雙通道氣壓止血儀的研制

應 繁，宋元晟，游釤栗，熊衛(wèi)華，朱奇?zhèn)?/p>

（1.浙江理工大學信息科學與工程學院，浙江杭州 310018；2.杭州欣聯生語醫(yī)療科技有限公司，浙江杭州 310012）

在四肢骨科手術過程中，最常用的醫(yī)療器械裝置就是止血儀，其能夠創(chuàng)造出解刨層次更清晰的手術視野，有利于骨科醫(yī)師的手術操作，同時又可以有效縮短手術時間，降低患者受到感染的概率[1-4]。人們一直在結合臨床不斷探索各種新型的止血儀，不斷面世的止血儀在臨床治療中發(fā)揮了重要作用[5]。

氣壓止血儀的作用原理為袖帶充氣，環(huán)套擠壓下肢使其組織內部壓力升高，從而阻斷肢體的動、靜脈血流，達到手術時視野清晰無血的目的[6-8]。文獻[9]中提出的舊式止血儀存在操作繁瑣、運行穩(wěn)定性差以及容氣壓采集精度低等問題。為解決上述問題，設計并研制一款新型雙通道氣壓止血儀，可提高設備運行的穩(wěn)定性以及氣壓采集精度，提供豐富的模式功能，使系統便捷高效。

1 系統概述

雙通道氣壓止血儀系統采用NUC029LAN 芯片作為系統架構中心，通過GZP6847A 氣壓傳感器模塊獲取止血環(huán)套中的壓力信號，將外設ADC 連接至氣壓傳感器，止血環(huán)套內實時的氣壓值經信號處理反饋至控制器，并根據壓力調節(jié)裝置（氣泵與電磁閥組）對止血環(huán)套進行加壓或減壓，以此調節(jié)氣壓止血儀輸出壓力的大小[10]。整個系統的設計分為硬件設計和軟件設計，止血儀系統結構如圖1 所示。操作系統能夠清晰地顯示出當前的工作狀態(tài)和設備的運行參數，使得操作者能夠實時了解患者狀態(tài)，并方便地增減設置壓力和時間等參數，準確及時地反饋給用戶。設備具有兩個能獨立控制參數的通道結構，并且雙通道的獨立參數設置有效地提高了止血儀的工作效率。同時，止血儀的智能控制系統還有各種模式功能，比如正常操作模式、設置模式、壓力表、機器自檢等模式。交互式功能模塊能根據操作者的需求自定義，使得氣壓止血儀的功能更加豐富。操作者可以根據具體需求自定義人機交互模式，避免了舊式止血帶操作繁瑣等問題，系統整體操作便捷高效[11]。

圖1 止血儀系統結構圖

2 硬件電路設計

止血儀控制系統由六個部分構成，包括MCU 控制模塊、GZP6847A 氣壓傳感器模塊、電源模塊、氣泵、電磁閥組、數碼管顯示模塊。雙通道氣壓止血儀系統硬件連接圖如圖2 所示。

圖2 止血儀系統硬件連接圖

2.1 MCU控制模塊

止血儀控制系統的主控芯片采用新唐科技（Nuvoton）公司的一款32 位的高性能單片機NUC029LAN，該芯片核心采用ARM Cortex-M0 架構，片內集成了4 kB 的SRAM 和64 kB 的Flash 存儲器，主頻可達50 MHz，備有豐富的外設，如高達八通道PWM、八通道12 位ADC 等。

止血儀控制系統主控芯片的主要任務是負責響應輸入裝置提供給控制裝置的控制信號，并通過驅動信號來控制加壓裝置和減壓裝置來實現對止血環(huán)套的加壓與減壓，控制顯示裝置用于顯示各種壓力及時間等信息。為保證止血儀在操作過程中的穩(wěn)定運行，主控芯片不僅需要具有一定的控制能力，還需要具有足夠的抗干擾能力。NUC029LAN 芯片支持寬電壓工作范圍2.5～5.5 V，有著高抗干擾能力，內建22.118 4 MHz 高精度晶振，所以選用NUC029LAN 這款高性能單片機完全可以滿足設備功能需求。

