基于单片机辅助的颈动脉血流体外智能阻断仪的设计

周良学，罗林丽，游 潮，莫思特

基于单片机辅助的颈动脉血流体外智能阻断仪的设计

周良学，罗林丽，游 潮，莫思特

目的:设计一种可智能调控颈动脉体外阻断压力和阻断效果的新型仪器，以防止压迫移位。方法:系统硬件选用MSP430单片机，配置RS232转换器和USB，压力调控器由压力传感器、驱动电路、压力信号处理电路、充气泵和放气阀构成；系统软件包括单片机应用程序与压力调控器控制程序，采用C语言编写，仿真机采用MSP-FET430P410。结果:经试用，该仪器可根据被压迫的颈动脉血流的阻断情况反馈调节压力调控器的输出充气压力，自动以设定压力和时间或以设定压力梯度完成颈动脉压迫。结论:该仪器减小了医务人员的劳动强度，提高了临床安全性和科研精确性，其自动记录和存储功能还为科学研究和临床资料收集提供了方便。

颈动脉血流；单片机；血氧饱和度；压力传感器

0 引言

在某些颅内疾病的检查和脑血管疾病的术前适应性训练时，需要由医生或患者徒手压迫颈动脉来实现阻断患者颈动脉血流的目的[1]。由于操作者因疲劳产生的压迫部位移位或压迫力度下降，将严重影响检查和适应性训练的效果。目前，临床上已有可用于阻断颈动脉的机械式颈动脉压迫器械，可基本解决压迫移位的问题[2]。机械压迫装置不能实时评价颈动脉阻断效果，因而不能根据血流阻断效果的实时反馈调整颈动脉阻断参数，由此本文将介绍一种新型的颈动脉血流体外智能阻断仪。

1 颈动脉血流体外智能阻断仪设计

颈动脉血流体外智能阻断仪包括机械压迫组件和电子调控装置2个部分。机械压迫组件与临床常用的机械式颈动脉压迫器械机构基本相同，通过颈托和支架将患者颈部固定，便于颈动脉压迫件的气囊压头给予施压。电子调控装置包括硬件和软件，硬件包括单片机、压力测量调控器、血氧饱和度监测探头、血氧饱和度信号处理电路、按键、显示器、存储器和电源。血氧饱和度监测探头通过血氧饱和度信号处理电路和单片机连接，压力调控器一端通过管件与颈动脉压迫件的气囊连接，另一端与单片机连接。该装置还设置了电源指示灯、报警扬声器、报警指示灯和USB接口[3]。系统结构图如图1所示。

1.1 系统硬件设计

选用MSP430单片机[4]，配置RS232转换器和USB；压力调控器由压力传感器、驱动电路、压力信号处理电路、充气泵和放气阀构成[5-6]；压力传感器、放气阀、充气泵、压头气囊用气管连接并构成密封气路，具有相同的气压。压力传感器用于气压测量，放气阀用于减压，充气泵用于增压。压力传感器通过信号放大电路和低通滤波器的放大和滤波，输出模拟信号，模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，输送给单片机。单片机收到压力传感器的数字信号后，判断压力值大小，如果判断压力过大，则通过驱动电路驱动放气阀，减小密封气路气压；如果压力过小，则通过驱动电路驱动充气泵充气，增加密封气路气压并在液晶显示器上显示压头气囊内压力。压力调控器的工作原理和结构如图2所示。

图1 系统结构图

图2 压力调控器的结构和工作原理图

压力信号处理电路由A/D转换器、信号放大器和低通滤波器构成，电路原理图如图3所示。R42、R68、C12与U1（OPA335）组成低通滤波器与信号放大器，R44、R45与U2（DS1252）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

血氧饱和度信号处理部件是该仪器的另一个核心部分，结构和工作原理如图4所示。通过与颈动脉压力自动调控装置配套的血氧饱和度监测探头，仪器可自动接收颈动脉远心端的脉搏波光信号，并转换成电信号输送给信号放大器，通过低通滤波和A/D转换后输送给单片机。在单片机的控制下，交替控制血氧饱和度探头红色和红外灯的亮与灭，并接收光电传感器在红色或红外灯点亮时的幅度信号，通过血氧饱和度计算方法可以算出血氧饱和度值。单片机可根据所计算得到的血氧饱和度数值变化自动反馈调节颈动脉压迫件气囊压头内的压力，从而自动调节所施加在颈动脉上的压力。

图4 血氧饱和度信号处理电路的结构和工作原理图

颈动脉压力自动调控装置中的各电子元件集中组装成便携式仪器。机壳壁上设有内置电源充电插孔和USB插孔，机壳表面安装有显示屏、操作按键、电源指示灯和报警扬声器。

1.2 系统软件设计

系统软件设计包括单片机应用程序与压力调控器控制程序，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TI公司的MSP-FET430P410[7]，主要工作程序如图5所示。

图5 压力调控部分和单片机工作流程图

2 功能

颈动脉血流体外智能阻断仪的功能为：根据颈动脉远心端血氧饱和度数值反馈调节压力调控器的输出压力；实时显示颈动脉阻断压力和阻断时间；设置充气压力，充气、放气压力梯度以及充气和放气时间；可手动计时、紧急减压；设定阻断有效的血氧饱和度数值标准和提示音类型；自动记录、传输和存储数据。

3 结语

该仪器具有智能化程度高、准确性好、操作方便等优点，可克服根据经验和主观判断进行操作的盲目性，保证了阻断效果，减小了医务人员的劳动强度，提高了临床安全性和科研精确性，其自动记录和存储功能还为科研和临床资料的收集提供了便利，可以推广应用。

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（收稿：2014-07-24 修回：2014-11-10）

Design of SCM-assisted intelligent instrument for carotid blood flow occlusion in vitro

ZHOU Liang-xue1,LUO Lin-li2,YOU Chao1,MO Si-te3
（1.Department of Neurosurgery,West China Hospital of Sichuan University,Chengdu 610041,China;2.Department of Anesthesiology,West China Second Hospital of Sichuan University,Chengdu 610041,China;3.School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065,China）

ObjectiveTo design an intelligent instrument to regulate the blocking pressure and effect of carotid blood flow in vitro to avoid pressure-induced displacement.MethodsThe instrument involved in MSP4230 microcomputer with RS232 converter and USB,as well as the pressure regulation unit composed of the pressure sensor,driver circuit,pressure signal procession circuit,inflation pump and exhaust valve.C language was used to develop microcomputer application program and pressure regulation unit control program.MSP-FET430P410 simulator was also applied in the study. ResultsTrials proved that the instrument could regulate the output inflation pressure of the control unit according to the state of the blocked carotid blood flow,and could realize carotid compression with desired pressure and time or with desired pressure gradient.ConclusionThe instrument reduces the workload of medical staff and increases clinical safety and accuracy in science and research,and lays a foundation for collecting clinical materials with its functions of automatic recording and storage.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：29-31]

carotid blood flow;SCM;oxyhemoglobin saturation;pressure sensor

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2015）06-0029-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.029

国家自然科学基金项目（81372446）

专 利:国家发明专利（ZL 200910058468.5）

周良学（1974—），男，博士后，副教授，主要从事脑肿瘤基础与临床方面的研究工作，E-mail:zhlxlll@163.com。

610041成都，四川大学华西医院神经外科（周良学，游 潮）；610041成都，四川大学华西第二医院麻醉科（罗林丽）；610065成都，四川大学电气信息学院（莫思特）

莫思特，E-mail:mosite@scu.edu.cn