顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制

劉玉冰，張言，錢誠，王宏，錢志余，李韙韜（南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210016）

顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制

劉玉冰，張言，錢誠，王宏，錢志余*，李韙韜
（南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210016）

摘要：目的 為了實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)外科手術(shù)病人的監(jiān)護(hù)，克服現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備監(jiān)測參數(shù)單一、使用價(jià)格昂貴的問題，論文研發(fā)了一套顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。方法 實(shí)現(xiàn)了一個基于壓阻傳感器和熱敏電阻的微創(chuàng)多參數(shù)檢測探頭，開發(fā)了基于μ C/OS-II的監(jiān)護(hù)主機(jī)，該主機(jī)能夠?qū)μ筋^測量的信號進(jìn)行處理，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度。同時，為了提高測量精度，論文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對檢測探頭的壓力和溫度進(jìn)行定標(biāo)和補(bǔ)償。結(jié)果 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠同時測量顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲和報(bào)警等功能。結(jié)論 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的測量精度和范圍能夠滿足臨床的要求，具有重要的臨床價(jià)值。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)外科；微創(chuàng)探頭；溫度補(bǔ)償；μ C/OS-II

1　引言

臨床上持續(xù)性的顱內(nèi)壓（Intracranial pressure， ICP）增高將會引發(fā)腦移位、腦疝等，顱內(nèi)壓監(jiān)測對了解患者病情，制定有效的治療方案具有重要的臨床意義［1，2］。有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測，其測量結(jié)果可靠，是臨床上顱內(nèi)壓測量的金標(biāo)準(zhǔn)［3，4］。目前，臨床上有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測設(shè)備主要有美國強(qiáng)生公司的Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀［5，6］、法國Sophysa公司的Pressio多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和美國Integra LifeSciences公司的Camino系列顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀［7，8］。其中，Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀只能監(jiān)測顱內(nèi)壓參數(shù)值，無法顯示顱內(nèi)壓波形，其壓力傳感器為壓阻式傳感器；Camino系列顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀可監(jiān)測顱內(nèi)壓及顱內(nèi)溫度等參數(shù)，但是壓力傳感器為光纖式傳感器，在臨床上使用時容易折斷。同時，上述監(jiān)護(hù)儀的探頭價(jià)格昂貴，大大阻礙了顱內(nèi)壓測量在臨床神經(jīng)外科監(jiān)護(hù)上的大范圍使用。

已有研究表明，顱內(nèi)溫度對腦損傷病變范圍和發(fā)展趨勢具有重要影響［9，10］。例如，神經(jīng)外科手術(shù)病人發(fā)生顱內(nèi)感染時，顱內(nèi)溫度的變化往往先于顱內(nèi)壓的變化發(fā)生。在亞低溫治療顱腦損傷的過程中，其治療效果明顯受顱內(nèi)溫度影響：溫度過高達(dá)不到治療目的，溫度過低則易引發(fā)并發(fā)癥［11］。因此，持續(xù)性的顱內(nèi)溫度監(jiān)測對顱腦損傷患者而言具有較大的指導(dǎo)和參考意義。

為克服現(xiàn)有顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)設(shè)備測量參數(shù)單一和使用價(jià)格昂貴等局限性，論文研制了一套基于壓阻傳感器和熱敏電阻的顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度微創(chuàng)多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)儀主機(jī)和檢測探頭兩部分組成。該系統(tǒng)可以連續(xù)測量病人顱內(nèi)壓力和顱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了顱內(nèi)壓和顱內(nèi)溫度參數(shù)的數(shù)值及波形顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲等功能。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)框圖及硬件電路

顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1所示。工作流程是：檢測探頭上的傳感器將顱內(nèi)壓力和溫度轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過模擬前端進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過AD采樣和數(shù)據(jù)處理，最終成為對應(yīng)的顱內(nèi)壓和顱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。同時，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度的數(shù)值及曲線顯示；當(dāng)顱內(nèi)壓超過預(yù)定警戒值及其它緊急情況時開啟聲光報(bào)警；存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

