自体血液回收机滚压泵泵距原位监测方法的研究

田 勇，丁 巾，李秀芝，张联博，李 欣

（哈尔滨医科大学附属第四医院输血科，哈尔滨 150001）

0 引言

当前，自体血液回收技术已趋成熟，并已在各大医疗机构临床中得以广泛应用，包括外科手术[1]、麻醉手术[2]、心脏手术[3]、产科手术[4]、骨科手术过程中[5-6]。多年来的国内外临床应用实践已证明该技术可以实现节约血液资源，避免因输血带来的传染性疾病等有益效果。在对特殊患者（如恶性肿瘤患者、产科患者和细菌感染患者）的临床应用中，血液回收自体输血可能诱发肿瘤细胞扩散，回收血混有羊水、细菌等问题[7]。国外研究学者业已尝试将血液回收输血与白细胞滤器联合使用，并建议用于前列腺、膀胱、肝等器官的肿瘤手术或妇科手术中[8]。自体输血技术及相应的自体血液回收机均具有良好的发展前景与可观的成本效益[9-11]。

以国产3000P型产品为例，自体血液回收机主要由主机、承载车和附件构成[12]。其中主机部分由离心系统、控制面板、显示器、液体滚压泵、电动机控制管道夹和超声波气泡探头构成。近年来，临床应用中已确认血液回收机中离心杯、储血器的正确安装是保证手术顺利的重要因素[8]，然而血液回收机中的液体滚压泵对于传送血液的影响和长时间应用血液回收机过程中可能出现的滚压轴调节螺母松动的现象及应对预防方法的报道较少。本文首先分析了液体滚压泵的工作原理和存在的问题，进而设计了可行的滚压泵泵距监测方法，包括基于薄膜压力传感器的监测方法和基于分布电容的监测方法，进而通过测试确认了以薄膜压力传感器在线监测滚压泵工作状态的方法可满足血液回收全过程出现故障和事故的预防要求。

1 液体滚压泵工作原理

液体滚压泵是用来控制液体进出血液回收罐的。自体血液回收机滚压泵外观如图1所示，工作前将泵管装入，适当拉紧长度以紧贴泵内壁为准。当滚压轮顺时针转动时，滚轮前方泵管内血液受挤压从出管口流出。滚轮后方的泵管压力消失，形成低压区，在泵压作用下血液可连续流动。目前的自体血液血收机是通过调整滚压轴调节螺母控制滚压轴与泵槽间隙，从而实现血液流速调控。

图1 自体血液回收机滚压泵实物图

滚压泵的滚压轴与泵槽之间的泵距参数非常重要，若泵距偏小，则血液流速减缓，泵管的挤压极易导致红细胞直接破碎和胞膜受损[13]，红细胞破坏严重，影响回收血液的质量；如泵距偏大，则滚压力不足，血液向前流动的效率降低，尤其是滚压泵倒转进行排空操作时，会导致排空不彻底，离心杯中有血液残留，大量气体进入血袋中，影响回输效果。但泵距的变化仅为毫米量级，仅凭肉眼观察泵距变化非常困难。自体血液回收机在长时间连续工作的情况下螺母松动将导致泵距参数增大，在无人注意的情况下会发生危险情况。但当前全凭工作经验调节该参数，因此手术过程中对自体血液回收机滚压泵泵距实时监测是必须的，对于超量值予以报警尤为重要。

2 液体滚压泵泵距原位监测方法

2.1 基于薄膜压力传感器的泵距原位监测方法

图1所示的滚压轴与泵槽之间距离的测试受限于其机械结构特征，因此直接应用光学观察的方式是无法实现的。考虑到泵距参数与滚压力间具有相关性，如果能够准确测试滚压力并通过公式将泵距参数反向推演将是有益的尝试。基于薄膜压力传感器的泵距原位监测方法的主要原理是建立滚压力和泵距的线性变化关系，进而通过检测滚压力值间接反映滚压泵泵距是否在合理应用范围内。

通过查阅文献资料[14]，找到了一种薄膜压力传感器（型号：A201，制造商：美国TekScan公司），厚度0.208 mm，宽度14 mm，长度51 mm，受力敏感区域9.53 mm2，测力量程有 4.4、110和 440 N 3 种可选，基底为柔性聚酯纤维材料，线性度<±3%，响应时间小于5 μs。该压力传感器的核心是电阻应变片，将应变片贴在泵槽内壁上，当滚压轴通过挤压泵管使应变片受压，则应变片里的金属材料随着外界的应变变长或缩短，其阻值也会相应变化。应变片就是利用应变效应，通过测量电阻的变化而对应变进行测量的。该压力传感器具有精度高、尺寸小等特点，实物如图2所示。

图2 A201型压力传感器实物照片

该压力传感器共引出3根线，包括激励电压输入、测量电压输出和地线。如图3所示，力测量电路设计包括激励电压电路设计和低噪声前置放大器电路设计。滚压力电压信号经滤波放大后输入ADC信号转换电路，转换为数字量输入C8051F120单片机中。激励电压电路由典型的稳压电路、扩流电路和激励电压接口组成，输出电压为DC 10 V。压力传感器灵敏度为1 mV/V，输出电压为0~10 mV。测量电压输出信号通过低通滤波器和滤波放大电路进行滤波放大，并通过ADC信号转换电路进行采集转换。

