血液透析機漏氣檢測系統(tǒng)的設計

劉 頌 羅華生

血液透析機漏氣檢測系統(tǒng)的設計

劉 頌①羅華生①

目的：針對AK200S血液透析機，設計一款智能化的漏氣檢測系統(tǒng)，協(xié)助工程師快速排查漏氣點位置范圍。方法：根據(jù)常規(guī)檢測經(jīng)驗及故障統(tǒng)計記錄和數(shù)據(jù)，對血液透析機易發(fā)生漏氣的部分水路進行分析簡化，并仿照血液透析機自檢時的壓力測試方式，在目標水路外連接一個氣泵，通過控制氣泵及其連接的電磁閥，對其內部分時分段分別施加正負壓力。施加壓力后通過外接壓力傳感器獲取一定時間前后管道內部壓力數(shù)據(jù)進行對比，分析判斷此段管道是否存在漏氣，判斷標準為前后壓力差＜5 mmHg時，則視為無壓力泄漏，反之則需排查此段管道易漏氣點。結果：對出現(xiàn)漏氣報警的AK200S/AK200US進行183次檢測，其中171次漏氣檢測系統(tǒng)檢測出漏氣點范圍。漏氣點分布于：過濾器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端軟管夾子79次，其中確定的漏氣點分別為密封圈162次，閥膜1次、接頭8次，漏氣故障檢測成功率＞90%，其中常溫狀態(tài)下在預設排查水路的漏氣檢測成功率達到100%。結論：自制的漏氣檢測系統(tǒng)能夠幫助臨床工程師節(jié)約排查漏氣點的時間，有效提高工作效率。

血液透析機；漏氣檢測；智能化；效率

血液透析是急慢性腎功能衰竭患者腎臟替代治療方式之一，目前國內接受透析的患者很多，而急需進行透析的患者日益增加[1-2]。隨著醫(yī)保范圍擴大及國民收入的提高，預計透析患者人數(shù)仍將持續(xù)增長。

血液透析機是透析治療中應用最廣泛和最頻繁的治療儀器[3]。以肇慶市第一人民醫(yī)院為例，1例患者的透析時間一般為4 h，一臺機器每日可治療2～3例患者，機器每周工作6 d，粗略統(tǒng)計，一臺血液透析機一周的平均治療時間在55 h以上，再加上機器的自檢、消毒等時間，血液透析機每周平均工作時間接近70 h。血液透析機是一款對氣密性要求極高的機器，為了保證氣密性，其水路中有大量的以硅膠為材質的密封圈和閥膜，長期頻繁的使用血液透析機會令密封圈和閥膜快速老化，而老化的密封圈和閥膜會變硬，甚至破裂，導致氣密性下降[4]。除此之外，長時間使用壓力傳感器其檢測值可能會發(fā)生偏差，上述情況都有可能導致機器出現(xiàn)故障報警，影響機器的使用，增加醫(yī)療風險，耽誤患者治療[5-6]。

隨著醫(yī)療設備的快速發(fā)展，檢測及維修手段和方式也應該向電子化、基于狀態(tài)以及智能化方向發(fā)展，不斷提高檢測和維修效率，降低檢測和維修的耗時[7-8]?；诟咝Э焖俚哪繕耍狙芯拷Y合多年檢測經(jīng)驗，設計出一款以單片機為核心的針對AK200S血液透析機的漏氣檢測系統(tǒng)，通過單片機系統(tǒng)控制氣泵及電磁閥模擬機器內部管道壓力，分段、分級測定關鍵壓力點，以達到快速排查故障點的目的[9-10]。