論文選用STM32F373VCT6單片機(jī)作為顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主控制器，其兩組16位SDADC和DMA可以實(shí)現(xiàn)μV級信號的高速采樣和緩存［12］。因此，可實(shí)現(xiàn)對檢測探頭中壓力傳感器和溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行采樣。圖2為壓力傳感器的差動放大電路原理圖，其中虛線框里表示的是壓力傳感器。論文采用的壓力傳感器表面有一層對壓力敏感的感受膜片，膜片上下各有1個擴(kuò)散電阻，當(dāng)膜片發(fā)生應(yīng)變時， 2個擴(kuò)散電阻的阻值反向變化。壓力傳感器與片外2個固定阻值的電阻組成惠斯通電橋，當(dāng)加上激勵電壓后，由壓力引起的擴(kuò)散電阻的阻值變化就會以差動電壓的形式表現(xiàn)出來。將惠斯通電橋輸出的差動電壓接至兩個運(yùn)算放大器的同相輸入端，構(gòu)成差動放大電路［13］。

論文對溫度傳感器輸出信號的采樣是將熱敏電阻與一個高精度參考電阻組合成串聯(lián)電路，通過SDADC采樣得到熱敏電阻兩端壓降，其壓降變化幅度通常為幾十毫伏。

圖1　顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件原理框圖

圖2　壓力傳感器的差動放大電路原理圖

2.2顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度檢測探頭設(shè)計(jì)

論文設(shè)計(jì)并制作了顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度檢測探頭［14］，該探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。顱內(nèi)壓參數(shù)監(jiān)測選用美國GE公司的壓阻式壓力傳感器；顱內(nèi)溫度監(jiān)測選用日本芝浦公司的NTC型熱敏電阻。其中，壓力傳感器尺寸為1.15mm×0.725mm×0.17mm；溫度傳感器玻璃端直徑最大為0.55mm，長度為1.1mm。在圖3中，檢測探頭［15，16］主要由表面開窗的筒狀鈦合金零件、壓力傳感器、溫度傳感器、漆包線（五根銅導(dǎo)線）、尼龍導(dǎo)管及帶有插接件的小型電路板（位于導(dǎo)管末端，通過導(dǎo)線與傳感器連接）組成。探頭制作流程為：將溫度傳感器置于鈦合金零件內(nèi)部并使用膠水固定；將壓力傳感器置于鈦合金零件的表面，并覆蓋硅膠進(jìn)行電氣隔離和保護(hù)；隨后利用漆包線將兩個傳感器的電極引出，并在漆包線外使用尼龍導(dǎo)管進(jìn)行電氣隔離和保護(hù)；最后，將漆包線中的銅導(dǎo)線分別焊接至小型電路板上。

圖3　顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度檢測探頭示意圖

3　顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)

論文選用嵌入式實(shí)時內(nèi)核μC/OS-II［17］開發(fā)顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件。論文按照監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行任務(wù)劃分，包括初始化任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、采樣任務(wù)、顯示任務(wù)、報(bào)警任務(wù)、電量掃描、時間刷新任務(wù)等，其系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。同時，根據(jù)任務(wù)的實(shí)時性要求、重要程度、執(zhí)行周期和CPU占用時間等因素為各任務(wù)分配了優(yōu)先級，具體任務(wù)優(yōu)先級分配如表1所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

表1　任務(wù)優(yōu)先級分配

4　探頭定標(biāo)和補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

4.1壓力溫度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

傳感器的輸出特性易受環(huán)境因素影響，本論文設(shè)計(jì)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)［18］測試探頭壓力傳感器、溫度傳感器的性能，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖5 所示。首先，將檢測探頭垂直插于密封管中，密封管放置于恒溫槽中（SC-25），恒溫槽溫度分別設(shè)定為20℃、30 ℃、37 ℃、40 ℃和45 ℃。然后低壓測試泵（Fluke 700LTP1）通過導(dǎo)管向密封管中施加壓力，壓力值由壓力校準(zhǔn)儀（700G04）進(jìn)行調(diào)節(jié)監(jiān)控，壓力分別以1 mmHg為增量從0 mmHg逐步增加到20 mmHg。同時，將檢測探頭中壓力傳感器的輸出端接至萬用表1（Keysight 34465A），溫度傳感器的輸出端接至萬用表2（Keysight 34465A）。

