（机械电子工程专业论文）连续性血液净化设备（CRRT机）关键技术—血泵驱动及漏血检测.pdf

连续性血液净化设备( c l u 玎机) 关键技术 血泵驱动及漏血检测 摘要 血液透析已有近一个世纪的发展历史，c r r t 是近年来在血液透析基 础上发展起来的一种新的血液净化技术，是治疗学的一项突破性进展，已 成为重症监护治疗领域的主要方法，具有良好的应用前景，在国外，已普 遍应用于重症监护病房。目前，我国透析市场非常广阔，但因关键技术仍 未掌握，国产设备严重短缺，质量较差，如监控、检测系统不先进、不灵 敏，设备性能不稳定、可靠性差等。 c r r t 机关键技术主要包括：血流动力学稳定控制，血路和水路监控， 和人机交互功能。血泵驱动是血流动力学稳定控制的关键技术；漏血检测 是c r r t 机血路和水路监测系统核心技术之一。 本论文主要工作是血泵驱动和漏血检测的设计与验证。通过分析血泵 和电机的性能与特点，选用滚压泵和直流电机，在此基础上，按照c r r t 血泵特点和使用要求，设计出驱动血泵直流电机的新型功率驱动电路。该 电路具有电流、电压闭环控制回路，过热、短路保护功能。实验结果表明， 该功率放大电路能很好地实现血泵流量线性、稳定可调。 根据某医疗器械有限公司对c r r t 漏血检测的要求，针对现有漏血检 测技术，提出一种新的漏血检测方法一颜色检测。在对颜色识别原理和 数据处理方法深入分析的基础上，选用新型颜色传感器t c s 2 3 0 设计漏血 检测电路。然后，搭建模拟实验平台，通过实验验证，方案可行。 关键词：连续性血液净化设备血泵驱动漏血检测 c o n t i n u o u sr e n a lr e p l a c e m e n tt h e r a p y e q u i p m e n t ( c r r t ) k e y t e c h n o l o g y b l o o dp u m pd r i v ea n db l o o dl e a k i n s p e c t i n g a b s t r a c t t h eh e m o d i a l y s i sa l r e a d yh a dad e v e l o p m e n th i s t o r yf o rn e a r l yac e n t u r y i nr e c e n ty e a r s ，c r r tw a so n ek i n do fn e wb l o o dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hd e v e l o p e di nt h eh e m o d i a l y s i sf o u n d a t i o n i ti s at h e r a p e u t i c s b r e a k t h r o u g hp r o g r e s s i th a sb e e nt h em a i n m e t h o di nt h ef i e l do fi n t e n s i v e c a r e u n i g l c t oa n dh a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t c r r th a sb e e ng e n e r a l l y a p p l i e d i nt h ei c ui no v e r a s a tp r e s e n t , o u rc o u n t r yd i a l y s i sm a r k e t e x t r e m e l yb r o a d , b u tb e c a u s ew e d i d n tm a s t e rt h ee s s e n t i a lt e c h n o l o g y , s ot h e e q u i p m e n tw h i c hi sn l a d ei no u rc o u n t r yi ss e r i o u ss h o r ta n db a dq u a l i t y t h e s y s t e mo fc o n t r o la n di n s p e c ti sn o ta d v a n c e da n ds e n s i t i v e t h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yi sn o tg o o d t h ec r r tm a c h i n ee s s e n t i a lt e c h n o l o g ym a i n l yi n c l u d e s ：b l o o ds t r e a m d y n a m i c ss t a b l ec o n t r o l ，b l o o d a n dw a t e rt r a i l sm o n i t o r i n g , m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v