一種用于免疫調節的臭氧治療儀的設計與實現

吳志敏 周豐平

摘 要：提出了一套基于Modbus協議的PLC與觸摸屏（HMI）串行通信控制系統，分析了臭氧治療儀工作原理，提出了解決設計方案，給出了醫用臭氧治療儀的硬件和軟件實現方法，包括系統流程圖及部分程序代碼。

【關鍵詞】Modbus 串行通信 醫用臭氧治療儀 RTU

1 醫用臭氧治療儀的背景

目前全球約有4億慢性乙型肝炎病毒感染者，我國慢性乙型肝炎患者約2000萬。傳統的藥物治療療程長、療效低、副作用多，復發率高并且費用大等。在乙肝治療領域一直在尋找和探索新的治療方法。臭氧大自血療法是一種新的治療慢性乙型病毒性肝炎方法。醫用臭氧治療儀將醫用氧氣精確而穩定的制成治療所需臭氧濃度，在免疫激活氣血混合器內將血液和臭氧充分混合激活、活化后的血液回輸到人體，起到病毒殺滅、提高人體干擾素、免疫調節的作用。

研制一款醫用臭氧治療儀，能夠實現血液抽取、臭氧和血液混合和血液回輸功能。醫用臭氧治療儀應有臭氧制取、回收功能；血液抽取、回輸功能；血液、臭氧混合功能；血液流量調節功能；氧氣壓力測量、顯示功能；管路壓力測量、顯示、報警保護功能；氣泡檢測、報警保護功能；臭氧濃度檢測、顯示功能。

2 產品的工作原理

醫用氧氣經精密穩壓器限壓（0.1Mpa）、精密流量計限流（1L、min）后，通過氧氣閥的通斷來控制氧氣是否進入臭氧發生器。臭氧發生器采用電暈法產生氧氣和臭氧的混合氣體（以下簡稱臭氧氣體），臭氧氣體經臭氧檢測儀（在線檢測臭氧濃度）后分兩路，一路經臭氧閥、取氣口、制氣閥后進入臭氧回收器（降解器）；一路經內部臭氧輸出閥、臭氧輸出接口后進入氣血混合器。混合后多余的臭氧氣體經臭氧回收接口、內部臭氧回收閥進入臭氧回收器。治療儀通過改變血泵和電磁閥的運行狀態，分別完成預沖血泵側管路、預沖循環側管路、預沖液返回、血液抽取、氣血混合、血液回輸等功能，實現臭氧自體血療法。

3 產品設計方案

為了避免國外醫用臭氧治療儀產品在進行臭氧大自血療法中的不足，利用目前比較成熟的血液體外循環技術。新研制的治療儀配套自血回輸管路通過血泵定量的將血液引出，在自血回輸管路氣血混合室中與一定濃度的臭氧氣體混合，混合后回輸到人體，多余的臭氧氣體自動回收降解。另外考慮到治療慢性乙型肝炎病毒患者治療周期要在三個月以上，每周治療三次，治療模式將引血回路與回血回輸共用同一通道，在治療時只需要進行單針穿刺，減少患者穿刺的次數。治療全過程可選用自動或手動模式，可在操作提示下自動完成自血回輸管路的預沖、引血、臭氧與血液的混合、血液回輸。治療過程中血液是在密閉的自血回輸管路中自動完成，大大降低了醫務人員的工作量，從而避免了交叉感染的可能，極大提升臨床使用的安全性。治療儀在治療過程中進行氣泡、壓力檢測，確保治療安全有效。

治療儀具備以下功能：血液抽取、回輸功能；臭氧制取、回收功能；血液流量調節功能；血液、臭氧混合功能；氧氣壓力測量、顯示功能；管路壓力測量、顯示、報警保護功能；氣泡檢測、報警保護功能；臭氧濃度檢測、顯示功能；自血回輸管路預充功能； 血泵停泵報警功能；治療儀斷電報警功能；

4 醫用臭氧治療儀解決方案

治療儀在治療過程中要實時顯示治療的過程，并要對設置的參數進行設置，所以采用人機交互良好的觸摸屏（以下簡稱HMI）作為上位機。治療儀要對I/O信號、D/A信號、A/D信號進行處理，以選擇抗干擾性能良好的PLC下位機的處理。HMI與PLC通過Modbus協議進行通信。觸摸屏能夠直觀、生動地顯示運行參數和運行狀態，而且通過觸摸屏畫面可以直接修改系統運行參數，人機交互性好。PLC廣泛應用于工控領域中，具有良好的抗干擾性能。與HMI配合組成良好的人機交互環境，大大降低了產品的制造成本。如圖1。

4.1 系統基本結構

HMI作主站，PLC作從站。eView觸摸屏和PLC本身支持Modbus通訊協議。

4.2 硬件物理連接關系

電磁閥、氣泡檢測器、血泵組件都裝在治療儀的前面板，臭氧發生器、臭氧濃度檢測裝置等裝在中間板。為了便于線路的連接增加驅動板和前面板接口板。

4.3 軟件實現

軟件實現包括：通訊設置、變量定義、功能模塊設計、界面設計。，通訊設置包括波特率設置，數據位數、停止數、奇偶校驗等，總線上所有的master及slave的以上設置應完全一致。

治療儀軟件分兩部分，一部分為HMI軟件，是基于步科HMI組態編輯軟件Kinco HMIware_v2.0的應用軟件，分別由自動治療模塊、手動治療模塊、制臭氧氣體模塊、制臭氧水模塊、測試模塊組成。另一部分為PLC軟件，分別由數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、血泵流量控制模塊、臭氧濃度控制模塊。并配合治療儀硬件系統完成治療。

4.3.1 HMI與PLC通訊連接

為了能夠使HMI與PLC建立穩定的通訊，必需對通訊格式進行規定。其中通訊類型：RS232，波特率：9600，數據位：8位，奇偶校驗位：無，停止位：1位。通訊協議：Modbus。

4.3.2 HMI的程序設計

HMI作為上位機并作為主機，要及時將信息送到下位機PLC，將下位送來的信息進行處理，將處理結果送回給下位機。分別由治療設定模塊、預沖階段模塊、引血階段模塊、氣血混合階段模塊、血液回輸模塊組成。

4.3.3 PLC的程序設計

調用執行數字量輸入子程序、數字量輸出子程序、模擬量輸入子程序、血泵流量控制子程序、臭氧濃度控制子程序。

4.4 整機設計

根據臨床要求，按引血、混合、回輸自動化的要求，對整機布局如圖2所示。

5 臨床試驗

治療儀經過相關的臨床醫療機構對慢性乙型病毒性肝炎患者的試驗，對乙肝病毒有抑制作用。治療各功能正常。隨著臭氧基礎研究的深入，臨床治療應用廣泛開展起來。醫用臭氧治療已應用于慢性乙型肝炎病、糖尿病足、動脈阻塞性疾病（例如間歇性跛行等）椎間盤突出癥、創傷、燒傷等領域。

6 總結

醫用臭氧治療儀能夠自動實現血液的抽取、混合、回輸。在治療過程中可以分別對醫用氧氣-臭氧混合氣體的濃度、血泵流量進行設定。對氧氣壓力、壺內壓力、回輸到人體血液循環管路中的氣泡等進行監測。一旦參數偏離設定值，治療儀將發出聲光報警信號，提醒醫務人員進行處理。

作者單位

寧波天益醫療器械有限公司 浙江省寧波市 315000