吞咽功能脈沖氣流測量儀設計

程捷，蔣德林，程振華，段光榮

佛山市第一人民醫(yī)院 設備科，廣東 佛山 528000

1 吞咽功能評估方法

目前國際上評估吞咽功能的方法為：使用不同壓力的空氣脈沖刺激喉部杓會厭壁或室?guī)В鹗規(guī)仁諄砹私夂碚衬さ母杏X情況。國際研究結論為：用0～10 mm Hg氣壓給予50 ms氣體刺激，觀察室?guī)У膬仁湛s情況來作定量評判，其中室?guī)У膬仁湛s＜4 mm Hg視為正常水平，4～6 mm Hg為中度感覺功能障礙，＞6 mm Hg視為重度感覺功能障礙。

我們開發(fā)的吞咽功能脈沖氣流測量儀主要由空氣脈沖產生、測量和顯示等部分組成。可以應用于OLYMPUS（奧林巴斯）和其他纖維喉鏡的吞咽感覺功能測試，開展鼻咽癌患者的吞咽感覺功能的測試業(yè)務。該儀器可廣泛應用于醫(yī)院、醫(yī)學院校、醫(yī)學科研單位等部門。

2 吞咽功能脈沖氣流測量儀整體設計

吞咽功能脈沖氣流測量儀在單片機的指令下，用氣泵給氣囊充氣，達到一定壓力后充氣停止，步進電機旋轉，運動部件把電機的旋轉運動變換為直線運動，并慢速擠壓氣囊，使得氣囊中的壓力逐步增加，當壓力為測量值時，步進電機旋轉停止，壓力保持在測量值，然后單片機控制電磁閥F1以50 ms的單脈沖放氣，壓力氣流經管道輸出，測量過程完成。傳感器把氣囊中的壓力值轉換為電信號，通過放大器放大，送入單片機的內置模數轉換器（ADC），經單片機處理，在顯示器上顯示測量結果。整體設計結構，見圖1。

為了達到產生微小氣壓、高精度測量的目的，壓力的產生分兩步實現：① 以氣泵給氣囊充氣，提供基礎氣壓；② 對氣囊施以外壓力，提供高精度的測量氣壓。

在輸出壓力氣體時，從電磁閥F1至患者喉部的氣道有一定長度，這會產生氣道壓力損失，必須在氣囊端對測量端附加一個補償壓力，使得到達患者喉部的放氣脈沖值與顯示壓力的實際值相符，該補償壓力經計量確定。

在計量周期內，為了方便操作者確定測量壓力的準確性，設置電磁閥F2、壓力浮子F3、接入和電磁閥F1至患者喉部的氣道長度、內徑相同的管路做校準。其原理是在某確定氣壓下，開放電磁閥F2，氣流經管路到達空心浮子F3的底部，浮子另一端通大氣，由于氣壓的大小與浮子F3的高度成正比，壓力不變時，浮子上升的位置始終在固定的位置。同理該端壓力也經過計量確定。

3 測量儀硬件設計

系統(tǒng)硬件主要有壓力測量電路、LCD液晶顯示電路、運動部件、步進電機及驅動、單片機及電源等部分。

3.1 吞咽功能脈沖氣流測量儀硬件結構

吞咽功能脈沖氣流測量儀硬件結構，見圖2。

3.2 吞咽功能脈沖氣流單片機系統(tǒng)

ATmega16為一個功能較強的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16支持片內調試與編程，內置有10位可編程增益的ADC，采用8031單片機中最新型的ATMega16單片機作控制，用單個芯片替代常見的單片機最小系統(tǒng)中的5～10塊電路，不但簡化了電路，而且提高了硬件工作的可靠性。軟件設計用C++高級語言編程和外部PC直接調試。

3.3 吞咽功能脈沖氣流電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)檢測的對象是微小空氣壓力，運算放大器和傳感器的電源設計是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關鍵，設計把開關電源與模擬電源的優(yōu)勢互補，開關電源為一次穩(wěn)壓，模擬電源為二次穩(wěn)壓，系統(tǒng)電源設計框圖，見圖3。圖3中±12 V電源、+5 V開關電源是初級電源，±5 V模擬電源，來自±12 V開關電源，二次穩(wěn)壓的效果提高了電源的穩(wěn)壓能力，還大大減少電源紋波，降低了電源干擾，提高了放大器的運算精度。傳感器的恒壓源，是在±12 V電源、8 V線性電源的基礎上，用精密基準電源為傳感器供電，兩者的有效措施大大減小了傳感器和運算放大器的溫度漂移及時間漂移的誤差，保證了系統(tǒng)模擬量的測量精度。

3.4 吞咽功能脈沖氣流壓力測量電路

壓力的準確測量是本系統(tǒng)設計的重點之一，本系統(tǒng)采用微壓氣體傳感器，該傳感器基于電阻應變片橋式結構，不需要調零、溫度修正調試過程，不但減化硬件設計、減輕調試工作量，同時也方便軟件編程。壓力信號經傳感器轉換后，送入精密運算放大器放大，放大器的輸出送入單片機的ADC。

3.5 吞咽功能脈沖氣流運動部件

運動部件把步進電機的旋轉運動變換為氣囊擠壓的直線運動，用軟件調試步進電機的旋轉速度。步進電機的主軸通過連接器與絲杠連接，絲杠的轉動拖動運動部件實現慢速直線運動。在運動部件上部，固定有氣囊擠壓板，運動部件移動時，擠壓板壓迫氣囊，使得氣囊內壓力增加。為了防止運動部件、壓力異常，設置了運動限位保護。

3.6 其他技術

穩(wěn)定可靠是醫(yī)療電子產品的重要指標，為了提高系統(tǒng)可靠性，除采用簡化硬件設計外，還對電源輸入端用電源濾器進行濾波、電源隔離、控制信號與驅動信號之間光電耦合器隔離及多次穩(wěn)壓等方法。

對單片機的ADC采樣，多次采樣后取平均值，在每次壓力測量前，先采樣放大器的輸出電位初值并儲存，測量中用采樣數據減去儲存的初值。

4 吞咽功能脈沖氣流軟件設計

本系統(tǒng)用C語言作為主要編程語言，充分發(fā)揮C語言編程的高效率優(yōu)勢，執(zhí)行程序分為兩個模塊，分別是自檢程序和測量程序。在兩個程序中包含數個子程序，子檢程序包括泵、閥功能、管道漏氣、氣壓產生、壓力取樣、顯示、氣壓輸出測量、校正等。

5 小結

實際證明本系統(tǒng)壓力測量誤差<0.2 mm Hg，已在臨床得到了應用。

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