颅内压与颅内温度监护系统的研制

刘玉冰，张言，钱诚，王宏，钱志余，李韪韬（南京航空航天大学生物医学工程系，江苏南京 210016）

颅内压与颅内温度监护系统的研制

刘玉冰，张言，钱诚，王宏，钱志余*，李韪韬
（南京航空航天大学生物医学工程系，江苏南京 210016）

摘要：目的 为了实现对神经外科手术病人的监护，克服现有监护设备监测参数单一、使用价格昂贵的问题，论文研发了一套颅内压与颅内温度多参数监护系统。方法 实现了一个基于压阻传感器和热敏电阻的微创多参数检测探头，开发了基于μ C/OS-II的监护主机，该主机能够对探头测量的信号进行处理，并将结果转换为颅内压与颅内温度。同时，为了提高测量精度，论文设计了实验对检测探头的压力和温度进行定标和补偿。结果 监护系统能够同时测量颅内压与颅内温度，并实现了数据的实时显示、存储和报警等功能。结论 监护系统的测量精度和范围能够满足临床的要求，具有重要的临床价值。

关键词：神经外科；微创探头；温度补偿；μ C/OS-II

1　引言

临床上持续性的颅内压（Intracranial pressure， ICP）增高将会引发脑移位、脑疝等，颅内压监测对了解患者病情，制定有效的治疗方案具有重要的临床意义［1，2］。有创颅内压监测，其测量结果可靠，是临床上颅内压测量的金标准［3，4］。目前，临床上有创颅内压监测设备主要有美国强生公司的Codman颅内压监护仪［5，6］、法国Sophysa公司的Pressio多参数监护系统和美国Integra LifeSciences公司的Camino系列颅内压监护仪［7，8］。其中，Codman颅内压监护仪只能监测颅内压参数值，无法显示颅内压波形，其压力传感器为压阻式传感器；Camino系列颅内压监护仪可监测颅内压及颅内温度等参数，但是压力传感器为光纤式传感器，在临床上使用时容易折断。同时，上述监护仪的探头价格昂贵，大大阻碍了颅内压测量在临床神经外科监护上的大范围使用。

已有研究表明，颅内温度对脑损伤病变范围和发展趋势具有重要影响［9，10］。例如，神经外科手术病人发生颅内感染时，颅内温度的变化往往先于颅内压的变化发生。在亚低温治疗颅脑损伤的过程中，其治疗效果明显受颅内温度影响：温度过高达不到治疗目的，温度过低则易引发并发症［11］。因此，持续性的颅内温度监测对颅脑损伤患者而言具有较大的指导和参考意义。

为克服现有颅内压监护设备测量参数单一和使用价格昂贵等局限性，论文研制了一套基于压阻传感器和热敏电阻的颅内压与颅内温度微创多参数监护系统。该系统主要由监护仪主机和检测探头两部分组成。该系统可以连续测量病人颅内压力和颅内温度数据，实现了颅内压和颅内温度参数的数值及波形显示、报警、数据存储等功能。

2　系统硬件设计

2.1系统框图及硬件电路

颅内压与颅内温度监护系统的硬件原理框图如图1所示。工作流程是：检测探头上的传感器将颅内压力和温度转换为电信号，电信号经过模拟前端进行放大和滤波，再经过AD采样和数据处理，最终成为对应的颅内压和颅内温度数据。同时，监护系统可以实现颅内压与颅内温度的数值及曲线显示；当颅内压超过预定警戒值及其它紧急情况时开启声光报警；存储监测数据等。

论文选用STM32F373VCT6单片机作为颅内压与颅内温度监护系统的主控制器，其两组16位SDADC和DMA可以实现μV级信号的高速采样和缓存［12］。因此，可实现对检测探头中压力传感器和温度传感器的输出电压进行采样。图2为压力传感器的差动放大电路原理图，其中虚线框里表示的是压力传感器。论文采用的压力传感器表面有一层对压力敏感的感受膜片，膜片上下各有1个扩散电阻，当膜片发生应变时， 2个扩散电阻的阻值反向变化。压力传感器与片外2个固定阻值的电阻组成惠斯通电桥，当加上激励电压后，由压力引起的扩散电阻的阻值变化就会以差动电压的形式表现出来。将惠斯通电桥输出的差动电压接至两个运算放大器的同相输入端，构成差动放大电路［13］。

