本發(fā)明涉及一種自動控制裝置，尤其涉及的是一種全自動局部枸櫞酸抗凝裝置。

背景技術(shù)：

體外抗凝是血液凈化順利進(jìn)行的關(guān)鍵。局部枸櫞酸抗凝(regional citrate anticoagulation,RCA)因具有抗凝效果確切，出血并發(fā)癥少，透析器使用壽命延長等優(yōu)點，成為目前高危出血傾向患者體外循環(huán)抗凝的理想選擇。但是，由于潛在的代謝并發(fā)癥，操作較為復(fù)雜，期間需要頻繁監(jiān)測等問題，限制了其在臨床的應(yīng)用。

如圖1所示，傳統(tǒng)的局部枸櫞酸抗凝技術(shù)是在體外循環(huán)動脈端，根據(jù)血流速度以一定比例輸注枸櫞酸鈉溶液，同時在靜脈端(血液回到患者體內(nèi)之前)補鈣，從而保證患者體內(nèi)離子鈣水平正常。局部枸櫞酸抗凝-CRRT原理：枸櫞酸從動脈端輸注，體外循環(huán)管路中的離子鈣水平降至0.2-0.4mM/L，發(fā)揮體外抗凝作用，同時從靜脈端補充鈣，體內(nèi)離子鈣水平維持正常，而不影響體內(nèi)凝血系統(tǒng)。R(replacement)：置換液；UF(ultrafiltrate)：超濾液。

圖1中，4％枸櫞酸鈉從靜脈端輸入，使體外循環(huán)離子鈣降至0.2-0.4mmol/L，達(dá)到抗凝效果，同時從靜脈端補充氯化鈣，使體內(nèi)離子鈣水平恢復(fù)至1.0-1.2mmol/L。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報道和實際工作中的經(jīng)驗，傳統(tǒng)的RCA在臨床的應(yīng)用普遍存在以下幾個問題：

(1)需要在原有血液凈化裝置的基礎(chǔ)上額外增加兩個精密輸液泵用于枸櫞酸溶液和鈣溶液的輸注，操作繁瑣；

(2)枸櫞酸輸液泵和補鈣輸注泵是兩個獨立的泵，當(dāng)治療參數(shù)變化或者透析機(jī)因報警、更換置換液/透析液等原因動脈泵停泵，就需要透析護(hù)士手動暫停/啟動這兩個泵，若操作不規(guī)范，可能造成醫(yī)源性枸櫞酸輸注過多或高鈣血癥造成體外循環(huán)抗凝失??；

(3)傳統(tǒng)的枸櫞酸抗凝方案主要采用監(jiān)測-調(diào)整-再監(jiān)測的“試錯法”，即根據(jù)經(jīng)驗先設(shè)定一個初始補鈣速度，然后通過頻繁監(jiān)測體內(nèi)和體外循環(huán)離子鈣水平調(diào)整補鈣速度。我們透析中心在應(yīng)用RCA初始也采用這種經(jīng)驗性“試錯法”方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體內(nèi)離子鈣水平波動較大，且由于鈣的變化滯后于鈣的調(diào)整，難以準(zhǔn)確把握補鈣量；

(4)RCA時所投入的人力(至少需要一名受嚴(yán)格培訓(xùn)的血透護(hù)士和熟悉枸櫞酸抗凝技術(shù)的醫(yī)生在場)，物力(需要每2-4小時監(jiān)測離子鈣，每次測定費用150元)成本投入巨大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種全自動局部枸櫞酸抗凝裝置，實現(xiàn) 低人工自動化。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括控制器、第一蠕動泵、第二蠕動泵、I/O控制模塊、氣泡檢測模塊、警示模塊；所述控制器分別連接第一蠕動泵、第二蠕動泵和I/O控制模塊，I/O控制模塊分別與氣泡檢測模塊和警示模塊相連，所述控制器傳輸控制信號用于控制第一蠕動泵和第二蠕動泵的進(jìn)液速度，所述I/O控制模塊將氣泡檢測模塊的檢測信號傳輸?shù)娇刂破?，所述I/O控制模塊控制警示模塊的開啟和關(guān)閉。

