智能人体缺血预适应治疗机的设计

魏宏波

智能人体缺血预适应治疗机的设计

魏宏波

目的：为了调动机体的自身防御和修复机能，有利于中风后神经系统的修复，设计人体缺血预适应治疗机。方法：根据人体远端缺血预适应疗法原理，由MN101EF32D单片机控制2个微型充气泵，分别给2个袖套充气加压至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），使治疗者上肢血供彻底阻断，并恒压维持5 min，反复地造成肢体短暂的、可逆性缺血、缺氧，刺激机体产生内源性介质，以达到治疗目的。结果：该治疗机使治疗过程更加简洁方便，提高了治疗的自动化程度，且运行稳定、安全可靠、携带方便。结论：该治疗机具有成本低、功耗小、自动化程度高的优点，能满足心脑血管疾病高危人群辅助治疗的要求，具有广阔的应用前景。

缺血预适应；单片机；恒压；自动控制

0 引言

随着社会节奏的加快和老龄人口的增多，患心脑血管疾病的比例也在上升。心脑血管疾病致死率、致残率极高，对患者家庭和社会带来了很大的负担。近年来，国内外众多学者对人体远端缺血预适应疗法进行了广泛的研究[1-4]，研究表明该疗法为无创治疗，适应范围广，可有效提高人体对缺血、缺氧的耐受力，增加了进一步干预治疗的时间和机会。这种治疗方法通过人为反复地造成肢体短暂的可逆性缺血、缺氧，刺激机体产生内源性介质，促进人体备用的侧枝循环启动和新建，提高机体对缺血、缺氧的耐受力。另外，研究还发现，通过肢体的反复缺血、缺氧锻炼，还可调动机体的自身防御和修复机能，有利于中风后神经系统的修复，提高康复训练的效果[5]。该疗法理论上比较成熟，但在临床上基本上处于人工操作状态，通过手动给袖套打气加压进行治疗，操作很不方便。能够应用该疗法自动控制进行治疗的设备尚未见到，为此我们设计开发了智能人体缺血预适应治疗机，具有运行稳定、操作简单、安全方便、智能化程度高等特点。下面着重论述该治疗机的开发过程。

1 智能人体缺血预适应治疗机的总体设计思路

缺血预适应治疗机的设计思路是：由MN101EF32D单片机控制，给2个袖套中的一个充气加压至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），使治疗者上肢血供彻底阻断，并恒压维持5 min，然后打开气阀，使袖套全部放气，同时启动另一路充气系统，为另一个袖套充气，同样也恒压维持在200 mmHg，持续5 min。以此类推，循环3次结束。同时设计一套液晶显示器（liquid crystal display，LCD）的显示系统，使袖套内的压力可以实时在数码显示器上显示，并显示倒计时和出错提示。从安全角度出发，设计异常处理系统，如果充气一直不停，则系统马上报警并复位放气。同时，系统设置有低电压自动报警提示。设计总体结构框图如图1所示。

2 硬件的选配

2.1 微型充气泵和袖套选配

微型充气泵和袖套是缺血预适应治疗机工作的最主要设备之一，充气泵要求体积小、功耗低，最大充气压力＞250 mmHg。设计中选用了深圳市创兴电机有限公司的JQB370-6A微型充气泵，外径尺寸Φ27mm，额定电压6.0 V，额定电流≤400 mA，流量2.0 L/min，最大压力＞400 mmHg，完全满足设计需要的200 mmHg。袖套选用14 cm×22 cm的成人标准捆绑式血压计袖带。

图1 缺血预适应治疗机结构框图

2.2 压力传感器选配

压力传感器是测量袖套内压力的关键部件，它决定着测量的灵敏度和恒压的控制精度。压力传感器返回的信号容易受到袖套捆绑的位置、松紧程度和上臂移动带来的干扰，因此，要求所选压力传感器灵敏度高、精确性好、延时性低，具有高增益、低漂移和高共模抑制比等特征。为此，本设计选用了Motorola公司的MPX5050GP硅压力传感器，该压力传感器驱动电压5 VDC，零点偏移电压0.2 V，满量程输出4.7 V，灵敏度为90 mV/kPa，反应时间1.0 ms，在0～85℃的最大误差为2.5%。且具有温度补偿和放大功能，通过接口可以直接与单片机相连，使用十分方便。本设计需要的最大压力为200 mmHg，该传感器测量范围为0～375 mmHg，完全满足设计需要。