圖5　定標(biāo)實(shí)驗(yàn)示意圖

壓力傳感器的輸出電壓Up與壓力p、溫度t的關(guān)系曲線如圖6所示。圖6（a）表明在同一溫度條件下，壓力傳感器的輸出電壓Up與壓力p之間存在線性關(guān)系，線性度為1。圖6（b）顯示當(dāng)壓力為10mmHg時，壓力傳感器的輸出電壓Up隨著溫度t的升高而變小，符合NTC型熱敏電阻的特性，也進(jìn)一步證明了該壓力傳感器存在溫度漂移，需對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖6　壓力傳感器輸出Up與壓力p、溫度t的關(guān)系曲線。（a）不同溫度下壓力p與壓力傳感器輸出Up的關(guān)系曲線；（b）10mmHg下溫度t與壓力傳感器輸出Up的關(guān)系曲線。

溫度傳感器的輸出電壓Ut 與壓力p、溫度t的關(guān)系曲線如圖7所示。圖7（a）表明在同一壓力條件下，溫度傳感器的輸出電壓Ut與溫度t之間存在線性關(guān)系，其線性度為0.997。圖7 （b）顯示當(dāng)溫度相同時，溫度傳感器的輸出電壓Ut隨著壓力的升高基本無變化，說明壓力對溫度傳感器輸出特性的影響可以忽略不計(jì)。不受壓力影響。溫度傳感器的輸出電壓值可直接用于計(jì)算溫度。

圖7　溫度傳感器輸出Ut與溫度t、壓力p的關(guān)系曲線（a）不同壓力下溫度t與溫度傳感器輸出Ut的關(guān)系曲線；（b）30 ℃下壓力p與溫度傳感器輸出Ut的關(guān)系曲線。

4.2壓力傳感器的溫度補(bǔ)償方法

根據(jù)4.1節(jié)中壓力傳感器和溫度傳感器關(guān)系曲線，論文設(shè)計(jì)了如下所述的溫度補(bǔ)償方法［19］。

首先，設(shè)壓力傳感器在參考溫度下的定標(biāo)結(jié)果為：

式中，k0、z0、 U0分別為參考溫度下的壓力傳感器靈敏度、壓力傳感器零點(diǎn)值及壓力傳感器電壓輸出值。

當(dāng)溫度為t時，未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鬏敵鲭妷簽椋?/p>

式中，kt、zt、Ut分別為溫度t下的壓力傳感器靈敏度、壓力傳感器零點(diǎn)值及壓力傳感器電壓輸出值。

由公式（2）可知，

將式（3）代入式（1），得到在溫度t時，經(jīng)過補(bǔ)償后的壓力傳感器輸出電壓Ut為：

根據(jù)圖6（a）中壓力傳感器的定標(biāo)數(shù)據(jù)，分別對靈敏度kt、零點(diǎn)zt與溫度t做二次擬合，可得到：

將式（5）和式（6）代入式（4），即可對壓力傳感器在溫度為t時的電壓輸出進(jìn)行補(bǔ)償。論文以20℃（室溫）作為壓力傳感器的參考溫度，根據(jù)上述方法對壓力傳感器在30 ℃、37 ℃、40 ℃和45 ℃時的電壓輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

定標(biāo)完成后，論文設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)對該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的探頭及系統(tǒng)進(jìn)行測試，同時與美國強(qiáng)生公司Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)流程如下：首先，將自制探頭與Codman監(jiān)護(hù)儀探頭置于生理鹽水中定標(biāo)；接著，在容量為1000mL的燒杯中分別配置初始溫度為30℃、35℃的水，水溫由溫度計(jì)監(jiān)測。隨后，將自制探頭及Codman監(jiān)護(hù)儀探頭垂直插入到水中，始終保持兩探頭放置深度一致。改變探頭在水中的放置深度，記錄該系統(tǒng)測量的壓力和溫度值、溫度計(jì)溫度值以及Codman監(jiān)護(hù)儀的壓力值。圖8（a）（b）分別為30℃溫度條件下，該系統(tǒng)測量的壓力值及溫度值與Codman監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測的壓力值、溫度計(jì)示數(shù)的比較；圖8（c）（d）分別為35℃溫度條件下，該系統(tǒng)測量的壓力值及溫度值對應(yīng)與Codman監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測的壓力值、溫度計(jì)示數(shù)的比較。

