雙通道氣壓止血儀的研制

應(yīng) 繁，宋元晟，游釤栗，熊衛(wèi)華，朱奇?zhèn)?/p>

（1.浙江理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.杭州欣聯(lián)生語醫(yī)療科技有限公司，浙江杭州 310012）

在四肢骨科手術(shù)過程中，最常用的醫(yī)療器械裝置就是止血儀，其能夠創(chuàng)造出解刨層次更清晰的手術(shù)視野，有利于骨科醫(yī)師的手術(shù)操作，同時(shí)又可以有效縮短手術(shù)時(shí)間，降低患者受到感染的概率[1-4]。人們一直在結(jié)合臨床不斷探索各種新型的止血儀，不斷面世的止血儀在臨床治療中發(fā)揮了重要作用[5]。

氣壓止血儀的作用原理為袖帶充氣，環(huán)套擠壓下肢使其組織內(nèi)部壓力升高，從而阻斷肢體的動(dòng)、靜脈血流，達(dá)到手術(shù)時(shí)視野清晰無血的目的[6-8]。文獻(xiàn)[9]中提出的舊式止血儀存在操作繁瑣、運(yùn)行穩(wěn)定性差以及容氣壓采集精度低等問題。為解決上述問題，設(shè)計(jì)并研制一款新型雙通道氣壓止血儀，可提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及氣壓采集精度，提供豐富的模式功能，使系統(tǒng)便捷高效。

1 系統(tǒng)概述

雙通道氣壓止血儀系統(tǒng)采用NUC029LAN 芯片作為系統(tǒng)架構(gòu)中心，通過GZP6847A 氣壓傳感器模塊獲取止血環(huán)套中的壓力信號(hào)，將外設(shè)ADC 連接至氣壓傳感器，止血環(huán)套內(nèi)實(shí)時(shí)的氣壓值經(jīng)信號(hào)處理反饋至控制器，并根據(jù)壓力調(diào)節(jié)裝置（氣泵與電磁閥組）對(duì)止血環(huán)套進(jìn)行加壓或減壓，以此調(diào)節(jié)氣壓止血儀輸出壓力的大小[10]。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，止血儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。操作系統(tǒng)能夠清晰地顯示出當(dāng)前的工作狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，使得操作者能夠?qū)崟r(shí)了解患者狀態(tài)，并方便地增減設(shè)置壓力和時(shí)間等參數(shù)，準(zhǔn)確及時(shí)地反饋給用戶。設(shè)備具有兩個(gè)能獨(dú)立控制參數(shù)的通道結(jié)構(gòu)，并且雙通道的獨(dú)立參數(shù)設(shè)置有效地提高了止血儀的工作效率。同時(shí)，止血儀的智能控制系統(tǒng)還有各種模式功能，比如正常操作模式、設(shè)置模式、壓力表、機(jī)器自檢等模式。交互式功能模塊能根據(jù)操作者的需求自定義，使得氣壓止血儀的功能更加豐富。操作者可以根據(jù)具體需求自定義人機(jī)交互模式，避免了舊式止血帶操作繁瑣等問題，系統(tǒng)整體操作便捷高效[11]。

圖1 止血儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

止血儀控制系統(tǒng)由六個(gè)部分構(gòu)成，包括MCU 控制模塊、GZP6847A 氣壓傳感器模塊、電源模塊、氣泵、電磁閥組、數(shù)碼管顯示模塊。雙通道氣壓止血儀系統(tǒng)硬件連接圖如圖2 所示。

圖2 止血儀系統(tǒng)硬件連接圖

2.1 MCU控制模塊

止血儀控制系統(tǒng)的主控芯片采用新唐科技（Nuvoton）公司的一款32 位的高性能單片機(jī)NUC029LAN，該芯片核心采用ARM Cortex-M0 架構(gòu)，片內(nèi)集成了4 kB 的SRAM 和64 kB 的Flash 存儲(chǔ)器，主頻可達(dá)50 MHz，備有豐富的外設(shè)，如高達(dá)八通道PWM、八通道12 位ADC 等。

止血儀控制系統(tǒng)主控芯片的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)響應(yīng)輸入裝置提供給控制裝置的控制信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制加壓裝置和減壓裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)止血環(huán)套的加壓與減壓，控制顯示裝置用于顯示各種壓力及時(shí)間等信息。為保證止血儀在操作過程中的穩(wěn)定運(yùn)行，主控芯片不僅需要具有一定的控制能力，還需要具有足夠的抗干擾能力。NUC029LAN 芯片支持寬電壓工作范圍2.5～5.5 V，有著高抗干擾能力，內(nèi)建22.118 4 MHz 高精度晶振，所以選用NUC029LAN 這款高性能單片機(jī)完全可以滿足設(shè)備功能需求。

