基于单片机辅助的导管球囊内压力自动调控仪的设计

罗林丽，周良学，莫思特，黄蔚

1.四川大学华西第二医院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大学华西医院 神经外科, 四川 成都 610041；3.四川大学 电气信息学院, 四川 成都610065

基于单片机辅助的导管球囊内压力自动调控仪的设计

罗林丽1，周良学2，莫思特3，黄蔚1

1.四川大学华西第二医院 麻醉科, 四川 成都 610041；2. 四川大学华西医院 神经外科, 四川 成都 610041；3.四川大学 电气信息学院, 四川 成都610065

目的 本文旨在介绍一种可自动调控医用导管球囊内压力的新型仪器的设计。方法 本文从导管球囊内压力自动调控仪的构成及硬件、软件设计三个方面进行了介绍；本仪器还设计一个液体和气体压力转换装置，从而达到测量充液球囊内压力的目的。结果 该仪器具有能实时显示球囊内压力，能自动调节球囊内的压力，维持球囊内压力恒定在设定的范围内并使球囊内压力在设定的条件下维持一定的充盈时间。可以自动在多种设定的工作条件之间切换并自动记录、存储测量到的数据。结论 该仪器智能化程度高，提高了临床操作的安全性和科学研究的精确性；减少了医务人员和科研人员工作的劳动强度。

导管球囊；压力自动调控仪；压力传感器

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课题背景：本研究受国家自然科学基金项目（30672026）资助，主要是针对目前临床工作中凭经验方法控制医用导管球囊内压力产生的弊端而进行的创新型设计，用以达到提高在控制医用导管球囊内压力时的临床安全性和科学研究的精确性的目的。

应用要点：本仪器可以广泛应用于需要对带有球囊的多种医用导管的球囊内压力的测量，例如：气管导管、喉罩、尿管、三腔二囊管等。本仪器可用于急诊科、麻醉科、重症监护病房、神经外科和消化科等需对安置的医用导管的球囊内压力进行监测的患者，还可用于相关的科学研究。

同行评价：本仪器智能化程度高，精确可控，可减少医务人员和科研人员工作的劳动强度，提高了临床管理的安全性和科研的精确性。仪器对测量数据的智能化管理功能，还为临床资料的调查和科学研究提供了方便。

在医疗工作中，由于观察和治疗的需要，常将不同的医用导管置入人体体腔内，例如：气管导管、尿管、血管内导管等。在置入导管的适宜位置上常设置一个或多个近似球形的球囊。球囊包绕在导管外壁上，有一定的弹性和可扩张性，并通过向球囊内注射气体和液体改变球囊的大小，使球囊对体腔的内壁施加一定的压力，保证置入的导管的球囊外壁和体腔的内壁表面紧密相贴，增加接触面的密封性，防止漏气、漏液或导管脱落。有证据证明：过高压力的球囊压迫体腔内表面的粘膜，短时间内就可以造成组织粘膜缺血、坏死、脱落，严重者甚至可以出现局部溃疡，愈合后形成瘢痕，导致体腔狭窄，对患者造成伤害[1]。而过低的压力可导致管道和体腔之间的密封性下降，造成漏气、漏液或导管脱落，也将增加临床工作的风险[2]。此外，对于长期安置体腔内导管的患者，如长时间手术患者、重症监护室中长期置管的危重患者，即使球囊内压力在安全的范围内也需要定期对球囊进行暂时减压后再恢复充盈状态，以恢复粘膜的正常血供， 防止严重并发症发生。

目前，对球囊内压力进行监测的通用方法，包括主观方法和客观方法。主观方法包括手捏感觉压力、定量充气法。这两种方法都依赖于操作者的主观感觉和经验，准确性极差。客观方法包括气囊压力计测量法和数字测压计方法[3]。气囊压力计是一个带手动打气皮囊的弹簧表，通过读取弹簧表刻度的方式读出球囊内的压力数值；数字测压计方法是通过电子传感器测量压力。两者准确度都比较高。但是，上述方法都只有测量压力功能，不能对球囊内压力实施自动调节，对压力的调节功能主要还是由医务人员来完成，因此，在实际工作中并未减轻工作人员的劳动强度。本文介绍了一种可自动调控导管球囊内压力的新型仪器的设计，可以克服上述方法和仪器的不足，为临床和科研提供了便利。

