全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)分離采集技術(shù)及離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(可編輯)

1、全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)分離采集技術(shù)及離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 碩士學(xué)位論文全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)分離采集技術(shù)及離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)RESEARCH ON APHERESIS PRINCIPLES OF AUTOMATIC BLOOD SEPERATOR AND CENTRIFUGAL MECHANISM DESIGN張 晗哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013 年 6 月 國內(nèi)圖書分類號(hào):TH789 學(xué)校代碼:10213 國際圖書分類號(hào):621 密級(jí):公開 工程碩士學(xué)位論文全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)分離采集技術(shù)及離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 碩士研究生:張晗 導(dǎo) 師:朱東華(副)教授 申請(qǐng)學(xué)位:工程碩士 學(xué)科:機(jī)械工程 所 在 單 位:船舶與海洋工程學(xué)院 答

2、 辯 日 期:2013 年 6 月 授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classified Index: TH789 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON APHERESIS PRINCIPLES OF AUTOMATIC BLOOD SEPERATOR AND CENTRIFUGAL MECHANISM DESIGN Candidate: Zhang Han Supervisor: A.Prof. Zhu donghua Academic Degree Applied for: Master

3、 of Engineering Mechanical Engineering Speciality: School of Naval Architecture And Affiliation: Ocean Engineering June, 2013 Date of Defence: Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘 要 隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展,臨床上越來越多地采用輸注成分血液的治療方式來對(duì)患者進(jìn)行治療,但是傳統(tǒng)成分血的制備多是采用手工方式。此種方式存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大,操作步

4、驟繁瑣,并因醫(yī)務(wù)人員操作習(xí)慣而影響成分血質(zhì)量的問題。為提高成分血液分離的效率以及成分血液采集質(zhì)量,提出連續(xù)式全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)的研制。血細(xì)胞分離機(jī)的工作需要專門的管路耗材,目前帶式分離管路可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的采血回輸且具有分離效果好的特點(diǎn)。因此,本文提出全血帶式離心分離管路的血液采集機(jī)理、分離過程參數(shù)并進(jìn)行速度設(shè)計(jì)以及不同成分血液采集流程的規(guī)劃,以此為全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 本文首先分析了連續(xù)式血液分離帶管路套件的構(gòu)成并研究了全血在分離帶中的運(yùn)動(dòng)原理。建立了全血分離過程的力學(xué)模型,提出可實(shí)現(xiàn)成分血液分離的層流假設(shè),并根據(jù) stokes 方程對(duì)血液成分的沉降系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。此外,

5、還分析了影響離心分離帶中血液分離的因素,研究了通過蠕動(dòng)泵對(duì)不同血液成分分層界面的調(diào)整方式,為后續(xù)分離機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。 其次,根據(jù)建立的環(huán)形帶式分離管路模型,運(yùn)用 FLUENT仿真軟件對(duì)全血離心分離過程進(jìn)行數(shù)值仿真。研究了不同管路端口造型、不同離心轉(zhuǎn)速、不同管路采集速度對(duì)血液分離層面以及采集速度的影響,為后續(xù)分離機(jī)的過程參數(shù)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。 然后,根據(jù)理論分析及仿真的結(jié)果,按照不同成分血液采集分類,研究了血液分離過程中各種參數(shù)的設(shè)置以及計(jì)算,設(shè)計(jì)了相關(guān)蠕動(dòng)泵泵速計(jì)算方法,規(guī)劃了不同成分血液采集流程,并在安全性上面考慮了安全參數(shù)的設(shè)計(jì)以及計(jì)算。并為不同的工作條件,對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)速、采血、回輸速度

6、進(jìn)行了速度梯度管理設(shè)計(jì)。為后續(xù)分離機(jī)控制系統(tǒng)研制提供依據(jù)。 昀后,在前面分離分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了離心機(jī) 構(gòu),為保證血液平穩(wěn)快速的分離,對(duì)離心機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)平衡設(shè)計(jì)與分析。關(guān)鍵詞:離心分離;成分血的制備;FLUENT 仿真;分離參數(shù)設(shè)計(jì);動(dòng)平衡 - I -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Abstract With the development of medical technology, injection of blood component is now widely uesd in clinic to treatment patients. Traditionally, component

7、blood production is produced more by manual methods. Some significant problems exist with this method in the nurse labor intensity and operation steps, meanwhile, the medical staffs personal operation habit has a great influence on the quality of component blood. In order to improve the quality of t

8、he component blood and the efficiency of separation, the automatic blood cell separator is proposed. The unique blood channel and collection chamber need to be applied to the operation of blood cell separator. Continuous blood circulation can be realized by the belt type separation channel, which ha

9、s great advantage in seperation efficiency. Therefore, the apheresis principles of whole belt type separation channel is poprosed, then the separation parameters is analyzed and the collection process with different blood component is designed. This provides basis for the future design of the automa

10、tic blood cell separatorFirstly, the composition and the movement principle of whole blood in the belt type separation channel is analyzed. The mechanics model of blood separation process is established in this thesis. Then, the laminar flow hypothesis which forms the basis of the separation of the

