连续性肾脏替代治疗机的工作原理及临床应用

1、哄t 土冃別工肖了 m 阳丄段lim汗型刘伟，朱海鹏,于天林(青岛大学医学院附属医院 医学工程科，山东青岛266003)摘 要本文介绍了连续性肾脏替代治疗设备的临床应用，并以徳国贝朗公司的diapact为例，分析其工作原理和硬件结 构。i关键词i连续性肾脏替代治疗;工作原理中图分类号r31& 16文献标识码a文章编号10077510 (2005) 05002504principle of continuous renal replacement therapy equipment and its applicationl iu wei , zhu hai - peng , yu tia

2、n - lin(dep(.of medical engineering of the hospital affiliated to medical college of qingdao u niversity , qingdao shandong266003,china)abstract : the article introduces the clinical application of continuous renal replacement therapy by the example of b. braun diapact , we analyze its work principl

3、e and hardware constituteskey words : continuous renal replacement therapy ; work principle1引言连续性肾脏替代治疗（crrt）通常是指持续数小吋或魏 天的体外血液滤过治疗，在该治疗屮，体内的液体、电解质、小 和中分子溶质缓慢、持续地从病人体内消除，同时补充与血浆 液体成分相似的置换液，以达到净化血液的目的。整个治疗过 程模仿肾小球的滤过功能，并通过补充胃换液来完成肾小管的 部分功能。其与血液透析的原理不同的：前者通过对流作用及 跨膜压淸除溶液及部分溶质，其溶质清除率取决丁趙滤量及滤 过膜的透过系数；其对

4、中分子物质清除率高于血液透析；而后 者则通过弥散作用淸除溶质，其溶质淸除率与溶质的当量成正 比,因而血液透析有更高的小分子物质消除率。2临床应用crrt机现在已作为常规的医疗抢救设备，广泛用于病 情危車的急性肾功能衰竭、顽固性水肿及部分中毒病人。比如， 烧伤科:休克、需大量输液、败血症的病人;重症监护室:多脏器 衰竭、感染屮毒性休克病人；心内科:心源性水肿、急性呼吸窘 迫综合症、急性肺水肿的病人；肾内科:急性肾衰、肾移植手术 后、肾病性水肿的病人以及心、肺、肝器官移植手术后的维持治 疗等。通常，血液通过一条双腔导管或两条单腔导管，利用血泵 作为驱动血液运转的动力，从动脉至静脉或静脉至静脉通路把

5、 血液从病人体内引出，到达血滤器处理后返回病人。目前经館 使用的治疗是静静脉血液滤过，因为它允许只在股静脉中放覺 双腔导管o这些治疗通常使用对水和溶质具有高通透性且表而【收稿日期2004 - 10- 14 修回日期2004 - 12 - 16 积较小的滤器。血液通过滤器时，静水压和胶体渗透压之间的 差异使水和分子量小于约30000道尔顿的溶质通过滤膜进入 收集容器。通过连续的血液滤过，不仅可以达到与间断血液透 析（ihd）同样的效果，而且还可以淸除炎性介质，并平地去除 更多的容量负荷。2. i连续性肾脏替代治疗的治疗方式crrt包括以下各种治疗方式：购慢持续超滤（scuf）:动静脉（利用动静脉

6、压差驱动 体外血液循环）或静静脉（借助血泵驱动体外血液循环）血液滤 过，液体少量、持续地从病人超滤。这种治疗的主要冃的是脱 水，不给病人输入置换液,也无需透析液。（2连续性动静脉血液滤过（cavh）:通过病人自身的心脏 输出驱动休外血流回路,cavh使用表面积小，通透性高的屮 空纤维膜滤器，并仅能通过对流清除溶质；而且具有自限性超 滤,即当动脉压力下降时，超滤率便会减少。4续性静静脉血液滤过（cv v h）:通过静静脉血液回路 进行超滤，需要利用体外血泵驱动血液通过回路，现已逐渐取 代cavh成为标准的治疗模式。艇续性动静脉血液透析（cavhd）及连续性静静脉血 液透析（c v v hd） :

