中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

血透机体外循环系统的核心组件——血泵简介

2021-02-04

今天继续聊血透机,说说体外循环最重要的组成部分。体外血液循环系统的作用是使患者的血液可以安全地引出体外,进入透析器,并安全返回患者体内。可是80年前的体外循环系统并没有动力装置,学者Kolff的第一代转鼓系统使用重力作为驱动力,将患者处采集的血液引入滴定管然后挂到房间的天花板,利用重力使血液通过缠绕在转鼓上的半透膜与透析液进行弥散,净化后的血液回到滴定管,最后再依靠重力回输到患者体内,如图1所示。

图1 转鼓透析装置示意图
早期在重症监护室,依靠病人动静脉压力差强迫血液进行体外循环。该技术用于连续动静脉血液滤过(CAVH)和连续动静脉血液透析(CAVHD)。因为它不依赖于设备,1977年被重新引入CRRT治疗。但是使用动静脉压差进行体外循环的方法也可能带来风险,例如体外循环管路断开造成大量失血,该方法并未在今后的治疗中继续使用。

图2 CAVH
目前,血液透析装置的体外循环全部都是由血泵驱动完成,一般采用蠕动泵,通过挤压管路来驱动内部血液流动,血液在体外的驱动力是血泵出口和静脉入口之间的压力差,并且有相关的压力监测装置和空气探测装置。

1. 血泵工作原理
透析装置的血泵通常带有两个弹簧加载的滚轮和一个支撑血路管的定子(部分型号透析装置带有三个滚轮)。选择两个滚轮的理由是在方便安装血路管和对血液物理伤害之间的平衡。随着其它参数保持不变,血液的损伤与滚轮数成正比。泵床必须至少覆盖360°/n的角度为滚轮数。对于两个滚轮,覆盖角度范围>180°,这允许血液在同一侧进出,并且能保证总是有至少一个滚筒与血路管的泵管段接触。

蠕动泵的泵头分为两部分:转子和泵壳,如图3所示。血路管泵管部分被固定放置于转子与泵壳之间,转子上的滚轮依次碾压泵管,形成负压,滚轮碾压后的泵管因自身弹性复原、在泵管吸入端形成真空,液体随之流动。蠕动泵的负压与液体吸入是靠泵管自身的弹力产生的,泵管的回弹速度与时间是固定的,同一泵管的回弹力也是固定的。因为这种特性,蠕动泵所产生的吸入量会受泵管硬度的影响。蠕动泵每转一圈将产生一个固定不变的液体输送量。因此蠕动泵可以通过调节泵的转速改变流量大小,同时输送的精度也非常高。

图3 血泵组成结构示意图
理论上每转吸量是实际的吸量的上限,可以通过公式Vs=D×π×a进行计算。其中D(cm)是泵床在管轴线处的直径,a是血路管的横截面,Vs的单位为mL。对于理想管路的圆形横截面管a,由公式a=(d^2×π)/4 得出。需要注意的是,每转吸量与使用的滚轮数量无关。流量是吸量与转速rs的乘积:Qb=Vs×rs。

在图4中,滚轮从位置A滚动到位置B,不考虑滚轮碾压血路管占有的体积,输送血液的体积约等于圆弧AB段血路管内存储的血液体积:Δq=ƟD×(d^2×π)/8 ,式中D为泵壳圆周直径,d为血路管内径,Δq圆弧AB段血路管内存储的血液体积,Ɵ为滚轮转动的角度,Ɵ的单位是rad(弧度1rad=180/π度,2πrad=360度)。

图4 滚轮转动示意图
2. 实际血流量
由于在开放状态时的患者动脉穿刺针后血流量往往小于血泵转动时的血流量,在血路管的血泵入口段通常存在负压,血泵流量又存在压力依赖,因此,用户在透析装置设置的血流量与实际血流量可能存在偏差,透析装置显示的血流量可能并不准确,有些透析装置通过监测动脉压,可以修正这个偏差。实际的血流量可以通过血泵前的负压和血泵设定的血流量计算而得。该计算值与超声直接测量流量的结果相比误差约为5%。以下是某机型的实际血流量计算公式:Qr=Qba×[1-Ap×(-0.075/100)],其中:Qr:实际血流量(mL/min),Qba:动脉血泵设定流速(mL/min),Ap:动脉压(mmHg),-0.075:常数。不考虑血泵本身的误差,按照该公式可知,如果动脉压为-100mmHg,则实际血流量会比设置的血流量低7.5%。

考虑到以上各种情况的影响,行业标准《YY0054-2010血液透析设备》以及大多数透析装置的操作手册中都规定,血流量的最大误差不能超过±10%。YY0054标准还规定了进行血流量误差试验时,要把泵前压设置在-26.7kpa(-200mmHg)处。

3. 血泵相关溶血
早期的血泵能够产生大于6×105Pa(6bar)的压力,足以使大多数的血路管破裂。之后设计的血泵使用弹簧限制血泵在37℃时能够产生最大压力为2bar。当压力大于2bar时,泵不会完全咬合,关于2bar以上的压力是否会造成溶血仍然需要更多的研究。

Hyde等学者发现体外循环运行8小时后血液溶血量约为总循环量的0.55%。Bernstein和Gleason报道,与硅胶材质的血路管相比,PVC材质的血路管溶血率更高。这两篇论文所述的测试是在没有反压条件下进行的。关于血路管的材料,现在大部分都是使用PVC,是否会有新材料的血路管出现,目前没有找到新的资料。

关于血泵的内容今天就说这些了,体外循环相关的压力监测装置和空气探测装置在后续的文章会陆续更新。

文章及图片来源:小应聊血液净化工程