只需三步，掌握全自动在线血透水处理系统的设计
随着我国经济的快速发展，科学技术在各学科领域内交流与合作得到广泛开展。血液透析中的水处理技术是血液净化领域内重要组成部分之一，受到越来越多的关注，并直接影响到患者的生存质量，对改善和延续患者的生命有着深远的意义。血液透析是维持肾衰患者生命的有效手段，透析用水的质量直接或者间接地影响患者的治疗效果，不合格的透析用水轻则导致透析并发症，重则引发透析事故。
目前，各研究机构对于透析用水水质与治疗效果关联度的认识逐渐加深，水处理设备倍受重视。透析用水和日常饮用水的水质有着巨大的差别，常规血液透析患者每周大约需要360L，普通患者每周饮用水约为14L。饮用水在进入血液之前经过了胃肠道屏障的保护作用，而血液透析患者水和血液接触是通过半透膜实现，对水质有很高的要求。为此，本研究设计全自动血透水处理系统，确定水处理工艺流程，对水处理系统进行质量控制。
目前使用的水处理机一般为双级反渗技术(如图1所示)。
反渗水使用生活自来水作为水源，经过砂罐、碳罐和树脂罐的深度净化和软化处理，去除自来水中的余氯、高价阳离子和一些杂质，经过除气罐去除气泡后进入集水器备用；再由反渗膜进行净化，从而去除水中的病菌、细菌、悬浮物和大分子物质，得到适合血液透析机使用的反渗水。透析用水常用的检测指标有透析离子浓度、透析水电导度、透析水压力、氯离子浓度、pH值以及内毒素浓度。
在过去的数十年里，科技创新带动的处理工艺变革提升了产水的指标，水处理工艺和设备的控制主要经历3个阶段。
(1)20世纪60-70年代。人们逐渐认识到钙、镁离子的超标将导致患者的“硬水综合症”，因此，水处理设备特别强调了软化工艺，对应的水处理设备相对简单，主要包括各种精度的过滤装置和软化器，此时水处理设备尚未形成独立的控制系统。
(2)20世纪70-90年代。随着世界各地水源受污染程度的加剧和各种消毒液特别是氯、氯胺等可能导致患者不良影响的物质加入，水质要求开始向纯化水方面发展，处理工艺在保证软化的同时强调了活性炭吸附有害物质的功能，并开始采用反渗透工艺作为主要的除盐、除菌技术。此时为了保护反渗透中高压泵等装置的可靠运行，开始采用了以继电器、接触器为核心的控制单元，初步实现设备的自动控制功能。
(3)20世纪90年代以后。人们开始认识到微生物污染的严重危害，形成了以反渗透为核心，结合预处理、精处理和后处理以及消毒为一体的综合性水处理设备。同时提出了超纯透析用水的概念，部分设备采用了二级反渗透或反渗透联合电去离子等更加先进的处理技术，在完善各类化学消毒的基础上，出现了热消毒、臭氧消毒等新型杀菌消毒技术。控制部分实现了以可编程逻辑控制器(programmable logiccontroller，PLC)和触摸屏为核心的控制单位，结合电导率、水位及压力等传感器，实现了故障报警及切换、远程控制、恒压供水以及自动消毒等一系列高要求动作，极大方便了用户的操作。
目前，各类透析水处理系统在线检测透析水质量及控制氯离子、内毒素等方面均存在漏洞。瑞典金宝和德国劳尔的透析制水系统均不具备在自动化消毒过程中的检测和质量控制。多数医院的透析水氯离子和内毒素检测由人工检测，费工、费时，且人为因素多，使得对透析水氯离子和内毒素的检测和质量控制不准确，且成本很高。个别地区存在未按国家法定的规章进行操作的现象，造成大量的化学消毒液残留，给患者造成巨大伤害。
全自动在线血液透析水处理机的整体设计是利用单片机微控制单元(micro control unit，MCU)控制血液透析机的制水和消毒过程，利用各种传感器对水质的化学和生物指标进行监测，并利用触摸屏作为人机交互界面，使整个控制过程非常友好和方便。
1、日常制水
在经过砂罐、树脂罐和碳罐过滤和软化处理之后将软化水注入容积约为200L的集水器中备用，其目的是为了防止在供水系统缺水后系统仍然继续工作而造成高压泵空转引发事故。该设计与世界较为先进的瑞典金宝和德国劳尔的透析制水系统均为开路的结构。系统产生的二级反渗水进入病房给血液透析机供水后，剩余的反渗水直接排光，其目的是当少量患者进行血液透析时反渗水需求量小，而供水量却为整个病房，将会产生大量的浪费。
全自动在线血液透析水处理机的设计是将用剩余的反渗水重新打回前端的集水箱，重新进入系统，进行两次反渗透处理，其设计可极大节约用水，每日用水量为原用水量的1/4。由于反渗水的水质化学生物指标优于生活用自来水，因此系统运行一段时间后前端水质会越来越好，对反渗膜的使用时间大有益处，该设计在化学消毒时同样有益处。