2.3 单片机选择

单片机是机器控制系统的核心，本设计选用了松下公司的MN101EF32D系列8位单片机，该单片机具有功能多样、硬件结构灵活、指令简洁高效等特点。MN101E32D型单片机内置最大Flash 64 KB、4 KB RAM，包含6个外部中断、21个内部中断，有9个定时器计数器、4个系统串口、32×4段LCD驱动器、监视定时器，并且能够实现同步输出以及蜂鸣器等外围功能。该单片机工作电压为2.5～5.5 V，工作温度范围为－40～85℃，封装为64引脚LQFP。根据设计目标，本系统设计有如下功能：

（1）采用10位A/D采样电路实现袖套内压力值的测量。（2）利用LCD显示控制端口直接驱动32×4段的LCD，实时显示袖套内压力和时间。（3）利用单片机的定时器功能，对A/D数据采样时间及充放气时间进行定时。（4）测量值的显示方式可以选择mmHg或者kPa[5]。

2.4 电源设计

电源设计采用6 V直流（4节5号标准碱性干电池，1.5 V/每节）供电，并预留有外接电源口，可通过预留口由220V转6V适配器进行供电，电源经过5V稳压管给MN101EF32D单片机供电，微型充气泵和电磁阀直接由6 V电源供电，通过显示器和蜂鸣器对低电压进行自动报警提示。电源开启采用开关电源进行硬件控制，治疗结束后采用软件控制的方法使系统进入待机状态，若需要再进行一次治疗，则按相应按键进入治疗过程，彻底关闭利用开关电源实现。在待机状态时除了稳压模块外，其他芯片处于断电状态，功耗较低。为使单片机内部电源稳定化，在VDD和VSS引脚之间连接10 μF的旁路电容，单片机不使用的引脚插入10 kΩ的电阻上拉或下拉。

2.5 显示系统设计

LCD显示窗如图2所示，用于观察袖套内压力和持续时间。设计采用MN101EF32D芯片内置的LCD驱动模块驱动显示器，单片机的LCD输出端口分别与LCD的8段显示控制端相连接，构成片选控制端，单片机的段输出引脚分别接到LCD管位控制端。当程序控制单片机发送相应的字符时，LCD便会有相应的显示，从而实现袖套压和时间显示。MN101EF32D芯片内置32个段引脚、4个公用引脚的LCD驱动电路，由段输出锁存、LCD控制寄存器、预分频器、时序控制电路、多路调制器、分段驱动器、公用驱动器、分压电阻构成。系统加电后先初始化LCD方式控制寄存器，用来对LCD时钟、LCD显示的ON/OFF、显示占空比等进行设置。LCD驱动使用段输出引脚（SEG0～SEG31）、公用输出引脚（COM0～COM3），可以进行静态显示、动态显示。多路调制器时，以时序控制电路信号为基础选择段输出锁存数据，提供给段驱动器，段驱动器根据供给LCD电源的电压，将段数据锁存内容变成可以驱动LCD的信号，再输出段信号。

图2LCD显示窗

2.6 袖套恒压系统设计

袖套恒压是由单片机控制微型气泵和电磁阀充、放气的结果。当单片机引脚输出高电平时，微型气泵和电磁阀立即工作，袖套开始被充气。当其内压力达到200 mmHg时，压力传感器发出压力上限信号，经过单片机运算，在对应输出端口产生低电平信号，使气泵和气阀停止工作；当袖套内压力低于200 mmHg时，压力传感器发出压力下限信号，单片机经过运算在对应输出端口产生高电平，气泵和电磁阀再次启动，从而实现袖套内恒压[6-7]。

由于选用的MN101EF32D单片机I/O引脚输出电流最大只有20 mA，而微型充气泵和电磁阀的额定电流都达几百毫安，为此，设计中在单片机和微型气泵间加用TIP122达林顿晶体管，该晶体管集电极电流可达2 A，基极电流可达50 mA。通过控制TIP122的基极电平，实现袖带的充气和放气。由于气泵和电磁阀内部都有线圈，易产生感性负载，为防止烧毁器件，加用续流二极管IN4148，如图3所示。为了保证安全，系统采用常开气阀，当系统复位时能够自动放气，从而避免气阀损坏时出现危险。

图3 恒压充放气驱动电路图

3 系统软件设计

系统软件开发包括信号的采集处理程序，微型充气泵与电磁阀的驱动与控制程序，时钟、显示器、键盘及蜂鸣器等相关接口程序的设计。软件的主要工作流程为：上电后，首先进行系统的初始化，当开始键被按下时，第一组充气泵所连单片机端口产生高电位，充气泵开始工作，放气阀关闭，使第一组袖套迅速充气至200 mmHg左右，单片机通过1路A/D电路开始采集袖带的气压，并将袖带内实时气压和200 mmHg进行比较，用来控制气泵和气阀的充气或放气，维持袖套内气压恒定在200 mmHg左右。同时显示器显示袖套内实时压力和时间，计时器开始由5 min倒计时。当计时器倒计时到0时，单片机连接第一组气泵和气阀的端口变为低电平，第一组袖套快速排气，同时连接第二组气泵和气阀的单片机端口由低电位变成高电位，控制第二组气泵和气阀进行工作。同样将第二组袖套充气至200 mmHg，并恒压维持5 min，显示屏上实时显示第二组袖套内气压，依次循环，进行3次，共30 min。然后蜂鸣器报警，结束治疗返回待机状态。系统运行程序如图4所示。