7、 c a v hd治疗基本与cav h相同，利托 人体动静脉的压差來驱动体外血液循环，溶质转运主要依靠前 散作用及少量对流。区别在于要将透析液输入滤器，与血液反 向流动，以增进对小分子物质溶质消除；另外不需要补充垃荻 液，同时每小时的平衡液量也会相应减少。cvvhd § cavhd的不同之处仅在于:它需要借助血泵驱动休外血液循 环。s续性动静脉血液透析滤过(ca v hdf)及连续性静静 脉血液透析滤过(cvvhdf) :cavhdf治疗増加了透析液， 将cavh +的对流与血液透析屮的弥散结合在一起。透析滋 被输入滤器，与血液反向流动，使其对小分子溶质清除优于痒 用cavh

8、6;cvvhdf与cavhdf的工作原理完全柑同，开 同之处在于:它需要借助血泵驱动体外血液循环。2.2 crrt治疗的优缺点连续性血液净化治疗相对比较安全，并发症少，并可达到 下列治疗目的： ft效地解决容量负荷。 s和的,持续的治疗。 分去除丿求毒症毒索和炎症物质。型h正酸碱失衡维持酸碱平衡。正电解质紊乱，维持电解质平衡。满足大量液体的输入，利于营养支持治疗。q减少血液动力学不稳定性。缺点:需要连续的抗凝,滤过可能丢失有益的物质如:分子 量小或与蛋白结合率低的药物，另外治疗费用较高。3机器工作原理目前国内用于crrt治疗的机器多为欧美医疗公司的产 品,主要有 diapact、prisma、

9、bm25、acumen 和 multimat b ic等型号。均可精确地控制置换液和超滤液的流量，并具有 完善的安全报警设施，充分地满足了临床-线的要求。现以德 国贝朗公司的diapact为例简述crrt机的工作原理。diapact crrt是设计用于高流量连续肾脏替代治疗和 急症透析抢救治疗，分为连续或间断治疗两种模式。主要治疗 方式包括：缓慢连续超滤(scuf),连续静脉一1 挣脉血滤 (cvvh)，连续静脉t铮脉透析(cvvhd)，连续静脉帶脉 鬲流量透析(c v v h fd)，间断静脉 f脉血滤(iv v h)，血液 滤过(hf)，血液透析(hd),间断高流量透析(hfd)，血浆吸

10、附/灌注(pap)，血浆冒换(pex),血浆分离(pse)，单针方式 血浆分离等。3.1系统基本控制原理血泵驱动病人的血液在体外管路屮循 环；盖换液经加热板加温至预定的温度后，在置换液泵作用下，以前置换或后置换 的方式，在管路中和病人的血液混合；超滤泵接在血滤器的上 端，通过在滤膜外侧产生负压而透出血液中的各种无用成分。 置换液袋和废液袋分别悬挂于电子称的两端，微处理器通过屁 知传感器重量的化,来测量、控制病人的超滤量。机器的基本控制包括：总换液温度的控制，和对病人超滤 量的控制(血泵转速、置换泵转速和超滤泵转速的控制)。3.1.1加热器的反馈控制加热器的反馈控制采用pi控制器(比例积分控制器

11、)，因 为单纯的比例控制作用是指输出与偏差输入信号的关系为线 性比例关系，控制作用简单，但不能消除系统的稳态偏差；积分 控制作用的采用就是为了消除系统的稳态偏差。所以只有结合 二者的方式，才能平稳、准确地控制既换液的温度。控制器接受加热板上设置的温度传感器传来的温度信号(由于加热板设有测量冒换液的温度传感器，所以加i热板上的 温度信号就代表了賈换液的温度)，与机器设定要求的胃换液 温度设定值进行比较，得到温度测量值与设定值的偏差，然后 根据偏差值的大小、变化率和被控制对象的动态情况，以比例、 积分控制的复合作用方式来输出控制加热板的信号，以期达到 对温度快速、平稳、准确的控制。3.1.2超滤反

