压力传感器在ECMO体外膜肺氧合器的应用

ECMO又称体外维生系统，现在已成为重症心肺疾患患者一种有效的治疗手段。其原理为通过插管引流患者的静脉血至体外，经气体交换后，再通过动脉或静脉将氧合血送回患者体内，应用体外循环技术，对因心脏和肺病变或创伤导致呼吸或循环衰竭的患者进行有效支持，使心肺得以充分休息，为心功能和肺功能的恢复赢得宝贵的时间。

ECMO系统通常由多个组件构成，包括控制台、泵驱动器、传感器盒等，其中传感器盒内包含了多种传感器，如流量传感器、压力传感器、温度传感器等，以确保对患者的生理参数进行全面监测‌3。这些传感器的使用，使得ECMO成为重症心肺功能衰竭患者的重要治疗手段，通过提供持续的体外呼吸与循环支持，帮助患者度过危险期‌。

ECMO的核心组成部件

一、离心泵 ECMO系统可以视为一个流体控制系统。那么离心泵就是这个流体控制系统的动力源部分，也就是心脏的功能。其主要功能是连续抽取病人静脉血 , 利用离心力将血液泵入外循环管道。简单说一下离心泵的原理：离心泵是依靠泵头作高速旋转运动，通过旋转的叶轮或者黏性剪切力将动能传输给液体，使泵内侧壁形成高压区，而中央形成低压区，离心泵中心部位是入口，周边部位是出口，这样在压力差的作用下，液体从中心往周边单向运动。ECMO设备，目前大多采用离心泵作为流体动力源，离心泵对红细胞、血小板等血液有形成分的破坏较轻。传统的挤压式蠕动泵，因为挤压管路的原理，容易损伤红细胞。在离心泵的控制方面，ECMO系统中，需要配合流量传感器，控制离心泵的转速，从而做到闭环控制流量的目的。这个流量传感器一般采用超声波流量传感器。

二、氧合器 氧合器，就是肺的功能。进行氧气和二氧化碳交换。目前ECMO系统中，氧合器采用的是膜式氧合器。更具体说，采用的是中空纤维膜式氧合器。目前的中空纤维模式氧合器，纤维管内是气体，纤维管外是血液流动。气体和血液在膜的两侧通过扩散作用进行氧气与二氧化碳的交换。但目前的膜材料相比人体肺，实际气体传输能力还是偏小，同时受容器体积和膜面积的影响，目前氧合器在临床中，只能满足成人呼吸需求的50%。另外，膜材料在在长时间工作后，氧合性能会下降，纤维润湿过程中，会产生血浆渗漏的现象。再加上血浆易堵塞和血液成分易沉积等问题，导致了氧合器临床使用时间较短。限制了ECMO的临床试验时间，使得ECMO一般只是作为急救过程中临时性呼吸系统维持手段。

ECMO的流转途径

（1）静脉-静脉转流（V-V）：适合单纯呼吸辅助，无循环辅助功能 插管位置：可采用左股静脉-右股静脉或右颈内静脉-右股静脉。

（2）静脉-动脉转流（V-A）：可同时呼吸辅助和循环辅助 插管位置：静脉可采用股静脉，颈静脉或右房。动脉可采用股动脉，升主动脉，颈动脉

离心泵包括一个圆锥体和磁铁底盘。后者在以设定的频率旋转时，会产生涡流效应，在泵头形成负压，这个压力会驱动血流进入泵内，并由涡流的上部引出。引出的血流主要受泵前血容量、泵后阻力、泵头大小及泵的转速的影响。它的主要优点是不会产生过强的负压，也就不会有严重的气泡形成。而其缺点就有血流量不稳定，当血流减少时会加重溶血。滚压泵通过挤压管道产生压力（泵前负压吸引血液入泵，泵后正压驱动血液入患者体内）驱动管道内血液流动。血流量受管道直径、泵滚轴的阻断压力、泵转速和血量的影响。其优点是可以提供稳定的血流，缺点主要是易引起压力的持续变化，容易产生气体，需要用到压力传感器实时监控压力值变化。

驱动泵上的压力传感器主要用途

1、测量液体压力：压力范围一般在-15至15psi的压力范围，压力分辨率1mmHg，宽的压力范围，更加适应于不同氧合器压力范围检测。

2、具有压力校准和温度补偿输出。这有助于降低温度的变化对压力测量的影响。这对医疗氧合器而言，更有助于提高其环境的适应性。

3、温度范围：-20〜+85℃。宽工作温度范围，提高了产品的稳定性和适应性。

4、优于1％的初始精度和寿命期限内小于1％的精度偏移。这对于医疗氧合器而言，大大的提高了检测氧合器内氧气的压力精度。提高了产品的测量质量。

5、I2C数字接口。这便于应用和使用，大大降低了开发难度。

6、安装方向为非敏感方向。这对于安装在氧合器内部，提高了安装的便捷性。另外可定制压力范围更加适应于不同氧合器压力范围检测。

数字微差压系列产品能实时满足此类用户需求，ms级响应，极高的分辨率和检测精度，数字输出带温补。

便携式ECMO的进展及未来发展方向

随着ECMO技术的不断发展，应用场景也延伸到院前急救和院间转运。为了满足社区、灾区和战场的紧急救治、医院间转运的需要，小型化、便携式以及穿戴式ECMO已成为当前设备研发的重点。

