劉 頌 羅華生

血液透析機(jī)漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 頌①羅華生①

目的：針對(duì)AK200S血液透析機(jī)，設(shè)計(jì)一款智能化的漏氣檢測(cè)系統(tǒng)，協(xié)助工程師快速排查漏氣點(diǎn)位置范圍。方法：根據(jù)常規(guī)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)及故障統(tǒng)計(jì)記錄和數(shù)據(jù)，對(duì)血液透析機(jī)易發(fā)生漏氣的部分水路進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，并仿照血液透析機(jī)自檢時(shí)的壓力測(cè)試方式，在目標(biāo)水路外連接一個(gè)氣泵，通過控制氣泵及其連接的電磁閥，對(duì)其內(nèi)部分時(shí)分段分別施加正負(fù)壓力。施加壓力后通過外接壓力傳感器獲取一定時(shí)間前后管道內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析判斷此段管道是否存在漏氣，判斷標(biāo)準(zhǔn)為前后壓力差＜5 mmHg時(shí)，則視為無(wú)壓力泄漏，反之則需排查此段管道易漏氣點(diǎn)。結(jié)果：對(duì)出現(xiàn)漏氣報(bào)警的AK200S/AK200US進(jìn)行183次檢測(cè)，其中171次漏氣檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出漏氣點(diǎn)范圍。漏氣點(diǎn)分布于：過濾器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端軟管夾子79次，其中確定的漏氣點(diǎn)分別為密封圈162次，閥膜1次、接頭8次，漏氣故障檢測(cè)成功率＞90%，其中常溫狀態(tài)下在預(yù)設(shè)排查水路的漏氣檢測(cè)成功率達(dá)到100%。結(jié)論：自制的漏氣檢測(cè)系統(tǒng)能夠幫助臨床工程師節(jié)約排查漏氣點(diǎn)的時(shí)間，有效提高工作效率。

血液透析機(jī)；漏氣檢測(cè)；智能化；效率

血液透析是急慢性腎功能衰竭患者腎臟替代治療方式之一，目前國(guó)內(nèi)接受透析的患者很多，而急需進(jìn)行透析的患者日益增加[1-2]。隨著醫(yī)保范圍擴(kuò)大及國(guó)民收入的提高，預(yù)計(jì)透析患者人數(shù)仍將持續(xù)增長(zhǎng)。

血液透析機(jī)是透析治療中應(yīng)用最廣泛和最頻繁的治療儀器[3]。以肇慶市第一人民醫(yī)院為例，1例患者的透析時(shí)間一般為4 h，一臺(tái)機(jī)器每日可治療2～3例患者，機(jī)器每周工作6 d，粗略統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)血液透析機(jī)一周的平均治療時(shí)間在55 h以上，再加上機(jī)器的自檢、消毒等時(shí)間，血液透析機(jī)每周平均工作時(shí)間接近70 h。血液透析機(jī)是一款對(duì)氣密性要求極高的機(jī)器，為了保證氣密性，其水路中有大量的以硅膠為材質(zhì)的密封圈和閥膜，長(zhǎng)期頻繁的使用血液透析機(jī)會(huì)令密封圈和閥膜快速老化，而老化的密封圈和閥膜會(huì)變硬，甚至破裂，導(dǎo)致氣密性下降[4]。除此之外，長(zhǎng)時(shí)間使用壓力傳感器其檢測(cè)值可能會(huì)發(fā)生偏差，上述情況都有可能導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)故障報(bào)警，影響機(jī)器的使用，增加醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，耽誤患者治療[5-6]。

隨著醫(yī)療設(shè)備的快速發(fā)展，檢測(cè)及維修手段和方式也應(yīng)該向電子化、基于狀態(tài)以及智能化方向發(fā)展，不斷提高檢測(cè)和維修效率，降低檢測(cè)和維修的耗時(shí)[7-8]?；诟咝Э焖俚哪繕?biāo)，本研究結(jié)合多年檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一款以單片機(jī)為核心的針對(duì)AK200S血液透析機(jī)的漏氣檢測(cè)系統(tǒng)，通過單片機(jī)系統(tǒng)控制氣泵及電磁閥模擬機(jī)器內(nèi)部管道壓力，分段、分級(jí)測(cè)定關(guān)鍵壓力點(diǎn)，以達(dá)到快速排查故障點(diǎn)的目的[9-10]。