论文对温度传感器输出信号的采样是将热敏电阻与一个高精度参考电阻组合成串联电路，通过SDADC采样得到热敏电阻两端压降，其压降变化幅度通常为几十毫伏。

图1　颅内压与颅内温度监护系统的硬件原理框图

图2　压力传感器的差动放大电路原理图

2.2颅内压与颅内温度检测探头设计

论文设计并制作了颅内压与颅内温度检测探头［14］，该探头结构如图3所示。颅内压参数监测选用美国GE公司的压阻式压力传感器；颅内温度监测选用日本芝浦公司的NTC型热敏电阻。其中，压力传感器尺寸为1.15mm×0.725mm×0.17mm；温度传感器玻璃端直径最大为0.55mm，长度为1.1mm。在图3中，检测探头［15，16］主要由表面开窗的筒状钛合金零件、压力传感器、温度传感器、漆包线（五根铜导线）、尼龙导管及带有插接件的小型电路板（位于导管末端，通过导线与传感器连接）组成。探头制作流程为：将温度传感器置于钛合金零件内部并使用胶水固定；将压力传感器置于钛合金零件的表面，并覆盖硅胶进行电气隔离和保护；随后利用漆包线将两个传感器的电极引出，并在漆包线外使用尼龙导管进行电气隔离和保护；最后，将漆包线中的铜导线分别焊接至小型电路板上。

图3　颅内压与颅内温度检测探头示意图

3　颅内压与颅内温度监护系统嵌入式软件设计

论文选用嵌入式实时内核μC/OS-II［17］开发颅内压与颅内温度监护系统软件。论文按照监护系统的功能进行任务划分，包括初始化任务、按键处理任务、采样任务、显示任务、报警任务、电量扫描、时间刷新任务等，其系统软件流程图如图4所示。同时，根据任务的实时性要求、重要程度、执行周期和CPU占用时间等因素为各任务分配了优先级，具体任务优先级分配如表1所示。

图4　系统软件流程图

表1　任务优先级分配

4　探头定标和补偿实验

4.1压力温度定标实验

传感器的输出特性易受环境因素影响，本论文设计定标实验［18］测试探头压力传感器、温度传感器的性能，实验示意图如图5 所示。首先，将检测探头垂直插于密封管中，密封管放置于恒温槽中（SC-25），恒温槽温度分别设定为20℃、30 ℃、37 ℃、40 ℃和45 ℃。然后低压测试泵（Fluke 700LTP1）通过导管向密封管中施加压力，压力值由压力校准仪（700G04）进行调节监控，压力分别以1 mmHg为增量从0 mmHg逐步增加到20 mmHg。同时，将检测探头中压力传感器的输出端接至万用表1（Keysight 34465A），温度传感器的输出端接至万用表2（Keysight 34465A）。

图5　定标实验示意图

压力传感器的输出电压Up与压力p、温度t的关系曲线如图6所示。图6（a）表明在同一温度条件下，压力传感器的输出电压Up与压力p之间存在线性关系，线性度为1。图6（b）显示当压力为10mmHg时，压力传感器的输出电压Up随着温度t的升高而变小，符合NTC型热敏电阻的特性，也进一步证明了该压力传感器存在温度漂移，需对其进行温度补偿。

图6　压力传感器输出Up与压力p、温度t的关系曲线。（a）不同温度下压力p与压力传感器输出Up的关系曲线；（b）10mmHg下温度t与压力传感器输出Up的关系曲线。

温度传感器的输出电压Ut 与压力p、温度t的关系曲线如图7所示。图7（a）表明在同一压力条件下，温度传感器的输出电压Ut与温度t之间存在线性关系，其线性度为0.997。图7 （b）显示当温度相同时，温度传感器的输出电压Ut随着压力的升高基本无变化，说明压力对温度传感器输出特性的影响可以忽略不计。不受压力影响。温度传感器的输出电压值可直接用于计算温度。

图7　温度传感器输出Ut与温度t、压力p的关系曲线（a）不同压力下温度t与温度传感器输出Ut的关系曲线；（b）30 ℃下压力p与温度传感器输出Ut的关系曲线。

4.2压力传感器的温度补偿方法

根据4.1节中压力传感器和温度传感器关系曲线，论文设计了如下所述的温度补偿方法［19］。

首先，设压力传感器在参考温度下的定标结果为：

式中，k0、z0、 U0分别为参考温度下的压力传感器灵敏度、压力传感器零点值及压力传感器电压输出值。

当温度为t时，未经过补偿的压力传感器输出电压为：

式中，kt、zt、Ut分别为温度t下的压力传感器灵敏度、压力传感器零点值及压力传感器电压输出值。

由公式（2）可知，

将式（3）代入式（1），得到在温度t时，经过补偿后的压力传感器输出电压Ut为：

根据图6（a）中压力传感器的定标数据，分别对灵敏度kt、零点zt与温度t做二次拟合，可得到：

将式（5）和式（6）代入式（4），即可对压力传感器在温度为t时的电压输出进行补偿。论文以20℃（室温）作为压力传感器的参考温度，根据上述方法对压力传感器在30 ℃、37 ℃、40 ℃和45 ℃时的电压输出进行温度补偿。

