[1]。當今世界，居高不下的移植失敗率是整個醫(yī)療行業(yè)面臨的一個亟待解決的世界難題，供體和受體之間的器官移植過程是非即時事件，器官的離體保存技術作為影響肝臟移植手術成敗的一個重要因素而被業(yè)內(nèi)廣泛研究 。

機械灌注（Machine perfusion， MP）是一種新型的器官保存、轉(zhuǎn)運方式。器官離體后通過帶有轉(zhuǎn)動泵、控溫裝置、控壓裝置、氧合裝置及計算機控制裝置的設備用離體保存液或灌注液進行體外循環(huán)灌注[2]。保持肝臟處于相對正常的生理狀態(tài)，為肝臟提供代謝底物，清除代謝廢物，達到保存及修復供肝的目的[3]。

溫度控制是影響肝臟離體保存的一個重要因素，根據(jù)灌注過程中維持溫度的不同可以分為低溫型、亞低溫型及常溫型，維持溫度分別為 4 ～6℃、20℃及 32 ～37℃[4]。

目前醫(yī)學領域僅有荷蘭Organ-Assist公司推出一套多功能肝臟灌注系統(tǒng)用于臨床試驗。其溫控部分只有一個通道和血液進行熱交換，用于維持血液溫度平衡的熱交換系統(tǒng)溫度控制范圍低，升溫速度慢（平均10分鐘升溫一度），不能用于低溫靜態(tài)存儲。目前國內(nèi)尚未有相似產(chǎn)品問世，業(yè)內(nèi)研究人員相關產(chǎn)品研究多處于雛形階段。同時，業(yè)內(nèi)研究領域進行肝臟機械灌注的工作溫度范圍窄，很少同時具有低溫和常溫灌注的功能?；谀壳暗募夹g現(xiàn)狀，本文設計了一種肝臟灌注過程維持血液溫度平衡的新型熱交換系統(tǒng)。其溫度控制范圍寬泛，可在低溫和常溫下進行機械灌注。本文闡述了該系統(tǒng)的具體設計過程。

2 系統(tǒng)的工作原理

為了滿足肝臟機械灌注在低溫和常溫狀態(tài)的不同溫度需求。該熱交換系統(tǒng)在常溫灌注時通過低壓隔離加熱的方式調(diào)節(jié)容器中去離子水的溫度，在低溫灌注時，溫控系統(tǒng)通過內(nèi)置低壓直流微型冷凝機來降低去離子水溫度。水路循環(huán)系統(tǒng)與血液間的溫度傳遞在多通道膜肺中以熱交換的形式進行。溫度檢測電路和溫度控制電路動態(tài)調(diào)節(jié)熱交換系統(tǒng)的加熱效率，使溫度滿足灌注所需要求。

3 熱交換系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計及對應功能

熱交換系統(tǒng)由控制電路和機械結(jié)構(gòu)兩部分組成。如圖1所示，該裝置包含儲水容器1，微型離心泵2，冷凝機組12，溫度傳感器5、6、7、15；控制閥9、10；膜肺3、4；液位傳感器8、三通管13、14，PI加熱片11、17和控制電路組成一個閉環(huán)的水路循環(huán)控制系統(tǒng)。

PI加熱片和冷凝機組分別控制儲水容器里的去離子水溫度，離心泵驅(qū)動水路循環(huán)通過管路流入膜肺，在膜肺內(nèi)部，去離子水和血液完成熱量傳遞而不進行物質(zhì)交換。當需要低溫靜態(tài)存儲時，關閉加熱片，打開冷凝機組降溫制冷，然后通過熱傳遞使血液進行降溫。水箱和膜肺中分別內(nèi)置鉑電阻溫度傳感器，該傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、響應快、抗震性好等諸多優(yōu)點，作為工業(yè)精密測控系統(tǒng)中的一種理想測溫元件而被廣泛使用[5]。傳感器電路動態(tài)檢測去離子水和血液溫度，利用增量PID算法調(diào)節(jié)溫控單元，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

儲水容器壁外表包裹兩片自主設計的PI加熱片，單片額定功率為150W，工作電壓24V，最高工作溫度為130 ℃。工作時，如果兩片PI加熱片同時滿負荷工作，經(jīng)計算，熱傳遞理論可以使容器內(nèi)2L的去離子水每分鐘升溫3度。PI加熱片采用低壓隔離加熱法，可以避免加熱模塊直接與水接觸造成短路，從而降低了醫(yī)療風險。

儲水容器底部外貼超聲液位傳感器，當容器中液位達到一定高度時候，電磁閥門開關自動關閉，從而實現(xiàn)容器內(nèi)進水量的精確控制。儲水容器左右兩側(cè)分別開一個螺紋孔，右側(cè)通過生物軟管與離心泵相連，離心泵進水口的螺紋孔比容器出水口螺紋孔高度略低，由于水位垂直高度差，去離子水可自動灌入離心泵驅(qū)動其工作，離心泵出水口與生物軟管垂直連接，利用去離子水與氣泡間分子密度差可以有效地排除氣泡。離心泵出水口連接冷凝機組的進水口，冷凝機組出水口連接三通管轉(zhuǎn)接頭并分別與兩個膜肺的進水口連接，兩個膜肺的出水口通過生物軟管分別連接到三通管的入口端，出口端與儲水容器左側(cè)螺紋孔相連，由此組成一個閉合的水路循環(huán)系統(tǒng)。儲水容器右下側(cè)設置一個閥門開關用于釋放用過的廢水。

該系統(tǒng)采用雙通道熱量交換模式，即容器中去離子水通過離心泵和三通管與兩個膜肺同時進行閉路循環(huán)流動，可以與雙通道的血液同時進行溫度傳遞，從而減少了溫度傳遞時間，提高了工作效率。

