透析机

概述

透析机执行大部分肾脏的功能,去除血液中的有害成分,主要用于永久或暂时性肾功能衰竭患者。

工作时,患者血液不断从动脉、大静脉或经过手术改良的静脉中泵出,流入到透析机,以允许高血流速率。血液进入透析机之前,添加肝磷脂以防止凝血。注射泵用于高精度控制肝磷脂传送速率。

然后血液进入透析机,在透析机内,血液流经大表面积的半渗透膜,半渗透膜的另一侧为透析液溶剂。维持半渗透膜上的压力梯度以确保化合物以正确的速率流出和流进血液。血液经过透析机的净化和平衡之后,流过防气阀以便在返回患者体内之前去除所有气泡。监测血压、血氧饱和度,有时还要监测血细胞比容水平(血细胞浓度)以确保系统工作正常、患者安全。为实现最高效率,工作期间,新鲜的透析液不断从透析机中泵出。

透析机包括多个泵、大量传感器和大量控制阀。每台设备要求相对较高的模拟信号处理功能。

关于透析机内控制这些器件的典型信号链和电路,请点击“设计注意事项“标签。关于参考设计以及实现不同设计功能的推荐产品,请点击“电路图”或“框图”标签。


透析机是复杂的过程控制机器,负责泵送血液、注射治疗液、过滤,然后将血液送回到患者体内。透析机包括多个泵(根据功能的不同一般为3到10个)、多个传感器(检测和监测压力、温度、血氧浓度和气泡)以及大量机械阀门。透析机必须进行定期校准。

透析机内通常包括以下泵:

  • 酸泵
  • 碳酸氢钠泵
  • UF泵
  • 透析液泵
  • 血泵
  • 脱气泵

透析机内通常包括以下传感器:

  • 脱气和加载压力
  • 流量压力
  • 透析液压力
  • 动脉压
  • 静脉压
  • 入口水压
  • 温度传感器(多个)
  • 电导率传感器

透析机属于精密仪器,精度极其重要,必须定期进行压力、温度和流量校准,以确保透析机提供正确的治疗。

泵和阀门全部由中央控制器控制,必须根据传感器输入与泵同步工作。从模拟设计的角度看,透析机采用大量电机控制电子电路和传感器接口电路。用户界面通常包括LCD显示屏、键盘以及音频信号和报警电路,也包括相当数量的模拟元件。

透析机为大型机器,主要采用电网电压进行工作,但要求电池供电,以确保在发生断电时能够顺利完成透析任务。电池系统容量较大,一般位于透析机内部。透析机工作期间的耗流可能达到10A至15A,要求多种电压轨和负载调节点。

泵 — 控制和监测


透析机内有许多泵,蠕动泵和注射泵机构用于关键的血液回路和治疗液注射。每台泵均由电机驱动,而电机全部由系统微控制器通过独立的电机控制电路进行控制。

对于每台电机,反馈传感器提供旋转计数、电机位置及当前用量等信息。所用电机的类型取决于具体应用。步进电机和BLDC电机一般用于驱动蠕动泵和注射泵。BLDC电机一般与传动系统相匹配,与角位移传感器或旋转编码器安装在一起,为系统控制器提供旋转反馈信息。步进电机直接驱动某些泵机构。此外,通常监测BLDC电机的电流绕组,确保电机有效工作。

由于透析机中所用的电机数量众多,控制架构将采用大量与电机控制相关的微控制器,从主控制器接收指令。所选电机驱动电路的类型取决于所用电机类型及具体应用。一般而言,由于无刷直流电机可靠性较高、容易控制、成本较低,所以被广泛采用。

器件选择

BLDC电机由功率MOSFET驱动,而MOSFET通常由半桥驱动器驱动。驱动器从电机控制微处理器接收数字定时脉冲,这些定时脉冲控制电机速度。泵模块一般提供数字或模拟输出信号,作为控制器的速度反馈信号。此外,大多数泵电机提供输出,用于监测电机绕组中的电流,以确保电机平稳工作。关于满足此类应用的推荐Maxim产品,请参考电机/泵驱动器信号链框图。无论透析机中所选泵的类型如何,该框图中的推荐产品一般适用于所有的泵控制电路。

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压力检测


透析机要求多个压力传感器。透析机内的压差采用压力阀门进行控制,需要具有非常高的精度。为满足所需分辨率,传感器信号链可采用高精度10位和12位模/数转换器(ADC)。ADC和任何必要的运放都应尽量精确、稳定,最大程度缩短校准时间。

压力传感器具有不同的输出电平,毫伏输出传感器一般要求放大器。较高电平的信号可能直接连接至ADC,并且根据所需精度或微控制器处理预算的不同,有些信号可能直接连接至微控制器。

Maxim的压力检测方案提供优异的方案,可用于设计压力传感器信号链。

器件选择

该应用需要极高的精度和稳定度,压力范围相对较窄,所以可利用10位或12位ADC来获得高精度数值。所需采样率取决于被监测传感器的数量。有集成多路复用器的ADC可供使用,支持单个ADC监测多个传感器。关于推荐用于该应用的最佳Maxim IC,请参考压力传感器信号链框图,然后点击ADC、放大器和基准部分。

