基于STM32的低功耗自動靜脈穿刺系統研究

霍亮生，趙雄，王燕青，王鑫，阮晨詩函

1.北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048；2.中國人民解放軍第三〇七醫院 腫瘤科，北京 100071

引言

靜脈穿刺是醫護人員在對患者進行疾病診療時的一種常見的臨床治療方法，據統計，美國每年進行靜脈穿刺多達14億次[1-2]。能夠有效地幫助患者免于反復承受穿刺的痛苦，還可以用于抽取血液樣本。CT和B超等圖像可視化技術的發展，使得靜脈穿刺置管技術有了進一步的改良。超聲引導下應用塞丁格技術進行穿刺是目前國際上廣泛應用的PICC穿刺術[3]，通過超聲圖像進行可視化引導定位，提高了PICC置管的成功率，降低了靜脈炎的發生，減輕穿刺點增生，減少了組織損傷與并發癥[4]。

目前，B超引導下的靜脈穿刺置管技術在臨床上有較大的優越性，但是這種方法要求醫護人員掌握熟練的穿刺置管技術，國內這方便醫護人員緊缺，穿刺人才培養成本較高。針對以上問題，本文設計了一種低功耗的便攜式靜脈穿刺裝置，該裝置采用B超引導，通過B超圖像反饋及STM32嵌入式系統控制，實現了自動穿刺過程，大大提高了穿刺過程中的自動化程度，也降低了對于穿刺醫護人員的經驗、技術要求。

本文所述自動靜脈穿刺裝置具有以下特點：① 穿刺裝置的結構采用聚酰胺樹脂材料，強度高，質量輕，抗菌效果較好；② 體積小，可實現與掌上B超的快速安裝拆卸，可適用于地震、野外急救等多種急救場合；③ 在B超掃描定位階段可實現待機、停機，穿刺時快速喚醒，控制系統耗能低，響應快；④ 通過可視化技術定位，系統精度高；⑤ 成本低。

1 系統總體方案

1.1 系統總體方案設計

自動靜脈穿刺系統的總體方案設計，見圖1，主要由穿刺模塊和顯示處理模塊兩大部分組成，穿刺模塊主要包括便攜式B超、控制器、驅動電機和引導穿刺結構，顯示處理模塊主要包括圖像顯示器和圖像處理器兩部分。

圖1 總體方案設計圖

1.2 系統工作原理

醫護人員手持B超掃描患者穿刺部位，確定穿刺靶血管，固定穿刺部位并確定穿刺位置，穿刺開始后先由顯示處理模塊根據B超所掃描的血管圖像進行智能分析，識別血管的皮下位置及血管內徑等參數，嵌入式控制器根據血管參數自動計算進針距離，通過驅動器控制電機驅動穿刺針進行穿刺，由醫護人員將穿刺軟管推入靶血管一段距離，穿刺針退回到初始位置，完成穿刺。

2 穿刺裝置設計

2.1 B超選擇

本設計中便攜式B超采用朗昇科技有限公司的mSonics MU1智能掌上超聲，該設備便攜易用，超聲成像效果較好，滿足使用要求。

2.2 圖像處理器

圖像處理器能夠通過對B超所掃描到的血管圖像進行分析，自動識別圖像中靶血管，并測量出血管內徑與血管深度[5]，將數據返回到控制系統。圖像處理器所處理過的血管B超圖像，見圖2。

圖2 圖像識別器處理過后的血管B超圖像

2.3 電機選型

為保證穿刺傳動穩定性，采用直線驅動方式，并選用微型滑臺步進電機作為穿刺驅動電機。穿刺過程中負載來源分為：穿刺皮膚組織的阻力、絲杠與滑塊的傳動阻力。根據穿刺力實驗的研究數據表明，手動穿刺速度一般都低于5 mm/s，穿刺時穿刺力都小于4 N[6]。選用2相4線制微型步進電機，驅動電壓為（4～9）V/（100～500）mA，絲桿長度為80 mm，滑塊行程為70 mm，電機直徑15 mm，絲杠直徑3 mm，絲杠螺距0.5 mm，步距角18°[7]。

