基于單片機的醫用輔助器械簡析

李懷昊，郝晨汝，程莉，郭麗莎，陳詩飛，胡惠芳，劉旭，白新玉

（河北醫科大學 醫用物理教研室，河北 石家莊 050017）

0 引言

醫用輔助器械是綜合了醫學、工科、機械、傳感器技術、生物材料、計算機以及力學等多學科發展而來，可為醫生提供有效幫助，有利于臨床的診斷及治療。同時，醫用輔助器械是醫護人員的得力助手，能夠輔助醫生進行精確診斷，可以提供科學的治療方案，并幫助患者康復和完成日常護理。由于其技術及受用群體的復雜性，此類設備的靈活性、可靠性、安全性、實用性和穩定性都比一般器械要求高。

單片機體積小、控制力大、抗干擾力強且具有微型性，其在自動化控制系統中的應用能有效提升整體系統的性能。起初廣泛應用于普通的儀器儀表中，結合不同類型傳感器來滿足不同使用需求。近些年來，單片機在醫用輔助設備中的用途非常廣泛。除了在病人監護和手術中的應用外，還可用于健康分析等方面，給人們提供準確健康報告，為身體健康保駕護航。本文重點分析國內醫用輔助器械在單片機控制系統中的應用，為進一步優化單片機與傳感器相結合的醫用輔助系統研發提供參考價值。

1 基于壓力傳感系統的裝置設計及研究

壓力傳感器主要是將壓力轉換為電信號，與單片機結合能更有效的控制力度的大小，提供平穩的壓力值。劉記辰等[1]設計的超聲探頭助力裝置、余世準等[2]設計的醫用氧氣袋充氣報警保護裝置和嚴捷[3]設計的眼部壓迫止血裝置，都采用單片機控制系統與壓力傳感裝置結合，來實現一定的功能。

1.1 一種醫用超聲探頭手柄助力器的設計

超聲探頭手柄助力器[1]是首次采用單片機控制步進電機系統作為助力裝置引入到超聲探頭檢測的裝置，在超聲檢測時，超聲技師需靠手腕部施力來采集清晰完整的圖像，該裝置的助力系統可減輕手腕長期施力而損傷，解決了因手部按壓探頭力度的不均勻導致超聲成像不清楚、有偽影等問題。裝置共有兩個HX711 壓力傳感模塊分別安裝在超聲探頭手柄部位和探頭與探頭夾之間，前者將信號傳遞給51 單片機處理，并控制進步電機完成運動；后者將壓力信號經模數轉換后傳送到單片機內部，實現探頭壓力恒定。當超過預設最大值時，在探頭處的傳感器能檢測出此刻的數值，將信號快速傳送給單片機，蜂鳴器警報。該助力器的體積小、靈敏度高、易上手使用、有保護裝置，但可靠性和實用性還有待提高。

1.2 醫用氧氣袋充氣報警保護裝置的設計

氧氣袋充氣保護裝置[2]可在充滿氧氣后報警提示、及時關閉充氣通路，解決了醫療人力資源緊張問題，避免氧氣袋因氣體過多、壓力過大而損壞，確保在快速轉運與搶救過程中氧氣的及時供應。采用XGZP6857020KPG 型氣體壓力傳感器[2]裝置來測量壓力，可隨時檢測充氣路徑的壓力水平，以輸出適當的電壓值；STC12C4052AD 型單片機來檢測壓力傳感器的輸出信號，監測充氣開關信號，將開啟信號發送給電磁閥驅動器。在臨床實驗中，氧氣袋的損壞率明顯降低，證明該設備的可靠性和實用性。且易上手操作，攜帶方便，可廣泛應用于不同廠家生產的氧氣袋。在轉運患者以及急救車上進行搶救工作時，有著不可磨滅的功勞。

1.3 基于AVR 單片機的眼部壓迫止血裝置的設計

在眼部手術結束后，該裝置可替代人工手動按壓止血，靈敏地提供穩定的壓力，安全地止血于相應部位，避免患者因按壓部位不當或力度不精準而感到不適。其核心控制板為ATmega16A 單片機，傳感裝置為壓阻式壓力傳感器[3]。醫護人員輸入信號，單片機輸出控制信號并指導微型氣泵完成相符動作，符合要求的氣體充入；同時，壓力模塊將采集的信號反饋到單片機，單片機根據數值來調整微型氣泵的動作，并把相符合的數值通過顯示屏顯示，便于醫護工作者觀察。壓阻式傳感器的精度高，可達到所需壓力值，不會給眼部帶來傷害。結構上，選用整片式氣囊眼罩，易與眼部緊密結合，避免遺漏壓迫止血的盲區。病人可以根據自己的生理狀況來調節壓力大小，提高自己的舒適感，這是該裝置最大的優勢。