便携式ECMO研发进展近年来，随着技术的不断进步，ECMO组件的集成度进一步提高，便携式ECMO技术发展迅速。许多研究机构和企业对便携式ECMO进行了相关研究，并取得了一定的成果。

LIFEBRIDGE B2T（图1a）是一种微型心肺支持系统，其设计与传统ECMO系统相似，总重量约为20 kg，内置电池可使用2小时。该系统是一种便携式盒子结构（图1a），可用于医院外急救和患者转运，特点是具有防空气栓塞功能，可自动去除气泡。缺点是尺寸相对较大，更适合救护车或医院间转运，而不是单人运输。

Cardiohelp系统（图1b）是一种便携式心肺支持系统，是第一个将氧合器、离心泵、动静脉压力传感器和血液温度传感器集成在内置一次性袋中的系统。整机重量约为10 kg，包括一个备用电源，该电源至少可持续90分钟。它还配备了固定的运输保护装置，用于各种转移模式，如救护车或直升机。目前，该系统已在许多国家的医疗机构中应用于医院和院前急救。

Lifebox系统（图1c）是一种便携式ECMO系统，适用于患者转移。控制器重量约为9.7kg，并配备了可持续240分钟的备用电源。

Deltastream DP3系统（图1e）是一种采用磁悬浮原理的对角线泵头，具有良好的血液相容性。更重要的是，它可以提供脉动流而不回流。由该泵组成的便携式ECMO系统已成功用于医院间转移。日本率先研发出小型、轻量、可长时间使用的超级紧凑型（ultra-compact）人工心肺系统（图1g），能在4分钟内快速启动，在没有电源和供氧设备的地方，利用内置电池和拆卸式氧气瓶单元也可以连续运行1个小时。

为院前急救和转运而设计的便携式ECMO（图1h），包括集成控制主机、屏幕、电池和监控系统，整机重量约为9 kg。设备采用抗血栓涂层技术，改善系统的血液相容性，同时配备一个全面的监测系统。

OASSIST ECMO系统（图1i，j）是一种新型便携式ECMO系统，兼顾床旁及转运等多种使用场景，创新设计的便携式泵头驱动器，是一款可长时间独立工作的驱动器，为ECMO技术开展提供更多可能。

2022年10月份意大利企业Eurosets推出其最为轻便的ECMO——COLIBRÌ，并获得CE批准。COLIBRÌ设计小巧，重量轻（<9 kg），采用全磁悬浮离心泵，可覆盖成人、儿童和新生儿患者。 

可穿戴式ECMO

2011年，美国马里兰大学研究团队首次提出了可穿戴人工心肺（APL）。APL可以为走动的患者提供呼吸支持，其集成设备仅需一个拉杆箱的大小。美国匹兹堡大学研究团队于2017年发表了其研发的外置可移动式辅助肺（PAAL）。PAAL将血泵和氧合器结合在一个装置中。2021，Orizondo等人开发了模块化体外肺辅助系统（MODELAS），集成了定制离心泵和中空纤维膜，可配置不同尺寸的中空纤维膜以满足不同的需求。

ECMO技术的发展方向

便携式ECMO，是一种满足院外急救和长期院外ECMO支持的特殊需求的设备。它在血泵等ECMO组件中具有巨大的发展潜力，综合监测系统的设计和结构优化是减小ECMO尺寸和增强其适用性的重要研究方向。此外，智能ECMO系统的开发还可以降低使用ECMO的难度，并方便在缺乏完整监测设备的院外环境中使用ECMO。

全面的监测系统：便携式ECMO需要比常规ECMO更全面的监测系统。除了必要的流量传感器、压力传感器和温度传感器外，便携式ECMO还需要对一系列的血液参数（如HCT、血红蛋白和氧饱和度等）进行监测。

智能ECMO：智能ECMO的发展可以减少院前急救环境中对专业医护人员的需求。例如，可以通过ECMO电路中的多个传感器建立智能控制算法，以自动调整患者的ECMO参数、根据患者活动水平提供ECMO支持，实现ECMO的智能管理。

在ECMO设备的小型化、传感器集成和结构简化方面取得了重大进展。然而，作为一种新的生命支持技术，ECMO在实施过程中仍面临许多挑战，包括系统性炎症和出血等并发症等。针对院外心脏骤停患者和其他急需ECMO复苏治疗的患者，便携式ECMO研究非常重要，仍有很大的发展空间。

压力监测为：-100~300 mm Hg ，即为-13.33KPA至40KPA左右

流量监测(FArt):0.5~7L/min，±7%

霍尼韦尔流量传感器AWM5102 测量范围：0-10SLPM(升）

供电电压8-15V 输出：模拟电压

提供空气，CO2,N2气体标定