新型多功能顱腦外引流固定儀的設(shè)計(jì)及其性能研究*

姜楠，龍?jiān)屏?/p>

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，北京 100071)

1 引 言

顱腦外引流手術(shù)是醫(yī)治顱腦損傷的有效方法，引流手術(shù)過(guò)程中暢通引流可提升手術(shù)成功幾率[1]。導(dǎo)引出患者顱腦內(nèi)剩余氣體、殘留血液、血性腦脊液是引流管的主要功能[2]，引流管一般在顱腦外引流手術(shù)完成后安置，引流瓶正常工作后，患者腦膜刺激癥狀顯著緩解，有效防止腦膜粘連、蜘蛛網(wǎng)顆粒閉塞癥狀。引流瓶流量與高度應(yīng)適時(shí)變化，主要依據(jù)患者體征進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]，合理調(diào)整引流瓶高度、引流流速與流量可加速患者病情好轉(zhuǎn)，穩(wěn)定患者顱內(nèi)壓。引流瓶導(dǎo)流不暢與導(dǎo)流過(guò)度是因?yàn)橐髌繎覓煳恢眠^(guò)高或者過(guò)低[4-6]，前者不能降低顱內(nèi)壓，后者降壓過(guò)度，兩者都對(duì)患者不利，造成生命威脅。

根據(jù)顱腦外引流需求，設(shè)計(jì)一種新型多功能顱腦外引流固定儀。該儀器主要包含引流瓶高度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、液體流速流量精準(zhǔn)測(cè)量等功能，為醫(yī)護(hù)領(lǐng)域提供一種簡(jiǎn)單便捷的引流護(hù)理方式。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究將去離子水作為實(shí)驗(yàn)研究液體，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為新型多功能顱腦外引流固定儀。使用精準(zhǔn)秒表與天平計(jì)量實(shí)驗(yàn)用時(shí)與液體質(zhì)量，精準(zhǔn)天平精度達(dá)0.001 g，稱(chēng)重上限為220 g。

2.2 方法

新型多功能顱腦外引流固定儀包括引流支架與引流液體測(cè)量模塊兩部分，從兩個(gè)角度闡述新型多功能顱腦外引流固定儀工作情況。

2.2.1新型多功能顱腦外引流固定支架 (1)引流固定支架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種新型的多功能、可調(diào)式顱腦外引流固定支架，見(jiàn)圖1。

圖1 新型多功能顱腦外引流固定支架

由圖1可知，新型多功能可調(diào)式顱腦外引流固定儀由10部分組成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸液與引流功能。固定支架起主要支撐作用，其中掛鉤螺栓與掛鉤固定環(huán)是固定部位的主要部件，掛鉤螺栓與固定環(huán)的一側(cè)連接，支架固定在螺栓的另一側(cè)，此處安裝引流瓶的掛鉤轉(zhuǎn)鈕，方便調(diào)節(jié)引流瓶[7]。輸液瓶掛鉤用于安置輸液瓶；標(biāo)尺與引流瓶的掛鉤采用一種任意滑動(dòng)的安裝方式，根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，標(biāo)尺通過(guò)兩個(gè)固定環(huán)與支架連接；引流瓶安置在引流瓶掛鉤上，并與支架穩(wěn)固結(jié)合；需注意的是，引流瓶的掛鉤安置在標(biāo)尺兩端內(nèi)。

標(biāo)尺底部為刻度起始端0 mm，頂部為刻度終止端500 mm。與掛鉤固定部位原理相似，標(biāo)尺固定部位同樣包括標(biāo)尺固定環(huán)與標(biāo)尺螺栓，標(biāo)尺螺栓與標(biāo)尺固定環(huán)的一側(cè)連接，支架固定在標(biāo)尺螺栓的另一側(cè)，此處安裝標(biāo)尺轉(zhuǎn)鈕，方便調(diào)節(jié)標(biāo)尺[8]。標(biāo)尺刻度的下方是引流儀的對(duì)準(zhǔn)部位，對(duì)準(zhǔn)部位的設(shè)置有效提高了引流儀的精確度，為進(jìn)行引流手術(shù)的患者提供一種可靠的醫(yī)療手段。

