一種多器官機(jī)械灌注系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

任曉龍

1 技術(shù)背景

器官的常規(guī)移植流程如圖1，器官在供體醫(yī)院進(jìn)行離體低溫灌洗[1]后，直接進(jìn)行低溫轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)受體所在的醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)移植，該流程術(shù)后操作步驟簡(jiǎn)潔，避免了術(shù)后過(guò)多操作對(duì)器官造成的額外損傷。

圖1 器官的常規(guī)移植流程圖

采用一體機(jī)的移植流程如圖2，器官在供體醫(yī)院進(jìn)行離體低溫灌洗后，對(duì)質(zhì)量判定為邊緣器官[2]的進(jìn)行機(jī)械常溫灌注修復(fù)，待修復(fù)好后進(jìn)行低溫轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)受體所在的醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)移植。該流程在低溫轉(zhuǎn)運(yùn)之前對(duì)邊緣器官進(jìn)行了常溫機(jī)械灌注修復(fù)，使其滿足移植的條件要求，從而可以提高供體捐獻(xiàn)器官的利用率。由于相比常規(guī)移植流程，該流程增加了常溫灌注修復(fù)這一環(huán)節(jié)，使器官經(jīng)過(guò)了兩次低溫-復(fù)溫的過(guò)程，機(jī)械灌注可能會(huì)帶來(lái)?yè)p傷問(wèn)題。因此，對(duì)于使用一體機(jī)來(lái)增加常溫灌注修復(fù)這一環(huán)節(jié)理論上可以提高器官的利用率。

另外，查閱文獻(xiàn)，目前對(duì)心肺灌注的說(shuō)法不一致，有的說(shuō)心肺可以整體灌注，有的說(shuō)不能整體灌注，必須要分離后進(jìn)行灌注；有的說(shuō)心肺移植時(shí)只能二者取其一，并不能兩者都利用，或者進(jìn)行心肺同時(shí)移植來(lái)保證兩者能使用，這些說(shuō)法還需要一些時(shí)間去探究[3-6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

一體機(jī)是在受體器官離體后對(duì)邊緣器官進(jìn)行常溫機(jī)械灌注修復(fù)，把供體的心臟、肝臟、肺臟（2個(gè)）和腎臟（2個(gè)）4個(gè)部位，6個(gè)器官用離體常溫灌注的方法進(jìn)行邊緣器官修復(fù)的設(shè)備。由于心、肝、肺和腎所使用的灌注液并不一樣，考慮到共用一種灌注液會(huì)對(duì)離體器官造成損傷、引起各個(gè)器官的不良反應(yīng)、心肺分離難和難操作控制等問(wèn)題，故一體機(jī)采用4個(gè)獨(dú)立的管路循環(huán)系統(tǒng)，集中由一個(gè)下位機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)壓力、流量、溫度傳感器分別采集壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)，送到上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架示意圖如圖3。

圖2 一體機(jī)的移植流程圖

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架示意圖

2.2 電氣部分設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用17寸Windows工業(yè)平板方案，基于vs2015.net平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用面向?qū)ο蟮乃枷耄O(shè)計(jì)需要考慮以下因素。

（1）支持無(wú)線、有線方式。支持常規(guī)的TCP/IP和232通訊協(xié)議。并預(yù)留通訊接口，可以擴(kuò)充新的物理通訊通道。

（2）支持多種通訊協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn)或者非標(biāo)），預(yù)留通訊協(xié)議擴(kuò)展通道。

（3）支持多器官數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制功能。

（4）系統(tǒng)界面靈活配置，既可以用于單機(jī)、也可以用于一體機(jī)。

（5）通道靈活配置，既可以一個(gè)屏幕顯示器顯示多個(gè)通道，也可以一個(gè)屏幕顯示器顯示單一通道。以適應(yīng)各種用途。

（6）架構(gòu)搭建靈活，可擴(kuò)展性可維護(hù)性高。

（7）界面簡(jiǎn)潔友好，易操作。

為此，需要設(shè)計(jì)一套靈活可擴(kuò)展的協(xié)議，可以識(shí)別各個(gè)器官，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以擴(kuò)展，如表1所示。

