醫(yī)學(xué)工程技術(shù)在血液透析機(jī)中的應(yīng)用

樊照鑫，周嬙

衛(wèi)生部北京醫(yī)院 a.腎內(nèi)科；b.醫(yī)學(xué)工程科，北京 100730

醫(yī)學(xué)工程技術(shù)在血液透析機(jī)中的應(yīng)用

樊照鑫a，周嬙b

衛(wèi)生部北京醫(yī)院 a.腎內(nèi)科；b.醫(yī)學(xué)工程科，北京 100730

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科交叉現(xiàn)象越來越普遍。從事血液凈化治療以來，逐漸認(rèn)識(shí)到醫(yī)學(xué)工程技術(shù)在血液透析領(lǐng)域的重要性，本文詳細(xì)介紹了血液透析機(jī)中醫(yī)學(xué)工程技術(shù)應(yīng)用概況。

血液透析機(jī)；醫(yī)學(xué)工程；超濾系統(tǒng)

透析機(jī)、透析器、透析液、水處理設(shè)備、復(fù)用設(shè)備等是血液凈化中心的重要組成部分，保證設(shè)備的狀態(tài)如何也是日常工作的重心之一。透析中心工程師必須十分了解透析設(shè)備，不僅要會(huì)使用，還要會(huì)保養(yǎng)、維修[1]。這就涉及到多種學(xué)科的交叉，如機(jī)器維護(hù)涉及機(jī)械知識(shí)，水處理過程、透析液配比涉及物理、化學(xué)知識(shí)，透析器設(shè)計(jì)又蘊(yùn)涵生物學(xué)及材料學(xué)原理，未來的生物人工腎的發(fā)展又需要得到新興的組織工程學(xué)的大力協(xié)助[2]。這些統(tǒng)統(tǒng)需要生物醫(yī)學(xué)工程作為基礎(chǔ)。故就血液透析領(lǐng)域內(nèi)的醫(yī)學(xué)工程技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

1 血液透析機(jī)的原理

血液和透析液在透析器(人工腎)內(nèi)借半透膜接觸和濃度梯度進(jìn)行物質(zhì)交換（圖1）,使血液中的代謝廢物和過多的電解質(zhì)向透析液移動(dòng),透析液中的鈣離子、堿基等向血液中移動(dòng)，從而清除患者血液中的代謝廢物和毒物;調(diào)整水和電解質(zhì)平衡;調(diào)整酸堿平衡，具有人體腎臟的部分功能[3]。

2 血液透析機(jī)的組成[4]

2.1 液路部分

液路部分包括溫度控制系統(tǒng)、除氣系統(tǒng)、透析液配比系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、超濾控制系統(tǒng)、漏血探測(cè)等部分[5]。

（1）溫度控制系統(tǒng)：溫度控制系統(tǒng)由加熱器、熱交換器、和溫度傳感器組成。加熱器是使透析液達(dá)到要求溫度的主要部件，通常采用電熱棒直接加熱，功率1500W左右。帶有高溫保護(hù)裝置，超過設(shè)定溫度，自動(dòng)斷開。熱交換系統(tǒng)使進(jìn)入機(jī)器的水與即將排出的廢液在不銹鋼管道中相對(duì)流動(dòng)，廢液的熱量通過管壁傳到反滲水。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過機(jī)器分布在各處的溫度傳感器測(cè)量各點(diǎn)溫度，反饋控制加熱器，使溫度始終控制在設(shè)定的范圍內(nèi)（35～42℃）。

圖1 血液透析機(jī)的原理

（2）除氣系統(tǒng)：除氣系統(tǒng)包括除氣泵、除氣室、除氣閥和管路。其原理是由負(fù)壓泵產(chǎn)生大約500mmHg負(fù)壓，使溶解在反滲水中的氣體擴(kuò)張成氣泡逸出，避免氣泡對(duì)流量、溫度、電導(dǎo)度的測(cè)量產(chǎn)生影響，或氣泡積聚在透析膜的一側(cè)影響透析，對(duì)病人的健康產(chǎn)生危險(xiǎn)。