圖8　不同溫度條件下系統(tǒng)測量壓力及溫度結(jié)果（a）30℃下自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與Codman監(jiān)護(hù)儀測量的壓力值比較；（b）30 ℃下自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與溫度計(jì)測量的溫度值比較；（c）35℃下自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與Codman監(jiān)護(hù)儀測量的壓力值比較；（d）35 ℃下自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與溫度計(jì)測量的溫度值比較；

圖8（a）（c）表明在不同溫度條件下，該系統(tǒng)測量的壓力值變化趨勢與強(qiáng)生Codman監(jiān)護(hù)儀保持一致，測量值存在0～2mmHg的誤差，滿足臨床使用需求（誤差小于2mmHg）。并且，本系統(tǒng)壓力測量精度達(dá)到0.01mmHg，壓力測量的靈敏度高于Codman監(jiān)護(hù)儀。圖8（b）（d）表明系統(tǒng)測量的溫度值與溫度計(jì)測量值相近，存在0～0.3℃的誤差。其中，溫度值下降的主要原因?yàn)闊瓋?nèi)水溫遠(yuǎn)高于室溫，測量過程中水溫逐漸降低。實(shí)驗(yàn)表明，論文研制的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可同時監(jiān)測壓力及溫度參數(shù)，經(jīng)探頭定標(biāo)及系統(tǒng)優(yōu)化后，壓力測量及溫度測量性能滿足臨床使用需求。

5　結(jié)果與討論

論文研制了一套微創(chuàng)顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其檢測探頭可同時測量患者顱內(nèi)壓力與顱內(nèi)溫度兩種參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)探頭定標(biāo)與溫度補(bǔ)償后，溫度傳感器測量誤差小于0.3℃，壓力傳感器的測量誤差小于2mmHg，達(dá)到臨床顱內(nèi)壓檢測的準(zhǔn)確度要求。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)基于μ C/OS-II嵌入式軟件，具有信號采集、數(shù)值與波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、閾值報(bào)警等功能，滿足臨床監(jiān)護(hù)的基本需求。論文研制的顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有多參數(shù)監(jiān)護(hù)、低成本等優(yōu)勢，在國內(nèi)外神經(jīng)外科監(jiān)護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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、國家自然科學(xué)基金資助（61275199和91378092）。

Email：lybnuaa@126.com，zhiyu@nuaa.edu.cn。

中圖分類號：R318.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:[CLC Number] R318.6[Document Code] A10.11967/2016140306 10.11967/2016140306

基金項(xiàng)目：? 南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實(shí)驗(yàn)室）開放基金（kfjj20150310）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金

作者簡介：劉玉冰（1991-），女，福建福州人，碩士研究生，學(xué)生，研究方向?yàn)樯锕怆姕y試技術(shù)及信號處理。通訊作者錢志余（1964-），男，江蘇南通人，博士，教授，從事組織光學(xué)研究。

Development of the Intracranial Pressure and Intracranial Temperature Monitor

Yubing Liu， Yan Zhang， Cheng Qian， Hong Wang， Zhiyu Qian*， Weitao Li
（ Department of Biomedical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing， China. 210016 ）

Abstract:Objective To monitor the neurosurgery patients and avoid the disadvantages of the single function and high price about the intracranial pressure monitor, this paper developed a multi-parameter monitoring system. Method A minimally invasive multiparameter detecting probe was constructed based on the piezoresistance sensor and the thermistor. By using the μ C/OS-II, a monitor was developed to process the electric signal obtained by the detecting probe. Then the signal was converted into the value of intracranial pressure and intracranial temperature. Moreover, several experiments were designed to calibrate and compensate the pressure and temperature. Result The present monitoring system can measure the intracranial pressure and intracranial temperature simultaneously and has the functions of real-time display, storage and alarm. Conclusion The precision and range of the present system meets the clinical requirements and has a potential for clinic.

Key Words:Neurosurgery; Mini-invasive probe; Temperature compensation; μ C/OS-II