便携式双针血液透析机的设计与实现

徐江涛，肖锋

（西安工业大学 计算机学院，陕西 西安710032）

便携式双针血液透析机的设计与实现

徐江涛，肖锋

（西安工业大学 计算机学院，陕西 西安710032）

血液透析是肾功能衰竭安全有效的替代疗法之一，目前已广泛应用于临床。由于医疗设备很难长期稳定运行在一种工况下，导致透析过程中出现漏血、凝血、失血、血流欠佳、透析液不适合、设备意外故障等多种问题。本文针对在透析过程中出现的这些问题，通过研究缓冲式血液透析技术，经过大量实验数据分析，优化运行参数，从而使透析设备运行在最佳的工况下。实验证明，系统运行稳定，有效解决了透析过程中各种问题，测定尿素氮浓度为7.702mmol/L，处于正常值范围。

血液透析；智能化；自动化；过程监控

尿毒症是一个医学界尚未完全攻克的世界难题，目前的有效治疗手段就是肾移植和透析[1]。当前，由于全球的肾移植用器官都非常短缺，大多数病人必须依靠长期透析来维持生命；而透析技术中，由于和腹膜透析相比，血液透析具有效率高且不易感染的特点，因此，血液透析是肾功能衰竭终末期的最安全有效的替代疗法，被各国广泛应用于临床。但是，当今世界上的主流血液透析机运行时消耗水量巨大，配套水处理系统体积庞大，安装费用和使用成本都居高不下。这对便携式血液透析机的普及限制非常大。

目前，透析治疗正在向自动化和智能化方向发展，但其主要还是涉及透析机、透析器、配套的血路和透析液等医疗产品研制，有关的临床研究也受到一定限制。所以，国内外在对治疗过程监护方面，目前主要还是采用人工方式，这就要求血透医护人员既要有娴熟的操作技术和丰富的临床工作经验，又要具备一定的技术管理能力，从而维持透析过程安全有效。但出于对安全性的考虑，人工经验不可避免的存在随机性、局限性和主观性。随着我国国民经济以及居民收入持续增长，我国血液透析产业发展明显提速，年均增长速度均在20%以上[2]。该系统针对透析治疗过程的特点进行研究，不仅在医疗行业具有广阔的应用前景，由此产生的经济效益和社会效益十分可观。

1 系统总体设计

1）血液流路

本系统的血液流路包括来自患者静脉血液通过血泵的推动与肝素结合进入缓冲器内，然后流向透析器，通过与透析液的对流将毒素等其他物质排出，再流入缓冲器，经过加热器来控制血液的温度以及气泡检测器进行气泡检测，之后通过血泵返回人体如图1所示[3-4]。

2）血液透析机设计原理

便携式血液透析机采用高通量缓冲式透析的方式进行透析，从人体低速引入血液，通过水路缓冲设备进行血液缓冲储存并进行低通量透析，当缓冲壶中的血液量在一个特定的范围内时，由控制端给出指令调节血泵转速，从而实现高通量透析[5-6]如图2所示。

图1 血液透析流程框图

图2 透析原理

3）血液透析机的工作过程

透析机的工作过程如图3所示[7-10]：阀1打开，抽血泵引血进入缓冲壶，通过超声波气泡检测装置来检测气泡，血液通过流量计流量监测进入透析壶。同时，阀3打开，透析液通过阀3经过流量计进入透析壶。阀4打开，血泵将掺入透析液的血液经过流量计通过阀4进入血液透析器与反向进入透析器的透析液形成压力差，从而将毒素及其他的离子滤除。阀2打开，经过透析器后的血液通过回路的缓冲壶，并经过气泡检测装置回到人体。空气气泡监测是以超声波原理，检测存在于血液流路及静脉滴室中的空气气泡，配合血液流路的锁住装置以维护安全。血液透析仪在血液返回人体前有一个空气气泡检测器，一旦检测血管流路中有气泡将马上控制静脉夹，切断血液的流动，待将气泡排除后再继续进行透析治疗。系统内部有温度控制器，一般设置在37℃，最低可达35℃。温度超过42℃，可产生溶血，过低引起患者寒战。温度的设定是根据患者的具体情况的个性化选择，是不以设备、医生意志为转移的，是必须以患者需求为最终目标的设定。由于存在环境散热，即便是同一个患者的温度也可能是不同的。

4）血液透析机设计方案

图3 透析系统工作结构图

系统采用工业控制计算机、可编程控制器（PLC）和数据采集卡搭建而成，整个系统是一个小型的集散控制系统（DCS），将血液透析过程优化控制整合到了一起[11-12]。这样控制前端可以独立实现控制，上位机的故障不会影响到PLC的控制，极大的增强了系统的可靠性且扩展方便。该系统具体分为3个部分如图4所示：

图4 透析系统模块图

2 软硬件实现

1）总体方案本系统设计的流程图如图5所示。

图5 系统设计流程图

2）PID控制算法

所谓PID控制算法，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算而确定控制输出量，对执行器进行控制[13]。PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。PID控制算法的原理如图6所示。

图6 PID控制原理图

3 人机界面设计

透析患者在进入主界面后，有预冲、正常工况、回血、清洗以及信息设置等功能按键，在透析首页还可以看见此刻时间，如图7所示。

图7 透析主界面

4 实验数据分析

测量尿素氮浓度的实验数据如表1[14-15]所示。

表1 2014年4月15日的3次实验记录/（mmol/L）

数据显示尿素氮浓度在7.702mmol/L左右，处于正常值范围。

5 结 论

设计采用了缓冲式高通量透析的方式，是在低通量单针透析基础上的一个优化。低通量单针缓冲的透析效果不佳，并且在患者感觉舒适的引血速度下进行透析，所以要花费较长时间；若在设定的较短的时间内透析，其引血速度将会提高，同时也增加了患者抽血的疼痛感。血液透析净化技术的研究，是延长患者生命迫切需要解决的问题，不仅能够提高患者的生存率，还能保证他们有良好的生活质量。

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Design and implementation of a portable dual needle hemodialysis machine

XU Jiang-tao，XIAO Feng
（Computer Department of Xi'an Technological University，Xi’an 710032，China）

Hemodialysis is one of the safe and effective replacement therapy for renal failure，and has been widely used in clinical practice.Because it is difficult to long-term stable operation of medical equipment in a condition，lead to leakage of blood，blood coagulation，blood loss，poor blood flow，not suitable for dialysis fluid，equipment accident and other issues. The for these problems that appear in the process of dialysis，through the study on buffer hemodialysis technology，through a large number of experimental data analysis，and optimize the operating parameters，so that the dialysis equipment operation under the conditions of the best.The experimental results show that the system is stable and effective，and it can effectively solve various problems in the process of dialysis，and the determination of urea nitrogen concentration is 7.702mmol/L，which is in the range of normal value.

hemodialysis；intelligent；automation；process monit

TN99

A

1674－6236（2016）24-0009-03

2016-04-29 稿件编号：201604280

国家自然科学基金（61572392）；陕西省教育厅自然科学基金（2013JK1109）

徐江涛（1974—），男，陕西西安人，硕士，讲师。研究方向：计算机及应用。