1 漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景

1.1 傳統(tǒng)漏氣檢測(cè)方法及其不足

當(dāng)血液透析機(jī)發(fā)生故障時(shí)，依靠工程師的觀察，查看是否有漏水點(diǎn)，有則該點(diǎn)肯定伴隨漏氣，如果無(wú)漏水點(diǎn)，則需要工程師根據(jù)水路結(jié)構(gòu)圖逐段水路檢查是否漏氣，檢查方法為選擇一段水路，封閉該段水路一端，從另一端外接氣囊及壓力表，泵氣后觀察壓力表數(shù)值是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則可判斷該段水路未漏氣，否則恢復(fù)原狀，再檢測(cè)下一段，如此反復(fù)。當(dāng)所有水路判斷均未發(fā)生漏氣，再進(jìn)入機(jī)器自帶程序觀察是否為壓力傳感器檢測(cè)值發(fā)生偏差而導(dǎo)致故障發(fā)生。以金寶AK200S為例，一臺(tái)機(jī)器有17個(gè)電磁閥，每個(gè)電磁閥有一個(gè)閥膜，而易發(fā)生漏氣的密封圈數(shù)量更是多不勝數(shù)，如果用傳統(tǒng)方法檢測(cè)判斷，不僅工作量大，耗時(shí)也長(zhǎng)，也不利于快速解決問題。

1.2 水路結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象的水路結(jié)構(gòu)分析?；诙嗄隀z測(cè)經(jīng)驗(yàn)、故障統(tǒng)計(jì)記錄及數(shù)據(jù)可知，漏氣多發(fā)生于水箱出來(lái)的過濾器(Filter)之后到疏散閥(EVVA)之前，包括1個(gè)過濾器、2個(gè)電導(dǎo)槽(Cond cell)、2個(gè)電機(jī)(pump)、超濾槽(UF)、漏血檢測(cè)器(blood leak detector)、13個(gè)電磁閥(VA)及5個(gè)壓力傳感器，本研究設(shè)計(jì)的血液透析機(jī)漏氣檢測(cè)系統(tǒng)將重點(diǎn)檢測(cè)該段水路。AK200S水路如圖1所示。

圖1 AK200S水路圖

1.3 水路簡(jiǎn)化及系統(tǒng)接入方式

系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象的水路簡(jiǎn)化及系統(tǒng)接入方式。在重點(diǎn)檢測(cè)的水路中，有電磁閥與限流支路并聯(lián)，實(shí)際上不會(huì)隔絕水、氣，可將二者組合視為導(dǎo)通管路，電機(jī)、超濾槽、電導(dǎo)槽和漏血檢測(cè)器等零件對(duì)水、氣無(wú)阻隔作用，也將其視為導(dǎo)通管路。待血液透析機(jī)沖洗并排空后，關(guān)閉血液透析機(jī)，為便于檢測(cè)漏氣，須將受檢測(cè)部分水路通過一系列動(dòng)作使其形成分段和分級(jí)的密閉通道：①系統(tǒng)與過濾器(Filter)前端相連；②步進(jìn)電機(jī)所在電磁閥與頂部預(yù)沖閥(TPVA)用軟管相連，并用夾子夾在軟管中間；③在EVVA末端用軟管連接，并用夾子夾住軟管。經(jīng)處理，系統(tǒng)與受檢水路連接簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化水路結(jié)構(gòu)圖

2 漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

壓力傳感器和漏血探測(cè)器中的密封圈、電磁閥的閥膜、過濾器以及各連接管道的硅膠接頭均有可能出現(xiàn)硬化、破裂導(dǎo)致整個(gè)受檢水路出現(xiàn)對(duì)外漏氣或內(nèi)部漏氣，在檢測(cè)過程中將這些容易發(fā)生漏氣的、需要重點(diǎn)關(guān)注的零配件標(biāo)注為易漏氣點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心功能是在眾多易漏氣點(diǎn)中快速縮小漏氣點(diǎn)的范圍，為工程師判斷漏氣點(diǎn)節(jié)約時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

血液透析機(jī)自檢時(shí)在管道內(nèi)部分時(shí)段反復(fù)產(chǎn)生正壓和負(fù)壓，再根據(jù)該壓力變化判斷是否漏氣，系統(tǒng)將模仿該過程進(jìn)行判斷氣密性是否良好。當(dāng)管道內(nèi)部氣密性良好時(shí)，管道內(nèi)壓力應(yīng)保持穩(wěn)定[11]。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，血液透析機(jī)內(nèi)部壓力測(cè)試分別在195～235 mmHg和-180～-220 mmHg時(shí)10 s內(nèi)不會(huì)有＞5 mmHg的壓力變化。因此，系統(tǒng)由1個(gè)氣泵、1個(gè)壓力傳感器及4個(gè)電磁閥組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接入水路部分結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)打開V1、V3閥，關(guān)閉V2、V4閥時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)氣泵產(chǎn)生正壓；當(dāng)打開V2、V4閥，關(guān)閉V1、V3閥時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)氣泵產(chǎn)生負(fù)壓。