2 基于溫度傳感系統的裝置設計及研究

溫度傳感器可根據需要選擇合適的溫度和維持時間，通過單片機輸出信號，智能、精準地控制溫度。張志剛等[4]對腹腔灌注熱化療儀的優化設計和阮宏宇等[5]設計的醫用恒溫沖洗泵，采用不同類型的溫度傳感器來達到溫差偏小的目的，滿足在不同手術狀態下所需不同溫度的條件。

2.1 基于UC/OS-II 的腹腔灌注熱化療儀的優化設計

張志剛等人[4]為了簡化腹腔灌注熱化療儀的電路、降低成本、提高安全性，將UC/OS-II 操作系統移植到單片機上實現軟件功能。選用80C552 單片機控制溫度系統，可控硅的開關由光電耦合器控制。溫度監測和控制是本系統的核心，所以選用高分辨率、轉換時間短的DS18B20 數字溫度傳感器，方便檢測不同點的溫值；建立了不同安全系數的報警裝置，各模塊之間協調運行。該優化設計提高了腹腔灌注熱化療儀器的自動化和智能化，溫差控制也較為精準，外圍電路結構相對簡單，降低了儀器的成本。在一系列臨床測試中，改進后的裝置取得了預期效果，其穩定性、實用性和安全性明顯提高，獲得好評。

2.2 醫用恒溫沖洗泵系統的設計

阮宏宇等[5]研制出一種基于PID 算法的、ATMEGA32 單片機作為主控制器的恒溫沖洗裝置，該系統的單片機具有脈沖寬度調制的功能，其寄存器可控制液體流量的大小；溫度傳感器為Pt100 的恒溫沖洗泵系統[5]。附著在加熱板上的傳感器連接溫控器，通過傳感器測量出加熱板的溫度，單片機可讀取溫度或設置加熱板的數值。該系統流量的誤差較大，但能夠滿足手術要求；選用的薄加熱板，雖抗干擾能力弱，但從一個穩態到另一個穩態的時間間隔短，更適于該系統。經過測試，系統從啟動到沖出流量和溫度均符合要求的液體并進入穩態，這一過程時長較短，具有理論研究和臨床實踐價值。

3 基于光電傳感系統的裝置設計及研究

光電傳感器將輸入電流轉換成光信號射出，接收器再根據接收的光信號強度檢測目標，多與單片機系統結合用于報警裝置。避免傳統輸液時出現因換藥不及時，空氣進入靜脈，引起回血甚至是空氣栓塞，給病人造成痛苦的問題，歐祖常[6]研制出醫用點滴輸液報警器、袁境男[7]設計出紅外傳感器測量液位報警裝置。此外，駱錚[8]研發的醫用尿量檢測系統和楊池等[9]研究的溫控醫用灌注泵報警技術在一定意義上也減少了醫療事故的發生。

3.1 醫用點滴輸液報警器的研制

醫用點滴輸液報警器是一個減輕醫務人員負擔的輔助裝置，系統采用STC11L01 貼片單片機作為處理器，光電開關（光電三極管）來記錄藥液的滴數，利用多軟件處理方法實現雙重提示報警[6]。當液滴通過時，根據光的折射原理，光線不通過原始路徑，電路不通；反之，電路導通。當殘液少于6mL 時，單片機將信號傳送到報警系統、蜂鳴器響起以提醒陪護人員或醫護工作者。本系統集成了光電和單片機技術，精準地實現輸入、顯示、報警等多種功能。在臨床實踐中，可用于不同體積的液瓶，減少醫務人員的工作量。然而，系統存在容易受環境背景光影響的問題，不能應用于硝普鈉等易發生光化降解的藥物。

3.2 紅外傳感器測量液位報警裝置的設計

袁境男[7]成功研制出紅外傳感器和SPCE061A 單片機系統相結合的測量液位報警裝置，可無接觸測量藥液高度。其原理簡單：主要利用光的折射定律，放在輸液管兩側的紅外發光二極管和光敏二極管能確定流下的藥滴滴數，確定液面的高度，當達到預測值時進行報警。顯示屏會顯示液體剩余量、報警點、監測狀態等過程。裝置體積小，便于攜帶和拆裝，可與不同藥物配套使用，既減少了醫護人員的工作量，又將患者輸液時存在的安全問題降到了最低。但電路會延遲，水滴的計數會存在誤差，且下落的水滴中可能會有氣泡，會導致實際體積小于理論值。

