CC BY
27БИОМЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА BIOMEDICAL ELECTRONICS
УДК 615.47 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-255-264
Особенности построения автономной носимой аппаратуры искусственного очищения крови
Н.А. Базаев
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г.Москва, Россия
bazaev-na@ya. ru
Разработка технических средств для создания биотехнических систем искусственного очищения крови - перспективное направление биомедицинской инженерии искусственных органов. Для построения таких систем применяются методы системного анализа. Одной из актуальных задач биомедицинской электроники в области диализа является создание автономной носимой аппаратуры для искусственного очищения крови. В работе исследованы методы регенерации диализата и многокритериальный выбор состава блока регенерации. Рассмотрены особенности построения и основные направления совершенствования изготовленного и апробированного опытного образца автономного носимого аппарата искусственного очищения крови. Разработанный аппарат по своим характеристикам не уступает зарубежным аналогам (скорость удаления мочевины 0,8 г/ч при массе аппарата 3,5 кг) и является перспективным для отечественного производства аппаратуры для заместительной почечной терапии.
Ключевые слова: хроническая почечная недостаточность; носимый аппарат «искусственная почка»; диализ; искусственное очищение крови
Для цитирования: Базаев Н.А. Особенности построения автономной носимой аппаратуры искусственного очищения крови // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 255-264. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-255-264
© Н.А. Базаев, 2020
Key Aspects of Autonomous Wearable Artificial Blood Purification Apparatus Development
N.A. Bazaev
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. Development of technical systems for artificial blood purification is one of the promising areas of biomedical engineering. System analysis approach is used to create wearable artificial kidney. Investigation of dialysate regeneration methods and multicriteria selection of regeneration unit structure have been carried out. As a result, a prototype of wearable artificial kidney has been manufactured and tested; both the features of its construction and the main ways of its improvement have been highlighted. The developed apparatus is equal or better in its characteristics than foreign analogues (0.8 g/h urea removal rate, 3.5 kg device mass) and is the immediate prospect for the domestic production of equip -ment for renal replacement therapy
Keywords: chronic renal failure; wearable artificial kidney; dialysis; artificial blood purification
For citation: Bazaev N.A. Key aspects of autonomous warerable artificial blood purification apparatus development. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 3, pp. 255-264. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-255-264
Введение. Применение аппаратуры искусственного очищения крови - единственная возможность жизнеобеспечения пациентов с хронической почечной недостаточностью ввиду того, что количество донорских почек составляет 10-15 % от числа нуждающихся в них [1]. Актуальная задача в области биомедицинской инженерии искусственных органов - разработка автономной носимой аппаратуры искусственного очищения крови. При этом ключевыми моментами являются совершенствование методов регенерации отработанного диализирующего раствора и миниатюризация электронных компонентов аппарата. Аппаратура для заместительной терапии представляет собой сложные технические системы, включающие в себя набор датчиков, модулей для приготовления растворов, осуществляющих очищение крови, контроль и управление исполнительными элементами аппарата и т.д. При подключении пациента к аппарату искусственного очищения крови образуется биотехническая система с большим количеством взаимных связей. В таких объектах протекает много процессов различной природы, управление которыми, равно как и поиск оптимальных условий для их осуществления, требует применения методов системного анализа.
Используемая в настоящее время в клинической практике аппаратура для искусственного очищения крови имеет существенные недостатки, которые не позволяют сделать процедуру лечения пациентов с хронической почечной недостаточностью доступной для большинства пациентов (только 20 % людей с хронической почечной недостаточностью получают лечение [1]). Это зависимость от системы водоподготовки (в течение процедуры расходуется до 150 л диализирующих растворов), высокое энергопотребление (зависимость от сети электропитания), высокая стоимость процедуры, низкая мобильность пациентов во время лечения. В связи с этим одной из актуальных задач биомедицинской электроники в области диализа является создание автономной носимой аппаратуры для искусственного очищения крови, которая позволит преодолеть указанные недостатки [2-4].
Цель настоящей работы - построение автономной носимой аппаратуры искусственного очищения крови.