2.3 系統(tǒng)工作流程

2.3.1 系統(tǒng)檢測(cè)判斷方法

機(jī)器的漏氣檢測(cè)分為正壓力檢測(cè)和負(fù)壓力檢測(cè)，正、負(fù)壓力檢測(cè)為2個(gè)獨(dú)立的過程。系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)管道內(nèi)氣體實(shí)時(shí)壓力P1達(dá)到目標(biāo)壓力P(P=250 mmHg或-250 mmHg)時(shí)，氣泵停止泵氣并關(guān)閉V3或V4，10 s后單片機(jī)讀取管道內(nèi)壓力，記為P2。根據(jù)試驗(yàn)，氣泵以額定功率工作時(shí)，系統(tǒng)在密閉的機(jī)器管道內(nèi)每秒可產(chǎn)生20～35 mmHg的壓力變化，設(shè)氣泵泵氣時(shí)間為t，則管道內(nèi)無(wú)漏氣必需滿足的條件為：|P-P2|≤5 mmHg。

2.3.2 正壓檢測(cè)

系統(tǒng)產(chǎn)生正壓力。系統(tǒng)至限漏閥(DRVA)段管道壓力上升，若t≤15 s時(shí)P1max＜250 mmHg，則系統(tǒng)提示管道有明顯漏氣，需排查系統(tǒng)至DRVA段易漏氣點(diǎn)，若t≤15 s時(shí)P1max=P(此時(shí)取P=250 mmHg)，則在P1max=P時(shí)停止泵氣并關(guān)閉V3，獲取P2，對(duì)比P和P2，如果P-P2≥5 mmHg，則系統(tǒng)提示管道有漏氣，需排查該段易漏氣點(diǎn)，如果P-P2≤5 mmHg，則系統(tǒng)提示該段管路漏氣測(cè)試正常，進(jìn)入下一段檢測(cè)；打開V3和DRVA，泵氣，檢測(cè)DRVA至直接閥(DIVA)段，判斷原理同上，若提示有漏氣，則需排查DRVA至TPVA、旁路平衡閥(PBVA)、步進(jìn)電機(jī)、零點(diǎn)閥(ZEVA)、旁路閥(BYVA)以及DIVA之間的易漏氣點(diǎn)，若正常，則繼續(xù)進(jìn)入下一階段；同時(shí)打開V3、DRVA及DIVA，重新泵氣，若提示漏氣，則需排查DIVA至反沖閥(RFVA)、EVVA、治療閥(TAVA)之間的易漏氣點(diǎn)，若正常，則同時(shí)打開V3、DRVA、DIVA以及TAVA，重復(fù)泵氣，若提示漏氣，排查點(diǎn)同上。

2.3.3 負(fù)壓檢測(cè)

負(fù)壓檢測(cè)流程和正壓檢測(cè)流程一致，此時(shí)取P=-250 mmHg，當(dāng)t≤15 s時(shí)存在P1min=P，且在P1min=P時(shí)停止抽氣，滿足P2-P≤5 mmHg則判定為不漏氣。

2.4 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用TM30B-D高性能微型氣泵，該泵利用變隔膜原理實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的充入和排出，具有低功耗、低振動(dòng)和低噪音等特點(diǎn)，可配合電磁閥使用，實(shí)現(xiàn)增壓和降壓功能[12]。電源模塊采用GSM-H120DS-24開關(guān)電源，輸出的5 V電壓用于單片機(jī)和人機(jī)交流模塊工作，24 V直流電壓用于氣泵的工作以及電磁閥的開啟關(guān)閉[13]?？傮w電氣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

工程師通過人機(jī)交流模塊給單片機(jī)輸入命令，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器組使氣泵和電磁閥等部件工作，當(dāng)水路氣壓到達(dá)設(shè)定值，壓力傳感器反饋信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)通過繼電器組控制氣泵停止工作，此時(shí)工程師可觀看壓力表數(shù)值判斷管道是否漏氣。根據(jù)上述檢測(cè)流程判斷無(wú)漏氣點(diǎn)后，工程師還可以額外外接壓力表，并根據(jù)壓力表數(shù)值校正機(jī)器的壓力傳感器數(shù)值。除此之外，檢測(cè)裝置還保留擴(kuò)展接頭，可以擴(kuò)展裝置使用范圍，應(yīng)用到有類似情況的其他醫(yī)療設(shè)備的測(cè)漏。

系統(tǒng)中的單片機(jī)選用AT89C52，該單片機(jī)可使用匯編及C語(yǔ)言編寫程序代碼，而89C52有較高的主頻和較大的ROM空間，使用C語(yǔ)言寫程序代碼更為簡(jiǎn)單，更利于工程師創(chuàng)造符合實(shí)際情況的針對(duì)性的工具[14]。

