血液透析机漏气检测系统的设计

刘 颂 罗华生

血液透析机漏气检测系统的设计

刘 颂①罗华生①

目的：针对AK200S血液透析机，设计一款智能化的漏气检测系统，协助工程师快速排查漏气点位置范围。方法：根据常规检测经验及故障统计记录和数据，对血液透析机易发生漏气的部分水路进行分析简化，并仿照血液透析机自检时的压力测试方式，在目标水路外连接一个气泵，通过控制气泵及其连接的电磁阀，对其内部分时分段分别施加正负压力。施加压力后通过外接压力传感器获取一定时间前后管道内部压力数据进行对比，分析判断此段管道是否存在漏气，判断标准为前后压力差＜5 mmHg时，则视为无压力泄漏，反之则需排查此段管道易漏气点。结果：对出现漏气报警的AK200S/AK200US进行183次检测，其中171次漏气检测系统检测出漏气点范围。漏气点分布于：过滤器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端软管夹子79次，其中确定的漏气点分别为密封圈162次，阀膜1次、接头8次，漏气故障检测成功率＞90%，其中常温状态下在预设排查水路的漏气检测成功率达到100%。结论：自制的漏气检测系统能够帮助临床工程师节约排查漏气点的时间，有效提高工作效率。

血液透析机；漏气检测；智能化；效率

血液透析是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一，目前国内接受透析的患者很多，而急需进行透析的患者日益增加[1-2]。随着医保范围扩大及国民收入的提高，预计透析患者人数仍将持续增长。

血液透析机是透析治疗中应用最广泛和最频繁的治疗仪器[3]。以肇庆市第一人民医院为例，1例患者的透析时间一般为4 h，一台机器每日可治疗2～3例患者，机器每周工作6 d，粗略统计，一台血液透析机一周的平均治疗时间在55 h以上，再加上机器的自检、消毒等时间，血液透析机每周平均工作时间接近70 h。血液透析机是一款对气密性要求极高的机器，为了保证气密性，其水路中有大量的以硅胶为材质的密封圈和阀膜，长期频繁的使用血液透析机会令密封圈和阀膜快速老化，而老化的密封圈和阀膜会变硬，甚至破裂，导致气密性下降[4]。除此之外，长时间使用压力传感器其检测值可能会发生偏差，上述情况都有可能导致机器出现故障报警，影响机器的使用，增加医疗风险，耽误患者治疗[5-6]。

随着医疗设备的快速发展，检测及维修手段和方式也应该向电子化、基于状态以及智能化方向发展，不断提高检测和维修效率，降低检测和维修的耗时[7-8]。基于高效快速的目标，本研究结合多年检测经验，设计出一款以单片机为核心的针对AK200S血液透析机的漏气检测系统，通过单片机系统控制气泵及电磁阀模拟机器内部管道压力，分段、分级测定关键压力点，以达到快速排查故障点的目的[9-10]。

1 漏气检测系统的设计背景

1.1 传统漏气检测方法及其不足

当血液透析机发生故障时，依靠工程师的观察，查看是否有漏水点，有则该点肯定伴随漏气，如果无漏水点，则需要工程师根据水路结构图逐段水路检查是否漏气，检查方法为选择一段水路，封闭该段水路一端，从另一端外接气囊及压力表，泵气后观察压力表数值是否稳定，如果稳定，则可判断该段水路未漏气，否则恢复原状，再检测下一段，如此反复。当所有水路判断均未发生漏气，再进入机器自带程序观察是否为压力传感器检测值发生偏差而导致故障发生。以金宝AK200S为例，一台机器有17个电磁阀，每个电磁阀有一个阀膜，而易发生漏气的密封圈数量更是多不胜数，如果用传统方法检测判断，不仅工作量大，耗时也长，也不利于快速解决问题。

1.2 水路结构分析

系统应用对象的水路结构分析。基于多年检测经验、故障统计记录及数据可知，漏气多发生于水箱出来的过滤器(Filter)之后到疏散阀(EVVA)之前，包括1个过滤器、2个电导槽(Cond cell)、2个电机(pump)、超滤槽(UF)、漏血检测器(blood leak detector)、13个电磁阀(VA)及5个压力传感器，本研究设计的血液透析机漏气检测系统将重点检测该段水路。AK200S水路如图1所示。