Биотехническая система искусственного очищения крови. В общем случае биотехническая система искусственного очищения крови включает в себя пациента, аппарат «искусственная почка», лечащего врача и совокупность взаимосвязей между ними (рис.1).
Рис.1. Общий случай системных связей в биотехнической системе искусственного очищения крови Fig.1. General case of systemic connections in biotechnical system for artificial blood purification
Аппаратура искусственного очищения крови зависит от систем подачи и подготовки воды, из которой автоматизированно приготавливается диализирующий раствор, а также от системы слива отработанного раствора. Кроме того, для работы аппарата требуется подключение к сети электропитания. Все это вместе со значительными массогабаритными характеристиками аппаратуры искусственного очищения крови (от 75 кг, 40 х 50 х 150 см) приводит к значительному ограничению мобильности пациента во время лечения.
Для повышения автономности аппаратуры искусственного очищения крови ключевой задачей является создание способа регенерации диализата, который позволит многократно использовать один и тот же объем диализирующего раствора и, соответственно, сделать аппарат независимым от воды, концентратов и модуля приготовления диализата [5]. Современные технологии позволяют миниатюризировать большинство элементов аппарата и снизить их энергопотребление. Это, в свою очередь, позволяет снизить массогабаритные характеристики аппарата и упростить биотехническую систему искусственного очищения крови (рис.2).
Рис.2. Взаимосвязи в биотехнической системе с автономным носимым аппаратом искусственного очищения крови Fig.2. Interconnections in biotechnical system with wearable artificial kidney
Блок регенерации диализата позволяет устранить ряд элементов биотехнической системы. Он представляет собой основную составляющую аппарата искусственного очищения крови, однако при этом усиливается взаимосвязь между аппаратом и пациентом. Блок регенерации диализата - это технические средства, восстанавливающие исходный химический состав диализирующего раствора (системная связь II). Для этого необходимо удалять продукты метаболизма, переходящие в него из крови (системная связь I). В табл.1 представлены методы регенерации диализата, их преимущества и недостатки, известные из литературы и подтвержденные в ходе исследований и разработок автономного носимого аппарата искусственного очищения крови.
Таблица 1
Методы регенерации диализата
Table 1
Метод регенерации Преимущества Недостатки
Сорбция с применением активированного угля [6, 7] Хорошая сорбционная емкость по креатинину и мочевой кислоте Пассивность процесса регенерации Низкая сорбционная емкость по мочевине Изменение рН диализата и его ионного состава
Электролиз [8- 10] Высокая скорость удаления мочевины УДаление мочевины на протяжении 24 ч и более Использование платины Изменение рН диализата и его ионного состава Затраты электроэнергии
Применение уреазы [11, 12] Удаление мочевины Пассивность процесса Дороговизна Изменение рН диализата и его ионного состава Время работы сорбента 6-8 ч
Термолиз [13] Высокая скорость удаления мочевины Значительные массогабаритные характеристики Значительные затраты электроэнергии
Из табл.1 видно, что для удаления мочевины наилучшим образом подходит электролиз. Он позволяет в течение длительного времени разлагать мочевину с постоянной массовой скоростью. В то же время другие низкомолекулярные соединения хорошо удаляются активированным углем. Применение термолиза невозможно ввиду значительных затрат электроэнергии, а применение уреазы - ввиду дорогостоящего производства и ограничения по времени его действия. В связи с этим оптимизация системной связи II направлена на исследование способов снижения негативных свойств электролиза и сорбции. В табл.2 представлены результаты исследования материалов для изготовления электродов электролизера; в табл.3 - результаты обработки активированного угля для нивелирования негативного влияния на рН и ионный состав диализирующего раствора. В качестве методов использованы обработка раствором 0,3 М соляной или 0,3 М лимонной кислоты для удаления продуктов активации угля и электролиз активированного угля в дистиллированной воде (напряжение на электродах 30 В).