2.2 電源模塊

止血儀控制系統的電源模塊支持電源模組與鋰電池結合的不間斷供電方式，時刻保障設備的供電與穩(wěn)定運行。其電路組成結構為電源電路、鋰電池充電電路、掉電檢測電路和鋰電池切換電路。電源電路由市電作為輸入，接入開關電源LM35-20B15輸出為15 V，選用降壓芯片LMR14030 將電壓降至12 V 為氣泵、電磁閥供電，再經由低壓差線性穩(wěn)壓芯片AMS1117 組成的LDO 電路將電壓穩(wěn)定到5 V 為主控制器和其他芯片供電[12]。在220 V 的開關電源為系統供電時，同時給鋰電池充電，在正常的工作狀態(tài)下為電池進行充電儲能，鋰電池充電電路采用充電管理芯片CN3703，在恒壓充電模式下，將電池電壓調制在12.6 V。掉電檢測電路采用HT7550 低壓差LDO 線性穩(wěn)壓管，在設備使用過程中，若發(fā)生意外斷電的情況，將信號發(fā)送至控制器，切換為鋰電池為設備供電。

2.3 傳感器模塊

止血氣體壓力傳感器是氣壓止血儀的重要檢測元件，直接影響壓力輸出的精確度。這就要求傳感器具有良好的測量精度，對氣壓值和數字輸出量具有良好的線性轉換關系以及合適的量程（文中設計的止血儀可以輸出0～80 kPa 的壓力）。對于以上要求，選用CFSensor 公司的XGZP 型壓力傳感器，型號GZP6847A101KPP50K。

輸入氣壓(記為Pi(kPa))和輸出電壓(記為Vo(V))對應關系如下：

為保證采集到信號的精確性，對裸傳感器芯片進行信號校準和溫度補償，形成XGZP6847 型壓力傳感器模塊[13]。XGZP6847 型壓力傳感器模塊采用DIP6 封裝，XGZP 型壓力傳感器作為敏感元件，集成了數字調理芯片，PCB 板的兩面分別安裝SOP 封裝的XGZP 型壓力傳感器與信號處理電路芯片ZMD31010，以供電電壓為參考，產生一個經過校準、溫度補償后的標準電壓信號。選擇合適電壓和氣壓量程的傳感器，以獲得范圍正確、精度幅度良好的氣壓數字量信號。

3 軟件程序設計

3.1 電源調節(jié)系統

系統供電有市電和鋰電池供電兩種模式，為了保障止血儀在運行過程中的穩(wěn)定性，防止設備在運行過程中意外掉電，電源調節(jié)程序流程如圖3 所示，當設備檢測到市電切斷時，自動轉換至鋰電池供電。當鋰電池供電運行時，若出現低電量，會持續(xù)報警。含內部電源的設備，在外部電源斷電后，可自動切換到內部電源持續(xù)工作；不含內部電源的設備，意外斷電后，止血儀能夠在10 s 內保持壓力值處于穩(wěn)定狀態(tài)，且恢復通電后，保持斷電前的狀態(tài)，能夠對數據進行實時處理。

圖3 電源調節(jié)程序流程

3.2 壓力調節(jié)系統

系統程序流程圖如圖4 所示，GZP6847A 氣壓傳感器模塊將接收到的氣壓信號轉換為相應的電信號，MCU 采集數據處理之后的電信號。其中數據處理主要采用移動平均、頻域濾波算法。移動平均算法可以有效降低測量中的噪聲干擾，而頻域濾波能改善止血帶內壓力波動的包絡線，提高設備的抗干擾能力和測量精度。設備進入工作模式后，可調整單通道運行和雙通道運行兩種模式，兩個通道可以進行獨立的參數設置。操作者通過調整設定時間以及設定壓力使設備工作，控制器中向氣泵和電磁閥傳遞電信號將驅動氣泵與電磁閥工作。氣泵開始工作后，機器進入工作狀態(tài)，設備運行穩(wěn)定后，載體上的壓力應穩(wěn)定在設定壓力值的±1 kPa(±8 mmHg)范圍內，因系統合理范圍的氣密性或因外部擾動導致系統失衡后，在10 s 內止血壓力能通過壓力平衡機制調節(jié)到失衡之前設定的壓力值。

