医学工程技术在血液透析机中的应用

樊照鑫，周嫱

卫生部北京医院 a.肾内科；b.医学工程科，北京 100730

医学工程技术在血液透析机中的应用

樊照鑫a，周嫱b

卫生部北京医院 a.肾内科；b.医学工程科，北京 100730

随着科学技术的发展，学科交叉现象越来越普遍。从事血液净化治疗以来，逐渐认识到医学工程技术在血液透析领域的重要性，本文详细介绍了血液透析机中医学工程技术应用概况。

血液透析机；医学工程；超滤系统

透析机、透析器、透析液、水处理设备、复用设备等是血液净化中心的重要组成部分，保证设备的状态如何也是日常工作的重心之一。透析中心工程师必须十分了解透析设备，不仅要会使用，还要会保养、维修[1]。这就涉及到多种学科的交叉，如机器维护涉及机械知识，水处理过程、透析液配比涉及物理、化学知识，透析器设计又蕴涵生物学及材料学原理，未来的生物人工肾的发展又需要得到新兴的组织工程学的大力协助[2]。这些统统需要生物医学工程作为基础。故就血液透析领域内的医学工程技术应用进行初步探讨。

1 血液透析机的原理

血液和透析液在透析器(人工肾)内借半透膜接触和浓度梯度进行物质交换（图1）,使血液中的代谢废物和过多的电解质向透析液移动,透析液中的钙离子、碱基等向血液中移动，从而清除患者血液中的代谢废物和毒物;调整水和电解质平衡;调整酸碱平衡，具有人体肾脏的部分功能[3]。

2 血液透析机的组成[4]

2.1 液路部分

液路部分包括温度控制系统、除气系统、透析液配比系统、流量控制系统、超滤控制系统、漏血探测等部分[5]。

（1）温度控制系统：温度控制系统由加热器、热交换器、和温度传感器组成。加热器是使透析液达到要求温度的主要部件，通常采用电热棒直接加热，功率1500W左右。带有高温保护装置，超过设定温度，自动断开。热交换系统使进入机器的水与即将排出的废液在不锈钢管道中相对流动，废液的热量通过管壁传到反渗水。计算机系统通过机器分布在各处的温度传感器测量各点温度，反馈控制加热器，使温度始终控制在设定的范围内（35～42℃）。

图1 血液透析机的原理

（2）除气系统：除气系统包括除气泵、除气室、除气阀和管路。其原理是由负压泵产生大约500mmHg负压，使溶解在反渗水中的气体扩张成气泡逸出，避免气泡对流量、温度、电导度的测量产生影响，或气泡积聚在透析膜的一侧影响透析，对病人的健康产生危险。

（3）透析液配比及电导度监测系统：透析液配比及电导度监测系统由A液泵、B液泵、电导度监测系统、配比室组成。透析液的配比就是将浓缩液和反渗水进行配比，达到需要的浓度。透析浓缩液目前一般为碳酸氢盐，分为A、B液，计算机系统根据设置的配方控制A、B泵，使A液由A液泵吸入，B液由B液泵吸入，并且按固定容量吸入。