Таблица 2
Удельная скорость удаления мочевины методом электролиза на электродах из различных материалов
Table 2
Specific urea mass removal rate for different electrode materials
Материал электрода Удельная скорость удаления мочевины, мг/см2/ч
Сграфит 1,47 ± 0,09
C-SÍCmo 1,20 ± 0,11
Ti-PtbH 0,97 ± 0,08
Т1-^Салм 0,16 ± 0,05
Ti-Rheo 0,16 ± 0,05
Примечание: Сграфит - чистый графит; C-SiCMo - карбид кремния, допированный молибденом; Ti-Ptun - титан, покрытый платиной методом взрыв-прокатки; Ti-SiCam - алмазоподоб-ный карбид кремния; Ti-RhM - титан, покрытый родием методом электроосаждения.
Таблица 3
Влияние обработки активированного угля Каусорб-212 на его сорбционные свойства за 6 ч сорбции
Table 3
Effect of different processing methods on Kausorb-212 activated carbon sorption properties (6 h long experiment)
Метод обработки ApH ACa2+, ммоль/л ANa+, ммоль/л ACl-, ммоль/л А^креат, Г/КГ
Выдержка в соляной кислоте 1,28t 0,1694 6,84 2,3t 87,5
Выдержка в лимонной кислоте 1,80| 0,5054 1,04 0,0 85,3
Электролиз 2,39t 0,1524 5,34 2,54 86,6
*Сорбционная емкость активированного угля по креатинину (т.е. сколько граммов креатинина связывает 1 кг угля)
Как видно из результатов исследований, в качестве материала электродов можно использовать графит, который по своим электрокаталитическим свойствам превосходит платину, при этом более дешев и доступен. В качестве метода обработки активированного угля в равной степени эффективно можно применять метод выдержки в соляной кислоте и электролиз. На основе проведенных исследований осуществлен многокритериальный выбор метода регенерации диализата (табл.4) и разработан способ регенерации диализирующего раствора с помощью автономного носимого аппарата искусствен-
ного очищения крови (рис.3). При многокритериальном выборе применяется следующая формула: F (итоговая оценка) = Mi (вес 1-го критерия) • f (оценка 1-го критерия) + + M2 • f + ... + Mi • fi. «Побеждает» тот метод, итоговая оценка которого выше. Значение оценки критерия для каждого метода выбирается в зависимости от его характеристик. Например, если масса блока регенерации мала (<3 кг), то его оценка высокая f1 = 1), если блок тяжелый (>5 кг), то его оценка низкая f1 = 0).
Таблица 4
Результаты многокритериального выбора метода регенерации диализата
Table 4
Results of multicriteria approach for choosing a regeneration methods
Критерий Электролиз Сорбция Термолиз Уреаза Вес критерия Значение оценки критерия
Масса блока ре- 3,5 кг 2 кг >10 кг 2 кг 1,5 /1 = 1, М < 3 кг
генерации ^аккумулятор) /1 = 0,5, 3 < М < 5 кг /1 = 0, М > 5 кг
Время работы >24 ч <12 ч >24 ч 6-8 ч 1 /2 = 1, t > 12 ч
расходных /2 = 0,5, 6 < t < 12 ч
материалов /2 = 0, t < 6 ч
Сложность ис- 8 1-2 8 1-2 1 /3 = 1, п < 4
пользования /3 = 0,5, 4 < п < 8 /3 = 0, п > 8
Стоимость про- 4000 руб. 1000 руб. 4000 руб. 6000 руб. 1 /4 = 1, ^ < 4000 руб.
цедуры /4 = 0,5, 4000 < 5 < 4500 руб. /4 = 0, 5 > 4500 руб.
