一种全自动局部枸橼酸抗凝装置.pdf

本发明公开了一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，控制器分别连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O控制模块，I/O控制模块分别与气泡检测模块和警示模块相连，所述控制器传输控制信号用于控制第一蠕动泵和第二蠕动泵的进液速度，所述I/O控制模块将气泡检测模块的检测信号传输到控制器，所述I/O控制模块控制警示模块的开启和关闭。一定程度上减轻了医护人员的劳动负荷，同时提高了安全性。提本发明使得局部枸橼酸抗凝成为一种简便的抗凝技术，促进了它在临床的应用推广。

1.一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，包括控制器、第一蠕动泵、第二蠕动
泵、I/O控制模块、气泡检测模块、警示模块；所述控制器分别连接第一蠕动泵、第二蠕动
泵和I/O控制模块，I/O控制模块分别与气泡检测模块和警示模块相连，所述控制器传输控
制信号用于控制第一蠕动泵和第二蠕动泵的进液速度，所述I/O控制模块将气泡检测模块的
检测信号传输到控制器，所述I/O控制模块控制警示模块的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述气泡检测
模块检测过程为：通过超声波检测输液管，当超声波的反射系数大于设定范围，则检测到输
液管中有气泡，超声波的反射系数在设定范围内，则检测到输液管中没有气泡。
3.根据权利要求1所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述控制器分
别通过RS-485总线连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O控制模块。
4.根据权利要求1所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述警示模块
为三种颜色的指示灯。
5.根据权利要求1所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述第一蠕动
泵为枸橼酸泵，第二蠕动泵为氯化钙泵。
6.根据权利要求5所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述第一蠕动
泵和第二蠕动泵的速度分别记作Qcit和QCaCl2，对应的第二蠕动泵QCaCl2控制过程包括补钙第一
阶段和补钙第二阶段，抗凝开始后第三个小时进入补钙第二阶段，
第一蠕动泵Qcit的输注速度通过公式得到：
Qcit＝Qb×(1-Hct)×C0mmol/Csolution；
其中，Qcit：单位时间枸橼酸输注速度ml/h，
Qb：血流速度ml/min，
Hct：红细胞压积％，
Csolution：1L枸橼酸溶液中含枸橼酸的量mmol,
C0：3～5mmol/L；
所述第一阶段0～3小时内，每小时补钙量：
$Qca\left(phaseI\right)=\frac{0.80\×CcaT\left(art\right)\×Qpw\×Quf}{Qpw+Qcit+Qsub}+0.78\×Css\left(t\right)\×WT\×25\%$
QCaCl2＝Qca/0.34
所述第二阶段3小时以后，每小时补钙量：
$Qca\left(phaseII\right)=\frac{0.80\×CcaT\left(art\right)\×Qpw\×Quf}{Qpw+Qcit+Qsub}$
或者：
Qca(phaseII)＝Qeffluent×Cca_effluent
QCaCl2＝Qca/0.34
其中，Qca：单位时间应补充的钙量mmol/h，
Qcacl2：单位时间5％氯化钙溶液输注速度ml/h，
Qca(phaseⅠ)：第一阶段单位时间补钙量mmol/h，
Qca(phaseⅡ)：第二阶段单位时间补钙量mmol/h，
CcaT(art)：动脉端总钙浓度，相当于体内总钙浓度mmol/L，
Qpw：血浆水速度L/h，
Quf：超滤液速度L/h，
Qsub：置换液速度L/h，
WT：体重kg，
Css(t)：体内枸橼酸稳态浓度mmol/L，
Csys：体内枸橼酸血药浓度mmol/L，
Qeffluent：流出液速度L/h，
Cca_effluent：流出液总钙浓度mmol/L。
7.根据权利要求6所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述体内枸橼
酸血药浓度：
$Csys=C\left(0\right)\·e^{\[(CLb+CLf)\·\frac{1}{V}\]}+\frac{G}{(CLb+CLf)}\×(1-e^{{}^{\[(CLb+CLf)\·\frac{1}{V}\]}})$
其中，G：单位时间输液管内的枸橼酸流量mmol/h，
C(0)：基础枸橼酸浓度mmol/L，
CLb：机体对枸橼酸的清除率L/h，
CLf：透析器对枸橼酸的清除率L/h，
t：枸橼酸输注时间h，
V：体内枸橼酸表观分布容积L。
8.根据权利要求7所述的一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，其特征在于，所述单位时间
输液管内的枸橼酸流量：
G＝Qp×Cinf×(1-Ecit)，
Cinf：每升血浆中加入枸橼酸量mmol/L，
Ecit：枸橼酸滤过分数，
Qp：血浆流量L/h。

