賀昕路 顧偉新

全自動在線血透水處理系統(tǒng)的設(shè)計

賀昕路①顧偉新①

[First-author’s address] Hangzhou First People’s Hospital, Hangzhou 310006, China.

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在各學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)交流與合作得到廣泛開展。血液透析中的水處理技術(shù)是血液凈化領(lǐng)域內(nèi)重要組成部分之一，受到越來越多的關(guān)注，并直接影響到患者的生存質(zhì)量，對改善和延續(xù)患者的生命有著深遠(yuǎn)的意義[1]。血液透析是維持腎衰患者生命的有效手段，透析用水的質(zhì)量直接或者間接地影響患者的治療效果，不合格的透析用水輕則導(dǎo)致透析并發(fā)癥，重則引發(fā)透析事故。目前，各研究機(jī)構(gòu)對于透析用水水質(zhì)與治療效果關(guān)聯(lián)度的認(rèn)識逐漸加深，水處理設(shè)備倍受重視。透析用水和日常飲用水的水質(zhì)有著巨大的差別，常規(guī)血液透析患者每周大約需要360 L，普通患者每周飲用水約為14 L[2]。飲用水在進(jìn)入血液之前經(jīng)過了胃腸道屏障的保護(hù)作用，而血液透析患者水和血液接觸是通過半透膜實(shí)現(xiàn)，對水質(zhì)有很高的要求。為此，本研究設(shè)計全自動血透水處理系統(tǒng)，確定水處理工藝流程，對水處理系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1 血液透析水處理系統(tǒng)的基本原理

目前使用的水處理機(jī)一般為雙級反滲技術(shù)(如圖1所示)。

圖1 血液透析水處理系統(tǒng)水路圖

反滲水使用生活自來水作為水源，經(jīng)過砂罐、碳罐和樹脂罐的深度凈化和軟化處理，去除自來水中的余氯、高價陽離子和一些雜質(zhì)，經(jīng)過除氣罐去除氣泡后進(jìn)入集水器備用；再由反滲膜進(jìn)行凈化，從而去除水中的病菌、細(xì)菌、懸浮物和大分子物質(zhì)，得到適合血液透析機(jī)使用的反滲水。透析用水常用的檢測指標(biāo)有透析離子濃度、透析水電導(dǎo)度、透析水壓力、氯離子濃度、pH值以及內(nèi)毒素濃度。

2 透析水處理系統(tǒng)水平和發(fā)展趨勢

在過去的數(shù)十年里，科技創(chuàng)新帶動的處理工藝變革提升了產(chǎn)水的指標(biāo)，水處理工藝和設(shè)備的控制主要經(jīng)歷3個階段。

(1)20世紀(jì)60-70年代。人們逐漸認(rèn)識到鈣、鎂離子的超標(biāo)將導(dǎo)致患者的“硬水綜合癥”，因此，水處理設(shè)備特別強(qiáng)調(diào)了軟化工藝，對應(yīng)的水處理設(shè)備相對簡單，主要包括各種精度的過濾裝置和軟化器，此時水處理設(shè)備尚未形成獨(dú)立的控制系統(tǒng)。

(2)20世紀(jì)70-90年代。隨著世界各地水源受污染程度的加劇和各種消毒液特別是氯、氯胺等可能導(dǎo)致患者不良影響的物質(zhì)加入，水質(zhì)要求開始向純化水方面發(fā)展，處理工藝在保證軟化的同時強(qiáng)調(diào)了活性炭吸附有害物質(zhì)的功能，并開始采用反滲透工藝作為主要的除鹽、除菌技術(shù)。此時為了保護(hù)反滲透中高壓泵等裝置的可靠運(yùn)行，開始采用了以繼電器、接觸器為核心的控制單元，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制功能。