（4）超滤系统[6]：超滤是压力梯度使液体通过薄膜的过程。在血液透析过程中，正压血层与负压透析液层形成薄膜之间的压力梯度，这个压力梯度成为跨膜压（TMP），作用是清除血液的多余水分。现在的超滤系统一般为容量超滤，操作者设定超滤量后，由计算机系统自动控制。容量超滤系统一般分为2种，一种是平衡腔控制法（图2），一种是流量计控制法（图3）[7]。① 平衡腔控制法，容量平衡装置是由2个平衡室及8个阀组成，每个平衡室又被弹力膜分成新鲜透析液和用后透析液2部分，每个间隙有2个阀。现在还在平衡腔增加了膜的位移传感器，使平衡膜在达到极限位置时略提前发信号切换电磁阀，以改善实际跨膜压的波动，使透析流量更稳定，患者感到平稳。工作原理:在第一相时，阀2、3、5、8打开，1、4、6、7关闭。C2被新鲜的透析液充满，迫使C1排出等量的废液。同时C3被废液充满，C4排出等量的透析液到透析器。在第二相时所有的阀关闭130ms，以消除阀对平衡腔的影响。在第三相时，1、4、6、7阀打开，2、3、5、8关闭。C4被被新鲜的透析液充满，迫使C3排出等量的废液。同时C1被废液充满，C2排出等量的透析液到透析器。在第四相时，所有的阀关闭130ms。该四相重复进行，保证入透析器的流量与出透析器的流量严格相等[8]。② 流量计控制法，流量计控制法采用双通道电磁流量超滤控制系统，通过对2个流量通道高精度的扫描和采样，控制和反馈调节超滤的进行。超滤单元通过电磁原理平衡流速反馈式容量来控制流量和计算超滤。此容量测量体包括2个形状相同的管路，输送液体来往透析器，管路装置于固体铁氧磁心内，周围包着电磁铁线圈。当电流经过铁线圈，就会产生电磁场，当含有电解质的液体流经磁场，其所在的管路便会产生低电压。每条管路内的铂电极量度电压量，来直接确定流量。第1条管路量度通往透析器的流量，第2条管路量度回流的流量。两者之间的差量就是超滤量。从通道1和通道2采集数据，由Ch2rate-Ch1rate=UFrate，反馈控制跨膜压以达到预期的超滤量。同时机器内部每30min将进行自动校准，由于超滤单元的机械部件为固定静止的，因此不会造成泄漏和磨损。容量测量体检测速率800次/s，所得数据资料不断向主机流量和超滤控制系统汇集，这种精确的量度方法保正了流量的连续和稳定[9]。

（5）漏血探测部分[10]：血液透析过程中有时会发生透析器破膜，就会发生漏血，这对病人是非常危险的，为了检测漏血的发生，一般血液透析机采用光学方法检测。其原理是将发光二极管和光敏三极管分别安装在漏血探测器室壁两侧，当发生漏血时，发光管的光线受阻，光敏管接受的信号减小，引起报警。在透析过程中如果有沉淀或过脏，易发生假报警，这就需要操作人员及时清除漏血检测部位的赃物。

图2 平衡腔控制法

图3 流量计控制

2.2 血路部分

血路部分包括[11]：血泵、肝素泵、气泡探测器、预充探测器、动静脉压力监测、静脉夹等（图4）。

（1）血泵：血泵的作用是推动血液由透析器返回病人体内，目前常用的是滚柱式血泵，速率范围是0～600mL/min。

（2）肝素泵：由于病人的血液在体外循环与空气接触，很容易发生凝血现象，使用肝素防止发生凝血。肝素泵实际是一推进栓连接20mL的注射器,推进栓可使肝素连续（0.6 ～1.0mL/h）或定量输入。

（3）气泡探测器：空气栓塞是血液透析过程中最严重的并发症。空气探测器是检测静脉血液管路中的血液是否有气泡，它由超声发射器、超声接收器组成。在气泡探测器出现报警时，血泵将会停止转动，静脉夹夹死，超滤自动设置为0。

（4）预冲探测器：它是在自动化程度比较高的机型里，用来区分管路里是血液还是生理盐水，继而区分是治疗状态还是预冲状态。在预冲时，当它探测到血液，就会自动启动血液部分监测系统，如静脉压、漏血、空气报警等；在治疗中，尤其是在自动回血时，它会提示管内已无血液，可以停止回血。一般这个结构都和静脉夹位置比较近，由于它的血液监测功能，可以提醒护士有没有正确安装静脉夹。

图4 血路部分血路部分

3 血液透析机的硬件扩展

随着科技的发展，透析机的扩展功能得到强有力的技术支持。

3.1 血液温度监测仪

血液温度监测仪（BTM）用以调整透析过程中的热量平衡，大量研究证实，对于循环不稳定的患者，提供可控的热能负平衡将对透析期间血管的稳定性起到积极的作用。运用控制功能，治疗期间一些非生理性的、对血管副反应的、乃至至今尚未被注意体温变化引起的危害将会避免。

