CN1593677B - 肾衰竭全自动智能腹膜透析仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，包括基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元、PLC控制装置、智能IC卡系统、蠕动泵和透析液管路系统组成，基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元分别连接有温度传感器和称重传感器，并与PLC控制装置连接，PLC控制装置分别连接有触摸屏和智能IC卡系统，并通过功率驱动电路与蠕动泵连接，蠕动泵与透析液管路系统连接。本发明可以设定各种透析参数，实现精确的流量和温度控制以及三种不同成份透析液的全自动透析，操作简单，安全可靠，并设有完善的报警和独特的治疗数据记录功能，使患者能按医嘱在家或医院进行安全可靠的透析治疗，也为研究开发远程透析治疗系统打下了基础。

Description

肾衰竭全自动智能腹膜透析仪

技术领域

本发明涉及医用装备系统技术领域，具体是指一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪。

背景技术

据有关资料显示，我国在二十世纪七十年代以来，每100万人中就有580人左右患有肾衰竭疾病，许多外伤烧伤等疾病也容易引起急性肾功能衰竭并发症，国内、外需要进行诊断和治疗的病人不断增加，其中需要进行透析治疗的病人每年以120％的速度增长。由于受肾源的限制，透析疗法依然是目前治疗肾衰竭的主要方法。透析疗法代价高昂，是卫生保健支出的主要部份之一。随着人口老化、环境、饮食等的改变，全世界(包括我国)肾衰竭疾病的发病率不断升高，因此对其治疗方法的改进(包括提高治疗质量、智能水平以及降低设备和消耗材料价格)一直是近年来生物医学工程领域和临床医生的研究开发热点。

目前的透析技术分为血液透析和腹膜透析两类。血液透析是以透析机及人工膜为基础的透析方式。由于血透机和配套的一次性消耗材料价格都非常昂贵，对医疗环境要求也特别高，因此目前还只能在实力很强的大医院对部分经济富裕的患者开展血液透析治疗业务。而腹膜透析是以腹膜为基础的透析方式，透析过程中的血液通路、透析膜和透析液都是自然的，其安全可靠性高。故从治疗效果和费用考虑，目前医学界普遍认为患者拟按腹膜透析→血液透析→肾移植的疗程进行治疗，可有效地延长患者的寿命。此外，腹膜透析与血液透析相比，还至少具有下列四大优点：第一，透析过程不用附加水源，符合环保要求；第二，治疗效果与血透相比无明显差异，部分效果优于血透，特别是腹膜透析对患者的残余肾功能具有明显的保护作用；第三，腹膜透析治疗适用范围广；第四，操作技术简单，患者生活质量提高，费用明显低于血透。在西方许多国家和我国香港地区，腹膜透析的价格是血液透析的1/3～2/3。因而在香港腹膜透析病人占香港透析病人总数的75％以上，在英国占50％以上，在墨西哥占95％以上。因此，采用腹膜透析技术治疗肾衰在我国医疗行业具有广泛的应用前景。

连续的不卧床腹膜透析(CAPD)是目前使用的主要透析方式。但由于传统的CAPD方式对大多数残存肾功能丧失殆尽的患者并不能提供充分的透析，因此往往需要增加透析剂量，从而导致患者不得不改变生活方式和大幅度增加了治疗费用，严重影响病人或家庭成员白天的工作和日常的生活质量。为有效地提高腹膜透析治疗技术水平和效果，降低治疗费用，改善病人和家属的生活质量，目前肾衰竭透析治疗技术正向自动化和智能化方向发展，如美国近年采用自动化腹透(APD)的患者占30～40％。由于接触管次数的明显减少，APD技术不仅可有效地降低腹膜炎的发生率、与腹膜透析有关的住院日以及治疗费用，同时还可方便地增减每次透析量和增加透析液更换次数以获得足够的毒素清除率。

