集成式器官灌流设备的制作方法

本实用新型涉及生物医学实验装置领域，具体而言，涉及集成式器官灌流设备。

背景技术：

器官灌流是指将某一器官从机体中摘出，或器官在机体原位进行裸露，通过与该器官的大血管所连结的套管向血管内连续注入适当的灌流液。器官灌流技术是生理学、药理学、毒理学和生物工程等领域中的常用技术。例如，通过胶原酶进行灌流消化、分解细胞外基质的方法是目前分离肝细胞、心肌细胞等多种原代细胞的最佳方法；进行离体心脏灌流可保证心脏维持在正常活动状态，可观察和记录心脏的生理活动、病理变化和药物对其影响；胎盘灌流可以提取间充值干细胞；使用类血液进行待移植器官的灌流亦可以尽可能保持待移植器官的活性；进行器官灌流获取的去细胞支架或细胞外基质可用于人工肾、人工肝等多种组织工程学研究。

在器官灌流技术中，保持一定的温度、压力和管路无气泡至关重要。温度与细胞活力、灌流液中的消化酶活性密切相关。压力因素在心脏灌流中的作用尤为明显，在适当的压力范围内才有可能打开冠脉系统的静脉瓣，让灌流液进入冠脉循环。同样的，过高或过低的灌流压力也对细胞的活性与实验效率都有不良影响。操作不当和快速加热等原因导致灌流液中常常产生气泡，而气泡在器官血管中会造成气体栓塞等问题，使组织不能获得均匀的灌流，极大的影响灌流实验的成功率。

传统的器官灌流设备是由储液罐、冷凝管、水浴锅、蠕动泵和灌流管路等组成，存在以下缺陷：1)功能性部件零散化，占据空间大且难以移动；2)有些灌流装置因为使用重力灌流需要一定的高度，不能置于超净台中，无法保证操作过程的无菌性；2)灌流管路因加热部分的设计难以做到一次性使用，在原代细胞分离等需要无菌的实验中，需要在每次使用前依次使用酒精冲洗消毒、去离子水冲洗和灌流液冲洗，操作繁琐耗时且有污染的风险；3)缺乏灌流过程对压力、温度、气泡等参数的监控，这样不能保持实验结果的一致与稳定，也影响实验方法的推广；4)不能实现远程监控和自动化，而在获取去细胞支架等实验中通常需要对器官进行24小时或更长时间的灌流，无人值守不安全。

在传统的器官灌流设备不能充分支持实验研究的情况下，灌流技术成为一项经验依赖型技术，即设备操作与实验结果几乎完全由实验操作人员的经验决定。不同人员、相同人员的不同时间操作均会影响实验结果。系统缺乏过程监测与自动化，需要人值守。系统无气泡监测与排除系统，或添加了简易的抽气阀，需要操作人员长期看守，随时手动操作抽气阀。在市场调查中可见，一些实验平台购置的近百万元的灌流系统由于其结构仍是零散部件与繁杂硅胶管路的连接，其特点仅存在于末端的、置于器官内的探测感受器的多样，而对灌流过程本身缺乏优化与监测。当从事本方面研究的科研人员或实验员离职后，无人懂得仪器的方法，荒废于实验室的角落。

目前市面上的灌流系统产品，管路较多，清洗不便，配置也较为简陋。如harvardapparutus的psci心肌细胞灌注分离系统，成都泰盟软件有限公司的gl-2系列离体心脏灌流系统，其灌流管路较为复杂，系统简陋，需要较高的操作要求，系统整合程度很低。此外市场上多是单一器官的灌流系统，缺乏多种器官通用的器官灌流系统。

因此，研发一种整合程度高、操作简便、可控制、监测并记录灌流实验参数、可实现远程监控和半自动化的灌流实验设备具有必要性。

技术实现要素：

为了解决目前市面上的器官离体灌流设备管路复杂不便清洗，系统整合度低，操作较为麻烦，功能简陋无法自动监测的问题，提供集成式器官灌流设备。

集成式器官灌流设备，包括主机体、无线监测模块、一次性灌流管路、储液器、加热模块和压力传感器，所述主机体上设置有触摸显示屏、控制主板、动力模块和升降支架，所述储液器安装于升降支架上，储液器与一次性灌流管路的顶部管路连接，所述动力模块、加热模块和无线监测模块依次套接在一次性灌流管路外侧，所述压力传感器管路连接一次性灌流管路，所述动力模块、加热模块和压力传感器电连接控制主板，所述控制主板上设置有无线通讯模块，所述无线监测模块包括控制芯片，所述控制芯片电性连接有温度传感器、气泡报警器、液位检测器、无线发射模块和蓄电池。