（3）透析液配比及電導(dǎo)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：透析液配比及電導(dǎo)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由A液泵、B液泵、電導(dǎo)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配比室組成。透析液的配比就是將濃縮液和反滲水進(jìn)行配比，達(dá)到需要的濃度。透析濃縮液目前一般為碳酸氫鹽，分為A、B液，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)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）超濾系統(tǒng)[6]：超濾是壓力梯度使液體通過薄膜的過程。在血液透析過程中，正壓血層與負(fù)壓透析液層形成薄膜之間的壓力梯度，這個(gè)壓力梯度成為跨膜壓（TMP），作用是清除血液的多余水分?，F(xiàn)在的超濾系統(tǒng)一般為容量超濾，操作者設(shè)定超濾量后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制。容量超濾系統(tǒng)一般分為2種，一種是平衡腔控制法（圖2），一種是流量計(jì)控制法（圖3）[7]。① 平衡腔控制法，容量平衡裝置是由2個(gè)平衡室及8個(gè)閥組成，每個(gè)平衡室又被彈力膜分成新鮮透析液和用后透析液2部分，每個(gè)間隙有2個(gè)閥。現(xiàn)在還在平衡腔增加了膜的位移傳感器，使平衡膜在達(dá)到極限位置時(shí)略提前發(fā)信號(hào)切換電磁閥，以改善實(shí)際跨膜壓的波動(dòng)，使透析流量更穩(wěn)定，患者感到平穩(wěn)。工作原理:在第一相時(shí)，閥2、3、5、8打開，1、4、6、7關(guān)閉。C2被新鮮的透析液充滿，迫使C1排出等量的廢液。同時(shí)C3被廢液充滿，C4排出等量的透析液到透析器。在第二相時(shí)所有的閥關(guān)閉130ms，以消除閥對(duì)平衡腔的影響。在第三相時(shí)，1、4、6、7閥打開，2、3、5、8關(guān)閉。C4被被新鮮的透析液充滿，迫使C3排出等量的廢液。同時(shí)C1被廢液充滿，C2排出等量的透析液到透析器。在第四相時(shí)，所有的閥關(guān)閉130ms。該四相重復(fù)進(jìn)行，保證入透析器的流量與出透析器的流量嚴(yán)格相等[8]。② 流量計(jì)控制法，流量計(jì)控制法采用雙通道電磁流量超濾控制系統(tǒng)，通過對(duì)2個(gè)流量通道高精度的掃描和采樣，控制和反饋調(diào)節(jié)超濾的進(jìn)行。超濾單元通過電磁原理平衡流速反饋式容量來控制流量和計(jì)算超濾。此容量測(cè)量體包括2個(gè)形狀相同的管路，輸送液體來往透析器，管路裝置于固體鐵氧磁心內(nèi)，周圍包著電磁鐵線圈。當(dāng)電流經(jīng)過鐵線圈，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，當(dāng)含有電解質(zhì)的液體流經(jīng)磁場(chǎng)，其所在的管路便會(huì)產(chǎn)生低電壓。每條管路內(nèi)的鉑電極量度電壓量，來直接確定流量。第1條管路量度通往透析器的流量，第2條管路量度回流的流量。兩者之間的差量就是超濾量。從通道1和通道2采集數(shù)據(jù)，由Ch2rate-Ch1rate=UFrate，反饋控制跨膜壓以達(dá)到預(yù)期的超濾量。同時(shí)機(jī)器內(nèi)部每30min將進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，由于超濾單元的機(jī)械部件為固定靜止的，因此不會(huì)造成泄漏和磨損。容量測(cè)量體檢測(cè)速率800次/s，所得數(shù)據(jù)資料不斷向主機(jī)流量和超濾控制系統(tǒng)匯集，這種精確的量度方法保正了流量的連續(xù)和穩(wěn)定[9]。

（5）漏血探測(cè)部分[10]：血液透析過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生透析器破膜，就會(huì)發(fā)生漏血，這對(duì)病人是非常危險(xiǎn)的，為了檢測(cè)漏血的發(fā)生，一般血液透析機(jī)采用光學(xué)方法檢測(cè)。其原理是將發(fā)光二極管和光敏三極管分別安裝在漏血探測(cè)器室壁兩側(cè)，當(dāng)發(fā)生漏血時(shí)，發(fā)光管的光線受阻，光敏管接受的信號(hào)減小，引起報(bào)警。在透析過程中如果有沉淀或過臟，易發(fā)生假報(bào)警，這就需要操作人員及時(shí)清除漏血檢測(cè)部位的贓物。

圖2 平衡腔控制法

圖3 流量計(jì)控制

2.2 血路部分

血路部分包括[11]：血泵、肝素泵、氣泡探測(cè)器、預(yù)充探測(cè)器、動(dòng)靜脈壓力監(jiān)測(cè)、靜脈夾等（圖4）。

（1）血泵：血泵的作用是推動(dòng)血液由透析器返回病人體內(nèi)，目前常用的是滾柱式血泵，速率范圍是0～600mL/min。

（2）肝素泵：由于病人的血液在體外循環(huán)與空氣接觸，很容易發(fā)生凝血現(xiàn)象，使用肝素防止發(fā)生凝血。肝素泵實(shí)際是一推進(jìn)栓連接20mL的注射器,推進(jìn)栓可使肝素連續(xù)（0.6 ～1.0mL/h）或定量輸入。