Масса >24 г 0,3 г >24 г 6 г 3 /5 = 1, т > 1 г/ч
удаленной /5 = 0,5, 0,5 < т <1 г/ч
мочевины /5 = 0, т < 0,5 г/ч
Изменения ±7 % ±7 % ±20 % ±20 % 2,5 /6 = 1, d < 10 %
ионного /6 = 0,5, 10 < d < 15 %
состава /6 = 0, d > 15 %
F 8,25 6,5 4,5 6 - -
Рис.3. Разработанный способ регенерации отработанного диализирующего раствора Fig.3. Developed method for spent dialysis solution regeneration
Разработанный способ регенерации диализата заключается в отделении низкомолекулярных соединений для удаления в контуре сорбционно-электрохимической регенерации. Средне- и высокомолекулярные соединения удаляются из диализата в контуре рециркуляции в сорбционной колонке с обработанным активированным углем Каусорб-212. На входе в контур рециркуляции проводится фильтрация фибринов, а на выходе - углеродных частичек от активированного угля и электродов.
Особенности построения автономной носимой аппаратуры искусственного очищения крови. В ходе проведенных опытно-конструкторских работ создан опытный образец автономного носимого аппарата искусственного очищения крови. Блок-схема, отражающая его функционал и принцип работы, представлена на рис.4.
Рис.4. Блок-схема автономного носимого аппарата искусственного очищения крови Fig.4. Wearable artificial kidney diagram
Диализирующий раствор забирается роликовым насосом в экстракорпоральный контур, который разделяется диализатором на контур рециркуляции и контур регенерации. Диализатор обеспечивает разделение веществ: низкомолекулярные вещества (мочевина, креатинин, мочевая кислота и др.) за счет диффузии переходят в контур регенерации и там удаляются из диализата; средне- и высокомолекулярные вещества удаляются в контуре рециркуляции сорбционной колонкой. Такое разделение необходимо для повышения эффективности электролиза. Поскольку в диализаторе под действием конвекции возможен массоперенос среднемолекулярных соединений, предусмотрена система контроля и поддержания нулевого трансмембранного давления. Она заключается в использовании дифференциального датчика давления и регулировании на основе его показаний гидравлического сопротивления магистрали на выходе диализатора с помощью управляемого клапана. Ультрафильтрация осуществляется за счет использования двухходового клапана, который перенаправляет поток диализата из контура рециркуляции в дренажный мешок. Перемещение диализата в контуре регенерации происходит с помощью роликового насоса. Удаление креатинина и мочевой кислоты осуществляется входной сорбционной колонкой, удаление мочевины - электролизером, а удаление продуктов электролиза - выходной сорбционной колонкой и дегазатором. Разработанная концепция построения позволяет отказаться от насоса для введения буферного раствора, поскольку рН диализата стабилизируется примерно при значении 7,4 за счет использования графитовых электродов и предварительной обработки сорбентов.
Таблица 5
Особенности построения элементов автономного носимого аппарата искусственного очищения крови
Table 5
Special aspects of wearable artificial kidney components development
Элемент аппарата Проблемы Решение Примечания
Модуль управления Разработка алгоритма автоматизированного управления аппаратом не описана в литературе и требует детальной проработки Детальная проработка концепции построения аппарата и его компонентов Наличие различных датчиков (давления, температуры и др.) не должно усложнять подключение комплекта магистралей и приводить к удорожанию
Насосный модуль (пе-ристальтиче-ские насосы) Большая масса двигателей и насосных головок Миниатюризация насосов: использование бесколлекторных двигателей, заказных насосных головок Насос должен быть пригоден для непрерывной работы
Неудобство замены насосных сегментов Насосные сегменты должны быть частью магистрали Система удобной замены магистрали не должна увеличивать габариты насосного модуля
Высокий уровень шума Подбор тихих двигателей и режимов работы Использование звукоизолирующего корпуса Шум насосов не должен превышать 35 дБ (уровень приглушенного разговора)
Шприцевой насос Несовершенство методов регенерации вынуждает корректировать рН и ионный состав диализата Исследование и разработка новых методов регенерации отработанного диализата Отказ от шприцевого насоса упростит и облегчит аппарат
Аккумуляторная батарея Большая масса источников тока Отказ от необязательных активных элементов аппарата позволит уменьшить массу аккумуляторной батареи Время работы аппарата от аккумулятора должно быть не менее 8 ч
Расходные материалы Комплект магистралей и элементы регенерации являются отдельными элементами Сделать комплект магистралей и элементы регенерации единым элементом Общее количество разъемов комплекта магистралей не должно превышать 4
Время работы элементов регенерации 4-8 ч. Необходимо улучшать методы регенерации отработанного раствора для перитонеаль-ного диализа Комплект расходных материалов должен быть рассчитан на работу 24 ч и более
Фильтрующие элементы Попадание фибрино-вых нитей из брюшной полости в аппарат Пыление активированного угля Деградация электродов при электролизе Использование системы фильтров разной степени очистки Время работы системы фильтров должно быть 24 ч и более
Дисплейный модуль Управление аппаратом не должно быть связано с манипуляциями с рюкзаком или элементами аппарата Управление аппаратом должно осуществляться через приложение на смартфоне Использование смартфона расширяет возможности управления аппаратом
Апробация аппарата позволила выделить особенности (табл.5), которые необходимо учитывать при дальнейшем совершенствовании автономного носимого аппарата искусственного очищения крови.