所述氣泡檢測模塊檢測過程為：通過超聲波檢測輸液管，當(dāng)超聲波的反射系數(shù)大于設(shè)定范圍，則檢測到輸液管中有氣泡，超聲波的反射系數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則檢測到輸液管中沒有氣泡。

所述控制器分別通過RS-485總線連接第一蠕動泵、第二蠕動泵和I/O控制模塊。

所述警示模塊為三種顏色的指示燈。

所述第一蠕動泵為枸櫞酸泵，第二蠕動泵為氯化鈣泵。

所述第一蠕動泵和第二蠕動泵的速度分別記作Qcit和Q_CaCl2，對應(yīng)的第二蠕動泵Q_CaCl2控制過程包括補鈣第一階段和補鈣第二階段，抗凝開始后第三個小時進(jìn)入補鈣第二階段，

第一蠕動泵Qcit的輸注速度通過公式得到：

Qcit＝Qb×(1-Hct)×C₀mmol/Csolution；

其中，Qcit：單位時間枸櫞酸輸注速度ml/h，

Qb：血流速度ml/min，

Hct：紅細(xì)胞壓積％，

Csolution：1L枸櫞酸溶液中含枸櫞酸的量mmol,

C₀：3～5mmol/L；

所述第一階段0～3小時內(nèi)，每小時補鈣量：

$Qca\left(phaseI\right)=\frac{0.80\×CcaT\left(art\right)\×Qpw\×Quf}{Qpw+Qcit+Qsub}+0.78\×Css\left(t\right)\×WT\×25\%$

QCaCl2＝Qca/0.34

所述第二階段3小時以后，每小時補鈣量：

$Qca\left(phaseII\right)=\frac{0.80\×CcaT\left(art\right)\×Qpw\×Quf}{Qpw+Qcit+Qsub}$

或者：

Qca(phaseII)＝Qeffluent×Cca_effluent

QCaCl2＝Qca/0.34

其中，Qca：單位時間應(yīng)補充的鈣量mmol/h，

Qcacl₂：單位時間5％氯化鈣溶液輸注速度ml/h，

Qca(phaseⅠ)：第一階段單位時間補鈣量mmol/h，

Qca(phaseⅡ)：第二階段單位時間補鈣量mmol/h，

CcaT(art)：動脈端總鈣濃度，相當(dāng)于體內(nèi)總鈣濃度mmol/L，

Qpw：血漿水速度L/h，

Quf：超濾液速度L/h，

Qsub：置換液速度L/h，

WT：體重kg，

Css(t)：體內(nèi)枸櫞酸穩(wěn)態(tài)濃度mmol/L，

Csys：體內(nèi)枸櫞酸血藥濃度mmol/L

Qeffluent：流出液速度L/h，

Cca_effluent：流出液總鈣濃度mmol/L。

所述體內(nèi)枸櫞酸血藥濃度：

$Csys=C\left(0\right)\·e^{-\[(CLb+CLf)\·\frac{t}{V}\]}+\frac{G}{(CLb+CLf)}\×(1-{e^{-}}^{-\[(CLb+CLf)\·\frac{t}{V}\]})$