（3）氣泡探測(cè)器：空氣栓塞是血液透析過程中最嚴(yán)重的并發(fā)癥?？諝馓綔y(cè)器是檢測(cè)靜脈血液管路中的血液是否有氣泡，它由超聲發(fā)射器、超聲接收器組成。在氣泡探測(cè)器出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，血泵將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，靜脈夾夾死，超濾自動(dòng)設(shè)置為0。

（4）預(yù)沖探測(cè)器：它是在自動(dòng)化程度比較高的機(jī)型里，用來區(qū)分管路里是血液還是生理鹽水，繼而區(qū)分是治療狀態(tài)還是預(yù)沖狀態(tài)。在預(yù)沖時(shí)，當(dāng)它探測(cè)到血液，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)血液部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如靜脈壓、漏血、空氣報(bào)警等；在治療中，尤其是在自動(dòng)回血時(shí)，它會(huì)提示管內(nèi)已無血液，可以停止回血。一般這個(gè)結(jié)構(gòu)都和靜脈夾位置比較近，由于它的血液監(jiān)測(cè)功能，可以提醒護(hù)士有沒有正確安裝靜脈夾。

圖4 血路部分血路部分

3 血液透析機(jī)的硬件擴(kuò)展

隨著科技的發(fā)展，透析機(jī)的擴(kuò)展功能得到強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3.1 血液溫度監(jiān)測(cè)儀

血液溫度監(jiān)測(cè)儀（BTM）用以調(diào)整透析過程中的熱量平衡，大量研究證實(shí)，對(duì)于循環(huán)不穩(wěn)定的患者，提供可控的熱能負(fù)平衡將對(duì)透析期間血管的穩(wěn)定性起到積極的作用。運(yùn)用控制功能，治療期間一些非生理性的、對(duì)血管副反應(yīng)的、乃至至今尚未被注意體溫變化引起的危害將會(huì)避免。

3.2 血容量監(jiān)測(cè)

血容量監(jiān)測(cè)（BVS）就是基于紅細(xì)胞壓積的變化，提供對(duì)血管內(nèi)，水份含量的估算，對(duì)容量性低血壓有很有效的提示作用。它的一般原理就是，通過監(jiān)測(cè)血液對(duì)紅光的透過能力，估算紅細(xì)胞壓積。而我們知道，血液透析對(duì)血液中水份的改變是顯著的，而對(duì)紅細(xì)胞數(shù)量的改變是可以忽略不計(jì)的。那么紅細(xì)胞壓積的改變，就足以代表血液中水份的改變。如果治療中，從血管里脫水的速度（即患者脫水速度）大于組織向血管里補(bǔ)充的速度，那么顯然會(huì)導(dǎo)致血容量下降，當(dāng)這個(gè)下降超過一定的幅度，就會(huì)導(dǎo)致低容量性的低血壓。有了的對(duì)血容量的監(jiān)測(cè)，對(duì)調(diào)整適合的脫水曲線，以及配合相應(yīng)的血液滲透壓（改變透析液Na濃度）調(diào)整都有明確的指導(dǎo)意義[12]。

3.3 再循環(huán)監(jiān)測(cè)

在血液透析治療中，血液再循環(huán)（治療后血液未經(jīng)體循環(huán)又重新進(jìn)入體外循環(huán)）切實(shí)存在，在雙腔插管的條件下更為明顯。它的一般原理是，在透析液側(cè)給一個(gè)高溫脈沖，則血液被加溫。在血液入口側(cè)，監(jiān)測(cè)溫度變化，如果很快接受到明顯的溫度變化，則可以確認(rèn)再循環(huán)的存在。再循環(huán)的存在會(huì)導(dǎo)致治療效果明顯下降，有了明確的再循環(huán)依據(jù)，為改善治療方案提供了有力依據(jù)。

3.4 無創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)

無創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)，實(shí)際就是把電子血壓計(jì)整合到機(jī)器內(nèi)部，現(xiàn)階段無絲毫技術(shù)性和技巧性。如果能和血容量監(jiān)測(cè)以及脫水控制聯(lián)合應(yīng)用，才是真正有意義的選件。

3.5 加拿大糖尿病檢測(cè)（DIASCAN）或在線尿素清除指數(shù)監(jiān)測(cè)（OCM）

若想提高患者的生活質(zhì)量,重要一點(diǎn)是透析的充分性，現(xiàn)在評(píng)價(jià)透析充分性使用的指標(biāo)是尿素清除指數(shù)（Kt/v），通常是通過檢測(cè)透析前/后的尿素氮值計(jì)算而得。

