魏曉磊 任曉龍 方碧云

摘要：為滿足肝臟機(jī)械灌注時(shí)對(duì)常溫和低溫兩種狀態(tài)的溫度需求。該文闡述了一種肝臟灌注過程維持血液溫度平衡的新型熱交換系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)置低壓PI加熱片和冷凝機(jī)組，采用增量PID算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水箱溫度實(shí)現(xiàn)肝臟機(jī)械灌注的常溫及低溫兩種溫度控制模式。該系統(tǒng)具有溫度動(dòng)態(tài)范圍廣，響應(yīng)速度快，醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)。通過功能樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)十分鐘內(nèi)可使膜肺升高6℃，溫度達(dá)到穩(wěn)定后，膜肺內(nèi)溫度波動(dòng)小于0.3℃，在機(jī)械灌注過程中，為肝臟提供了一個(gè)良好的溫度范圍，激發(fā)肝功能活性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械灌注；熱交換系統(tǒng)；PID算法；PI加熱片；冷凝機(jī)

中圖分類號(hào)： TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）23-0262-03

Abstract： In order to meet the liver mechanical perfusion at normothermic temperature and hypothermic temperature requirements . This paper describes a new type of heat exchange system that maintains blood temperature balance during liver perfusion. The system uses PT1000 to detect the temperature，According to the temperature command the circuit dynamically controls the PI heater and the condenser to achieve the two mechanical perfusion temperature modes at normothermic temperature and hypothermic temperature. the system has the characteristics of the temperature with a wide dynamic range，fast speed of response and low medical risk. Through the functional prototype experiment，The system can increase the membrane oxygenator solution 6℃ in 10 minutes，After the temperature is stable，the temperature fluctuation is less than 0.3℃.During the mechanical perfusion process，the liver is provided with a good temperature range to stimulate liver function.

Key words： mechanical perfusion； heat exchange system； PID algorithm； PI heater； condenser

1 引言

肝臟移植是治療各種終末期肝臟疾病、急性肝功能衰竭的最后有效手段[1]。當(dāng)今世界，居高不下的移植失敗率是整個(gè)醫(yī)療行業(yè)面臨的一個(gè)亟待解決的世界難題，供體和受體之間的器官移植過程是非即時(shí)事件，器官的離體保存技術(shù)作為影響肝臟移植手術(shù)成敗的一個(gè)重要因素而被業(yè)內(nèi)廣泛研究 。

機(jī)械灌注（Machine perfusion， MP）是一種新型的器官保存、轉(zhuǎn)運(yùn)方式。器官離體后通過帶有轉(zhuǎn)動(dòng)泵、控溫裝置、控壓裝置、氧合裝置及計(jì)算機(jī)控制裝置的設(shè)備用離體保存液或灌注液進(jìn)行體外循環(huán)灌注[2]。保持肝臟處于相對(duì)正常的生理狀態(tài)，為肝臟提供代謝底物，清除代謝廢物，達(dá)到保存及修復(fù)供肝的目的[3]。

溫度控制是影響肝臟離體保存的一個(gè)重要因素，根據(jù)灌注過程中維持溫度的不同可以分為低溫型、亞低溫型及常溫型，維持溫度分別為 4 ～6℃、20℃及 32 ～37℃[4]。

目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域僅有荷蘭Organ-Assist公司推出一套多功能肝臟灌注系統(tǒng)用于臨床試驗(yàn)。其溫控部分只有一個(gè)通道和血液進(jìn)行熱交換，用于維持血液溫度平衡的熱交換系統(tǒng)溫度控制范圍低，升溫速度慢（平均10分鐘升溫一度），不能用于低溫靜態(tài)存儲(chǔ)。目前國內(nèi)尚未有相似產(chǎn)品問世，業(yè)內(nèi)研究人員相關(guān)產(chǎn)品研究多處于雛形階段。同時(shí)，業(yè)內(nèi)研究領(lǐng)域進(jìn)行肝臟機(jī)械灌注的工作溫度范圍窄，很少同時(shí)具有低溫和常溫灌注的功能。基于目前的技術(shù)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種肝臟灌注過程維持血液溫度平衡的新型熱交換系統(tǒng)。其溫度控制范圍寬泛，可在低溫和常溫下進(jìn)行機(jī)械灌注。本文闡述了該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程。

2 系統(tǒng)的工作原理

為了滿足肝臟機(jī)械灌注在低溫和常溫狀態(tài)的不同溫度需求。該熱交換系統(tǒng)在常溫灌注時(shí)通過低壓隔離加熱的方式調(diào)節(jié)容器中去離子水的溫度，在低溫灌注時(shí)，溫控系統(tǒng)通過內(nèi)置低壓直流微型冷凝機(jī)來降低去離子水溫度。水路循環(huán)系統(tǒng)與血液間的溫度傳遞在多通道膜肺中以熱交換的形式進(jìn)行。溫度檢測(cè)電路和溫度控制電路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱交換系統(tǒng)的加熱效率，使溫度滿足灌注所需要求。