3.3 醫用尿量檢測系統的設計

醫用尿量檢測系統是以STC89C52 型單片機為主，光敏電阻為感應器的一套檢測系統[8]。當液體高度超過二極管所在的水平面時，根據光的折射原理，光線在液面處偏轉，不會照在光敏電阻上，導致光敏電阻阻值變大。測得的電壓輸入比較器，比較后傳感器的電壓將變成高低電平，輸送到單片機中進行處理，從而得到容器中的液體量。單片機會將判斷出的液體位置顯示在顯示屏上，便于醫護人員隨時觀察病人情況。集尿器已滿時，病人按下按鍵，報警鈴響，提醒醫護人員及時處理。其突出特點是制作了光照補償電路，在黑暗中也可以采集；選用的光敏電阻為性價比高的傳感系統。其在臨床中得到了醫務人員的認可，能及時提醒醫護人員更換尿袋，同時顯示病人的排尿情況。但還存在不足：缺少上下位機，不能將采集的數據傳送到醫護操作的終端界面[8]。

3.4 溫控醫用灌注泵報警技術研究

楊池等[9]基于原有的溫控醫用灌注泵進行優化，由傳感器、Atmega128 單片機及其他硬件組成了四項報警裝置，主要說明其中三項的原理。水溫過冷或過熱報警，通過溫度變送器將pt100 溫度傳感器的電阻信號轉換成電壓信號，經模數轉換后得到數字信號。當溫度超出閾值時，報警器報警。加熱板溫度過高報警是通過出水口處的溫度傳感器反饋的信號，調節加熱板的溫度。單片機讀取PID 控制器的SV 值獲得溫度值，當加熱板的溫度值超出閾值時停止加熱，報警系統啟動。水壓過大報警系統的傳感器為FS2050 壓力傳感器，在運行過程中，單片機將壓力傳感器信號經模數轉換為壓力值，壓力值超出閾值報警系統工作。經過嚴格的實驗驗證，上述的四個報警功能可靠性和實用性極高，可彌補原有裝置的不足，但裝置還在試驗階段，但有望成為有力的輔助裝置進入臨床應用。

4 基于加速度傳感系統的裝置設計及研究

加速度傳感器是將感受的加速度轉換成可用的輸出信號的傳感器。單片機進行信號處理，加速度傳感裝置采集信號，二者結合常用于防摔倒類裝置和可穿戴或便攜式的設備中。該部分主要介紹了一款監測睡眠質量的設備[10]、測量心率的戒指[12]和便攜式定位追蹤器[13]。

4.1 基于多信號融合的睡眠監測設備的研究

王霞和韓嘉偉[10]設計了一種睡眠監測設備，由STM32 單片機進行信號處理，ADXL345 加速度傳感器來采集腕動信號，光電傳感器采集心率和血氧飽和度的信號。根據相應的睡眠算法來標定睡眠狀況，判斷睡眠質量，從而達到睡眠監測的目的[11]。設備與市面上的智能手環不同，其結合了心率和腕動信號，能更精確的監測睡眠質量，也可監測短時間睡眠（午睡）；可參考更多的睡眠分期和睡眠質量的指標，提高準確率。

4.2 一款心率戒指的設計

楊風健等[12]基于光電測量法設計了一種可以檢測心率的可穿戴裝置，主要由STM32F103C8T6 主控制器電路、MPU6050 加速度傳感器電路、光電傳感器與信號調理電路等組成。首先，單片機內置A/D 轉換模塊將存儲的PPG 數據和加速度傳感器的數據進行傅里葉轉換,可得到運動干擾的信號頻率；其次，在PPG 采樣信號譜中找到第一和第二譜峰，經計算后可得出心率。該裝置具有實用性，能采集手指上的PPG 信號并算出心率，每6 秒更新一次數值，使用者可實時監測自己的心率。但裝置在劇烈運動時，數值會失真；且其體積與普通戒指相比較大，應減少內部結構的體積。

4.3 一種醫用便攜式定位追蹤裝置設計

劉翠梅等[13]設計了一種適合在家康復的老人攜帶的定位追蹤裝置，由主控器STC12C5A60S2、GPS模塊、GSM 模塊和NMA7260 三維加速度傳感器模塊等組成。裝置具有三種功能，主要說明其摔倒提示功能。原理如下：微處理器處理傳感器采集到的數據，得出攜帶者此時的狀態。裝置保證了老齡患者的安全，若老人摔倒，其報警系統和通信系統能快速做出響應，讓老人及時得到救助；也間接減輕了監護人及醫護人員的負擔，且具有耗能低、費用低、可靠性強等特點。