(2)引流固定支架使用方法

手術(shù)患者仰臥在病床上，首先調(diào)節(jié)標(biāo)尺位置，將引流瓶安置在引流掛鉤后，患者體表投影側(cè)腦室平面的標(biāo)尺刻度調(diào)節(jié)為0 mm，調(diào)節(jié)標(biāo)尺的固定部位使標(biāo)尺與支架穩(wěn)固連接[9-11]；其次調(diào)節(jié)引流瓶與支架的固定情況，引流瓶的開(kāi)口位置在側(cè)腦室平面上端約110～160 mm處，待標(biāo)尺刻度對(duì)準(zhǔn)后擰緊掛鉤螺栓，最終引流瓶掛鉤與顱腦外引流固定儀支架穩(wěn)固連接。

2.2.2引流液體測(cè)量模塊 (1)薄膜諧振型Lamb波傳感器

引流液體測(cè)量模塊采用薄膜諧振型Lamb波傳感器測(cè)量引流液體的速度，達(dá)到監(jiān)控引流患者腦脊液的目的。薄膜諧振型Lamb波傳感器探測(cè)氮化鋁壓電層的壓電效應(yīng)變化，激勵(lì)、接收Lamb波。Lamb波器件處于工作狀態(tài)時(shí)，激勵(lì)端的插指換能器接收交變電壓后，同電極間生成交變電場(chǎng)，在壓電層的逆壓電效應(yīng)影響下，Lamb波器件在薄膜內(nèi)進(jìn)行伸縮振動(dòng)，產(chǎn)生Lamb波。在正壓電效應(yīng)影響下，接收端的插指換能器接收Lamb波后轉(zhuǎn)換振動(dòng)信號(hào)為電信號(hào)，頻率通過(guò)諧振電路輸出[12]?；谏鲜鲈?，以高質(zhì)量測(cè)量流體為目標(biāo)，對(duì)Lamb波傳感器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的薄膜諧振型Lamb波傳感器見(jiàn)圖2。

圖2 薄膜諧振型Lamb波傳感器

(2)電氣控制模塊

STC15F2K60S2是電氣部分的主控制器，具有工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率高達(dá)20 MHz，攜帶60K程序存儲(chǔ)器與2KRAM。AD7770芯片是一種分辨率與精度雙高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，控制器轉(zhuǎn)換流體模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)時(shí)應(yīng)用到此芯片，所以控制噪聲低、速度快，同時(shí)可輸出串行數(shù)據(jù)。圖3為電氣控制結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，濾波放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊以及電源變換模塊是電器控制結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

圖3 電氣控制結(jié)構(gòu)圖

2.2.3引流液體測(cè)量模塊軟件設(shè)計(jì) (1)軟件框圖

為監(jiān)控患者引流液體流速，引流液體測(cè)量模塊軟件構(gòu)成復(fù)雜，見(jiàn)圖4，主要為主程序軟件、初始化軟件、算法程序、人機(jī)交互程序等。定義濾波參數(shù)、調(diào)整工作頻率、輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果等功能在人機(jī)交互程序中完成。研發(fā)一種FIR濾波器，濾波處理流量采樣值，解決引流液體監(jiān)測(cè)中的工頻干擾、尖峰干擾等問(wèn)題[13]。在人機(jī)交互程序中改變FIR濾波器的參數(shù)，可優(yōu)化濾波器工作性能。

圖4 儀器軟件框圖

(2)Lamb波流速矢量測(cè)量原理

(1)

式中，Mp、φ表示Lamb波長(zhǎng)與Lamb波相位速度，M1是引流液體的聲速。

Lamb波傳感器測(cè)量引流液體流速過(guò)程如下：分析消逝波的穿透深度可以看出，在薄膜-液體界面臨界位置，若聲速和引流液體速度同時(shí)對(duì)消逝場(chǎng)內(nèi)的聲波傳播產(chǎn)生干擾，此時(shí)附近介質(zhì)處于流動(dòng)狀態(tài)[15-17]。簡(jiǎn)言之，引流液體流速變化引起引流液體聲速變化，引流液體聲速的高低受流體方向干擾，據(jù)此掌握附近引流液體流速大小與方向。