2.4 機械結構

根據B超探頭模型與選定的電機尺寸，設計穿刺裝置示意圖，見圖3。

圖3 穿刺裝置機械結構示意圖

3 自動靜脈穿刺系統控制器軟硬件設計

3.1 控制器硬件設計

根據所需功能與控制要求，控制器的硬件設計，見圖4。并對各組成部分進行介紹。

圖4 控制器硬件設計

（1）MCU模塊選用的是STM32F105芯片，采用LQFP32封裝，它是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器[8-9]，其內核是專門設計于滿足高性能、低功耗、實時應用的嵌入式領域的要求，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達256 K字節的閃存和64 K字節的SRAM），片內集成有12位的A/D等。STM32F105芯片在低功耗方面表現的比較出色，有Sleep、Stop、Standby三種模式，可以滿足系統低功耗的要求，最低電流消耗可以降到2 mA，并且從低功耗模式下也可以快速喚醒，在Stop模式時喚醒微控制器只需要6 μs[10]。

（2）圖像處理系統與驅動控制器之間的通信采用CP2102芯片，這是一款可以應用于USB接口轉UART通信的芯片，它與3 V或5 V供電的單片機連接不需要進行電平轉換。該芯片具有高集成度的特點，內置USB 2.0標準的全速功能控制器、USB收發器、內部時鐘、緩沖器、EEPROM和帶有調制解調器接口信號的異步串行數據總線（UART），無需外部USB器件[11]。USB功能控制器用來管理USB和UART間所有的數據傳輸、USB主控制器發出的命令請求以及UART功能控制命令[12]。CP2102的UART接口包括TX端（數據發送）、RX端（數據接收）以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號，UART支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手，還可以通過編程使UART支持各種數據格式和波特率[13]。CP2102串行總線的數據格式和波特率，見表1。

本文實現USB與RS232接口電路設計。轉換電路原理圖，見圖5。該電路以CP2102為核心器件，將USB信號轉為串口信號，D+、D-為數字I/O口，RXD/TXD進行UART數據接收發送，選擇MAX3223芯片作為RS-232的接口芯片，完成RS-232電平到TTL電平的轉換，該芯片工作電壓為3～5.5 V，靜態電流低于1 μA，負載電流低于2 mA，數據傳輸率為120 Kbps，外圍元件少，體積小。

（3）系統供電電壓DC 5 V，要實現對電機的驅動，需進行升壓處理，使的驅動器輸出電壓為+12 V。本文采用LM2587芯片來設計升壓電路。LM2587是一款反饋電源開關芯片，電源開關是一個可以承受65 V電壓的5.0 A NPN器件，該芯片具有非常好的線性和負載調節特性，只需要很少的外圍器件就可以構成高效的穩壓電路[14]。輸入電壓范圍為4～40 V，輸出電壓范圍為1.23～57 V，調節范圍較寬，并且還具有熱關閉和限流保護功能。基于LM2587的+5～+12 V升壓電路，見圖6。

（4）步進電機驅動器選擇的是TRINAMIC公司的TMC262驅動芯片，該芯片采用QFN32封裝，體積較小，是一款高精度的兩相步進電機驅動芯片，驅動電壓可達60 V，電流可達8 A[15]。該芯片集成了coolStepTM和stallGuard2TM等多項專利技術[16]，stallGuard功能可以使芯片在沒有傳感器的情況下對失速進行自主探測，coolStep功能可以使芯片根據電機負載的大小調節輸出電流的大小，既減少了步進電機失步和丟步現象的發生，又降低了發熱，減少了功耗。TMC262芯片自身有著256細分，并且它的微分校驗功能使得每個微分有了精度保證。該芯片可以通過SPI和S/D模式進行電機控制，自身帶有過流、短路、過溫保護電路，低功耗高效率，目前在生物儀器和醫療設備中應用非常廣泛。