(3)20世紀(jì)90年代以后。人們開始認(rèn)識到微生物污染的嚴(yán)重危害，形成了以反滲透為核心，結(jié)合預(yù)處理、精處理和后處理以及消毒為一體的綜合性水處理設(shè)備。同時提出了超純透析用水的概念，部分設(shè)備采用了二級反滲透或反滲透聯(lián)合電去離子等更加先進(jìn)的處理技術(shù)，在完善各類化學(xué)消毒的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了熱消毒、臭氧消毒等新型殺菌消毒技術(shù)[3-4]?？刂撇糠謱?shí)現(xiàn)了以可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和觸摸屏為核心的控制單位，結(jié)合電導(dǎo)率、水位及壓力等傳感器，實(shí)現(xiàn)了故障報警及切換、遠(yuǎn)程控制、恒壓供水以及自動消毒等一系列高要求動作，極大方便了用戶的操作。

目前，各類透析水處理系統(tǒng)在線檢測透析水質(zhì)量及控制氯離子、內(nèi)毒素等方面均存在漏洞。瑞典金寶和德國勞爾的透析制水系統(tǒng)均不具備在自動化消毒過程中的檢測和質(zhì)量控制[5]。多數(shù)醫(yī)院的透析水氯離子和內(nèi)毒素檢測由人工檢測，費(fèi)工、費(fèi)時，且人為因素多，使得對透析水氯離子和內(nèi)毒素的檢測和質(zhì)量控制不準(zhǔn)確，且成本很高。個別地區(qū)存在未按國家法定的規(guī)章進(jìn)行操作的現(xiàn)象，造成大量的化學(xué)消毒液殘留，給患者造成巨大傷害[6-11]。

3 全自動在線血液透析水處理機(jī)具體設(shè)計

全自動在線血液透析水處理機(jī)的整體設(shè)計是利用單片機(jī)微控制單元(micro control unit，MCU)控制血液透析機(jī)的制水和消毒過程，利用各種傳感器對水質(zhì)的化學(xué)和生物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，并利用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使整個控制過程非常友好和方便。

3.1 日常制水

在經(jīng)過砂罐、樹脂罐和碳罐過濾和軟化處理之后將軟化水注入容積約為200 L的集水器中備用，其目的是為了防止在供水系統(tǒng)缺水后系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作而造成高壓泵空轉(zhuǎn)引發(fā)事故。該設(shè)計與世界較為先進(jìn)的瑞典金寶和德國勞爾的透析制水系統(tǒng)均為開路的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)產(chǎn)生的二級反滲水進(jìn)入病房給血液透析機(jī)供水后，剩余的反滲水直接排光，其目的是當(dāng)少量患者進(jìn)行血液透析時反滲水需求量小，而供水量卻為整個病房，將會產(chǎn)生大量的浪費(fèi)。全自動在線血液透析水處理機(jī)的設(shè)計是將用剩余的反滲水重新打回前端的集水箱，重新進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行兩次反滲透處理，其設(shè)計可極大節(jié)約用水，每日用水量為原用水量的1/4。由于反滲水的水質(zhì)化學(xué)生物指標(biāo)優(yōu)于生活用自來水，因此系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后前端水質(zhì)會越來越好，對反滲膜的使用時間大有益處，該設(shè)計在化學(xué)消毒時同樣有益處。

該設(shè)計的缺陷是在反滲水不斷循環(huán)的過程中，由于與管壁的摩擦生熱，溫度會持續(xù)上升，使反滲水溫度超過標(biāo)準(zhǔn)(≤30 ℃)。為此，本研究設(shè)計制水系統(tǒng)中的各個傳感器可發(fā)揮作用，當(dāng)溫度超過＞30 ℃時由溫度傳感器發(fā)出信號告知MCU，MCU控制水路電磁閥直接強(qiáng)行排水直到溫度下降至標(biāo)準(zhǔn)溫度，再重新開始新的循環(huán)。集水器儲水完成以后，通過MCU的控制進(jìn)行反滲透，經(jīng)過兩次反滲透得到合適的血液透析用水，其整個過程中系統(tǒng)需要對水質(zhì)進(jìn)行濃水電導(dǎo)度、純水電導(dǎo)度、純水的壓力、溫度、余氯、pH值和內(nèi)毒素含量監(jiān)測。

