基于AVR單片機(jī)的眼部壓迫止血裝置的設(shè)計(jì)

嚴(yán) 捷，錢凱華

（1.啟東市中醫(yī)院醫(yī)療器械科，江蘇啟東 226200；2.啟東市第三人民醫(yī)院內(nèi)科，江蘇啟東 226200）

0 引言

眼瞼呈簾狀結(jié)構(gòu)，分為上瞼、下瞼兩部分，上瞼較下瞼寬大。眼瞼遮蓋眼眶出口，覆蓋眼球前部，具有保護(hù)眼球的重要功能。瞼板腺囊腫是瞼板腺特發(fā)性、無(wú)菌性、慢性肉芽腫性炎癥，通常稱為霰粒腫[1]。在霰粒腫手術(shù)結(jié)束后，需在手術(shù)部位壓迫止血。臨床實(shí)踐中，往往是讓患者或其家屬用手按壓住手術(shù)部位達(dá)到止血的目的。而眼瞼的血供較豐富，想要完全達(dá)到止血的要求，按壓需要持續(xù)15~30 min。由于人的體力和控制力方面的原因，壓迫的強(qiáng)度、持續(xù)度往往不能完全達(dá)到要求，壓力過大會(huì)引起患者不適，壓力過小又會(huì)有血滲出，影響了止血效果。

現(xiàn)有的眼部止血裝置有氣囊調(diào)節(jié)式眼部壓迫止血器和手柄調(diào)節(jié)式眼科壓迫止血器兩類。兩者的區(qū)別在于控制壓力的方式不同，前者是用20 ml注射器和單向閥組件控制壓力，后者是用可調(diào)式螺旋手柄組件控制壓力。兩者都屬于手動(dòng)控制方式，能在一定程度上增加患者的舒適度。但其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制的精度相對(duì)較低，因此亟須研制一種運(yùn)用于眼部手術(shù)的電動(dòng)壓迫止血設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了一款基于AVR單片機(jī)和高精度壓阻式壓力傳感器的眼部壓迫止血裝置，能夠更加安全有效地用于眼部手術(shù)部位的止血。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

該裝置需要達(dá)到眼部安全有效止血的目的，提供的壓力值必須要高于眼壓值。眼壓是眼球內(nèi)容物作用于眼球內(nèi)壁的壓力，從臨床的角度，正常眼壓的定義應(yīng)該是不引起視神經(jīng)損害的眼壓范圍，即10~21mmHg（1mmHg=133.322Pa）[1]。因此，眼部壓迫止血裝置設(shè)計(jì)要求如下：（1）壓力在6 s內(nèi)達(dá)到40 mmHg；（2）壓力達(dá)到40 mmHg后維持20 min，且壓力值下降不大于5%。

1.2 工作過程

根據(jù)眼部壓迫止血裝置的設(shè)計(jì)要求，確定其工作過程如下：首先由操作者輸入控制信號(hào)，包括壓力數(shù)值及維持時(shí)間，然后由單片機(jī)輸出相應(yīng)控制信號(hào)，來(lái)控制微型氣泵或者電磁閥執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，輸出符合壓力要求的空氣進(jìn)入皮囊，通過皮囊對(duì)眼部手術(shù)部位的壓迫達(dá)到止血的目的[2]。同時(shí)，壓力傳感器采集的壓力信號(hào)持續(xù)反饋到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)調(diào)整微型氣泵和電磁閥的動(dòng)作，并把壓力數(shù)值輸出到顯示屏上。根據(jù)壓迫裝置的工作過程，該裝置的設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩部分。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思，硬件部分由以AVR單片機(jī)為核心的控制板（包含電源電路、傳感器信號(hào)放大器以及蜂鳴器）、液晶顯示屏、電磁閥、高精度壓力傳感器、一體式眼罩、微型氣泵等組成（如圖1所示）。該裝置是用于眼部小面積手術(shù)部位的壓迫止血，因此體積較小、功耗較低。在電源的選擇方面，設(shè)計(jì)的是外部直流電源和內(nèi)部可充電電池2種供電模式，都是6 V的供電電壓。電源經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓濾波電路處理后分4路輸出，一路調(diào)壓為5 V后給AVR單片機(jī)供電，一路經(jīng)繼電器給微型氣泵供電，一路給顯示屏供電，最后一路經(jīng)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出到電磁閥。壓力傳感器、顯示屏、電磁閥都選用低功耗的器件，所以由AVR單片機(jī)直接控制，微型氣泵由單片機(jī)控制繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)。由于AVR單片機(jī)的強(qiáng)大功能，整機(jī)硬件電路比較簡(jiǎn)單。按照經(jīng)濟(jì)合理、適當(dāng)留有余量的原則，對(duì)該裝置構(gòu)成的主要硬件進(jìn)行一定的篩選。

