基于單片機輔助的頸動脈血流體外智能阻斷儀的設(shè)計

周良學，羅林麗，游 潮，莫思特

基于單片機輔助的頸動脈血流體外智能阻斷儀的設(shè)計

周良學，羅林麗，游 潮，莫思特

目的:設(shè)計一種可智能調(diào)控頸動脈體外阻斷壓力和阻斷效果的新型儀器，以防止壓迫移位。方法:系統(tǒng)硬件選用MSP430單片機，配置RS232轉(zhuǎn)換器和USB，壓力調(diào)控器由壓力傳感器、驅(qū)動電路、壓力信號處理電路、充氣泵和放氣閥構(gòu)成；系統(tǒng)軟件包括單片機應(yīng)用程序與壓力調(diào)控器控制程序，采用C語言編寫，仿真機采用MSP-FET430P410。結(jié)果:經(jīng)試用，該儀器可根據(jù)被壓迫的頸動脈血流的阻斷情況反饋調(diào)節(jié)壓力調(diào)控器的輸出充氣壓力，自動以設(shè)定壓力和時間或以設(shè)定壓力梯度完成頸動脈壓迫。結(jié)論:該儀器減小了醫(yī)務(wù)人員的勞動強度，提高了臨床安全性和科研精確性，其自動記錄和存儲功能還為科學研究和臨床資料收集提供了方便。

頸動脈血流；單片機；血氧飽和度；壓力傳感器

0 引言

在某些顱內(nèi)疾病的檢查和腦血管疾病的術(shù)前適應(yīng)性訓(xùn)練時，需要由醫(yī)生或患者徒手壓迫頸動脈來實現(xiàn)阻斷患者頸動脈血流的目的[1]。由于操作者因疲勞產(chǎn)生的壓迫部位移位或壓迫力度下降，將嚴重影響檢查和適應(yīng)性訓(xùn)練的效果。目前，臨床上已有可用于阻斷頸動脈的機械式頸動脈壓迫器械，可基本解決壓迫移位的問題[2]。機械壓迫裝置不能實時評價頸動脈阻斷效果，因而不能根據(jù)血流阻斷效果的實時反饋調(diào)整頸動脈阻斷參數(shù)，由此本文將介紹一種新型的頸動脈血流體外智能阻斷儀。

1 頸動脈血流體外智能阻斷儀設(shè)計

頸動脈血流體外智能阻斷儀包括機械壓迫組件和電子調(diào)控裝置2個部分。機械壓迫組件與臨床常用的機械式頸動脈壓迫器械機構(gòu)基本相同，通過頸托和支架將患者頸部固定，便于頸動脈壓迫件的氣囊壓頭給予施壓。電子調(diào)控裝置包括硬件和軟件，硬件包括單片機、壓力測量調(diào)控器、血氧飽和度監(jiān)測探頭、血氧飽和度信號處理電路、按鍵、顯示器、存儲器和電源。血氧飽和度監(jiān)測探頭通過血氧飽和度信號處理電路和單片機連接，壓力調(diào)控器一端通過管件與頸動脈壓迫件的氣囊連接，另一端與單片機連接。該裝置還設(shè)置了電源指示燈、報警揚聲器、報警指示燈和USB接口[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

選用MSP430單片機[4]，配置RS232轉(zhuǎn)換器和USB；壓力調(diào)控器由壓力傳感器、驅(qū)動電路、壓力信號處理電路、充氣泵和放氣閥構(gòu)成[5-6]；壓力傳感器、放氣閥、充氣泵、壓頭氣囊用氣管連接并構(gòu)成密封氣路，具有相同的氣壓。壓力傳感器用于氣壓測量，放氣閥用于減壓，充氣泵用于增壓。壓力傳感器通過信號放大電路和低通濾波器的放大和濾波，輸出模擬信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸送給單片機。單片機收到壓力傳感器的數(shù)字信號后，判斷壓力值大小，如果判斷壓力過大，則通過驅(qū)動電路驅(qū)動放氣閥，減小密封氣路氣壓；如果壓力過小，則通過驅(qū)動電路驅(qū)動充氣泵充氣，增加密封氣路氣壓并在液晶顯示器上顯示壓頭氣囊內(nèi)壓力。壓力調(diào)控器的工作原理和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 壓力調(diào)控器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

壓力信號處理電路由A/D轉(zhuǎn)換器、信號放大器和低通濾波器構(gòu)成，電路原理圖如圖3所示。R42、R68、C12與U1（OPA335）組成低通濾波器與信號放大器，R44、R45與U2（DS1252）組成A/D轉(zhuǎn)換器。X3為有源晶體振蕩器，為U2提供時鐘源。