一种全自动局部枸橼酸抗凝装置

技术领域

本发明涉及一种自动控制装置，尤其涉及的是一种全自动局部枸橼酸抗凝装置。

背景技术

体外抗凝是血液净化顺利进行的关键。局部枸橼酸抗凝(regional citrate
anticoagulation,RCA)因具有抗凝效果确切，出血并发症少，透析器使用寿命延长等优点，
成为目前高危出血倾向患者体外循环抗凝的理想选择。但是，由于潜在的代谢并发症，操作
较为复杂，期间需要频繁监测等问题，限制了其在临床的应用。

如图1所示，传统的局部枸橼酸抗凝技术是在体外循环动脉端，根据血流速度以一定比
例输注枸橼酸钠溶液，同时在静脉端(血液回到患者体内之前)补钙，从而保证患者体内离
子钙水平正常。局部枸橼酸抗凝-CRRT原理：枸橼酸从动脉端输注，体外循环管路中的离子
钙水平降至0.2-0.4mM/L，发挥体外抗凝作用，同时从静脉端补充钙，体内离子钙水平维持
正常，而不影响体内凝血系统。R(replacement)：置换液；UF(ultrafiltrate)：超滤液。

图1中，4％枸橼酸钠从静脉端输入，使体外循环离子钙降至0.2-0.4mmol/L，达到抗凝
效果，同时从静脉端补充氯化钙，使体内离子钙水平恢复至1.0-1.2mmol/L。

根据现有文献报道和实际工作中的经验，传统的RCA在临床的应用普遍存在以下几个问
题：

(1)需要在原有血液净化装置的基础上额外增加两个精密输液泵用于枸橼酸溶液和钙溶
液的输注，操作繁琐；

(2)枸橼酸输液泵和补钙输注泵是两个独立的泵，当治疗参数变化或者透析机因报警、
更换置换液/透析液等原因动脉泵停泵，就需要透析护士手动暂停/启动这两个泵，若操作不
规范，可能造成医源性枸橼酸输注过多或高钙血症造成体外循环抗凝失败；

(3)传统的枸橼酸抗凝方案主要采用监测-调整-再监测的“试错法”，即根据经验先设
定一个初始补钙速度，然后通过频繁监测体内和体外循环离子钙水平调整补钙速度。我们透
析中心在应用RCA初始也采用这种经验性“试错法”方案，结果发现体内离子钙水平波动较
大，且由于钙的变化滞后于钙的调整，难以准确把握补钙量；

(4)RCA时所投入的人力(至少需要一名受严格培训的血透护士和熟悉枸橼酸抗凝技术
的医生在场)，物力(需要每2-4小时监测离子钙，每次测定费用150元)成本投入巨大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种全自动局部枸橼酸抗凝装置，实现
低人工自动化。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括控制器、第一蠕动泵、第二蠕动泵、I/O
控制模块、气泡检测模块、警示模块；所述控制器分别连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O
控制模块，I/O控制模块分别与气泡检测模块和警示模块相连，所述控制器传输控制信号用
于控制第一蠕动泵和第二蠕动泵的进液速度，所述I/O控制模块将气泡检测模块的检测信号
传输到控制器，所述I/O控制模块控制警示模块的开启和关闭。