3 漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試及應(yīng)用

3.1 測(cè)試方法

利用ISIS軟件先行對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，檢驗(yàn)軟件代碼正確性和穩(wěn)定性，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[15]。再通過實(shí)踐驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的性能，尋找漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的不足。

3.2 應(yīng)用效果及分析評(píng)價(jià)

自2016年8月至2016年12月，使用漏氣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)出現(xiàn)漏氣報(bào)警的AK200S/AK200US進(jìn)行183次檢測(cè)，其中171次漏氣檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出漏氣點(diǎn)范圍。漏氣點(diǎn)分布于：過濾器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端軟管夾子79次，其中確定的漏氣點(diǎn)分別為密封圈162次，閥膜1次、接頭8次，漏氣故障檢測(cè)成功率＞90%，其中常溫狀態(tài)下在預(yù)設(shè)排查水路的漏氣檢測(cè)成功率達(dá)到100%。

漏氣原因?yàn)槊芊馊匣?、硬化、閥膜老化以及接頭有裂縫。漏氣故障檢測(cè)不成功的情況包括以下幾種：①漏氣點(diǎn)不在系統(tǒng)預(yù)設(shè)排查水路中，即不在漏氣檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)范圍內(nèi)，如濃縮液吸液泵之前、EVVA之后等；②漏氣檢測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)室溫條件下的管道漏氣情況進(jìn)行檢測(cè)，有部分密封圈、閥膜是在高溫(80～90 ℃)消毒后才發(fā)生漏氣，此時(shí)管道溫度較高，其密封性較室溫時(shí)差，因此在室溫下漏氣系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)出漏氣點(diǎn)范圍。針對(duì)不足，可考慮增加高溫檢測(cè)步驟解決。漏氣檢測(cè)系統(tǒng)能夠以較高的成功率縮小漏氣范圍，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，提高工程師判斷漏氣的檢修效率。

4 結(jié)語(yǔ)

“工欲善其事必先利其器”，醫(yī)療設(shè)備在朝著智能化方向發(fā)展，設(shè)備檢測(cè)工具也應(yīng)該往智能化方向發(fā)展。雖然無(wú)專用的、針對(duì)性強(qiáng)的工具讓工程師直接使用，但工程師可結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)創(chuàng)造針對(duì)性的工具來(lái)輔助工作，提高工作效率。

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A design about the system of leak detection of hemodialysis machine/

LIU Song, LUO Hua-sheng//
China Medical Equipment,2017,14(8):14-17.

Objective: To design an intelligent system of leak detection for AK200S hemodialysis machine so as to fast troubleshoot the range of leaked point for helping engineer. Methods: The likely leaked part of flow paths of hemodialysis were simplified based on routine detection experiment and the statistical record and data of faults. And then, test mode of pressure when hemodailysis implemented self-inspection for leakage was imitated. There was a air pump was connected with aimed flow paths, and the positive and negative pressure generated by controlling an external air pump and the connected magnetic valve were applied at different time and different section, respectively. After increased pressure, depended on the comparison of intra pressures from pressure sensors for one part of pipeline between pre- and post of one spell to analyze and decide whether this section exist leak. And the judgment standard was if the difference of pressure was less than 5mmHg, there was not leak in this flow path, otherwise, the likely leak point should be troubleshot in further detection. Results: 183 detections were implemented at AK200S/AK200US which once happened alarm of leakage. And in the 183 detections, the detection system for leakage has found the ranges of leaked point in 171 detection. The distribution of leaked points was: 73 times were from filter to DRVA section, 19 times were from DRVA section to DIVA section, 79 times were from DIVA section to champ of flexible pipe at terminal of EVVA. On the other hand, in the leaked points, 162 points were at seal ring, 1 point was at film of valve, 8 points were at connector, and the success rate of detection for leaked fault was more than 90%. Besides, the success rate of detection for leakage on flow paths of prepare troubleshooting under normal temperature was 100%. Conclusion: The detection system of self-dependant development for leakage can help engineer to save time of troubleshooting for leaked point and enhance the work efficiency.

Hemodialysis machine; Leak detection; Intelligent; Efficiency

Department of Equipment Management, The First People’s Hospital of Zhaoqing, Zhaoqing 526000, China.

1672-8270(2017)08-0014-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.004

2017-01-02

①肇慶市第一人民醫(yī)院設(shè)備科 廣東 肇慶 526000

劉頌,男,(1986- ),本科學(xué)歷，工程師。肇慶市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療器械及設(shè)備的管理、維護(hù)、保養(yǎng)和維修。