Все элементы аппарата требуют дальнейшего совершенствования и проработки, однако опытный образец аппарата уже позволил оценить эффективность регенерации отработанного диализирующего раствора как в лабораторных условиях, так и на этапе доклинических исследований.
Заключение. В настоящее время существуют три прототипа автономного носимого аппарата искусственного очищения крови: AWAK (США), WAK (США), WEAKID (Нидерланды). Данные прототипы находятся на стадии клинических испытаний и включены в приоритетные направления развития науки и техники США. Отечественная разработка Renart-PD не уступает по своим характеристикам зарубежным аналогам и является перспективной аппаратурой для заместительной почечной терапии.
Литература
1. Tomilina N.A. Renal replacement therapy for End Stage Renal Disease in Russian Federation, 2010-2015. Russian National Renal Replacement Therapy Registry Report of Russian Public Organization of Nephrologists «Russian Dialysis Society». Part 1 // Nephrol. Dial. 2018. Vol. 19. No. 4 supplement. P. 1-95.
2. Gura V. A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease // JCI Insight. 2016. Vol. 1. No. 8. P. e86397.
3. Wearable artificial kidney and wearable ultrafiltration device vascular access—future directions / A.C. Castro, M. Neri, A. NayakKaropadi et al. // Clinical Kidney Journal. 2019. Vol. 12. No. 2. P. 300-307.
4. Salani M., Roy S., Fissell IV W.H. Innovations in wearable and implantable artificial kidneys // American Journal of Kidney Diseases. 2018. Vol. 72. No. 5. P. 745-751.
5. Ronco C., Davenport A., Gura V. The future of the artificial kidney: moving towards wearable and miniaturized devices // Nefrologia. 2011. Vol. 31. No. 1. P. 9-16.
6. Chang T.M. Clinical evaluation of chronic, intermittent, and short term hemoperfusions in patients with chronic renal failure using semipermeable microcapsules (artificial cells) formed from membrane-coated activated charcoal // Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs. 1971. Vol. 17. P. 246-252.
7. Yatzidis H. Research on extrarenal purification with the aid of activated charcoal // Nephron. 1964. Vol. 1. P. 310-312.
8. Wester M. Removal of urea in a wearable dialysis device: A reappraisal of electro-oxidation // Artif. Organs. 2014. Vol. 38. No. 12. P. 998-1006.
9. Urbanczyk E., Sowa M., Simka W. Urea removal from aqueous solutions - a review // Journal of Applied Electrochemistry. 2016. Vol. 46. No. 10. P. 1011-1029.
10. Hernández M.C., Russo N., Panizza M., Spinelli P., Fino D. Electrochemical oxidation of urea in aqueous solutions using a boron-doped thin-film diamond electrode // Diamond and Related Materials. 2014. Vol. 44. P. 109-116.
11. Urea removal strategies for dialysate regeneration in a wearable artificial kidney / M.K. van Gelder, J.A. Jong, L. Folkertsma et al. // Biomaterials. 2020. Vol. 234. P. 119735.
