賴汝楠，劉洪英 ，3，王澤義，崔林霞

（1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2.吉林省邁達(dá)醫(yī)療器械股份有限公司重慶400030；3.重慶市醫(yī)療器械電子工程技術(shù)研究中心重慶400030）

慢性腎衰竭（chronic renal failure，CRF）是指各種腎臟病導(dǎo)致腎臟功能漸進(jìn)性不可逆性減退，直至功能喪失所出現(xiàn)的一系列癥狀[1-2]和代謝紊亂所組成的臨床綜合癥，簡(jiǎn)稱慢性腎衰[3]。進(jìn)入21世紀(jì)慢性腎功能衰竭已成為世界范圍內(nèi)繼心腦血管疾病、腫瘤和糖尿病后嚴(yán)重威脅人類健康的一大公害。慢性腎衰的終末期即為人們常說的“尿毒癥”[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球尿毒癥患者超過1億人，我國(guó)目前已超過300萬人[5]。腹膜透析和血液透析等血液凈化治療是改善終末期腎臟病患者生存質(zhì)量的有效手段[6]。與血液透析治療相比，腹膜透析同樣“安全、有效”[7-8]，并且具有操作簡(jiǎn)單、易于管理、價(jià)格相對(duì)低廉的優(yōu)勢(shì)[9]。目前國(guó)內(nèi)使用的腹膜透析機(jī)的主要是美國(guó)百特公司生產(chǎn)的，但百特產(chǎn)品價(jià)格昂貴，每臺(tái)需要9～15萬元人民幣，大大超出了國(guó)內(nèi)廣大腎病患者的心理預(yù)期或支付能力。腹膜透析機(jī)[10]的國(guó)產(chǎn)化一方面能夠滿足廣大尿毒癥患者的治療需求，另一方面有助于打破國(guó)外品牌壟斷、發(fā)展我國(guó)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)，具有重要研究意義和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

由于腹膜透析治療是一項(xiàng)需要患者長(zhǎng)期配合的治療，本文設(shè)計(jì)了一種面向于社區(qū)和家庭的智能腹膜透析機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)腹膜透析治療過程智能化控制，減少治療過程中的人為操作，降低感染機(jī)率，并且建立了基于網(wǎng)絡(luò)的腹膜透析管理系統(tǒng)及信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)腹膜透析遠(yuǎn)程會(huì)診，更加方便患者使用。

1 工作原理

人體的腹膜是一層半透膜[11]，腹膜透析就是將透析液泵入腹腔后，通過腹膜間皮細(xì)胞和表面毛細(xì)血管與腹膜透析液之間的彌散和超濾作用，來進(jìn)行清除體內(nèi)毒素、過多水分，以及平衡電解質(zhì)的等治療[12]。

本文設(shè)計(jì)的智能腹膜透析機(jī)能夠在透析過程中自動(dòng)進(jìn)行記錄、分析和儲(chǔ)存[13]與患者透析相關(guān)的數(shù)據(jù)。本智能腹膜透析機(jī)以工控機(jī)為中心，如圖1所示，透析時(shí)將處方參數(shù)輸入到腹膜透析機(jī)中，利用智能化軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)腹膜透析治療的全自動(dòng)控制，并根據(jù)檢測(cè)到的溫度、流量、壓力和氣泡等數(shù)據(jù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)腹膜透析治療過程自動(dòng)控制，減少治療過程中的人為操作，降低感染機(jī)率。