12、馈控制机器对病人超滤量的控制分別由超滤量反馈控制和tmp反馈控制组成，从而保证对病人的精确超滤。超滤流量通过在 积分电路的累加得到一个估计的超滤量后，与从电子称测量的 实际超滤相比较，得出一个超滤量的偏差值；超滤流量经加法 器累加上透析液/胃换液的流量得出一个理论上要求达到的超 滤泵流量。超滤量的偏差值和理论要求的超滤泵流量值一并进 入超滤计算控制电路进行校正:即在理论要求的超滤泵流量值 的基础上，乘以柏应的校正因子来达到般后反馈控制的超滤泵 流量。超滤泵的校正分为二个部分：卩时校正：当超滤量的偏 差值大于10ml，则超滤泵的泵速増加5 %;当超滤量的偏差值 小于10ml，则超滤泵的泵速减少5

13、%。平均校正:当即时校正 不能够满足于超滤的校正，这时超滤偏差就超过了预定的上下 限，微处理器便利用已滤出的超滤量和设定时间计算出平均校 正，它可以对超滤泵的泵速以每次步进±10%的幅度进行调 节，最大调节范围为也()。在一次校正后，需等待一段稳定时 间，来判断是否要进行下一步的校正。超滤量的控制一方面是反馈系统控制超滤泵的泵速，另一 方面是来控制tmp来双重保证超滤的精确。同样，设定的超 滤流量通过积分电路的累加得到一个估计的超滤量后，与从电 了称测量的实际超滤经比较器柑减，得出一个超滤量的偏差 值；超滤最的流帚经加法器加上替换液的流量得到理论上耍求 达到的超滤泵的流量。需要的tm

14、pc跨膜压)可以从公式计算 出：tmp(mmhg) = u f flow (mi/ h)/ fator(ml/ h * mmhg) o下一步要调节的就是依据超滤量偏差量来调节实际 的tmp值。同样如上，超滤量的偏差值和需求的超滤流量值一并进入 tm p计算控制部分。在治疗的开始阶段，透析器系数被赋予一 个缺省值为20ml/ h .mmhg，开关压力值设置为最小(-20/ 40mmhg)，因为这吋治疗都是用的高通透性滤器。随着治疗的 进行，通过超滤出的容量和稳定的时间，便会计算出透析器的 滤过系数。如果这时超滤的偏差值超过预定上限厂卜限时，透析 器的系数会随着公式计算呈现相应的下降/上升，稳定一

15、段时 间后再比较，直到得到平均校正后的透析器系数为实际的系 数。这时如果超滤量的偏差量大于10ml，系统便会加快5 %的 超滤泵速，以达到壇加5 %tm p值的冃的；如來超滤量的偏差 量小于10ml，系统便会减慢5 %的超滤泵速，以达到减少5 %的 tmp值的目的。3.2电路结构原理整个机器结构框图如下：3. 2. 1液晶屏显示采用640 x480的单色液晶显示器，像素的大小为 0.27mm,间距为0.3mm0背光源采用是冷阴极荧光灯管。控 制器上微处理器通过输出设定信号的脉宽比来控制lcd背景 光的亮度和lcd的对比度。显示控制板dpd驱动lcd显示 图文信息。dpc主要分为二个部分：微处理

16、部分和lcd控制. 部分。lcd控制板执行单色v ga lcd的显示，它使用字母 码，不同的标志定义不同的字母显示，如，字母的翻转、闪烁0包 括：q序母rom : e2prom包括4096不同字母和半图形符 号，它依据来自视频ram的12位长的字母码寻址。一个字冏 的不同行列是由lcd控制器来编址的。见频ram :包括着 字母码和屏幕地址的志:字母码为12位，直接和字母rom相 连；屏幕标志为4位数据，直接和lcd控制器相连。视期 ram包括：视频ram1和ram2。主要的存储单元为视沏 ram2,它可同时存贮16个屏幕的显示。当屏幕没有新内容気 示，对视频ram2的写操作激活。在刷新屏幕的同

17、时,视濒 ram2的内容自动拷贝至视频ramk为了达到屏幕没有仄 烁现象，ram 1被激活用于屏幕更新，同时新的屏幕内容被初 频ram逻辑电路控制用于对视频ram2写入，然后ram： 被阻止激活。图1机器结构框图3. 2. 2 diapact controller (dpc)d pc控制部分是机器的主体电路，共分为三个部件：i、 微处理器部分，口、模拟电路部分，皿、数字电路部分。3.2.2. 1微处理器部分 »控制器：系统时钟为16mhz,*有16位数据/地址总 线，它控制微处理板的主要操作：包括监测所有的传感器，控制 传动机构，用于控制外部连接的肝索泵，和外界的rs232串行 通信

