一种维持肝脏灌注血液温度平衡的新型热交换系统

魏晓磊 任晓龙 方碧云

摘要：为满足肝脏机械灌注时对常温和低温两种状态的温度需求。该文阐述了一种肝脏灌注过程维持血液温度平衡的新型热交换系统。该系统内置低压PI加热片和冷凝机组，采用增量PID算法动态调节水箱温度实现肝脏机械灌注的常温及低温两种温度控制模式。该系统具有温度动态范围广，响应速度快，医疗风险低的特点。通过功能样机实验，该系统十分钟内可使膜肺升高6℃，温度达到稳定后，膜肺内温度波动小于0.3℃，在机械灌注过程中，为肝脏提供了一个良好的温度范围，激发肝功能活性。

关键词：机械灌注；热交换系统；PID算法；PI加热片；冷凝机

中图分类号： TH789 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）23-0262-03

Abstract： In order to meet the liver mechanical perfusion at normothermic temperature and hypothermic temperature requirements . This paper describes a new type of heat exchange system that maintains blood temperature balance during liver perfusion. The system uses PT1000 to detect the temperature，According to the temperature command the circuit dynamically controls the PI heater and the condenser to achieve the two mechanical perfusion temperature modes at normothermic temperature and hypothermic temperature. the system has the characteristics of the temperature with a wide dynamic range，fast speed of response and low medical risk. Through the functional prototype experiment，The system can increase the membrane oxygenator solution 6℃ in 10 minutes，After the temperature is stable，the temperature fluctuation is less than 0.3℃.During the mechanical perfusion process，the liver is provided with a good temperature range to stimulate liver function.

Key words： mechanical perfusion； heat exchange system； PID algorithm； PI heater； condenser

1 引言

肝臟移植是治疗各种终末期肝脏疾病、急性肝功能衰竭的最后有效手段[1]。当今世界，居高不下的移植失败率是整个医疗行业面临的一个亟待解决的世界难题，供体和受体之间的器官移植过程是非即时事件，器官的离体保存技术作为影响肝脏移植手术成败的一个重要因素而被业内广泛研究 。

机械灌注（Machine perfusion， MP）是一种新型的器官保存、转运方式。器官离体后通过带有转动泵、控温装置、控压装置、氧合装置及计算机控制装置的设备用离体保存液或灌注液进行体外循环灌注[2]。保持肝脏处于相对正常的生理状态，为肝脏提供代谢底物，清除代谢废物，达到保存及修复供肝的目的[3]。

温度控制是影响肝脏离体保存的一个重要因素，根据灌注过程中维持温度的不同可以分为低温型、亚低温型及常温型，维持温度分别为 4 ～6℃、20℃及 32 ～37℃[4]。

目前医学领域仅有荷兰Organ-Assist公司推出一套多功能肝脏灌注系统用于临床试验。其温控部分只有一个通道和血液进行热交换，用于维持血液温度平衡的热交换系统温度控制范围低，升温速度慢（平均10分钟升温一度），不能用于低温静态存储。目前国内尚未有相似产品问世，业内研究人员相关产品研究多处于雏形阶段。同时，业内研究领域进行肝脏机械灌注的工作温度范围窄，很少同时具有低温和常温灌注的功能。基于目前的技术现状，本文设计了一种肝脏灌注过程维持血液温度平衡的新型热交换系统。其温度控制范围宽泛，可在低温和常温下进行机械灌注。本文阐述了该系统的具体设计过程。

2 系统的工作原理

为了满足肝脏机械灌注在低温和常温状态的不同温度需求。该热交换系统在常温灌注时通过低压隔离加热的方式调节容器中去离子水的温度，在低温灌注时，温控系统通过内置低压直流微型冷凝机来降低去离子水温度。水路循环系统与血液间的温度传递在多通道膜肺中以热交换的形式进行。温度检测电路和温度控制电路动态调节热交换系统的加热效率，使温度满足灌注所需要求。

3 热交换系统的整体结构设计及对应功能

热交换系统由控制电路和机械结构两部分组成。如图1所示，该装置包含储水容器1，微型离心泵2，冷凝机组12，温度传感器5、6、7、15；控制阀9、10；膜肺3、4；液位传感器8、三通管13、14，PI加热片11、17和控制电路组成一个闭环的水路循环控制系统。

PI加热片和冷凝机组分别控制储水容器里的去离子水温度，离心泵驱动水路循环通过管路流入膜肺，在膜肺内部，去离子水和血液完成热量传递而不进行物质交换。当需要低温静态存储时，关闭加热片，打开冷凝机组降温制冷，然后通过热传递使血液进行降温。水箱和膜肺中分别内置铂电阻温度传感器，该传感器具有高稳定性、高精度、响应快、抗震性好等诸多优点，作为工业精密测控系统中的一种理想测温元件而被广泛使用[5]。传感器电路动态检测去离子水和血液温度，利用增量PID算法调节温控单元，实现温度的闭环控制。

储水容器壁外表包裹两片自主设计的PI加热片，单片额定功率为150W，工作电压24V，最高工作温度为130 ℃。工作时，如果两片PI加热片同时满负荷工作，经计算，热传递理论可以使容器内2L的去离子水每分钟升温3度。PI加热片采用低压隔离加热法，可以避免加热模块直接与水接触造成短路，从而降低了医疗风险。