(1)濃水電導(dǎo)度。指膜前未處理水的電導(dǎo)度，通常維持在300～400 uS/cm，當(dāng)前端水質(zhì)出現(xiàn)污染，濃水電導(dǎo)度上升，過高的電導(dǎo)度會對反滲膜造成一定的損傷。

(2)純水電導(dǎo)度。指經(jīng)過兩次反滲后產(chǎn)生的反滲水的電導(dǎo)度，這是反滲水的重要化學(xué)指標(biāo)，關(guān)系到反滲水中電解質(zhì)含量的多少(衛(wèi)生部規(guī)定一般≤5 uS/cm)。

(3)純水壓力。是出水端的壓力，按照病房不同的治療床數(shù)，調(diào)節(jié)合適的水壓，由于現(xiàn)階段血液透析機(jī)監(jiān)測供水情況是依據(jù)水壓進(jìn)行檢測，故合適的水壓才不會造成后端的血液透析機(jī)出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象，也不會由于壓力過大，造成滲透。

(4)溫度。指整個水處理中水的溫度，反滲水溫度≤30 ℃，否則會對患者造成損傷。而且目前國內(nèi)血液透析管路一般使用PPC管，在高溫下PPC管會出現(xiàn)軟化的情況.

(5)余氯。由于生活用水是依靠氯氣進(jìn)行消毒，所以余氯是指反滲水中的游離氯和化合氯，一般是指水中的氯胺化合物。余氯對人體危害極大，微量的化合氯就會引起患者缺血。國家標(biāo)準(zhǔn)反滲水中的余氯≤0.5 ppm。一般自來水中的余氯含量很少，經(jīng)過碳罐吸附，均能達(dá)到衛(wèi)生部頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。

(6)pH值。指反滲水的酸堿性，由于反滲膜的陽離子脫出率達(dá)到99.9%，再加上16 kPa的壓力，會將空氣中的CO2壓到水中，產(chǎn)生了CO3-2，所以反滲水呈現(xiàn)偏酸性。衛(wèi)生部血液凈化標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程規(guī)定pH值為5.8～6.3。

(7)內(nèi)毒素。細(xì)菌繁殖新陳代謝所產(chǎn)生的一種脂多糖，進(jìn)入人體后會引起人體免疫反應(yīng)，其表現(xiàn)是發(fā)熱，故又叫做發(fā)熱源。水處理設(shè)備管路長時間使用會滋生微生物而產(chǎn)生內(nèi)毒素，內(nèi)毒素直徑很小可以通過半透膜進(jìn)入人體，因此血液透析治療室需定期進(jìn)行內(nèi)毒素檢測(臨床一般使用凝膠法進(jìn)行檢測)。水處理機(jī)利用MCU的控制，自動完成凝膠法利用感光元件進(jìn)行檢測，衛(wèi)生部血液凈化標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程規(guī)定內(nèi)毒素＜2 EU/ml。

3.2 化學(xué)消毒

水處理設(shè)備長期使用管路會滋生細(xì)菌和病菌，對患者造成嚴(yán)重傷害的物質(zhì)，因此必須定期進(jìn)行消毒?；瘜W(xué)消毒時應(yīng)先將管路中充滿反滲水，然后在消毒桶中加入一定量的化學(xué)消毒劑，稀釋后在整個管路中進(jìn)行循環(huán)一段時間之后靜止浸泡，以加強(qiáng)消毒功能，最后將消毒水排放并用清水不斷沖洗。在沖洗的過程中利用傳感器檢測余氯和pH值兩個指標(biāo)，由于化學(xué)消毒使用次氯酸鈉，消毒效果非常好，但是次氯酸鈉會產(chǎn)生大量的余氯，因此化學(xué)消毒后要進(jìn)行長時間的沖洗，直到余氯含量和pH值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。完成整個消毒過程后打印生成消毒報告，其程序流程如圖2所示。