3 熱交換系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)功能

熱交換系統(tǒng)由控制電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩部分組成。如圖1所示，該裝置包含儲(chǔ)水容器1，微型離心泵2，冷凝機(jī)組12，溫度傳感器5、6、7、15；控制閥9、10；膜肺3、4；液位傳感器8、三通管13、14，PI加熱片11、17和控制電路組成一個(gè)閉環(huán)的水路循環(huán)控制系統(tǒng)。

PI加熱片和冷凝機(jī)組分別控制儲(chǔ)水容器里的去離子水溫度，離心泵驅(qū)動(dòng)水路循環(huán)通過管路流入膜肺，在膜肺內(nèi)部，去離子水和血液完成熱量傳遞而不進(jìn)行物質(zhì)交換。當(dāng)需要低溫靜態(tài)存儲(chǔ)時(shí)，關(guān)閉加熱片，打開冷凝機(jī)組降溫制冷，然后通過熱傳遞使血液進(jìn)行降溫。水箱和膜肺中分別內(nèi)置鉑電阻溫度傳感器，該傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、響應(yīng)快、抗震性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為工業(yè)精密測(cè)控系統(tǒng)中的一種理想測(cè)溫元件而被廣泛使用[5]。傳感器電路動(dòng)態(tài)檢測(cè)去離子水和血液溫度，利用增量PID算法調(diào)節(jié)溫控單元，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

儲(chǔ)水容器壁外表包裹兩片自主設(shè)計(jì)的PI加熱片，單片額定功率為150W，工作電壓24V，最高工作溫度為130 ℃。工作時(shí)，如果兩片PI加熱片同時(shí)滿負(fù)荷工作，經(jīng)計(jì)算，熱傳遞理論可以使容器內(nèi)2L的去離子水每分鐘升溫3度。PI加熱片采用低壓隔離加熱法，可以避免加熱模塊直接與水接觸造成短路，從而降低了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

儲(chǔ)水容器底部外貼超聲液位傳感器，當(dāng)容器中液位達(dá)到一定高度時(shí)候，電磁閥門開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)進(jìn)水量的精確控制。儲(chǔ)水容器左右兩側(cè)分別開一個(gè)螺紋孔，右側(cè)通過生物軟管與離心泵相連，離心泵進(jìn)水口的螺紋孔比容器出水口螺紋孔高度略低，由于水位垂直高度差，去離子水可自動(dòng)灌入離心泵驅(qū)動(dòng)其工作，離心泵出水口與生物軟管垂直連接，利用去離子水與氣泡間分子密度差可以有效地排除氣泡。離心泵出水口連接冷凝機(jī)組的進(jìn)水口，冷凝機(jī)組出水口連接三通管轉(zhuǎn)接頭并分別與兩個(gè)膜肺的進(jìn)水口連接，兩個(gè)膜肺的出水口通過生物軟管分別連接到三通管的入口端，出口端與儲(chǔ)水容器左側(cè)螺紋孔相連，由此組成一個(gè)閉合的水路循環(huán)系統(tǒng)。儲(chǔ)水容器右下側(cè)設(shè)置一個(gè)閥門開關(guān)用于釋放用過的廢水。

該系統(tǒng)采用雙通道熱量交換模式，即容器中去離子水通過離心泵和三通管與兩個(gè)膜肺同時(shí)進(jìn)行閉路循環(huán)流動(dòng)，可以與雙通道的血液同時(shí)進(jìn)行溫度傳遞，從而減少了溫度傳遞時(shí)間，提高了工作效率。

4 熱交換系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

該熱交換系統(tǒng)的溫度控制流程是，傳感器電路分別檢測(cè)去離子水和血液的溫度值，根據(jù)檢測(cè)到的溫度值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)三極管基極電壓的占空比，驅(qū)動(dòng)PI加熱片實(shí)現(xiàn)不同的功率，若需要冷凝，則關(guān)閉加熱片，開啟冷凝設(shè)備制冷，通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)去離子水和血液溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整冷凝機(jī)組的控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)去離子水或者血液的目標(biāo)溫度超過設(shè)定溫度一度時(shí)，控制電路上面的聲光報(bào)警設(shè)備會(huì)自動(dòng)開啟，同時(shí)切斷加熱電源。

4.1 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)單元采用精度為0.1度的PT1000三線制鉑電阻傳感器，前級(jí)電路REF3030A組成的3V基準(zhǔn)電路用PT1000通過H橋電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過放大、濾波、采樣、運(yùn)算讀取溫度值。