18、，控制内部与dpd的并行通信，以及确定dpd和dpc 之间的16位双向锁存并行通信，以防数据进出锁存器时，导致 其它通信的中断。微控制器内置一个10位a/d转换器用于监 控外部供电电源的电压。 地址锁存器：锁存地址信号，把8位的数据总线和地址 总线分离开来。地址解码器产生不同元件的片选信号；存储页 寄存器用于控制选择程序存贮器esrom的存贮页数。存贮器：呈序存贮器e2prom存贮运行程序代码，包 括一个12k x8的常驻存贮部分和3页的32k x8位的扩展部 分，它可以通过程序接口板进行编程。魏据存贮器为静态 ram，存贮16k x8的临时数据。3. 2. 2. 2 数字电路部分q数字输入/

19、输出接口 ：为外部的传感器和传动装置提供 和dpc相连的数字接i丨。数字输入接i 1是采用三态门驱动，数 字输岀接口采用锁存器，二者宜接连接到内部微处理器的地址 总线、数据总线和控制总线上。6机接口 ：可连接血泵、超滤泵、置换液泵的三个电机接 口。dpc板上的微处理器产生控制电机转速的pwm信号和 控制电机停止的stop信号。各泵门的开启信号输出至微处 理器认別其状态。泵头和电机旋转检测脉冲一路连接至dps 板用于第二套控制系统的监控；另一路通过多路模拟开关连接 至微处理器用于自我校正。(3安全空气探测器(sad)接口 : sad的校正和测试都是 由d pc板上微处理器mc控制。sa d输出信

20、号分二路分别直 接连接于dpc微处理器和dps的微处理器用于监测。sad 下部的红色探测器是由dpc板上的epld(电子可编程逻辑 器件)产生的交流方波脉冲驱动发光二极管，光线透过管路后， 被光敏二极管接受后输岀方波信号，经epld内部的鉴相器 感知借路内液体的颜色。漏血探测器接口 ： d p c的微处理器區控制着漏血探测 器的校正和测试，同样漏血探测器也输出二路信号分别至 d pc和d ps二套控制系统，分别监测o灘气探测器ad:直接做在d pc的板上并被山所控 制，它的原理类似sad ,用于检测置换液管路中有无空气。它 与sad的区别在于当ad报:警时,不会产生相应的停止血泵、 关闭静脉夹

21、等保护动作。专动装置驱动板：提供管路液而水平调节电机、水平调 节电磁阀和管路夹sa k的驱动信号。水平调节电机的驱动是 双向的，其可止反转用于对管路的抽气或进气，来调节液面。®>pp（主电源）接口 : dpc板上epld产生一个pwm 信号控制固态继电器的开/关比例来达到控制加热板功率的日 的。3. 2. 2. 3模拟电路部分模拟传感器（包括温度传感器ts1、压力传感器psif 和电子称）为电桥式结构，这些桥式电路的电源來自于同一个 恒丿玉源的驰动o5v的参考电压经模拟开关的选择放大，经二个 三极管互换推动放大，增强其恒压源的驱动能力后，分别接至 七个模拟传感器的桥式两端，传感

22、器在没有外界因素作用时 电桥平衡输出信号为零；当外界因素作用后，由于电桥上各惜 电阻值的变化，影响了电桥的平衡，产牛输出电压信号。为了可 以对后胃大器进行自动校零，d pc的微处理器匹的胃零信号 经模拟开关选择后-,切换5v参考电压的输入，这样在后级耳 换驱动三极管上的恒压源的输出就变为0伏。區便可检测出 后置放大器零信号输入时的输出信号，來对放大器的零点漂移 进行校正。各传感器电桥上的输出信号进入各自的差分预放大器冲 进行放大，7个差分放大器的输出连接至一个八选一的模拟选 择开关，进入同一个高共模抑制比放大器，然后经一 12位a/ d 转换器转换为数字信号。为了使a/ d转换器达到更高的的分