5 不同傳感系統與單片機裝置結合的對比分析

5.1 壓力傳感裝置的對比

通過對比眼部壓迫止血裝置[3]、超聲探頭手柄助力器[1]這兩種裝置可以得出：壓阻式壓力傳感器適用于采集高精度信號的裝置，其動態響應好，微型化；HX711 壓力傳感器模塊易使用、效率高，適于安裝精度相對較低的裝置。而氧氣袋充氣保護裝置[2]使用的氣體壓力傳感器模塊易安裝，可根據需求設置輸出信號。

5.2 溫度傳感裝置的對比

基于UC/OS-II 的腹腔灌注熱化療儀[4]和醫用恒溫沖洗泵系統[5]，均采用了溫度傳感器以達到對溫度的精準檢測。DS18B20 數字溫度傳感器的分辨率高，轉換時間短，適用于狹小空間設備的測溫，但編程較難；PT100 溫度傳感器使用簡單、易替換，但測溫范圍小，精度低。

5.3 光電傳感裝置的對比

醫用點滴輸液報警器[6]、紅外傳感器測量液位報警裝置[7]、醫用尿量檢測報警系統[8]都針對液體進行報警，但所選用的傳感裝置及型號不同。點滴輸液報警選用光電三極管，利用液體對光束的遮擋或反射，判斷液體的有無。紅外傳感器則是通過測量落液滴的滴數，來確定液位的高度。因尿液是有顏色的，所以尿量檢測系統選用光敏電阻，在通過有色液體后，光敏電阻能依據光強做出相應的改變。從整體上來看，基于光電三極管的報警裝置能夠滿足日常需求，但有藥物需避光或黑暗環境中使用或有些液體帶有顏色，這時可采用紅外傳感器的報警裝置。

5.4 加速度傳感裝置對比

多信號融合的睡眠監測設備[10]和心率戒指[12]都采用ADXL345 加速度傳感器，這是一款小巧、低成本、低功耗的三軸加速度傳感器，自身集成了信號調理、濾波的功能，能精準輸出信號。醫用便攜式定位追蹤裝置[13]采用NMA7260 高靈敏度加速度傳感器，其三個軸對應人行走時的三個方向的加速度，融合了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術[14]，適合測量人行走時的信號。

5.5 不同型號的單片機對比

以上裝置采用不同的單片機控制系統。傳統的51 單片機具有易編程、耐用、成本低、體積小且靈活度較高等特點；但速度慢，適用于低功耗的場所。而8051 的新型單片機STC12C5A60S2，彌補了傳統51 單片機的缺點，其具有雙串口，速度快、抗干擾能力強等特點。16 位高性能的SPCE061A 型單片機系統，能快速處理復雜的數字信號、易調試且性價比高。STM32 型單片機有多種通信接口且具有較強的信號處理能力。具有高性能、速度快、低功耗的AVR 單片機，在編程語言上與其他型號有所差別，如Atmega128 單片機不能直接處理紅外傳感器采集、轉換后的電信號，需轉換成標準的TTL 電信號。

6 醫用輔助器械在醫療行業的展望

隨著計算機、微電子技術、材料科學、生物工程以及醫工結合領域的迅猛發展，不同類型的傳感器將會與更多不同的單片機系統結合，進行優化和創新，甚至采用多模式融合的形式。

（1）智能化。在簡單的輔助報警裝置中，單片機與傳感器結合的系統雖滿足了監測和報警的需求，但智能化程度還有待提高。可通過減少人工操作的步驟，結合上位機智能化提供服務，在最大程度上減輕醫護人員的工作負擔。

（2）精確化。在一些高精尖的醫用輔助器械中，需選用高精度傳感裝置和高性能、傳輸速度快的單片機，盡可能降低誤差，降低因機械誤差導致醫療事故的發生率。

（3）多模式。目前醫療輔助器械的核心部件仍只有這幾種單片機系統，希望發展出更多種類的單片機和不同類型的傳感裝置，這樣才能緊跟未來醫療領域的發展。傳感裝置的種類眾多，可滿足現有需求，但可嘗試將多種功能結合到一個傳感模塊，以便節約空間。

醫療輔助器械技術涉及不同專業領域，其硬件和軟件需要與時俱進、不斷優化和完善。想要完全替代人工操作，需要很長的研究歷程來不斷提高系統的準確性、可靠性和精確性。本文探究了傳感器與單片機系統結合的優勢，分析了單片機控制系統在醫療輔助器械領域的主要應用，希望可以給未來醫用輔助器械系統的研究提供一定的參考。