ef u n c t i o n i tw a st h ek e yt e c h n o l o g yt od r i v eb l o o dp u m pf o rs t e a d i l y c o n t r o lb l o o ds t r e a m i tw a so n eo fc o r et e c h n o l o g yt oi n s p e c tb l o o dl e a kf o r s y s t e mo f b l o o da n d w a t e r t r a i l s i n s p e c t i n g i nt h i sp a p e r , t h em a i nt a s k sw e l et od e s i g na n dt e s tb l o o dp u m pd r i v ea n d b l o o dl e a ki n s p e c t i n g t h er o l l e rp u m pa n dd cm o t o rw a sc h o s e nb ya n a l y z i n g t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c ( e r i s f i co f t h e b l o o dp u m pa n dm o t o r o nt h eb a s i so f i t ，c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u e s to ft h ec r r t b l o o dp u m p ，an e w t y p ep o w e r d r i v ec i r c u i tt od r i v ed i r e c tc u r r e n tm o t o rw a sd e s i g n e df o r t h eb l o o d p u m p t h ec i r c u rh a dt h ef u n c t i o no f t h e r m a ls h u t d o w n , c t l r r e n tl i m i t i n g ，d o s e d c o n t r o ll o o po fc u r r e n ta n dv o l t a g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e a m p l i f i e a t o r yc i r e u kc o u l dt i a e a r l ya n ds t e a d i l ya d j u s tt h e b l o o dp u m pf l u x i ti n t r o d u c e dan e wm e t h o do fb l o o dl e a ki n s p e c t i n g - c o l o ri d e n t i 母i n g ， a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo f b l o o dl e a ki n s p e c t i n ga n di nt e r m so f t h e d e m a n do fb l o o dl e a ki n s p e c t i n gf o rc r r t , w h i c hb e l o n g e dt oam e d i c a l t r e a t m e n ti n s t r u m e n tl t d t h en e wc o l o rs e n s o rt c 8 2 3 0w a sc h o s e nt od e s i g n t h ec i r c u i to fb l o o dl e a ki n s p e c t i n g , o nt h eb a s i so ft h ec o l o ri d e n t i f i c a t i o n p r i n c i p l ea n dt h eh a - d e p t ha n a l y s i so f d a t ad 印o s a lm e t h o 出- t h e n , a s i m u l a t i v e e x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r mw a sb u i l t b a s e do nt h ee x p e r i m e n t , t h es c h e m ew a s f e a s i b l e k e yw o r d s ：c r r t ；b l o o dp u m pd r i v e ；b l o o dl e a ki n s p e c t i n g 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广诬大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名；军炙荔坛 