本方案設(shè)計(jì)采用三通道溫度傳感器分別檢測(cè)去離子水和兩路血液三個(gè)溫度值。溫度傳感器5、6、7分別監(jiān)測(cè)容器內(nèi)去離子水和兩個(gè)膜肺中血液的溫度，常溫灌注時(shí)，同時(shí)打開兩片PI加熱片驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)閉制冷設(shè)備，通過增量PID控制算法調(diào)整加熱片功率，水溫上升的同時(shí)在膜肺內(nèi)部與血液進(jìn)行熱交換，熱交換直到血液溫度達(dá)到36.8 ℃并維持恒溫。當(dāng)器壁溫度達(dá)到39 ℃時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)切斷加熱電源。低溫灌注時(shí)，打開制冷驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)閉PI加熱片驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)整壓縮機(jī)功率，通過PID控制技術(shù)將去離子水溫度調(diào)整到預(yù)設(shè)溫度4 ℃，直到血液溫度達(dá)到4 ℃并維持恒溫。

4.2 溫度控制電路

PI加熱片工作額定電壓24V。如圖3所示，本設(shè)計(jì)利用三極管N2和MOS管N1聯(lián)合驅(qū)動(dòng)形成斬波電路，然后經(jīng)過LC濾波后獲得穩(wěn)定的輸出電壓，MOS管IRF5210SPBF為D2PAK封裝，驅(qū)動(dòng)電壓100V，工作額定電流20A，導(dǎo)通阻抗0.06Ω。電源端去耦電容C1和C2分別對(duì)高低頻噪聲濾波。傳感器電路分別檢測(cè)器壁、去離子水和血液的溫度值，然后CPU控制三極管基極電壓的占空比得到不同的電壓驅(qū)動(dòng)PI加熱片產(chǎn)生不同的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制過程。

5 功能樣機(jī)性能測(cè)試

在水箱內(nèi)注入2L去離子水，每隔5s分別記錄水箱內(nèi)溫度和膜肺溫度。其溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可知，十分鐘之內(nèi)膜肺可升溫6℃，水箱內(nèi)液體最高溫度37.3℃，膜肺最高溫度36.5℃，溫度達(dá)到穩(wěn)定后，膜肺內(nèi)溫度波動(dòng)小于0.3℃。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）利用PID控制器，完成容器中去離子水和血液在膜肺中進(jìn)行熱量交互，調(diào)節(jié)血液溫度到預(yù)設(shè)溫度并維持在一定的溫度范圍內(nèi)，在機(jī)械灌注過程中，為肝臟提供了一個(gè)良好的溫度范圍，激發(fā)了肝功能活性。

（2）PI加熱片單片功率150W，工作電壓為24V，利用兩片PI加熱片包裹在圓柱體水箱表面同時(shí)加熱，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于更好地溫度傳遞，減少熱量耗散。低壓隔離加熱有利于防止老化漏電現(xiàn)象，降低了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

（3）容器中去離子水通過離心泵和三通管和兩個(gè)膜肺同時(shí)進(jìn)行閉路循環(huán)流動(dòng)，可以與雙通道的血液同時(shí)進(jìn)行溫度傳遞，提高工作效率，并且離心泵工作噪聲低，可提供較好的臨床體驗(yàn)。

（4）微型直流冷凝機(jī)組可以降低容器中去離子水的工作溫度，提供寬泛的溫度控制范圍。

（5）本方案可以產(chǎn)品化，彌補(bǔ)國內(nèi)肝臟灌注領(lǐng)域溫度控制產(chǎn)品不足的缺陷。

7 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)主要工作是對(duì)機(jī)械灌注時(shí)灌注液溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)與維持。在對(duì)功能樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，該系統(tǒng)升溫速度快，溫度可穩(wěn)定保持。目前功能樣機(jī)只做了加熱部分的設(shè)計(jì)，冷凝部分在進(jìn)一步設(shè)計(jì)當(dāng)中。在國內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)還在起步階段，真正應(yīng)用于臨床肝臟移植手術(shù)時(shí)，需要考慮的因素很多。該系統(tǒng)只考慮了溫度因素并在此基礎(chǔ)上作了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更多因素的考慮及更加精確的實(shí)驗(yàn)將在后續(xù)的工作中作進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭樹森，梁廷波. 不斷總結(jié)和規(guī)范，全面提高我國肝臟移植水平[J]. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（4）：415-418.

[2] Monbaliu D， Brassil J. Machine perfusion of the liver： past， present and future[J]. Curr Opin Organ Transplant， 2010，15（2）： 160-166.

[3] 程穎. 機(jī)械灌注在肝移植中的應(yīng)用[J]. 器官移植，2016，（5）：390-393.

[4] Monbaliu D，Brassil J. Machine perfusion of the liver： past，present and future[J].Curr Opin Organ Transplant，2010，15（2）：160-166.

[5] 張瑜，張升偉. 基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)報(bào)，2010，（3）：311-314.

【通聯(lián)編輯：梁書】