图3 力测量电路设计框图

压力传感器的校准工作是准确读取测量结果的前提，因此单独对压力传感器以 1、2、5、10、50 和100 g M22级标准砝码50次重复称重测量，对所得数据统计分析可完成压力测试值的修正处理，最终测量结果可达到测试精度为±1%、分辨力为1 g的技术指标。另外，设计LCD12864液晶屏电路实现系统运行状态和测量数据的辅助显示，设计蜂鸣器电路实现压力监测数据超过设定界限报警的功能。总体检测原理框图如图4所示。

图4 基于薄膜压力传感器的泵距监测原理框图

应用改性丙烯酸酯胶黏剂将薄膜压力传感器黏接在泵管和泵槽之间，按照自体式血液回收机操作规程安装回收罐及离心杯装置并运转回收机，设定滚压泵以500 ml/min的流速顺时针转动。调节滚压轴螺母，以游标卡尺记录泵距参数分别为3.6、3.9、4.0、4.3、4.5和4.6 mm，实时测试出滚压力数值，获得的滚压力与泵距关系如图5所示。将泵距参数与滚压力测试参数数值拟合，可得

式中，d为泵距（mm），p为滚压力（N）。拟合优度为0.999，可见滚压力与泵距间满足线性变化规律。将公式（1）确定的滚压泵泵距与滚压力关系曲线植入单片机程序中，通过液晶屏显示出滚压泵旋转工作时的泵距读数。同时，在程序中设定泵距3.9 mm为下限阈值、4.3 mm为上限阈值，若泵距读数超过所设阈值界限，则蜂鸣器报警提示。

另外，由图5可知，滚压泵控制的流速在450～550 ml/min变化也将引起相同泵距条件下产生的滚压力不固定。鉴于此，参照公式（1）将图 5中不同流速条件下的关系曲线分别拟合写入程序中以备不同实用条件下单独调用。

图5 泵距与滚压力关系测试结果

2.2 基于分布电容的泵距原位监测方法

根据电容位移传感器的原理可知，电容的两极分别是传感器和与之相对的被测物体。如果有稳定交流电通过电容位移传感器，那么输出交流电的电压会与传感器到被测物体之间的距离呈正比关系，从而可以通过测量电压的变化得到距离信息。基于分布电容的泵距测试原理框图如图6所示。将0.2 mm的铝箔裁剪并与另一绝缘片一同粘贴在泵槽内壁，铝箔与滚压转轴间将形成一对极板，其形成的电容数值C可表示为

式中，ε为真空介电常数，取8.85×10-12F/m；S为极板面积；d为极板间距。

设计LC振荡器，通过电感与电容的组合使得振荡器起振。测量电容时电感L取固定值，LC振荡器的频率f0可表示为

图6 基于分布电容的泵距测试原理框图

联立公式（2）和（3），可得滚压泵泵距d的表达式为

3 结果

设定滚压泵以500 ml/min的流量转动，设定初始泵距参数为4 mm，应用薄膜压力传感器方法在血液回收机连续工作100 h内连续监测滚压力并换算为泵距参数的实验结果如图7所示。可见在前80 h内监测得到的泵距参数稳定，波动量小，之后20 h内监测的泵距明显增大（4.15 mm左右），通过游标卡尺复测发现调节螺母有松动现象。连续实验100 h后，未发现薄膜压力传感器表面有磨损和移位现象，表明该方法可测性好、可靠性高。

图7 滚压泵连续运转100 h内的泵距监测结果

另外，应用分布电容测试方法得到血液回收机滚压泵在连续运转100圈过程中泵距参数如图8所示。在设定泵距为3.9 mm的条件下，测试得到的最大值为4.1 mm，最小值为3.8 mm。在设定泵距为4.3 mm的条件下，测试得到的最大值为4.6 mm，最小值为4.1 mm。可见测试结果稳定性不好。通过外接电路发现，滚压泵每次转动中获得的电容数值有时会波动较大，这可能与泵管的挤压变形差异有一定关系。

综合以上分析，应用薄膜压力传感器监测泵距更为可行。

4 结语

图8 应用分布电容方法所得的泵距监测结果

自体式血液回收机的可靠工作是临床安全输血的重要保证。实验结果表明基于薄膜压力传感器实现滚压泵泵距原位监测方法是可行的，通过植入关系曲线的单片机实时测量滚压泵泵槽与滚压轴之间的间隙，准确实时的数据可为及时调节泵距提供依据，避免了泵距过小导致泵管中血液红细胞的损伤，同时也避免泵距过大导致滚压力不足而降低泵流量。该方法的应用既不影响血液回收机的正常工作，又能够在测量过程中对超限距离进行报警，提高了血液制备质量，保证了临床安全用血，也减少了医护人员的工作量。下一步拟进一步观察滚压泵流量转速对血液质量的影响。