器官灌注保护剂溶液多通路混合控温控浓度系统及其PID反馈控制方法

本发明涉及器官保存，具体涉及一种器官灌注保护剂溶液多通路混合控温控浓度系统及其pid反馈控制方法。

背景技术：

1、器官低温保存和深低温保存过程中，常需要将不同温度、不同浓度的保护剂溶液按照既定配方连续输送至目标器官，以在不同阶段实现预冷、加载、平衡、去除和维持灌注。与单一冷藏方式相比，多温区溶剂与溶质的在线混合更有利于降低热冲击并实现逐步渗透保护，但同时对连续供液能力、温度控制能力和浓度控制能力提出更高要求。

2、现有保护剂溶液制备和灌注设备中，常见方式是通过人工经验设定泵速，或采用单一参数的开环调节方式分别控制某一路泵体输出。该类方案难以同时兼顾总输出流量、溶质浓度与输出温度三个目标量；当不同温区的溶剂和溶质同时参与混合时，任一支路的波动均会传递到总输出端，导致出口温度、流量和浓度偏离目标。

3、此外，器官灌注场景要求保护剂溶液连续、稳定且低脉动输出。若单台注射泵完成全部溶质输送，则在补液、换液或切换阶段容易造成流量中断；若缺乏对传感器异常的联锁控制，则可能引发器官入口过压、气泡进入器官血管系统或控制失稳等风险。

4、因此，需要一种将整机硬件结构与多回路pid反馈控制算法相结合的器官灌注保护剂溶液多通路混合系统，以实现总流量、浓度和温度的协同闭环控制，并在连续输液、安全联锁和整机模块化布置方面提供工程化解决方案。

5、在器官低温保护剂加载与去除过程中，实验方案往往并非单一恒定配方，而是需要按照预设阶段曲线逐步改变流量、浓度和温度。例如，在预冷阶段要求较低浓度和较低流量以避免组织渗透压骤变；在加载阶段要求随着灌注时间推进逐步提高保护剂浓度，同时维持目标总输出流量和目标输出温度；在平衡维持阶段又要求抑制各支路波动并尽量降低长管路带来的热损失。若仍采用人工经验调节或简单开环设定方式，不仅难以保证各阶段之间平滑切换，还会因为支路间耦合导致出口参数反复偏离。

6、此外，实际器官灌注装置还面临多源扰动叠加的问题：一方面，蠕动泵存在周期性脉动，注射泵存在换向、补液和切换瞬态；另一方面，低温液体在长管路中易与环境发生热交换，压力波动又可能受管路阻力、器官血管阻抗和阀组切换影响。若控制系统不能对上述扰动进行实时识别、滤波处理与联锁干预，则不仅会降低配液准确性，还可能造成器官入口过压、气泡误入、输出温度波动过大等安全问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中多支路混合过程中总流量、浓度和温度难以同步稳定控制、连续输液可靠性不足以及安全联锁不完善等技术问题，本发明提供一种器官灌注保护剂溶液多通路混合控温控浓度系统及其pid反馈控制方法，以实现保护剂溶液的连续、稳定和精确输出。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种器官灌注保护剂溶液多通路混合控温控浓度系统，包括：

4、储液与低温循环模块，设有第一温区及第二温区，分别容纳溶剂桶和溶质桶；

5、动力输出模块，包括分别与两路溶剂桶连通的第一蠕动泵和第二蠕动泵，以及分别与两路溶质桶连通的第一双注射泵组和第二双注射泵组，双注射泵组内的两台注射泵交替运行；

6、混合模块，用于汇合两路溶剂与两路溶质并具有总输出端；

7、输出模块，包括与总输出端连通的加热模块，以及与加热模块的输出口连通的器官灌注接口和废液收集单元；

8、传感检测模块，包括设于两路溶剂支路、两路溶质支路及总输出端的流量传感器、温度传感器，以及设置在总输出端的压力传感器和气泡传感器；

9、控制处理模块，与蠕动泵、双注射泵组、加热模块、传感检测模块电连接，接收目标总流量、目标浓度、目标温度及阶段切换曲线，采用流量或浓度反馈控制链与温度反馈控制链，协同调节蠕动泵、双注射泵组和加热模块，并结合压力传感器、气泡传感器、流量传感器及剩余液量实施分级安全联锁。

10、在其中一个实施例中，所述第一温区通过低温循环浴或恒温维持腔体维持在-4℃，所述第二温区通过更低温设定的循环浴、恒温维持腔体维持在-30℃；溶剂桶包括第一溶剂桶和第二溶剂桶，溶质桶包括第一溶质桶和第二溶质桶，第一溶剂桶和第一溶质桶设置在第一温区，第二溶剂桶和第二溶质桶设置在第二温区。