储水容器底部外贴超声液位传感器，当容器中液位达到一定高度时候，电磁阀门开关自动关闭，从而实现容器内进水量的精确控制。储水容器左右两侧分别开一个螺纹孔，右侧通过生物软管与离心泵相连，离心泵进水口的螺纹孔比容器出水口螺纹孔高度略低，由于水位垂直高度差，去离子水可自动灌入离心泵驱动其工作，离心泵出水口与生物软管垂直连接，利用去离子水与气泡间分子密度差可以有效地排除气泡。离心泵出水口连接冷凝机组的进水口，冷凝机组出水口连接三通管转接头并分别与两个膜肺的进水口连接，两个膜肺的出水口通过生物软管分别连接到三通管的入口端，出口端与储水容器左侧螺纹孔相连，由此组成一个闭合的水路循环系统。储水容器右下侧设置一个阀门开关用于释放用过的废水。

该系统采用双通道热量交换模式，即容器中去离子水通过离心泵和三通管与两个膜肺同时进行闭路循环流动，可以与双通道的血液同时进行温度传递，从而减少了温度传递时间，提高了工作效率。

4 热交换系统的电路设计

该热交换系统的温度控制流程是，传感器电路分别检测去离子水和血液的温度值，根据检测到的温度值动态调节三极管基极电压的占空比，驅动PI加热片实现不同的功率，若需要冷凝，则关闭加热片，开启冷凝设备制冷，通过动态检测去离子水和血液温度，动态调整冷凝机组的控制电压，从而实现闭环控制。当去离子水或者血液的目标温度超过设定温度一度时，控制电路上面的声光报警设备会自动开启，同时切断加热电源。

4.1 温度检测电路

温度检测单元采用精度为0.1度的PT1000三线制铂电阻传感器，前级电路REF3030A组成的3V基准电路用PT1000通过H桥电路进行信号转换，然后经过放大、滤波、采样、运算读取温度值。

本方案设计采用三通道温度传感器分别检测去离子水和两路血液三个温度值。温度传感器5、6、7分别监测容器内去离子水和两个膜肺中血液的温度，常温灌注时，同时打开两片PI加热片驱动电路，关闭制冷设备，通过增量PID控制算法调整加热片功率，水温上升的同时在膜肺内部与血液进行热交换，热交换直到血液温度达到36.8 ℃并维持恒温。当器壁温度达到39 ℃时，发出声光报警信号，同时切断加热电源。低温灌注时，打开制冷驱动电路，关闭PI加热片驱动电路，调整压缩机功率，通过PID控制技术将去离子水温度调整到预设温度4 ℃，直到血液温度达到4 ℃并维持恒温。

4.2 温度控制电路

PI加热片工作额定电压24V。如图3所示，本设计利用三极管N2和MOS管N1联合驱动形成斩波电路，然后经过LC滤波后获得稳定的输出电压，MOS管IRF5210SPBF为D2PAK封装，驱动电压100V，工作额定电流20A，导通阻抗0.06Ω。电源端去耦电容C1和C2分别对高低频噪声滤波。传感器电路分别检测器壁、去离子水和血液的温度值，然后CPU控制三极管基极电压的占空比得到不同的电压驱动PI加热片产生不同的加热功率，从而实现一个闭环控制过程。

5 功能样机性能测试

在水箱内注入2L去离子水，每隔5s分别记录水箱内温度和膜肺温度。其温度随时间的变化如图4所示。由图4可知，十分钟之内膜肺可升温6℃，水箱内液体最高温度37.3℃，膜肺最高温度36.5℃，温度达到稳定后，膜肺内温度波动小于0.3℃。

6 实验结果分析

（1）利用PID控制器，完成容器中去离子水和血液在膜肺中进行热量交互，调节血液温度到预设温度并维持在一定的温度范围内，在机械灌注过程中，为肝脏提供了一个良好的温度范围，激发了肝功能活性。

（2）PI加热片单片功率150W，工作电压为24V，利用两片PI加热片包裹在圆柱体水箱表面同时加热，独特的结构设计有利于更好地温度传递，减少热量耗散。低压隔离加热有利于防止老化漏电现象，降低了医疗风险。

（3）容器中去离子水通过离心泵和三通管和两个膜肺同时进行闭路循环流动，可以与双通道的血液同时进行温度传递，提高工作效率，并且离心泵工作噪声低，可提供较好的临床体验。

（4）微型直流冷凝机组可以降低容器中去离子水的工作温度，提供宽泛的温度控制范围。

（5）本方案可以产品化，弥补国内肝脏灌注领域温度控制产品不足的缺陷。

7 结论与展望

本系统主要工作是对机械灌注时灌注液温度进行调节与维持。在对功能样机的实验验证中，该系统升温速度快，温度可稳定保持。目前功能样机只做了加热部分的设计，冷凝部分在进一步设计当中。在国内，这项技术还在起步阶段，真正应用于临床肝脏移植手术时，需要考虑的因素很多。该系统只考虑了温度因素并在此基础上作了简单实验验证，更多因素的考虑及更加精确的实验将在后续的工作中作进一步研究。

参考文献：

[1] 郑树森，梁廷波. 不断总结和规范，全面提高我国肝脏移植水平[J]. 中国医学科学院学报，2005，（4）：415-418.

[2] Monbaliu D， Brassil J. Machine perfusion of the liver： past， present and future[J]. Curr Opin Organ Transplant， 2010，15（2）： 160-166.

[3] 程颖. 机械灌注在肝移植中的应用[J]. 器官移植，2016，（5）：390-393.

[4] Monbaliu D，Brassil J. Machine perfusion of the liver： past，present and future[J].Curr Opin Organ Transplant，2010，15（2）：160-166.

[5] 张瑜，张升伟. 基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计[J]. 传感技术报，2010，（3）：311-314.

【通联编辑：梁书】