表1 CP2102串行總線的數據格式和波特率

圖5 USB轉串口-CP2102電路原理圖

圖6 LM2587芯片升壓（+5～+12 V）電路

3.2 控制器軟件設計

控制器的軟件開發采C語言的Keil MDK集成開發環境，Keil MDK有豐富的STM32固件庫，提高了軟件開發效率[17]。穿刺控制程序流程，見圖7。首先對系統進行初始化，包括對SPI的初始化、運動控制命令定義、通信功能的初始化等，完成初始化操作之后判斷穿刺針是否在初始位置，確認穿刺針的初始位置之后開始進行穿刺，當驅動系統驅動穿刺針到達靶血管目標位置后，由醫護人員手動將軟管推入血管內，軟管進入血管之后醫護人員觸動穿刺結束的按鈕，驅動系統收到穿刺結束指令，開始退針，退針完畢穿刺結束。

圖7 穿刺控制程序流程圖

4 進針控制

本文通過隨機采集解放軍第三〇七醫院腫瘤科100例穿刺患者的靜脈超聲圖像數據，分析其穿刺靜脈血管的半徑r及血管中心距離皮膚表層的距離h的分布范圍，得到以下數據：靜脈血管半徑最小為1.22 mm，最大為3.25 mm，平均半徑為2.05 mm；血管中心距離皮膚表層的距離h最小值為3.06 mm，最大值為14.22 mm，平均高度為8.60 mm。本文將安全穿刺范圍縮小為：血管半徑允許范圍（1.50～2.60）mm，血管中心距離皮膚表層的距離h允許范圍（5.60～11.00）mm。

穿刺時血管示意圖，見圖8。血管半徑為r，血管中心距離皮膚表層的距離為h，穿刺針初始位置距離皮膚高度為d，安裝好穿刺裝置之后，d的值是確定的，穿刺角度α為45°，針穿破血管時位置為C，到達D點時進針結束，CD長度為血管直徑的三分之二。

圖8 穿刺血管示意圖

進針距離計算公式：

根據步進電機脈沖當量即可計算得出脈沖數。穿刺針以較快速度穿破皮膚之后速度變慢，之后在皮下組織中穿行，刺破血管達到指定位置停止。采用PWM調頻調寬法來控制步進電機的轉速。

5 實驗驗證

5.1 控制精度驗證

通過對體模進行B超掃描采樣，分析得出100組血管參數樣本，之后在上位機調試平臺根據每組血管的數據進行進針控制測試，驗證進針控制精度是否達到要求。體模實物，見圖9，體模長18 cm，寬11.5 cm，上表面為圓弧形，圓弧最高點距體模底部高度為4.5 cm，兩端距離體模底部距離為2 cm。體模中有五條模擬血管，血管的離皮高度分布在3.0～13.0 mm，血管半徑分布在1.3～3.0 mm，是一個較好的實驗平臺。為穿刺安全及準確性考慮，穿刺針實際穿刺距離可允許的誤差范圍為：理論穿刺距離。在進行了100組進針控制測試的基礎上對每組測試結果進行數據分析，誤差最大值為，誤差最小值為-，在允許誤差范圍內，測試結果滿足要求。

圖9 體模實物圖

5.2 穿刺置管驗證

本文通過對體模中的血管進行穿刺置管實驗要驗證自動靜脈穿刺設備的功能性。在圖9所示的體模中的每條血管上分別選擇9處不同位置的模擬血管，深度內徑等交叉分布，由專業醫護人員操作進行穿刺置管實驗，共進行45例。實驗情況統計，見表2。

表2 穿刺置管情況統計（例）

置管實驗中，置管成功率較高，達到97.78%，且穩定性較好。失敗的一例實驗血管深度為3.22 mm，血管半徑為1.41 mm，該血管位于皮膚表層且血管半徑較小，血管情況較為復雜，也存在人為原因導致靶血管位置發生輕微偏移，穿刺置管失敗。在臨床實際穿刺過程中，醫護人員會根據實際情況選擇血管狀況較好的位置進行穿刺，盡可能避免在表淺且纖細的位置進行穿刺操作。

6 結論

在可視化技術快速發展的時代，穿刺過程對于自動化的要求也越來越高。本文所述的自動靜脈穿刺系統以STM32F105為控制核心，結合機械機構設計、控制電路以及穿刺過程分析，實現了穿刺裝置的設計，能夠準確地完成控制進針動作，具有較好的穩定性，達到了預期的控制目標。

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