新型多功能顱腦外引流固定儀的設計及其性能研究*

姜楠，龍云玲

(首都醫科大學附屬北京天壇醫院醫學工程處，北京 100071)

1 引 言

顱腦外引流手術是醫治顱腦損傷的有效方法，引流手術過程中暢通引流可提升手術成功幾率[1]。導引出患者顱腦內剩余氣體、殘留血液、血性腦脊液是引流管的主要功能[2]，引流管一般在顱腦外引流手術完成后安置，引流瓶正常工作后，患者腦膜刺激癥狀顯著緩解，有效防止腦膜粘連、蜘蛛網顆粒閉塞癥狀。引流瓶流量與高度應適時變化，主要依據患者體征進行調節[3]，合理調整引流瓶高度、引流流速與流量可加速患者病情好轉，穩定患者顱內壓。引流瓶導流不暢與導流過度是因為引流瓶懸掛位置過高或者過低[4-6]，前者不能降低顱內壓，后者降壓過度，兩者都對患者不利，造成生命威脅。

根據顱腦外引流需求，設計一種新型多功能顱腦外引流固定儀。該儀器主要包含引流瓶高度精準調節、液體流速流量精準測量等功能，為醫護領域提供一種簡單便捷的引流護理方式。

2 數據和方法

2.1 數據來源

本研究將去離子水作為實驗研究液體，實驗設備為新型多功能顱腦外引流固定儀。使用精準秒表與天平計量實驗用時與液體質量，精準天平精度達0.001 g，稱重上限為220 g。

2.2 方法

新型多功能顱腦外引流固定儀包括引流支架與引流液體測量模塊兩部分，從兩個角度闡述新型多功能顱腦外引流固定儀工作情況。

2.2.1新型多功能顱腦外引流固定支架 (1)引流固定支架設計

設計一種新型的多功能、可調式顱腦外引流固定支架，見圖1。

圖1 新型多功能顱腦外引流固定支架

由圖1可知，新型多功能可調式顱腦外引流固定儀由10部分組成，同時實現輸液與引流功能。固定支架起主要支撐作用，其中掛鉤螺栓與掛鉤固定環是固定部位的主要部件，掛鉤螺栓與固定環的一側連接，支架固定在螺栓的另一側，此處安裝引流瓶的掛鉤轉鈕，方便調節引流瓶[7]。輸液瓶掛鉤用于安置輸液瓶；標尺與引流瓶的掛鉤采用一種任意滑動的安裝方式，根據具體需求進行調節，標尺通過兩個固定環與支架連接；引流瓶安置在引流瓶掛鉤上，并與支架穩固結合；需注意的是，引流瓶的掛鉤安置在標尺兩端內。

標尺底部為刻度起始端0 mm，頂部為刻度終止端500 mm。與掛鉤固定部位原理相似，標尺固定部位同樣包括標尺固定環與標尺螺栓，標尺螺栓與標尺固定環的一側連接，支架固定在標尺螺栓的另一側，此處安裝標尺轉鈕，方便調節標尺[8]。標尺刻度的下方是引流儀的對準部位，對準部位的設置有效提高了引流儀的精確度，為進行引流手術的患者提供一種可靠的醫療手段。

(2)引流固定支架使用方法

手術患者仰臥在病床上，首先調節標尺位置，將引流瓶安置在引流掛鉤后，患者體表投影側腦室平面的標尺刻度調節為0 mm，調節標尺的固定部位使標尺與支架穩固連接[9-11]；其次調節引流瓶與支架的固定情況，引流瓶的開口位置在側腦室平面上端約110～160 mm處，待標尺刻度對準后擰緊掛鉤螺栓，最終引流瓶掛鉤與顱腦外引流固定儀支架穩固連接。

2.2.2引流液體測量模塊 (1)薄膜諧振型Lamb波傳感器

引流液體測量模塊采用薄膜諧振型Lamb波傳感器測量引流液體的速度，達到監控引流患者腦脊液的目的。薄膜諧振型Lamb波傳感器探測氮化鋁壓電層的壓電效應變化，激勵、接收Lamb波。Lamb波器件處于工作狀態時，激勵端的插指換能器接收交變電壓后，同電極間生成交變電場，在壓電層的逆壓電效應影響下，Lamb波器件在薄膜內進行伸縮振動，產生Lamb波。在正壓電效應影響下，接收端的插指換能器接收Lamb波后轉換振動信號為電信號，頻率通過諧振電路輸出[12]。基于上述原理，以高質量測量流體為目標，對Lamb波傳感器進行優化，優化后的薄膜諧振型Lamb波傳感器見圖2。