其中，G：單位時間輸液管內(nèi)的枸櫞酸流量mmol/h，

C(0)：基礎(chǔ)枸櫞酸濃度mmol/L，

CLb：機(jī)體對枸櫞酸的清除率L/h，

CLf：透析器對枸櫞酸的清除率L/h，

t：枸櫞酸輸注時間h，

V：體內(nèi)枸櫞酸表觀分布容積L。

所述單位時間輸液管內(nèi)的枸櫞酸流量：

G＝Qp×Cinf×(1-Ecit)，

Cinf：每升血漿中加入枸櫞酸量mmol/L，

Ecit：枸櫞酸濾過分?jǐn)?shù)，

Qp：血漿流量L/h。

根據(jù)體內(nèi)枸櫞酸、鈣動力學(xué)原理，RCA-CRRT治療過程中補鈣速度可以根據(jù)體內(nèi)枸櫞酸達(dá)穩(wěn)態(tài)濃度時間分為兩階段。Kramer等報道無肝硬化危重患者體內(nèi)枸櫞酸半衰期平均為36分鐘，根據(jù)藥代動力學(xué)理論，體內(nèi)藥物濃度在5個半衰期后達(dá)穩(wěn)態(tài)濃度，因此體內(nèi)枸櫞酸濃度在RCA-CRRT開始后三小時達(dá)穩(wěn)態(tài)濃度，將RCA-CRRT開始后第三小時作為補鈣速度調(diào)整的時 間點。(Kramer L,Bauer E,Joukhadar C,et al.Crit Care Med,2003,31：2450-2455.)

Css(t)為體內(nèi)枸櫞酸穩(wěn)態(tài)濃度(mmol/L)，可以用以下枸櫞酸藥物代謝動力學(xué)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(具體數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)參見鄭寅，許鐘燁，焦正等。連續(xù)性腎臟替代治療時枸櫞酸藥物代謝動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。中華腎臟病雜志2010；26(6)：432-437.枸櫞酸藥代動力學(xué)數(shù)學(xué)模型驗證參見：Yin Zheng,Zhongye Xu,Qiuyu Zhu,Junfeng Liu,Jing Qian,Huaizhou You,Yong Gu,Chuanming Hao,Zheng Jiao,Feng Ding.Citrate Pharmacokinetics in Critically Ill Patients with Acute Kidney Injury。PLoS ONE 2013,8(6)：e65992.(危重急性腎衰竭患者的枸櫞酸藥代動力學(xué))

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：本裝置專為RCA抗凝設(shè)計，將枸櫞酸泵和補鈣泵整合，該雙泵系統(tǒng)又能與透析機(jī)動脈泵聯(lián)動，同時嵌入了枸櫞酸、鈣輸注數(shù)學(xué)模型，控制兩個泵的速度，無需醫(yī)護(hù)人員過多操作。以往RCA過程中需要每2-4小時監(jiān)測體內(nèi)和管路離子鈣，24小時CRRT需要頻繁監(jiān)測6～8次，而通過軟件計算的補鈣速度補鈣，監(jiān)測間隔延長，24小時治療僅需檢測2～3次。一定程度上減輕了醫(yī)護(hù)人員的勞動負(fù)荷，同時提高了安全性。提高危重急性腎損傷患者，尤其是合并高危出血風(fēng)險患者，血液凈化治療的搶救成功率。本發(fā)明一方面減輕了工作人員的勞動強度，另一方面減少了治療費用。使得局部枸櫞酸抗凝成為一種簡便的抗凝技術(shù)，促進(jìn)了它在臨床的應(yīng)用推廣。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實施的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實施例兩階段補鈣模型在長時間CVVH治療中的應(yīng)用效果示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

如圖2所示，本實施例包括控制器、第一蠕動泵、第二蠕動泵、I/O控制模塊、氣泡檢測模塊、警示模塊；所述控制器分別連接第一蠕動泵、第二蠕動泵和I/O控制模塊，I/O控制模塊分別與氣泡檢測模塊和警示模塊相連，所述控制器傳輸控制信號用于控制第一蠕動泵和第二蠕動泵的進(jìn)液速度，所述I/O控制模塊將氣泡檢測模塊的檢測信號傳輸?shù)娇刂破鳎鯥/O控制模塊控制警示模塊的開啟和關(guān)閉。

傳統(tǒng)的RCA方案需要通過“監(jiān)測-調(diào)整-監(jiān)測”模式調(diào)整枸櫞酸和鈣的輸入，本發(fā)明將枸櫞酸輸注數(shù)學(xué)模型、兩階段補鈣數(shù)學(xué)模型用C#語言編寫成軟件，通過人機(jī)對話界面輸入需要 的臨床指標(biāo)和治療參數(shù)，通過RS485總線控制枸櫞酸泵和補鈣泵的轉(zhuǎn)速，兩個泵就能按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速自動向連接的體外循環(huán)管路中輸入枸櫞酸和鈣。

本發(fā)明應(yīng)用到的軟件原理如下：軟件采用C#語言編寫，運行庫為Microsoft.Net Framework 3.5。軟件提供兩種操作方式：自動控制和手動控制。

