血液透析机液路优化设计及控制系统的开发

尚忠贵

摘要：我们国家终末期肾病患者的数量非常多并且呈现出了不断提升的趋势，血液透析则是一种相对较为成熟的替代治疗方式，能够有效的减轻患者自身的症状，让患者个人寿命得到延长。当前我们国家血液透析机市场中有很多都是进口的品牌，进行质量优良和价格美丽的国产血液透析机不但成为了我们国家医疗企业在发展上的追求，同时还是科技进步的展现，其对于我们国家医疗视野的发展起到了不可忽视的意义。因此，本文对其进行了相关的研究。

关键词：血液透析机，结构优化，控制系统，实时操作系统

1.血透机液路系统优化设计

血液透析机可以被非常液路系统与电路系统，液路系统则可以被分成体外循环系统与透析液配制系统等两个基础部分，体外循环系统所需要承担的任务主要是把血液在人体里抽出同时在透析器里去完成血液的净化并将其输送到人体里，而透析液配制系统当前的核心任务主要是配制与透析提出要求相一致的透析液同时把其输送到透析器中，所以兩大系统当前也可以被叫做血路系统以及水路系统，如图1所示。

1.1体外循环系统优化设计

体外循环系统主要是基于血液引出作为起始，分别是：动脉夹和泵前压力监测，血泵以及肝素泵还有滤器前压力监测等。而在其中，血泵和肝素泵，静脉压监测以及空气探测器和静脉夹其属于基础的配置。除了这些之外，体外循环的管路上主要的目的是为了使得血液透析具备的安全性能够得到保障，还能够提升出血的检测器和动态血压监护仪除此之外还需要配备在线的清除率监测系统等。循环的系统如图2所示。

1.2透析液配制系统优化设计

透析液制备系统当前所具备的功能是为了能够对可以满足患者治疗需求的透析液进行制备，同时按照相关的吸取去完成超滤。透析液要求能够对流速和离子浓度，温度适宜以及无气泡等要求给予满足。超滤需需要能够转的脱水。

本设计所使用到的透析液制备系统进行制备需要参照图3所示，反渗透水和透析液A和B需要按照适当的比例将其混合的制作成为透析液。透析液需要经过加热和脱气以及体积平衡等几个步骤。合格者则可以被应用，不合格的则需要排出体外再次的配制。源自透析器中的透析废液可以被划分为两个基础部分。第一部分主要是使用超滤泵将其排出，第二部分则是需要让其快速的进入到容量的平衡模块，第一部分废液主要是在接受了换热器之后伴随着超滤脱水共同的将其排出至透析机。

本设计中，为了能够让原本样机所具备的性能得到提升，为了能够快速的完成算法反馈相对参数的控制，并且提升系统所具备的安全性以及完整性，这样的一种方式能够完成对透析液配制系统的优化设计。当前所需要进行的优化项目为：流量控制模块其中需要增加流量计S8，并且还需要设置压力检测点S9;超滤控制模块则需要使用计量泵ES以及称重检测模块04这样一种共同提供保障的模式;温度控制模块中则需要添加1个能够进行温度传输的传感器S2;电导率控制模块其中需要新增加1个电导率的传感器S3。

2.血透机控制系统整体设计

2.1控制系统需求

和本文研究内容存在联系的血液透析设备需要满足的基本条件为：

1）流量控制：血流量其产生的负误差不能够低于-10%;透析液流量产生的负误差不能够低于-10%;当前脱水误差需要保持在±5%或者是保持在±100mL/h，需要选择绝对值比较大的，针对患者，在进行治疗的同时不管是在什么时候其产生的脱水偏差都不能够超出±400mL。

2）浓度控制：电导率设定值需要在标称范围中持续的进行调整;误差需要能够与制造商提出的规定保持一致;至少需要包含两台在线的电导率相关的测量装置，不管是在什么样环境下的测量值超出设定值±5%的时候，要求报警同时预防其流入到透析器;

3）温度控制：透析液温度范围需要将其合理的控制在330C到400C之中;350C到380C中，控温精度则需要控制在±0.50C;同时还需要设置高低限的报警，能够预防透析液误入透析器。

4）压力监测：跨膜压和静脉压以及动脉压监测需要按照高低限进行报警;在治疗的模式之下，如果将静脉压报警限值调整到不足1.33kPa（+10mmHg），报警器就会想起;并且在静脉压出现报警的时候，需要将血泵暂停同时尽可能的降低超滤。

2.2控制系统总体设计

血液透析机控制系统当前的结构其中涵盖了硬件和软件两个平台。其中需要实现的相关功能主要包含了：

1）对于多个传感器信号进行采集，保证透析的安全。

2）对于每台泵当前的运动进行控制，对于一些重要的参数需要保持精确的控制，使其能够满足标准要求。

3）在上位机上需要完成人机之间的交互功能，及时的完成透析参数的显示。

在对下位机嵌入式控制系统进行设计的过程中需要考虑到硬件和软件两部分的设计。硬件设计其中涵盖了电源电路和驱动电路以及传感器采集电路等几个方面的设置。软件设计主其最终的目的是对系统平台当前的搭建进行控制，同时还需要合理的设计任务流程以及控制算法。

2.3嵌入式硬件系统总体设计

血液透析机硬件系统其在设计上的重点是为了使得传感器电路能够精准的完成传感器信号的快速传输，并且能够使得通信电路以及驱动电路保持稳定的工作。在对PCB进行设计上，需要尽可能使得电源以及信号的完整性得到保障。并且还需要使用到各种各样的通讯接口，目的是对功能与调试要求给予满足。除了和上位机设置的CAN通讯接口以及和血泵的RS485通讯接口进行链接之外，还需要设置RS232通讯的接口目的是让其能够让调试更加的便捷。

2.4嵌入式软件系统总体设计

血液透析机软件系统所具备的功能主要是针对传感器进行采集的过程中保持运行的安全和保持数据的稳定的基础上还能够让采集数据的速度更加的精确。因为血液透析机所具备的功能相对较多，因此要求快速的完成对传感器数据的有效处置，选择控制算的方式能够完成输出参数的计算，同时还能够和上位机保持有效的通讯。并且，其中设置的安全模块中的传感器也具备实时性的运行要求。本文对于在进行嵌入式应用过程中实时操作系统软件展开了设计。

在嵌入式的领域，嵌入式实时操作系统当前的应用范围不断的提升。使用嵌入式的这种实时操作系统RTOS，其对于CPU资源的应用十分的合理，能够让应用软件设计得到简化，同时还能够让系统进行开发的时间缩减，除此之外还能够非常好的对系统自身的实时性以及可靠性提供保证。考虑到硬件系统当前需要将STM32F407ZGT6当成是主控芯片，芯片能够使用图形化进行软件STM32CubeMX的开发同时完成软硬件的联合研发。并且平台还融合了FreeRTOS及时进行操作的系统，能够快速的完成初始化代码的生成。所以，本文选择了FreeRTOS实时操作系统将其当成是软件系统进行开发的基础保证。

结束语

本文在针对血液透析机在设计上的原理等给予详尽研究的基础上，针对血液透析机设计完成的样机流路系统展开了全面的优化，并且针对下层多个功能模块都进行了全新的设计。其能够满足应用高的要求同时还能够让样机性能得到提升。

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