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[摘要]目的针对目前连续血液净化系统使用环境和自身尺寸重量的限制，为了适应战地、灾难现场和救护车上等特殊情况的应用，研制便携式的急救移动式连续血液净化系统。方法以STM32F407为系统核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代传统的平衡腔或称重式流体平衡技术，同时实现体外循环管路温度、血压和漏血等状态的监控，实现连续静脉血液透析滤过等多种治疗模式。结果该急救移动式连续血液净化系统实现了小型化轻量化设计，超滤控制精度能控制在0.5%，温度测量精度达0.2℃，血压测量精度在3 mmHg。结论研制急救移动式连续血液净化系统，有利于在第一时间抢救患者的生命，提高我国重症监护的医疗装备水平，有着广阔的经济和社会效益。

[关键词]连续血液净化；血液净化仪；超滤控制；陶瓷柱塞泵

引言

连续血液净化（Continuous Blood Puri fication，CBP），又名连续性肾脏替代治疗（Continuous Renal Replacement Therapy，CRRT），是所有连续、缓慢清除水分和溶质治疗方式的总称[1]。连续性血液净化技术使用之初只是为了提高重症肾衰的治疗效果[2-4]，但随着对它研究的不断延伸，已逐步应用到了严重的水、电解质及酸碱失衡、中毒和高热中暑，并被广泛应用于各种疾病所致的全身炎性反应综合征（包括急性胰腺炎、脓毒症休克及重症烧伤）的治疗[5-6]。国内市场上的相关产品主要靠进口，厂商包括瑞典金宝、美国百特德国贝朗、日本JMS等，且都是针对大型医院病房或ICU使用，不仅价格昂贵，而且鉴于其核心的流量平衡方式都是采取称重式或者平衡腔式[7-8]，体积大重量大，都是几十千克甚至上百千克，不便于移动。

针对野外、战地、灾难现场和救护车上等特殊环境的情况，本文研制了一套用于急救的移动式连续血液净化系统[9-10]，采用陶瓷柱塞泵计量方式的流量平衡技术，模块化、分体式的设计思路使得系统具有小型化、轻量化和便携化的特点，总重量低于15 kg，基于双处理器的多状态参数的监控与融合，有利于在第一时间抢救患者的生命，有利于提高灾难现场、战地等特殊情况下的医疗救护水平。

1 硬件设计

主控系统具备流速设定、流量平衡、状态参数显示、安全报警等功能[11-12]。整个仪器采用STM32F407处理器+MSP 430单片机这种双核处理器模式，STM32F407处理器作为主控制器支持触屏人机交互软件界面的运行，负责整个系统的工作流程控制，主要是控制蠕动血泵和陶瓷柱塞式透析液泵、置换液泵和废液泵的运行。MSP 430单片机接收血压、温度和漏血传感器信息，进行数据处理，将系统运行的各项状态信息传输给主控制器。系统电控工作原理，见图1。

1.1 主控模块与通讯接口

系统采用STM32F407作为主控制器[13]，STM32F4系列采用Cortex-M4内核，运算速度可达210DMIPS@168 MHz，且集成了单周期DSP指令和FPU，运算速度快，计算能力强，多达1 MB的Flash，外设接口丰富，通过RS 485接口与蠕动血泵直流伺服电机驱动器通讯，通过USART0转RS 232接口与陶瓷柱塞泵驱动电机通讯，通过LCD接口与7寸触摸屏连接，实现治疗参数的输入与系统运行状态的显示。

1.2 供电模块

考虑到使用环境的特殊性，以220 V交流电加24 V适配器为主导供电模式，并留有汽车电源和锂电池组接口。锂电池的使用是为了适应极端恶劣环境下的意外情况，保证在外部电源切断的情况下有2 h的紧急处理时间，拟选用大容量的三洋501876圆柱型锂离子电池，通过6串2并联的方式组成电池组给主机供电。

1.3 超滤控制模块

超滤也就是控制体外管路中输入人体血液的置换液、透析液与透析器滤除出来的废液之间的流量平衡关系[14]，研制了高精度的陶瓷柱塞计量泵[15-16]，单个泵不仅能提供液体传输的动力，而且还同时计量总的流量，通过控制每个泵的流速和总量就可以精确控制系统总的超滤速度和超滤量。陶瓷柱塞套件由一体化的UIRobot步进电机驱动，通过CAN总线控制，通过指令的方式控制电机按速度或位移模式运行。

1.4 温度监测模块

以MSP 430单片机作为控制核心，利用红外温度传感器MLX 90614完成温度采集[17-18]，MLX 90614是由Melexis公司生产的数字式红外温度传感器，温度测量范围为-40℃～+125℃, 温度分辨率为0.02℃。在人体体温范围+32℃～+ 42℃时,测量的绝对精度为0.2℃，通过I/O端口模拟SMBus协议通讯，读取温度数据。