进一步地，所述控制主板上设置有处理芯片，所述处理芯片电连接有电源处理电路、灌流压力采集转换电路、温度采集电路、加热控制电路、动力模块控制电路和触摸屏通讯电路，所述处理芯片电连接无线通讯模块，所述灌流压力采集转换电路电连接压力传感器，所述温度采集电路和加热控制电路电连接加热模块，所述动力模块控制电路电连接动力模块，所述触摸屏通讯电路电连接触摸显示屏。

进一步地，所述主机体内设置有移动网络模块和主机电池，所述移动网络模块电连接处理芯片，所述电源处理电路电连接主机电池。

进一步地，所述主机体上设置有报警模块，所述报警模块电连接处理芯片。

进一步地，所述无线监测模块包括设备壳体，所述设备壳体中部对应一次性灌流管路设置有夹槽，所述夹槽可将无线监测模块固定在一次性灌流管路的任何部位，所述温度传感器、气泡报警器和液位检测器均设置于夹槽内侧，所述控制芯片、无线发射模块和蓄电池设置于设备壳体内。

进一步地，所述一次性灌流管路包括数量为二的接口，所述接口下端均设置有节流阀，两个接口均管路连接滴壶，所述滴壶后端依次管路连接有压力传感器接口、气泡过滤器和穿刺套管针，所述压力传感器接口可通过管路连接压力传感器。

进一步地，所述加热模块包括胶套，所述胶套内包裹有电热模块，胶套可套于一次性灌流管路外侧，所述电热模块电连接温度采集电路和加热控制电路。

进一步地，所述主机体上设置有灌流管固定夹和数据接口，所述数据接口电连接控制主板，所述升降支架背面设置有储物仓，所述无线监测模块上还设置有充电接口，所述充电接口电连接蓄电池。

进一步地，所述动力模块可采用双通道蠕动泵。

本实用新型的优点在于：

1、整合程度高，控制监测和报警系统、灌流动力模块(泵)、加热模块和支架均整合在一机体中。

2、无菌的一次性灌流管路和储液器用完后直接更换即可，无需费时清洗管路，降低操作难度和实验耗时的同时，可避免管路清洗未达到无菌状态导致实验失败；压力传感器也可以采用一次性型号，保证无菌状态。

3、具有与机体系统无线通信的检测模块，可在灌流端进行温度、气泡和液位监测，可获得准确的，经过了灌流管路后到达器官处的灌流液体温度，自动化程度高。

4、利用控制主板配合触摸显示屏，可方便地查看参数和设定系统，可设定警报触发时停止加热和灌流。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为集成式器官灌流设备的结构示意图；

图2为主机体的后视图；

图3为集成式器官灌流设备的电路连接原理图；

图4为处理芯片的电路设计图；

图5为电源处理电路的电路设计图；

图6为灌流压力采集转换电路的电路设计图；

图7为温度采集电路的电路设计图；

图8为加热控制电路的电路设计图；

图9为蠕动泵控制电路和触摸屏通讯电路的电路设计图；

图10为lora无线模块的电路设计图；

图11为无线监测模块的结构示意图；

图12为无线监测模块的主板电路图；

图13为加热模块的结构示意图。

附图标识：

1-主机体，101-触摸显示屏，102-控制主板，103-动力模块，104-升降支架，105-无线通讯模块，106-处理芯片，107-电源处理电路，108-灌流压力采集转换电路，109-温度采集电路，1010-加热控制电路，1011-动力模块控制电路，1012-触摸屏通讯电路，2-无线监测模块，201-控制芯片，202-温度传感器，203-气泡报警器，204-液位检测器，205-无线发射模块，206-蓄电池，207-设备壳体，208-夹槽，209-充电接口，3-一次性灌流管路，301-接口，302-节流阀，303-滴壶，304-压力传感器接口，305-气泡过滤器，306-穿刺套管针，4-储液器，5-加热模块，51-胶套，52-电热模块，6-压力传感器，7-移动网络模块，8-主机电池，9-报警模块，10-灌流管固定夹，11-数据接口，12-储物仓，13-散热风扇，14-灌流器官，15-器官支架。