目前，在国外市场上虽有几种腹膜透析机供应，但主要存在以下几个方面的问题：第一，治疗费用高。由于国外腹膜透析产品处于垄断地位，导致目前腹膜透析仪和配套的消耗材料价格非常昂贵(腹膜透析机的价格根据功能不同从十多万元到几十万元不等，配套使用的一次性消耗材料——透析管等更是国外公司谋取高利润的主要手段)，因此腹膜透析治疗业务目前只在个别大医院才有。第二，功能单调，软、硬件技术水平明显滞后。此方面更是目前腹膜透析技术急需解决的问题：首先，目前国外推出的腹膜透析器械产品功能单调，只能进行单一透析液的自动透析治疗，而临床上为提高治疗效果需要根据病人的情况及时调整透析液种类(一般有1.5％、2.5％和4％三种)，因此在更换透析液时还需要医生或护士进行人工操作，故目前使用的腹膜透析机本质上还是属于半自动化器械范畴。其次，国外现有的透析仪操作程序非常复杂，即使是非常专业的医生或护士也很难进行正确的临床操作，从而严重影响了推广应用。再次，到目前为止，还没有一种腹膜透析机具有记录、处理和分析透析过程数据等功能，也没有一种透析仪能够将病人的透析效果及时地反馈给透析机器或者医生调整透析治疗方案，对腹膜透析的效果只能凭临床医生和患者主观判断，远远没有体现出全自动透析的优越性。由于肾衰竭治疗是一种需要长期治疗的重病，患者如能够在家或者短期在基层医院进行治疗，则不仅能大大降低治疗费用，同时也对患者的日常工作不会造成太大的影响。但是，患者或基层医疗部门往往受条件的限制，很难对透析治疗效果作出合理的判断，更谈不上及时调整科学的治疗方案，因此，如何通过患者的透析废液等因素反映患者的透析治疗效果，并及时反馈到有丰富临床经验的专家或者依赖透析机器自身的学习能力做出可靠的治疗方案调整，是目前透析治疗技术的空白。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪。该透析仪采用先进的数字处理技术、智能系统技术、检测与反馈控制技术以及网络技术，操作简单，使用效果可靠，成本低廉，可以对透析治疗效果作出智能分析和判断。

本发明通过如下技术方案实现：所述肾衰竭全自动智能腹膜透析仪由基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元、PLC控制装置、智能IC卡系统、蠕动泵和透析液管路系统相互连接组成，其相互连接关系为，基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元分别连接有温度传感器和称重传感器，并与PLC控制装置相电气连接，PLC控制装置分别连接有触摸屏和智能IC卡系统，并通过功率驱动电路与蠕动泵相连接，蠕动泵与透析液管路系统相连接。

为了更好地实现本发明，所述PLC控制装置通过功率驱动电路连接有加热板，加热板与透析液管路系统相连接；所述PLC控制装置通过功率驱动电路连接有电磁阀，电磁阀与透析液管路系统相连接；所述智能IC卡系统包括通讯模块、IC卡记录装置和CPU模块，其相互连接关系为，CPU模块分别与通讯模块、IC卡记录装置相电气连接，通讯模块与透析仪的PLC控制装置相连接；所述蠕动泵包括泵体、泵阀安装板、转盘、滚轮、泵电机相互连接组成，泵体固定在泵阀安装板上，转盘、滚轮、泵电机安装在泵体内，泵电机通过转轴与转盘转动连接，滚轮轴向安装在转盘圆周上；所述泵体包括泵壳，其上、下两端通过定位导柱和定位板安装有活动块；所述电磁阀包括阀体、阀芯、偏心轮、电动机和位置检测电路板相互连接组成，所述电动机安装在阀体上，套有弹簧的阀芯与电动机轴向安装，位置检测电路板安装在阀体上电动机轴孔边，偏心轮固定套在电动机轴上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明采用完全自主的技术路线进行研制，通过触摸屏设定各种透析参数，采用多功能蠕动泵、电子称重和加热系统实现精确的流量和温度控制，并设有完善的报警和独特的治疗数据记录功能，使患者能按医嘱在家或医院进行安全可靠的透析治疗。

2.本发明采用自行研制的多功能蠕动系统，实现了三种不同成份透析液的全自动透析(国外同类产品需要人工操作)，蠕动系统采用机械装置与电机驱动相结合的自主技术路线，提高了蠕动的可靠性(国外产品普遍采用电磁阀控制液体的蠕动，抗干扰能力差，使用寿命短)。