圖2 化學(xué)消毒程序流程圖

3.3 熱消毒

化學(xué)消毒會有大量消毒劑殘留，故日常消毒采用熱消毒，其效果基本與化學(xué)消毒相同，但是由于RO膜不耐熱，熱消毒只在膜后進(jìn)行。先將加熱桶注滿反滲水，然后用加熱管進(jìn)行加熱到指定溫度(80 ℃)，到達(dá)溫度后用此桶水進(jìn)行循環(huán)熱消毒。在熱消毒過程中需不斷檢測桶中水位是否下降。由于病房管路CPPC管和使用的血液透析機(jī)進(jìn)水橡皮管受熱會有微微變形，水壓增大后容易引發(fā)滲透，其后果嚴(yán)重，當(dāng)水處理系統(tǒng)MCU通過傳感器發(fā)現(xiàn)水位下降后會自動關(guān)閉消毒程序。在熱消毒一段時間后用清水沖洗，完成整個消毒過程后打印生成消毒報告。

4 結(jié)語

全自動在線水處理機(jī)的特點(diǎn)是制水、消毒和檢測全自動化，節(jié)省了人工時間，并且在整個制水工程中不斷對水質(zhì)進(jìn)行檢測，保證反滲水水質(zhì)達(dá)到國家血液透析用水標(biāo)準(zhǔn)，有效地防止血液透析醫(yī)療事故。同時，自動消毒極大地節(jié)省了消毒時間，全程自動開始、自動檢測和自動結(jié)束。并且在每日制水、消毒結(jié)束后可通過打印機(jī)將水質(zhì)報告和消毒報告打印出來，方便以后進(jìn)行質(zhì)量控制，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)水處理機(jī)報警。

隨著血液透析的普及使用，對水處理的要求提高，每日血液透析水用量極大增加，以往老式的制水設(shè)備已經(jīng)無法滿足臨床需求[5]。良好的操作界面，全程自動制水消毒和自動生成紙質(zhì)報告已經(jīng)成為新一代血液透析水處理設(shè)備的趨勢，也必將越來越收到臨床操作人員的青睞[12-15]。

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Design of automatic reverse osmosis water system

HE Xin-lu, GU Wei-xin
China Medical Equipment,2015,12(2):53-56.

目的：運(yùn)用全新的水處理系統(tǒng)的設(shè)計思想，設(shè)計全自動血透水處理系統(tǒng)，確定水處理工藝流程。方法：在設(shè)計水處理過程中，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，對水處理系統(tǒng)的制水和消毒過程進(jìn)行實(shí)時控制。結(jié)果：利用單片機(jī)技術(shù)在制水和消毒過程中，控制水處理系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控各個水質(zhì)指標(biāo)。當(dāng)指標(biāo)超標(biāo)時系統(tǒng)自動報警并生成記錄。結(jié)論：將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到水處理系統(tǒng)中，不僅降低了人工損耗，也提高了系統(tǒng)的安全性和可控性，同時對水處理系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制。

血液透析；水處理；全自動；在線監(jiān)測

Objective: To design automatic reverse osmosis water system with new design idea of reverse osmosis water system, to make sure of the procedure. Methods: During the design, using microcomputer technology to control water preparation and disinfection. Results: Using MCU to control preparation of water and disinfection, in order to monitor water quality. If water quality exceeds the standard, the system will alarm and generate records. Conclusion: Using microcomputer technology to design Reverse osmosis water system, not only reducing artificial, but also to improve the safety and controllability, even the quality control of reverse osmosis water system.

Hemodialysis; Reverse osmosis water; Auto system; On-line monitoring

1672-8270(2015)02-0053-04

R197.324

A

賀昕路,男,(1986- ),本科學(xué)歷，助理工程師。杭州市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備維修工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.02.017

2014-03-06

①杭州市第一人民醫(yī)院設(shè)備科 浙江 杭州 310006