2.2 電源模塊

止血儀控制系統(tǒng)的電源模塊支持電源模組與鋰電池結(jié)合的不間斷供電方式，時(shí)刻保障設(shè)備的供電與穩(wěn)定運(yùn)行。其電路組成結(jié)構(gòu)為電源電路、鋰電池充電電路、掉電檢測(cè)電路和鋰電池切換電路。電源電路由市電作為輸入，接入開關(guān)電源LM35-20B15輸出為15 V，選用降壓芯片LMR14030 將電壓降至12 V 為氣泵、電磁閥供電，再經(jīng)由低壓差線性穩(wěn)壓芯片AMS1117 組成的LDO 電路將電壓穩(wěn)定到5 V 為主控制器和其他芯片供電[12]。在220 V 的開關(guān)電源為系統(tǒng)供電時(shí)，同時(shí)給鋰電池充電，在正常的工作狀態(tài)下為電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能，鋰電池充電電路采用充電管理芯片CN3703，在恒壓充電模式下，將電池電壓調(diào)制在12.6 V。掉電檢測(cè)電路采用HT7550 低壓差LDO 線性穩(wěn)壓管，在設(shè)備使用過程中，若發(fā)生意外斷電的情況，將信號(hào)發(fā)送至控制器，切換為鋰電池為設(shè)備供電。

2.3 傳感器模塊

止血?dú)怏w壓力傳感器是氣壓止血儀的重要檢測(cè)元件，直接影響壓力輸出的精確度。這就要求傳感器具有良好的測(cè)量精度，對(duì)氣壓值和數(shù)字輸出量具有良好的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系以及合適的量程（文中設(shè)計(jì)的止血儀可以輸出0～80 kPa 的壓力）。對(duì)于以上要求，選用CFSensor 公司的XGZP 型壓力傳感器，型號(hào)GZP6847A101KPP50K。

輸入氣壓(記為Pi(kPa))和輸出電壓(記為Vo(V))對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

為保證采集到信號(hào)的精確性，對(duì)裸傳感器芯片進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，形成XGZP6847 型壓力傳感器模塊[13]。XGZP6847 型壓力傳感器模塊采用DIP6 封裝，XGZP 型壓力傳感器作為敏感元件，集成了數(shù)字調(diào)理芯片，PCB 板的兩面分別安裝SOP 封裝的XGZP 型壓力傳感器與信號(hào)處理電路芯片ZMD31010，以供電電壓為參考，產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。選擇合適電壓和氣壓量程的傳感器，以獲得范圍正確、精度幅度良好的氣壓數(shù)字量信號(hào)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)供電有市電和鋰電池供電兩種模式，為了保障止血儀在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，防止設(shè)備在運(yùn)行過程中意外掉電，電源調(diào)節(jié)程序流程如圖3 所示，當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到市電切斷時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換至鋰電池供電。當(dāng)鋰電池供電運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)低電量，會(huì)持續(xù)報(bào)警。含內(nèi)部電源的設(shè)備，在外部電源斷電后，可自動(dòng)切換到內(nèi)部電源持續(xù)工作；不含內(nèi)部電源的設(shè)備，意外斷電后，止血儀能夠在10 s 內(nèi)保持壓力值處于穩(wěn)定狀態(tài)，且恢復(fù)通電后，保持?jǐn)嚯娗暗臓顟B(tài)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

圖3 電源調(diào)節(jié)程序流程

3.2 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示，GZP6847A 氣壓傳感器模塊將接收到的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，MCU 采集數(shù)據(jù)處理之后的電信號(hào)。其中數(shù)據(jù)處理主要采用移動(dòng)平均、頻域?yàn)V波算法。移動(dòng)平均算法可以有效降低測(cè)量中的噪聲干擾，而頻域?yàn)V波能改善止血帶內(nèi)壓力波動(dòng)的包絡(luò)線，提高設(shè)備的抗干擾能力和測(cè)量精度。設(shè)備進(jìn)入工作模式后，可調(diào)整單通道運(yùn)行和雙通道運(yùn)行兩種模式，兩個(gè)通道可以進(jìn)行獨(dú)立的參數(shù)設(shè)置。操作者通過調(diào)整設(shè)定時(shí)間以及設(shè)定壓力使設(shè)備工作，控制器中向氣泵和電磁閥傳遞電信號(hào)將驅(qū)動(dòng)氣泵與電磁閥工作。氣泵開始工作后，機(jī)器進(jìn)入工作狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，載體上的壓力應(yīng)穩(wěn)定在設(shè)定壓力值的±1 kPa(±8 mmHg)范圍內(nèi)，因系統(tǒng)合理范圍的氣密性或因外部擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)失衡后，在10 s 內(nèi)止血壓力能通過壓力平衡機(jī)制調(diào)節(jié)到失衡之前設(shè)定的壓力值。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.3 自檢與報(bào)警提示系統(tǒng)