堋年厂 月杉日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 白白时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：系选；炙导师签名：；务珞) 呜川年厂月衫日 | e 壤佳血藏习毗设鲁( c r r te t ) 关t 执术一血摹摹【 ，基i - d 量翱 1 1 论文目的意义 第一章绪论 c r r t ( c o n t i n u o u sr e n a lr e p l a c e m e n tt h e r a p y ) 是近年来在血液透析基础上发展起 来的一种新的血液净化技术【，作为一种新技术是治疗学的一项突破性进展，已成为重 症监护治疗领域的主要方法。现代多功能血液净化机作为连续肾脏替代治疗应用于临床 已取得了显著效果【2 】 自1 9 8 3 年l a u e r 详细描述c r r t 理论以来，在近2 0 年的应用中，技术上做了很多 改进，由以心脏作动力泵，动静脉压力差作驱动力，发展为单一血泵，辅助体外循环， 目前已发展为一系列技术，生产出专为进行c r r t 而设计的床旁机，将血泵、置换液泵、 超滤泵以及透析液泵合为一体，并设置有全自动控制程序及详细操作指南、报警监控、 全自动联机平衡系统、适合不同流量的加热系统。如瑞典金宝的p r i s m a 、百特的b m 2 5 、 费森尤斯的a d m 0 8 弧盯a b m i m 血液净化系统，为c r r t 的临床操作提供了更大的方 便，极大范围内保证了病人的安全，确保治疗的顺利进行【3 】。 目前，我国能开展c r r t 治疗的项目，基本集中在省级的三甲医疗单位，设备全部 依赣进1 ：3 ，价格在2 0 3 0 万之间，耗材( 如管路) 每套在5 0 0 - 7 0 0 元之间。c r r t 仪器价 格昂贵，耗材成本又高，同时由于临床医师对应用c r r t 救治危重病例的理念认识不足， 长期以来，习惯于应用药物、手术等治疗手段，而对于体外循环途径治疗危重病患者的 经验与实践还很陌生。目前在国内开展情况尚不尽如人意，因此这种技术在重危病例救 治中的作用还远未发挥。随着医疗技术和医务工作者认识水平的不断提高，c r r t 在肾 脏治疗领域及对危重病患者的治疗优势的日益突出，以及在临床上使用c r r t 治疗手段 的迫切需要。因此在我国研制开发出价格合理、适合我国临床需要、耗材国产化的c r r t 设备将变得十分必要。该项目的研制生产与我国目前重大民生政策，降低医疗成本息息 相关。因此研制功能达到国外同等水平的c r r t 系统，具有相当重要的社会意义。 由于c r r t 能调整重症感染的免疫状态，恢复内皮细胞的正常功能，有利于机体度 过疾病的危机，在现代战争的化学武器、生物制剂战中具有潜在的军事价值 4 j l 壤佳 l 净设( a l 胛机) 关t ，术一 摹l 动覆- 鱼世卅 目前，国内各医院使用的血液净化设备，有来自美国、日本、德国、瑞典、意大利 等多个国家，品牌较多 5 1 ，而血液净化设备项目的研制成功将使我国成为世界上继德国、 美国、日本、瑞典和意大利之后的第六个具有该系列产品生产能力的国家，标志着我国 体外人工器脏替代治疗设备研制的一项重大科技成果突破。 1 2 连续性血液净化技术 i 工1 连续性血液净化( c r r t ) 的定义及应用 连续性血液净化是指所有连续、缓慢消除水分和溶质的治疗方式的总称 6 1 。1 9 9 5 年，第一届国际连续性肾脏替代治疗会议在美国召开，并将这一技术命名为连续性肾脏 替代治疗( c o n t i n u o u sr e n a lr e p l a c e m e n tt h e r a p y , c r r t ) ，c r r t 的定义是采用每天连 续2 4 小时或接近2 4 小时的一种连续性血液净化疗法以替代受损肾脏功能，随后每年召 开一次国际性会议网。 c r r t 技术可以连续、缓慢、等渗地清除循环中存在的一些致病毒素和介质，有效 维护内环境平衡、血流动力学、酸碱、水钠电解质乃至代谢平衡吼 这一技术近两年来在我国有较好的发展，在国际上更是进展迅速，不论在理论与实 践上均有不断的深化。1 9 9 5 年以来这一技术被人们认为是一种肾脏替代治疗技术，但 近年来有些学者认为c r r t 不仅仅是一组有关维护肾脏功能的医疗措施，它能通过超 滤、灌流、吸附等一系列新技术，在调节体液电解质平衡的同时，清除各种代谢产物、 毒物、药物和身体内产生的各种致病性生物分子等，因此其治疗范围己远远超过肾脏病 的领域，从多器官功能衰竭到严重创伤、感染、系统性炎症反应综合症( s y s t e m i c i n f l a m a t o r yr e s p o n s es y n d r o m e ，s i r s ) 、烧伤、急性胰腺炎、化学性中毒等。近年更发 展到人工肝支持系统、以及严重心衰、严重急性呼吸功能衰竭的辅助治疗，成为各种危 重病救治中的重要支持措施。