23、 辨力，还设宜一个零移位寄存器，来选择a/ d转换器的零点； 可设宜为5个零点位逻:分别为全程、半程、零位、负半程、负全 程，这相当于把a/ d转换的范围扩大32倍（相当于自动调节 的町编程放大器）。其中压力传感器psi、ps2和电子称的预放 大器输出还要连接至dps板进行监测。3. 2. 3 diapact supervisor（dps）分为两大部分:微处理器部分和模拟电路部分。3.2.3. 1微处理器部分（1）微处理器的系统频率为12m hz ,具有8位数据/地址 总线结构。主要作用：监控所有传感器的工作状态，在报警的条 件下控制传动装置，控制与内部dpd的审行通信和外部程序 下载用的串行

24、rs232接口。程序存贮器为e'prom ,它可进 过接口进行程序的冉编程。静态ram存贮程序运行中的临旳 数据。（2）接口 ：盹括一个简单基于异步通信芯片的rs232接 口编程接口 ：直接从外界的dpb启动板来进行程序的下第 或修改。皱全空气探测器（sad）接口 ：接受sad板上传迄 而来的信号和sad参考信号。静脉夹接口：确定dps对 sa k的控制，并接受监测其开/关的状态。扁血探测器接口 监测漏血探测器的输出状态，在漏血时产生报警信号。泉遊 信号接口： dps监控mp1 - 3的泵头转速脉冲，以监控其泵 速。川热板关闭信号：dps可直接发牛信号至dpp板，去关 闭控制加热器电源

25、输入的继电器。其它:d ps单独识别前面 板上各键：bp+、bps、bp-、aq、eq的工作状态及驱动 aq、eq的指示灯;dps还可独立于dpc单独控制报警蜂唱 器发出报警。3. 2. 3. 2模拟电路部分：压力传感器ps6、温度传感器ts2和称重传感器wt1 （可选件）三套器件完全独立于d pc板之外，这三路传感器输 出信号是被各自单独的预放大器进行放大；而其他的压力传感 器psi、ps3和称重传感器是在dpc板上进行预放大后，经过 8位选1的模拟开关进入一个高共模抑制比的放大器放大。头 了保证更高a/ d的分辨率，放大器采用一个三档的零位移桂 器（相当于三档可编程放大器），放大器分别可被

26、微处理器设售 为半全程、0. 9v和零位，以充分放人信号，保证输入到a / d製 换器之前的信号电压在（）5v之间，经过转换吋间为恥、1： 位的a/d7880转换成数字信号后，锁存进入微处理器处理。3. 2. 4 启动板（diapact booter board ,dpb）在dpb板上可以运行生产测试程序，从dpb板也可以运 行dpd、dpc和dps上的程序。同样板上带有相同固定于右 储器的控制程序，可适用于dpd、dpc和dps三板。还可匸 通过串行口对板上的e2pr0m中进行编程。机器启动时 dpb运行引导装配程序。3. 2. 5 主电源板（diapact main power suppl

27、y ,dpp）本机器采用了功率因子校正（rfc）方式来提高对交流电 源的利用效率，其冃的就是通过增加对交流整流导通角的加 大，使产生的电流波形尽可能与正弦电压波形一致，这样最大 化地利用了交流电源的电能。外界输入的220v交流电压经过抑制滤波器、滤除干执 后，经过整流后进入rfc电路。它采用増压转换器实现所有开 关电源拓扑学屮放大的输入动态范围。即使输入电压降到30v 也可以被增至370v的电压输岀，这比交流波峰的电压值要高 很多opfc控制器为u c3854，它通过外围电路的运作,可把输 入220v的50hz的交流电增至70khz的380v 0这样大容量 滤波电容可以放在增压转换器的输出端，

28、而交流电50 hz的罄 流桥的输入滤波电容就可以很少（小于|if）。外部的220v交 流电经pfc电路的转换成高频高压的脉动直流，提高了电沥 功率因数后，变成±24v、±12v、5v直流电压供各电路板工 作。3.2.6 备用电源（bps）bps系统实际是一个不间断电源供电系统，它保证机鎌 在停电状态或电源质量恶劣条件下正常工作。在电源的输入端 加入了线路滤波器，其中l 1和l 2的线圈按同一方向绕在卮 一磁芯上,这两个电感对于差模电流主电流所产生的磁通互;h 抵消，因此不会引起磁芯的饱和，而对共模电流则可以反映为 很大的电势，以使获得最大的滤波效果，达到抑制电源共模讦 扰的

