血透机复式泵式超滤系统分析与设计

论文总字数：20181字

摘 要

血液透析（hemodialysis，HD）是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代的治疗方法之一。这种方法讲患者体内的血液引出体外，然后与一个透析器中的溶液进行物质交换以达到血液净化的目的，最后将净化后的血液引回体内。血液透析机是进行血液透析治疗的设备，其中复式泵式超滤系统是整个透析设备的重要组成部分，也是直接关系到了透析治疗的最终效果。

本文主要完成借鉴日机装DBB-27复式泵式超滤系统，对该系统进行分析，对于重要的复式泵和超滤泵进行原理上的分析。随后以该系统为模板，现有的加工技术为基础，分析计算设计出了复式泵和超滤泵。并对复式泵进行了生产加工和组装，使用STM32单片机控制，步进电机驱动的方式，对其性能进行试验，对试验结果和误差进行了分析。

关键词：血透机；复式泵；超滤泵

Analysis and design of duplex pump ultrafiltration system for hemodialysis

02011517 LiuJunhui

Supervised by WangXingsong

Abstract: The kidney is an important human organ with important functions to generate urine excretion of metabolic end products, poisons and drugs. However in recent years, due to a variety of kidney disease caused by kidney failure continue to occur, the incidence rate increased year by year, seriously affecting the quality of life erode people's health.

Hemodialysis is one of the treatment of acute and chronic renal failure patients with renal replaced. This approach stresses the patient's blood leads to the body, and then with a dialyzer was subjected to the exchange of substances in order to achieve blood purification purposes, and finally purified blood lead back to the body. Hemodialysis machine is hemodialysis treatment equipment, including dual pump ultrafiltration system is an important part of the whole dialysis equipment, is directly related to the net effect of the dialysis treatment.

This paper mainly draw on Nikkiso DBB-27 dual pump ultrafiltration system, and analyze the system ,analysze dual pumps for critical principles and ultrafiltration pump on. Followed by the system as a template, the existing processing technology, analysis and calculation and designed a duplex pump and ultrafiltration pump. And double-pump production and processing and assembly, using the STM32 MCU control, stepper motor driven approach, its performance test, the test results and errors are analyzed.

Keywords:Hemodialysis machine；duplex pump； ultrafiltration pump

目 录

摘要……………………………………………………………………………………………I

关键词…………………………………………………………………………………………I

Abstract………………………………………………………………………………………II

Key words………………………………………………………………………………………II

1绪论……………………………………………………………………………1

1.1引言……………………………………………………………………………1

1.2 研究的背景 …………………………………………………………………………1

1.3 研究的现状…………………………………………………………………………1

1.4 研究的目的…………………………………………………………………………1

1.5 研究的主要内容以及达到的目标…………………………………………………2

2 复式泵式超滤系统的分析………………………………………………………………… 3

2.1 复式泵式超滤系统水路分析………………………………………………………3

2.2 复式泵的工作原理…………………………………………………………………4

2.3 超滤泵的工作原理…………………………………………………………………5

3 复式泵式超滤系统的设计…………………………………………………………………6

3.1 复式泵的设计………………………………………………………………………6

3.1.1 复式泵的理论计算…………………………………………………………………6

3.1.2 复式泵的电路设计…………………………………………………………………7

3.1.3 复式泵的机械设计…………………………………………………………………8

3.2 超滤泵的设计…………………………………………………………………………10

3.2.1 超滤泵的理论计算…………………………………………………………………10

3.2.2 超滤泵的电路设计…………………………………………………………………11

3.2.3 超滤泵的机械设计…………………………………………………………………12

3.3 单片机的选择和使用…………………………………………………………………14

4 复式泵实际效果实验……………………………………………………………………16

5 结论………………………………………………………………………………………18

致谢……………………………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………………………………20

血透机复式泵式超滤系统分析与设计

1、 绪论

1.1 引言

血液透析机，常常被人们称为人工肾，能够帮助患有尿毒症的病人度过危险期，为终末期尿毒症患者维持生命，为患者进行肾脏移植手术做准备。现代的血液透析还被拓展用于其它各系统疾患中，例如药物中毒、急性肾功能衰竭。它的作用是将病人的一部分血液引入体外和透析液一同进入透析器内部进行透析，由于血液和透析存在浓度梯度和压力差，在这两者的作用下，病人血液中的代谢废物和毒素进入到透析液中，这种透析液称为透析废液，会通过供给系统排出体外，而透析液中的有机物质及身体所需的无机盐进入到血液，然后在通过回流管路进入到人体，完成整个透析过程。透析设备在人体外进行工作起到代替肾脏部分功能的作用

大部分的血液透析的患者的肾脏功能已经部分损坏或者完全丧失，无法做到将身体中多余的水分排出体外，因此人体内的多余的水分需要通过超滤系统排出体外，否则人会发生水中等症状。超滤系统不但是血透机的重要组成部分也是影响到血透机使用寿命的关键，因此超滤系统不但对临床医疗，设备维护，还是运营成本的控制都会起到非常重大的影响。

1.2 研究的背景

根据解放军肾病研究所数据，2001年，我国血液透析救治人数约为3万人，腹膜透析救治人数仅为5000人左右。而根据卫生部最近数据，截止至2011年，我国已登记血液透析病人人数达到26万人左右，而腹膜透析人数达到2万人。十年间血透和腹膜透析患者的年复合增长速度分别为23.8%和15.1%。从2001年到2011年间，血液透析和腹膜透析人数的增长曲线如下图所示：

