基于半导体变温技术的离体肾脏保存箱温度控制系统的研制

丁志良，胡亮，汤国平

1.嘉兴市第二医院，浙江 嘉兴314000；2.浙江大学医学院附属第四医院，浙江 义乌 322000

基于半导体变温技术的离体肾脏保存箱温度控制系统的研制

丁志良1，胡亮2，汤国平2

1.嘉兴市第二医院，浙江 嘉兴314000；2.浙江大学医学院附属第四医院，浙江 义乌 322000

0 前言

慢性肾脏疾病（Chronic Kidney Disease，CKD）的进展过程被认为是不可逆的，最终必将进展至终末期肾病（End Stage Renal Disease，ESRD）[1-2]。目前血液透析、腹膜透析和肾移植是终末期肾病患者替代治疗的主要方法，其中，终身透析治疗费用高昂，会使患者家庭和社会均不堪重负；肾移植是根治ESRD的最终方法[3-6]。

肾移植术是将供体肾脏移植到受体体内，使其恢复血液供应并能在受体体内发挥肾脏功能的技术[7]。离体肾脏保存期间，其活力的维持是肾移植成功的重要前提[8]，低温可以抑制一系列酶促反应，降低能量消耗，减慢细胞内酶破坏器官生命力成分的速度，但是温度过低将引起组织细胞损害[9]。因此，精确控制离体肾脏的保存温度对提高肾移植手术的成功率有着非常重要的意义。研究表明，当器官处于低温状态（4 ℃）时，其细胞代谢速率仅为正常状态时的10%～12%，且其组织细胞不会受到损害，因此4 ℃是器官体外保存的最佳温度[8]。

目前国内常采用的离体肾脏保存方案为：取出供体肾脏，灌注4 ℃的肾脏保存液，灌注完毕后将其保存于外部有冰水混合液的金属盒内。此方案的缺点为温度控制不精确、降温速率不高，影响离体肾脏移植的成功率[10-11]。为此，笔者研制了一种基于半导体变温技术的离体肾脏保存箱，具有加热制冷双向工作、体积小、重量轻、无震动、无噪音、可靠性高、热惯性小等特点，其中温度控制系统是该保存箱的关键。本文阐述了该温度控制系统的研制过程。

1 半导体变温技术的基本原理与应用

1834年法国物理学家帕尔贴发现，当外加的直流电流流过由两种不同材料组成的封闭回路时，回路两端的结点将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效应[12]，即半导体变温技术的基本原理。半导体制冷技术在临床医学上有着广泛的应用[13-14]，如快速病理切片[15]、PCR仪[16]、亚低温疗法[17]、冷冻止血、冷冻切除白内障以及血清、疫苗和血浆的低温存储等。

2 离体肾脏保存箱温度控制系统的结构设计

离体肾脏保存箱温度控制系统主要由温度数据采集模块、线性校正与放大模块、PID控制模块、功率输出模块、变温模块、电源模块等组成，结构框图见图1。

图1 离体肾脏保存箱温度控制系统结构框图

系统主要工作原理为：高精度的铂电阻温度传感器（Pt100）测量肾脏保存箱的实际温度信号，该温度信号经过线性校正与放大后送入PID控制器，PID控制器将实际测量值与系统设定值的差值进行PID处理后，经脉冲宽度调制（PWM）控制功率输出的大小，从而实现对系统变温的精确控制。系统的电源采用开关电源，交直流两用；充电电池的电压为24 V，容量为40 AH，在400 W脉冲导通时可以提供数小时的冷藏供电，以便在无市电供应的情况下保证系统的正常工作。

3 离体肾脏保存箱温度控制系统的温度控制策略

系统的温度控制采用PID控制器实现。PID控制器是一种应用广泛的自动控制器，具有原理简单、容易实现、鲁棒性强等优点[18]。

3.1 测温电路设计

准确快速的温度测量是实现温度精确控制的关键，离体肾脏的保存要求温度传感器测温要迅速、线性要好。因此，系统的测温传感器采用铂电阻（Pt100），在温控范围（0～5 ℃）内具有比较好的线性，线性校正也相对简单。为了满足实验要求，本研究将Pt100传感器放入不锈钢圆套中，中间充以硅胶，并用环氧树脂封装。另外，为使温度控制更加准确，本研究选用两个Pt100传感器，将其对称放置在肾脏保存箱的内壁上。

3.2 PID控制原理

PID控制原理框图，见图2。PID控制系统主要由PID控制器与被控对象组成。

图2 PID控制系统框图

将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制公式为：

传递函数形式为：

式中： KP为比例系数， Ti为积分时间常数， Td为微分时间常数。

采用离散化表达，PID控制系统输出u(k)可表示为：

式(4)也可表示为：

由式(5)可推导出：

式(5)与式(6)相减得出增量式PID控制算法的输出增量为：

式中：

式(7)可写为：

根据Ziegler-Nichle条件，令:

式中：Tk为临界震荡周期，代入式(8)得：

这是一种简化的扩充临界比例整定法，又称归一参数整定法。此方法只需整定一个参数，适合计算机自整定。该方法采用时间乘绝对误差积分准则（ITAE准则）：

由式(10)可以看出，当取最小值时，控制系统的状态为最佳。ITAE准则主要考虑瞬态响应后期出现的误差，对单位阶跃响应的初始误差考虑甚少。应用这种准则设计的系统超调量小、抗干扰能力强，具有良好的选择性和灵敏度。其算法推算如下：

控制系统是稳定的，我们可以认为在0-T0和Tm-T∞时，/ e(t)/→0，所以式(11)可以写为：

经离散化后，可以表示为：

T为采样周期，为常数，计算最小值时可等效于求：

3.3 增量式PID控制算法

增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量△u。采用增量式算法时，计算机输出的控制量△u对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。

式(16)、(17)、(18)中C为常数，相对Kp较小，实际可取C=0.1Kp，这样可以提高系统的抗干扰能力。

增量式算法的优点有：① 算式中不需要累加，控制增量△u的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；② 计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小，不会严重影响生产过程；③ 手动-自动切换时冲击小，当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。

4 系统性能测试

系统组装调试完成后，委托第三方进行性能测试验证。本研究委托浙江省计量科学研究院热工与能源计量研究所对离体肾脏保存箱进行性能测试。测试时采用300 mL生理盐水代替用于肾脏保存的高渗枸橼酸腺嘌呤液。测试地点：浙江省计量科学研究院；环境条件：温度（24.8 ℃），湿度（56%）；测试设备：测温仪（Fluke 1529，美国）。离体肾脏保存箱箱体结构示意图，见图3。

图3 离体肾脏保存箱箱体结构示意图

测试时测温仪的温度传感器放置在离体肾脏保存箱内部中央，与系统的温度传感器保持在同一水平。4块半导体制冷片放置在离体肾脏保存箱的底部和周边。通过循环蠕动泵使不锈钢保存箱内的液体热均匀。开始测量前保存箱的温度为20.3 ℃，环境温度为24.8 ℃。测试系统由20.3 ℃下降到4 ℃并保持4 ℃恒温的效果。

测试时每隔10 s记录1次系统的温度值，最终将测试的温度与时间数据绘成时间-温度关系图，见图4。由图4可知，离体肾脏保存箱的温度由20.3 ℃下降到4 ℃并保持恒定所需的时间大约为25 min。其中，第一个波谷温度为3.8 ℃（温度过冲＜0.2 ℃）；温度趋于稳定，稳定后温度最高为4.1 ℃，最低为3.9 ℃（温度波动＜0.1 ℃）。

有容量（放置300 g猪肾）的情况下，离体肾脏保存箱测试的时间-温度关系图，见图5。由图5可知，离体肾脏保存的温度由20.3 ℃下降到4 ℃并保持恒定所需时间大约为30 min。其中，第一个波谷温度为3.7 ℃（温度过冲＜0.3 ℃）；温度趋于稳定，稳定后温度最高为4.2 ℃，最低为3.8 ℃（温度波动＜0.2 ℃）。

上述数据表明，离体肾脏保存箱温度控制系统在降温速率方面达到了设计目标。

图4 离体肾脏保存箱测试时间与温度示意图

图5 离体肾脏保存箱测试时间与温度示意图（放置300 g猪肾）

5 讨论

性能测试数据表明，系统变温时，离体肾脏保存箱温度过冲＜0.3 ℃，恒温温度波动＜0.2℃，可满足离体肾脏保存对温度的要求，其温度控制系统具有如下特点。

（1）系统采用脉宽调制（PWM）控制功率输出的工作电压脉宽，来实现对温度的精确控制，经第三方检测，变温和恒温效果较好。

（2）系统采用PID自整定算法，与常规PID控制算法比较，可使被控对象的温度波动大幅度减小，系统变温时响应时间≤3 s，控制精度优于0.3 ℃，恒温波动＜0.2 ℃。

（3）系统温度控制策略采用增量式PID控制算法，避免了扩充临界比例整定法的偏差累加导致的较大的累积偏差，降低了系统不良的超调现象。

6 结论与展望

本研究研制了一种基于半导体变温技术，可对离体肾脏保存箱的温度进行精确控制的系统。温度控制测试数据表明，基于该温度控制系统的离体肾脏保存箱的温度过冲＜0.3 ℃，恒温时温度波动＜0.2 ℃，实现了设计目的。

随着半导体材料研究的不断深入，半导体的变温性能会越来越好，基于单片机的温度控制技术也会越来越成熟，半导体变温技术会应用于更多的领域，在医学工程方面的研究也会更加深入。