11、whole blood is proposed. According to the Stocks Law, the blood component subsidence coeffient is derived. In addition, in order to design the separator, the factors that influence the blood centrifugal separation and the methods to adjust the collection interface are analyzedSecondly, according to

12、the models of the belt type separation channel, the numerical simulation of whole blood centrifugal separation process is accomplished with FLUENT. Different factors that influence the separating efficiency is studied, such as channel port structures, centrifugal rotational speed and collecting spee

13、d of different pipes. These parameters are used to design the process parameters of the blood cell separatorThirdly, according to the theoretical analysis and simulation results, the process parameters setting and calculation for different collection processes are studied based on the classification

14、 of different apheresis. Meanwhile, taking security into account, safety parameters are designed to make sure the comforts of donors. The speed gradient management is also designed for the speed of centrifuge, collection, and returnings to fufill different operating conditions, which is the basis of

15、 separator control system - II -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Finally, a centrifugal structure is designed based on the previous analysis of blood cells separation. In order to ensure the steady of blood separation and high collecting speed, dynamic balance is considered and designedKeywords: centrifugal separati

16、on, component blood production, FLUENT simulation, separation parameter design, dynamic balance - III -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目 錄 摘 要I?ABSTRACTII?第 1 章 緒 論.1?1.1 課題背景及研究的目的和意義.1?1.2 血液分離機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2?1.2.1 血液成分分離采集技術(shù)的分類3?1.2.2 國內(nèi)外血細(xì)胞分離機(jī)研究現(xiàn)狀5?1.3 血液分離管路耗材分類.7?1.4 本文的主要研究內(nèi)容.8?第 2 章 血液成分分離的理論基礎(chǔ).9?2.1 血液成分介紹.9?2.2

17、 血液成分分離管路及分離過程10?2.2.1 血液成分分離管路介紹.10?2.2.2 血液在分離帶中分離過程描述. 11?2.3 血液離心分離的物理模型.12?2.3.1 層流假設(shè)12?2.3.2 血液成分在粘性流體中的受力分析.13?2.3.3 顆粒沉降系數(shù).15?2.3.4 離心時(shí)間的預(yù)測16?2.4 影響血液成分分離的因素分析17?2.4.1 血液成分分離中可控參數(shù)分析.17?2.4.2 血液成分分離界面的調(diào)整分析.18?2.5 本章小結(jié)20?第 3 章 基于FLUENT軟件的血液成分分離仿真分析21?3.1 GAMBIT造型及FLUENT參數(shù)設(shè)置21?3.1.1 GAMBIT造型及網(wǎng)格

18、劃分.21?3.1.2 FLUENT參數(shù)設(shè)置.22?3.2 血液成分分離流體速度場模擬23?3.3 管路端口結(jié)構(gòu)的影響24?3.4 不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)離心分離過程的影響.25- IV -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 3.5 不同采集速度對(duì)離心分離過程的影響.27?3.6 本章小結(jié)29?第 4 章 成分血液分離采集過程參數(shù)分析計(jì)算及設(shè)計(jì).30?4.1 機(jī)采成分血.30?4.1.1 機(jī)采血漿30?4.1.2 機(jī)采血小板.35?4.1.3 機(jī)采紅細(xì)胞.36?4.2 分離采集過程中的參數(shù)化設(shè)計(jì)37?4.2.1 全血量及全血漿容量.37?4.2.2 安全采集速度設(shè)計(jì)38?4.3 機(jī)采成分血分離采集順序規(guī)

19、劃41?4.4 血液成分分離相關(guān)速度管理設(shè)計(jì)43?4.4.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)速梯度管理設(shè)計(jì)43?4.4.2 采血流速梯度管理設(shè)計(jì).44?4.4.3 回輸流速梯度管理設(shè)計(jì).45?4.5 本章小結(jié)47?第 5 章 離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析.48?5.1 離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).48?5.1.1 離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析.48?5.1.2 離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).48?5.2 離心機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡分析52?5.2.1 離心機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡原理.52?5.2.2 離心機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡分析及仿真.53?5.3本章小結(jié)55?結(jié) 論56?參考文獻(xiàn)57?攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果.62?哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用權(quán)限.63?致 謝64- V

20、 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 目前,國內(nèi)外臨床上對(duì)于許多疾病采取輸注血液進(jìn)行治療,輸注血液有兩種方式:一種是利用全血進(jìn)行全血輸注治療,另一種是利用成分血進(jìn)行成分血1輸注治療 。但是全血輸注會(huì)帶來許多不良反應(yīng)和并發(fā)癥,使輸血的風(fēng)險(xiǎn)增加,其主要缺點(diǎn)如下:代謝負(fù)擔(dān)加重;容易產(chǎn)生同種免疫反應(yīng);全血中血液成分不2,3純,達(dá)不到治療劑量,療效差;對(duì)血液的綜合利用效率低,嚴(yán)重浪費(fèi) 。而成分輸血與全血輸注相比,成分輸血不僅克服了上述全血輸注的缺點(diǎn),而且還具有以下優(yōu)勢: (1)制劑容量小、血成分含量高和純度高。因此不額外增加患者的循環(huán)負(fù)荷,臨床效果明