图1 AK200S水路图

1.3 水路简化及系统接入方式

系统应用对象的水路简化及系统接入方式。在重点检测的水路中，有电磁阀与限流支路并联，实际上不会隔绝水、气，可将二者组合视为导通管路，电机、超滤槽、电导槽和漏血检测器等零件对水、气无阻隔作用，也将其视为导通管路。待血液透析机冲洗并排空后，关闭血液透析机，为便于检测漏气，须将受检测部分水路通过一系列动作使其形成分段和分级的密闭通道：①系统与过滤器(Filter)前端相连；②步进电机所在电磁阀与顶部预冲阀(TPVA)用软管相连，并用夹子夹在软管中间；③在EVVA末端用软管连接，并用夹子夹住软管。经处理，系统与受检水路连接简化如图2所示。

图2 简化水路结构图

2 漏气检测系统的实施

2.1 系统目标

压力传感器和漏血探测器中的密封圈、电磁阀的阀膜、过滤器以及各连接管道的硅胶接头均有可能出现硬化、破裂导致整个受检水路出现对外漏气或内部漏气，在检测过程中将这些容易发生漏气的、需要重点关注的零配件标注为易漏气点。系统设计的核心功能是在众多易漏气点中快速缩小漏气点的范围，为工程师判断漏气点节约时间。

2.2 系统检测原理

血液透析机自检时在管道内部分时段反复产生正压和负压，再根据该压力变化判断是否漏气，系统将模仿该过程进行判断气密性是否良好。当管道内部气密性良好时，管道内压力应保持稳定[11]。根据一般经验，血液透析机内部压力测试分别在195～235 mmHg和-180～-220 mmHg时10 s内不会有＞5 mmHg的压力变化。因此，系统由1个气泵、1个压力传感器及4个电磁阀组成，其结构如图3所示。

图3 系统接入水路部分结构图

当打开V1、V3阀，关闭V2、V4阀时，系统启动气泵产生正压；当打开V2、V4阀，关闭V1、V3阀时，系统启动气泵产生负压。

2.3 系统工作流程

2.3.1 系统检测判断方法

机器的漏气检测分为正压力检测和负压力检测，正、负压力检测为2个独立的过程。系统设定当管道内气体实时压力P1达到目标压力P(P=250 mmHg或-250 mmHg)时，气泵停止泵气并关闭V3或V4，10 s后单片机读取管道内压力，记为P2。根据试验，气泵以额定功率工作时，系统在密闭的机器管道内每秒可产生20～35 mmHg的压力变化，设气泵泵气时间为t，则管道内无漏气必需满足的条件为：|P-P2|≤5 mmHg。

2.3.2 正压检测

系统产生正压力。系统至限漏阀(DRVA)段管道压力上升，若t≤15 s时P1max＜250 mmHg，则系统提示管道有明显漏气，需排查系统至DRVA段易漏气点，若t≤15 s时P1max=P(此时取P=250 mmHg)，则在P1max=P时停止泵气并关闭V3，获取P2，对比P和P2，如果P-P2≥5 mmHg，则系统提示管道有漏气，需排查该段易漏气点，如果P-P2≤5 mmHg，则系统提示该段管路漏气测试正常，进入下一段检测；打开V3和DRVA，泵气，检测DRVA至直接阀(DIVA)段，判断原理同上，若提示有漏气，则需排查DRVA至TPVA、旁路平衡阀(PBVA)、步进电机、零点阀(ZEVA)、旁路阀(BYVA)以及DIVA之间的易漏气点，若正常，则继续进入下一阶段；同时打开V3、DRVA及DIVA，重新泵气，若提示漏气，则需排查DIVA至反冲阀(RFVA)、EVVA、治疗阀(TAVA)之间的易漏气点，若正常，则同时打开V3、DRVA、DIVA以及TAVA，重复泵气，若提示漏气，排查点同上。

2.3.3 负压检测

负压检测流程和正压检测流程一致，此时取P=-250 mmHg，当t≤15 s时存在P1min=P，且在P1min=P时停止抽气，满足P2-P≤5 mmHg则判定为不漏气。

2.4 系统电气结构

系统采用TM30B-D高性能微型气泵，该泵利用变隔膜原理实现介质的充入和排出，具有低功耗、低振动和低噪音等特点，可配合电磁阀使用，实现增压和降压功能[12]。电源模块采用GSM-H120DS-24开关电源，输出的5 V电压用于单片机和人机交流模块工作，24 V直流电压用于气泵的工作以及电磁阀的开启关闭[13]。总体电气结构如图4所示。