29、彫响。电容c时用于衰减差模干扰o这个线路滤波器是用德国拜耳ad via - 120全自动血球分析仪故障1例麦海涛(中山市陈星海i矢院设备科，广东中山5284adv ia - 120血球分析仪是德国bayer公司生产的最为 先进的六分类产品。它采用了激光测量法，并设计成整合流路 系统(ufc)，使仪器管路系统以及各反应池大为集中，减少了 外露型管道，外形美观，维护方便。故障现象 仪器做标本时，发现所做的100多个标本的测试参 数屮：大的未染色细胞(luc)和嗜酸性细胞(eos)的结果垓 高于正常值34倍，其余参数与我院其它机器结果基本相 符。再观察各项参数和图形，发现过氧化物酶(perox)的三

30、 个图像模糊不消h偏离正常情况较严重o系统消洗后用同一浙 本重复试做，发现l uc、eos数值变化较大，其余数值重复性 均较好。故障分析 临床上luc.eos分类是由perox试剂反应帀 测得结果。从图形上看，较可能和perox试剂一路有关。从 仪器结构和原理上分析，和perox有关的主要有：社路控 制部分；perox流动池；perox反应池；perox扰 气口；perox鞘液过滤器；perox真空池。暂不从电路 上考虑，先考虑试剂一路，其流程如下所示,具体分析如下。peroxi t76流perox2 -w77 动 (perox) -w5 ->perox3t79-* 池动池.perox真

31、空池清洗。由于针筒里无气泡,且动作起来无 异常，所以可排除是针筒的故障。按要求更换perox鞘液过 滤。由于perox排气口与perox反应池连成-体，旋下 perox排气口进行输通时发现试剂结晶厉害，按要求清洁 perox反应池，完成后试做标本故障依旧o查阅各部分的结 构特点，发现perox反应池相连结构最为复杂，且通过 perox试剂的三根管脚直径分别为1mm、0. 5mm，清洗时只 能洗到外鑫部分，且考虑到和perox反应池相连的perox 排气口结品厉害，怀疑其中的管脚是否有堵塞。拆下perox 反应池，用注射器从排气口注入水，发现两个直径1mm管孔出 水自如，但直径0. 5m m管孔

32、基本不出水，用铜丝输通管脚，重 新注水，发现有固体微小颗粒被冲出，而后直径0. 5mm管孔出 水也自如，完成后复原，系统淸洗后试机仪器测量结杲及参数 和图形均恢复正常。维修小结因微孔被堵而使仪器不能正常工作是较常见的故 障。但正确的分析方法是排除故障的关键所在，这就耍求维修 人员对仪器的原理与结构要有较深的认识，血球分析仪涉及到 电路、液路、光路以及计算机信息处理，特别其液路使用化学试 剂，故如果仪器清洗不干净，维护不好，易引起试剂结晶而影响 工作，血液凝固也常引起管路堵塞。这就对以下儿方面提出了 更高要求：仪器的维护、保养；试剂、抗凝采样管的保护；用等量的蒸係水代替perox三种试剂,打开阀

33、v76、v77、v79 ,由于负压作用使其吸取蒸憎水，发现吸样比例正确，正确的操作。说明阀v76、v77、v79正常。按仪器保养手册进行perox流(上接第28页)于抑制3()m hz以下频率范围的噪声。如果外界的供电电压超 过设定值的上界或下界，则bps系统自动切换至内部电源系 统，电池的直流电压经过升圧器对其进行升压后，进入内部的 逆变器把电池直流电压变为交流电压给机器供电(供电时间的 长短依靠所呢电池的容量)。在止常情况下，输入的交流电压客 稳压器稳压后输出至机器工作，另一方面交流电压变压至充电 器对电池纽进行浮充戾中，微处理跖f 1对b ps系统输出於 电压进行监测和处理，并可通过rs232接口使外界的计算制 对电源电压的情况进行监控。微处理器诃1和卩p 2进行通佢 后，根据电压的运行情况控制稳压器、升压器、逆变压器及输止 切换的工作状态，保证良好