所述气泡检测模块检测过程为：通过超声波检测输液管，当超声波的反射系数大于设定
范围，则检测到输液管中有气泡，超声波的反射系数在设定范围内，则检测到输液管中没有
气泡。

所述控制器分别通过RS-485总线连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O控制模块。

所述警示模块为三种颜色的指示灯。

所述第一蠕动泵为枸橼酸泵，第二蠕动泵为氯化钙泵。

所述第一蠕动泵和第二蠕动泵的速度分别记作Qcit和QCaCl2，对应的第二蠕动泵QCaCl2控制
过程包括补钙第一阶段和补钙第二阶段，抗凝开始后第三个小时进入补钙第二阶段，

第一蠕动泵Qcit的输注速度通过公式得到：

Qcit＝Qb×(1-Hct)×C0mmol/Csolution；

其中，Qcit：单位时间枸橼酸输注速度ml/h，

Qb：血流速度ml/min，

Hct：红细胞压积％，

Csolution：1L枸橼酸溶液中含枸橼酸的量mmol,

C0：3～5mmol/L；

所述第一阶段0～3小时内，每小时补钙量：

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

QCaCl2＝Qca/0.34

所述第二阶段3小时以后，每小时补钙量：

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

或者：

Qca(phaseII)＝Qeffluent×Cca_effluent

QCaCl2＝Qca/0.34

其中，Qca：单位时间应补充的钙量mmol/h，

Qcacl2：单位时间5％氯化钙溶液输注速度ml/h，

Qca(phaseⅠ)：第一阶段单位时间补钙量mmol/h，

Qca(phaseⅡ)：第二阶段单位时间补钙量mmol/h，

CcaT(art)：动脉端总钙浓度，相当于体内总钙浓度mmol/L，

Qpw：血浆水速度L/h，

Quf：超滤液速度L/h，

Qsub：置换液速度L/h，

WT：体重kg，

Css(t)：体内枸橼酸稳态浓度mmol/L，

Csys：体内枸橼酸血药浓度mmol/L

Qeffluent：流出液速度L/h，

Cca_effluent：流出液总钙浓度mmol/L。

所述体内枸橼酸血药浓度：

$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：单位时间输液管内的枸橼酸流量mmol/h，

C(0)：基础枸橼酸浓度mmol/L，

CLb：机体对枸橼酸的清除率L/h，

CLf：透析器对枸橼酸的清除率L/h，

t：枸橼酸输注时间h，

V：体内枸橼酸表观分布容积L。

所述单位时间输液管内的枸橼酸流量：

G＝Qp×Cinf×(1-Ecit)，

Cinf：每升血浆中加入枸橼酸量mmol/L，

Ecit：枸橼酸滤过分数，

Qp：血浆流量L/h。

根据体内枸橼酸、钙动力学原理，RCA-CRRT治疗过程中补钙速度可以根据体内枸橼酸达
稳态浓度时间分为两阶段。Kramer等报道无肝硬化危重患者体内枸橼酸半衰期平均为36分
钟，根据药代动力学理论，体内药物浓度在5个半衰期后达稳态浓度，因此体内枸橼酸浓度
在RCA-CRRT开始后三小时达稳态浓度，将RCA-CRRT开始后第三小时作为补钙速度调整的时
间点。(Kramer L,Bauer E,Joukhadar C,et al.Crit Care Med,2003,31：2450-2455.)