21、顯。 (2)安全、副作用小。成分血,特別是機(jī)采的成分血,是在封閉的狀況下分離和采集的,暴露在外界環(huán)境中被污染的幾率很小,并且機(jī)采的成分血來自同一個(gè)體捐獻(xiàn)者,血成分的生物學(xué)性質(zhì)的同一性好,輸注后,患者副作用小。 (3)大大降低輸血引起的傳染性疾病。機(jī)采成分血供者來源單一,對(duì)捐獻(xiàn)者的健康狀況容易掌握,這對(duì)降低輸血引起的傳染性疾病非常重要。 (4)保存、使用方便。機(jī)采血成分的收集容器也可以作為其儲(chǔ)存容器,不需要進(jìn)一步處理,可以直接應(yīng)用于臨床。 (5)綜合利用率高、節(jié)約血液資源。 因此臨床上越來越多的采用成分血輸注進(jìn)行治療,并且效果明顯。 如果需要進(jìn)行成分血的輸注,那么首先就要進(jìn)行成分血的制備。成分血

22、如紅細(xì)胞、血小板、白細(xì)胞、血漿等血液成分制備方法有兩種:一種為利用多人份全血進(jìn)行手工制備,這也是昀傳統(tǒng)的血液成分制備的方式;另外一種是直接4利用血細(xì)胞分離機(jī)從單一個(gè)體捐獻(xiàn)者采集某種或者某幾種血液成分 。 傳統(tǒng)的血液成分制備分離多以手工為主,勞動(dòng)強(qiáng)度大,操作步驟繁瑣,而且可能會(huì)因操作者個(gè)人習(xí)慣而降低血液成分的質(zhì)量,進(jìn)而對(duì)血液成分的臨床輸注效果帶來負(fù)面影響。例如,手工采集的血小板以多人份混合血小板懸浮液為主,不但血小板本身的濃度不夠,而且純度不高,常常混入較多的紅細(xì)胞和白細(xì)胞。患者輸注多人份混合的血小板懸浮液不但止血效果不理想,而且長期輸注的患者還會(huì)引起同種免疫的問題,給臨床移植(如器官移植)工作

23、帶來另一- 1 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 5個(gè)問題:增加了移植風(fēng)險(xiǎn)和排異反應(yīng)、降低移植成功率 。 為此,通過上述分析,本課題提出設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)以取代傳統(tǒng)的全血輸注以及人工制備純度不高的成分血來解決上述問題。通過研究整個(gè)血液成分分離過程的機(jī)理,進(jìn)而對(duì)其中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),從而指導(dǎo)后續(xù)的離心機(jī)設(shè)計(jì)。 全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)工作原理:通過特制的封閉管路,分離機(jī)抽取獻(xiàn)血者全血,將獻(xiàn)血者的全血通過血細(xì)胞分離機(jī)進(jìn)行體外循環(huán)并進(jìn)行全血成分離心分離,形成成分血分層,分離機(jī)通過不同蠕動(dòng)泵的動(dòng)作配合采集所需成分血并將其余成分回輸人體,如此形成一個(gè)循環(huán)閉環(huán)過程。設(shè)計(jì)全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)具有如下意義

24、: (1)全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)自 20 世紀(jì) 60 年代的問世以來給整個(gè)輸血醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來了革命性的變化,并代表了血庫技術(shù)(blood bank technology)的主要發(fā)展方向之一; (2)濃度高,純度高,其他血液細(xì)胞成分,特別是白細(xì)胞混入少,這是保證臨床輸注效果的根本質(zhì)量要求; (3)節(jié)約血液資源,可以同時(shí)采集血小板,紅細(xì)胞和血漿等三種血液成分,提高了成分血采集的工作效率; (4)更安全、更可靠。自動(dòng)化采集的成分血來自于同一個(gè)體,大大降低了臨床輸注時(shí)發(fā)生同種免疫反應(yīng)和病毒感染的幾率; (5)有利于保護(hù)獻(xiàn)血者。由于采用的是全封閉式的一次性管路,同時(shí)提取的血細(xì)胞量也具有嚴(yán)格的控制,因此對(duì)于供

25、血者來說是十分安全的。 1.2 血液分離機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代血液離心分離采集技術(shù)源于 1914 年美國Johns Hopkins醫(yī)學(xué)院的研究6-9小組 。經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)期間的發(fā)展,血液離心分離,儲(chǔ)存技術(shù)得到很大的發(fā)展,到了 20 世紀(jì) 50 年代初,Dr Cohn 開發(fā)出第一臺(tái)封閉式的血液分離機(jī),在此基礎(chǔ)上IBM的高級(jí)工程師MrGJudson與美國國家癌癥研究所(NCI)合作開發(fā)出第一臺(tái)連續(xù)式血細(xì)胞分離機(jī),從此以后,血細(xì)胞分離機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展10-15時(shí)代,為整個(gè)輸血醫(yī)學(xué)帶來了革命性變化 。國內(nèi)外一些著名醫(yī)療器械公司紛紛推出不同型號(hào)、功能的血細(xì)胞分離機(jī)投入市場。- 2 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩

