肌松监测系统的设计

齐天白 施惠芬△

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

肌松监测系统的设计

齐天白①施惠芬①△

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

目的：为提升麻醉效率与安全性，设计肌松监测系统，并对其进行初步验证。方法：系统硬件设计基于STC89C52RC单片机，由开关电源、压力传感器、A/D模块、液晶显示器(LCD)1602显示屏以及微型打印机等组成主体结构，实现LCD实时显示压力变化及数据打印；软件设计包括系统主程序设计、压力传感器子程序、A/D转换子程序、LCD实时显示子程序以及打印机子程序等。结果：通过对系统的多次测试及改进，可确定该系统运行稳定，压力值在0～100 N之间准确显示。结论：所设计的肌松监测系统能有效地实时监测手术中患者的肌松指标变化，便于麻醉师进行有效的药物控制和改变，提升麻醉效率以及减少术后肌松剂残余的发生率。且外围电路设计简单、成本低廉，具有较高的可靠性和实用性。

肌松监测；STC89C52RC单片机；压力传感器；肌松剂残余

[First-author’s address]Department of Equipment, The Third People's Hospital of Huzhou, Huhou 313000, China.

近年来，根据国外研究调查数据显示，患者通过肌肉松弛剂进行麻醉手术后的术后肌松残余发生率为4%～57%[1]。而欧美国家的调查报告显示，在复苏室中，只有15%的麻醉医师观察到患者在手术后因体内有残余肌肉松弛剂而引起的明显并发症，而60%的麻醉医师认为患者术后存在肌松残余现象的只有1%甚至不到1%，而试验结果显示，手术全麻患者术后肌松残余的发生率极高，远不止1%。该报告还指出麻醉医师对待全麻患者应更合理应用肌松药[2]。目前，肌松药在麻醉手术中的应用越来越广泛，种类也越来越繁多，若肌松药的使用量不严加控制，在手术中会对患者造成二次伤害，有时甚至会危及其生命安全[3]。因此，采用肌松监测技术对肌松药的使用量进行客观的监测，既能提高麻醉质量，又能缩短术后恢复时间[4]。基于此，本研究拟设计肌松监测系统，适用于对手术麻醉及重症监护病房(intensive care unit，ICU)患者的连续实时监测肌肉松弛程度的改变，客观反应肌肉松弛作用的消长过程，正确指导肌松药的应用和进行肌松药药效学的研究。

1 肌松监测系统总体设计方案

本研究设计采用压力传感器，由硬件电路设计和软件编程组成，将被测者的手指固定在压力传感器上，通过手指压力的变化来观察被测者的麻醉状况，压力变化值在液晶显示(liquid crystal display，LCD)1602[5]上实时显示，并且利用打印机将麻醉期间的数据打印出来，便于后期的观察和总结，以简便客观的反映被测者的麻醉状况，并且具有便于携带、操作简单明了的优点。

1.1 硬件总体结构

主要由开关电源、压力传感器、A/D模块、51单片机(STC89C52RC[6])、LCD1602显示屏以及微型打印机等部分组成。由51单片机(STC89C52RC)对压力传感器进行控制，利用精确度非常高的24位A/D转换模块对压力传感器进行模数转换，完成将压力传感器的模拟信号转换为数字信号传人单片机，供单片机处理。通过LCD屏将采集到的数据显示出来，同时利用微型打印机将数据打印出来进行记录。硬件总体设计如图1所示。

1.2 软件总体结构

软件程序将结构进行模块化处理，并划分为初始化系统模块、数据采集和数据处理模块以及显示和打印数据模块，其目的是为了保证程序结构清楚明了，极大减小编程的难度，为后期调试过程中能够更好的进行完善与修改。

本系统采用C语言作为编程语言，对程序编译调试采用KEIL C51软件，程序调试工程使用u Vision3[7-8]。程序运行时主要过程为：按下开关接通电源后，给予压力传感器一定且不超过量程范围以内的压力，通过单片机对数据进行采集、处理及存储，最终在液晶屏上显示不断变化的压力值，按下打印机的开关以后，打印机开始工作，将液晶屏显示的压力值实时打印出来，直到压力值为0 N时，打印机停止工作，至此，完成本系统的整个过程。系统软件如图2所示。

图1 硬件总体设计框图

图2 软件总体设计框图

2 肌松监测系统硬件模块设计

2.1 电源设计

系统采用5 V的电源电路作为供电模块，设计双电源接口供电方式，避免使用一个电源而导致显示模块和打印模块电压分配失衡不能正常工作，使用USB接口供电是为了在调试程序时方便简单。

2.2 压力传感器模块

2.2.1 传感器的选择

目前市场上常用的压力传感器分别为压电式压力传感器、电容式压力传感器及电阻应变式压力传感器[9]。其中电阻应变式压力传感器稳定性好，精密度和灵敏度高，且寿命长，适合本系统，故选取其为本系统传感器。

2.2.2 压力传感器工作原理

电阻应变式压力传感器外包装主要由具有微弹性的胶体、电线及铁块等组合构成，当压力传感器未受到压力时，3个电阻应变片的阻值相同为R，此时输入电压端电压为V，输出电压端的压力为0 V，即电桥处于平衡状态。当给压力传感器施加一定的压力以后，弹性胶体就会发生拉伸或挤压的形变，组成电桥的4个电阻应变片Ra、Rb、Rc及Rd会受到相应的拉伸或压缩，阻值也会因发生形变而相应的增大或减小△R，即Ra=R-△R，Rb=R+△R，Rc=R-△R，Rd=R+△R。电阻的变化使电桥失去平衡，产生相应的差动电信号，而作用在压力传感器上的压力与输出电压成正比线性关系，因此可将非电量(压力)转化成相应的电信号输出。