Css(t)为体内枸橼酸稳态浓度(mmol/L)，可以用以下枸橼酸药物代谢动力学数学模型
预测(具体数学模型推导参见郑寅，许钟烨，焦正等。连续性肾脏替代治疗时枸橼酸药物代
谢动力学数学模型的构建。中华肾脏病杂志2010；26(6)：432-437.枸橼酸药代动力学数
学模型验证参见：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.
(危重急性肾衰竭患者的枸橼酸药代动力学)

本发明相比现有技术具有以下优点：本装置专为RCA抗凝设计，将枸橼酸泵和补钙泵整
合，该双泵系统又能与透析机动脉泵联动，同时嵌入了枸橼酸、钙输注数学模型，控制两个
泵的速度，无需医护人员过多操作。以往RCA过程中需要每2-4小时监测体内和管路离子钙，
24小时CRRT需要频繁监测6～8次，而通过软件计算的补钙速度补钙，监测间隔延长，24小
时治疗仅需检测2～3次。一定程度上减轻了医护人员的劳动负荷，同时提高了安全性。提高
危重急性肾损伤患者，尤其是合并高危出血风险患者，血液净化治疗的抢救成功率。本发明
一方面减轻了工作人员的劳动强度，另一方面减少了治疗费用。使得局部枸橼酸抗凝成为一
种简便的抗凝技术，促进了它在临床的应用推广。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本实施的应用结构示意图；

图4是本实施例两阶段补钙模型在长时间CVVH治疗中的应用效果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，
给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例包括控制器、第一蠕动泵、第二蠕动泵、I/O控制模块、气泡检
测模块、警示模块；所述控制器分别连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O控制模块，I/O控
制模块分别与气泡检测模块和警示模块相连，所述控制器传输控制信号用于控制第一蠕动泵
和第二蠕动泵的进液速度，所述I/O控制模块将气泡检测模块的检测信号传输到控制器，所
述I/O控制模块控制警示模块的开启和关闭。

传统的RCA方案需要通过“监测-调整-监测”模式调整枸橼酸和钙的输入，本发明将枸
橼酸输注数学模型、两阶段补钙数学模型用C#语言编写成软件，通过人机对话界面输入需要
的临床指标和治疗参数，通过RS485总线控制枸橼酸泵和补钙泵的转速，两个泵就能按照设
定的转速自动向连接的体外循环管路中输入枸橼酸和钙。

本发明应用到的软件原理如下：软件采用C#语言编写，运行库为Microsoft.Net
Framework 3.5。软件提供两种操作方式：自动控制和手动控制。

气泡检测模块检测过程为：通过超声波检测输液管，当超声波的反射系数大于设定范围，
则检测到输液管中有气泡，超声波的反射系数在设定范围内，则检测到输液管中没有气泡。

所述控制器分别通过RS-485总线连接第一蠕动泵、第二蠕动泵和I/O控制模块。

所述警示模块为三种颜色的指示灯。

若输液管中存在气泡，则气泡检测模块将检测到该气泡，并通过RS485总线通知控制器
停止这两台泵的注射。系统正常运转时，指示灯绿灯亮；管路预充时，黄灯亮；输液过程中
有气泡时将会报警，指示灯红灯亮，两泵同时停止运转。气泡检测模块采用超声检测气泡原
理，即当超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面会产生散乱反射，从而会引起超声
波的衰减。当输液管中没有气泡时，超声波反射系数很小，几乎没有衰减；有气泡时，由于
空气和水的声阻抗相差较大，超声波会有很大的反射系数，此时超声波衰减严重。当气泡检
测模块没有检测到气泡时，输出逻辑电平0；当检测到气泡时，输出逻辑电平1。

I/O控制模块为多通道模块，也通过RS-485通讯方式与控制器进行数据交互，主要控制
三个颜色的指示灯和气泡检测模块。多通道I/O模块能控制三个灯的开启与关闭，同时也可
读出气泡检测模块的状态，并将该状态及时发送至控制器。

所述第一蠕动泵为枸橼酸泵，第二蠕动泵为氯化钙泵。

为了计算得到输液流量，需要的参数：总钙浓度CcaT_art(mmol/L)、置换液速度Qsub
(L/h)、枸橼酸输注速度Qcit(L/h)、超滤液速度Quf(L/h)、血液速度Qb(L/h)、红细胞
比容Hct、总蛋白浓度TP(g/L)、病人体重WT(kg)。

