基于單片機(jī)輔助的導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀的設(shè)計(jì)

羅林麗，周良學(xué)，莫思特，黃蔚

1.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大學(xué)華西醫(yī)院 神經(jīng)外科, 四川 成都 610041；3.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都610065

基于單片機(jī)輔助的導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀的設(shè)計(jì)

羅林麗1，周良學(xué)2，莫思特3，黃蔚1

1.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大學(xué)華西醫(yī)院 神經(jīng)外科, 四川 成都 610041；3.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都610065

目的 本文旨在介紹一種可自動(dòng)調(diào)控醫(yī)用導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力的新型儀器的設(shè)計(jì)。方法 本文從導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀的構(gòu)成及硬件、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了介紹；本儀器還設(shè)計(jì)一個(gè)液體和氣體壓力轉(zhuǎn)換裝置，從而達(dá)到測量充液球囊內(nèi)壓力的目的。結(jié)果 該儀器具有能實(shí)時(shí)顯示球囊內(nèi)壓力，能自動(dòng)調(diào)節(jié)球囊內(nèi)的壓力，維持球囊內(nèi)壓力恒定在設(shè)定的范圍內(nèi)并使球囊內(nèi)壓力在設(shè)定的條件下維持一定的充盈時(shí)間?？梢宰詣?dòng)在多種設(shè)定的工作條件之間切換并自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)測量到的數(shù)據(jù)。結(jié)論 該儀器智能化程度高，提高了臨床操作的安全性和科學(xué)研究的精確性；減少了醫(yī)務(wù)人員和科研人員工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

導(dǎo)管球囊；壓力自動(dòng)調(diào)控儀；壓力傳感器

本文導(dǎo)讀 ＞＞

課題背景：本研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30672026）資助，主要是針對目前臨床工作中憑經(jīng)驗(yàn)方法控制醫(yī)用導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力產(chǎn)生的弊端而進(jìn)行的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，用以達(dá)到提高在控制醫(yī)用導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力時(shí)的臨床安全性和科學(xué)研究的精確性的目的。

應(yīng)用要點(diǎn)：本儀器可以廣泛應(yīng)用于需要對帶有球囊的多種醫(yī)用導(dǎo)管的球囊內(nèi)壓力的測量，例如：氣管導(dǎo)管、喉罩、尿管、三腔二囊管等。本儀器可用于急診科、麻醉科、重癥監(jiān)護(hù)病房、神經(jīng)外科和消化科等需對安置的醫(yī)用導(dǎo)管的球囊內(nèi)壓力進(jìn)行監(jiān)測的患者，還可用于相關(guān)的科學(xué)研究。

同行評價(jià)：本儀器智能化程度高，精確可控，可減少醫(yī)務(wù)人員和科研人員工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了臨床管理的安全性和科研的精確性。儀器對測量數(shù)據(jù)的智能化管理功能，還為臨床資料的調(diào)查和科學(xué)研究提供了方便。

在醫(yī)療工作中，由于觀察和治療的需要，常將不同的醫(yī)用導(dǎo)管置入人體體腔內(nèi)，例如：氣管導(dǎo)管、尿管、血管內(nèi)導(dǎo)管等。在置入導(dǎo)管的適宜位置上常設(shè)置一個(gè)或多個(gè)近似球形的球囊。球囊包繞在導(dǎo)管外壁上，有一定的彈性和可擴(kuò)張性，并通過向球囊內(nèi)注射氣體和液體改變球囊的大小，使球囊對體腔的內(nèi)壁施加一定的壓力，保證置入的導(dǎo)管的球囊外壁和體腔的內(nèi)壁表面緊密相貼，增加接觸面的密封性，防止漏氣、漏液或?qū)Ч苊撀洹Ｓ凶C據(jù)證明：過高壓力的球囊壓迫體腔內(nèi)表面的粘膜，短時(shí)間內(nèi)就可以造成組織粘膜缺血、壞死、脫落，嚴(yán)重者甚至可以出現(xiàn)局部潰瘍，愈合后形成瘢痕，導(dǎo)致體腔狹窄，對患者造成傷害[1]。而過低的壓力可導(dǎo)致管道和體腔之間的密封性下降，造成漏氣、漏液或?qū)Ч苊撀?，也將增加臨床工作的風(fēng)險(xiǎn)[2]。此外，對于長期安置體腔內(nèi)導(dǎo)管的患者，如長時(shí)間手術(shù)患者、重癥監(jiān)護(hù)室中長期置管的危重患者，即使球囊內(nèi)壓力在安全的范圍內(nèi)也需要定期對球囊進(jìn)行暫時(shí)減壓后再恢復(fù)充盈狀態(tài)，以恢復(fù)粘膜的正常血供， 防止嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。

