壓力傳感器在ECMO體外膜肺氧合器的應用

ECMO又稱體外維生系統(tǒng)，現在已成為重癥心肺疾患患者一種有效的治療手段。其原理為通過插管引流患者的靜脈血至體外，經氣體交換后，再通過動脈或靜脈將氧合血送回患者體內，應用體外循環(huán)技術，對因心臟和肺病變或創(chuàng)傷導致呼吸或循環(huán)衰竭的患者進行有效支持，使心肺得以充分休息，為心功能和肺功能的恢復贏得寶貴的時間。

ECMO系統(tǒng)通常由多個組件構成，包括控制臺、泵驅動器、傳感器盒等，其中傳感器盒內包含了多種傳感器，如流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，以確保對患者的生理參數進行全面監(jiān)測?3。這些傳感器的使用，使得ECMO成為重癥心肺功能衰竭患者的重要治療手段，通過提供持續(xù)的體外呼吸與循環(huán)支持，幫助患者度過危險期?。

ECMO的核心組成部件

一、離心泵 ECMO系統(tǒng)可以視為一個流體控制系統(tǒng)。那么離心泵就是這個流體控制系統(tǒng)的動力源部分，也就是心臟的功能。其主要功能是連續(xù)抽取病人靜脈血 , 利用離心力將血液泵入外循環(huán)管道。簡單說一下離心泵的原理：離心泵是依靠泵頭作高速旋轉運動，通過旋轉的葉輪或者黏性剪切力將動能傳輸給液體，使泵內側壁形成高壓區(qū)，而中央形成低壓區(qū)，離心泵中心部位是入口，周邊部位是出口，這樣在壓力差的作用下，液體從中心往周邊單向運動。ECMO設備，目前大多采用離心泵作為流體動力源，離心泵對紅細胞、血小板等血液有形成分的破壞較輕。傳統(tǒng)的擠壓式蠕動泵，因為擠壓管路的原理，容易損傷紅細胞。在離心泵的控制方面，ECMO系統(tǒng)中，需要配合流量傳感器，控制離心泵的轉速，從而做到閉環(huán)控制流量的目的。這個流量傳感器一般采用超聲波流量傳感器。

二、氧合器 氧合器，就是肺的功能。進行氧氣和二氧化碳交換。目前ECMO系統(tǒng)中，氧合器采用的是膜式氧合器。更具體說，采用的是中空纖維膜式氧合器。目前的中空纖維模式氧合器，纖維管內是氣體，纖維管外是血液流動。氣體和血液在膜的兩側通過擴散作用進行氧氣與二氧化碳的交換。但目前的膜材料相比人體肺，實際氣體傳輸能力還是偏小，同時受容器體積和膜面積的影響，目前氧合器在臨床中，只能滿足成人呼吸需求的50%。另外，膜材料在在長時間工作后，氧合性能會下降，纖維潤濕過程中，會產生血漿滲漏的現象。再加上血漿易堵塞和血液成分易沉積等問題，導致了氧合器臨床使用時間較短。限制了ECMO的臨床試驗時間，使得ECMO一般只是作為急救過程中臨時性呼吸系統(tǒng)維持手段。