3.2 血容量监测

血容量监测（BVS）就是基于红细胞压积的变化，提供对血管内，水份含量的估算，对容量性低血压有很有效的提示作用。它的一般原理就是，通过监测血液对红光的透过能力，估算红细胞压积。而我们知道，血液透析对血液中水份的改变是显著的，而对红细胞数量的改变是可以忽略不计的。那么红细胞压积的改变，就足以代表血液中水份的改变。如果治疗中，从血管里脱水的速度（即患者脱水速度）大于组织向血管里补充的速度，那么显然会导致血容量下降，当这个下降超过一定的幅度，就会导致低容量性的低血压。有了的对血容量的监测，对调整适合的脱水曲线，以及配合相应的血液渗透压（改变透析液Na浓度）调整都有明确的指导意义[12]。

3.3 再循环监测

在血液透析治疗中，血液再循环（治疗后血液未经体循环又重新进入体外循环）切实存在，在双腔插管的条件下更为明显。它的一般原理是，在透析液侧给一个高温脉冲，则血液被加温。在血液入口侧，监测温度变化，如果很快接受到明显的温度变化，则可以确认再循环的存在。再循环的存在会导致治疗效果明显下降，有了明确的再循环依据，为改善治疗方案提供了有力依据。

3.4 无创血压监测

无创血压监测，实际就是把电子血压计整合到机器内部，现阶段无丝毫技术性和技巧性。如果能和血容量监测以及脱水控制联合应用，才是真正有意义的选件。

3.5 加拿大糖尿病检测（DIASCAN）或在线尿素清除指数监测（OCM）

若想提高患者的生活质量,重要一点是透析的充分性，现在评价透析充分性使用的指标是尿素清除指数（Kt/v），通常是通过检测透析前/后的尿素氮值计算而得。

4 血液透析机的网络及软件扩展

4.1 网络化管理[13]

血液透析中心长期采用手工病历记录的形式管理患者诊疗信息，记录患者的首次病程、历次透析记录、化验检查常规用药、特殊处理等。目前，该管理形式已不能适应当前医院信息化管理的要求，因此，透析中心的信息数字化管理已是大势所趋。每个厂家开放国际标准端口，使所有的机器联网。通过透析工作站能对所有的机器进行管理，监控每台机器的运行状态、诊断每台机器的故障。

例如Gambro Exalis通过透析机RS232接口或网口，可以实现机器联网，做到中央操作、监护、存贮、重显各种记录、打录各种显示资料。系统通过透析中心信息管理客户端，将患者诊疗信息数据汇总、统一存储、管理,大大地提高了工作效率和医疗管理质量。

4.2 软件扩展

为了更好地便于操作和使用，一些机型在操作软件上提供了自动预充、自动回血、定时消毒等软件，还具备方便维修的特点。透析机作为水电结合的医疗产品，故障率较高，为减少维修时间，各厂家都推出了新的技术，如方便齐全的定标程序；完备的故障代码系统[14]。

5 结语

血液透析机的发展日渐成熟，根据每个病人的实际情况，能够提供不同的透析治疗方法是血液透析机发展的一个重要方向。在工程方面，血液透析机的设计趋向于模块化设计，这就提高了机器的维护性能。人性化设计也很普及，作为治疗型设备，治疗的个性化、安全性能及模块化设计是每个生产厂家考虑的首要问题。新世纪是以创造为特征的时代，生物医学工程与医学的交叉、融合也将更为深刻与广泛。

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The Application of Medical Engineering Technology in Dialysis Machine

FAN Zhao-xina, ZHOU Qiangb
a. Nephrology Department; b. Medical Engineering Department,Beijing Hospital, Beijing 100730, China

With the development of science and technology, interdisciplinary increasingly common phenomenon. In blood purifi cation therapy has been increasingly recognized medical engineering importance in the fi eld of hemodialysis .This paper describes the fi eld of medical engineering technology overview.

Hemodialysis machine; Medical Engineering; Ultrafi ltration system

1674-1633(2012)04-0104-03

2011-12-31

2012-03-09

作者邮箱：zhouqiang@bjhmoh.cn

R318.6

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.036