虹科PCAN醫療應用系列Part 6

虹科PCAN接口卡在血液透析機中的應用

背景

我國終末期腎病患者數量龐大且逐年遞增,血液透析是比較成熟的替代療法,能緩解患者症狀,延長患者壽命。目前我國血液透析機市場主要被進口品牌佔領,研髮質優價廉的國產​​血液透析機不僅是我國醫療企業的追求,也對科技進步,醫療事業的發展具有重要意義。

血液透析是通過將體內血液引流至體外,經一個由無數根空心纖維組成的透析器中,血液與含機體濃度相似的電解質溶液(透析液)在一根根空心纖維內外,通過彌散/對流進行物質交換,清除體內的代謝廢物、維持電解質和酸鹼平衡,同時清除體內過多的水分。

圖(一) 血液透析機

挑戰傳統血液透析機的不足之處

在醫院實際治療中,根據患者的狀況,需要選擇搭配不同的模塊進行治療。經過多年的發展,國產先進機型其功能,安全性能,人性化設計等均具有比肩國外機型的實力,但是國產血液透析機依然有不足之處。如大多數血液透析設備不具有血容監測儀,多套獨立的CPU系統和中央聯網等功能。雖然具有多種安全監測功能,但實際故障率較高。不論是設備外觀,還是機器的液路系統原理,零部件的設計等,均顯創新不足,缺乏核心競爭力。

方案:虹科PCAN接口卡在血液透析機中的應用及優化

為了在原有樣機的基礎上根據新的需求和更高的要求對其進行了優化,需要從系統完整性,安全性,精確性等各方面進行考慮。基於上述存在的問題,可以使用虹科PCAN接口實現對血液透析機的進一步研發開發和優化。

血液透析機擁有眾多電控零部件,對機器工作中的各項指標的要求較高,需要高效穩定的自動控制系統才能使得透析安全運行。因此,血液透析機控制系統應滿足自動控制系統的基本要求,即穩定性、快速性和準確性。

圖(二) 血液透析機控制系統

對於血液透析機的控制系統來說,其安全性不光包括控制系統自身,同時也包括受控制系統控制的執行部件。控制系統在自身安全性具有保障的情況下,應該對執行部件的運行情況有所了解。當執行部件出現故障或偶然沒有正常工作時,控制系統應該能從其部件自身的反饋或根據系統整體運行情況推斷出是什麼零部件發生故障,發生了什麼故障,故障原因是什麼,應該怎麼處理。因此,血液透析機控制系統結構,要實現的功能包括:採集各個傳感器的信號,保證透析的安全性;控制各個泵的運動,實現重要參數的精確控制並達標。

虹科方案的控制系統主要可分為上層和底層,上層為上位機和下位機主控制器,下層為電機及其驅動器、傳感器模塊以及三塊電磁閥控制板。其硬件結構如圖所示。控制系統主要包括上層控制器和底層執行部件及傳感器模塊,上位機負責人機交互功能,獲取醫護人員指令,顯示治療參數等,下位機主控制器接收上位機指令,完成血液透析機功能,並將參數上傳至上位機,電機及驅動器、電磁閥作為執行部件,傳感器作為信息反饋部件。

圖(三) 硬件模塊功能圖

根據控制系統需求,各個硬件模塊的功能劃分如下:

  1. 上位機主要實現人機交互功能,包括引導醫護人員進行透析操作,實時顯示透析參數,提供維修人員的檢修平台等。上位機與下位機主控制器通過CAN 總線通信。
  2. 下位機主控制器用於實現血液透析機的整體控制,即採集溫度、電導率、流量等傳感器信息,控制血泵、除氣泵、流量泵等電機,控制電磁閥控制器的驅動等。
  3. 電機及驅動器是控制系統的執行機構,傳感器模塊是信息採集裝置。
  4. 電磁閥控制器負責驅動電磁閥及反饋電磁閥狀態。

在這個通信過程中,CAN 通信任務主要負責處理CAN 總線上設備的通信。我們可以把通信類任務優先級最高,保證上位機的控制命令和參數在任何時刻都能及時傳送到下位機。上位機與下位機的所有通信都由該任務完成,其他任務只能通過該任務間接與上位機聯繫。在CAN 接收中斷中,接收由上位機發送的數據,並將該數據緩存後通過發送信號量的方式觸發CAN 通信任務,以供分析執行。

虹科PCAN接口卡的關鍵特性

圖(四) PCAN-USB Pro FD

√ 高速USB 2.0適配器(兼容USB 1.1和USB 3.0)

√ 發送和接收CAN FD和LIN報文使用2個D-Sub接頭(都用CAN FD和LIN總線的管腳分配)

√ 時間戳分辨率1μs

√ 工作溫度範圍-40—85°C (-40 to 185 °F)

√ 符合CAN規格2.0 A/B和FD

√ 每個CAN FD通道單獨隔離USB和LIN,最大500V

√ CAN終端可通過焊接跳線激勵

√ 總線負載測量包括錯誤幀和過載幀

√ 誘導錯誤生成用於輸入和輸出的CAN報文

總結

通過虹科PCAN接口卡實現在血液透析機中的應用及優化,可以滿足產品的穩定性、快速性和準確性的要求,也可以搭配我們的手持測試儀PCAN-Diag FD進行各種故障診斷,比如在協議層通過處理CAN2.0和CAN FD報文進行各種故障診斷,以及在物理層上通過示波器功能和電壓與電阻的測量功能進行故障診斷。目前國內外已有不少廠商採用PCAN接口卡升級自家的醫療設備,如您也想更進一步了解PCAN接口卡,請聯繫宏虹電子獲取產品資料和試用機會。