中国血液净化2019年10月第18卷第10期Chin J Blood Purif,October,2019,Vol.18,No.10·血液净化中心管理· 在临床中的应用
董斌1吴丹2张飞鸿3
中图分类号：R19文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1671-4091.2019.10.018
血液透析的主要原理是弥散。通过血液与透析液的溶质交换，将体内的肌酐、尿毒素等毒素排出体外。溶质交换的同时，会产生温度的交换。虽然国内外都有报道，适当的低温透析有助于降低透析中严重高血压、低血压、心脑血管等事件的发生频率[1]，Yagi 等提出，低体温可以降低ICU 患者的死亡率[2]。但是透析液温度过低，患者透析过程中不可避免会出现畏寒或寒颤表现[3]。此外，在透析过程中，患者体内的血液引出体外净化后流回人体，在此过程中会造成热量的损失，引起患者血管收缩并发症等，因此需要对体外循环过程进行加热，以补充热量损失。血液透析机通常采用加热水路系统控制透析液温度的方法，借助透析器透析液与流经体外循环的血液进行热交换，补偿损失的热量，以防出现透析液温度差异，避免患者寒战、溶血、心律失常或心力衰竭的发生。因此，血液透析机必须具备专门的温度控 制系统，将透析液温度控制在设置值范围内，在过程中根据患者的情况适度调节，当透析液温度超出正常范围，透析液经旁路排出，确保血液透析的安全[4]。血液透析机的温度控制系统由热交换器、加热器、温度传感器3部分组成，通过热交换器利用排液的热量对反渗水(或透析液)进行预热之后，利用温度传感器监控加热器，将透析液加温到设定的温度。1加热器加热器是利用电能达到加热效果的电器，按加热方式可分为电磁加热、红外线加热、电阻加热3类。透析机通常采用电阻加热方式，利用电流流过导体的焦耳效应产生的热能对液体进行的电加热。电流通过电阻就会有能量损失，根据能量守恒定律，这部分损失的能量会以其他能量的形式释放出来，如发光、发热、发声或者是机械能，普通电阻是以热能的形式表现。具体来讲，当一段电阻两端有一定的电压后，电阻中的电子会在电场的作用下，向着电势升高的地方移动。但是，前进路上布满分子、原子。碰到它们时，电子会和它们碰撞，从而将电场产生的能量转变为相撞时产生的热能。
透析机供水温度通常为10℃～30℃，当供水温度为5℃～10℃，透析液流量超过500ml/min 或供水温度为30℃～35℃，设定透析液温度低于供水温度时，透析机对透析液温度控制易出现紊乱。日机装系列血液透析机具有热水消毒功能，采用加热器将管路内溶液加热至92℃，使之在装置内循环而实施消毒。当加热器出口的热水温度超过95℃或在药液(如次氯酸钠)消毒中，加热器出口的药液温度超过60℃时，透析机出现加热器出口温度异常警示。此外，加热器表面设置有监测温度的恒温器，当温度超过120℃时，恒温器温控开关启动，位于温控开关中央的按键会弹起来，自动切断加热器的电源[5]。
该设置可防止透析液管路空烧，恒温器若无运作，需查明原因，然后按复位键复位。
2温度传感器
患者血液温度升高，会引起血管舒张，影响患者血压。38.5℃～40℃可引起患者不适和发烧，引发
心动过速、过度换气、恶心、呕吐等。超过51℃可立刻发生严重溶血，患者可死于高血钾。如果液温在47℃～50℃，溶血可延迟48h 发生。所以需要灵敏的监测装置对温度进行实时控制，严禁温度超过
作者单位：264200威海，1威海威高血液净化中心
264205威海，2威海经济技术开发区威高血液净化中心
200233上海，3上海交通大学附属第六人民医院血液透析中心
中长波加热器通讯作者：张飞鸿200233上海，3上海交通大学附属第六人民医院血液透析中心Email：zhangfeihong28@126
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中国血液净化2019年10月第18卷第10期Chin J Blood Purif,October,2019,Vol.18,No.1042℃[6]。温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，可概述为“对热度敏感的电阻”。温度传感器是温度控制系统的核心部分，根据其材料来分有很多种类型，如半导体二极管型、热电偶型、热敏电阻等。透析机通常采用热敏电阻对透析液温度进行监测。热敏电阻利用某种半导体材料的电阻率随周围环境温度变化而变化的性质制成。感受透析用水、透析液温度变化后，其自身的电阻值发生变化，通过桥式电路或者更简单的分压电路，把电阻的变化转换为电压信号，并将这个电压信号输入到具有A/D 转换器的单片机或集成电路中，显示在透析机LED 显示屏上。热敏电阻阻值与液体温度呈指数关系，
其具有如下特点：①工作温度范围宽，常温器件适用于﹣55℃～315℃；②灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能监测出10-6℃的温度变化；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④稳定性好、过载能力强。当电路正常工作时，热敏电阻温度与透析液设定温度相近，电阻很小，在电路中不会阻碍电流通过；当电路因故障而出现过电流，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过热敏开关(temperature switch，ts)设定的温度时，电阻瞬间会剧增，回路中的电流迅速减少到安全值。通过改变自身ts 来调节对温度的敏感程度，因而可同时起到过温保护和过流保护2种作用。将热敏电阻直接置于透析液路的适当位置，利用热敏电阻受到液路中透析用水或透析液较小的温度变化(一般为±1℃)影响时，其电阻值会发生相应变化的特性进行工作。这样小的温度变化可利用惠斯登电桥电路监测[7]。温度控制电路在工作过程中，在环境温度高于或低于设定温度时，热敏电阻将温度信号转换为电信号，触发电压比较器，使比较器呈高电平输出，导通红LED 发光二极管及蜂鸣器，触发声光报警。透析机加热对象通常为透析用水或透析液。日机装单人用系列血液透析机采用对透析用水进行加热的方式控制透析液温度。透析液通常由透析用水、A 浓缩液、B 浓缩液3部分按比例混合而成。加热器只对透析用水进行加热，当吸入常温A 浓缩液、B 浓缩液后，透析液温度通常会适度下降，此外透析液管路输送过程也会存在热能的消耗，导致加热器出口温度与临床人员设定温度存在偏差。这就要求透析机内部管路至少存在2套温度传感器。一套监测加热器出口处透析用水温度，另一套监测进入透析