表1 一體機(jī)通訊協(xié)議

除此之外，通道參數(shù)和界面展示需要配置靈活，在此，采用xml文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，后續(xù)調(diào)試時(shí)只需要對(duì)配置文件進(jìn)行更改即可。通道參數(shù)的配置文件示例如下：

＜ChannelConfig＞

＜!--ProtocalID請(qǐng)勿變動(dòng)--＞

＜!--肝：1；肺：2；心：3；腎：4--＞

＜Channel ProtocalID="1"Name="肝機(jī)通道"IsUse="1"＞

＜ComParam PortName="COM7" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="2"Name="肺機(jī)通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM5" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="3"Name="心機(jī)通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM4" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜Channel ProtocalID="4"Name="腎臟通道"IsUse="0"＞

＜ComParam PortName="COM9" Baud="115200"DataBits="8"StopBits="1"＞＜/ComParam＞

＜/Channel＞

＜/ChannelConfig＞

下位機(jī)采用4塊板路分別控制4個(gè)管路循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)器官灌注系統(tǒng)的獨(dú)立控制，將采集到的壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)232傳送到上位機(jī)進(jìn)行展示。整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4。

圖4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 離心泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一體機(jī)采用4個(gè)獨(dú)立的離心泵系統(tǒng)，由60 W電機(jī)和兒童型泵頭組成。4個(gè)離心泵系統(tǒng)分別單獨(dú)控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管路中灌注液的流量和壓力。

表2 各器官需要的壓力和流量傳感器數(shù)量

2.3.2 管路循環(huán)系統(tǒng)

一體機(jī)根據(jù)4個(gè)獨(dú)立的離心泵系統(tǒng)和各個(gè)器官的接管要求設(shè)計(jì)4個(gè)不同的管路循環(huán)系統(tǒng)，其中肝臟灌注采用一個(gè)離心泵帶動(dòng)血液，氧合后的血液分2個(gè)管路分別注入肝動(dòng)脈和門靜脈，同時(shí)需要在進(jìn)入肝動(dòng)脈和門靜脈的管路分別設(shè)計(jì)有控制流量壓力的裝置。類似的，雙腎灌注也是由一根氧合后的血液分成2根，分別注入腎器官內(nèi)。在每個(gè)器官灌注系統(tǒng)的管路上，分別裝有流量傳感器和壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量和壓力值。

2.3.3 插管方式

插管方式如表3。

2.3.4 熱循環(huán)系統(tǒng)

一體機(jī)采用一個(gè)恒溫大水箱對(duì)4個(gè)管路循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱循環(huán)，用4個(gè)傳感器對(duì)氧合后的血進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，并反饋到上位機(jī)顯示。

2.3.5 器官容器設(shè)計(jì)

一體機(jī)器官容器的設(shè)計(jì)有兩種方案：第一種是做4個(gè)獨(dú)立的容器，根據(jù)各個(gè)器官的形狀、大小設(shè)計(jì)成合適的容器；第二種是做成一個(gè)大的容器，在大容器里劃分出4個(gè)用于4種器官安放的區(qū)間?？紤]到實(shí)驗(yàn)操作、接管空間和避免各個(gè)器官相互感染的問(wèn)題，本一體機(jī)考慮采用4個(gè)獨(dú)立的器官容器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 一體機(jī)各個(gè)器官的插管數(shù)量及其插管位置

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種多器官機(jī)械灌注系統(tǒng)以及其詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，在低溫轉(zhuǎn)運(yùn)之前對(duì)邊緣器官進(jìn)行了常溫機(jī)械灌注修復(fù)方法，理論上可以提高器官移植的利用率。當(dāng)然，實(shí)際結(jié)果需要取決于不斷的實(shí)驗(yàn)和臨床結(jié)果反饋并不斷對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

參考文獻(xiàn)：

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