ECMO的流轉途徑

（1）靜脈-靜脈轉流（V-V）：適合單純呼吸輔助，無循環(huán)輔助功能 插管位置：可采用左股靜脈-右股靜脈或右頸內靜脈-右股靜脈。

（2）靜脈-動脈轉流（V-A）：可同時呼吸輔助和循環(huán)輔助 插管位置：靜脈可采用股靜脈，頸靜脈或右房。動脈可采用股動脈，升主動脈，頸動脈

離心泵包括一個圓錐體和磁鐵底盤。后者在以設定的頻率旋轉時，會產生渦流效應，在泵頭形成負壓，這個壓力會驅動血流進入泵內，并由渦流的上部引出。引出的血流主要受泵前血容量、泵后阻力、泵頭大小及泵的轉速的影響。它的主要優(yōu)點是不會產生過強的負壓，也就不會有嚴重的氣泡形成。而其缺點就有血流量不穩(wěn)定，當血流減少時會加重溶血。滾壓泵通過擠壓管道產生壓力（泵前負壓吸引血液入泵，泵后正壓驅動血液入患者體內）驅動管道內血液流動。血流量受管道直徑、泵滾軸的阻斷壓力、泵轉速和血量的影響。其優(yōu)點是可以提供穩(wěn)定的血流，缺點主要是易引起壓力的持續(xù)變化，容易產生氣體，需要用到壓力傳感器實時監(jiān)控壓力值變化。

驅動泵上的壓力傳感器主要用途

1、測量液體壓力：壓力范圍一般在-15至15psi的壓力范圍，壓力分辨率1mmHg，寬的壓力范圍，更加適應于不同氧合器壓力范圍檢測。

2、具有壓力校準和溫度補償輸出。這有助于降低溫度的變化對壓力測量的影響。這對醫(yī)療氧合器而言，更有助于提高其環(huán)境的適應性。

3、溫度范圍：-20?+85℃。寬工作溫度范圍，提高了產品的穩(wěn)定性和適應性。

4、優(yōu)于1％的初始精度和壽命期限內小于1％的精度偏移。這對于醫(yī)療氧合器而言，大大的提高了檢測氧合器內氧氣的壓力精度。提高了產品的測量質量。

5、I2C數字接口。這便于應用和使用，大大降低了開發(fā)難度。

6、安裝方向為非敏感方向。這對于安裝在氧合器內部，提高了安裝的便捷性。另外可定制壓力范圍更加適應于不同氧合器壓力范圍檢測。

數字微差壓系列產品能實時滿足此類用戶需求，ms級響應，極高的分辨率和檢測精度，數字輸出帶溫補。

便攜式ECMO的進展及未來發(fā)展方向

隨著ECMO技術的不斷發(fā)展，應用場景也延伸到院前急救和院間轉運。為了滿足社區(qū)、災區(qū)和戰(zhàn)場的緊急救治、醫(yī)院間轉運的需要，小型化、便攜式以及穿戴式ECMO已成為當前設備研發(fā)的重點。

便攜式ECMO研發(fā)進展近年來，隨著技術的不斷進步，ECMO組件的集成度進一步提高，便攜式ECMO技術發(fā)展迅速。許多研究機構和企業(yè)對便攜式ECMO進行了相關研究，并取得了一定的成果。

LIFEBRIDGE B2T（圖1a）是一種微型心肺支持系統(tǒng)，其設計與傳統(tǒng)ECMO系統(tǒng)相似，總重量約為20 kg，內置電池可使用2小時。該系統(tǒng)是一種便攜式盒子結構（圖1a），可用于醫(yī)院外急救和患者轉運，特點是具有防空氣栓塞功能，可自動去除氣泡。缺點是尺寸相對較大，更適合救護車或醫(yī)院間轉運，而不是單人運輸。

Cardiohelp系統(tǒng)（圖1b）是一種便攜式心肺支持系統(tǒng)，是第一個將氧合器、離心泵、動靜脈壓力傳感器和血液溫度傳感器集成在內置一次性袋中的系統(tǒng)。整機重量約為10 kg，包括一個備用電源，該電源至少可持續(xù)90分鐘。它還配備了固定的運輸保護裝置，用于各種轉移模式，如救護車或直升機。目前，該系統(tǒng)已在許多國家的醫(yī)療機構中應用于醫(yī)院和院前急救。

Lifebox系統(tǒng)（圖1c）是一種便攜式ECMO系統(tǒng)，適用于患者轉移。控制器重量約為9.7kg，并配備了可持續(xù)240分鐘的備用電源。

