一種用于免疫調(diào)節(jié)的臭氧治療儀的設(shè)計與實現(xiàn)

吳志敏 周豐平

摘 要：提出了一套基于Modbus協(xié)議的PLC與觸摸屏（HMI）串行通信控制系統(tǒng)，分析了臭氧治療儀工作原理，提出了解決設(shè)計方案，給出了醫(yī)用臭氧治療儀的硬件和軟件實現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)流程圖及部分程序代碼。

【關(guān)鍵詞】Modbus 串行通信 醫(yī)用臭氧治療儀 RTU

1 醫(yī)用臭氧治療儀的背景

目前全球約有4億慢性乙型肝炎病毒感染者，我國慢性乙型肝炎患者約2000萬。傳統(tǒng)的藥物治療療程長、療效低、副作用多，復發(fā)率高并且費用大等。在乙肝治療領(lǐng)域一直在尋找和探索新的治療方法。臭氧大自血療法是一種新的治療慢性乙型病毒性肝炎方法。醫(yī)用臭氧治療儀將醫(yī)用氧氣精確而穩(wěn)定的制成治療所需臭氧濃度，在免疫激活氣血混合器內(nèi)將血液和臭氧充分混合激活、活化后的血液回輸?shù)饺梭w，起到病毒殺滅、提高人體干擾素、免疫調(diào)節(jié)的作用。

研制一款醫(yī)用臭氧治療儀，能夠?qū)崿F(xiàn)血液抽取、臭氧和血液混合和血液回輸功能。醫(yī)用臭氧治療儀應有臭氧制取、回收功能；血液抽取、回輸功能；血液、臭氧混合功能；血液流量調(diào)節(jié)功能；氧氣壓力測量、顯示功能；管路壓力測量、顯示、報警保護功能；氣泡檢測、報警保護功能；臭氧濃度檢測、顯示功能。

2 產(chǎn)品的工作原理

醫(yī)用氧氣經(jīng)精密穩(wěn)壓器限壓（0.1Mpa）、精密流量計限流（1L、min）后，通過氧氣閥的通斷來控制氧氣是否進入臭氧發(fā)生器。臭氧發(fā)生器采用電暈法產(chǎn)生氧氣和臭氧的混合氣體（以下簡稱臭氧氣體），臭氧氣體經(jīng)臭氧檢測儀（在線檢測臭氧濃度）后分兩路，一路經(jīng)臭氧閥、取氣口、制氣閥后進入臭氧回收器（降解器）；一路經(jīng)內(nèi)部臭氧輸出閥、臭氧輸出接口后進入氣血混合器?；旌虾蠖嘤嗟某粞鯕怏w經(jīng)臭氧回收接口、內(nèi)部臭氧回收閥進入臭氧回收器。治療儀通過改變血泵和電磁閥的運行狀態(tài)，分別完成預沖血泵側(cè)管路、預沖循環(huán)側(cè)管路、預沖液返回、血液抽取、氣血混合、血液回輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)臭氧自體血療法。

3 產(chǎn)品設(shè)計方案

為了避免國外醫(yī)用臭氧治療儀產(chǎn)品在進行臭氧大自血療法中的不足，利用目前比較成熟的血液體外循環(huán)技術(shù)。新研制的治療儀配套自血回輸管路通過血泵定量的將血液引出，在自血回輸管路氣血混合室中與一定濃度的臭氧氣體混合，混合后回輸?shù)饺梭w，多余的臭氧氣體自動回收降解。另外考慮到治療慢性乙型肝炎病毒患者治療周期要在三個月以上，每周治療三次，治療模式將引血回路與回血回輸共用同一通道，在治療時只需要進行單針穿刺，減少患者穿刺的次數(shù)。治療全過程可選用自動或手動模式，可在操作提示下自動完成自血回輸管路的預沖、引血、臭氧與血液的混合、血液回輸。治療過程中血液是在密閉的自血回輸管路中自動完成，大大降低了醫(yī)務人員的工作量，從而避免了交叉感染的可能，極大提升臨床使用的安全性。治療儀在治療過程中進行氣泡、壓力檢測，確保治療安全有效。

治療儀具備以下功能：血液抽取、回輸功能；臭氧制取、回收功能；血液流量調(diào)節(jié)功能；血液、臭氧混合功能；氧氣壓力測量、顯示功能；管路壓力測量、顯示、報警保護功能；氣泡檢測、報警保護功能；臭氧濃度檢測、顯示功能；自血回輸管路預充功能； 血泵停泵報警功能；治療儀斷電報警功能；