具体实施方式

为了解决目前市面上的器官离体灌流设备管路复杂不便清洗，系统整合度低，操作较为麻烦，功能简陋无法自动监测的问题，提供集成式器官灌流设备。

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至13所示，本实施例提供集成式器官灌流设备，包括主机体1、无线监测模块2、一次性灌流管路3、储液器4、加热模块5和压力传感器6，所述主机体1上设置有触摸显示屏101、控制主板102、动力模块103和升降支架104，所述储液器4安装于升降支架104上，储液器4与一次性灌流管路3的顶部管路连接，所述动力模块103、加热模块5和无线监测模块2依次套接在一次性灌流管路3外侧，所述压力传感器6管路连接一次性灌流管路3，所述动力模块103、加热模块5和压力传感器6电连接控制主板102，所述控制主板102上设置有无线通讯模块105，所述无线监测模块2包括控制芯片201，所述控制芯片201电性连接有温度传感器202、气泡报警器203、液位检测器204、无线发射模块205和蓄电池206。

其中，本实施例中的无线通讯模块105和无线发射模块205优选采用lora无线模块(相关链接：https://wiki.ai-thinker.com/lora/man)，相比蓝牙，lora具有传输距离远，功耗低的优点，方便了灵活设置无线监测模块2的位置。而压力传感器6可采用市面上售卖的医用一次性压力感受器(如宝莱特有创压力传感器，链接:http://www.blt.com.cn/product_content.aspx？id＝45)，其一端连接一次性灌流管路3，另一端为电子接头用于连接数据监测模块。

控制芯片201采用stm8l151系列单片机，具有超低功耗的特点，可保证无线监测模块2使用蓄电池206供电运作时具有足够的工作时长。

温度传感器202采用mlx90614红外温度传感器，该型号的温度传感器是非接触式的红外温度传感器，具有高精度和高分辨率的优点。

气泡报警器203采用松下be-a301，其体积小巧，灵敏度高，采用855nm的红外光照射一次性灌流管路3以检测管路中的气泡；

而液位检测器204采用市面上的输液报警器结构(相关链接：https://detail.tmall.com/item.htm？spm＝a230r.1.14.6.56bd2c72u8wg6e&id＝598656713454&cm_id＝140105335569ed55e27b&abbucket＝10)，其包含两片可与一次性灌流管路3充分接触的电容极板，通过监测两片电容极板组成的电容的电容值大小，判断管路中是否有液体。具体地，当管路中没有液体流过时，电容值较小，管路中有液体流过时，电容值较大。由于上述技术原理是本领域的公知常识(相关记载：cn110064096a，一种输液报警器及控制方法，说明第【0043】段)，因此在此不再赘述液位检测器204的结构。

所述控制主板102上设置有处理芯片106，所述处理芯片106电连接有电源处理电路107、灌流压力采集转换电路108、温度采集电路109、加热控制电路1010、动力模块控制电路1011和触摸屏通讯电路1012，所述处理芯片106电连接无线通讯模块105，所述灌流压力采集转换电路108电连接压力传感器6，所述温度采集电路109和加热控制电路1010电连接加热模块5，所述动力模块控制电路1011电连接动力模块103，所述触摸屏通讯电路1012电连接触摸显示屏101。

其中，处理芯片106可采用stm32l151rbt6单片机，其具有超低功耗且高性能的特点，适用于本设备中作为数据处理核心。电源处理电路107用于将外部电源转换为可供本设备运作使用的规格。灌流压力采集转换电路108将压力传感器6检测获得的模拟信号通过mcp3911型adc芯片高精度地采集转换成电信号供处理芯片106读取。温度采集电路109可配合在加热模块5中设置的pt1000型热电阻，实时监测加热模块5的温度。加热控制电路1010在系统设定温度值后，通过pid算法控制pwm信号使加热条加热，达到设定的温度。加热模块5中设置加热条是本领域的公知技术常识，在此不再赘述。