26、士學(xué)位論文 1.2.1 血液成分分離采集技術(shù)的分類 血液成分分離采集(hemapheresis)有兩個(gè)目的:一是分離采集健康獻(xiàn)血人員的某種血液成分用于臨床輸注;二是用于病人時(shí),主要是提供一種治療手段,以達(dá)到治病的目的。在這種情況下可能是分離采集病人的某種細(xì)胞成分,如外16,17周血干/祖細(xì)胞,也可以是去除體內(nèi)過高的紅細(xì)胞 。 按功能和用途分類 一般而言,當(dāng)代血細(xì)胞分離機(jī)具有分離采集多種血液細(xì)胞成分的功能和用途。例如,根據(jù)所要分離采集的血液細(xì)胞成分的不同,將血液細(xì)胞成分分離采集(hemapheresis)劃分為白細(xì)胞分離采集(leukapheresis)、紅細(xì)胞分離采集(eryt

27、hrocytapheresis)、血小板分離采集(plateletapheresis)和血漿分離采集(plasmapheresis) ,如圖 1-1 所示,上述的分離采集方法既可以用于病人或者健康供者,也可以用于血液中心的獻(xiàn)血員。圖 1-1 血液成分分離采集的功能和用途分類 按分離技術(shù)原理分類 當(dāng)前市售的血細(xì)胞分離機(jī)按其分離技術(shù)原理可以將其分為三大類:離心式、17,18濾膜式和吸附式 。如圖 1-2 所示,離心系統(tǒng)是離心式血細(xì)胞分離機(jī)的核心裝置,根據(jù)此類血細(xì)胞分離機(jī)分離式,血流方式的不同,將其分為間斷流動(dòng)式離心機(jī)(intermittent flow centrifuge, IF

28、C)和連續(xù)流動(dòng)式離心機(jī)(continuous flow 19centrifuge, CFC) 。圖 1-2 血液成分分離采集的技術(shù)原理分類- 3 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1.離心式血細(xì)胞分離機(jī) 這類分離機(jī)應(yīng)用廣泛,分為以下兩種類型: (1)間斷流動(dòng)式血細(xì)胞分離機(jī) IFC式細(xì)胞分離機(jī)工作時(shí),在泵的抽取和驅(qū)動(dòng)下,血液從靜脈血管經(jīng)過穿刺針,血液經(jīng)過抗凝后流經(jīng)分離管路,進(jìn)入離心杯,開始離心分離過程。數(shù)根收集管路與離心杯和收集袋相連,用于收集不同的血液成分。在離心力的作用下,血漿成分首先得到分離,血小板和白細(xì)胞隨后也被分離和收集。這一過程完成后,泵反向轉(zhuǎn)動(dòng),將紅細(xì)胞和其它血液成分一同回輸給患者

29、或者供者。當(dāng)離心杯無血液時(shí),整個(gè)程序又被啟動(dòng)進(jìn)行第二輪分離采集,直到達(dá)到期望的效20果 。 IFC 分離機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是只需一根靜脈通路,用于抽血離心和剩余血回輸;但是,在臨床使用中也有不利的一面。這類分離機(jī)運(yùn)行過程中,體外循環(huán)血容量比 CFC 血細(xì)胞分離機(jī)來的大,而且其體外循環(huán)血容量還取決于患者和供者血細(xì)胞比容的多少。因此,在臨床上將這種血細(xì)胞分離機(jī)用于貧血患者采集或者其他治療時(shí),應(yīng)當(dāng)密切觀察患者的血容量的變化及加強(qiáng)護(hù)理。 (2)連續(xù)流動(dòng)式血細(xì)胞分離機(jī) 臨床上較多使用CFC式血細(xì)胞分離機(jī)。此類分離機(jī)運(yùn)行時(shí),收集和回輸過程同時(shí)進(jìn)行,因此,與IFC式血細(xì)胞分離機(jī)不同,它需要兩根靜脈通路:一根用于抽血,

30、另一根用于回輸。血液成分的分離采集工作是在血液連續(xù)、不間斷的情況下進(jìn)行的。由于這類血細(xì)胞分離機(jī)的體外循環(huán)血容量比IFC式血細(xì)胞分離機(jī)來的少,一般不受患者或供者血細(xì)胞比容的影響,而且血流量運(yùn)行平穩(wěn)。21所以,對(duì)兒童病人,一般不推薦使用連續(xù)式血細(xì)胞分離機(jī) 。 2.濾膜式血細(xì)胞分離機(jī) 該類型血細(xì)胞分離機(jī)在臨床上的適用范圍狹窄,應(yīng)用有限。這種分離機(jī)的功能單一,主要用于患者血漿置換或者供者血漿/血小板的采集,不具有離心式血細(xì)胞分離機(jī)的多種功能和用途。其工作原理是利用濾膜的分子篩特性,將血漿或者顆粒大小不等的血小板與其他血細(xì)胞成分(紅細(xì)胞、白細(xì)胞、粒細(xì)胞等)分離。 3.吸附式血液成分分離機(jī) 該類型血細(xì)胞分