由此可见，c r r t 治疗已用于非肾脏疾病，c r r t 这一名 词不能完全概括此项技术的实际应用价值。最近命名为连续性血液净化。这种治疗可使 多脏器患者平稳地进行肾脏或非肾脏病替代治疗，具有广泛的应用前景【3 】 1 2 2 连续性血液净化( c r r t ) 的起源和发展 血液净化( b l o o dp u r i f i c a t i o n ) 技术的历史已有一个多世纪了。s c r i h n e r 等在1 9 6 0 2 ；续丑r 蕞净吡瑚：( c i r t 瓤 共 e 拉术一直拳l 动覆i 血捡尊， 年就提出了连续性血液净化治疗的概念【9 ，1 0 1 ，1 9 6 6 年s t e w a r t 设计出目前最普及的透析 器空心纤维型透析器【i l 】。1 9 7 7 年德国率先提出连续性动静脉血液滤过( c o n t i n u o u s , a r t e r i o v e n o u sh e m o f i l t r a t i o n ，c a v h ) 治疗模式【1 2 1 ，如图1 1 所示，它以动静脉压力差 作为体外循环的驱动力，以超滤作用清除过量的水。以对流原理清除中、小分子溶质， 具有自限性、持续性、简便性和稳定性等特点，很大程度上克j l i t 传统的间歇性血液透 析( i n t e r m i t t e n th e m o d i a l y s i s ，i h d ) 所存在的“非生理性”治疗的缺陷，标志着一种新 的血液净化技术链续性血液净化疗法( c r r t ) 的诞生【1 3 1 4 1 ，并在临床上迅速推广 应用。c a v h 治疗简便、易操作，不需要仪器辅助，只用滤器和管路便可在病人床旁完 成治疗，但在临床使用中也发现它存在一定的缺陷和不足。 上+ c 二= p 图1 - 1c a v h 治疗模式 f i g 1 - 1c a v i lt h e r a p ym o d e 8 0 年代，临床对c a v h 治疗进行了重要改良，开始应用带有血泵的连续性静静脉 血液滤过( c o n t i n u o u sv e n o v e n o u sh e m o f i l t r a t i o n ，c v v h ) ，如图l - 2 所示，体外循环管 路中加入了血泵，用以调整所需要的血液流量，同时可以加大置换液量，提高清除率， 更有效的清除致病因子，并可打开静脉通道，保证病人所需液体，临床效果明显优于 c a v h ，在此基础上，临床上又逐渐衍生出其它一些治疗模式，如连续性静静脉血液透 析滤过( c o n t i n u o u sv e n o v c n o u sh e m o d i a f i l t r a t i o n ，c v v h d f ) ，如图1 3 所示。9 0 年代 后出现了高容量血液滤过( h i g h v o l u m eh e m o f i l t r a t i o n ，h v h f ) 模式，如图l - 4 所示。 与o 叫二p 百l o o d p u m p t 图1 - 2c v v h 治疗模式 f 毽i - 2c v v ht h e r a p ym o d e b 妁l o o dp u m p 吁7 马 l 图1 - 3c v v h d f 治疗模式 f 嘻1 - 3c v v h d ft h e r a p ym o d e 毫瑶性血襄净化设( c r r te t ) 关t 拉术一 拳暂覆镰m 檀铡 圉i - 4h v h f 治疗模式 r i g 1 - 4h v h ft h e r a p ym o d e 总之，随着生物医学技术的发展，c r r t 技术日趋成熟，其技术和方法也将不断推 陈出新，更广泛的应用于临床各种急症疾病当中同时，各学科的通力合作，打破专科 界限，提倡互相渗透和协作，这是当今危重医学的任务所在，也是提高诊疗水平的关键， 从而使c r r t 技术在临床应用中取得更新的进展。 1 2 3 连续性血液净化( c r r t ) 国内外研究现状旧 虽然血液净化已经有近一个世纪的发展历史，但我国5 0 年代才开始临床试用，6 0 7 0 年代正式起步。由于改革、开放，经济情况好转，从8 0 年代开始我国血液净化事业 出现一个发展高潮，透析单位年增加率4 1 8 ，透析人数年增加率1 8 7 ，进口透析机 每年增加1 1 由此可见，我国透析市场非常广阔，但国产设备严重短缺，质量较差 1 国内研究现状 我国受到整体经济能力和科学技术发展水平的影响，血液净化设备的发展起步较 晚。7 0 年代开始，上海医疗器械厂、天津医疗器械厂、北京医疗器械厂和宁波等地先 后研制出t x - 2 3 、t x - 2 4 、t x - 2 5 型透析机，之后又生产出t x - 2 6 、天津8 0 - 2 、宁波y s g 、 g s 一2 l 型透析机。在此基础上进一步发展和提高，推出s t - 2 1 、s t - 2 2 ，并增加了单纯 超滤功能此后在浙江又先后生产出、型及型透析机，后者具有水和浓缩透析液 配比系统、单纯超滤、序贯透析功能，还可用醋酸盐和碳酸氢盐透析并具备必要的监控 系统，是当时国产的先进机型，可惜没有正式投产。