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温度检测


透析机内的温度变化范围相对较窄,所以可使用较低成本的RTD(热敏电阻检测器),在整个温度范围内提供所需的精度和可靠性。更多设计信息请参考Maxim的温度检测方案

器件选择

MAX31865单片RTD至数字输出转换器IC成本较低,使RTD接口设计非常简单。关于更多电路思路,请参考我们的温度检测方案页面。

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流量测量


流量主要由泵的速度决定,如果没有任何障碍,流量将与电机速度成比例。通过使用特殊类型的泵,可获得极高精度的流量;例如注射泵,泵采用齿轮变速,所以电机轴转动多转时,注射器仅发生极小的线性运动。物理流量传感器的使用可能会引入不必要的可靠性问题,但超声流量测量等器件可提供极高精度的测量结果,不会在管线中产生障碍。

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管线中气流检测


管线中气流检测为超声传感器,当检测到导管中存在气泡时,其输出电压发生变化。这些传感器的输出一般比压力传感器输出高,所以可直接连接至ADC输入,或者通过比例运放直接连接至基于微控制器的ADC。具体的信号链要求取决于所选的传感器。

器件选择

根据传感器选项的不同,该信号链可能包括高压输出(例如0V至5V)或毫伏输出。如果微控制器具有ADC,两种类型的输出均可通过比例运放直接连接至微控制器ADC端口;或者,这些传感器可连接至单个多通道外部ADC,ADC也处理闭塞传感器。关于满足该应用的推荐Maxim产品,请参考传感器信号链框图。

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处理器


处理器架构包括通过多个传感器管理微控制器控制系统的主处理器及其用户界面。主处理器可以是高性能、基于ARM®的控制器,或者基于Intel处理器、基于FPGA的控制器。该处理器可能要求多种供电电压,需要电源排序。此外,为安全起见,处理器可能要求外部看门狗定时器,同时传感器处理器可能也要求外部看门狗定时器。根据所选处理器的不同,可能要求外部实时时钟。系统一般也需要系统温度传感器,以确保系统板工作在设计温度范围之内。

器件选择

Maxim提供电压排序器、看门狗定时器和基于硅的温度传感器,用于系统监测和实时时钟。关于满足该应用的最佳产品,请点击“框图”标签,然后点击框图中的对应部分。

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用户界面


透析机的设置和校准可能非常复杂。为优化用户界面,大多数透析机具有较大的彩色显示屏,较新的透析机采用触摸屏,将键盘或触摸屏作为用户输入。较新的透析机可能使用标准的嵌入式Windows®或Linux®操作系统,运行于主控制器。主控制器为高性能器件,具有较大I/O容量,以及齐全的固件存储器和程序存储器。主控制器将直接连接至用户界面屏幕和键盘,也提供外部通信功能,例如USB、RS-232,用于诊断,也可能提供以太网口。

透析机也具有音频报警功能。有些透析机具有合成语音功能,大多数有音频报警,提供多种语音指示。

器件选择

许多LCD显示屏为模块,所以透析机设计者很可能不需要设计显示屏电路或键盘电路。然而,显示屏可能要求自定义供电电源,因此要求系统工程师选择独特的开关稳压器来实现该功能。关于适用于具体设计的产品,请参考用户界面框图。

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电源


透析机通常由电网供电,并且也包括电池供电系统,以便在发生断电时允许透析过程达到对患者比较安全的状态。主电源将电网电压转换至中间电压,在配送至各种不同的处理板。在独立的处理板上,采用降压型开关调节器和低压差线性稳压器获得所需的电压。

器件选择

Maxim提供宽泛的开关稳压器和LDO。关于适合该应用的最佳产品,请参考“框图”,然后点击相应的DC-DC转换器部分。

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透析机框图

泵电机信号链


Half-Bridge Driver CS Amp ADC

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通信


USB Protection Isolation RS-232 Transceiver

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传感器、信号链


VREF Amplifier ADC

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加热器控制


Temp Sensor Heater Actuator

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用户界面


LCD Power and Control LCD Backlight Drivers Key Scanner GPIO Indicator Drivers

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音频


Speaker Driver Audio Codec Piezo Driver

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类型 料号 标题
评估板 MAX1789EVMINIQU MAX1789 评估系统
评估板 MAX9634EVKIT MAX9634 评估板
评估板 MAX9860EVKIT MAX9860 评估板
评估板 MAXFILTERBRD 评估板:MAX7408, MAX7409, MAX7410, MAX7411, MAX7412, MAX7413, MAX7414, MAX7415, MAX7418, MAX7419, MAX7420, MAX7421, MAX7422, MAX7423, MAX7424, MAX7425
评估板 MAX6639EVKIT 评估板:MAX6639、MAX6639F
评估板 MAX9921EVKIT MAX9921 评估板
评估板 DS89C450-KIT DS89C450 评估板