1.5 血压监测模块

采用NPC1220-015G-3L型气压传感器，NPC 1220系列固态压力传感器是基于NovaSensor先进的SenTable的压电电阻技术，具有优良的温度特性，温度补偿范围为0℃～60℃，满量程0～750 mmHg压力，输出50 mV，精度为0.1%。

1.6 漏血探测模块

本课题拟采用颜色传感器TCS 230来设计漏血检测装置，它将可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成红、绿、蓝（RGB）3种滤光器，是第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS 230的输出信号是数字量，可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接，实现每个彩色信道10位以上转换精度。

2 软件设计

2.1 操控界面软件

主机采用了Android操作系统，具有缓慢连续超滤（Slow Continuous Ultra filtration，SCUF）、连续静脉静脉血液滤过（CVVH）、连续静脉静脉血液透析（CVVHD）和连续静脉静脉血液透析滤过（CVVHDF）4中工作模式。软件界面具有工作模式选择、治疗参数输入、操作步骤提示和状态显示等功能。

2.2 主机工作流程

系统以CVVHDF模式为例，说明其系统工作流程，具体流程，见图2。

3 试验分析

3.1 柱塞泵精度试验

柱塞泵精度是系统流量平衡技术的关键基础，而柱塞泵的基本工作原理是容积泵，电机每转一圈，在球轴承作用下，柱塞动套件会完成一个周期的旋转和伸缩往复运动，会泵出固定容积的液体，因此每个周期泵出液体的精度就决定了整个泵流速与总的流量精度。柱塞泵的输出压力与电机转矩、球轴承运动半径、柱塞倾斜角和柱塞半径等参数有关，在电机力矩为0.44 Nm，球轴承运动半径20 mm，柱塞倾斜角为16°，柱塞半径为6 mm情况下，柱塞轴向最大输出力为26 N，最大输出压强约为2.3 bar。体外循环管路中的压力波动不会造成流量精度的损失。通过设定泵的流速与流量，待输注结束之后，用精度为0.01 g的电子天平用称重的方式来计量重量，再折合到每一个周期的泵出量，泵的设计精度为每个周期1.25 mL，系统误差消除后，精度能达0.5%以内，实测精度情况，见表1。

表1 柱塞泵精度试验数据

3.2 血压测量试验

通过改变循环系统中的气压进行多次实验，同时，用OMEGA公司的HHP 352型气压计测量值进行比对校准。循环系统中气压每次升高2 kPa，进行5次实验并记录实验数据，见表2，设计的血压实时监测模块的精度达到了0.12%，小于1 mmHg。

表2 实验压力测量和标定值数据 (kPa)

3.3 温度测试验

在相同的试验环境条件下，在一个房中房结构实验室中，同时用一等标准水银温度计与该测温系统对同一个保温杯内的水温进行测量，并根据水银温度计的值将水温控制在32℃～42℃之间，在试验进行时将外房实验室的温度控制在设定温度附近。为了减小热交换产生的长期温度漂移影响，每次测量时间间隔不宜过长，本试验中间隔为5 s，理论温度为35℃时的试验曲线，见图3。理论温度为38℃时的试验曲线，见图4。实测精度在0.2℃以内。

4 结论

急救移动式连续血液净化系统以STM32F407为系统核心，采用超精密陶瓷柱塞泵替代传统的平衡腔或称重式流体平衡技术，同时实现基于MSP430的体外循环管路温度、血压和漏血等状态的监控，实现了整机系统的小型化轻量化设计，能够按特定的工作模式完成参数的设置、操作步骤的提示和状态的监控，并实现了预期精度的超滤、漏血、气泡等多种探测模块的进一步研究与完善，有利于提高设备运行的可靠性，有利于提高灾难现场、战地等特殊情况下的医疗救护水平。

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ZHONG Jun, CAI Liming, CHENG Xiankai, LIU Yongfeng, YU Yong
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou Jiangsu 215163, China

Abstract:ObjectiveAt present, the continuous blood puri fication (CBP) system cannot adapt well to the field, disaster scene and the special situation of ambulance because of the using environment and its size and weight. The present study aims to design a portable emergency mobile CBP system to resolve the problem that mentioned above.MethodsSTM32F407 was used as the core of the system. Traditional balance chamber and weighting fluid balance technology was replaced by the ultra-precision ceramic plunger pump. The states of temperature, blood pressure and blood leak were monitored. In this case, variety of treatment models, such as continuous intravenous blood dialysis was carried out.ResultsThe emergency mobile CBP system realized the design of small and lightweight. The ultrafiltration precision could be controlled in 0.5%, the temperature measurement precision was 0.2℃, the blood pressure measurement precision could reach 3 mmHg.ConclusionThe design of emergency mobile CBP system is bene ficial to save the life of the patients timely, and can improve the medical equipment level in intensive care. It has broad economic and social bene fits.

Key words:continuous blood puri fication; blood puri fier; ultra filtration; ceramic plunger pump

通讯作者：于涌，研究员，主要研究方向为机械电子、机电一体化。

急救移动式连续血液净化系统的研制

引言