4 熱交換系統(tǒng)的電路設計

該熱交換系統(tǒng)的溫度控制流程是，傳感器電路分別檢測去離子水和血液的溫度值，根據(jù)檢測到的溫度值動態(tài)調(diào)節(jié)三極管基極電壓的占空比，驅(qū)動PI加熱片實現(xiàn)不同的功率，若需要冷凝，則關閉加熱片，開啟冷凝設備制冷，通過動態(tài)檢測去離子水和血液溫度，動態(tài)調(diào)整冷凝機組的控制電壓，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。當去離子水或者血液的目標溫度超過設定溫度一度時，控制電路上面的聲光報警設備會自動開啟，同時切斷加熱電源。

4.1 溫度檢測電路

溫度檢測單元采用精度為0.1度的PT1000三線制鉑電阻傳感器，前級電路REF3030A組成的3V基準電路用PT1000通過H橋電路進行信號轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過放大、濾波、采樣、運算讀取溫度值。

本方案設計采用三通道溫度傳感器分別檢測去離子水和兩路血液三個溫度值。溫度傳感器5、6、7分別監(jiān)測容器內(nèi)去離子水和兩個膜肺中血液的溫度，常溫灌注時，同時打開兩片PI加熱片驅(qū)動電路，關閉制冷設備，通過增量PID控制算法調(diào)整加熱片功率，水溫上升的同時在膜肺內(nèi)部與血液進行熱交換，熱交換直到血液溫度達到36.8 ℃并維持恒溫。當器壁溫度達到39 ℃時，發(fā)出聲光報警信號，同時切斷加熱電源。低溫灌注時，打開制冷驅(qū)動電路，關閉PI加熱片驅(qū)動電路，調(diào)整壓縮機功率，通過PID控制技術將去離子水溫度調(diào)整到預設溫度4 ℃，直到血液溫度達到4 ℃并維持恒溫。

4.2 溫度控制電路

PI加熱片工作額定電壓24V。如圖3所示，本設計利用三極管N2和MOS管N1聯(lián)合驅(qū)動形成斬波電路，然后經(jīng)過LC濾波后獲得穩(wěn)定的輸出電壓，MOS管IRF5210SPBF為D2PAK封裝，驅(qū)動電壓100V，工作額定電流20A，導通阻抗0.06Ω。電源端去耦電容C1和C2分別對高低頻噪聲濾波。傳感器電路分別檢測器壁、去離子水和血液的溫度值，然后CPU控制三極管基極電壓的占空比得到不同的電壓驅(qū)動PI加熱片產(chǎn)生不同的加熱功率，從而實現(xiàn)一個閉環(huán)控制過程。

5 功能樣機性能測試

在水箱內(nèi)注入2L去離子水，每隔5s分別記錄水箱內(nèi)溫度和膜肺溫度。其溫度隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，十分鐘之內(nèi)膜肺可升溫6℃，水箱內(nèi)液體最高溫度37.3℃，膜肺最高溫度36.5℃，溫度達到穩(wěn)定后，膜肺內(nèi)溫度波動小于0.3℃。

6 實驗結(jié)果分析

（1）利用PID控制器，完成容器中去離子水和血液在膜肺中進行熱量交互，調(diào)節(jié)血液溫度到預設溫度并維持在一定的溫度范圍內(nèi)，在機械灌注過程中，為肝臟提供了一個良好的溫度范圍，激發(fā)了肝功能活性。

（2）PI加熱片單片功率150W，工作電壓為24V，利用兩片PI加熱片包裹在圓柱體水箱表面同時加熱，獨特的結(jié)構(gòu)設計有利于更好地溫度傳遞，減少熱量耗散。低壓隔離加熱有利于防止老化漏電現(xiàn)象，降低了醫(yī)療風險。

（3）容器中去離子水通過離心泵和三通管和兩個膜肺同時進行閉路循環(huán)流動，可以與雙通道的血液同時進行溫度傳遞，提高工作效率，并且離心泵工作噪聲低，可提供較好的臨床體驗。

（4）微型直流冷凝機組可以降低容器中去離子水的工作溫度，提供寬泛的溫度控制范圍。

（5）本方案可以產(chǎn)品化，彌補國內(nèi)肝臟灌注領域溫度控制產(chǎn)品不足的缺陷。

7 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)主要工作是對機械灌注時灌注液溫度進行調(diào)節(jié)與維持。在對功能樣機的實驗驗證中，該系統(tǒng)升溫速度快，溫度可穩(wěn)定保持。目前功能樣機只做了加熱部分的設計，冷凝部分在進一步設計當中。在國內(nèi)，這項技術還在起步階段，真正應用于臨床肝臟移植手術時，需要考慮的因素很多。該系統(tǒng)只考慮了溫度因素并在此基礎上作了簡單實驗驗證，更多因素的考慮及更加精確的實驗將在后續(xù)的工作中作進一步研究。

參考文獻：

[1] 鄭樹森，梁廷波. 不斷總結(jié)和規(guī)范，全面提高我國肝臟移植水平[J]. 中國醫(yī)學科學院學報，2005，（4）：415-418.

[2] Monbaliu D， Brassil J. Machine perfusion of the liver： past， present and future[J]. Curr Opin Organ Transplant， 2010，15（2）： 160-166.

[3] 程穎. 機械灌注在肝移植中的應用[J]. 器官移植，2016，（5）：390-393.

[4] Monbaliu D，Brassil J. Machine perfusion of the liver： past，present and future[J].Curr Opin Organ Transplant，2010，15（2）：160-166.

[5] 張瑜，張升偉. 基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統(tǒng)設計[J]. 傳感技術報，2010，（3）：311-314.

【通聯(lián)編輯：梁書】