枸橼酸输注速度数学公式如下：

Qcit＝Qb×(1-Hct)×4mmol/L

Qcit表示枸橼酸输注速度L/h，

Hct：红细胞比容。

两阶段补钙过程如下：

其核心思想为局部枸橼酸抗凝时存在体内枸橼酸蓄积，蓄积的枸橼酸主要以钙盐形式存
在，根据枸橼酸药代动力学参数，蓄积一般在治疗开始后3小时左右达到稳态。因此，局部
枸橼酸抗凝的补钙也需要分成两个阶段，第一阶段需要补充体内蓄积钙和体外循环清除钙，
第二阶段只需要补充体外循环清除钙。需要注意的是，本装置提出的两阶段补钙数学模型适
用于存在枸橼酸蓄积的低清除效率血液净化模式，如CRRT等。而对于高清除效率的血液净化
模式(如常规间隙性血液透析等)，由于不存在枸橼酸蓄积或蓄积可以忽略不计，可以视作上
述模型的特例，即直接进入第二阶段补钙，而不需要补充蓄积钙部分。自动控制模式下设备
具备自动调整补钙速度功能，即补钙速度分两段式。RCA开始后第三小时，系统会提示进入
到第二阶段补钙，相关的参数与流速都可以进行重新设置。一旦设置成功，系统会自动按照
第二阶段参数直接改变两泵的运转速率，无需医师繁琐操作。同时系统带有参数设置自检测
功能，即输入设置参数后，系统将会自动判断设置参数是否合理，若不合理将会出现提示信
息，防止医师输入参数过程中的误操作。

如图3所示，以连续性静脉-静脉血液滤过(CVVH)为例说明，图中1～9分别为公式1～
9。

Eq1：计算单位时间血浆水流量Qpw(L/h)：

Eq1:Qpw＝Qb×(1-Hct)×(1-Cprotein/100)

Qb：血流量L/h；

Hct：血球压积％；

Cprotein：血清总蛋白浓度g/L。

Eq2：计算枸橼酸输注后滤器前总钙浓度CcaT_in(mmol/L)：

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

CcaT_art：体内总钙浓度mmol/L；

Qcit：枸橼酸输注速度L/h；

Qsub：置换液流量L/h。

Eq3：计算枸橼酸输注后滤器前可弥散钙浓度CcaF_in(mmol/L)：

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

fa：可弥散钙占总钙比例％。

Eq4：计算体外透析清除的钙量Caflux(mmol/h)：

S：筛系数≈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：计算体内蓄积钙浓度⊿Ca_bound(t)(mmol/L)：

Eq6:ΔCca_bound(t)＝fb×Csys(t)

fb：蓄积钙浓度与枸橼酸浓度相关系数；

Csys(t)：枸橼酸点时浓度mmol/L。

Eq7：枸橼酸药代动力学公式：

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

C(0)：基础枸橼酸浓度mmol/L；

Kf：体外枸橼酸透析清除率L/h；

Kb：体内枸橼酸清除率L/h；

t：枸橼酸输注时间h；

V：枸橼酸表观容积L；

G：单位时间输液管内的枸橼酸流量mmol，即单位时间内体内注入的枸橼酸流量。

Eq8：计算体内蓄积钙总量Qca(mmol)：

Eq8:Qca＝fb×Csys(t)×Body Weight×25％

Body Weight：体重kg；

25％：细胞外液量。

Eq9：枸橼酸达稳态前，第一阶段补钙负荷量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)：体内枸橼酸稳态浓度mmol/L。

图4为本实施例两阶段补钙设备在长时间CVVH治疗中的应用(n＝10)。CVVH治疗时间均
长于24小时，显示的数据至24小时。第一阶段补钙速度为6.24±0.43mmol/h，第二阶段
降低至5.10±0.22mmol/h。患者体内及透析管路中离子钙浓度均平稳地控制在理想范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原
则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。