1 9 9 5 年宁波又试制出c t x 型透析 机，在功能上除无容量超滤外，已接近国外8 0 年代水平，同年通过鉴定1 9 8 9 年广州 研制出我国第一台l x i 型血液滤过机，并成功应用于临床。2 0 0 4 年我国第一台血液净 化设备m 2 0 0 0 新型血液透析机在广州暨华医疗器械有限公司研制成功并批量投产 上市【峋。 由于国产机总体水平低，工艺质量差，市场滞销。1 9 8 9 年上海医疗器械厂组装了 4 l l 鼬睦血弹p 删墩( c s r t 机) 关i 拉术一t 氯疆动覆曩i 血榆霸 日机装透析机；1 9 8 9 年石家庄组装了b a x t e r 透析机。尽管组装透析机价格低于同类进 口机，但市场销路仍有限。 国产血液净化设备与进口设备相比，主要差距为：功能少，特别是缺乏容量超滤 功能，更无先进的构件，仿制品也达不到国外水平。性能不稳定，整机的可靠性差。 监控、检测系统不先进，不灵敏。工艺粗糙，关键部件质量不过关。 2 国外研究现状 8 0 年代初瑞典a k - 1 0 透析机进入中国市场，式样新颖，价格适中，受到中国客户 的喜欢，每年以1 0 0 多台的数量进入中国市场。此后由于透析技术的发展，透析方法增 多和高流量透析器的出现，需要容量控制除水和可用醋酸盐和碳酸氢盐透析的两用机。 目前容量超滤方式大致有4 种：“测量室”式，它是由微机控制不断修正超滤系数，如 德国b - b r a u n ；。流量传感器”式，如美国b a x t e r ，瑞典a k - 1 0 0 ；“复式泵”式，如日 本d b b - 2 2 及“平衡室”式，如德国a 2 0 0 8 d 和日本n i p r o n c u 1 0 。 血液净化设备的另一个发展是多用途：除做血液透析外，还可进行血液滤过和血液 透析滤过，代表有德国a - 2 0 0 8 d 型、瑞典g 舢旧r o 公司新研制的a k - 1 0 0 u l t r a 型、德 国f r e s e n i u s eo n - l i n e - h d f ( 4 0 0 8 ) 也可以自制景换液。 随着电子技术的发展，很多血液净化设备版面控制改用屏幕式代替按钮式显示，触 摸式操作，如w f l l o c k - 1 0 0 0 型 今后的竞争重点将是调控系统电脑化、智能化，使患者透析治疗达到个体化，更加 安全和舒适。 l 2 4 连续性血液净化( c r r t ) 发展趋势 目前，连续性血液净化设备仍处在迅速发展的时期，各个厂家的新产品层出不穷， c r r t 机的功能日益丰富，并逐步向模块化、网络化和智能化发展1 1 1 】： ( 1 ) 多功能和单一功能并行发展 目前，c r r t 的治疗模式越来越多，相应的功能也越来越多，操作越来越复杂，成 本相应提高。生产厂家应开发具有单一功能的c r r t 机，降低成本，提高竞争力。血透 中心应以使用单一功能的c r r t 机为主，配备几台多功能的c r r t 机，以降低消耗，提 高经济效益。 ( 2 ) 网络化管理 蓬崩h 生血蠢：，化设鲁( c r r t 机) 饕瞄术一j t 曩驵动a _ - l 检涮 为了实现信息化管理，利用r s 2 3 2 接口或利用以太网控制器c s 8 9 0 0 可实现机器联 网，做到中央操作、监护，存贮，重显各种记录，打印各种显示治疗，最终实现科学管 理。 ( 3 ) 家用一体机 实现c r r t 机可以随意移动，供家庭或急诊使用。 “) 小型化 目前的c r r t 机与人工心脏等其它人工器官相比，体积大，用水多。把现有的c r r t 机小型化，使病人可以随身携带将会是血液净化发展史上的又一次飞跃。但要发明体积、 功能和人体肾脏基本相似的血液净化设备，还需要付出长期艰辛的努力。 5 ) 个性化透析 根据个别病人的需要，细调透析液。针对这种趋势，应开发出各种可变的和程序控 制的血液净化设备，以能对病人进行适宜治疗。 ( 6 ) 人工血管 当前正在研制一种具有良好生物相容性且能防感染的合成材料，以此制成管道，植 入大血管内，并与体内血路相连，作为长期与血液相通的通道。它对于延长病人所能接 受的透析治疗时间是十分必要的 1 3 论文研究的主要工作 本论文的主要工作是研究血泵驱动和漏血检测。 1 3 1 血泵驱动 据李振华等近十年的调查研究和实践，总结了血泵的故障资料：血泵发生故障的 次数占血液净化设备故障总数的2 0 以上。血泵作为c r r t 的关键部件之一，其控制 技术也是c r r t 的关键技术，对此技术的研究关系到c r r t 是否能够研制成功，其控制 技术关系到c r r t 机血流动力学是否稳定，能否实现c r r t 机的功能。 本文针对血泵的结构和工作原理，深入研究血泵的驱动方式。从影响血泵运转的稳 定性、血液流量精度因素着手，改进血泵驱动方式，使血泵性能更为优化，进而提高 c 的治疗效果。 ( 1 ) 解决的主要问题 6 鼍瑶佳血幕净化缝( 馓r 瓤，* 耸n 术一 曩l # & - 捡渊 采用直流电机驱动血泵，对血泵控制方式进行改进。 ( 2 ) 技术路线 技术路线图如图1 - 5 所示。 