基于LPC2103的植入式心臟起搏器程控儀設(shè)計(jì)

梁召云 廣東省醫(yī)療器械研究所 (廣州 510500)

0 前言

植入式心臟起搏器主要用于治療緩慢性心律失常，自1952年應(yīng)用于臨床以來(lái)，經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展，已從早期的固定頻率型發(fā)展到今天的可抗心動(dòng)過(guò)速起搏和頻率自適應(yīng)的心臟起搏器。目前大部分的心臟起搏器都可通過(guò)配套的體外程控儀實(shí)現(xiàn)起搏參數(shù)的程控與遙測(cè)。用體外程控儀可對(duì)植入體內(nèi)的心臟起搏器進(jìn)行起搏模式、起搏頻率、脈沖幅度、脈沖寬度、感知靈敏度等參數(shù)的程控調(diào)節(jié)；還可對(duì)心臟起搏器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將工作參數(shù)、電池容量狀態(tài)、心肌阻抗、病人資料乃至心腔內(nèi)心電圖等，由心臟起搏器發(fā)送至體外程控儀中進(jìn)行顯示或打印，為醫(yī)護(hù)人員提供有價(jià)值的臨床參考。

1 系統(tǒng)工作原理與電路程序設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

程控儀的主要功能是對(duì)心臟起搏器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及信息遙測(cè)，其參數(shù)設(shè)置范圍與心臟起搏器保持一致，當(dāng)接收到程控指令時(shí)，則把操作人員設(shè)置好的程控參數(shù)傳輸給心臟起搏器，使后者按此參數(shù)進(jìn)行工作。當(dāng)接收到遙測(cè)指令時(shí)，則向心臟起搏器發(fā)出信息查詢(xún)請(qǐng)求，心臟起搏器進(jìn)行應(yīng)答后，把當(dāng)前的起搏參數(shù)、電池容量狀態(tài)及病人資料等信息發(fā)送給程控儀，程控儀接收到信息、整理后，在液晶屏上顯示出來(lái)，也可根據(jù)操作人員的需要把遙測(cè)信息打印出來(lái)，以供日后參考。程控儀還具備一鍵程控的應(yīng)急功能，按下此緊急編程按鈕后，即可完成心臟起搏器工作參數(shù)的重新調(diào)整，以滿(mǎn)足臨床緊急狀態(tài)下的應(yīng)用要求。程控儀與心臟起搏器的信息傳輸是通過(guò)電磁耦合的無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)的。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

程控儀系統(tǒng)電路按不同的功能可分為MCU主控電路、數(shù)據(jù)發(fā)射(程控)與接收(遙測(cè))電路、LCD液晶顯示電路、鍵盤(pán)電路、打印電路等。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 MCU主控電路的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需要，選擇集成度高、功耗低的LPC2103芯片為系統(tǒng)電路的主控芯片。LPC2103是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM7微控制器,內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口(范圍從多個(gè)UART、SPI 和SSP到兩條I2C總線)和8kB的片內(nèi)SRAM、32kB的Flash程序存儲(chǔ)器，2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶7路捕獲和7路比較通道)，2個(gè)16 位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶3路捕獲和7路比較通道)，8路10位ADC，以及具有多達(dá)13個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳的32條高速GPIO線，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)70 MHz的工作頻率。其低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)具有獨(dú)立的電源和特定的32kHz時(shí)鐘輸入[1]。

MCU主控電路是整個(gè)系統(tǒng)電路的控制中樞，肩負(fù)著響應(yīng)鍵盤(pán)輸入、輸出經(jīng)過(guò)編碼的程控?cái)?shù)據(jù)、接收并解碼遙測(cè)數(shù)據(jù)、輸出顯示數(shù)據(jù)、輸送數(shù)據(jù)給打印機(jī)進(jìn)行打印、檢測(cè)供電電壓以及實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警等任務(wù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)發(fā)射與接收電路

程控儀對(duì)心臟起搏器的程控與遙測(cè)，主要由MCU主控電路與此部分電路配合完成。程控儀MCU對(duì)程控信息進(jìn)行編碼，對(duì)遙測(cè)信息進(jìn)行解碼，心臟起搏器的微處理器則對(duì)程控信息進(jìn)行解碼，對(duì)遙測(cè)信息進(jìn)行編碼。完成編碼的信息經(jīng)數(shù)字調(diào)制后，通過(guò)體內(nèi)、體外雙方的線圈進(jìn)行電磁耦合實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。程控儀數(shù)據(jù)發(fā)射與接收電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)射與接收電路

程控儀數(shù)據(jù)發(fā)射電路包含載波振蕩發(fā)生器、載波調(diào)制器、功率放大器、LC串聯(lián)諧振回路以及反饋模塊等單元。程控時(shí)，程控儀MCU對(duì)程控信息進(jìn)行編碼，編碼后的信息對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)射電路中的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)功率放大器放大后輸出到LC串聯(lián)諧振回路，在有效范圍內(nèi)，體內(nèi)的心臟起搏器接收線圈則可耦合到此信號(hào)，完成程控信息的接收。反饋模塊的主要作用是穩(wěn)定載波頻率，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定。