肾衰患者数量逐步增多，行业需求旺盛。根据中国产业洞察王研究部统计显示，目前我国肾衰患者的总体规模约为200万人，随着生存周期的延长，未来存量患者规模仍将逐步增加。

1.3 研究的现状

血透机中的超滤系统可以分为两类，容量型超滤系统和流量型超滤系统。容量型超滤系统分为平衡腔式和复式泵式，流量型超滤系统分为流量传感器型和差分质量流量计型。经过多年的的实际运行和维护，容量型超滤系统更胜一筹。

复式泵式超滤以日机装最为成熟，在他们的超滤系统中，复式泵为超滤单元的核心部件，其与费森尤斯机型的平衡腔结构类似。复式泵有一个定容密闭的平衡室，但不是靠膜挤压获得出水的动力，而是靠活塞推动往复排水来实现等量液体的出入。复式泵拥有2个相同容积的泵室，其中左侧泵室为透析液，右侧泵室为废透析液。在复式泵的每个泵室配置了发信电机，在其出入口分别配置了受信电机，从而对排放精度进行检测。微处理器不必考虑需用多大的负压，跨膜压随超滤率和膜的超滤系数的变化而被动改变。这种容量控制超滤的系统理论上较之定压超滤更为安全可靠，且它的误差只与超滤泵的精度有关，而与跨膜压、膜的超滤系数无关。

1.4 研究的目的

随着我国人民生活水平的提高和血液透析、净化技术的飞速发展，透析人数日益增长，血液透析治疗的需求量日益增加，而与此同时，国内的透析设备却跟不上这么迅速的增长，无法满足病人的需求，并且大部分血液透析设备都是进口的，价格十分昂贵。设备昂贵的价格必然使得透析的费用也高高在上，给大部分透析病人的家庭带来了极大的经济负担。进口设备的使用费用难以被人们接受，而国内的设备技术发展缓慢，市场占有率小。因此，研究一份自主的，先进的超滤系统意义重大。

1.5 研究的主要内容以及达到的目标

现阶段，国内血液透析机的获得渠道都是通过购买国外的典型机型如德国贝朗、费森尤斯、瑞典金宝、日本的日机装等，国内自己生产、制造的无论在价格还是性能上与国外进口的透析机还有一定的差距。

实际上，一台血液透析设备机构复杂，价格昂贵，要完成一台性能稳定、安全可靠、指标合格、治疗效果优越的血透设备是非常浩大的一个工程，需要消耗极长的时间和极大的人力物力。

对于本课题来说，主要针对血液透析设备中的符石泵式超滤系统进行分析和设计。具体来说，本课题主要完成的工作有：

（1）血液透析机整机运行概况以及复式泵式超滤系统的了解；

（2）步进电机及其驱动的学习和使用；

（3）STM32单片机的学习和使用；

（4）复式泵和超滤泵的设计、装配和测试；

（5）复式泵式超滤系统实物平台搭建和调试。

通过以上所做工作的整合与连接，完成血透机复式泵式超滤系统实物平台的搭建，并且通过实验，得到目标流量为500ml/min、超滤精度小于2ml/s的稳定流量排出和脱水效果。

本课题的关键点在于泵的设计和它所能达到的精度。

1. 复式泵式超滤系统的分析

2.1 复式泵式超滤系统水路分析

图1 日机装DBB-27血透机水路图

图一为日机装DBB-27血液透析机的完整的水路系统图。透析液经过除气系统和溶液配比系统后进入复式泵，复式泵式超滤系统由此开始。透析液从复式泵的右上端管路进口开始，经过复式泵的右腔，从右腔出口流出经过压力口，背压阀等一系列电子及压力器件后满足足够的压力要求和透析液条件后进入透析装置。

透析装置就是透析器，常被人称为人工肾，由非常非常多的有化学材料制成的空心纤维组成，无数的小孔密密麻麻的分布在这些空心纤维的表面。进行透析时，血液在空心纤维内流动，而透析液则在空心纤维外反向流过。血液和透析液由于压力差和浓度梯度，发生弥散、对流和渗透作用，通过空心纤维表面的小孔进行物质交换。血液中的代谢废物和过多的电解质向透析液移动，透析液中的无机盐离子和碱基向血液中移动，达到了清除体内代谢废物，维持电解质和酸碱平衡的作用。

透析完成后排出的透析废液经过酸洗，消毒，加压，脱气后进入到复式泵的左腔，再由复式泵左腔排出。超滤泵在透析废液排出至复式泵左腔中间的管路上。工作时，可从管路中抽取透析废液，达到脱除人体多余水分，避免水肿的效果。

整个复式泵式超滤系统中的排液量是这样的，假设上端由溶液配比系统提供的透析液量V₁=500ml，那么由复式泵所排出的透析废液量V₂=500ml，超滤泵从透析器的出口测向外定容排出水分，假设流入透析器的血液的量为V_x1=200ml，超滤泵脱水设定的量为V₃=10ml，那么透析器中血液流出量V_x2=190ml，总共排除液体的量V₄=510ml，即：V₁=V₂=500ml，V_x1-V_x2=V₃=10ml, V₄=V₂ V₃=V₁ V_x1-V_x2=510ml。V₃只能从透析器中的血液中抽取，这就是从患者身体里脱除的多余的水分，它不会收到其他任何因素的影响。

2.2 复式泵的工作原理

图2 复式泵结构图

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