影响离体肾脏保存的因素非常多，温度只是其中之一。今后将对影响离体肾脏保存的其他因素进行更广泛的研究，以提高离体肾脏的保存质量，进而提高肾移植手术的成功率。

[1] Meguid ENA,Bello AK．Chronic kidney disease:the global challenge[J]．Lancet,2005,365(9456):331-340．

[2] Eddy AA．Molecular insights into renal interstitial fibrosis[J]．J Am Soc Nephrol,1996,7(12):2495-2508．

[3] Xue JL,Ma JZ,Louis TA,et al．Forecast of the number of patients with end-stage renal disease in the United States to the year 2010[J]．J Am Soc Nephrol,2001,12(12):2753-2758．

[4] Lysaght MJ．Maintenance dialysis population dynamics:current trends and long-term implications[J]．J Am Soc Nephrol, 2002,13:S37-S40．

[5]高晓健,张怡玲．慢性肾脏病流行病学研究现状[J]．临床军医杂志, 2010,38(4):676-678．

[6] Coresh J,Selvin E,Stevens LA,et al．Prevalence of chronic kidney disease in the United States[J]．JAMA,2007,298(17):2038-2047．

[7] 郑克立．临床肾移植学[M]．北京:科学技术文献出版社,2006:581．

[8] 明长生,夏穗生,陈金枝,等．温度对WMO-1号液保存犬肾的影响[J]．中华器官移植杂志,1999,20(2):108-109．

[9] Southard JH,Belzer FO．Organ preservation[J]．Annu Rev Med,1995,46:235-247．

[10] 程燕,袁发焕．离体肾脏保存研究进展[J]．国外医学(泌尿系统分册),2001,21(5):237-238．

[11] 石瑛,肖传国．肾脏保存研究进展[J]．临床泌尿外科杂志, 2005,20(8):509-511．

[12] 谢永奇,高红霞,谢永奇．电子设备热设计及分析技术[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2002:227-228．

[13] 胡亮,冯靖祎,吕颖莹．一种新型温控系统在胰岛干细胞分离中的应用[J]．中国医疗设备,2010,25(11):14-16．

[14] 冯靖袆,胡亮．胰岛干细胞分离全程温度控制系统的研制[J]．中国生物医学工程学报,2011,30(1):82-87．

[15] 李洪斌,杨先．半导体制冷技术原理与应用[J]．现代物理知识, 2007,(5):34-36．

[16] 徐平,余威,王健桦,等．模糊PID控制用于PCR芯片实验室温控系统[J]．华东理工大学学报(自然科学版),2007,33(2):267-270．

[17] 王金玲,李菲,刘真秀．应用半导体制冷仪行亚低温治疗大面积脑梗死病人的疗效观察[J]．全科护理,2008,6(36):3313-3314．

[18] 谢长生,胡亦鸣,钟武清．微型计算机控制基础[M]．成都:电子科技大学出版社,1994．

Development of A Temperature Control System for Isolated Kidney Preservation Device Based on the Semiconductor Temperature Control Technology

DING Zhi-liang1, HU Liang2, TANG Guo-ping2
1.The Second Hospital of Jiaxing, Jiaxing Zhejiang 314000, China; 2.The Fourth Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Yiwu Zhejiang 322000, China

肾移植是治疗终末期肾病综合症的主要方法之一，供体肾脏离体后的低温保存是影响手术成功的重要因素。本文阐述了一种简便、精度高、控制速度快的离体肾脏保存箱的温度控制系统的研制过程。该系统采用半导体变温技术来控制离体肾脏保存箱的温度，其测温传感器采用稳定性好、示值复现性高的铂电阻（Pt100），温度控制策略采用PID控制。测试结果表明，系统在工作环境（23 ℃±2 ℃）条件下的温度过冲＜0.3 ℃，温度控制精度为±0.2 ℃，符合离体肾脏保存对温度的要求。

肾脏移植；离体肾脏低温保存；半导体变温技术；PID控制

Renal transplantation is one of the main treatments for the end-stage nephrotic syndrome. In order to improve the success rate of transplantation, the donor kidney should be preserved in low temperature before transplantation. In this paper, an easy-to-use temperature control system with high precision and rapid response speed for isolated kidney preservation device was presented. The semiconductor temperature control technology was applied in this system to control the temperature of isolated kidneys. The platinum resistance (Pt100) was used as temperature sensor and the PID (proportional-integral-derivative) controller was taken as the temperature control policies. According to the experimental results, the temperature overshoot of the system was less than 0.3 ℃ and the temperature accuracy was ±0.2℃ when it worked at the temperature of 23℃±2℃, which satisfied the temperature requirements of preservation of isolated kidneys.

kidney transplantation; preservation of isolated kidneys in low temperature; semiconductor temperature control technology; proportional-integral-derivative control

R699.2；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.008

1674-1633(2015)02-0033-05

2014-10-10

2014-11-20

胡亮，高级工程师。

通讯作者邮箱：ywhl@zju．edu．cn