程控儀數(shù)據(jù)接收電路與發(fā)射電路共用同一LC串聯(lián)諧振回路，程控儀遙測(cè)時(shí)，對(duì)LC串聯(lián)諧振回路的耦合信號(hào)進(jìn)行檢波，經(jīng)帶通濾波器及信號(hào)放大后，輸入到程控儀MCU進(jìn)行解碼。

通常心臟起搏器采用鈦合金作為封裝外殼，經(jīng)手術(shù)埋植于患者體內(nèi)，信息交換過(guò)程中，信號(hào)衰減比較厲害，頻率越高，衰減越厲害[2]。通過(guò)對(duì)信號(hào)衰減與數(shù)據(jù)傳輸效率的綜合考慮，在此載波頻率定為125KHz，傳輸數(shù)據(jù)的編碼方式則采用曼徹斯特編碼方式。

1.3.3 LCD液晶顯示電路

系統(tǒng)選用OCM24064圖形點(diǎn)陣液晶顯示器作為人機(jī)交換界面，工作電壓為3.3V，點(diǎn)陣數(shù)為240*64，控制核心芯片為T(mén)6963C，它接收來(lái)自主控MCU的指令與數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序及數(shù)據(jù)控制液晶顯示屏的顯示。該控制芯片自帶128個(gè)內(nèi)部字符，自行管理64KB顯示緩沖區(qū),與主控MCU的數(shù)據(jù)傳輸為8位并行數(shù)據(jù)傳輸方式，控制信號(hào)線只有/RD 、/WR、/CE等5個(gè)。

1.3.4 鍵盤(pán)電路

在程控儀面板中，按鍵比較多，為了提高鍵盤(pán)的響應(yīng)速度和降低主控芯片的硬件負(fù)擔(dān)，我們選用CH452芯片來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)的鍵盤(pán)電路。CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制芯片，內(nèi)置64鍵鍵盤(pán)控制器，可以實(shí)現(xiàn)8×8矩陣鍵盤(pán)掃描，只需在CH452的DIG0～DIG7引腳與鍵盤(pán)矩陣之間串接1KΩ至10KΩ的限流電阻，即可搭建矩陣鍵盤(pán)[3]。而CH452與主控MCU的連接也比較簡(jiǎn)單，可選高速的4線串行接口或者經(jīng)濟(jì)的2線串行接口，在本系統(tǒng)中，選用4線串行接口方式。當(dāng)確認(rèn)有按鍵被按下時(shí)，CH452通過(guò)DOUT引腳向主控 MCU產(chǎn)生低電平的中斷，并把相應(yīng)按鍵代碼傳輸給主控MCU。

1.3.5 打印電路

在心臟起搏器埋植過(guò)程中或術(shù)后隨訪中，程控儀對(duì)心臟起搏器的程控或遙測(cè)都是必不可少的，這些參數(shù)通過(guò)程控儀的打印機(jī)打印出來(lái)，為醫(yī)生提供臨床參考。受到程控儀體積的限制，在此采用微型熱敏打印機(jī)，并設(shè)計(jì)了控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，它與主控MCU通過(guò)2線串口的方式進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的傳輸。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件按結(jié)構(gòu)與功能主要分為如下幾個(gè)模塊：(1)主程序：檢測(cè)各個(gè)硬件電路模塊是否連接完好，初始化LPC2103的特殊功能寄存器，加載LCD顯示驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)入程控儀主菜單；(2)顯示程序：LCD顯示驅(qū)動(dòng)、菜單顯示、程控結(jié)果顯示、遙測(cè)結(jié)果顯示；(3)程控程序：對(duì)程控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，控制發(fā)射電路，完成程控?cái)?shù)據(jù)的發(fā)射；(4)遙測(cè)程序：接收心臟起搏器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，完成數(shù)據(jù)解碼，送LCD進(jìn)行顯示；(5)打印程序：完成程控結(jié)果、遙測(cè)結(jié)果的報(bào)告打印。(6)鍵盤(pán)響應(yīng)程序：判斷被按下的鍵盤(pán)，調(diào)用相應(yīng)的響應(yīng)程序；(7)其他特殊程序：電壓檢測(cè)與異常情況的聲光報(bào)警等。

一般情況下，在LPC2103等32位ARM芯片中，軟件大多數(shù)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，并且以嵌入式系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以提高開(kāi)發(fā)效率及軟件性能[4]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大部分代碼也由C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。而系統(tǒng)的初始化則采用匯編語(yǔ)言，通過(guò)匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)向量表定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化以及地址的重映射等。

系統(tǒng)的全部程序代碼在ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫(xiě)、調(diào)試、編譯及連接，經(jīng)EasyJTAG-H仿真后將目標(biāo)代碼下載到系統(tǒng)flash中運(yùn)行。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種植入式心臟起搏器的配套程控儀，進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫(xiě)。程控與遙測(cè)信息的傳輸是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，選擇合適的調(diào)制方式及編碼方式，是保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定性、可靠性的基礎(chǔ)。而且，隨著心臟起搏器等植入式裝置功能的不斷擴(kuò)展，將會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、傳輸效率等提出更高的要求。

[1]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC2101/02/03使用指南.2006

[2]朱澤璟，王一楓，鄔小玫，方祖祥.一種新型植入式裝置無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2010，31(4)187-190.

[3]南京沁恒電子有限公司.CH452中文手冊(cè).2009

[4]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009