1 新型导管球囊内压力自动调控仪的构成

图 1 系统结构图

导管球囊内压力自动调控仪由硬件和软件两部分构成。硬件包括用于主控的单片机、压力测量调控器、人机交互操作按键、显示器和电源。压力测量调控器与单片机连接并通过管件与导管球囊的测压球囊连接，人机交互操作按键、显示器分别与单片机连接，电源与单片机和压力感应调控器连接，为它们提供工作电流。

为了进一步提高安全性和扩充使用功能，导管球囊内压力自动调控仪的单片机还连接有报警指示灯、报警扬声器和存储器，单片机上还设置有USB接口[4]，电源设置有电源指示灯。系统结构图如图1所示。

1.1 系统硬件设计

单片机是仪器的控制中心，选用MSP430单片机[5]并配置USB和rs232转换器（型号Link-Max USB-232，爱威轮工控生产），显示器选用通用点阵液晶显示器。压力测量调控器是该仪器的核心部分，由压力传感器、程控开关和程控充气泵构成[6-10]；程控开关与单片机连接，并通过管件与测压球囊和程控充气泵连接，在单片机的控制下处于关闭状态或进气状态或放气状态；程控充气泵与单片机连接，在单片机的控制下对导管球囊进行充气或停止运行；压力传感器安装在连接测压球囊和程控开关的管路上，并与单片机连接，将球囊内的压力信号通过压力信号处理电路12bit ADC转换为电信号传送给单片机，由单片机分析后向程控充气泵和程控开关发出指令，并在液晶显示器上显示球囊内压力（单位为mmHg）。压力传感器、程控开关和程控充气泵均由电源提供工作电流。压力测量调控器的结构和工作原理如图2所示。压力传感器选用于Motorola公司的MPX5010，MPX5010的灵敏度为4.413mV/mm H2O，宽度为11.28mm，长度为18.01mm，高度为12.70mm。 程控开关为直动式电磁阀，型号GPF12-10A；程控充气泵选用PSF6003的空气泵。

图 2 压力测量调控器的结构和工作原理图

压力信号处理电路包括信号放大器、低通滤波器和A/D转换器。电原理图如图3所示，U1(型号OPA335，TI公司生产)与R68、R42、C12组成信号放大器与低通滤波器，U2(型号DS1252，TI公司生产)与R44、R45组成A/D转换器。X3为有源晶体振荡器，为U2提供时钟源。

图 3 压力信号处理电路原理图

为了满足临床和科研的多种需要，尤其是保证临床治疗和观察的顺利进行，压力测量调控器与测压球囊之间的管路上设置了切换阀，通过调节切换阀，可在对导管球囊自动调控充气放气与手动充气放气之间切换，当切换到手动充气放气时，可用注射器进行充气放气。

上述构件既可集中于机壳内安装，组装成便携式仪器。同时，压力测量调控器也可单独作为活动的工作模块以插件的方式配置于现有的生命体征监护仪中使用。

1.2 系统软件设计

系统的软件设计包括单片机的应用程序与压力调控部分的控制程序，是在MSP430 单片机的开发平台IAR Embedded Workbench下采用C语言编写，仿真机采用了TI公司的MSP- FET430P410[3]，主要工作程序如图4所示。

图 4 压力测量调控部分和单片机工作流程图

2 主要功能

导管球囊内压力自动调控仪具有以下功能：实时显示球囊内压力；根据设定的压力模式自动调节球囊内的压力，维持球囊内压力恒定在设定的范围；使球囊在设定的压力下维持一定的时间；可自动在多种工作模式之间切换，例如：使球囊在某种设定压力下（如20mmHg）维持一定时间后自动转换到另一种压力状态（如35mmHg）并维持一定时间；或使球囊在设定压力（如20mmHg）的充盈状态维持一定时间（如2h）后自动减低压力在萎陷状态维持一定时间（如5min），然后又恢复到设定压力（如20mmHg）的充盈状态，这一功能尤其适用于重症监测病房的患者；可自动以趋势图和数据两种方式记录存储以往设定的工作模式和实际测量数据，方便资料回顾；通过USB接口，下载存储数据，同时上传新工作程序，根据实际工作需要更新仪器内部的系统参数；具有在设定报警条件下报警功能，而且可对报警音类型、音量、报警次数、持续时间、间隔时间、报警后无应答处理方式等进行设定；可实时显示电源工作状态；设置有切换阀，可方便在手动和自动充气两种操作方式之间切换。

