基于單片機輔助的導管球囊內壓力自動調控儀的設計

羅林麗，周良學，莫思特，黃蔚

1.四川大學華西第二醫院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大學華西醫院 神經外科, 四川 成都 610041；3.四川大學 電氣信息學院, 四川 成都610065

基于單片機輔助的導管球囊內壓力自動調控儀的設計

羅林麗1，周良學2，莫思特3，黃蔚1

1.四川大學華西第二醫院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大學華西醫院 神經外科, 四川 成都 610041；3.四川大學 電氣信息學院, 四川 成都610065

目的 本文旨在介紹一種可自動調控醫用導管球囊內壓力的新型儀器的設計。方法 本文從導管球囊內壓力自動調控儀的構成及硬件、軟件設計三個方面進行了介紹；本儀器還設計一個液體和氣體壓力轉換裝置，從而達到測量充液球囊內壓力的目的。結果 該儀器具有能實時顯示球囊內壓力，能自動調節球囊內的壓力，維持球囊內壓力恒定在設定的范圍內并使球囊內壓力在設定的條件下維持一定的充盈時間?？梢宰詣釉诙喾N設定的工作條件之間切換并自動記錄、存儲測量到的數據。結論 該儀器智能化程度高，提高了臨床操作的安全性和科學研究的精確性；減少了醫務人員和科研人員工作的勞動強度。

導管球囊；壓力自動調控儀；壓力傳感器

本文導讀 ＞＞

課題背景：本研究受國家自然科學基金項目（30672026）資助，主要是針對目前臨床工作中憑經驗方法控制醫用導管球囊內壓力產生的弊端而進行的創新型設計，用以達到提高在控制醫用導管球囊內壓力時的臨床安全性和科學研究的精確性的目的。

應用要點：本儀器可以廣泛應用于需要對帶有球囊的多種醫用導管的球囊內壓力的測量，例如：氣管導管、喉罩、尿管、三腔二囊管等。本儀器可用于急診科、麻醉科、重癥監護病房、神經外科和消化科等需對安置的醫用導管的球囊內壓力進行監測的患者，還可用于相關的科學研究。

同行評價：本儀器智能化程度高，精確可控，可減少醫務人員和科研人員工作的勞動強度，提高了臨床管理的安全性和科研的精確性。儀器對測量數據的智能化管理功能，還為臨床資料的調查和科學研究提供了方便。

在醫療工作中，由于觀察和治療的需要，常將不同的醫用導管置入人體體腔內，例如：氣管導管、尿管、血管內導管等。在置入導管的適宜位置上常設置一個或多個近似球形的球囊。球囊包繞在導管外壁上，有一定的彈性和可擴張性，并通過向球囊內注射氣體和液體改變球囊的大小，使球囊對體腔的內壁施加一定的壓力，保證置入的導管的球囊外壁和體腔的內壁表面緊密相貼，增加接觸面的密封性，防止漏氣、漏液或導管脫落。有證據證明：過高壓力的球囊壓迫體腔內表面的粘膜，短時間內就可以造成組織粘膜缺血、壞死、脫落，嚴重者甚至可以出現局部潰瘍，愈合后形成瘢痕，導致體腔狹窄，對患者造成傷害[1]。而過低的壓力可導致管道和體腔之間的密封性下降，造成漏氣、漏液或導管脫落，也將增加臨床工作的風險[2]。此外，對于長期安置體腔內導管的患者，如長時間手術患者、重癥監護室中長期置管的危重患者，即使球囊內壓力在安全的范圍內也需要定期對球囊進行暫時減壓后再恢復充盈狀態，以恢復粘膜的正常血供， 防止嚴重并發癥發生。

目前，對球囊內壓力進行監測的通用方法，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驗，準確性極差?？陀^方法包括氣囊壓力計測量法和數字測壓計方法[3]。氣囊壓力計是一個帶手動打氣皮囊的彈簧表，通過讀取彈簧表刻度的方式讀出球囊內的壓力數值；數字測壓計方法是通過電子傳感器測量壓力。兩者準確度都比較高。但是，上述方法都只有測量壓力功能，不能對球囊內壓力實施自動調節，對壓力的調節功能主要還是由醫務人員來完成，因此，在實際工作中并未減輕工作人員的勞動強度。本文介紹了一種可自動調控導管球囊內壓力的新型儀器的設計，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 新型導管球囊內壓力自動調控儀的構成

圖 1 系統結構圖

導管球囊內壓力自動調控儀由硬件和軟件兩部分構成。硬件包括用于主控的單片機、壓力測量調控器、人機交互操作按鍵、顯示器和電源。壓力測量調控器與單片機連接并通過管件與導管球囊的測壓球囊連接，人機交互操作按鍵、顯示器分別與單片機連接，電源與單片機和壓力感應調控器連接，為它們提供工作電流。