器前的透析液温度。日机装系列血液透析机将2个热敏电阻TH1和TH2放置于加热器出口处对加热后的透析用水温度进行监控；将热敏电阻TH3、TH4放置于进入透析器前的液路中对透析液温度进行监控。保证TH1=TH2＞TH3=TH4=设定温度。即加热器出口温度通常略高于设定温度，确保进入透析器的透析液温度与设定温度一致。
日机装透析机温度最大操作范围限定在30℃～40℃之间，并可根据使用者要求进一步缩小，减少误操作对患者造成伤害的可能。另外温度传感器的报警范围初始设定为±1℃。即：工作人员设定的透析液温度与实际透析液温度相差超过1℃时，
温度传感器(保护)会产生报警。温度示值误差为±0.5℃[8]，即实际温度与目标温度的误差精度在±0.5℃范围内。另外，温度控制部采取双传感器监测，TH1、TH2的数据用于监控加热器，其中TH1控制加热温度，TH2对TH1进行监控；TH3、TH4的数据用于监控透析液，其中TH3控制透析液温度，TH4对TH3进行监控。当二者温度出现偏差过大时，会触发报警，提醒工作人员及时处理。
3热交换器
《中华人民共和国节约能源法》指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”。通过加热器加热、温度传感器恒温的透析液与血液在透析器经过弥散后成为透析废液，经排废管路排出。透析废液温度通常高于透析用水温度。热交换器利用透析废液的热能
向供给液加温，控制加热器的耗电，实现节能。日机装系列血液透析机采用套管式热交换器。热交换器设置于透析机内部管路加热器前端，通过热交换器利用排液的热量对反渗水进行预热之后，利用温度传感器监控加热器，将透析液加温到设定的温度。热交换器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U 形孔径连接而成[9]。外部部件为壳程，
流经液体为透析废液；内部部件为管程，流经液体为透析用水。冷流体(透析用水)和热流体(透析废液)分别通过热交换器的管程和壳程，通过热传导，从而使冷流体的温度升高。为增加传热效率，通常在管程加装螺旋片，壳程加装螺旋钢丝，改变流体运行轨迹，增加冷、热流体的接触面积[10,11]。在热传导的过程中不存在物质交换，避免污染事件的发生。
本文研究的套管式热交换器的几何尺寸如表1所示。管程、螺旋片、螺旋钢丝为不锈钢材料，壳程••
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为聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)等材料。耐热性好，能在100℃以上的温度下进行消毒灭菌，长期工作温度可达120℃。
热交换器通常采用逆流布置，即热交换器内部透析用水与透析废液的流动方向相反的布置方式。其特点是热交换器中的热流体的高温端正好是冷流体的高温端。逆流布置传热温差较大，传递相同热量，所需换热面积少[12,13]。在热交换器中，传热的平均线温差标志传热量的大小，由传热公式Q= KA(ΔTm)知，ΔTm越大则传热Q越大。逆流时，冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度；而在顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度。逆流时，冷热两种流体的温差值较大，在换热面积相同时，逆流可以传递较多的热量。透析用水与透析废液流动方向相反，可以使2种流体接触的线路上始终保持较大的温度差，提高透析用水的加温效率。
例如：在热交换器中，冷热流体进行热交换，热流体温度都是90℃冷却到70℃，冷流体温度都是由20℃加热到60℃，试比较并流与逆流的传热平均温度差[14,15]。T=热流体温度，t=冷流体温度，△t=
两流体温度差，△tm=传热平均温度。逆流传热时，T：90℃→70℃，t：60℃→20℃，△t：30℃、50℃，△tm= (50－30)/ln(50/30)=39.2℃；顺流传热时，T：90℃→70℃，t：20℃→60℃，△t：70℃、10℃，△tm= (70－10)/ln(70/10)=30.8℃。计算结果表明：在顺流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的传热平均温度差比并流时要大28%。
为贯彻实施《医疗器械监督管理条例》和《国务院关于改革药品医疗器械审评审批制度的意见》(国发[2015]44号)的要求，国家食品药品监督管理总局组织修订的新版《医疗器械分类目录》于2018年8月1日正式施行。血液透析机作为体外循环及血液处理设备，被定义为Ⅲ类医疗器械，即植入人体，用于支持、维持生命，对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。温度控制系统作为血液透析机诊疗的重要组成部件，其稳定性和精准性均具有严密标准。所以，加强对血液透析机温度控制系统的管理，了解并熟练掌握其功能原理，对血液透析的安全有序进行具有重要意义。
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(收稿日期：2018-08-24)
(本文编辑：苏华)
表1热交换器芯体尺寸
芯体长度(mm)内径(mm)螺距(mm)壳程27020
螺旋钢丝27520
管程30012
螺旋片32510
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