31、離機(jī)主要應(yīng)用于臨床治療。過去十幾年的臨床實(shí)踐表明,通過這種方法確實(shí)能改善某些疾病的癥狀,對(duì)阻止疾病的進(jìn)展卻有幫助。其基本原理是利用特制的免疫吸附柱選擇性或者特異性去除血漿中與免疫相關(guān)的致病物質(zhì)(如抗體或免疫復(fù)合物)。 22通過免疫吸附原理去除血漿中致病物質(zhì)是近年來發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù) 。其中,利用葡萄球菌蛋白A制成的瓊脂糖柱(如immunosorba)和葡萄球菌蛋白A硅膠柱(prosorba)已獲得美國FDA和某些歐洲國家的批準(zhǔn)在臨床上使用,并取- 4 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 得了較好的效果。 特異性去除血漿中的致病物質(zhì)是今后血漿置換分離去除術(shù)的重要發(fā)展方向。利用免疫吸附或者吸附劑特異性

32、去除血液中的致病物質(zhì),對(duì)疾病本身的治療具有很強(qiáng)的針對(duì)性和優(yōu)越性,然而,由于當(dāng)前吸附柱的價(jià)格昂貴(有些可重復(fù)使用),限制了它在臨床上的廣泛使用。但是,它仍具有很高的研究開發(fā)價(jià)值。 1.2.2 國內(nèi)外血細(xì)胞分離機(jī)研究現(xiàn)狀 按照離心分離血細(xì)胞時(shí)工作方式的不同,將血細(xì)胞分離機(jī)分為連續(xù)式和間斷式兩大類。前者如COBE Spectra,CS3000plus,Fresenius COM .TEC;后者23-28如Haemonetics生產(chǎn)的MCS+系列 。 目前,在臨床和血液中心廣泛使用的血細(xì)胞分離機(jī)主要有下面幾種機(jī)型。這些機(jī)型的自動(dòng)化程度都比較高,人機(jī)對(duì)話的界面友好,操作方便,性能安全。

33、德國 Fresenius 集團(tuán)公司生產(chǎn)的 Fresenius COM .TEC Fresenius COM .TEC 是德國 Fresenius 集團(tuán)生產(chǎn)的連續(xù)流動(dòng)式血細(xì)胞分離機(jī)。該機(jī)功能全面,附加 LDL 去除功能和 CD34+產(chǎn)量預(yù)測功能。在歐洲有很大的市場,已經(jīng)成為血液成分分離技術(shù)的主流機(jī)型,如圖 1-3 所示。Fresenius COM .TEC 主要特點(diǎn)有以下幾方面: (1)該機(jī)的操作靈活性高,參數(shù)范圍寬而且“抽屜式”的離心式,易于裝卸。 (2)具有“保持靜脈開放(KVO)”功能以及鹽水輸注功能,并且具有智能的 ACD(抗凝血)的管理系統(tǒng)。 (3)具有強(qiáng)大的安全性能,在分離腔內(nèi)利用離

34、心力分離全血,發(fā)生漏血時(shí),離心機(jī)的漏血探測器會(huì)提醒操作者,以防獻(xiàn)血者嚴(yán)重失血;在臨界狀態(tài)下,顯示器會(huì)顯示警告和報(bào)警狀態(tài)。 圖 1-3 Fresenius COM .TEC 圖 1-4 CS3000plus 分離機(jī)- 5 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 美國 Baxter Fenwal 公司生產(chǎn)的 Amicus 和 CS3000plus CS3000plus 是美國 Baxter Fenwal 公司生產(chǎn)的,是國內(nèi)較早使用的連續(xù)式血細(xì)胞分離機(jī),并且為該公司在國內(nèi)市場較早推廣使用的主要機(jī)型。該機(jī)型重要特點(diǎn)是一次性消耗性分離管路便宜;分離產(chǎn)品容積小,對(duì)外周血造血干/祖細(xì)胞的凍存十分有

35、利,但是其產(chǎn)品不外掛,因此,分離過程中不能隨時(shí)觀察產(chǎn)品狀況,如圖 1-4 所示。為此,為了改進(jìn)并提高產(chǎn)品性能,Baxter Fenwal 昀近再次推出一款新的機(jī)型 Amicus。 Amicus 是美國 Baxter Fenwal 公司生產(chǎn)的,如圖 1-5 所示。該血細(xì)胞分離機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn),是一個(gè)自動(dòng)化、連續(xù)分離的血細(xì)胞分離機(jī),可以從全血中分離出所需的血液成分,并將其余成分回輸給獻(xiàn)血員或者病人,即適合臨床使用,也適用于血液中心。Amicus 血細(xì)胞分離機(jī)可以從單一獻(xiàn)血員采集多種血液成分,該機(jī)型市場潛力巨大。Amicus 具有如下特點(diǎn): (1)該機(jī)配有先進(jìn)的血小板病原菌滅活系統(tǒng)(intercept s

36、ystem),這為更安全的使用提供了巨大的保證。 (2)產(chǎn)品體積小,采集時(shí)間短,分離效率可達(dá) 70%以上,產(chǎn)品純度高,6無需過濾,白細(xì)胞污染小于 1×10 個(gè)。 (3)體外循環(huán)量少,抗凝劑全程可控,唯一的一臺(tái)同時(shí)采用單、雙針連續(xù)分離技術(shù)。 (4)具有完善以太網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),可以用于整體醫(yī)療系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。 圖 1-5 Amicus 血細(xì)胞分離機(jī)圖 1-6 Trima Accel 血細(xì)胞分離機(jī) 美國 GambroBCT 生產(chǎn)的 COBE Spectra 系列 Trima COBE Spectra 系列如 Trima,Trima Accel 是美國 Gambro 公司生產(chǎn)