為了進一步提高安全性和擴充使用功能，導管球囊內壓力自動調控儀的單片機還連接有報警指示燈、報警揚聲器和存儲器，單片機上還設置有USB接口[4]，電源設置有電源指示燈。系統結構圖如圖1所示。

1.1 系統硬件設計

單片機是儀器的控制中心，選用MSP430單片機[5]并配置USB和rs232轉換器（型號Link-Max USB-232，愛威輪工控生產），顯示器選用通用點陣液晶顯示器。壓力測量調控器是該儀器的核心部分，由壓力傳感器、程控開關和程控充氣泵構成[6-10]；程控開關與單片機連接，并通過管件與測壓球囊和程控充氣泵連接，在單片機的控制下處于關閉狀態或進氣狀態或放氣狀態；程控充氣泵與單片機連接，在單片機的控制下對導管球囊進行充氣或停止運行；壓力傳感器安裝在連接測壓球囊和程控開關的管路上，并與單片機連接，將球囊內的壓力信號通過壓力信號處理電路12bit ADC轉換為電信號傳送給單片機，由單片機分析后向程控充氣泵和程控開關發出指令，并在液晶顯示器上顯示球囊內壓力（單位為mmHg）。壓力傳感器、程控開關和程控充氣泵均由電源提供工作電流。壓力測量調控器的結構和工作原理如圖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。 程控開關為直動式電磁閥，型號GPF12-10A；程控充氣泵選用PSF6003的空氣泵。

圖 2 壓力測量調控器的結構和工作原理圖

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

圖 3 壓力信號處理電路原理圖

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行，壓力測量調控器與測壓球囊之間的管路上設置了切換閥，通過調節切換閥，可在對導管球囊自動調控充氣放氣與手動充氣放氣之間切換，當切換到手動充氣放氣時，可用注射器進行充氣放氣。

上述構件既可集中于機殼內安裝，組裝成便攜式儀器。同時，壓力測量調控器也可單獨作為活動的工作模塊以插件的方式配置于現有的生命體征監護儀中使用。

1.2 系統軟件設計

系統的軟件設計包括單片機的應用程序與壓力調控部分的控制程序，是在MSP430 單片機的開發平臺IAR Embedded Workbench下采用C語言編寫，仿真機采用了TI公司的MSP- FET430P410[3]，主要工作程序如圖4所示。

圖 4 壓力測量調控部分和單片機工作流程圖

2 主要功能

導管球囊內壓力自動調控儀具有以下功能：實時顯示球囊內壓力；根據設定的壓力模式自動調節球囊內的壓力，維持球囊內壓力恒定在設定的范圍；使球囊在設定的壓力下維持一定的時間；可自動在多種工作模式之間切換，例如：使球囊在某種設定壓力下（如20mmHg）維持一定時間后自動轉換到另一種壓力狀態（如35mmHg）并維持一定時間；或使球囊在設定壓力（如20mmHg）的充盈狀態維持一定時間（如2h）后自動減低壓力在萎陷狀態維持一定時間（如5min），然后又恢復到設定壓力（如20mmHg）的充盈狀態，這一功能尤其適用于重癥監測病房的患者；可自動以趨勢圖和數據兩種方式記錄存儲以往設定的工作模式和實際測量數據，方便資料回顧；通過USB接口，下載存儲數據，同時上傳新工作程序，根據實際工作需要更新儀器內部的系統參數；具有在設定報警條件下報警功能，而且可對報警音類型、音量、報警次數、持續時間、間隔時間、報警后無應答處理方式等進行設定；可實時顯示電源工作狀態；設置有切換閥，可方便在手動和自動充氣兩種操作方式之間切換。

3 結束語

本文所述的醫用導管球囊壓力自動調控儀具有結構簡單、智能化程度更高、體積更小、操作方便、經濟實用等優點。該儀器已在臨床和科研中進行了試用，由于其更精確可控，因而可克服根據經驗和主觀判斷進行操作的盲目性，避免了相關并發癥對患者的傷害，減少了醫療風險和醫療糾紛，減少了醫務人員和科研人員工作的勞動強度，提高了臨床操作的安全性和科研的精確性。儀器自動記錄回顧性資料的功能，還為臨床資料的調查和科學研究提供了方便。此外，配置一次性使用管件和液體與氣體壓力轉換器后還可適用于多種充液導管球囊內壓力的實時監測與調控。

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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

國家自然科學基金項目（30672026）資助。

專利：獲國家發明專利（ZL200610021137．0）。

本文作者：羅林麗，碩士研究生，主治醫師，主要從事研究婦產科麻醉。

黃蔚，教授，主要從事研究婦產科麻醉。

作者郵箱：linli-luo@163．com