1 漏氣檢測系統(tǒng)的設計背景

1.1 傳統(tǒng)漏氣檢測方法及其不足

當血液透析機發(fā)生故障時，依靠工程師的觀察，查看是否有漏水點，有則該點肯定伴隨漏氣，如果無漏水點，則需要工程師根據(jù)水路結構圖逐段水路檢查是否漏氣，檢查方法為選擇一段水路，封閉該段水路一端，從另一端外接氣囊及壓力表，泵氣后觀察壓力表數(shù)值是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則可判斷該段水路未漏氣，否則恢復原狀，再檢測下一段，如此反復。當所有水路判斷均未發(fā)生漏氣，再進入機器自帶程序觀察是否為壓力傳感器檢測值發(fā)生偏差而導致故障發(fā)生。以金寶AK200S為例，一臺機器有17個電磁閥，每個電磁閥有一個閥膜，而易發(fā)生漏氣的密封圈數(shù)量更是多不勝數(shù)，如果用傳統(tǒng)方法檢測判斷，不僅工作量大，耗時也長，也不利于快速解決問題。

1.2 水路結構分析

系統(tǒng)應用對象的水路結構分析?；诙嗄隀z測經(jīng)驗、故障統(tǒng)計記錄及數(shù)據(jù)可知，漏氣多發(fā)生于水箱出來的過濾器(Filter)之后到疏散閥(EVVA)之前，包括1個過濾器、2個電導槽(Cond cell)、2個電機(pump)、超濾槽(UF)、漏血檢測器(blood leak detector)、13個電磁閥(VA)及5個壓力傳感器，本研究設計的血液透析機漏氣檢測系統(tǒng)將重點檢測該段水路。AK200S水路如圖1所示。

圖1 AK200S水路圖

1.3 水路簡化及系統(tǒng)接入方式

系統(tǒng)應用對象的水路簡化及系統(tǒng)接入方式。在重點檢測的水路中，有電磁閥與限流支路并聯(lián)，實際上不會隔絕水、氣，可將二者組合視為導通管路，電機、超濾槽、電導槽和漏血檢測器等零件對水、氣無阻隔作用，也將其視為導通管路。待血液透析機沖洗并排空后，關閉血液透析機，為便于檢測漏氣，須將受檢測部分水路通過一系列動作使其形成分段和分級的密閉通道：①系統(tǒng)與過濾器(Filter)前端相連；②步進電機所在電磁閥與頂部預沖閥(TPVA)用軟管相連，并用夾子夾在軟管中間；③在EVVA末端用軟管連接，并用夾子夾住軟管。經(jīng)處理，系統(tǒng)與受檢水路連接簡化如圖2所示。

圖2 簡化水路結構圖

2 漏氣檢測系統(tǒng)的實施

2.1 系統(tǒng)目標

壓力傳感器和漏血探測器中的密封圈、電磁閥的閥膜、過濾器以及各連接管道的硅膠接頭均有可能出現(xiàn)硬化、破裂導致整個受檢水路出現(xiàn)對外漏氣或內部漏氣，在檢測過程中將這些容易發(fā)生漏氣的、需要重點關注的零配件標注為易漏氣點。系統(tǒng)設計的核心功能是在眾多易漏氣點中快速縮小漏氣點的范圍，為工程師判斷漏氣點節(jié)約時間。

2.2 系統(tǒng)檢測原理

血液透析機自檢時在管道內部分時段反復產(chǎn)生正壓和負壓，再根據(jù)該壓力變化判斷是否漏氣，系統(tǒng)將模仿該過程進行判斷氣密性是否良好。當管道內部氣密性良好時，管道內壓力應保持穩(wěn)定[11]。根據(jù)一般經(jīng)驗，血液透析機內部壓力測試分別在195～235 mmHg和-180～-220 mmHg時10 s內不會有＞5 mmHg的壓力變化。因此，系統(tǒng)由1個氣泵、1個壓力傳感器及4個電磁閥組成，其結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接入水路部分結構圖

當打開V1、V3閥，關閉V2、V4閥時，系統(tǒng)啟動氣泵產(chǎn)生正壓；當打開V2、V4閥，關閉V1、V3閥時，系統(tǒng)啟動氣泵產(chǎn)生負壓。