i 7 1i i 7 j ir = = = = = 一r = = = = ：a【= = 习 图1 5 技术路线图 f 嘻1 - 5 慨i l n i c 8 lc h a n n e l ( 3 ) 具体实验方案及步骤 了解现有各种血泵的类型和结构，选用滚压泵为c r r t 用血泵； 分析各种电机的控制方式和特点，掌握直流电机的控制方式和特点； 设计直流电机的控制电路，并进行硬件测试。 通过实验验证驱动电路是否满足血泵要求。 1 3 2 漏血检测 漏血检测是指检测来自透析器的溶液中是否有血液渗漏情况。目前，有些血液净化 设备需要人工来完成此项工作，自动化程度低。虽然国外一些设备增加了漏血检测电路， 但是其电路设计复杂，需要发光二极管，光敏三极管、a d 转换等等，而且还易出现误 报警。 本论文针对目前的漏血检测方法及其存在的问题，提出了一种新型的漏血检测方 法。通过对颜色识别原理和数据处理方法深入分析后，选用t c s 2 3 0 颜色传感器设计漏 血检测电路。对t c s 2 3 0 颜色传感器技术指标做了简要介绍，根据某医疗器械有限公司 c r r t 漏血检测要求设计实验方案，搭建模拟实验平台，最后通过实验，验证实验方案 的可行性 l # 垃鱼筑净化馒( c r r 丁机) 关键女术一直曩覆_ 捡卅 第二章c r r t 系统工作原理及关键技术 2 1c r r t 系统工作原理 血液净化机的基本功能是替代人体肾脏功能，清除人体代谢废物。它完成此功能的 基本手段是透析和超滤。洛质通过半透膜，从高浓度溶液向低浓度溶液移动，称为透析。 液体在压力梯度作用下通过半透膜的运动，称为超滤，具体是指水分从血液侧向透析液 侧移动。肾脏病人通过透析清除代谢产物，保持体内电解质、酸碱平衡；通过超滤，排 除体内滞留的水分。 2 1 1 系统组成 连续性血液净化系统是集计算机、电子、机械、流体力学、生物化学、光学、声学 等于一体的体外循环系统，以硬件为基础，应用人工神经网络和模糊控制技术，在血液 净化过程中能够监测各项压力、脱水剂量等，数字化和自动化程度较高。 c r r t 系统结构图如图2 - 1 所示，主要包括动力系统，自动控制系统和检测系统。 动力系统包括血泵、超滤液泵、置换液泵和透析液泵，其主要作用是为血路和水路循环 提供动力，保证治疗过程中血流动力学稳定，治疗正常进行：自动控制系统实现c r r t 机治疗过程的自动化，降低护理人员的使用难度，减少治疗过程中人为因素引发医疗事 故的发生率；检测系统包括压力检测、漏血检测、气泡检测、液位检测和阻流夹，在治 疗过程中起到监控的作用，一旦出现治疗异常，及时报警并通过自动控制系统采取相应 措施。此外，c r r t 系统还包括控制面板和显示部分。 c r r t 的三个主要部分保证在治疗过程中，系统维持流经透析器的透析液浓度、温 度和压力各项指标正常，保证体内电解质、酸碱平衡，排除多余的水分，以维持患者生 命。 3 鼍绋性j t 并喇r f 咄( c r r t 机) 崩嚏技术一血采驱动覆翻i - u 睦翻 1 一动脉压检测2 一血泵3 一肝素泵4 一气泡检测5 一动脉壹6 一水路压力检测 7 一置换液泵8 一超滤泵9 一漏血检测1 0 一透析器l l 一透析液泵1 2 一加热器 1 3 一超滤液1 4 一置换液1 5 一透析液t 6 一电子称1 7 一静脉壶1 8 一静脉压检测 1 9 一液住检测2 0 一阻流夹2 1 一静脉2 2 一动脉 图2 1c r r t 系统结构图 f i g 2 lc r r ts y s t e ms m i c t u r ec h a r t 2 1 2c i 珏i t 系统工作原理 c r r t 主要是利用血透装置与患者之间形成血液回路( 体外循环，血路) 和透析液、 置换液回路( 水路) 的循环，并在血路和水路之间隔着透析器的半透膜进行物质交换， 达到清除血液中毒素、纠正酸碱平衡及电解质紊乱、清除体内多余水分的治疗目的 下面根据图2 - 1 c r r t 系统结构图，简述其工作原理。 在患者治疗时，血液从患者的动脉端经血泵驱动引出，经肝素泵缓慢推注肝素持续 抗凝后，经过透析器透析时，隔着半透膜通过对流、弥散、吸附和超滤等，清除毒物和 9 蔓块性 l 净化设鲁( a r t 机) 簧l 拉拳一 氯l 劭夏蔫 擅辅 永分后再输回到患者体内。在治疗过程中，主机的监护系统迸行实时监测静脉压、动脉 压，水路压力、透析液温度、漏血、液位、气泡等参数的变化，当发生异常情况时，发 出声光报警并停止血泵工作。控制面板的指示灯清楚显示报警原因，并在显示屏上附有 中文说观，可使操作人员迅速定位故障并锯除，保障患者的安全。当系统各项指标处于 正常后，再重新恢复工作。 2 2c r r t 系统关键技术 c r r t 机是体夕 循环设备，对患者进行治疗对，患者的血液从体内弓l 出。经过透析 器透析、超滤、清除废物后再输回到患者体内。对可预见的危害，c r r t 机都做出了风 险的分析和估计，并采用了相应的防范和保护措施，保障患者透析安全。 c 砒盯机关键技术： 血流量和透析液流量的准确度在治疗过程中直接关系到溶质的清除率唧， c m 玎最大的特点就是血流动力学稳定，本设计的c r r t 机要求具有精确的流量测速控 制模块( 容量控制系统) ，血泵性能稳定且流量线性可调。 