自體血液回收機(jī)滾壓泵泵距原位監(jiān)測方法的研究

田 勇，丁 巾，李秀芝，張聯(lián)博，李 欣

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院輸血科，哈爾濱 150001）

0 引言

當(dāng)前，自體血液回收技術(shù)已趨成熟，并已在各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床中得以廣泛應(yīng)用，包括外科手術(shù)[1]、麻醉手術(shù)[2]、心臟手術(shù)[3]、產(chǎn)科手術(shù)[4]、骨科手術(shù)過程中[5-6]。多年來的國內(nèi)外臨床應(yīng)用實(shí)踐已證明該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約血液資源，避免因輸血帶來的傳染性疾病等有益效果。在對特殊患者（如惡性腫瘤患者、產(chǎn)科患者和細(xì)菌感染患者）的臨床應(yīng)用中，血液回收自體輸血可能誘發(fā)腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散，回收血混有羊水、細(xì)菌等問題[7]。國外研究學(xué)者業(yè)已嘗試將血液回收輸血與白細(xì)胞濾器聯(lián)合使用，并建議用于前列腺、膀胱、肝等器官的腫瘤手術(shù)或婦科手術(shù)中[8]。自體輸血技術(shù)及相應(yīng)的自體血液回收機(jī)均具有良好的發(fā)展前景與可觀的成本效益[9-11]。

以國產(chǎn)3000P型產(chǎn)品為例，自體血液回收機(jī)主要由主機(jī)、承載車和附件構(gòu)成[12]。其中主機(jī)部分由離心系統(tǒng)、控制面板、顯示器、液體滾壓泵、電動(dòng)機(jī)控制管道夾和超聲波氣泡探頭構(gòu)成。近年來，臨床應(yīng)用中已確認(rèn)血液回收機(jī)中離心杯、儲血器的正確安裝是保證手術(shù)順利的重要因素[8]，然而血液回收機(jī)中的液體滾壓泵對于傳送血液的影響和長時(shí)間應(yīng)用血液回收機(jī)過程中可能出現(xiàn)的滾壓軸調(diào)節(jié)螺母松動(dòng)的現(xiàn)象及應(yīng)對預(yù)防方法的報(bào)道較少。本文首先分析了液體滾壓泵的工作原理和存在的問題，進(jìn)而設(shè)計(jì)了可行的滾壓泵泵距監(jiān)測方法，包括基于薄膜壓力傳感器的監(jiān)測方法和基于分布電容的監(jiān)測方法，進(jìn)而通過測試確認(rèn)了以薄膜壓力傳感器在線監(jiān)測滾壓泵工作狀態(tài)的方法可滿足血液回收全過程出現(xiàn)故障和事故的預(yù)防要求。

1 液體滾壓泵工作原理

液體滾壓泵是用來控制液體進(jìn)出血液回收罐的。自體血液回收機(jī)滾壓泵外觀如圖1所示，工作前將泵管裝入，適當(dāng)拉緊長度以緊貼泵內(nèi)壁為準(zhǔn)。當(dāng)滾壓輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾輪前方泵管內(nèi)血液受擠壓從出管口流出。滾輪后方的泵管壓力消失，形成低壓區(qū)，在泵壓作用下血液可連續(xù)流動(dòng)。目前的自體血液血收機(jī)是通過調(diào)整滾壓軸調(diào)節(jié)螺母控制滾壓軸與泵槽間隙，從而實(shí)現(xiàn)血液流速調(diào)控。

圖1 自體血液回收機(jī)滾壓泵實(shí)物圖

滾壓泵的滾壓軸與泵槽之間的泵距參數(shù)非常重要，若泵距偏小，則血液流速減緩，泵管的擠壓極易導(dǎo)致紅細(xì)胞直接破碎和胞膜受損[13]，紅細(xì)胞破壞嚴(yán)重，影響回收血液的質(zhì)量；如泵距偏大，則滾壓力不足，血液向前流動(dòng)的效率降低，尤其是滾壓泵倒轉(zhuǎn)進(jìn)行排空操作時(shí)，會導(dǎo)致排空不徹底，離心杯中有血液殘留，大量氣體進(jìn)入血袋中，影響回輸效果。但泵距的變化僅為毫米量級，僅憑肉眼觀察泵距變化非常困難。自體血液回收機(jī)在長時(shí)間連續(xù)工作的情況下螺母松動(dòng)將導(dǎo)致泵距參數(shù)增大，在無人注意的情況下會發(fā)生危險(xiǎn)情況。但當(dāng)前全憑工作經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)該參數(shù)，因此手術(shù)過程中對自體血液回收機(jī)滾壓泵泵距實(shí)時(shí)監(jiān)測是必須的，對于超量值予以報(bào)警尤為重要。

