體外循環裝置中供血流量的高精度自動控制解決方案

體外循環（CPB）設備在心臟手術期間臨時替代心肺功能，以維持體循環。心臟體外循環手術時，需要將手術病人靜脈血從體內引出，通過體外循環機氧合後回輸至體內動脈管道、靜脈迴流管、左心房引流管、心內吸引管、普通吸引管等管道，並維持血流量、靜脈儲庫水平、氧氣濃度、氧氣血流量和血液溫度，其中對血液流速的控制要求非常高，稍有錯誤就會導致循環障礙和大量空氣栓塞，從而導致嚴重的醫療事故。

在CPB具體操作過程中，需要灌注師快速而精確地操作三個裝置（靜脈側阻隔器、動脈側阻隔器和離心泵）來將血液流速調節到期望的目標值，不正確的操作會導致氣栓並改變靜脈儲血水平而導致意外的血壓波動，從而將患者置於危險之中。因此，需要開發一種有助於自動調節血液流速的裝置以提高自動化控制水平和降低灌注師工作強度，爲此文獻[1]提出了一種體外循環過程中動脈側血流量的自動控制方法和控制裝置，其結構如圖1所示。

儘管文獻[1]提出了一種體外循環過程中動脈側血流量的自動控制方法和相應裝置，但距離真正的臨牀應用還有一定差距，這些差距主要體現在以下幾個方面：

（1）儘管文獻[1]給出了靜脈側和動脈側血流量調節用的手動和自動阻隔器的具體型號，但我們並未在阻隔器廠家官網上查到相應型號阻隔器的具體產品和相應技術參數。因此，爲了真正實現臨牀應用還需進一步明確阻隔器產品，甚至是國產化替代。

（2）動脈側血流量自動控制的目的是要自動調節動脈側血流量的變化始終要與靜脈側血流量的變化保持快速同步和相同，但文獻[1]給出的控制模型和控制策略過於複雜，較難真正的工程化實現。

針對文獻[1]技術方案存在的上述缺陷，本文提出了可真正實現臨牀應用的解決方案，能很好的解決上述問題，並可完全採用國產化相關產品予以實現。

基於文獻[1]所述的動脈側血流量自動控制技術方案，我們進行了改進，並進一步明確和細化了相關所用部件，改進後的自動控制裝置結構如圖2所示。

解決方案的改進內容之一是採用國產的電控夾管閥來代替文獻[1]中所用的阻隔器，這種電控夾管閥可以通過0~10V的直流電壓信號來改變加持力以調節管路導通口徑的大小，從而實現對管路中的流體流量進行調節。由此可見，這種電控夾管閥可以很方便的被用來進行靜脈側和動脈側血流量的手動或自動調節。

儘管電控夾管閥和自動阻隔器可以用來對體外循環系統中的血流量進行調節，但存在的問題是會帶來的非線性，這種非線性會對自動控制精度帶來嚴重影響，這也是文獻[1]控制模型非常複雜的主要原因。文獻[2]對這種非線性進行了研究和描述，發現操作值與開度之間呈指數關係。

爲了解決管夾形式所帶來的非線性問題，解決方案提出的改進內容之二是採用NCNV系列的電控針閥。NCNV系列電控針閥具有非常高的線性度，且具有快速的響應速度以及不同的孔徑尺寸，常用於氣體和液體介質的真空、壓力和流量的精密調節。儘管採用電控針閥可以很好的解決夾管閥非線性所帶來的控制精度問題，但電控針閥存在的重要問題是針閥需要接觸所調節的流體介質，不能像夾管閥那樣與流體介質不發生接觸。

爲真正使動脈側血流量能快速與靜脈側血流量保持同步和相同，本解決方案提出的重大改進是採用具有遠程設定點功能的VPC2021系列高精度PID控制器，控制器的具體特性和功能如下：

（1）具有兩個輸入信號接收通道，其中主輸入通道接收動脈側流量計信號，並由主控輸出通道輸出控制信號對動脈側電控夾管閥/針閥進行調節；而輔助輸入通道接收靜脈側流量計信號，此接收到的靜脈側流量信號則作爲動脈側流量控制的設定值。通過這種輔助輸入通道的這種遠程設定值功能，可使得動脈側的流量控制始終以靜脈側的流量爲跟蹤控制目標。

（2）控制器具有超高的測量精度和控制精度，其中24位AD、16位DA和0.01%最小輸出百分比，並採用了無超調的PID控制模式，這非常適用於體外循環裝置中的高精度血液流量控制。

（3）控制器具有RS485通訊接口，並執行標準的MODBUS協議。控制器自帶測控軟件，在計算機上運行軟件可實現控制器參數設置、驅動運行、過程參數的採集、曲線顯示和存儲，無需再進行程序編寫就可組成軟硬件控制系統用於臨牀應用和研究。

通過本解決方案中增加的國產系列電控夾管閥、電控針閥和具有遠程設定值功能超高精度PID控制器，可以使得體外循環過程中的靜脈和動脈血流量控制真正實現高精度的自動化控制，在滿足臨牀應用和研究需求的同時，降低醫療事故和灌注師的操作難度。

[1] Takahashi H, Kinoshita T, Soh Z, et al. Automatic control of blood flow rate on the arterial-line side during cardiopulmonary bypass[C]//2021 43rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society （EMBC）. IEEE, 2021: 5011-5014.

[2] Takahashi H, Soh Z, Tsuji T. Steady-state model of pressure-flow characteristics modulated by occluders in cardiopulmonary bypass systems[J]. IEEE Access, 2020, 8: 220962-220972.