血路和水路部分直接对体外循环的血液和水路进行监控，具有静脉压检测、跨 膜压检测、恒温系统检测、漏血检测、气泡检测、液位检测和声光报警等功能因为严 密昀监控系统，为有效的治疗提供了必要的安全保证【1 4 1 。 l c d 液晶显示，人性化设计，直观且便于操作，可配合多种应用模式，能进行 多种血液净化治疗。 2 3 小结 本章主要介绍了c r r t 机的系统结构、工作原理和核心技术，c r r t 系统包括血路 和水路两部分，利用透析器连接这两部分，在动力系统、自动控制系统和检测系统的相 互作用下，保证治疗崩顺利进行。 i o l 曩t 鼍净化* ( 僳盯氟) 叠i 茸枣一 量l 曩鼍 世翻 第三章c r r t 血泵驱动 血泵是所有血透机都共有的重要部分，是透析患者体外血液循环的动力来源【1 1 。病 人的血液从动脉取出，送到血液透析器透析后返回静脉。透析器由近万根中空纤维组成， 每根中空纤维的内径约为2 0 0 雌n ，阻力较大，靠动静脉的压力差很难使透析后的血液顺 利回流到静脉。因此需要用泵作为动力网。 3 1c r r t 血泵及其驱动方法、特点 3 1 1c r r t 血泵特点 血泵是体外循环装置的主要部分之一，是体外循环的动力部分。血泵特点为： 流量小，血液通过透析器的流率通常为3 0 0 m u m i n 左右，最大也不超过 5 0 0 m l m i n 。 速度可调，为了控制血液中有害物的清除率。需要在一定范围内改变血液通过 透柝器的速搴。血泵不能像普通离心泵那样用阀门节流的方法调节漉量，也不能像窖积 泵用回流调节，而是通过调节电机的转速来改变流率。 无泄漏，血泵不允许有任何泄漏现象，也不允许血液与空气接触。 泵的部件不能与血液接触，当血液与机械部件接触时，容易污染血液或易形成 血栓。另外血液与运动的机械部件接触会导致血球破碎或由于机械的离心作用使血球与 血浆分离。 日前，c r r t 主要采用的治疗模式有缓慢持续超滤( s l o wc o n t i n u o u su l t m f i l t r a t i o n ， s c o f ) 、持续静( 动) 静脉血液滤过( c o n t i n u o u sv c n o m ( a r t e r i o ) v e n o 璐h e m o f i l t r a t i o n , c v ( a ) v h ) 、持续静( 动) 静脉血液透析( c o n t i n u o u s v e n o u s ( a r t e r i o ) - v e n o m h c m o d i a l y s i s ， c v ( a ) v v _ d ) 、持续静 动) 一嫠脉盔液透析滤过( c o n t i n u o u sv e n o u s ( a n c r i o ) - v e n o u s h e m o d i a t i l w a t i o n , c v ( a ) v h d f ) 、持续静静脉高通量透析( c o n t i n u o u sv e n o - v e n o u s h i g h - f l u xd i a l y s i s ( c w h f d ) 、血浆置换( p l a s m ae x c h a n g e , p e x ) 、血浆吸附灌流 ( p l a s r n aa b s o r p t i o na n dp e r f u s i o n , p a p ) 。在各种治疗模式下，最大的区别就是血流量的 l l 隹血l 净化谴( 嗽n r ) 关l 自l 书一 l l 时& l 世洲 不同，而c r r t 显著的特点是要求治疗时血流动力学稳定1 2 0 ，并且可以根据不同的治 疗模式，实现血流量的可调节性，同时要求在某种固定的治疗模式下，根据患者的身体 状况，适当的调节血流量的大小。 在c r r t 中，若体外循环中没有趣泵驱动血液流动，两是依靠病人叁身动脉压力完 成体外循环，如果病人血压不稳定，治疗难以保证，因而需要血泵提供体外循环的动力。 3 1 2 血泵 血泵的分类有多种方法，根据辅助用的血泵是否可植入体内可分为植入装置、非植 入装置；根据辅助的部位不同，分为左心辅助、右心辅助、全心辅助；根据血泵的工作 原理不同，可分为滚压泵、搏动泵、旋转泵、离心泵、全人工心脏等圆。 目前l f 缶床上常用体外循环的血泵只有滚压泵( r o l l e rp u m p ) 和离心泵( c v n u i f u g a l p u m p ) 。滚压泵在临床多年的使用中不断地改进与完善。从最简单的单向平流型血泵发 展为当今现代化的由电脑控制的亦可双向驱动以及产生搏动血流的装置，使灌注更趋于 安全、有效和生理网。滚压泵由泵管和泵头组成，泵头对泵管挤压，推动管内液体流动。 滚压泵的主要缺点是滚压时泵管易产生微脱落( 硅胶管) ，弹性差( 塑料管) ，长时间转 动血液破坏明显增加，并有泵管破裂的危险。尽管如此，由于操作简单，费用低，滚压 泵仍然是国内外使用最广泛的血泵舢。 滚压泵以先进工艺闻名，在机械领域有着广泛的应用。这种泵的一种典型的应用是 作为血液透析系统用泵，滚压泵的简易性及可靠性使其在医学领域得到广泛应用【3 1 1 。 