图4 系统电气结构图

工程师通过人机交流模块给单片机输入命令，单片机驱动继电器组使气泵和电磁阀等部件工作，当水路气压到达设定值，压力传感器反馈信号给单片机，单片机通过继电器组控制气泵停止工作，此时工程师可观看压力表数值判断管道是否漏气。根据上述检测流程判断无漏气点后，工程师还可以额外外接压力表，并根据压力表数值校正机器的压力传感器数值。除此之外，检测装置还保留扩展接头，可以扩展装置使用范围，应用到有类似情况的其他医疗设备的测漏。

系统中的单片机选用AT89C52，该单片机可使用汇编及C语言编写程序代码，而89C52有较高的主频和较大的ROM空间，使用C语言写程序代码更为简单，更利于工程师创造符合实际情况的针对性的工具[14]。

3 漏气检测系统的测试及应用

3.1 测试方法

利用ISIS软件先行对系统软件进行仿真测试，检验软件代码正确性和稳定性，提高设计效率和质量[15]。再通过实践验证系统硬件的性能，寻找漏气检测系统的不足。

3.2 应用效果及分析评价

自2016年8月至2016年12月，使用漏气检测系统对出现漏气报警的AK200S/AK200US进行183次检测，其中171次漏气检测系统检测出漏气点范围。漏气点分布于：过滤器(Filter)至DRVA段73次，DRVA至DIVA段19次，DIVA至EVVA末端软管夹子79次，其中确定的漏气点分别为密封圈162次，阀膜1次、接头8次，漏气故障检测成功率＞90%，其中常温状态下在预设排查水路的漏气检测成功率达到100%。

漏气原因为密封圈老化、硬化、阀膜老化以及接头有裂缝。漏气故障检测不成功的情况包括以下几种：①漏气点不在系统预设排查水路中，即不在漏气检测系统检测范围内，如浓缩液吸液泵之前、EVVA之后等；②漏气检测系统是针对室温条件下的管道漏气情况进行检测，有部分密封圈、阀膜是在高温(80～90 ℃)消毒后才发生漏气，此时管道温度较高，其密封性较室温时差，因此在室温下漏气系统无法检测出漏气点范围。针对不足，可考虑增加高温检测步骤解决。漏气检测系统能够以较高的成功率缩小漏气范围，达到了设计要求，提高工程师判断漏气的检修效率。

4 结语

“工欲善其事必先利其器”，医疗设备在朝着智能化方向发展，设备检测工具也应该往智能化方向发展。虽然无专用的、针对性强的工具让工程师直接使用，但工程师可结合以往的经验，运用所学知识来创造针对性的工具来辅助工作，提高工作效率。

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A design about the system of leak detection of hemodialysis machine/

LIU Song, LUO Hua-sheng//
China Medical Equipment,2017,14(8):14-17.

Objective: To design an intelligent system of leak detection for AK200S hemodialysis machine so as to fast troubleshoot the range of leaked point for helping engineer. Methods: The likely leaked part of flow paths of hemodialysis were simplified based on routine detection experiment and the statistical record and data of faults. And then, test mode of pressure when hemodailysis implemented self-inspection for leakage was imitated. There was a air pump was connected with aimed flow paths, and the positive and negative pressure generated by controlling an external air pump and the connected magnetic valve were applied at different time and different section, respectively. After increased pressure, depended on the comparison of intra pressures from pressure sensors for one part of pipeline between pre- and post of one spell to analyze and decide whether this section exist leak. And the judgment standard was if the difference of pressure was less than 5mmHg, there was not leak in this flow path, otherwise, the likely leak point should be troubleshot in further detection. Results: 183 detections were implemented at AK200S/AK200US which once happened alarm of leakage. And in the 183 detections, the detection system for leakage has found the ranges of leaked point in 171 detection. The distribution of leaked points was: 73 times were from filter to DRVA section, 19 times were from DRVA section to DIVA section, 79 times were from DIVA section to champ of flexible pipe at terminal of EVVA. On the other hand, in the leaked points, 162 points were at seal ring, 1 point was at film of valve, 8 points were at connector, and the success rate of detection for leaked fault was more than 90%. Besides, the success rate of detection for leakage on flow paths of prepare troubleshooting under normal temperature was 100%. Conclusion: The detection system of self-dependant development for leakage can help engineer to save time of troubleshooting for leaked point and enhance the work efficiency.

Hemodialysis machine; Leak detection; Intelligent; Efficiency

Department of Equipment Management, The First People’s Hospital of Zhaoqing, Zhaoqing 526000, China.

1672-8270(2017)08-0014-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.08.004

2017-01-02

①肇庆市第一人民医院设备科 广东 肇庆 526000

刘颂,男,(1986- ),本科学历，工程师。肇庆市第一人民医院设备科，从事医疗器械及设备的管理、维护、保养和维修。