氣泡檢測模塊檢測過程為：通過超聲波檢測輸液管，當(dāng)超聲波的反射系數(shù)大于設(shè)定范圍，則檢測到輸液管中有氣泡，超聲波的反射系數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，則檢測到輸液管中沒有氣泡。

所述控制器分別通過RS-485總線連接第一蠕動泵、第二蠕動泵和I/O控制模塊。

所述警示模塊為三種顏色的指示燈。

若輸液管中存在氣泡，則氣泡檢測模塊將檢測到該氣泡，并通過RS485總線通知控制器停止這兩臺泵的注射。系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)時，指示燈綠燈亮；管路預(yù)充時，黃燈亮；輸液過程中有氣泡時將會報警，指示燈紅燈亮，兩泵同時停止運轉(zhuǎn)。氣泡檢測模塊采用超聲檢測氣泡原理，即當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面會產(chǎn)生散亂反射，從而會引起超聲波的衰減。當(dāng)輸液管中沒有氣泡時，超聲波反射系數(shù)很小，幾乎沒有衰減；有氣泡時，由于空氣和水的聲阻抗相差較大，超聲波會有很大的反射系數(shù)，此時超聲波衰減嚴(yán)重。當(dāng)氣泡檢測模塊沒有檢測到氣泡時，輸出邏輯電平0；當(dāng)檢測到氣泡時，輸出邏輯電平1。

I/O控制模塊為多通道模塊，也通過RS-485通訊方式與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要控制三個顏色的指示燈和氣泡檢測模塊。多通道I/O模塊能控制三個燈的開啟與關(guān)閉，同時也可讀出氣泡檢測模塊的狀態(tài)，并將該狀態(tài)及時發(fā)送至控制器。

所述第一蠕動泵為枸櫞酸泵，第二蠕動泵為氯化鈣泵。

為了計算得到輸液流量，需要的參數(shù)：總鈣濃度CcaT_art(mmol/L)、置換液速度Qsub(L/h)、枸櫞酸輸注速度Qcit(L/h)、超濾液速度Quf(L/h)、血液速度Qb(L/h)、紅細(xì)胞比容Hct、總蛋白濃度TP(g/L)、病人體重WT(kg)。

枸櫞酸輸注速度數(shù)學(xué)公式如下：

Qcit＝Qb×(1-Hct)×4mmol/L

Qcit表示枸櫞酸輸注速度L/h，

Hct：紅細(xì)胞比容。

兩階段補鈣過程如下：

其核心思想為局部枸櫞酸抗凝時存在體內(nèi)枸櫞酸蓄積，蓄積的枸櫞酸主要以鈣鹽形式存在，根據(jù)枸櫞酸藥代動力學(xué)參數(shù)，蓄積一般在治療開始后3小時左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，局部枸櫞酸抗凝的補鈣也需要分成兩個階段，第一階段需要補充體內(nèi)蓄積鈣和體外循環(huán)清除鈣，第二階段只需要補充體外循環(huán)清除鈣。需要注意的是，本裝置提出的兩階段補鈣數(shù)學(xué)模型適 用于存在枸櫞酸蓄積的低清除效率血液凈化模式，如CRRT等。而對于高清除效率的血液凈化模式(如常規(guī)間隙性血液透析等)，由于不存在枸櫞酸蓄積或蓄積可以忽略不計，可以視作上述模型的特例，即直接進(jìn)入第二階段補鈣，而不需要補充蓄積鈣部分。自動控制模式下設(shè)備具備自動調(diào)整補鈣速度功能，即補鈣速度分兩段式。RCA開始后第三小時，系統(tǒng)會提示進(jìn)入到第二階段補鈣，相關(guān)的參數(shù)與流速都可以進(jìn)行重新設(shè)置。一旦設(shè)置成功，系統(tǒng)會自動按照第二階段參數(shù)直接改變兩泵的運轉(zhuǎn)速率，無需醫(yī)師繁瑣操作。同時系統(tǒng)帶有參數(shù)設(shè)置自檢測功能，即輸入設(shè)置參數(shù)后，系統(tǒng)將會自動判斷設(shè)置參數(shù)是否合理，若不合理將會出現(xiàn)提示信息，防止醫(yī)師輸入?yún)?shù)過程中的誤操作。