圖1 眼部壓迫止血裝置整體組成圖

2.1 AVR單片機(jī)

AVR單片機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）輸出，可以單個(gè)程序啟動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)主/從機(jī)收發(fā)等4種組合的多機(jī)通信[3]，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[4]。AVR單片機(jī)支持在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程，給設(shè)備的調(diào)試、研發(fā)帶來(lái)很大的便利[5]。AVR單片機(jī)規(guī)格品種繁多，眼部壓迫止血裝置主要采集的信號(hào)是壓力信號(hào)，輸入的參數(shù)主要是時(shí)間和壓力2種，數(shù)據(jù)量較小，根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用原則，選擇ATmega16A這款高性能、低功耗的8位AVR單片機(jī)，其價(jià)格在十幾元人民幣左右[6]。

2.2 壓力傳感器

由于眼部位置的特殊性，該裝置對(duì)采集的壓力信號(hào)精度要求比較高，故選用壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，易于微型化、集成化等特點(diǎn)[7]。根據(jù)眼部的止血壓力要求（40 mmHg左右），選擇歐姆龍2SMPP-03超小型低功耗的MEMS壓力傳感器（如圖2所示）。技術(shù)參數(shù)為：偏置電壓：（－2.5±4.0）mV；量程：（42.0±5.5）mV（額定壓力 50 kPa、測(cè)量電流DC 100 μA時(shí)受溫度影響?。8]。

圖2 2SMPP-03壓力傳感器

2.3 微型電磁閥

根據(jù)壓迫止血裝置的工作原理，需對(duì)壓迫裝置的皮囊打入一定壓力的空氣，并維持一定時(shí)間，計(jì)時(shí)結(jié)束后，再把皮囊內(nèi)的空氣排出，所以需要在管路上安裝電磁閥。以供電電源6 V為基準(zhǔn)，在滿足使用的條件下選擇較低功耗的三通電磁閥（如圖3所示），參數(shù)如下：額定電壓：DC 6 V；電流：220 mA；功率：<2 W；壓力范圍：0~350 mmHg；質(zhì)量：16 g。

圖3 三通電磁閥

2.4 液晶顯示屏

為了可以讓操作人員直觀方便地觀察到壓迫止血裝置的工作情況，需安裝一塊液晶顯示屏。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，選擇中景園電子0.96 in（1 in=25.4 mm）OLED（organic light-emitting diode）液晶顯示屏（如圖4所示）。該顯示屏具備2種不同接口方式的Demo板，分別是七針的SPI/IIC兼容模塊和四針的IIC模塊，根據(jù)本電路的結(jié)構(gòu)選用四針的IIC 模塊[9]。

2.5 微型氣泵

根據(jù)眼部壓迫區(qū)域面積的大小，選用壓迫皮囊的接觸面積為5 cm×7 cm，壓迫皮囊的容積在100 ml（50 ml×2）左右。因?yàn)樵O(shè)計(jì)采用的是6 V供電，并且要求在6 s內(nèi)達(dá)到壓迫止血的40 mmHg的壓力，所以選擇額定工作電壓為直流6 V、常用于電子血壓計(jì)的微型氣泵，技術(shù)參數(shù)為：電壓：DC 6 V，壓力：500 mmHg，風(fēng)量：2 L/min，外形尺寸：27 mm×60 mm，電流：400 mA，功率：2.4 W。

圖4 OLED液晶顯示屏

2.6 一體式氣囊眼罩

壓迫裝置采用一體式眼罩式結(jié)構(gòu)（如圖5所示），內(nèi)部采用雙層結(jié)構(gòu)，由硅橡膠皮囊、尼龍外殼兩部分組成。用硅橡膠制作成橢圓形皮囊，不僅能和眼部緊密結(jié)合，還可以經(jīng)常清洗消毒[10]。尼龍外殼設(shè)計(jì)為眼罩形狀，可以完全覆蓋整個(gè)眼睛部位，并由兩側(cè)的鎖緊扎帶固定于頭部。50 ml的硅橡膠皮囊放于尼龍外殼內(nèi)，皮囊一側(cè)和眼部直接接觸，另一側(cè)固定于尼龍外殼內(nèi)。術(shù)后能快速壓迫在眼部，達(dá)到自動(dòng)恒壓的目的，提高術(shù)后壓迫止血的效果。