圖4 系統程序流程圖

3.3 自檢與報警提示系統

設備在使用之前，由操作者將止血袖帶纏繞在患者肢體損傷部位的近心端，做好準備工作后開啟機器。設備上電初始化之后開始自檢，若出現低電量、氣泵故障、管路漏氣等問題，蜂鳴器會發(fā)出報警，當檢測無異常時設備進入工作狀態(tài)，等待用戶進行按鍵操作。自檢完成后，顯示屏的袖帶壓力和止血時間顯示塊顯示為“0”或前次運行參數。若設備在運行過程中出現影響手術中止血的故障，報警系統能夠提供具有聽覺或視覺的提示信號，使用戶第一時間了解產品的運行情況，并根據情況加以調整[14]。

4 氣壓采集精度測試

止血儀驅動氣泵對止血環(huán)套進行加壓，GZP6847A氣壓傳感器模塊感受到壓力后進行識別、采樣以及對干擾信號進行識別和去除、收集、整合壓力信號，并轉化為電信號傳導至數據處理器，在顯示屏上顯示壓力值結果[15]。設備顯示的氣壓數值與真實氣壓數值間的誤差大小是衡量止血儀精度的一個重要指標，為確保設備壓力數值精度滿足需求，對設備氣壓值采集精度進行測試[16]。用橡膠管和四通連接器將主機控制器和充氣檢測罐、充氣球、壓力計連接起來，組成檢定系統。

靜態(tài)壓力測量范圍的檢定：將主機調成靜態(tài)壓力檢測模式，即設備待機、電磁閥閉合，按照全量程內基本平均分布的原則，在75、300、450、600 mmHg的檢定點，檢測20 次，分別測出主機控制器靜態(tài)壓力示值均值、標準壓力計壓力示值均值，計算靜態(tài)壓力顯示誤差均值。

靜態(tài)壓力示值誤差的檢定：在設定的靜態(tài)壓力范圍內，由標準壓力計對止血儀逐點從低到高增壓進行壓力測量，靜態(tài)壓力示值誤差按下式計算:

式中，Δp表示靜態(tài)壓力示值誤差均值，單位為mmHg；p表示止血儀靜態(tài)壓力示值均值，單位為mmHg；p0表示標準壓力計壓力示值均值，單位為mmHg。

經過檢定系統測量，實驗數據詳見表1。

表1 氣壓檢測數據對照

市場上的自動氣壓止血儀的靜態(tài)壓力顯示誤差大多在8 mmHg 左右，而經過優(yōu)化后，氣壓止血儀靜態(tài)壓力顯示誤差均小于5 mmHg。通過優(yōu)化電路設計部分，提高設備的抗干擾特性以及提高采集氣壓的精度。設備壓力數值采集精度高可以更好地控制術中患者創(chuàng)口的出血量，滿足止血儀在臨床手術中使用的需求。

5 結論

研制一款以NUC029LAN 芯片作為核心控制器的雙通道氣壓止血儀，在操作系統上，雙通道獨立設定參數的工作模式解決了單一氣囊止血儀使用不靈活的缺陷，提高了設備的工作效率。系統操作界面設計簡潔，操作功能豐富，滿足醫(yī)務人員的使用需求。針對舊式止血儀測量壓力值精度低的問題，優(yōu)化了芯片與傳感器模塊的設計方案，提高了對電磁脈沖的抗干擾特性，使設備有著高精度的數據采集能力。止血儀的雙供電系統和掉電檢測電路的設計，解決了舊式止血儀受電源波動干擾的問題，提高了設備工作的安全性，保障設備的穩(wěn)定運行。為止血儀的功能設計提供了一種新型的可靠方案。