11、在其中一个实施例中，第一双注射泵组和第二双注射泵组均配合有六向阀，各双注射泵组中的两台注射泵在六向阀切换下交替处于出料状态和补液状态；当活动注射泵的剩余液量或推杆行程达到预设阈值后，所述控制处理模块发出阀位切换和泵状态切换命令，使备用注射泵接替出料，原活动注射泵转入补液状态。

12、在其中一个实施例中，所述气泡传感器的下游设有分流通路，当判定无气泡时液体进入器官灌注接口，当检测到有气泡时液体切换进入所述废液收集单元。

13、在其中一个实施例中，所述控制处理模块包括：

14、参数输入单元，用于录入不同灌注阶段的目标总流量、目标浓度、目标温度、阶段切换时间及安全阈值；

15、数据采集单元，周期性读取各传感器的原始数据；

16、状态判断单元，识别系统当前所处的启动、自检、稳定灌注、注射泵切换、联锁停机或人工恢复模式；

17、控制计算单元，执行pid调节及切换逻辑；

18、执行输出单元，向蠕动泵、双注射泵组、与双注射泵组配合的六向阀和加热模块下发控制命令；

19、报警记录单元，保存异常类型、触发时间及恢复过程数据。

20、在其中一个实施例中，所述分级安全联锁包括：当剩余液量或泵余量不足时，系统发出预警并执行双注射泵自动切换补液；当压力超限时触发一级联锁，断电停泵并锁止管路；当气泡超标时触发二级联锁，暂停灌注并自动排气，排气后仍有气泡则停机报警；当传感器失效或温度参数异常时触发三级联锁，系统故障锁定停机；物理急停按下时执行紧急整机断电停机并复位阀组。

21、第二方面，本发明提供了一种应用于第一方面任意一个实施例的系统的pid反馈控制方法，包括：

22、接收上位机或实验配方输入的目标总流量、目标浓度、目标温度及阶段切换曲线，并分别作为流量或浓度反馈控制链与温度反馈控制链的共同输入；

23、实时采集各支路及总输出端的温度传感器、流量传感器、压力传感器和气泡传感器的检测信号，并对采样值进行滤波处理；

24、根据和计算目标总溶质流量和目标总溶剂流量，并进一步分配得到各支路目标流量；

25、根据目标温度以及两温区各支路的实际温度计算溶剂配比，并结合总输出温度误差执行配比前馈和pid微调，得到两路溶剂配比命令和加热模块功率命令；

26、根据各支路流量反馈、双注射泵组当前工作状态和切换条件，执行流量/浓度pid调节，输出蠕动泵转速命令、双注射泵组流速命令及注射泵组切换命令；

27、将两路溶剂和两路溶质汇入混合器进行混合，并经加热模块进行末端温度精修后由器官灌注接口输出；

28、对所有传感器状态、泵状态和剩余液量进行安全监测，当出现异常时执行相应级别的联锁、切换、报警或停机控制。

29、在其中一个实施例中，所述目标总溶质流量根据目标浓度、目标总流量以及预先标定的浓度-流量换算关系获得；

30、换算关系为，其中，为浓度标定系数；目标总溶剂流量。

31、在其中一个实施例中，所述根据目标温度以及两温区各支路的实际温度计算溶剂配比，具体包括：

32、；

33、其中，sat表示将配比限制在0至1之间，为较高温区支路实际温度，为较低温区支路实际温度，表示温度配比前馈基准值，即较高温区支路在两路溶剂中的基础比例；再将总输出温度误差经pid控制器修正得到最终配比r，进而得到对应两路溶剂的目标流量分配。

34、在其中一个实施例中，对各流量传感器和温度传感器的采样值先经1秒平均处理和/或一阶指数惯性滤波处理，再送入对应的pid控制器；在注射泵切换或阶段切换过程中，pid控制器采用积分分离或限幅修正策略，以避免异常期间积分累积造成恢复后的输出过冲。

35、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

36、本发明通过四路液体在线汇合、双注射泵交替供液和两条反馈控制链协同控制，实现了总流量、浓度和温度的联动调节。

37、本发明通过在总输出端设置温度、流量、压力和气泡检测环节，并结合分流通路与分级安全联锁，有助于提高器官灌注过程的安全性与可控性。

38、本发明的控制处理模块能够接收不同阶段的实验配方输入并自动完成流量分配、温度配比、双注射泵切换和异常处理，适合于器官深低温灌注、保护剂加载/去除及在线配液等应用场景。