37、的一款連續(xù)式血細(xì)胞分離機(jī),在臨床上廣泛應(yīng)用于健康供者血液成分的采集,而且可以根據(jù)不同的情形同時(shí)采集幾種血液成分。功能強(qiáng),安全,具有較完善的軟件支持系統(tǒng),可升級(jí)軟件配置。新近開發(fā)的軟件配置可進(jìn)行自動(dòng)外周造血干細(xì)胞/祖細(xì)胞的采集。- 6 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 美國 Haemonetics 公司生產(chǎn)的 MCS+ MCS+是美國 Haemonetics 公司基于 Latham 離心機(jī)而設(shè)計(jì)的間斷式血細(xì)胞分離機(jī)。該系列產(chǎn)品在國內(nèi)血液中心被廣泛使用,具有體積小、輕便、安全等特點(diǎn)。 中國南格爾公司生產(chǎn)的 NGL XCF3000 NGL XCF3000 是國內(nèi)南格爾

38、公司自主研發(fā)并生產(chǎn)的血液成分分離機(jī),該機(jī)型為間斷式血液成分分離機(jī)。盡管投放市場較國外機(jī)型晚,但是,其可靠的安全性能、高效采集效率和低廉的價(jià)位,相信不久后將會(huì)有較大的市場份額,特別是適合基層血站的使用。圖 1-7 MCS+血液成分分離機(jī) 圖 1-8 NGL XCF3000 血液成分分離機(jī) 1.3 血液分離管路耗材分類 目前市面上針對(duì)全血成分分離的管路耗材種類不是很多,而且各種不同管路耗材原理上基本相似,均是通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力從而使全血分離為成分血,但各自效率、工作過程不盡相同。管路耗材總體上可以分為兩大類:一類29 30是離心杯式 ;另一類是離心帶式 。 1)離心杯式血液分離管路耗材:是昀早

39、開發(fā)使用 的血細(xì)胞分離耗材,離心部分容器為杯式。其特點(diǎn)是單次處理血量大。如圖 1-9 所示。 離心杯式血液分離管路耗材的單次血液處理工作過程可以描述為采血、分離、收集、回輸四個(gè)動(dòng)作順序依次發(fā)生。每一過程均是在上一過程動(dòng)作完成后才進(jìn)行,采血與回輸交替進(jìn)行。因此,離心杯式血液管路耗材為間斷式離心分離耗材,其離心分離采集成分血液的效率低,同時(shí)由于單次處理體外循環(huán)血量過大,對(duì)獻(xiàn)血者的聯(lián)機(jī)體驗(yàn)不是很好。 2)離心帶式血液分離管路耗材:是隨著血液分離技術(shù)的發(fā)展,在離心杯式血液分離耗材基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。離心部分容器為帶式。其特點(diǎn)是血液處理效率高。如圖 1-10 所示。- 7 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

40、離心帶式血液分離管路耗材的單次血液處理工作過程可以描述為邊采血,邊分離,邊收集,邊回輸。采血的同時(shí)進(jìn)行離心分離過程,同時(shí)可以收集已經(jīng)分離好的成分血液并回輸剩余部分。因此,離心帶式血液管路耗材為連續(xù)式離心分離管路耗材,其工作效率更高,同時(shí)由于體外循環(huán)處理血量小,獻(xiàn)血者的聯(lián)機(jī)體驗(yàn)十分友好。 圖 1-9 離心杯式血液分離耗材 圖 1-10 離心帶式血液分離耗材 1.4 本文的主要研究內(nèi)容 本課題綜合全自動(dòng)血細(xì)胞分離的國內(nèi)外現(xiàn)狀,提出旨在針對(duì)帶式分離管路的連續(xù)式離心分離機(jī)的研制。研究帶式血液離心分離過程的原理,分析影響不同成分血液的分層效果的因素,運(yùn)用仿真軟件建立模型分析帶式管路耗材離心分離的參數(shù),設(shè)

41、計(jì)離心分離過程規(guī)劃及相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì),并進(jìn)行離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本課題所研究的主要內(nèi)容具體如下: (1)利用離心分離理論建立全血在粘性流體中的數(shù)學(xué)模型,通過理論推導(dǎo)出血液不同成分的離心分離的沉降系數(shù),并得到離心時(shí)間預(yù)測的方法。 (2)研究連續(xù)式離心分離帶中各種成分血液的分層原理、堆積過程,并分析影響成分血液分離采集效果的可控因素。 (3)運(yùn)用 FLUENT 軟件仿真分析分離帶端口結(jié)構(gòu)、離心速度對(duì)帶式血液成分分離的影響;離心帶采血回輸速度對(duì)分離層面及采集效率的影響。 (4)在理論分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)整個(gè)分離系統(tǒng),進(jìn)行成分血液采集流程規(guī)劃及其中控制參數(shù)設(shè)計(jì),包括離心轉(zhuǎn)速梯度設(shè)計(jì),蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì),安全采集速度設(shè)