4 醫(yī)用臭氧治療儀解決方案

治療儀在治療過程中要實時顯示治療的過程，并要對設(shè)置的參數(shù)進行設(shè)置，所以采用人機交互良好的觸摸屏（以下簡稱HMI）作為上位機。治療儀要對I/O信號、D/A信號、A/D信號進行處理，以選擇抗干擾性能良好的PLC下位機的處理。HMI與PLC通過Modbus協(xié)議進行通信。觸摸屏能夠直觀、生動地顯示運行參數(shù)和運行狀態(tài)，而且通過觸摸屏畫面可以直接修改系統(tǒng)運行參數(shù)，人機交互性好。PLC廣泛應用于工控領(lǐng)域中，具有良好的抗干擾性能。與HMI配合組成良好的人機交互環(huán)境，大大降低了產(chǎn)品的制造成本。如圖1。

4.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

HMI作主站，PLC作從站。eView觸摸屏和PLC本身支持Modbus通訊協(xié)議。

4.2 硬件物理連接關(guān)系

電磁閥、氣泡檢測器、血泵組件都裝在治療儀的前面板，臭氧發(fā)生器、臭氧濃度檢測裝置等裝在中間板。為了便于線路的連接增加驅(qū)動板和前面板接口板。

4.3 軟件實現(xiàn)

軟件實現(xiàn)包括：通訊設(shè)置、變量定義、功能模塊設(shè)計、界面設(shè)計。，通訊設(shè)置包括波特率設(shè)置，數(shù)據(jù)位數(shù)、停止數(shù)、奇偶校驗等，總線上所有的master及slave的以上設(shè)置應完全一致。

治療儀軟件分兩部分，一部分為HMI軟件，是基于步科HMI組態(tài)編輯軟件Kinco HMIware_v2.0的應用軟件，分別由自動治療模塊、手動治療模塊、制臭氧氣體模塊、制臭氧水模塊、測試模塊組成。另一部分為PLC軟件，分別由數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、血泵流量控制模塊、臭氧濃度控制模塊。并配合治療儀硬件系統(tǒng)完成治療。

4.3.1 HMI與PLC通訊連接

為了能夠使HMI與PLC建立穩(wěn)定的通訊，必需對通訊格式進行規(guī)定。其中通訊類型：RS232，波特率：9600，數(shù)據(jù)位：8位，奇偶校驗位：無，停止位：1位。通訊協(xié)議：Modbus。

4.3.2 HMI的程序設(shè)計

HMI作為上位機并作為主機，要及時將信息送到下位機PLC，將下位送來的信息進行處理，將處理結(jié)果送回給下位機。分別由治療設(shè)定模塊、預沖階段模塊、引血階段模塊、氣血混合階段模塊、血液回輸模塊組成。

4.3.3 PLC的程序設(shè)計

調(diào)用執(zhí)行數(shù)字量輸入子程序、數(shù)字量輸出子程序、模擬量輸入子程序、血泵流量控制子程序、臭氧濃度控制子程序。

4.4 整機設(shè)計

根據(jù)臨床要求，按引血、混合、回輸自動化的要求，對整機布局如圖2所示。

5 臨床試驗

治療儀經(jīng)過相關(guān)的臨床醫(yī)療機構(gòu)對慢性乙型病毒性肝炎患者的試驗，對乙肝病毒有抑制作用。治療各功能正常。隨著臭氧基礎(chǔ)研究的深入，臨床治療應用廣泛開展起來。醫(yī)用臭氧治療已應用于慢性乙型肝炎病、糖尿病足、動脈阻塞性疾?。ɡ玳g歇性跛行等）椎間盤突出癥、創(chuàng)傷、燒傷等領(lǐng)域。

6 總結(jié)

醫(yī)用臭氧治療儀能夠自動實現(xiàn)血液的抽取、混合、回輸。在治療過程中可以分別對醫(yī)用氧氣-臭氧混合氣體的濃度、血泵流量進行設(shè)定。對氧氣壓力、壺內(nèi)壓力、回輸?shù)饺梭w血液循環(huán)管路中的氣泡等進行監(jiān)測。一旦參數(shù)偏離設(shè)定值，治療儀將發(fā)出聲光報警信號，提醒醫(yī)務人員進行處理。

作者單位

寧波天益醫(yī)療器械有限公司 浙江省寧波市 315000