3.本发明采用触摸屏严格按照治疗程序设置各种透析数据，不仅避免了国外产品复杂的操作，而且更安全可靠。

4.本发明采用了智能卡技术，不仅可以及时记录有关病人的治疗数据，使医生能及时根据有关数据研究和改进治疗方案，而且也为研究开发远程透析治疗系统打下了基础。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2和3是本发明的结构示意图；

图4是本发明中基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元的电路原理图；

图5是本发明中PLC控制装置、触摸屏和智能IC卡系统的电路原理图；

图6是本发明中蠕动泵、电磁阀和加热板的功率驱动电路原理图；

图7是本发明中蠕动泵和透析液管路系统的结构原理图；

图8是本发明中蠕动泵的结构示意图；

图9是本发明中电磁阀的结构示意图；

图10是本发明中智能IC卡系统的电路原理图；

图11是本发明中智能IC卡系统的工作流程图；

图12是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。

如图1所示，在本发明中，基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元分别连接温度传感器和第一称重传感器、第二称重传感器，并与PLC控制装置相电气连接，PLC控制装置分别连接有触摸屏和智能IC卡系统，并通过功率驱动电路分别与蠕动泵、加热板、7路电磁阀相连接，蠕动泵、加热板、7路电磁阀还与透析液管路系统相连接。

如图2和3所示，本发明所述肾衰竭全自动智能腹膜透析仪带有外壳15，温度传感器14、加热板10和第一称重传感器1安装在外壳15上端，第二称重传感器7安装在外壳15下端，触摸屏8安装在外壳15外侧，基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元5、PLC控制装置4、智能IC卡系统9、功率驱动电路3、7路电磁阀11和蠕动泵12安装在外壳15内，外壳15内还安装有24V开关电源2，外壳15底部连接有废液袋6，并有透析液管路外接腹腔13。其中，PLC控制装置4采用三菱FX1N30MR，温度传感器14为AD7416，第一称重传感器1采用中原电测CZL-1V3-6Kg，第二称重传感器7采用中原电测CZL-1V3-20Kg，触摸屏8采用MITSUBISHI公司的F930GOT。

如图4所示，基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元的电路由CPU模块16、通讯模块17、温度接口模块18、A/D转换模块19、传感器模块20、22、放大器模块21、温度模块23和电源模块24相互连接组成。其中，温度传感器采用带I²C接口、10位数字温度传感器AD7416；称重传感器采用CZL-10Y、CZL-20Y型号，精度为0.02。透析液的温度和称重信号经仪表放大器AD623放大、调理以及TLV2544模数转换后，通过PIC16C73温度、称重信号检测装置处理，然后由通信接口MAX1487传送到(PLC)FXIS-30MT控制装置。

如图5所示，PLC控制装置分别通过MAX1485通信接口与PIC单片机、智能IC卡系统和触摸液晶显示屏进行通信，协调控制，完成透析治疗过程。智能IC卡系统中的IC卡记录装置的型号是24C64，PLC控制装置中的光电位置检测模块的型号是SG-211。

如图6所示，25是蠕动泵控制电路，26是加热板控制电路，27是电磁阀阀门开关控制电路，28是电磁阀阀门开关检测电路。功率驱动电路的型号为：ULN2003(开关驱动)和TIP147(泵驱动)。透析液的品种或成分、透析液的流速、流量和温度、透析液在腹腔的滞留时间等透析参数由PLC和PIC单片机协调控制实现。

如图7所示，在透析液管路中安装有蠕动泵12和七个电磁阀29～35。其中，透析液管路由内径4毫米、外径6毫米的塑料胶管、三通接头(三个)、五通接头(一个)、管扦头或管接头(五个)、腹腔接头(一个)、输液袋(四个)和废液袋(一个)组成；在透析液管路中还可以安装手动管夹。七个电磁阀中，32、34是输液阀，29、30、31、33是补充阀，35是排液阀。36是去加温袋，13是去腹腔，6是去废液称重袋，37是去补充袋。