如圖3所示，以連續(xù)性靜脈-靜脈血液濾過(CVVH)為例說明，圖中1～9分別為公式1～9。

Eq1：計算單位時間血漿水流量Qpw(L/h)：

Eq1:Qpw＝Qb×(1-Hct)×(1-Cprotein/100)

Qb：血流量L/h；

Hct：血球壓積％；

Cprotein：血清總蛋白濃度g/L。

Eq2：計算枸櫞酸輸注后濾器前總鈣濃度CcaT_in(mmol/L)：

Eq2:$CcaT\_in=\frac{C\mathrm{caT}\_\mathrm{art}\×Qpw}{(Qpw+Qcit+Qsub)}$

CcaT_art：體內(nèi)總鈣濃度mmol/L；

Qcit：枸櫞酸輸注速度L/h；

Qsub：置換液流量L/h。

Eq3：計算枸櫞酸輸注后濾器前可彌散鈣濃度CcaF_in(mmol/L)：

Eq3:$CcaF\_in=\frac{fa\×CcaT\_art\×Qpw}{(Qpw+Qcit+Qsub)}$

fa：可彌散鈣占總鈣比例％。

Eq4：計算體外透析清除的鈣量Caflux(mmol/h)：

S：篩系數(shù)≈1。

Eq4:Caflux＝Quf×S×CcaF_in。

Eq5：Eq3和Eq4合并。

Eq5:$\mathrm{Caflux}=\frac{fa\×CcaT\_art\×Qpw\×Quf}{(Qpw+Qcit+Qsub)}.$

Eq6：計算體內(nèi)蓄積鈣濃度⊿Ca_bound(t)(mmol/L)：

Eq6:ΔCca_bound(t)＝fb×Csys(t)

fb：蓄積鈣濃度與枸櫞酸濃度相關(guān)系數(shù)；

Csys(t)：枸櫞酸點時濃度mmol/L。

Eq7：枸櫞酸藥代動力學(xué)公式：

$Csys=C\left(0\right)\·e^{-\[(CLb+CLf)\·\frac{t}{V}\]}+\frac{G}{(CLb+CLf)}\×(1-e^{-\[(CLb+CLf)\·\frac{t}{V}\]})$

C(0)：基礎(chǔ)枸櫞酸濃度mmol/L；

Kf：體外枸櫞酸透析清除率L/h；

Kb：體內(nèi)枸櫞酸清除率L/h；

t：枸櫞酸輸注時間h；

V：枸櫞酸表觀容積L；

G：單位時間輸液管內(nèi)的枸櫞酸流量mmol，即單位時間內(nèi)體內(nèi)注入的枸櫞酸流量。

Eq8：計算體內(nèi)蓄積鈣總量Qca(mmol)：

Eq8:Qca＝fb×Csys(t)×Body Weight×25％

Body Weight：體重kg；

25％：細(xì)胞外液量。

Eq9：枸櫞酸達(dá)穩(wěn)態(tài)前，第一階段補鈣負(fù)荷量Qca1(mmol)：

$Qca\left(phaseI\right)=\frac{0.80\×CcaT\left(art\right)\×Qpw\×Quf}{Qpw+Qcit+Qsub}+0.78\×Css\left(t\right)\×WT\×25\%/3$

QCaCl2＝Qca/0.34

Css(cit)：體內(nèi)枸櫞酸穩(wěn)態(tài)濃度mmol/L。

圖4為本實施例兩階段補鈣設(shè)備在長時間CVVH治療中的應(yīng)用(n＝10)。CVVH治療時間均長于24小時，顯示的數(shù)據(jù)至24小時。第一階段補鈣速度為6.24±0.43mmol/h，第二階段降低至5.10±0.22mmol/h?；颊唧w內(nèi)及透析管路中離子鈣濃度均平穩(wěn)地控制在理想范圍內(nèi)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。