圖5 一體式氣囊眼罩結(jié)構(gòu)示意圖

2.7 放大器及蜂鳴器選型

根據(jù)電路供電電壓及經(jīng)濟(jì)適用原則，放大器選用LM358（高增益，是內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器），蜂鳴器選用的是較常見的TMB12A05（工作電壓為3 V）。

根據(jù)選擇的硬件搭建電路，系統(tǒng)原理框圖如圖6所示，電路原理圖如圖7所示，實(shí)物圖如圖8所示。

圖6 眼部壓迫止血裝置系統(tǒng)原理框圖

圖7 眼部壓迫止血裝置電路原理圖

圖8 眼部壓迫止血裝置實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)眼部壓迫止血裝置整體功能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。該壓迫裝置的軟件采用WinAVR進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、GCC編譯器編譯。軟件設(shè)計(jì)主要分為壓力數(shù)據(jù)采集測(cè)量和計(jì)算、測(cè)量結(jié)果的顯示、加壓工作狀態(tài)和計(jì)時(shí)、超時(shí)超壓的報(bào)警4個(gè)部分。

程序運(yùn)行流程如圖9所示。開機(jī)后，系統(tǒng)先進(jìn)行復(fù)位，然后自檢，根據(jù)壓力信號(hào)的數(shù)值，決定是否打開電磁閥，如果壓力信號(hào)不為0，則開啟電磁閥，等待6 s排出皮囊內(nèi)壓力；當(dāng)排氣后壓力信號(hào)為0，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，如果6 s后壓力信號(hào)仍舊不為0，則進(jìn)入報(bào)警終止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)壓力信號(hào)等于0時(shí)，自檢通過，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。自檢完畢后，由操作者設(shè)置時(shí)間和壓力參數(shù)。按“開始”鍵，設(shè)備進(jìn)入工作階段，包括加壓階段、壓力保持階段、減壓階段。在加壓階段中，傳感器檢測(cè)的壓力信號(hào)輸入AVR單片機(jī)，當(dāng)信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)入壓力保持階段，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，打開電磁閥，進(jìn)入減壓階段，排出氣囊內(nèi)壓力。當(dāng)穩(wěn)壓計(jì)時(shí)狀態(tài)內(nèi)壓力和設(shè)置值有偏差時(shí)，則進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。工作結(jié)束發(fā)出結(jié)束提示音。執(zhí)行元件工作時(shí)，壓力傳感器不間斷地采集壓力信號(hào)，并且實(shí)時(shí)反饋給AVR單片機(jī)，同時(shí)顯示壓力值到顯示屏上[11]。

圖9 眼部壓迫止血裝置程序運(yùn)行流程圖

4 使用方法

開機(jī)，等待設(shè)備自檢，自檢通過后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，使用者根據(jù)手術(shù)部位的大小及深度，選擇合適的壓力和維持該壓力的時(shí)間。將一體式氣囊眼罩佩戴于手術(shù)患者的頭部，手術(shù)部位一般已經(jīng)用無(wú)菌紗布覆蓋，然后按“開始”鍵，壓迫止血裝置馬上開始工作。當(dāng)達(dá)到設(shè)置時(shí)間和壓力后，自動(dòng)放氣、復(fù)位。

5 性能優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)機(jī)械及手工壓迫止血裝置相比，該裝置具有明顯優(yōu)勢(shì)（詳見表1）：（1）一體式氣囊眼罩中的柔性氣囊能與眼部手術(shù)部位緊密結(jié)合，既不留壓迫止血的盲區(qū)，又能提高患者的舒適度；（2）高精度的壓力傳感器能靈敏而準(zhǔn)確地反映實(shí)際壓力值，使壓力值能夠安全而有效；（3）AVR單片機(jī)能夠給出精確的控制信號(hào)，使壓力值既能滿足臨床壓迫止血的目的，又能根據(jù)患者的主觀感受進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)；（4）具有安全保護(hù)及報(bào)警功能，降低護(hù)理人員的工作量；（5）壓力穩(wěn)定，止血效果好[12]。

表1 3種止血裝置性能優(yōu)勢(shì)比較

6 結(jié)語(yǔ)

基于AVR單片機(jī)的眼部壓迫止血裝置可以安全、有效地壓迫眼部手術(shù)部位，達(dá)到快速、安全止血的目的，且能有效避免用手或者其他方法止血產(chǎn)生的不良后果，如眼部手術(shù)后局部出血引起的眼部腫脹、黑眼圈等。如對(duì)壓迫裝置的皮囊及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改變，可以較好地運(yùn)用到其他體表部位的壓迫止血。