目前，對球囊內(nèi)壓力進(jìn)行監(jiān)測的通用方法，包括主觀方法和客觀方法。主觀方法包括手捏感覺壓力、定量充氣法。這兩種方法都依賴于操作者的主觀感覺和經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確性極差?？陀^方法包括氣囊壓力計(jì)測量法和數(shù)字測壓計(jì)方法[3]。氣囊壓力計(jì)是一個(gè)帶手動(dòng)打氣皮囊的彈簧表，通過讀取彈簧表刻度的方式讀出球囊內(nèi)的壓力數(shù)值；數(shù)字測壓計(jì)方法是通過電子傳感器測量壓力。兩者準(zhǔn)確度都比較高。但是，上述方法都只有測量壓力功能，不能對球囊內(nèi)壓力實(shí)施自動(dòng)調(diào)節(jié)，對壓力的調(diào)節(jié)功能主要還是由醫(yī)務(wù)人員來完成，因此，在實(shí)際工作中并未減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文介紹了一種可自動(dòng)調(diào)控導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力的新型儀器的設(shè)計(jì)，可以克服上述方法和儀器的不足，為臨床和科研提供了便利。

1 新型導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀的構(gòu)成

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件包括用于主控的單片機(jī)、壓力測量調(diào)控器、人機(jī)交互操作按鍵、顯示器和電源。壓力測量調(diào)控器與單片機(jī)連接并通過管件與導(dǎo)管球囊的測壓球囊連接，人機(jī)交互操作按鍵、顯示器分別與單片機(jī)連接，電源與單片機(jī)和壓力感應(yīng)調(diào)控器連接，為它們提供工作電流。

為了進(jìn)一步提高安全性和擴(kuò)充使用功能，導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀的單片機(jī)還連接有報(bào)警指示燈、報(bào)警揚(yáng)聲器和存儲(chǔ)器，單片機(jī)上還設(shè)置有USB接口[4]，電源設(shè)置有電源指示燈。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是儀器的控制中心，選用MSP430單片機(jī)[5]并配置USB和rs232轉(zhuǎn)換器（型號(hào)Link-Max USB-232，愛威輪工控生產(chǎn)），顯示器選用通用點(diǎn)陣液晶顯示器。壓力測量調(diào)控器是該儀器的核心部分，由壓力傳感器、程控開關(guān)和程控充氣泵構(gòu)成[6-10]；程控開關(guān)與單片機(jī)連接，并通過管件與測壓球囊和程控充氣泵連接，在單片機(jī)的控制下處于關(guān)閉狀態(tài)或進(jìn)氣狀態(tài)或放氣狀態(tài)；程控充氣泵與單片機(jī)連接，在單片機(jī)的控制下對導(dǎo)管球囊進(jìn)行充氣或停止運(yùn)行；壓力傳感器安裝在連接測壓球囊和程控開關(guān)的管路上，并與單片機(jī)連接，將球囊內(nèi)的壓力信號(hào)通過壓力信號(hào)處理電路12bit ADC轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)分析后向程控充氣泵和程控開關(guān)發(fā)出指令，并在液晶顯示器上顯示球囊內(nèi)壓力（單位為mmHg）。壓力傳感器、程控開關(guān)和程控充氣泵均由電源提供工作電流。壓力測量調(diào)控器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。壓力傳感器選用于Motorola公司的MPX5010，MPX5010的靈敏度為4.413mV/mm H2O，寬度為11.28mm，長度為18.01mm，高度為12.70mm。 程控開關(guān)為直動(dòng)式電磁閥，型號(hào)GPF12-10A；程控充氣泵選用PSF6003的空氣泵。

圖 2 壓力測量調(diào)控器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

壓力信號(hào)處理電路包括信號(hào)放大器、低通濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器。電原理圖如圖3所示，U1(型號(hào)OPA335，TI公司生產(chǎn))與R68、R42、C12組成信號(hào)放大器與低通濾波器，U2(型號(hào)DS1252，TI公司生產(chǎn))與R44、R45組成A/D轉(zhuǎn)換器。X3為有源晶體振蕩器，為U2提供時(shí)鐘源。

圖 3 壓力信號(hào)處理電路原理圖

為了滿足臨床和科研的多種需要，尤其是保證臨床治療和觀察的順利進(jìn)行，壓力測量調(diào)控器與測壓球囊之間的管路上設(shè)置了切換閥，通過調(diào)節(jié)切換閥，可在對導(dǎo)管球囊自動(dòng)調(diào)控充氣放氣與手動(dòng)充氣放氣之間切換，當(dāng)切換到手動(dòng)充氣放氣時(shí)，可用注射器進(jìn)行充氣放氣。