而蠕动泵控制电路1011和触摸屏通讯电路1012均可采用rs485通讯电路，用于与处理芯片106通讯，实现操作交互。蠕动泵103采用具备rs485通讯接口的型号，如保定兰格bt100-2j蠕动泵(链接：https://item.taobao.com/item.htm？id＝531620085675&ali_refid＝a3_430582_1006:1106140892:n:32za6plct61lix0yevm0vupc8wdlgwq3:bb0eddc63d8b590c6d02e3a71b9c71af&ali_trackid＝1_bb0eddc63d8b590c6d02e3a71b9c71af&spm＝a230r.1.14.3#detail)，与处理芯片106数据连接后即可利用触摸显示屏101控制蠕动泵103的工作参数。

所述主机体1内设置有移动网络模块7和主机电池8，所述移动网络模块7电连接处理芯片106，所述电源处理电路107电连接主机电池8。移动网络模块7可采用移远通信的ec200t型4g模块(链接：https://detail.tmall.com/item.htm？spm＝a230r.1.14.4.431b56460pw5lm&id＝588717035329&cm_id＝140105335569ed55e27b&abbucket＝10)。为系统提供无线网络连接支持，使用户可通过智能手机远程连接本实施例，远程查看实验监测数据和控制设备参数。主机电池8为设备提供独立工作能力，避免在市电中断时设备无法运行，导致实验失败。

所述主机体1上设置有报警模块9，所述报警模块9电连接处理芯片106。报警模块9可采用市面上常用的蜂鸣器、led灯或其结合体，用于配合温度传感器202、气泡报警器203和液位检测器204，在存在气泡或灌注液用完时，通过发出声光警报提醒实验人员及时处理。另外，触摸显示屏101可实时显示各传感器的参数信息，并在数据异常时显示报警图标，即使本设备中未设置报警模块9，或者报警模块9存在故障，实验人员仍可通过触摸显示屏101上获得提醒并处理设备故障。

所述无线监测模块2中的温度传感器202检测到温度超过设定范围，气泡报警器203检测到一次性灌流管路中有气泡，或液位检测器204检测到液体断流后，都将通过无线发射模块205将信号发送到无线通讯模块105，无线通讯模块105将信号传输给处理芯片106，处理芯片106将激活报警模块9发出声光警报，并在触摸显示屏101显示相应的参数和警报信息，另外处理芯片106还可根据用户设定，选择是否在检测到气泡或液体断流信号后自动控制动力模块103停止运行。于主机体1的处理终端无线通讯的无线监测模块2可实时监测各灌流参数，并在参数异常时报警，自动化程度高。

所述无线监测模块2包括设备壳体207，所述设备壳体207中部对应一次性灌流管路3设置有夹槽208，所述温度传感器202、气泡报警器203和液位检测器204均设置于夹槽208内侧，所述控制芯片201、无线发射模块205和蓄电池206设置于设备壳体207内。通过夹槽208固定在一次性灌流管路3上的无线监测模块2安装方便，只需在夹槽208内卡入一次性灌流管路3靠近穿刺套管针306的一端，即可完成设置。

所述一次性灌流管路3包括数量为二的接口301，所述接口301下端均设置有节流阀302，两个接口301均管路连接滴壶303，所述滴壶303后端依次管路连接有压力传感器接口304、气泡过滤器305和穿刺套管针306，所述压力传感器接口304管路连接压力传感器6。由上述结构描述可知，一次性灌流管路3可采用市面上销售的一次性输液器(相关链接：https://detail.tmall.com/item.htm？spm＝a230r.1.14.15.38bab1d0vz0xnj&id＝528028238351&cm_id＝140105335569ed55e27b&abbucket＝10)的主体结构，如果需要压力监测功能，在滴壶下游设置三通管结构，即压力传感器接口304即可。气泡过滤器305可采用市面上的常用产品(排气型输注泵用药液过滤器，链接：http://www.yjo2o.com/d48925.html)，而尾部的穿刺套管针306可采用申请人针对器官灌流设计的样式(相关专利：cn109675145a，新型穿刺套管针及其使用方法)。

所述加热模块5包括胶套51，所述胶套51内包裹有电热模块52，胶套51可套于一次性灌流管路3外侧，所述电热模块52电连接温度采集电路109和加热控制电路1010。胶套51的样式如奇汇ft2800医用输液加温器(链接：http://www.keewell.cn/products_detail/productid＝356.html)中使用的胶套样式。电热模块52中包括前述提及的pt1000热电阻和加热条，均为现有技术，奇汇ft2800中亦有相近设计，因此不再赘述电热模块52的结构。