输排液连接导管要求：

(1)输排液连接导管管内承受20kPa的水压，持续4h，应不渗漏或破裂；

(2)输排液连接导管所有与透析液接触的材料，在正常使用条件下，不应对透析液产生不良作用。

如图8所示，在本实施例的蠕动泵中，泵电机39通过四个M5×12沉头螺钉安装在泵阀安装板38内，其10毫米外径轴伸通过键配合和螺钉限位将转盘44安装在泵阀安装板38外，而Φ90转盘44先通过滚轮轴Φ7×5.5mm与转盘44四个内径7毫米的孔紧配合，滚轮轴伸过转盘44的5毫米的M6螺纹用螺母紧固，从而将四个Φ28.5滚轮43轴向安装在转盘Φ58的圆周上，滚轮43内安装两个16毫米轴承，使滚轮43能在轴上转动，从而使泵电机39带动转盘44转动时，滚轮43在泵体内环内滚动，挤压其间的胶管，产生蠕动效应。泵壳48通过2个M6×12mm圆头内六角螺钉(从板内往外)、4个M5×10mm圆头内六角螺钉(从泵壳向内，板内用M6螺母锁紧)固定在泵阀安装板38上；再在其上安装泵体上、下活动块49、47；再将各两支外径5毫米的定位导柱42、46从上(或下)向下(或上)扦入泵体上、下活动块49、47、泵壳48相应的定位孔；再安装泵体上、下活动块定位板40、41(用各5个圆头内六角M4×14mm螺钉固定在泵壳上)；最后，将上、下松紧螺钉50、45(M8×15mm)安装在上、下定位板40、41上。当透析仪初始化装管和治疗完毕卸管时，为了装卸方便，松开松紧螺钉50、45，此时，泵体活动上、下活动块49、47可以向上、下滑动。当装好管后，拧紧泵体上、下活动块松紧螺钉50、45，锁紧泵体上下活动块49、47，系统即可运行。

如图9所示，安装电磁阀时，先将Φ13×40mm的弹簧57放进阀体52内径14.5毫米的孔内，再将阀芯56套进弹簧57内，先临时把阀芯帽M5螺钉拧进阀芯M5的螺孔内，锁住阀芯56；用三个M3×5沉头螺钉将电动机51安装在阀体52上(轴伸向阀芯这边)；将已弯成90度的检测铁片宽3毫米一端扦入偏心轮59内径3毫米的孔，使铁片宽5毫米一端紧贴在偏心轮59上，用M3×6圆头内六角螺钉上紧；将已焊好检测元件的检测位置电路板60用两个M3×6的圆头内六角螺钉安装在阀体52上电动机51轴孔边(注意，电路板下螺钉处应垫厚1毫米的绝缘垫圈)；将已装铁片的偏心轮59套在电动机51上，轴端与偏心轮上面差不多对齐，用M4×9圆头内六角螺钉将偏心轮59固定在电动机轴58上(螺钉应上在电动机轴58非圆柱面上)。将七个经上述步骤安装好的电磁阀(阀体52上的阀盖54未装)依次安装在面板53上，安装前，先将阀芯头55与阀芯56分开，把阀体52贴在板内，使阀芯56从板上内径13毫米的孔内伸出，再安装阀芯头55，再用四个M4×10mm平头螺钉从板上内径13毫米的孔周4个孔(内径4.5毫米，加锪孔Φ9)穿过，上在板内阀芯周4个M4的螺孔上，将阀体52固定在板上。注意：电磁阀32电动机尾端向右(从板正面看，下同)；电磁阀34电动机尾端向下；电磁阀33电动机尾端向左；电磁阀35电动机尾端向下；电磁阀29、30、31电动机尾端均向左。最后，每个电磁阀用2个M4×24、2个M4×15的圆头内六角螺钉把阀盖与面板、阀体固定在一起。注意：电磁阀32阀盖槽口向右；电磁阀34阀盖槽口向上；电磁阀33阀盖槽口向左；电磁阀35阀盖槽口向上；电磁阀29阀盖槽口向右；电磁阀30、31阀盖槽口向左。检测位置电路板60采用sk01-wb型。

如图10所示，模块61为CPU模块，模块62为通讯模块，模块63为IC卡接口模块，模块64为IC卡接口备份模块。其中，IC卡接口模块和IC卡接口备份模块组成IC卡记录装置。