Deltastream DP3系統(tǒng)（圖1e）是一種采用磁懸浮原理的對角線泵頭，具有良好的血液相容性。更重要的是，它可以提供脈動流而不回流。由該泵組成的便攜式ECMO系統(tǒng)已成功用于醫(yī)院間轉移。日本率先研發(fā)出小型、輕量、可長時間使用的超級緊湊型（ultra-compact）人工心肺系統(tǒng)（圖1g），能在4分鐘內快速啟動，在沒有電源和供氧設備的地方，利用內置電池和拆卸式氧氣瓶單元也可以連續(xù)運行1個小時。

為院前急救和轉運而設計的便攜式ECMO（圖1h），包括集成控制主機、屏幕、電池和監(jiān)控系統(tǒng)，整機重量約為9 kg。設備采用抗血栓涂層技術，改善系統(tǒng)的血液相容性，同時配備一個全面的監(jiān)測系統(tǒng)。

OASSIST ECMO系統(tǒng)（圖1i，j）是一種新型便攜式ECMO系統(tǒng)，兼顧床旁及轉運等多種使用場景，創(chuàng)新設計的便攜式泵頭驅動器，是一款可長時間獨立工作的驅動器，為ECMO技術開展提供更多可能。

2022年10月份意大利企業(yè)Eurosets推出其最為輕便的ECMO——COLIBRì，并獲得CE批準。COLIBRì設計小巧，重量輕（<9 kg），采用全磁懸浮離心泵，可覆蓋成人、兒童和新生兒患者。?

可穿戴式ECMO

2011年，美國馬里蘭大學研究團隊首次提出了可穿戴人工心肺（APL）。APL可以為走動的患者提供呼吸支持，其集成設備僅需一個拉桿箱的大小。美國匹茲堡大學研究團隊于2017年發(fā)表了其研發(fā)的外置可移動式輔助肺（PAAL）。PAAL將血泵和氧合器結合在一個裝置中。2021，Orizondo等人開發(fā)了模塊化體外肺輔助系統(tǒng)（MODELAS），集成了定制離心泵和中空纖維膜，可配置不同尺寸的中空纖維膜以滿足不同的需求。

ECMO技術的發(fā)展方向

便攜式ECMO，是一種滿足院外急救和長期院外ECMO支持的特殊需求的設備。它在血泵等ECMO組件中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，綜合監(jiān)測系統(tǒng)的設計和結構優(yōu)化是減小ECMO尺寸和增強其適用性的重要研究方向。此外，智能ECMO系統(tǒng)的開發(fā)還可以降低使用ECMO的難度，并方便在缺乏完整監(jiān)測設備的院外環(huán)境中使用ECMO。

全面的監(jiān)測系統(tǒng)：便攜式ECMO需要比常規(guī)ECMO更全面的監(jiān)測系統(tǒng)。除了必要的流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器外，便攜式ECMO還需要對一系列的血液參數（如HCT、血紅蛋白和氧飽和度等）進行監(jiān)測。

智能ECMO：智能ECMO的發(fā)展可以減少院前急救環(huán)境中對專業(yè)醫(yī)護人員的需求。例如，可以通過ECMO電路中的多個傳感器建立智能控制算法，以自動調整患者的ECMO參數、根據患者活動水平提供ECMO支持，實現ECMO的智能管理。

在ECMO設備的小型化、傳感器集成和結構簡化方面取得了重大進展。然而，作為一種新的生命支持技術，ECMO在實施過程中仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)性炎癥和出血等并發(fā)癥等。針對院外心臟驟?；颊吆推渌毙鐴CMO復蘇治療的患者，便攜式ECMO研究非常重要，仍有很大的發(fā)展空間。

壓力監(jiān)測為：-100~300 mm Hg ，即為-13.33KPA至40KPA左右

流量監(jiān)測(FArt):0.5~7L/min，±7%

霍尼韋爾流量傳感器AWM5102 測量范圍：0-10SLPM(升）

供電電壓8-15V 輸出：模擬電壓

提供空氣，CO2,N2氣體標定