圖2 薄膜諧振型Lamb波傳感器

(2)電氣控制模塊

STC15F2K60S2是電氣部分的主控制器，具有工作效率高的優點，工作頻率高達20 MHz，攜帶60K程序存儲器與2KRAM。AD7770芯片是一種分辨率與精度雙高的模數轉換器，控制器轉換流體模擬信號為數字信號時應用到此芯片，所以控制噪聲低、速度快，同時可輸出串行數據。圖3為電氣控制結構圖，由圖可知，濾波放大器模塊、A/D轉換模塊、人機交互模塊以及電源變換模塊是電器控制結構的重要組成部分。

圖3 電氣控制結構圖

2.2.3引流液體測量模塊軟件設計 (1)軟件框圖

為監控患者引流液體流速，引流液體測量模塊軟件構成復雜，見圖4，主要為主程序軟件、初始化軟件、算法程序、人機交互程序等。定義濾波參數、調整工作頻率、輸出監測結果等功能在人機交互程序中完成。研發一種FIR濾波器，濾波處理流量采樣值，解決引流液體監測中的工頻干擾、尖峰干擾等問題[13]。在人機交互程序中改變FIR濾波器的參數，可優化濾波器工作性能。

圖4 儀器軟件框圖

(2)Lamb波流速矢量測量原理

(1)

式中，Mp、φ表示Lamb波長與Lamb波相位速度，M1是引流液體的聲速。

Lamb波傳感器測量引流液體流速過程如下：分析消逝波的穿透深度可以看出，在薄膜-液體界面臨界位置，若聲速和引流液體速度同時對消逝場內的聲波傳播產生干擾，此時附近介質處于流動狀態[15-17]。簡言之，引流液體流速變化引起引流液體聲速變化，引流液體聲速的高低受流體方向干擾，據此掌握附近引流液體流速大小與方向。

3 結果

3.1 測量誤差分析

將引流液體固定后，測量一定時間內去離子水流體的重量，采用物理公式計算定量去離子水的流量，與本研究儀器測量值進行對比，分別標記為標準值與顯示值。記錄標準流量為50、100、150、200、250、300 mL時本研究儀器測量值，計算測量誤差，每種流量反復測試5次，以增強實驗數據的可靠性，結果見表1，分析該表可得本研究儀器測量引流液體流量的誤差小于1%，重復誤差低于0.5%，測量精度高。

表1 本研究儀器測量誤差

3.2 流速與靈敏度關系分析

分析本研究儀器輸出電壓與流速的關系得到流速與儀器靈敏度的關系，從正向流動與反向流動兩個角度進行分析，實驗結果見圖5。

圖5 流速與本研究儀器輸出電壓關系

Fig5Therelationshipbetweenthecurrentvelocityandtheoutputvoltageoftheinstrumentinthispaper

由圖5可知，正向、反向數值變化趨勢基本一致；不同流速下，本研究儀器輸出電壓存在顯著差異。

3.3 薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動分析

測試本研究儀器中薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動變化情況，設置M—N、P—Q兩種液體流動方向，設置4種液體流速，調整液體流速后，薄膜諧振Lamb波傳感器進入工作狀態，記錄不同方向上薄膜諧振Lamb波傳感器相位頻率移動情況，見圖6。

(a) M—N方向；(b)P—Q方向

Fig6Phasefrequencyshiftofthinfilmresonantlambwavesensorsindifferentdirections

圖6表明，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動情況存在差異；M—N方向上，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動情況存在差異，且相同諧振頻率下，流速越低，相位移動越大。P—Q方向上，薄膜諧振Lamb波傳感器在不同流速下的相位與諧振頻率移動情況同樣存在差異，但相同諧振頻率下，流速越高，相位移動越大。

3.4 薄膜諧振Lamb波傳感器穩定性分析

根據薄膜諧振Lamb波傳感器穩定性變化情況，計算本研究儀器的測量極限，本次測試用時1 000 s，記錄薄膜諧振Lamb波傳感器穩定性變化情況，見圖7。薄膜諧振Lamb波傳感器測量極限的計算如下：

(2)

其中，H為薄膜諧振Lamb波傳感器的噪聲，L為薄膜諧振Lamb波傳感器測流敏感度。

圖7 薄膜諧振Lamb波傳感器穩定性變化情況

Fig7VariationofstabilityofthinfilmresonantLambwavesensor

圖7中，最大噪聲值為0.15 Hz，因此，計算本研究儀器的測量極限為17.2 nL/s。數據表明，本研究儀器測量極限較高，適用于多領域流體測量，性能較優；根據薄膜諧振Lamb波傳感器穩定性變化情況可知，噪聲較低，穩定性較強，適用于測量微小通道液體的流速與流量。

4 結論

綜上研究表明，本研究設計的引流固定儀，可有效解決傳統顱腦外引流裝置高度調節不精準、引流液體流量和流速測量不準確的問題，且使用簡單、程序合理，患者與醫護人員可隨時調節引流瓶位置；引流支架中的標尺為調節引流瓶高度提供精準的參照手段，便于醫護人員交換引流信息，可用準確的數值描述引流瓶高度，可靠性、實用性、創造性較強。金屬是引流儀主要用材，消毒擦拭更方便。