该设计的缺陷是在反渗水不断循环的过程中，由于与管壁的摩擦生热，温度会持续上升，使反渗水温度超过标准(≤30℃)。为此，本研究设计制水系统中的各个传感器可发挥作用，当温度超过＞30℃时由温度传感器发出信号告知MCU，MCU控制水路电磁阀直接强行排水直到温度下降至标准温度，再重新开始新的循环。集水器储水完成以后，通过MCU的控制进行反渗透，经过两次反渗透得到合适的血液透析用水，其整个过程中系统需要对水质进行浓水电导度、纯水电导度、纯水的压力、温度、余氯、pH值和内毒素含量监测。
(1)浓水电导度。指膜前未处理水的电导度，通常维持在300～400 uS/cm，当前端水质出现污染，浓水电导度上升，过高的电导度会对反渗膜造成一定的损伤。
(2)纯水电导度。指经过两次反渗后产生的反渗水的电导度，这是反渗水的重要化学指标，关系到反渗水中电解质含量的多少(卫生部规定一般≤5uS/cm)。
(3)纯水压力。是出水端的压力，按照病房不同的治疗床数，调节合适的水压，由于现阶段血液透析机监测供水情况是依据水压进行检测，故合适的水压才不会造成后端的血液透析机出现供水不足的现象，也不会由于压力过大，造成渗透。
(4)温度。指整个水处理中水的温度，反渗水温度≤30 ℃，否则会对患者造成损伤。而且目前国内血液透析管路一般使用PPC管，在高温下PPC管会出现软化的情况。
(5)余氯。由于生活用水是依靠氯气进行消毒，所以余氯是指反渗水中的游离氯和化合氯，一般是指水中的氯胺化合物。余氯对人体危害极大，微量的化合氯就会引起患者缺血。国家标准反渗水中的余氯≤0.5 ppm。一般自来水中的余氯含量很少，经过碳罐吸附，均能达到卫生部颁发的标准。
(6)pH值。指反渗水的酸碱性，由于反渗膜的阳离子脱出率达到99.9%，再加上16kPa的压力，会将空气中的CO2压到水中，产生了CO3-2，所以反渗水呈现偏酸性。卫生部血液净化标准操作规程规定pH值为5.8～6.3。
(7)内毒素。细菌繁殖新陈代谢所产生的一种脂多糖，进入人体后会引起人体免疫反应，其表现是发热，故又叫做发热源。水处理设备管路长时间使用会滋生微生物而产生内毒素，内毒素直径很小可以通过半透膜进入人体，因此血液透析治疗室需定期进行内毒素检测(临床一般使用凝胶法进行检测)。水处理机利用MCU的控制，自动完成凝胶法利用感光元件进行检测，卫生部血液净化标准操作规程规定内毒素＜2EU/ml。
2、化学消毒
水处理设备长期使用管路会滋生细菌和病菌，对患者造成严重伤害的物质，因此必须定期进行消毒。化学消毒时应先将管路中充满反渗水，然后在消毒桶中加入一定量的化学消毒剂，稀释后在整个管路中进行循环一段时间之后静止浸泡，以加强消毒功能，最后将消毒水排放并用清水不断冲洗。在冲洗的过程中利用传感器检测余氯和pH值两个指标，由于化学消毒使用次氯酸钠，消毒效果非常好，但是次氯酸钠会产生大量的余氯，因此化学消毒后要进行长时间的冲洗，直到余氯含量和pH值达到标准。完成整个消毒过程后打印生成消毒报告，其程序流程如图2所示。
3、热消毒
化学消毒会有大量消毒剂残留，故日常消毒采用热消毒，其效果基本与化学消毒相同，但是由于RO膜不耐热，热消毒只在膜后进行。先将加热桶注满反渗水，然后用加热管进行加热到指定温度(80℃)，到达温度后用此桶水进行循环热消毒。在热消毒过程中需不断检测桶中水位是否下降。由于病房管路CPPC管和使用的血液透析机进水橡皮管受热会有微微变形，水压增大后容易引发渗透，其后果严重，当水处理系统MCU通过传感器发现水位下降后会自动关闭消毒程序。在热消毒一段时间后用清水冲洗，完成整个消毒过程后打印生成消毒报告。
全自动在线水处理机的特点是制水、消毒和检测全自动化，节省了人工时间，并且在整个制水工程中不断对水质进行检测，保证反渗水水质达到国家血液透析用水标准，有效地防止血液透析医疗事故。同时，自动消毒极大地节省了消毒时间，全程自动开始、自动检测和自动结束。并且在每日制水、消毒结束后可通过打印机将水质报告和消毒报告打印出来，方便以后进行质量控制，方便操作人员及时发现水处理机报警。
随着血液透析的普及使用，对水处理的要求提高，每日血液透析水用量极大增加，以往老式的制水设备已经无法满足临床需求。良好的操作界面，全程自动制水消毒和自动生成纸质报告已经成为新一代血液透析水处理设备的趋势，也必将越来越收到临床操作人员的青睐。
来源：中国医学装备
作者：贺昕路、顾伟新，杭州市第一人民医院设备科
筑医台编辑出品
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