4 血液透析機(jī)的網(wǎng)絡(luò)及軟件擴(kuò)展

4.1 網(wǎng)絡(luò)化管理[13]

血液透析中心長(zhǎng)期采用手工病歷記錄的形式管理患者診療信息，記錄患者的首次病程、歷次透析記錄、化驗(yàn)檢查常規(guī)用藥、特殊處理等。目前，該管理形式已不能適應(yīng)當(dāng)前醫(yī)院信息化管理的要求，因此，透析中心的信息數(shù)字化管理已是大勢(shì)所趨。每個(gè)廠家開放國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)端口，使所有的機(jī)器聯(lián)網(wǎng)。通過透析工作站能對(duì)所有的機(jī)器進(jìn)行管理，監(jiān)控每臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、診斷每臺(tái)機(jī)器的故障。

例如Gambro Exalis通過透析機(jī)RS232接口或網(wǎng)口，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器聯(lián)網(wǎng)，做到中央操作、監(jiān)護(hù)、存貯、重顯各種記錄、打錄各種顯示資料。系統(tǒng)通過透析中心信息管理客戶端，將患者診療信息數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理,大大地提高了工作效率和醫(yī)療管理質(zhì)量。

4.2 軟件擴(kuò)展

為了更好地便于操作和使用，一些機(jī)型在操作軟件上提供了自動(dòng)預(yù)充、自動(dòng)回血、定時(shí)消毒等軟件，還具備方便維修的特點(diǎn)。透析機(jī)作為水電結(jié)合的醫(yī)療產(chǎn)品，故障率較高，為減少維修時(shí)間，各廠家都推出了新的技術(shù)，如方便齊全的定標(biāo)程序；完備的故障代碼系統(tǒng)[14]。

5 結(jié)語

血液透析機(jī)的發(fā)展日漸成熟，根據(jù)每個(gè)病人的實(shí)際情況，能夠提供不同的透析治療方法是血液透析機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在工程方面，血液透析機(jī)的設(shè)計(jì)趨向于模塊化設(shè)計(jì)，這就提高了機(jī)器的維護(hù)性能。人性化設(shè)計(jì)也很普及，作為治療型設(shè)備，治療的個(gè)性化、安全性能及模塊化設(shè)計(jì)是每個(gè)生產(chǎn)廠家考慮的首要問題。新世紀(jì)是以創(chuàng)造為特征的時(shí)代，生物醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)學(xué)的交叉、融合也將更為深刻與廣泛。

[1] 王質(zhì)剛.血液凈化設(shè)備工程與臨床[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2006.

[2] 戎殳,梅長(zhǎng)林,朱樑,等.血液凈化中心內(nèi)的學(xué)科交叉現(xiàn)象初探[J].衛(wèi)生職業(yè)教育,2008,26(8):23-24.

[3] 楊焱.血液透析系統(tǒng)的基本原理及發(fā)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2001,(5):288-291.

[4] 劉勁,秦文俊,等.血液透析機(jī)原理及最新進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2008,23(2):50-52.

[5] 高爽,李洋,周煥芝.費(fèi)森尤斯4008B血液透析機(jī)水路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析[J].儀器原理與使用,2009,24(1):40-42.

[6] 韋勇,黎明輝,張燕.現(xiàn)代血液透析機(jī)超濾設(shè)計(jì)與超濾性能綜述[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2004,25(2):39-40.

[7] 張從周,包偉浩.血液透析機(jī)中平衡腔技術(shù)與流量平衡技術(shù)的比較[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,22(4):43-44.

[8] 李志軍.Baxter-Tina超濾系統(tǒng)分析[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2002,17(10):29-32.

[9] 李朝偉,李曉東.金寶血透機(jī)超濾單元工作原理及故障分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,26(2):78-79.

[10] 鄭國(guó)強(qiáng).血液透析機(jī)漏血系統(tǒng)原理分析[J].醫(yī)療裝備,2004,(2):14-15.

[11] 朱宇.血液透析機(jī)體外循環(huán)部分的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[J].中國(guó)血液凈化,2009,8(1):7-10.

[12] 周福德,蔡紅梅,王梅.血液透析患者血容量監(jiān)測(cè)的意義[J].腎臟病與透析腎移植雜志,2001,10(6):528-531.

[13] 張穩(wěn).網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的血液透析中心信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2008,23(2):23-25,38.

[14] 曾立.淺談金寶AK95血透機(jī)BM自檢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2008,29(4):96,98.

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

作者郵箱：zhouqiang@bjhmoh.cn

R318.6

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.036