圖3 壓力信號處理電路原理圖

血氧飽和度信號處理部件是該儀器的另一個核心部分，結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4所示。通過與頸動脈壓力自動調(diào)控裝置配套的血氧飽和度監(jiān)測探頭，儀器可自動接收頸動脈遠心端的脈搏波光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號輸送給信號放大器，通過低通濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸送給單片機。在單片機的控制下，交替控制血氧飽和度探頭紅色和紅外燈的亮與滅，并接收光電傳感器在紅色或紅外燈點亮時的幅度信號，通過血氧飽和度計算方法可以算出血氧飽和度值。單片機可根據(jù)所計算得到的血氧飽和度數(shù)值變化自動反饋調(diào)節(jié)頸動脈壓迫件氣囊壓頭內(nèi)的壓力，從而自動調(diào)節(jié)所施加在頸動脈上的壓力。

圖4 血氧飽和度信號處理電路的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

頸動脈壓力自動調(diào)控裝置中的各電子元件集中組裝成便攜式儀器。機殼壁上設(shè)有內(nèi)置電源充電插孔和USB插孔，機殼表面安裝有顯示屏、操作按鍵、電源指示燈和報警揚聲器。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括單片機應(yīng)用程序與壓力調(diào)控器控制程序，是在MSP430單片機的開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench下采用C語言編寫，仿真機采用TI公司的MSP-FET430P410[7]，主要工作程序如圖5所示。

圖5 壓力調(diào)控部分和單片機工作流程圖

2 功能

頸動脈血流體外智能阻斷儀的功能為：根據(jù)頸動脈遠心端血氧飽和度數(shù)值反饋調(diào)節(jié)壓力調(diào)控器的輸出壓力；實時顯示頸動脈阻斷壓力和阻斷時間；設(shè)置充氣壓力，充氣、放氣壓力梯度以及充氣和放氣時間；可手動計時、緊急減壓；設(shè)定阻斷有效的血氧飽和度數(shù)值標準和提示音類型；自動記錄、傳輸和存儲數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

該儀器具有智能化程度高、準確性好、操作方便等優(yōu)點，可克服根據(jù)經(jīng)驗和主觀判斷進行操作的盲目性，保證了阻斷效果，減小了醫(yī)務(wù)人員的勞動強度，提高了臨床安全性和科研精確性，其自動記錄和存儲功能還為科研和臨床資料的收集提供了便利，可以推廣應(yīng)用。

[1]呂春堂.頜面頸部腫瘤與頸動脈外科[J].口腔頜面外科雜志，2003，13（3）：189-192.

[2]黃曉明，鄭安錫，陳世平，等.自制簡易Matas試驗架的臨床應(yīng)用[J].華西醫(yī)學，2009，24（5）：1 189-1 190.

[3]譚保華，王堃，熊健民.基于USB總線技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集卡研制[J].計算機測量與控制，2008，16（12）：1 982-1 984.

[4]徐景波.基于MSP430的智能測控模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，24（14）：98-100.

[5]簡林祥.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的探討[J].福建電腦，2008，24（12）：172-173.

[6]姬忠校，董惠.基于FPGA的智能壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2008，16（10）：1 516-1 518.

[7]劉延武，應(yīng)俊，張博穎.基于MPX5010人工氣道專用套囊數(shù)字測壓計的研制及應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28（6）：13-14.

（收稿：2014-07-24 修回：2014-11-10）

Design of SCM-assisted intelligent instrument for carotid blood flow occlusion in vitro

ZHOU Liang-xue1,LUO Lin-li2,YOU Chao1,MO Si-te3
（1.Department of Neurosurgery,West China Hospital of Sichuan University,Chengdu 610041,China;2.Department of Anesthesiology,West China Second Hospital of Sichuan University,Chengdu 610041,China;3.School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065,China）

ObjectiveTo design an intelligent instrument to regulate the blocking pressure and effect of carotid blood flow in vitro to avoid pressure-induced displacement.MethodsThe instrument involved in MSP4230 microcomputer with RS232 converter and USB,as well as the pressure regulation unit composed of the pressure sensor,driver circuit,pressure signal procession circuit,inflation pump and exhaust valve.C language was used to develop microcomputer application program and pressure regulation unit control program.MSP-FET430P410 simulator was also applied in the study. ResultsTrials proved that the instrument could regulate the output inflation pressure of the control unit according to the state of the blocked carotid blood flow,and could realize carotid compression with desired pressure and time or with desired pressure gradient.ConclusionThe instrument reduces the workload of medical staff and increases clinical safety and accuracy in science and research,and lays a foundation for collecting clinical materials with its functions of automatic recording and storage.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：29-31]

carotid blood flow;SCM;oxyhemoglobin saturation;pressure sensor

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2015）06-0029-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.029

國家自然科學基金項目（81372446）

專 利:國家發(fā)明專利（ZL 200910058468.5）

周良學（1974—），男，博士后，副教授，主要從事腦腫瘤基礎(chǔ)與臨床方面的研究工作，E-mail:zhlxlll@163.com。

610041成都，四川大學華西醫(yī)院神經(jīng)外科（周良學，游 潮）；610041成都，四川大學華西第二醫(yī)院麻醉科（羅林麗）；610065成都，四川大學電氣信息學院（莫思特）

莫思特，E-mail:mosite@scu.edu.cn