2.3 系統(tǒng)工作流程

2.3.1 系統(tǒng)檢測判斷方法

機器的漏氣檢測分為正壓力檢測和負壓力檢測，正、負壓力檢測為2個獨立的過程。系統(tǒng)設定當管道內氣體實時壓力P1達到目標壓力P(P=250 mmHg或-250 mmHg)時，氣泵停止泵氣并關閉V3或V4，10 s后單片機讀取管道內壓力，記為P2。根據(jù)試驗，氣泵以額定功率工作時，系統(tǒng)在密閉的機器管道內每秒可產(chǎn)生20～35 mmHg的壓力變化，設氣泵泵氣時間為t，則管道內無漏氣必需滿足的條件為：|P-P2|≤5 mmHg。

2.3.2 正壓檢測

系統(tǒng)產(chǎn)生正壓力。系統(tǒng)至限漏閥(DRVA)段管道壓力上升，若t≤15 s時P1max＜250 mmHg，則系統(tǒng)提示管道有明顯漏氣，需排查系統(tǒng)至DRVA段易漏氣點，若t≤15 s時P1max=P(此時取P=250 mmHg)，則在P1max=P時停止泵氣并關閉V3，獲取P2，對比P和P2，如果P-P2≥5 mmHg，則系統(tǒng)提示管道有漏氣，需排查該段易漏氣點，如果P-P2≤5 mmHg，則系統(tǒng)提示該段管路漏氣測試正常，進入下一段檢測；打開V3和DRVA，泵氣，檢測DRVA至直接閥(DIVA)段，判斷原理同上，若提示有漏氣，則需排查DRVA至TPVA、旁路平衡閥(PBVA)、步進電機、零點閥(ZEVA)、旁路閥(BYVA)以及DIVA之間的易漏氣點，若正常，則繼續(xù)進入下一階段；同時打開V3、DRVA及DIVA，重新泵氣，若提示漏氣，則需排查DIVA至反沖閥(RFVA)、EVVA、治療閥(TAVA)之間的易漏氣點，若正常，則同時打開V3、DRVA、DIVA以及TAVA，重復泵氣，若提示漏氣，排查點同上。

2.3.3 負壓檢測

負壓檢測流程和正壓檢測流程一致，此時取P=-250 mmHg，當t≤15 s時存在P1min=P，且在P1min=P時停止抽氣，滿足P2-P≤5 mmHg則判定為不漏氣。

2.4 系統(tǒng)電氣結構

系統(tǒng)采用TM30B-D高性能微型氣泵，該泵利用變隔膜原理實現(xiàn)介質的充入和排出，具有低功耗、低振動和低噪音等特點，可配合電磁閥使用，實現(xiàn)增壓和降壓功能[12]。電源模塊采用GSM-H120DS-24開關電源，輸出的5 V電壓用于單片機和人機交流模塊工作，24 V直流電壓用于氣泵的工作以及電磁閥的開啟關閉[13]。總體電氣結構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電氣結構圖

工程師通過人機交流模塊給單片機輸入命令，單片機驅動繼電器組使氣泵和電磁閥等部件工作，當水路氣壓到達設定值，壓力傳感器反饋信號給單片機，單片機通過繼電器組控制氣泵停止工作，此時工程師可觀看壓力表數(shù)值判斷管道是否漏氣。根據(jù)上述檢測流程判斷無漏氣點后，工程師還可以額外外接壓力表，并根據(jù)壓力表數(shù)值校正機器的壓力傳感器數(shù)值。除此之外，檢測裝置還保留擴展接頭，可以擴展裝置使用范圍，應用到有類似情況的其他醫(yī)療設備的測漏。

系統(tǒng)中的單片機選用AT89C52，該單片機可使用匯編及C語言編寫程序代碼，而89C52有較高的主頻和較大的ROM空間，使用C語言寫程序代碼更為簡單，更利于工程師創(chuàng)造符合實際情況的針對性的工具[14]。

3 漏氣檢測系統(tǒng)的測試及應用

3.1 測試方法

利用ISIS軟件先行對系統(tǒng)軟件進行仿真測試，檢驗軟件代碼正確性和穩(wěn)定性，提高設計效率和質量[15]。再通過實踐驗證系統(tǒng)硬件的性能，尋找漏氣檢測系統(tǒng)的不足。