設(shè)備在使用之前，由操作者將止血袖帶纏繞在患者肢體損傷部位的近心端，做好準(zhǔn)備工作后開啟機(jī)器。設(shè)備上電初始化之后開始自檢，若出現(xiàn)低電量、氣泵故障、管路漏氣等問題，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)無異常時(shí)設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，等待用戶進(jìn)行按鍵操作。自檢完成后，顯示屏的袖帶壓力和止血時(shí)間顯示塊顯示為“0”或前次運(yùn)行參數(shù)。若設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)影響手術(shù)中止血的故障，報(bào)警系統(tǒng)能夠提供具有聽覺或視覺的提示信號(hào)，使用戶第一時(shí)間了解產(chǎn)品的運(yùn)行情況，并根據(jù)情況加以調(diào)整[14]。

4 氣壓采集精度測(cè)試

止血儀驅(qū)動(dòng)氣泵對(duì)止血環(huán)套進(jìn)行加壓，GZP6847A氣壓傳感器模塊感受到壓力后進(jìn)行識(shí)別、采樣以及對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和去除、收集、整合壓力信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳導(dǎo)至數(shù)據(jù)處理器，在顯示屏上顯示壓力值結(jié)果[15]。設(shè)備顯示的氣壓數(shù)值與真實(shí)氣壓數(shù)值間的誤差大小是衡量止血儀精度的一個(gè)重要指標(biāo)，為確保設(shè)備壓力數(shù)值精度滿足需求，對(duì)設(shè)備氣壓值采集精度進(jìn)行測(cè)試[16]。用橡膠管和四通連接器將主機(jī)控制器和充氣檢測(cè)罐、充氣球、壓力計(jì)連接起來，組成檢定系統(tǒng)。

靜態(tài)壓力測(cè)量范圍的檢定：將主機(jī)調(diào)成靜態(tài)壓力檢測(cè)模式，即設(shè)備待機(jī)、電磁閥閉合，按照全量程內(nèi)基本平均分布的原則，在75、300、450、600 mmHg的檢定點(diǎn)，檢測(cè)20 次，分別測(cè)出主機(jī)控制器靜態(tài)壓力示值均值、標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)壓力示值均值，計(jì)算靜態(tài)壓力顯示誤差均值。

靜態(tài)壓力示值誤差的檢定：在設(shè)定的靜態(tài)壓力范圍內(nèi)，由標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)對(duì)止血儀逐點(diǎn)從低到高增壓進(jìn)行壓力測(cè)量，靜態(tài)壓力示值誤差按下式計(jì)算:

式中，Δp表示靜態(tài)壓力示值誤差均值，單位為mmHg；p表示止血儀靜態(tài)壓力示值均值，單位為mmHg；p0表示標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)壓力示值均值，單位為mmHg。

經(jīng)過檢定系統(tǒng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 氣壓檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照

市場(chǎng)上的自動(dòng)氣壓止血儀的靜態(tài)壓力顯示誤差大多在8 mmHg 左右，而經(jīng)過優(yōu)化后，氣壓止血儀靜態(tài)壓力顯示誤差均小于5 mmHg。通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)部分，提高設(shè)備的抗干擾特性以及提高采集氣壓的精度。設(shè)備壓力數(shù)值采集精度高可以更好地控制術(shù)中患者創(chuàng)口的出血量，滿足止血儀在臨床手術(shù)中使用的需求。

5 結(jié)論

研制一款以NUC029LAN 芯片作為核心控制器的雙通道氣壓止血儀，在操作系統(tǒng)上，雙通道獨(dú)立設(shè)定參數(shù)的工作模式解決了單一氣囊止血儀使用不靈活的缺陷，提高了設(shè)備的工作效率。系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)簡潔，操作功能豐富，滿足醫(yī)務(wù)人員的使用需求。針對(duì)舊式止血儀測(cè)量壓力值精度低的問題，優(yōu)化了芯片與傳感器模塊的設(shè)計(jì)方案，提高了對(duì)電磁脈沖的抗干擾特性，使設(shè)備有著高精度的數(shù)據(jù)采集能力。止血儀的雙供電系統(tǒng)和掉電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，解決了舊式止血儀受電源波動(dòng)干擾的問題，提高了設(shè)備工作的安全性，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。為止血儀的功能設(shè)計(jì)提供了一種新型的可靠方案。