所述主机体上设置有灌流管固定夹10和数据接口11，所述数据接口11电连接控制主板102，所述升降支架104背面设置有储物仓12，所述无线监测模块2上还设置有充电接口209，所述充电接口209电连接蓄电池206。数据接口11和充电接口209均可采用通用usb接口，方便使用。其中数据接口11可与主机连接用于控制主板102的固件更新，而充电接口209可为蓄电池206充电。而灌流管固定夹10可进一步地更换式固定灌流管路3，避免其移动。储物仓12提供收纳空间，可用于在待机时收纳无线监测模块2、一次性灌流管路3和加热胶套51。

所述动力模块103可采用双通道蠕动泵。由于灌流器官实验使用的酶灌流液往往较为昂贵，需要循环使用，采用双通道蠕动泵可在进行器官灌流的同时，回收抽出灌流时溢出的酶灌流液。

鉴于灌流过程较长，为了保证设备长时间运行稳定，主机体1背面还对应控制主板102和蠕动泵103设置有散热风扇13。

实际使用时，将储液器4与一次性灌流管路3连接，在储液器4中加入相应的灌注液，将穿刺针306刺入灌流器官14中并架在器官支架15上，完成管路连接。一次性灌流管路3可采用升降支架104和灌流管固定夹11配合固定。将无线监测模块2、加热模块5和压力传感器6设置到位后，操作人员利用触摸显示屏101设定好温度、压力和时间等参数后，控制主板102即可控制设备自动运行，并利用控制主板102中附带的存储空间(图中未示出)记录实验数据，无需人工记录。设备运行时，触摸显示屏101可显示加热模块5的设定温度，温度采集电路109检测到的电热模块52实际温度和温度传感器202检测到的靠近穿刺套管针306的灌流温度，方便用户确认灌流温度是否合适，可获得更为准确的实验数据和更好的实验效果。另外，用户可通过触摸显示屏101，根据实验具体情况，个性化设定无线监测模块2监测到气泡或液体断流时，只警报或在报警的同时自动停止设备运行。

系统优点：

(1)自动化、集成化

系统以主机体1为中心，主机具有可操作的触摸显示屏101，升降支架104，蠕动泵103及功能配件的有线接口和无线连接。在装配功能配件后，操作者仅需在触摸显示屏101操作即可完成灌流参数的设置和过程控制。主机可自动控制温度、压力、流速在设定范围内，自动检测气泡并报警，当检测到灌流液用尽时，自动停止灌流，并发出警报。同时记录实验期间各参数的变化，为操作者提取完美的自动化支持，操作者不必紧守于灌流实验旁，在预计时间到时收获实验结果即可。

(2)管路的串联性及功能性

本系统破除了市场现有灌流系统的独立部件和复杂连接管结构，将可一次性使用的部件集合设计为一次性灌流管路3等结构，同时依据管路的形状设计与管路密切吻合串联的功能部件，如无线监测模块2、加热模块5等。系统操作时管路清晰，只有一根串联管路，易于操作和全局控制。操作误差小，不存在接头不紧，漏气漏液的情况。测定数据准，精密设计的无线监测模块2和加热模块5可与一次性灌流管路3紧密贴合。

(3)重视灌流技术本身相关条件的控制与监测，可精确重现实验条件

操作者可根据研究判定的适当温度、流速、压力在主机体1的触摸显示屏101上，设置相应的参数，一旦设置成功，系统的各动力部件和感受器部件将会依据执行。避免实验受到部件安装不合理、储液量变化、室温变化等外界因素的影响。可无数次重现需要的实验条件，确保实验研究的可重复性。

(4)远程监控与操作，可免除实验人员的长期守候

由于许多灌流实验可持续24小时以上，实验人员长期的看守较不实际。本系统利用移动网络模块7，在对系统进行设置后，实验人员可以通过手机客户端接收信号，查询实时灌流状态或修改灌流参数。无需亲自长期看守或频繁查看实验进度。

(5)全程无菌操作

该系统体积小，仅有主机体1固定占据实验台面，其他管路及相应的部件可适应性的移动。实验所使用的一次性灌流管路3和压力传感器6为一次性，储液器4可反复高压灭菌，也可选用一次性型号，加热模块2可使用酒精擦拭灭菌。所以，本系统无菌性能好，可被放置于无菌操作台，实现全程无菌操作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。