自體血液回收機滾壓泵泵距原位監測方法的研究

田 勇，丁 巾，李秀芝，張聯博，李 欣

（哈爾濱醫科大學附屬第四醫院輸血科，哈爾濱 150001）

0 引言

當前，自體血液回收技術已趨成熟，并已在各大醫療機構臨床中得以廣泛應用，包括外科手術[1]、麻醉手術[2]、心臟手術[3]、產科手術[4]、骨科手術過程中[5-6]。多年來的國內外臨床應用實踐已證明該技術可以實現節約血液資源，避免因輸血帶來的傳染性疾病等有益效果。在對特殊患者（如惡性腫瘤患者、產科患者和細菌感染患者）的臨床應用中，血液回收自體輸血可能誘發腫瘤細胞擴散，回收血混有羊水、細菌等問題[7]。國外研究學者業已嘗試將血液回收輸血與白細胞濾器聯合使用，并建議用于前列腺、膀胱、肝等器官的腫瘤手術或婦科手術中[8]。自體輸血技術及相應的自體血液回收機均具有良好的發展前景與可觀的成本效益[9-11]。

以國產3000P型產品為例，自體血液回收機主要由主機、承載車和附件構成[12]。其中主機部分由離心系統、控制面板、顯示器、液體滾壓泵、電動機控制管道夾和超聲波氣泡探頭構成。近年來，臨床應用中已確認血液回收機中離心杯、儲血器的正確安裝是保證手術順利的重要因素[8]，然而血液回收機中的液體滾壓泵對于傳送血液的影響和長時間應用血液回收機過程中可能出現的滾壓軸調節螺母松動的現象及應對預防方法的報道較少。本文首先分析了液體滾壓泵的工作原理和存在的問題，進而設計了可行的滾壓泵泵距監測方法，包括基于薄膜壓力傳感器的監測方法和基于分布電容的監測方法，進而通過測試確認了以薄膜壓力傳感器在線監測滾壓泵工作狀態的方法可滿足血液回收全過程出現故障和事故的預防要求。

1 液體滾壓泵工作原理

液體滾壓泵是用來控制液體進出血液回收罐的。自體血液回收機滾壓泵外觀如圖1所示，工作前將泵管裝入，適當拉緊長度以緊貼泵內壁為準。當滾壓輪順時針轉動時，滾輪前方泵管內血液受擠壓從出管口流出。滾輪后方的泵管壓力消失，形成低壓區，在泵壓作用下血液可連續流動。目前的自體血液血收機是通過調整滾壓軸調節螺母控制滾壓軸與泵槽間隙，從而實現血液流速調控。

圖1 自體血液回收機滾壓泵實物圖

滾壓泵的滾壓軸與泵槽之間的泵距參數非常重要，若泵距偏小，則血液流速減緩，泵管的擠壓極易導致紅細胞直接破碎和胞膜受損[13]，紅細胞破壞嚴重，影響回收血液的質量；如泵距偏大，則滾壓力不足，血液向前流動的效率降低，尤其是滾壓泵倒轉進行排空操作時，會導致排空不徹底，離心杯中有血液殘留，大量氣體進入血袋中，影響回輸效果。但泵距的變化僅為毫米量級，僅憑肉眼觀察泵距變化非常困難。自體血液回收機在長時間連續工作的情況下螺母松動將導致泵距參數增大，在無人注意的情況下會發生危險情況。但當前全憑工作經驗調節該參數，因此手術過程中對自體血液回收機滾壓泵泵距實時監測是必須的，對于超量值予以報警尤為重要。

2 液體滾壓泵泵距原位監測方法

2.1 基于薄膜壓力傳感器的泵距原位監測方法

圖1所示的滾壓軸與泵槽之間距離的測試受限于其機械結構特征，因此直接應用光學觀察的方式是無法實現的。考慮到泵距參數與滾壓力間具有相關性，如果能夠準確測試滾壓力并通過公式將泵距參數反向推演將是有益的嘗試。基于薄膜壓力傳感器的泵距原位監測方法的主要原理是建立滾壓力和泵距的線性變化關系，進而通過檢測滾壓力值間接反映滾壓泵泵距是否在合理應用范圍內。

通過查閱文獻資料[14]，找到了一種薄膜壓力傳感器（型號：A201，制造商：美國TekScan公司），厚度0.208 mm，寬度14 mm，長度51 mm，受力敏感區域9.53 mm2，測力量程有 4.4、110和 440 N 3 種可選，基底為柔性聚酯纖維材料，線性度<±3%，響應時間小于5 μs。該壓力傳感器的核心是電阻應變片，將應變片貼在泵槽內壁上，當滾壓軸通過擠壓泵管使應變片受壓，則應變片里的金屬材料隨著外界的應變變長或縮短，其阻值也會相應變化。應變片就是利用應變效應，通過測量電阻的變化而對應變進行測量的。該壓力傳感器具有精度高、尺寸小等特點，實物如圖2所示。

圖2 A201型壓力傳感器實物照片

該壓力傳感器共引出3根線，包括激勵電壓輸入、測量電壓輸出和地線。如圖3所示，力測量電路設計包括激勵電壓電路設計和低噪聲前置放大器電路設計。滾壓力電壓信號經濾波放大后輸入ADC信號轉換電路，轉換為數字量輸入C8051F120單片機中。激勵電壓電路由典型的穩壓電路、擴流電路和激勵電壓接口組成，輸出電壓為DC 10 V。壓力傳感器靈敏度為1 mV/V，輸出電壓為0~10 mV。測量電壓輸出信號通過低通濾波器和濾波放大電路進行濾波放大，并通過ADC信號轉換電路進行采集轉換。