图4 系统运行程序框图

编程时从安全角度出发，还要考虑到以下异常情况的处理：

（1）如果袖套内压力大于220 mmHg，充气泵仍充气不停，则系统马上报警并复位放气，返回待机状态。

（2）如果充气泵工作超过30 s，对应袖套内压力低于90 mmHg，则系统马上报警并复位放气，返回待机状态。

以上程序流程用C语言编程，通过C语言编译器解析生成代码，用keil软件和proteus联合调试。运行方式为3级（取指、解码、执行）流水线处理，在执行指令的同时，读取、解读其他指令，结束执行指令后，立即开始执行下一个指令。使用流水线处理就可以连续地执行指令，提高指令的执行速度。通过指令队列和指令解码器进行流水线处理，指令队列由硬件自动控制，所以在编程时不需考虑。但是计算指令执行时间时，就要考虑到指令队列的操作，通过微程序控制，指令解码器生成指令执行每个周期的控制信号，并在需要控制信号的前一个周期利用流水线处理来解读指令队列的内容[8-9]。

4 结语

通过实验应用发现该系统具有成本低、功耗小、自动化程度高的优点，系统运行稳定、操作简单、安全可靠、携带方便，达到了预期目标，能够较好地满足心脑血管疾病高危人群辅助治疗的要求，有广阔的市场前景。

[1] WANG C L，XU P C，ZENG Y M，et al．The effect of ischemic preconditioning on striatal dopamine and its metabolites after cerebral isehemia——reperfusion in gerbils[J]．Chin Pharmacol Bull，2005，21（2）：58-61．

[2] Pasupathy S，Homer V S．Ischaemic preconditioning protects against ischaemia/reperfusion injury：emerging concepts[J]．Eur J Vase Endovasc Surg，2005，29（2）：106-115．

[3] 马春，罗玉敏，吉训明.短暂肢体缺血预适应对远隔组织器官保护作用的临床研究进展[J].中国脑血管病杂志，2011，2（2）：108-111.

[4] 党莎，罗玉敏，吉训明.人重复肢体缺血对血压、心率及组织氧饱和度的影响[J].基础医学与临床，2008，11（11）：1 203-1 204.

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[6] 张旭，欧阳斌林，李景辉，等.便携式电子血压计连续动态监测的设计[J].电子科技，2010，23（5）：76-80.

[7] 张晓兰，何琳，胡志刚，等.基于MSP430的防水型电子血压计设计[J].测控技术，2013，32（2）：10-13.

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[9] 江力.单片机原理与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2006：70-76.

（收稿：2015-01-04 修回：2015-04-20）

Design of intelligent ischemia preconditioning treatment apparatus

WEI Hong-bo
(Department of Electromechanical Engineering,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016,Shaanxi Province，China)

ObjectiveTo mobilize the body's own defense and repair function and help the nervous system repair after stroke according to the remote ischemic preconditioning therapy principle.MethodsTwo miniature inflating pumps were controlled by MN101EF32D single chip microcomputer to impose 200 mmHg(1 mmHg=133.322 Pa)pressure on two cuffs in turn to block the upper limb blood supply completely.Every pressing process lasted 5 min,and repeated,transient and reversible ischemia and hypoxia might stimulate the body to produce endogenous mediators.ResultsIt proved that the apparatus simplified the treatment and enhanced the automation with high stability,safety,reliability and portability.ConclusionThe apparatus gains advantages in low cost,low power consumption and high automation,and can be used for auxiliary treatment of cardiovascular and cerebrovascular diseases patients.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：29-31]

ischemic preconditioning;single chip microcomputer;constant pressure;automatic control

R318.6；TH772.1

A

1003-8868（2015）08-0029-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.029

宝鸡文理学院重点科研项目（13JG14，ZK15030）

魏宏波（1974—），女，副教授，主要从事CAD/CAM、机械设计制造及其自动化、智能检测技术方面的研究工作，E-mail：cdnkwhb@163.com。

：721016陕西宝鸡，宝鸡文理学院机械工程学院（魏宏波）