12. Recirculating peritoneal dialysis system using urease-fixed silk fibroin membrane filter with spherical carbonaceous adsorbent / M.T. Sultan, B.M. Moon, J.W. Yang et al. // Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 97. P. 55-66.
13. Способ очистки диализирующего раствора в аппарате «искусственная почка» / М.В. Гринвальд, Г.А. Залко, Ю.Н. Михайлов и др. // Патент РФ № 2008927 С1, 1994 // Открытия, изобретения. 1994. № 5.
Поступила 03.02.2020 г.; после доработки 03.02.2020 г.; принята к публикации 17.03.2020 г.
Базаев Николай Александрович - кандидат технических наук, доцент Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Tomilina N.A. Renal replacement therapy for End Stage Renal Disease in Russian Federation, 2010-2015. Russian National Renal Replacement Therapy Registry Report of Russian Public Organization of Nephrologists «Russian Dialysis Society». Part 1. Nephrol. Dial., 2018, vol. 19, no. 4 supplement, pp. 1-95.
2. Gura V A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease. JCI Insight., 2016, vol. 1, no. 8, p. e86397.
3. Castro A.C., Neri M., Nayak Karopadi A., Lorenzin A., Marchionna N., Ronco C. Wearable artificial kidney and wearable ultrafiltration device vascular access—future directions. Clinical Kidney Journal, 2019, vol. 12, no. 2, pp. 300-307.
4. Salani M., Roy S., Fissell IV W.H. Innovations in wearable and implantable artificial kidneys. American Journal of Kidney Diseases, 2018, vol. 72, no. 5, pp. 745-751.
5. Ronco C., Davenport A., Gura V. The future of the artificial kidney: moving towards wearable and miniaturized devices. Nefrologia, 2011, vol. 31, no. 1, pp. 9-16.
6. Chang T.M. Clinical evaluation of chronic, intermittent, and short term hemoperfusions in patients with chronic renal failure using semipermeable microcapsules (artificial cells) formed from membrane-coated activated charcoal. Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs., 1971, vol. 17, pp. 246-252.
7. Yatzidis H. Research on extrarenal purification with the aid of activated charcoal. Nephron, 1964, vol. 1, pp. 310-312.
8. Wester M. Removal of urea in a wearable dialysis device: A reappraisal of electro-oxidation. Artif. Organs, 2014, vol. 38, no. 12, pp. 998-1006.
9. Urbanczyk E., Sowa M., Simka W. Urea removal from aqueous solutions-a review. Journal of Applied Electrochemistry, 2016, vol. 46, no. 10 pp. 1011-1029.
10. Hernández M. C., Russo N., Panizza M., Spinelli P., Fino D. Electrochemical oxidation of urea in aqueous solutions using a boron-doped thin-film diamond electrode. Diamond and Related Materials, 2014, vol. 44, pp. 109-116.
11. van Gelder M. K., Jong J. A., Folkertsma L., Guo Y., Blüchel C., Verhaar M. C., Gerritsen K. G. Urea removal strategies for dialysate regeneration in a wearable artificial kidney. Biomaterials, 2020 vol. 234, p. 119735.
12. Sultan M.T., Moon B.M., Yang J.W., Lee O.J., Kim S.H., Lee J.S., Park C.H. Recirculating peritoneal dialysis system using urease-fixed silk fibroin membrane filter with spherical carbonaceous adsorbent. Materials Science and Engineering, 2019., vol. 97, pp. 55-66.
13. Grinval'd V.M., Zalko G.A., Mihajlov Ju.N., Podgaeckij V.M., Svidchenko VF., Strelkin A.G., Semin V.N., Sjulaev A.S. Method of purifying dialyzing solution in apparatus «artificial kidney». Patent RU 2 008 927 C1, 1994. Otkrytija, izobretenija = Opening, inventions,1994, no. 5 (in Russian).
Received 03.02.2020; Revised 03.02.2020; Accepted 17.03.2020. Information about the author:
Nikolai A. Bazaev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Biomedical Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