42、計(jì),采血及回輸速度管理設(shè)計(jì)。 (5)在上述理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合分離帶管路耗材結(jié)構(gòu)尺寸和機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡分析,設(shè)計(jì)了基于帶式分離管路的全自動(dòng)血細(xì)胞分離機(jī)的離心機(jī)構(gòu)。- 8 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第 2 章 血液成分分離的理論基礎(chǔ) 2.1 血液成分介紹 健康成年人的血容量大約占到人體總體重的 6%8%。人體血液是由液體成31分血漿和紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板等細(xì)胞有形成組成的 。在這里,需要明確32一個(gè)概念,那就是血細(xì)胞比容(hematocrit, HCT) 。血細(xì)胞比容也叫做血細(xì)胞壓積,值是指細(xì)胞的有形成分所占全血容量的百分比。血細(xì)胞比容由紅細(xì)胞,白細(xì)胞和血小板等細(xì)胞有形成分的體積共同組成。

43、血漿是血液的主要液體組成成分,主要由水組成,其中還有可溶性蛋白和多種離子成分。正常健康男性的HCT值平均為 45%,女性為 41%。 哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞成規(guī)則的雙凹圓盤狀,其直徑大約為 7.598.50 m,厚度為 2.5 m。紅細(xì)胞是血液中含量昀多的血細(xì)胞成分,大約占到血細(xì)胞比容的95%以上。同時(shí),紅細(xì)胞也是所有的血細(xì)胞中比重昀大的細(xì)胞,約為1.0781.114g/ml。 白細(xì)胞是由 5 種形態(tài)各不相同的細(xì)胞組成,各自發(fā)揮著不同的生物學(xué)功能,參與機(jī)體重要的生理和病理過程。就血細(xì)胞的組成數(shù)量而言,白細(xì)胞是血液細(xì)胞成分中數(shù)量昀少的細(xì)胞群體,白細(xì)胞(WBC )與紅細(xì)胞(RBC)的比值大約為 1:10

44、00,因此在血細(xì)胞計(jì)數(shù)中常常忽略白細(xì)胞的數(shù)量。但是,在自然狀態(tài)下,與其他血細(xì)胞相比,WBC 是昀大的球形血細(xì)胞,其直徑為 816 m,密度為1.0501.092g/ml。 血小板是血細(xì)胞中昀小的細(xì)胞成分,直徑為 25 m,密度也昀小,大約為1.040g/ml,與血漿的密度十分接近,呈不規(guī)則的盤狀。盡管他們在血液中出現(xiàn)的幾率是白細(xì)胞的 40 倍之多,但是,由于其體積小的原因,所以對(duì)血細(xì)胞比容的貢獻(xiàn)不大。各血細(xì)胞成分的主要生物物理特性見表 2-1。 表 2-1 不同血細(xì)胞的生物物理特性 RBCWBC PLT 形 狀 雙凹圓盤狀 球 形 不規(guī)則 密 度(g/ml)1.0781.1141.0781.1

45、15 1.040 2表面積(m 140 33028 半 徑(m) 4 4 8 1.5 3體 積(m )92 20014 頻 率(1/l) 5000 000 5000200 000- 9 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2.2 血液成分分離管路及分離過程 2.2.1 血液成分分離管路介紹 單針連續(xù)帶式分離管路構(gòu)成如圖 2-1 所示,主要由四部分構(gòu)成,分別為連接管路,卡匣部分,環(huán)形離心分離帶以及各成分血液收集袋。各部分均有各自33的功能與作用,整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙緊湊 。 卡匣部分主要是通過控制各蠕動(dòng)泵以及控制閥來實(shí)現(xiàn)全血的采集,回輸過程,并通過其中設(shè)計(jì)的不同成分血液流道來控制不同成分血液的采集與回

46、輸;離心分離帶主要是用來將流入的抗凝全血進(jìn)行連續(xù)式離心分離在收集頭處形成成分血;血液成分收集袋是用來采集并貯存已分離完成的目標(biāo)所需成分血液的容器;連接管路用來將上述三部分串聯(lián)為一個(gè)有機(jī)整體。 成分血液收集袋 連接管路 離心分離帶 卡匣部分圖 2-1 單針連續(xù)式血液分離管路套件 單針連續(xù)式管路套件工作過程為:管路套件通過穿刺針與獻(xiàn)血者聯(lián)接,人體全血通過卡匣面板上的采血蠕動(dòng)泵帶動(dòng)與抗凝劑混合進(jìn)入卡匣面板管路中形成抗凝全血,經(jīng)連接管路進(jìn)入離心分離帶中進(jìn)行離心分離形成成分血液分層。并通過卡匣管路配合處血漿泵、血小板泵、回輸泵及各成分控制閥相互配合采集相應(yīng)所需成分血液,同時(shí)將剩余成分血液回輸人體。- 1