3.2 應用效果及分析評價

自2016年8月至2016年12月，使用漏氣檢測系統(tǒng)對出現(xiàn)漏氣報警的AK200S/AK200US進行183次檢測，其中171次漏氣檢測系統(tǒng)檢測出漏氣點范圍。漏氣點分布于：過濾器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端軟管夾子79次，其中確定的漏氣點分別為密封圈162次，閥膜1次、接頭8次，漏氣故障檢測成功率＞90%，其中常溫狀態(tài)下在預設排查水路的漏氣檢測成功率達到100%。

漏氣原因為密封圈老化、硬化、閥膜老化以及接頭有裂縫。漏氣故障檢測不成功的情況包括以下幾種：①漏氣點不在系統(tǒng)預設排查水路中，即不在漏氣檢測系統(tǒng)檢測范圍內，如濃縮液吸液泵之前、EVVA之后等；②漏氣檢測系統(tǒng)是針對室溫條件下的管道漏氣情況進行檢測，有部分密封圈、閥膜是在高溫(80～90 ℃)消毒后才發(fā)生漏氣，此時管道溫度較高，其密封性較室溫時差，因此在室溫下漏氣系統(tǒng)無法檢測出漏氣點范圍。針對不足，可考慮增加高溫檢測步驟解決。漏氣檢測系統(tǒng)能夠以較高的成功率縮小漏氣范圍，達到了設計要求，提高工程師判斷漏氣的檢修效率。

4 結語

“工欲善其事必先利其器”，醫(yī)療設備在朝著智能化方向發(fā)展，設備檢測工具也應該往智能化方向發(fā)展。雖然無專用的、針對性強的工具讓工程師直接使用，但工程師可結合以往的經(jīng)驗，運用所學知識來創(chuàng)造針對性的工具來輔助工作，提高工作效率。

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A design about the system of leak detection of hemodialysis machine/

LIU Song, LUO Hua-sheng//
China Medical Equipment,2017,14(8):14-17.

Objective: To design an intelligent system of leak detection for AK200S hemodialysis machine so as to fast troubleshoot the range of leaked point for helping engineer. Methods: The likely leaked part of flow paths of hemodialysis were simplified based on routine detection experiment and the statistical record and data of faults. And then, test mode of pressure when hemodailysis implemented self-inspection for leakage was imitated. There was a air pump was connected with aimed flow paths, and the positive and negative pressure generated by controlling an external air pump and the connected magnetic valve were applied at different time and different section, respectively. After increased pressure, depended on the comparison of intra pressures from pressure sensors for one part of pipeline between pre- and post of one spell to analyze and decide whether this section exist leak. And the judgment standard was if the difference of pressure was less than 5mmHg, there was not leak in this flow path, otherwise, the likely leak point should be troubleshot in further detection. Results: 183 detections were implemented at AK200S/AK200US which once happened alarm of leakage. And in the 183 detections, the detection system for leakage has found the ranges of leaked point in 171 detection. The distribution of leaked points was: 73 times were from filter to DRVA section, 19 times were from DRVA section to DIVA section, 79 times were from DIVA section to champ of flexible pipe at terminal of EVVA. On the other hand, in the leaked points, 162 points were at seal ring, 1 point was at film of valve, 8 points were at connector, and the success rate of detection for leaked fault was more than 90%. Besides, the success rate of detection for leakage on flow paths of prepare troubleshooting under normal temperature was 100%. Conclusion: The detection system of self-dependant development for leakage can help engineer to save time of troubleshooting for leaked point and enhance the work efficiency.

Hemodialysis machine; Leak detection; Intelligent; Efficiency

Department of Equipment Management, The First People’s Hospital of Zhaoqing, Zhaoqing 526000, China.

1672-8270(2017)08-0014-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.004

2017-01-02

①肇慶市第一人民醫(yī)院設備科 廣東 肇慶 526000

劉頌,男,(1986- ),本科學歷，工程師。肇慶市第一人民醫(yī)院設備科，從事醫(yī)療器械及設備的管理、維護、保養(yǎng)和維修。