3 結(jié)果

3.1 測(cè)量誤差分析

將引流液體固定后，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)去離子水流體的重量，采用物理公式計(jì)算定量去離子水的流量，與本研究?jī)x器測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，分別標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)值與顯示值。記錄標(biāo)準(zhǔn)流量為50、100、150、200、250、300 mL時(shí)本研究?jī)x器測(cè)量值，計(jì)算測(cè)量誤差，每種流量反復(fù)測(cè)試5次，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，結(jié)果見(jiàn)表1，分析該表可得本研究?jī)x器測(cè)量引流液體流量的誤差小于1%，重復(fù)誤差低于0.5%，測(cè)量精度高。

表1 本研究?jī)x器測(cè)量誤差

3.2 流速與靈敏度關(guān)系分析

分析本研究?jī)x器輸出電壓與流速的關(guān)系得到流速與儀器靈敏度的關(guān)系，從正向流動(dòng)與反向流動(dòng)兩個(gè)角度進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 流速與本研究?jī)x器輸出電壓關(guān)系

Fig5Therelationshipbetweenthecurrentvelocityandtheoutputvoltageoftheinstrumentinthispaper

由圖5可知，正向、反向數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致；不同流速下，本研究?jī)x器輸出電壓存在顯著差異。

3.3 薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動(dòng)分析

測(cè)試本研究?jī)x器中薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動(dòng)變化情況，設(shè)置M—N、P—Q兩種液體流動(dòng)方向，設(shè)置4種液體流速，調(diào)整液體流速后，薄膜諧振Lamb波傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，記錄不同方向上薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動(dòng)情況，見(jiàn)圖6。

(a) M—N方向；(b)P—Q方向

Fig6Phasefrequencyshiftofthinfilmresonantlambwavesensorsindifferentdirections

圖6表明，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動(dòng)情況存在差異；M—N方向上，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動(dòng)情況存在差異，且相同諧振頻率下，流速越低，相位移動(dòng)越大。P—Q方向上，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動(dòng)情況同樣存在差異，但相同諧振頻率下，流速越高，相位移動(dòng)越大。

3.4 薄膜諧振Lamb波傳感器穩(wěn)定性分析

根據(jù)薄膜諧振Lamb波傳感器穩(wěn)定性變化情況，計(jì)算本研究?jī)x器的測(cè)量極限，本次測(cè)試用時(shí)1 000 s，記錄薄膜諧振Lamb波傳感器穩(wěn)定性變化情況，見(jiàn)圖7。薄膜諧振Lamb波傳感器測(cè)量極限的計(jì)算如下：

(2)

其中，H為薄膜諧振Lamb波傳感器的噪聲，L為薄膜諧振Lamb波傳感器測(cè)流敏感度。

圖7 薄膜諧振Lamb波傳感器穩(wěn)定性變化情況

Fig7VariationofstabilityofthinfilmresonantLambwavesensor

圖7中，最大噪聲值為0.15 Hz，因此，計(jì)算本研究?jī)x器的測(cè)量極限為17.2 nL/s。數(shù)據(jù)表明，本研究?jī)x器測(cè)量極限較高，適用于多領(lǐng)域流體測(cè)量，性能較優(yōu)；根據(jù)薄膜諧振Lamb波傳感器穩(wěn)定性變化情況可知，噪聲較低，穩(wěn)定性較強(qiáng)，適用于測(cè)量微小通道液體的流速與流量。

4 結(jié)論

綜上研究表明，本研究設(shè)計(jì)的引流固定儀，可有效解決傳統(tǒng)顱腦外引流裝置高度調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)、引流液體流量和流速測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，且使用簡(jiǎn)單、程序合理，患者與醫(yī)護(hù)人員可隨時(shí)調(diào)節(jié)引流瓶位置；引流支架中的標(biāo)尺為調(diào)節(jié)引流瓶高度提供精準(zhǔn)的參照手段，便于醫(yī)護(hù)人員交換引流信息，可用準(zhǔn)確的數(shù)值描述引流瓶高度，可靠性、實(shí)用性、創(chuàng)造性較強(qiáng)。金屬是引流儀主要用材，消毒擦拭更方便。