3 结束语

本文所述的医用导管球囊压力自动调控仪具有结构简单、智能化程度更高、体积更小、操作方便、经济实用等优点。该仪器已在临床和科研中进行了试用，由于其更精确可控，因而可克服根据经验和主观判断进行操作的盲目性，避免了相关并发症对患者的伤害，减少了医疗风险和医疗纠纷，减少了医务人员和科研人员工作的劳动强度，提高了临床操作的安全性和科研的精确性。仪器自动记录回顾性资料的功能，还为临床资料的调查和科学研究提供了方便。此外，配置一次性使用管件和液体与气体压力转换器后还可适用于多种充液导管球囊内压力的实时监测与调控。

[1] Deslee G, Brichet A, Lebuffe G, et al． Obstructive fibrinous tracheal pseudomembrane． A potentially fatal complication of tracheal intubation[J]．Am J Respir Crit Care Med,2000,162: 1169-1171．

[2] Estes RJ, Meduri GU． The pathogenesis of ventilator associated pneumonia: I． Mechanisms of bacterial Tran colonization and airway inoculation[J]．Intensive Care Med,1995,21:365-383．

[3] 应俊,等．人工气道专用套囊压力控制设备的研制[J]．中国医疗设备,2007,22(9):7-8．

[4] 谭保华,王堃,熊健民．基于USB总线技术的高速数据采集卡研制[J]．计算机测量与控制, 2008,16(12):1982-1984．

[5] 徐景波．基于MSP430的智能测控模块的设计与实现[J]．微计算机信息,2008,24(14):98-100．

[6] 简林祥．数据采集系统的探讨[J]．福建电脑,2008,24(12):172-173．

[7] 姬忠校,董惠．基于FPGA的智能压力传感器系统设计[J]．计算机测量与控制,2008, 16(10):1516-1518．

[8] 宋家友．集成电子线路设计手册[K]．福州:福建科学技术出版社,2002．

[9] 王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2005．

[10] A·E ·乌伯三世,A·D·希施曼,D·M·格利非斯,et al．用于供应危险流体的流体供应系统、装置和方法:中国, CN1787848[P]． 2006-06-14．

Design of An Automatic Regulator of Catheter Sacculus Pressure Based on Single Chip System

LUO Lin-li1, ZHOU Liang-xue2, MO Si-te3,HUANG Wei1

1. Anaesthesia Department,West China Second Hospital, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610041,China;2. Neurosurgery,West China Hospital, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610041,China;3. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China

Objective To introduce the design of an automatic regulator of catheter sacculus pressure based on single chip system. Methods This paper introduces the instrument from aspects of the composition and the design of hardware and software. The instrument has been designed to be able to convert liquid and gas pressure to measure the pressure of liquid-filled cuff. Results The instrument can demonstrate the pressure inside cuff simultaneously. At the same time it can control the inner pressure of cuff automatically, maintaining the inner pressure constantly at a steady range and sustain certain filling duration of inner pressure after setting. It also can switch between different conditions, record and store the data automatically. Conclusion With a high degree of intelligence, the instrument not only improved the security and accuracy of scientific research and clinical work, but also reduced the labor intensity of medical personnel and researchers' work. It brings the convenient for clinical investigation and scientific research.

catheter sacculus;automatic pressure regulator; pressure sensors

TH812+.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.009

1674-1633(2010)06-0027-03

2009-11-11

2010-01-29

国家自然科学基金项目（30672026）资助。

专利：获国家发明专利（ZL200610021137．0）。

本文作者：罗林丽，硕士研究生，主治医师，主要从事研究妇产科麻醉。

黄蔚，教授，主要从事研究妇产科麻醉。

作者邮箱：linli-luo@163．com