圖3 力測量電路設計框圖

壓力傳感器的校準工作是準確讀取測量結果的前提，因此單獨對壓力傳感器以 1、2、5、10、50 和100 g M22級標準砝碼50次重復稱重測量，對所得數據統計分析可完成壓力測試值的修正處理，最終測量結果可達到測試精度為±1%、分辨力為1 g的技術指標。另外，設計LCD12864液晶屏電路實現系統運行狀態和測量數據的輔助顯示，設計蜂鳴器電路實現壓力監測數據超過設定界限報警的功能。總體檢測原理框圖如圖4所示。

圖4 基于薄膜壓力傳感器的泵距監測原理框圖

應用改性丙烯酸酯膠黏劑將薄膜壓力傳感器黏接在泵管和泵槽之間，按照自體式血液回收機操作規程安裝回收罐及離心杯裝置并運轉回收機，設定滾壓泵以500 ml/min的流速順時針轉動。調節滾壓軸螺母，以游標卡尺記錄泵距參數分別為3.6、3.9、4.0、4.3、4.5和4.6 mm，實時測試出滾壓力數值，獲得的滾壓力與泵距關系如圖5所示。將泵距參數與滾壓力測試參數數值擬合，可得

式中，d為泵距（mm），p為滾壓力（N）。擬合優度為0.999，可見滾壓力與泵距間滿足線性變化規律。將公式（1）確定的滾壓泵泵距與滾壓力關系曲線植入單片機程序中，通過液晶屏顯示出滾壓泵旋轉工作時的泵距讀數。同時，在程序中設定泵距3.9 mm為下限閾值、4.3 mm為上限閾值，若泵距讀數超過所設閾值界限，則蜂鳴器報警提示。

另外，由圖5可知，滾壓泵控制的流速在450～550 ml/min變化也將引起相同泵距條件下產生的滾壓力不固定。鑒于此，參照公式（1）將圖 5中不同流速條件下的關系曲線分別擬合寫入程序中以備不同實用條件下單獨調用。

圖5 泵距與滾壓力關系測試結果

2.2 基于分布電容的泵距原位監測方法

根據電容位移傳感器的原理可知，電容的兩極分別是傳感器和與之相對的被測物體。如果有穩定交流電通過電容位移傳感器，那么輸出交流電的電壓會與傳感器到被測物體之間的距離呈正比關系，從而可以通過測量電壓的變化得到距離信息。基于分布電容的泵距測試原理框圖如圖6所示。將0.2 mm的鋁箔裁剪并與另一絕緣片一同粘貼在泵槽內壁，鋁箔與滾壓轉軸間將形成一對極板，其形成的電容數值C可表示為

式中，ε為真空介電常數，取8.85×10-12F/m；S為極板面積；d為極板間距。

設計LC振蕩器，通過電感與電容的組合使得振蕩器起振。測量電容時電感L取固定值，LC振蕩器的頻率f0可表示為

圖6 基于分布電容的泵距測試原理框圖

聯立公式（2）和（3），可得滾壓泵泵距d的表達式為

3 結果

設定滾壓泵以500 ml/min的流量轉動，設定初始泵距參數為4 mm，應用薄膜壓力傳感器方法在血液回收機連續工作100 h內連續監測滾壓力并換算為泵距參數的實驗結果如圖7所示。可見在前80 h內監測得到的泵距參數穩定，波動量小，之后20 h內監測的泵距明顯增大（4.15 mm左右），通過游標卡尺復測發現調節螺母有松動現象。連續實驗100 h后，未發現薄膜壓力傳感器表面有磨損和移位現象，表明該方法可測性好、可靠性高。

圖7 滾壓泵連續運轉100 h內的泵距監測結果

另外，應用分布電容測試方法得到血液回收機滾壓泵在連續運轉100圈過程中泵距參數如圖8所示。在設定泵距為3.9 mm的條件下，測試得到的最大值為4.1 mm，最小值為3.8 mm。在設定泵距為4.3 mm的條件下，測試得到的最大值為4.6 mm，最小值為4.1 mm。可見測試結果穩定性不好。通過外接電路發現，滾壓泵每次轉動中獲得的電容數值有時會波動較大，這可能與泵管的擠壓變形差異有一定關系。

綜合以上分析，應用薄膜壓力傳感器監測泵距更為可行。

4 結語

圖8 應用分布電容方法所得的泵距監測結果

自體式血液回收機的可靠工作是臨床安全輸血的重要保證。實驗結果表明基于薄膜壓力傳感器實現滾壓泵泵距原位監測方法是可行的，通過植入關系曲線的單片機實時測量滾壓泵泵槽與滾壓軸之間的間隙，準確實時的數據可為及時調節泵距提供依據，避免了泵距過小導致泵管中血液紅細胞的損傷，同時也避免泵距過大導致滾壓力不足而降低泵流量。該方法的應用既不影響血液回收機的正常工作，又能夠在測量過程中對超限距離進行報警，提高了血液制備質量，保證了臨床安全用血，也減少了醫護人員的工作量。下一步擬進一步觀察滾壓泵流量轉速對血液質量的影響。