目前常见到的是滚柱结构血泵，见图3 1 原理是通过泵头旋转结构，驱动滚柱挤 压环过泵室的胶管以达到输送血液的目的，所以泵的运动部件只与输送血液的胶管外表 面接触，胶管由抗血凝材料制成。输送血液速率的大小取决于滚柱在半圆泵室通过时的 速度，即电机的转速。 鼍m 垃 裹净化( c 躲t 机) 关冀技拳一 l l 口覆_ 世耐 图3 - 1 滚柱泵头示意图l f 培3 1r u l lp u m ps k e t c hm a p r n l c r r t 血泵主要由泵管和泵头组成，其各部分要求如下1 3 2 1 ： 泵管主要有硅胶、硅塑和塑料三种管道。硅胶管弹性好、耐压耐磨性强，但在 滚压时易产生微栓脱落；塑料管不易产生微栓脱落，但弹性差、耐磨性差；硅塑管介于 两者之间。 泵头分滚压轴和泵槽二大部分，泵管置于泵槽中，通过滚压轴对泵管外壁的滚 动方向挤压，推动管内的液体向一定的方向流动，要求泵管有很好的弹性和抗挤压能力。 泵的流量和泵的转速呈正比，转速太高时泵管不能恢复弹性则无此正比关系； 泵槽半径越大，泵管内径越大，每圈滚压的流量越多。 血泵未来的发展趋势为：对血液的破坏性减小：不会产生有损失性的压力；能类似 人的心脏，对压力和阻力能进行适当地调节；减少气泡进入血液的危险性；流量传感更 精确；密封性更好；操作更简易；更灵活、安全。 3 ，i 3 电机 泵的动力来自电机。目前可以选用的电机种类众多。常用的有直流电机、交流电机 以及步进电机。各种电机的控制方式及用途有所不同。下面对几种电机的控制方式及其 特点进行简单叙述。 1 步进电机及其控制技术 3 3 - 3 6 1 捌嚏- 浊栽j 呲饿鲁( c r g r 机) 关i 技术一 ，：簟【舒曩舅l - 盘胃_ 步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的种执行元件。它是随着计算机控制系统 发展而发展起来的，利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者 线位移的电动机。 1 ) 步进电机特点 步进电机由于具有转子质量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成 为运动控制领域的主要执行元件之一步进电机是机电一体化的关键产品，步进电机可 在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等， 这是步迸电动机最突出的优点。由其组成的开环系统简单、廉价、可靠。因此，它被广 泛的运用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工业机器人、无损检测等系统 及装置中。步进电机的性能在很大程度上取决于步进电机控制系统，而步进电机控制系 统由步进电机控制器、驱动器、系统软件等几部分组成，控制系统的每一部分与步进电 机的运行性能息息相关。 2 ) 步进控制与驱动系统 不管是那一种类型的步进电机，其开环运动控制系统都是相似的。如图3 - 2 是典型 的步进电机开环控制系统结构框图，主要由p c 机、步进运动控制器、步进电机驱动器 和步进电机四部分组成。 图3 - 2 步进电机开环控制系统结构图 f i g 3 - 2 s t e p p e r m o t o r o p e n - l o o p c o n t r o l s y s t e m f r a m e c h a r t p c 机按照要求发出相应指令，控制器接收指令，并根据指令向各进给电机发出控 制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号，实现正、反转 控制和定位控制。同时上位机检测下位机的各种状态信号，进行诊断和处理。对于步进 电机，必须使用专用的驱动器才能够正常工作。步进电机驱动器一般由环形分配器、功 率放大器等部分组成。其中环形分配器根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过 功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行；此外，步进电机 驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。 2 交流电机及其控制技术【3 7 , 3 8 1 1 4 l 壤t 鱼液净化设( 瓣瓤) 关t 拉术一 l i 口a - 世测 在自动控制系统中，交流伺服电机的作用是把控制电压信号或相位信号交换成机械 位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。在交流伺服系统中，由 于电机本身具有非线性和强耦合特性，所以其控制方法相当复杂，用常规控制方法很难 满足高性能控制系统的要求。 一种交流伺服电机控制系统的硬件结构框图如图3 3 所示。 图3 - 3 伺服电机控制系统结构图 f i g 3 - 3c o n t r o ls y s t e mf r a m eo f s e r v om o t o r 通过键盘输入速度值，经m c u 处理后，转化成相应的脉冲信号传给电机的驱动器，