定标完成后，论文设计了一组实验对该监护系统的探头及系统进行测试，同时与美国强生公司Codman颅内压监护仪的监测数据进行对比。实验流程如下：首先，将自制探头与Codman监护仪探头置于生理盐水中定标；接着，在容量为1000mL的烧杯中分别配置初始温度为30℃、35℃的水，水温由温度计监测。随后，将自制探头及Codman监护仪探头垂直插入到水中，始终保持两探头放置深度一致。改变探头在水中的放置深度，记录该系统测量的压力和温度值、温度计温度值以及Codman监护仪的压力值。图8（a）（b）分别为30℃温度条件下，该系统测量的压力值及温度值与Codman监护仪监测的压力值、温度计示数的比较；图8（c）（d）分别为35℃温度条件下，该系统测量的压力值及温度值对应与Codman监护仪监测的压力值、温度计示数的比较。

图8　不同温度条件下系统测量压力及温度结果（a）30℃下自制监护系统与Codman监护仪测量的压力值比较；（b）30 ℃下自制监护系统与温度计测量的温度值比较；（c）35℃下自制监护系统与Codman监护仪测量的压力值比较；（d）35 ℃下自制监护系统与温度计测量的温度值比较；

图8（a）（c）表明在不同温度条件下，该系统测量的压力值变化趋势与强生Codman监护仪保持一致，测量值存在0～2mmHg的误差，满足临床使用需求（误差小于2mmHg）。并且，本系统压力测量精度达到0.01mmHg，压力测量的灵敏度高于Codman监护仪。图8（b）（d）表明系统测量的温度值与温度计测量值相近，存在0～0.3℃的误差。其中，温度值下降的主要原因为烧杯内水温远高于室温，测量过程中水温逐渐降低。实验表明，论文研制的监护系统可同时监测压力及温度参数，经探头定标及系统优化后，压力测量及温度测量性能满足临床使用需求。

5　结果与讨论

论文研制了一套微创颅内压与颅内温度监护系统，其检测探头可同时测量患者颅内压力与颅内温度两种参数。系统经探头定标与温度补偿后，温度传感器测量误差小于0.3℃，压力传感器的测量误差小于2mmHg，达到临床颅内压检测的准确度要求。该监护系统基于μ C/OS-II嵌入式软件，具有信号采集、数值与波形显示、数据存储、阈值报警等功能，满足临床监护的基本需求。论文研制的颅内压与颅内温度监护系统具有多参数监护、低成本等优势，在国内外神经外科监护中具有广阔的应用前景。

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、国家自然科学基金资助（61275199和91378092）。

Email：lybnuaa@126.com，zhiyu@nuaa.edu.cn。

中图分类号：R318.6

文献标识码：A

DOI:[CLC Number] R318.6[Document Code] A10.11967/2016140306 10.11967/2016140306

基金项目：⋆ 南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金（kfjj20150310）、中央高校基本科研业务费专项资金

作者简介：刘玉冰（1991-），女，福建福州人，硕士研究生，学生，研究方向为生物光电测试技术及信号处理。通讯作者钱志余（1964-），男，江苏南通人，博士，教授，从事组织光学研究。

Development of the Intracranial Pressure and Intracranial Temperature Monitor

Yubing Liu， Yan Zhang， Cheng Qian， Hong Wang， Zhiyu Qian*， Weitao Li
（ Department of Biomedical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing， China. 210016 ）

Abstract:Objective To monitor the neurosurgery patients and avoid the disadvantages of the single function and high price about the intracranial pressure monitor, this paper developed a multi-parameter monitoring system. Method A minimally invasive multiparameter detecting probe was constructed based on the piezoresistance sensor and the thermistor. By using the μ C/OS-II, a monitor was developed to process the electric signal obtained by the detecting probe. Then the signal was converted into the value of intracranial pressure and intracranial temperature. Moreover, several experiments were designed to calibrate and compensate the pressure and temperature. Result The present monitoring system can measure the intracranial pressure and intracranial temperature simultaneously and has the functions of real-time display, storage and alarm. Conclusion The precision and range of the present system meets the clinical requirements and has a potential for clinic.

Key Words:Neurosurgery; Mini-invasive probe; Temperature compensation; μ C/OS-II