如图11所示，智能IC卡记录装置的操作流程为：

初始化：智能IC卡记录装置自检，EEPROM测试；

IC卡测试：测试是否有有效的IC卡插入；

通讯测试：测试智能IC卡系统与PLC控制装置的通讯是否正常；

结果上报：将智能IC卡系统的状态(自检报告)、IC卡的状态(是否有有效的IC卡插入)、命令的执行情况通知PLC控制装置；命令的执行情况有：写治疗记录完成、写IC卡完成、写缺省配置完成、读缺省配置完成、读用户卡数据(下个纪录)完成、读用户卡数据(上个纪录)完成；

等待操作命令：定时读取PLC控制装置对智能IC卡系统的操控命令；包括：写治疗记录到EEPROM、写EEPROM中保存的治疗记录到IC卡、写PLC控制装置缺省配置到EEPROM、读EEPROM缺省配置到PLC控制装置、读用户卡数据(下个纪录)、读用户卡数据(上个纪录)；

纪录数据：接收的命令；

腾空、纪录新数据：以队列数据结构储存透析数据到EEPROM之中；

转存数据：接收的命令；

写数据入IC卡：从EEPROM中读纪录的数据并写到IC卡中；

上传数据：接收的命令；

逐条上传数据：从EEPROM中读当前的纪录数据，传送给PLC控制装置，供用户查询，同时调整当前纪录指针；

如图12所示，本发明所述肾衰竭全自动智能腹膜透析仪的工作由基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元、PLC控制装置以及触摸屏等协调控制完成。完成的工作主要有以下几个方面：

(1)称重、温度信号的采集和处理；

(2)按治疗流程设计的蠕动泵及阀门控制软件；

(3)存取治疗流程中的关键数据以及用户治疗信息的智能卡软件；

(4)显示及操作一体化的触摸屏人机接口软件；

(5)可编程控制器FX1S-30MT分别与两片PIC16C73单片机的通信程序。

本发明所述肾衰竭全自动智能腹膜透析仪的温度控制要求在±1℃之内，采用基于I²C总线的温度传感器AD7416测量温度，加热控制采用一般PID调节即可达到较理想的控制效果。

治疗流程主要分为以下几个步骤：

(1)人工排空管路；

(2)引流上次治疗废液；

(3)补充新鲜治疗液；

(4)加热治疗液；

(5)注入治疗液；

(6)留腹治疗；

(7)排出废液。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (7)

1.一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，包括基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元、PLC控制装置、智能IC卡系统、蠕动泵和透析液管路系统相互连接组成，所述基于PIC单片机的温度称重信号检测调理单元分别连接有温度传感器和称重传感器，并与PLC控制装置相电气连接，PLC控制装置分别连接有触摸屏和智能IC卡系统，并通过功率驱动电路与蠕动泵相连接，蠕动泵与透析液管路系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述PLC控制装置通过功率驱动电路连接有加热板，加热板与透析液管路系统相连接。

3.根据权利要求1所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述PLC控制装置通过功率驱动电路连接有电磁阀，电磁阀与透析液管路系统相连接。

4.根据权利要求1所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述智能IC卡系统包括通讯模块、IC卡记录装置和CPU模块，其相互连接关系为，CPU模块分别与通讯模块、IC卡记录装置相电气连接，通讯模块与透析仪的PLC控制装置相连接。

5.根据权利要求1所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述蠕动泵包括泵体、泵阀安装板、转盘、滚轮、泵电机相互连接组成，泵体固定在泵阀安装板上，转盘、滚轮、泵电机安装在泵体内，泵电机通过转轴与转盘转动连接，滚轮轴向安装在转盘圆周上。

6.根据权利要求5所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述泵体包括泵壳，其上、下两端通过定位导柱和定位板安装有活动块。

7.根据权利要求3所述的一种肾衰竭全自动智能腹膜透析仪，其特征是，所述电磁阀包括阀体、阀芯、偏心轮、电动机和位置检测电路板相互连接组成，所述电动机安装在阀体上，套有弹簧的阀芯与电动机轴向安装，位置检测电路板安装在阀体上电动机轴孔边，偏心轮固定套在电动机轴上。

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