基于LPC2478的三通道静脉麻醉输注系统设计*

2014-02-05陈宇珂张兴安覃健全窦建洪

中国医学装备 2014年9期

陈宇珂李爽袁凯张兴安覃健全窦建洪

陈宇珂①*李爽②袁凯③张兴安①覃健全④窦建洪①

目的：开发一种以LPC2478为控制核心的智能化三通道静脉麻醉药代动力学给药控制系统，以实现临床静脉麻醉精确、科学地给药。方法：采用两颗ARM微控制器LPC2478作为系统控制核心，分别完成药代动力学模型计算、直流电机驱动及外围数据采集和处理。结果：完成基于LPC2478三通道静脉麻醉输注系统的软硬件设计，系统根据患者体重、身高和性别，运用药动学模型实现静脉麻醉给药由粗放式向精细化、智能化给药。测试表明三通道静脉麻醉控制输注系统结构紧凑，密闭式环境下稳定运行，临床应用异丙酚、利多卡因血药浓度测定值与目标浓度值两者有良好的相关性，且与目标浓度的变化一致，二者之间的误差＜25%。结论：采用现代嵌入式技术通过药代动力学模型实现对给药速率的自动控制，降低了麻醉药物不良反应，提高了用药的安全性。

静脉麻醉；目标控制注射；嵌入式系统；药代动力学；微控制器

陈宇珂,男,(1971- ),博士，副主任技师。广州军区广州总医院医学工程科，从事医疗设备管理及嵌入式系统研发工作。

[First-author’s address]General Hospital of Guangzhou Military Command of PLA, Guangzhou 510010, China.

近年来，静脉麻醉已越来越为人们所接受，但是静脉麻醉药物存在安全范围窄的特点，需要临床麻醉师掌握好给药速率，保证患者的安全。因此，通过药代动力学模型实现对给药速率的自动控制，对于合理用药、减少不良反应、提高用药的安全性至关重要[1-2]。结合麻醉过程中患者意识消失、疼痛刺激反应以及脑电双频指数监测的研究，发现在麻醉、镇静中静脉麻醉药物的靶控输注相对于恒速输注在用药安全性上具有明显的优势，并且靶控输注可以明显改善患者的舒适性，提高检查效率[3-4]。

为满足临床静脉麻醉智能化给药的要求，以微控制器为核心，药代动力学模型为基础，设计研制基于LPC2478的智能化三通道静脉麻醉输注系统，通过调节血浆或效应室目标药物浓度控制麻醉深度，实现静脉麻醉科学给药；系统可将静脉麻醉过程中各种数据实时记录下来，使之成为电子病历的重要组成部分[5]。

1 三通道静脉麻醉输注系统结构

根据临床使用的要求，并考虑到手术室环境复杂，电磁干扰多，在静脉麻醉控制系统的设计中要求做到硬件电路以ARM单片机(Microcomputer，MCU)为控制核心，采用低电压设计，提高抗外界电磁干扰的能力；尽量减少系统的外围元器件，减小线路板尺寸，降低功耗，提高系统的稳定性；系统软件的程序结构采取模块化设计，以利于今后的升级；系统采用LCD显示，使之具有良好的操作界面和人机交互功能，并有效地降低整机体积和功耗[6-7]。

LPC2478是以ARM7TDMI-S为内核的微控制器，具有512 kB片内高速Flash存储器，该Flash存储器具有特殊的128位宽度的存储器接口和加速器架构，可使CPU以高达72 MHz的系统时钟速度按顺序执行Flash存储器的指令。这种特点只有LPC2000 ARM微控制器系列的产品才能提供。LPC2478还带有实时调试接口，包括JTAG和嵌入式跟踪在内，可以执行32位的ARM指令和16位的THUMB指令[8]。

LPC2478微控制器包括1个LCD控制器、1个10/100的以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4 kB终端RAM的USB全速Device/Host/OTG控制器、4个UART，2路控制器局域网(CAN)通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口和1个I2S接口；同时还带有1个片内4 MHz内部振荡器、98 kB RAM(包括64 kB局部SRAM、16 kB以太网SRAM、16 kB通用DMA SRAM和2 kB电池供电SRAM)以及1个外部存储器控制器(EMC)来支持上述的各种串行通信接口；这些特性使该器件最适用于那些便携式的电子产品，以及贩售终端(POS)等应用场合。同时还带有多个32位定时器、1个10位的ADC、10位的DAC、2个PWM单元和多达160个的高速GPIO。LPC2478微控制器中有64个GPIO管脚被连接到了以硬件为基础的向量中断控制器(VIC)上，因此，外部的输入可以产生边沿触发中断[12]。

LPC2478微控制器具有功耗低、运行速度快、接口丰富和内部程序存储器容量大等显著优点。通过将程序中包含的各种字库和图形，以及程序代码存储在片内程序存储器中，减少了外围元器件。较高的时钟频率保证了快速完成复杂的药代动力学参数运算和同外界设备实时通讯；低功耗运行可满足三通道静脉麻醉控制输注系统结构紧凑，密闭式环境下的稳定运行[9]。

2 三通道静脉麻醉输注系统硬件设计

系统采取双ARM微处理器结构，其中处理器1完成静脉麻醉药物的药代药效学计算；处理器2完成静脉麻醉各类信息采集处理和控制丝杆执行机构完成药物注射，其系统总体结构如图1所示。

