一种多器官机械灌注系统方案设计

任晓龙

1 技术背景

器官的常规移植流程如图1，器官在供体医院进行离体低温灌洗[1]后，直接进行低温转运到达受体所在的医院进行手术移植，该流程术后操作步骤简洁，避免了术后过多操作对器官造成的额外损伤。

图1 器官的常规移植流程图

采用一体机的移植流程如图2，器官在供体医院进行离体低温灌洗后，对质量判定为边缘器官[2]的进行机械常温灌注修复，待修复好后进行低温转运到达受体所在的医院进行手术移植。该流程在低温转运之前对边缘器官进行了常温机械灌注修复，使其满足移植的条件要求，从而可以提高供体捐献器官的利用率。由于相比常规移植流程，该流程增加了常温灌注修复这一环节，使器官经过了两次低温-复温的过程，机械灌注可能会带来损伤问题。因此，对于使用一体机来增加常温灌注修复这一环节理论上可以提高器官的利用率。

另外，查阅文献，目前对心肺灌注的说法不一致，有的说心肺可以整体灌注，有的说不能整体灌注，必须要分离后进行灌注；有的说心肺移植时只能二者取其一，并不能两者都利用，或者进行心肺同时移植来保证两者能使用，这些说法还需要一些时间去探究[3-6]。

2 系统设计

2.1 整体设计

一体机是在受体器官离体后对边缘器官进行常温机械灌注修复，把供体的心脏、肝脏、肺脏（2个）和肾脏（2个）4个部位，6个器官用离体常温灌注的方法进行边缘器官修复的设备。由于心、肝、肺和肾所使用的灌注液并不一样，考虑到共用一种灌注液会对离体器官造成损伤、引起各个器官的不良反应、心肺分离难和难操作控制等问题，故一体机采用4个独立的管路循环系统，集中由一个下位机进行控制，通过压力、流量、温度传感器分别采集压力、流量、温度等数据，送到上位机进行显示和处理。系统整体设计框架示意图如图3。

图2 一体机的移植流程图

图3 系统整体设计框架示意图

2.2 电气部分设计

上位机采用17寸Windows工业平板方案，基于vs2015.net平台开发，采用面向对象的思想，设计需要考虑以下因素。

（1）支持无线、有线方式。支持常规的TCP/IP和232通讯协议。并预留通讯接口，可以扩充新的物理通讯通道。

（2）支持多种通讯协议（标准或者非标），预留通讯协议扩展通道。

（3）支持多器官数据监测和控制功能。

（4）系统界面灵活配置，既可以用于单机、也可以用于一体机。

（5）通道灵活配置，既可以一个屏幕显示器显示多个通道，也可以一个屏幕显示器显示单一通道。以适应各种用途。

（6）架构搭建灵活，可扩展性可维护性高。

（7）界面简洁友好，易操作。

为此，需要设计一套灵活可扩展的协议，可以识别各个器官，数据长度可以扩展，如表1所示。

表1 一体机通讯协议

除此之外，通道参数和界面展示需要配置灵活，在此，采用xml文件进行设计，后续调试时只需要对配置文件进行更改即可。通道参数的配置文件示例如下：

＜ChannelConfig＞

＜!--ProtocalID请勿变动--＞

＜!--肝：1；肺：2；心：3；肾：4--＞

＜Channel ProtocalID="1"Name="肝机通道"IsUse="1"＞

＜ComParam PortName="COM7" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="2"Name="肺机通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM5" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="3"Name="心机通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM4" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="4"Name="肾脏通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM9" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜/ChannelConfig＞

下位机采用4块板路分别控制4个管路循环系统，可实现各个器官灌注系统的独立控制，将采集到的压力、流量、温度等数据通过232传送到上位机进行展示。整个电气系统设计框图如图4。

图4 电气系统设计框图

2.3 结构设计

2.3.1 离心泵系统设计

一体机采用4个独立的离心泵系统，由60 W电机和儿童型泵头组成。4个离心泵系统分别单独控制，可以实时调节管路中灌注液的流量和压力。

表2 各器官需要的压力和流量传感器数量

2.3.2 管路循环系统

一体机根据4个独立的离心泵系统和各个器官的接管要求设计4个不同的管路循环系统，其中肝脏灌注采用一个离心泵带动血液，氧合后的血液分2个管路分别注入肝动脉和门静脉，同时需要在进入肝动脉和门静脉的管路分别设计有控制流量压力的装置。类似的，双肾灌注也是由一根氧合后的血液分成2根，分别注入肾器官内。在每个器官灌注系统的管路上，分别装有流量传感器和压力传感器，可以实时监测流量和压力值。

2.3.3 插管方式

插管方式如表3。

2.3.4 热循环系统

一体机采用一个恒温大水箱对4个管路循环系统进行热循环，用4个传感器对氧合后的血进行实时温度监测，并反馈到上位机显示。

2.3.5 器官容器设计

一体机器官容器的设计有两种方案：第一种是做4个独立的容器，根据各个器官的形状、大小设计成合适的容器；第二种是做成一个大的容器，在大容器里划分出4个用于4种器官安放的区间。考虑到实验操作、接管空间和避免各个器官相互感染的问题，本一体机考虑采用4个独立的器官容器来进行设计。

表3 一体机各个器官的插管数量及其插管位置

3 结束语

本文介绍了一种多器官机械灌注系统以及其详细设计方案，在低温转运之前对边缘器官进行了常温机械灌注修复方法，理论上可以提高器官移植的利用率。当然，实际结果需要取决于不断的实验和临床结果反馈并不断对系统设计进行完善。

参考文献：

［1］鲁皓，刘晓珊，陆云杰，等.持续低温氧合机械灌注对小鼠心脏死亡器官捐献供肝的保护作用［J］.器官移植，2013（07）：224-227.

［2］袁小鹏，周健，陈传宝，等.心脏死亡器官捐献肾移植101例分析［J］.中华移植杂志，2014（01）：4-8.

［3］Locke JE， Segev DL， Warren DS， et al.Outcomes of kidneys from donors after cardiac death：implications for allocation and preservation ［J］.Am J Transplant，2007（7）：1797-1807.

［4］Mohanka R， Basu A， Shapiro R， et al.Single versus en bloc kidney transplantation from pediatric donors less than or equal to 15 kg ［J］.Transplantation，2008，86（2）：264-268.

［5］贾俊君，李建辉，姜骊，等.肝移植供肝保存新途径：机械灌注［J/CD］.中华移植杂志：电子版，2014，8（3）：164-168.

［6］陈治泉，王彦峰，叶啟发，等.肝脏常温灌注在移植器官保存中的应用［J］.中华肝胆外科杂志，2014，7（20）：539-541.