2 液體滾壓泵泵距原位監(jiān)測方法

2.1 基于薄膜壓力傳感器的泵距原位監(jiān)測方法

圖1所示的滾壓軸與泵槽之間距離的測試受限于其機(jī)械結(jié)構(gòu)特征，因此直接應(yīng)用光學(xué)觀察的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。考慮到泵距參數(shù)與滾壓力間具有相關(guān)性，如果能夠準(zhǔn)確測試滾壓力并通過公式將泵距參數(shù)反向推演將是有益的嘗試。基于薄膜壓力傳感器的泵距原位監(jiān)測方法的主要原理是建立滾壓力和泵距的線性變化關(guān)系，進(jìn)而通過檢測滾壓力值間接反映滾壓泵泵距是否在合理應(yīng)用范圍內(nèi)。

通過查閱文獻(xiàn)資料[14]，找到了一種薄膜壓力傳感器（型號：A201，制造商：美國TekScan公司），厚度0.208 mm，寬度14 mm，長度51 mm，受力敏感區(qū)域9.53 mm2，測力量程有 4.4、110和 440 N 3 種可選，基底為柔性聚酯纖維材料，線性度<±3%，響應(yīng)時(shí)間小于5 μs。該壓力傳感器的核心是電阻應(yīng)變片，將應(yīng)變片貼在泵槽內(nèi)壁上，當(dāng)滾壓軸通過擠壓泵管使應(yīng)變片受壓，則應(yīng)變片里的金屬材料隨著外界的應(yīng)變變長或縮短，其阻值也會相應(yīng)變化。應(yīng)變片就是利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變進(jìn)行測量的。該壓力傳感器具有精度高、尺寸小等特點(diǎn)，實(shí)物如圖2所示。

圖2 A201型壓力傳感器實(shí)物照片

該壓力傳感器共引出3根線，包括激勵(lì)電壓輸入、測量電壓輸出和地線。如圖3所示，力測量電路設(shè)計(jì)包括激勵(lì)電壓電路設(shè)計(jì)和低噪聲前置放大器電路設(shè)計(jì)。滾壓力電壓信號經(jīng)濾波放大后輸入ADC信號轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入C8051F120單片機(jī)中。激勵(lì)電壓電路由典型的穩(wěn)壓電路、擴(kuò)流電路和激勵(lì)電壓接口組成，輸出電壓為DC 10 V。壓力傳感器靈敏度為1 mV/V，輸出電壓為0~10 mV。測量電壓輸出信號通過低通濾波器和濾波放大電路進(jìn)行濾波放大，并通過ADC信號轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。

圖3 力測量電路設(shè)計(jì)框圖

壓力傳感器的校準(zhǔn)工作是準(zhǔn)確讀取測量結(jié)果的前提，因此單獨(dú)對壓力傳感器以 1、2、5、10、50 和100 g M22級標(biāo)準(zhǔn)砝碼50次重復(fù)稱重測量，對所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可完成壓力測試值的修正處理，最終測量結(jié)果可達(dá)到測試精度為±1%、分辨力為1 g的技術(shù)指標(biāo)。另外，設(shè)計(jì)LCD12864液晶屏電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的輔助顯示，設(shè)計(jì)蜂鳴器電路實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定界限報(bào)警的功能。總體檢測原理框圖如圖4所示。

圖4 基于薄膜壓力傳感器的泵距監(jiān)測原理框圖

應(yīng)用改性丙烯酸酯膠黏劑將薄膜壓力傳感器黏接在泵管和泵槽之間，按照自體式血液回收機(jī)操作規(guī)程安裝回收罐及離心杯裝置并運(yùn)轉(zhuǎn)回收機(jī)，設(shè)定滾壓泵以500 ml/min的流速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)滾壓軸螺母，以游標(biāo)卡尺記錄泵距參數(shù)分別為3.6、3.9、4.0、4.3、4.5和4.6 mm，實(shí)時(shí)測試出滾壓力數(shù)值，獲得的滾壓力與泵距關(guān)系如圖5所示。將泵距參數(shù)與滾壓力測試參數(shù)數(shù)值擬合，可得

式中，d為泵距（mm），p為滾壓力（N）。擬合優(yōu)度為0.999，可見滾壓力與泵距間滿足線性變化規(guī)律。將公式（1）確定的滾壓泵泵距與滾壓力關(guān)系曲線植入單片機(jī)程序中，通過液晶屏顯示出滾壓泵旋轉(zhuǎn)工作時(shí)的泵距讀數(shù)。同時(shí)，在程序中設(shè)定泵距3.9 mm為下限閾值、4.3 mm為上限閾值，若泵距讀數(shù)超過所設(shè)閾值界限，則蜂鳴器報(bào)警提示。