圖1 工作原理圖

設(shè)備工作的核心流程可分為設(shè)備準(zhǔn)備、透析液注入、透析液留腹、透析液排出4個(gè)階段[14]。設(shè)備準(zhǔn)備階段包括系統(tǒng)的初始化、透析參數(shù)的輸入、透析模式的選擇以及透析液袋的加熱。這個(gè)階段主要是調(diào)整、設(shè)定好系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。透析液注入階段要控制注液管道和排液管道電機(jī)閥門的開閉，并監(jiān)測(cè)注液的流速，防止出現(xiàn)管道阻塞的情況；同時(shí)，加熱膜保持工作，使透析液處于恒溫的狀態(tài)。注液完成時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，控制透析液留腹時(shí)間。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的留腹時(shí)間時(shí)，排液管道的閥門打開，透析液從腹腔流出，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)排液流速，防止透析導(dǎo)管堵塞。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文kh設(shè)計(jì)的智能腹膜透析機(jī)包括中央控制模塊[15]，I/O接口模塊，信號(hào)調(diào)理檢測(cè)電路，功率驅(qū)動(dòng)模塊，通信模塊以及上位機(jī)模塊[16]，如圖2所示。搭載Linux操作系統(tǒng)的中央控制模塊是智能腹膜透析機(jī)的核心控制模塊，一方面用于采集各個(gè)模塊的相關(guān)參數(shù)，并把這些參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和反饋，另一方面中央控制模塊能向其他各個(gè)模塊發(fā)出命令指令，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。并且中央控制模塊還能夠在病人生理指標(biāo)發(fā)生異?；蛲肝鰴C(jī)工作異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

I/O接口模塊包括按鍵輸入、TFT顯示和語音報(bào)警模塊。用戶可以通過按鍵輸入模塊對(duì)透析液的注入量、廢液排出量和清洗液溫度進(jìn)行設(shè)定。通過TFT顯示模塊以及Liunx系統(tǒng)提供的可視化圖形界面，用戶可以對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和顯示設(shè)置。

信號(hào)調(diào)理電路包括注液量傳感器、排液量傳感器以及溫度傳感器。注液量傳感器、排液量傳感器是采用NS-TH5系列壓力傳感器來對(duì)透析液和廢液的質(zhì)量進(jìn)行稱重，溫度傳感器通過測(cè)量透析液的溫度，來控制加熱袋的工作狀態(tài)。

圖2 智能腹膜透析機(jī)整體結(jié)構(gòu)

功率驅(qū)動(dòng)模塊包括閥門控制和加熱袋，在用戶將透析液注入量、廢液排出量以及清洗液溫度設(shè)定后，功率驅(qū)動(dòng)模塊作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過信號(hào)調(diào)理單元分別對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并由中央控制模塊控制閥門的開閉，加熱袋的溫度等。

通信模塊包括3部分功能，一是利用無線網(wǎng)卡將病人的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，便于遠(yuǎn)端醫(yī)生查看[17]。二是當(dāng)病人生理指標(biāo)發(fā)生異常時(shí)，通過GSM可以給社區(qū)醫(yī)生發(fā)送短信，告知病人的具體情況。三是當(dāng)透析機(jī)自檢異常時(shí)，通過GSM模塊發(fā)送短信給技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)透析機(jī)自帶的GPS模塊便可以準(zhǔn)確的對(duì)該透析機(jī)的位置進(jìn)行定位，方便及時(shí)檢修維護(hù)。

智能腹膜透析機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 樣機(jī)設(shè)計(jì)圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 腹膜透析液量的精確控制

傳統(tǒng)腹膜透析機(jī)的腹膜透析液輸入量采用流量計(jì)接到管路中測(cè)量的方法，這種方法雖簡(jiǎn)易準(zhǔn)確，但是患者每次治療后都要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行消毒和滅菌，如消毒不徹底會(huì)造成患者之間其它疾病的交叉感染。文中設(shè)計(jì)的智能腹膜透析機(jī)的腹膜透析液輸入量、時(shí)間、溫度設(shè)置為開放式，整個(gè)治療過程設(shè)置為閉環(huán)式控制。在對(duì)腹膜透析液量的控制上采用微測(cè)技術(shù)，根據(jù)藥液重量的改變對(duì)應(yīng)變片產(chǎn)生變化的比例關(guān)系，更精確的控制透析液量。