47、0 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2.2.2 血液在分離帶中分離過程描述 全血通過特制的密閉管路進(jìn)入離心機(jī)構(gòu)中后流入特殊的環(huán)形分離袋中。環(huán)形分離帶是在相距很近(1-2mm)的上下平板之間構(gòu)成的扁平帶狀流道。采集的全血通過蠕動(dòng)泵的注入相當(dāng)于載流液流于其中。由于環(huán)形分離帶內(nèi)外壁間距很薄,雷諾數(shù)很小,所以其中載流流動(dòng)為層流。如圖 2-2 所示,流道內(nèi)血液的流動(dòng)應(yīng)該是二維層流,流速剖面應(yīng)為拋物線形或近似拋物線形,中心線上的速度昀大。圖 2-2 環(huán)形管路內(nèi)部示意圖 當(dāng)環(huán)形分離帶隨著離心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí),相當(dāng)于垂直于環(huán)形離心分離帶施加了一個(gè)側(cè)向場,從側(cè)面垂直于流動(dòng)方向施加離心力場。如圖 2-3 所示,單向側(cè)

48、向場的施加導(dǎo)致了全血中不同血液成分如血漿,紅細(xì)胞,血小板等處在距外側(cè)壁不同的位置上。通過載液即全血的流動(dòng),將穩(wěn)定的成分血液分離層推送至環(huán)形分離帶出口處,通過外部蠕動(dòng)泵控制經(jīng)不同管路收集不同血液成分。圖 2-3 施加側(cè)向離心場示意圖 通常情況下,我們把由上下平板構(gòu)成的扁平帶狀流道,稱為分離流道或稱為分離室。這是一種基于流動(dòng)的分離方法,此種方法類似色譜法,與沉降場流34-38分離理論方法相近 。 環(huán)形分離帶旋轉(zhuǎn)離心分離的運(yùn)行過程中,被分離的抗凝全血是通過蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)的形式被輸注入環(huán)形分離帶中。連續(xù)流動(dòng)的抗凝全血作為目標(biāo)分離液體,同時(shí)也為分離載體。當(dāng)環(huán)形分離帶轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)向離心場施加以后,抗凝全血中的成分血

49、顆粒(紅細(xì)胞、白細(xì)胞等)將向某一流道壁面堆積,通過上面分析可以得出,在環(huán)形分離袋中血液各成分狀態(tài)可分為三個(gè)階段,見表 2-2 所示。- 11 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 表 2-2 粒子在離心分離管路中的三個(gè)階段 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖 第一階段:混合全血通過管路注注入分離流道內(nèi)部,初始時(shí),流道內(nèi)沒有作用場,血液中各成分處于均勻分布。此階段為樣品注入階段。第二階段:對(duì)環(huán)形離心分離帶施加側(cè)向場,全血被壓縮靠近積聚壁,由于不同成分血液物理特性及擴(kuò)散效應(yīng)綜合作用,各種微粒靠近積聚壁距離不同。第三階段:在載液(全血)的流動(dòng)作用下,不同的成分血液按不同的速度移動(dòng)起來,在載液的作用下運(yùn)動(dòng)至收集

50、口處收集。2.3 血液離心分離的物理模型 2.3.1 層流假設(shè) 對(duì)于全血的連續(xù)式離心分離系統(tǒng)來說,若使不同成分的分離能夠?qū)崿F(xiàn),那么在其流道內(nèi)流動(dòng)的液體流動(dòng)要求必須是層流。通常情況下,當(dāng)雷諾數(shù) Re 小于 2000 時(shí),液體的流動(dòng)呈現(xiàn)層流的特性。而對(duì)于雷諾數(shù)可以由下式求得: D hR 2-1 e3式中 ?流體密度(kg/m ); ?流體在流道內(nèi)的流速(m/s); ?液體的動(dòng)力粘度(Pa?s); D ?液力直徑(m)。 h而液力直徑 D 可由下式求出: h4AD 2-2 hLs2式中 A?液體流過流道的截面積(m ); L ?流道與液體相接觸面的周長(m)。 s- 12 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)

51、位論文 39,40對(duì)于人體全血,通過相關(guān)資料查詢 及數(shù)據(jù)計(jì)算可得,在環(huán)形分離帶中,全血的流動(dòng)雷諾數(shù)在 200 左右,符合層流假設(shè)。 2.3.2 血液成分在粘性流體中的受力分析 41人體全血是粘性流體 ,不同成分血液相當(dāng)于具有不同物理性質(zhì)的顆粒,因此,研究全血成分在粘性流體中的受力模型對(duì)分析不同成分血液的分離狀況具有重要意義。 血液成分顆粒在液體介質(zhì)中的沉降行為及其移動(dòng)速度不僅取決于在離心立場中受到的離心力大小,也取決于顆粒密度、半徑、形狀、以及懸浮介質(zhì)的黏42度、密度等因素 。這里忽略對(duì)微小的顆粒小球作用很小的重力、無規(guī)則力等分子力的作用,并將所有成分血液簡化為球體進(jìn)行力學(xué)模型建立,如圖 2-4 所示。 血液成分顆粒在離心力場中受離心力 F 作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),通過液體介質(zhì)時(shí)受c到粘滯阻力(即反向摩擦力)F 和浮力 F 的反向作用。當(dāng)顆粒在 F 、F 、F 的f b c f b共同作用下,在介質(zhì)液體中運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡以勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),所受的力也達(dá)到平衡,即F FF + 2