上述構(gòu)件既可集中于機(jī)殼內(nèi)安裝，組裝成便攜式儀器。同時(shí)，壓力測量調(diào)控器也可單獨(dú)作為活動(dòng)的工作模塊以插件的方式配置于現(xiàn)有的生命體征監(jiān)護(hù)儀中使用。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的應(yīng)用程序與壓力調(diào)控部分的控制程序，是在MSP430 單片機(jī)的開發(fā)平臺(tái)IAR Embedded Workbench下采用C語言編寫，仿真機(jī)采用了TI公司的MSP- FET430P410[3]，主要工作程序如圖4所示。

圖 4 壓力測量調(diào)控部分和單片機(jī)工作流程圖

2 主要功能

導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力自動(dòng)調(diào)控儀具有以下功能：實(shí)時(shí)顯示球囊內(nèi)壓力；根據(jù)設(shè)定的壓力模式自動(dòng)調(diào)節(jié)球囊內(nèi)的壓力，維持球囊內(nèi)壓力恒定在設(shè)定的范圍；使球囊在設(shè)定的壓力下維持一定的時(shí)間；可自動(dòng)在多種工作模式之間切換，例如：使球囊在某種設(shè)定壓力下（如20mmHg）維持一定時(shí)間后自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一種壓力狀態(tài)（如35mmHg）并維持一定時(shí)間；或使球囊在設(shè)定壓力（如20mmHg）的充盈狀態(tài)維持一定時(shí)間（如2h）后自動(dòng)減低壓力在萎陷狀態(tài)維持一定時(shí)間（如5min），然后又恢復(fù)到設(shè)定壓力（如20mmHg）的充盈狀態(tài)，這一功能尤其適用于重癥監(jiān)測病房的患者；可自動(dòng)以趨勢圖和數(shù)據(jù)兩種方式記錄存儲(chǔ)以往設(shè)定的工作模式和實(shí)際測量數(shù)據(jù)，方便資料回顧；通過USB接口，下載存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)上傳新工作程序，根據(jù)實(shí)際工作需要更新儀器內(nèi)部的系統(tǒng)參數(shù)；具有在設(shè)定報(bào)警條件下報(bào)警功能，而且可對報(bào)警音類型、音量、報(bào)警次數(shù)、持續(xù)時(shí)間、間隔時(shí)間、報(bào)警后無應(yīng)答處理方式等進(jìn)行設(shè)定；可實(shí)時(shí)顯示電源工作狀態(tài)；設(shè)置有切換閥，可方便在手動(dòng)和自動(dòng)充氣兩種操作方式之間切換。

3 結(jié)束語

本文所述的醫(yī)用導(dǎo)管球囊壓力自動(dòng)調(diào)控儀具有結(jié)構(gòu)簡單、智能化程度更高、體積更小、操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。該儀器已在臨床和科研中進(jìn)行了試用，由于其更精確可控，因而可克服根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷進(jìn)行操作的盲目性，避免了相關(guān)并發(fā)癥對患者的傷害，減少了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)和醫(yī)療糾紛，減少了醫(yī)務(wù)人員和科研人員工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了臨床操作的安全性和科研的精確性。儀器自動(dòng)記錄回顧性資料的功能，還為臨床資料的調(diào)查和科學(xué)研究提供了方便。此外，配置一次性使用管件和液體與氣體壓力轉(zhuǎn)換器后還可適用于多種充液導(dǎo)管球囊內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控。

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Design of An Automatic Regulator of Catheter Sacculus Pressure Based on Single Chip System

LUO Lin-li1, ZHOU Liang-xue2, MO Si-te3,HUANG Wei1

1. Anaesthesia Department,West China Second Hospital, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610041,China;2. Neurosurgery,West China Hospital, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610041,China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China

Objective To introduce the design of an automatic regulator of catheter sacculus pressure based on single chip system. Methods This paper introduces the instrument from aspects of the composition and the design of hardware and software. The instrument has been designed to be able to convert liquid and gas pressure to measure the pressure of liquid-filled cuff. Results The instrument can demonstrate the pressure inside cuff simultaneously. At the same time it can control the inner pressure of cuff automatically, maintaining the inner pressure constantly at a steady range and sustain certain filling duration of inner pressure after setting. It also can switch between different conditions, record and store the data automatically. Conclusion With a high degree of intelligence, the instrument not only improved the security and accuracy of scientific research and clinical work, but also reduced the labor intensity of medical personnel and researchers' work. It brings the convenient for clinical investigation and scientific research.

catheter sacculus;automatic pressure regulator; pressure sensors

TH812+.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.009

1674-1633(2010)06-0027-03

2009-11-11

2010-01-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30672026）資助。

專利：獲國家發(fā)明專利（ZL200610021137．0）。

本文作者：羅林麗，碩士研究生，主治醫(yī)師，主要從事研究婦產(chǎn)科麻醉。

黃蔚，教授，主要從事研究婦產(chǎn)科麻醉。

作者郵箱：linli-luo@163．com