另外，由圖5可知，滾壓泵控制的流速在450～550 ml/min變化也將引起相同泵距條件下產(chǎn)生的滾壓力不固定。鑒于此，參照公式（1）將圖 5中不同流速條件下的關(guān)系曲線分別擬合寫入程序中以備不同實(shí)用條件下單獨(dú)調(diào)用。

圖5 泵距與滾壓力關(guān)系測試結(jié)果

2.2 基于分布電容的泵距原位監(jiān)測方法

根據(jù)電容位移傳感器的原理可知，電容的兩極分別是傳感器和與之相對的被測物體。如果有穩(wěn)定交流電通過電容位移傳感器，那么輸出交流電的電壓會與傳感器到被測物體之間的距離呈正比關(guān)系，從而可以通過測量電壓的變化得到距離信息?；诜植茧娙莸谋镁鄿y試原理框圖如圖6所示。將0.2 mm的鋁箔裁剪并與另一絕緣片一同粘貼在泵槽內(nèi)壁，鋁箔與滾壓轉(zhuǎn)軸間將形成一對極板，其形成的電容數(shù)值C可表示為

式中，ε為真空介電常數(shù)，取8.85×10-12F/m；S為極板面積；d為極板間距。

設(shè)計(jì)LC振蕩器，通過電感與電容的組合使得振蕩器起振。測量電容時(shí)電感L取固定值，LC振蕩器的頻率f0可表示為

圖6 基于分布電容的泵距測試原理框圖

聯(lián)立公式（2）和（3），可得滾壓泵泵距d的表達(dá)式為

3 結(jié)果

設(shè)定滾壓泵以500 ml/min的流量轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定初始泵距參數(shù)為4 mm，應(yīng)用薄膜壓力傳感器方法在血液回收機(jī)連續(xù)工作100 h內(nèi)連續(xù)監(jiān)測滾壓力并換算為泵距參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?？梢娫谇?0 h內(nèi)監(jiān)測得到的泵距參數(shù)穩(wěn)定，波動(dòng)量小，之后20 h內(nèi)監(jiān)測的泵距明顯增大（4.15 mm左右），通過游標(biāo)卡尺復(fù)測發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)螺母有松動(dòng)現(xiàn)象。連續(xù)實(shí)驗(yàn)100 h后，未發(fā)現(xiàn)薄膜壓力傳感器表面有磨損和移位現(xiàn)象，表明該方法可測性好、可靠性高。

圖7 滾壓泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h內(nèi)的泵距監(jiān)測結(jié)果

另外，應(yīng)用分布電容測試方法得到血液回收機(jī)滾壓泵在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100圈過程中泵距參數(shù)如圖8所示。在設(shè)定泵距為3.9 mm的條件下，測試得到的最大值為4.1 mm，最小值為3.8 mm。在設(shè)定泵距為4.3 mm的條件下，測試得到的最大值為4.6 mm，最小值為4.1 mm?？梢姕y試結(jié)果穩(wěn)定性不好。通過外接電路發(fā)現(xiàn)，滾壓泵每次轉(zhuǎn)動(dòng)中獲得的電容數(shù)值有時(shí)會波動(dòng)較大，這可能與泵管的擠壓變形差異有一定關(guān)系。

綜合以上分析，應(yīng)用薄膜壓力傳感器監(jiān)測泵距更為可行。

4 結(jié)語

圖8 應(yīng)用分布電容方法所得的泵距監(jiān)測結(jié)果

自體式血液回收機(jī)的可靠工作是臨床安全輸血的重要保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)滾壓泵泵距原位監(jiān)測方法是可行的，通過植入關(guān)系曲線的單片機(jī)實(shí)時(shí)測量滾壓泵泵槽與滾壓軸之間的間隙，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)可為及時(shí)調(diào)節(jié)泵距提供依據(jù)，避免了泵距過小導(dǎo)致泵管中血液紅細(xì)胞的損傷，同時(shí)也避免泵距過大導(dǎo)致滾壓力不足而降低泵流量。該方法的應(yīng)用既不影響血液回收機(jī)的正常工作，又能夠在測量過程中對超限距離進(jìn)行報(bào)警，提高了血液制備質(zhì)量，保證了臨床安全用血，也減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量。下一步擬進(jìn)一步觀察滾壓泵流量轉(zhuǎn)速對血液質(zhì)量的影響。