2.2.2 腹膜透析液加熱溫度精確控制

腹膜透析機(jī)的加熱溫度37℃，防止加熱溫度超高造成的風(fēng)險(xiǎn)，采用雙保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案，當(dāng)任意一組保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)到不正常現(xiàn)象都會(huì)自動(dòng)斷電停止加熱，停止灌注。本設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)紅外線膜加熱藥液，控制方式采用熱膜恒溫方法，將熱膜恒溫到35～39℃通過熱傳導(dǎo)加熱藥液。

2.2.3 腹腔壓力及氣泡的控制

當(dāng)腹腔壓力超出正常值80 KPa到120 KPa時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)停機(jī)進(jìn)行報(bào)警。氣泡的控制，灌注過程中如果有氣泡的產(chǎn)生并且超過正常值10 μm，設(shè)備將會(huì)進(jìn)行自動(dòng)排除。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊主要由登陸界面，操作界面以及SQL數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成，主要包括系統(tǒng)信息采集和管理、運(yùn)行管理、文件存儲(chǔ)查詢、權(quán)限管理等四部分功能。1）系統(tǒng)信息采集和管理部分主要包括溫度、透析液量、留腹時(shí)間的采集、管閥狀態(tài)的讀取與管理、透析模式的選擇；2）運(yùn)行管理部分主要針對(duì)透析機(jī)使用過程中參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；3）文件存儲(chǔ)查詢部分將透析機(jī)的所有操作命令以及透析過程中的數(shù)據(jù)信息以文件形式進(jìn)行保存，方便后期查詢；4）權(quán)限管理部分針對(duì)不同用戶開放不同功能，防治重要數(shù)據(jù)誤刪、修改，增強(qiáng)透析機(jī)的安全性和可靠性。

圖4 軟件流程圖

圖4為腹膜透析機(jī)的軟件流程圖，通過上位機(jī)軟件社區(qū)醫(yī)生可以對(duì)每個(gè)病人的信息進(jìn)行查詢，繪制每個(gè)病人各項(xiàng)生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)，對(duì)病人的生理情況做出判斷。并刪除，增加，修改記錄，給病人提出合理的建議。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的智能型腹膜透析機(jī)與傳統(tǒng)腹膜透析機(jī)相比自動(dòng)化水平和智能水平得到了提高，并且具有更高的可靠性和安全性，為家庭透析提供了便利，降低了家庭透析的風(fēng)險(xiǎn)?；颊咧恍枰雇碓谑褂脮r(shí)將設(shè)備程序設(shè)定完畢，將智能腹膜透析機(jī)與透析管相連后再連接人體。治療完畢后，患者只需將人機(jī)分離就可進(jìn)行正常的活動(dòng)，白天不用再進(jìn)行透析治療。其突出優(yōu)點(diǎn)是：白天不影響患者正?；顒?dòng)，晚上不影響患者的睡眠，操作簡(jiǎn)便，能最大限度地避免感染性疾病的發(fā)生等。本智能腹膜透析機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)患者信息和治療數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢方便患者和醫(yī)生的操作，并且融合了通信技術(shù)，方便專家遠(yuǎn)程會(huì)診。

本設(shè)計(jì)的智能腹膜透析機(jī)將在以下方面進(jìn)一步完善：

1）設(shè)計(jì)更加完善的連接裝置來預(yù)防腹膜炎，發(fā)明生物相容性更好的導(dǎo)管和腹透液，這也是腎臟病學(xué)家亟待完成的課題。

2）智能腹膜透析機(jī)所用到的腹透液應(yīng)保證腹膜透析過程中足夠的營(yíng)養(yǎng)，減少心血管事件的發(fā)生，維持正常的腹膜功能，保持腹透的充分性。

3）進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，達(dá)到提高腹膜透析患者生存率和生活質(zhì)量的更高層次的要求。

4）如何實(shí)現(xiàn)腹膜透析機(jī)的信息數(shù)據(jù)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控是未來發(fā)展的一大趨勢(shì)。

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