图1 三通道静脉麻醉系统结构示意图

三通道静脉麻醉控制系统硬件部分主要包含以下5个功能模块。

(1)ARM单片机基本系统。即LPC2478与地址锁存器、数据存储器、振荡电路及复位电路等构成的一个最小的系统。

(2)电源部分。该部分将9 V电源转换为5 V、3.3 V和20.5 V供单片机系统和液晶显示系统使用。

(3)液晶显示电路。采用液晶显示器可以提供良好的人机界面，又可有效地降低整机功耗。

(4)RS232收发器及其他。控制系统同输注泵之间进行通讯需要通过RS232接口，而单片机USART同RS232之间要进行电平转换。

(5)报警模块。作为用于手术环境的设备，对于出现的各种异常情况，给出相应声、光报警，确保设备正常工作和患者的安全[10-11]。

3 三通道静脉麻醉输注软件设计

系统程序全部采用C语言设计编写，静脉麻醉控制系统的单片机控制软件采用易于维护和功能扩展的模块化结构，主要由初始化、速率实时计算、定时中断、数据显示、药代动力学方程计算以及键盘处理等模块组成[13]。为方便调用，均编写为子程序形式。整个程序设计在时钟中断和外部中断调度下并行运行，通过多级中断优先方式相互衔接来完成任务。

系统接通电源或复位后，对LPC2478的数据口、键盘、显示方式、中断方式及UART等进行初始化，当使用者按下“确认”键后主程序启动，在设定的时间间隔内向注射泵发出指令，改变注射速率，并随时查询注射泵的工作状态，保证系统工作正常，同时将各种信息显示在液晶屏上[12]。在系统程序的设计中，大量使用了子程序，其中包括中断子程序和一般子程序，使整个程序形成了各个功能独立的模块，主程序完成初始化和子程序的调用，这种模块化的设计方式有利于程序的调试、维护和今后系统软硬件的升级。整个系统程序包括核心控制模块、显示子程序、键盘管理、定时及错误处理模块[13]。

4 实验与分析

应用静脉麻醉控制仪静脉选择异丙酚、利多卡因，输入患者体重、身高、年龄和性别，确定目标浓度，键入给药命令，单片机静脉麻醉靶控输注系统按药代动力学参数给药，维持目标浓度。

手术患者在麻醉诱导前行颈内静脉穿刺，分别于麻醉前(空白对照)、睫毛反射消失、意识消失、切皮后和睁眼时取颈内静脉血4 ml，分离血浆测定异丙酚和利多卡因浓度，异丙酚和利多卡因血药浓度采用高效液相色谱法(紫外检测器)检测。手术过程中患者手术种类、年龄、体重及全身情况无明显差异。麻醉诱导至手术切皮时间、术终时间分别为20～38 min和120～140 min。异丙酚、利多卡因目标值与实测值的关系见表1。异丙酚、利多卡因的百分比误差(PE)分别为-20%和22.7%。

表1 静脉麻醉控制仪使用后不同阶段血浆实测药物浓度

麻醉阶段异丙酚利多卡因目标浓度实测浓度目标浓度实测浓度睫毛反射消失2.64±0.56 2.46±0.47 1.61±0.88 1.89±0.96意识消失3.29±0.68 3.08±0.54 2.52±1.24 2.74±1.56切皮4.25±0.84 3.76±0.66 3.75±1.17 4.03±1.75睁眼2.09±0.60 1.86±0.39 1.20±0.24 1.33±0.52

表1显示，异丙酚、利多卡因血药浓度测定值与目标浓度值两者有良好的相关性，与目标浓度的变化一致，二者之间的误差＜25%，在临床允许误差范围内表明异丙酚、利多卡因目标血浆浓度能够反映血浆实际药物浓度，同时证明单片机静脉麻醉靶控输注系统的控制精度较高。

5 结语

基于LPC2478微控制器的三通道静脉麻醉输注系统的设计和实现满足了临床静脉麻醉控制小型化的要求，有效保证了静脉麻醉平稳可靠，提高了临床静脉麻醉的精度，增加了静脉麻醉的安全性，系统麻醉信息的实时记录实现了静脉麻醉质量管理由终末质量控制转化为环节质量控制。

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The design based on microcontrollers LPC2478 for target controlled infusion of three channel/

CHEN Yu-ke, LI Shuang, YUAN Kai, et al// China Medical Equipment,2014,11(9):6-8.

Objective:To develop an intelligent three-channel intravenous anesthetics target infusionsystem by used LPC2478 as control core, in order to realize accurate and scientific clinical intravenous anesthesia.Methods:Using two ARM microcontrollers LPC2478 as the control core, completed pharmacokinetic model calculation, DC motor driver and peripheral data acquisition and processing.Results:A large number of tests show that system has high control accuracy, reliable operation,can meet the clinical needs. Realize the software and hardware design of three-channel intravenous anesthesia infusion system based on LPC2478. According to weight, height and gender of patient,realize the intravenous anesthesia drug delivery from the extensive to refining and intelligent based on pharmacokinetic model. The tests showed that the three-channel intravenous anesthesia control infusion system has compact structure. It can stable operate in the closed environment. The clinical application showed that measured value of blood drug concentration of propofol and lidocaine have good correlation with the target value, and the change is consistent, the error less than 25%.Conclusion:Based on the pharmacokinetic model and modern embedded technology, it can realize the automatic control of the drug delivery rate. This method can reduce adverse reactions of the anesthetic drug, and improve the safety of medication.

Intravenous anesthesia; Target control infusion; Embedded system; Pharmacokinetics; Microcontrollers

1672-8270(2014)09-006-03

R197.324

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.003