本系统采用的压力传感器灵敏度为2.0 mV/V，供电电压为5.0 V，量程为10 kg。

2.3 A/D转换模块

系统采用具有高精度的24位A/D转换模块，该芯片具有A、B两路模拟通道输入，通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20 mV或±40 mV，该通道适合于电桥式传感器。通道B的可编程增益为32，主要用于系统参数检测，该芯片具有集成度高、精度高、响应速度快以及抗干扰性强等优点。集成度高主要表现在该芯片无需再加片内时钟振荡器和稳压电源等外围电路，同时该芯片还增加了上电自动复位功能，开机的初始化过程可以简化。芯片管脚如图3所示。

图3 模块引脚图

2.4 单片机模块

系统单片机模块由单片机及其外围电路组成。根据市场上的单片机芯片的价格、应用领域以及性能的不同，综合考虑单片机程序存储器的容量、中断功能及开发工具的费用等因素，选取了速度快、功耗小、价格低、容量大且抗干扰能力强的STC89C52RC单片机。该芯片有40个引脚，32个I/O端口，包括2个外部中断口INT0、INT1，2个16位的可编程定时器/计数器T0、T1，2个全双工串行通信口。STC89C52RC单片机支持在系统可编程(In-System Programmable，ISP)在线下载，无需专用编程器和专用仿真器，采用先进的加密技术，支持仿真软件KEIL[10]。

2.5 LCD显示模块

LCD实时显示电路采用LCD1602屏。LCD1602显示屏是一种工业字符型液晶，其显示的内容为16×2，即可以显示两行，且每行16个字符，工作电压为5 V。

2.6 微型打印机模块

系统采用DPU-414微型热敏打印机(日本精工株式会社)，具有携带方便，操作简捷等优点。

3 肌松监测系统软件模块设计

软件系统采用模块化设计，主要包括系统主程序设计、压力传感器子程序、A/D转换子程序、LCD实时显示子程序以及打印机子程序等。采用C语言作为编程语言，对程序编译调试采用KEIL C51软件，程序调试工程中使用6u Vision3。

3.1 系统主程序设计

主程序中对系统环境进行初始化后调用压力传感器子程序、A/D转换模块子程序、LCD实时显示子程序以及打印机子程序。若外界给予压力传感器一定压力，则调用压力传感器子程序、A/D转换模块子程序，同时将测得的压力值显示在LCD屏上。

3.2 系统子程序设计

系统子程序主要涉及到压力传感器子程序、A/D转换子程序、LCD实时显示子程序以及打印机子程序等。3.2.1 系统采样子程序

系统采样子程序由传感器模块和A/D转换模块共同构成。压力传感器主要是测定外界压力的模拟信号，与对应的A/D转换模块相连，当压力传感器上无压力时，传感器内部自动调零设置。当传感器上感受到压力，系统立即启动A/D转换模块，即给A/D转换模块输入信号，得到数字信号。A/D转换子程序主要是采集压力传感器的输出小信号，前24个ADSK脉冲采集24位串行二进制数据，接下来的1～3个ADSK脉冲选择下次A/D采集的通道和增益，本研究设计采用1个ADSK脉冲，选择增益为128的A通道。

3.2.2 LCD显示子程序

LCD显示子程序包括LCD初始化函数、单个字节处理函数LCD1602_write()，字符串处理函数LCD1602_writebyte()以及显示函数show()。该程序可以将测得压力值显示在LCD屏上。LCD屏第一行上显示“Pressure！！！”，第二行上压力值。若测得的压力值＞100 N，则将该压力值视为无效压力值，在屏上压力值整数部分显示乱码。其流程如图4所示。

图4 LCD显示流程框图

3.2.3 打印机子程序

打印机显示子程序包括打印机初始化函数，处理函数void_PrintByte()，打印函数void_ PrintString()。该程序可以将测得压力值打印在热敏打印纸上，打印第一行为“湖州市第三人民医院”，然后依次打印测得的压力值。

4 肌松监测系统调试结果

肌松监测系统压力值在0～100 N之间能够对不同的压力值进行相应的显示，且精确度为小数点后两位。选取医院监护仪(型号MP50，PHILIPS，美国)肌松监测模块与其进行比对实验，虽然还存在一定的误差，但能较好地完成系统设计任务。

5 结论

本研究设计的肌松监测系统是一款基于单片机，以LCD实时显示和打印为基本要求的肌松监测系统。在系统调试方面，为了提高数据的真实性和可靠性，对其进行了对比测试，结果相对误差较小，测量精度较高，提示该系统能较好的完成设计任务，能有效地实时监测手术中患者的肌松指标变化，便于麻醉师进行有效的药物控制和改变。且成本较低，具有一定的实用价值。

临床中麻醉科医师、手术医师和患者的共同愿望是能够提供更安全麻醉，而肌松监测仪在临床使用过程中起到了十分重要的作用[11-12]。肌松监测仪的普及为肌松药的适时、合理应用提供了技术依据[13]。随着其使用愈来愈加广泛，相关技术必将更加完善。由于电子计算机技术的飞速发展，肌松监测仪的技术和方法得到了不断地更新与完善，刺激、信号的采集与换能、结果的处理与显示均可在瞬间完成[14]。在未来社会，将麻醉由经验科学转变为精确科学，由人工观察和经验判断转变为肌松监测设备指导下的数字化、精确化的用药和指导恢复，肌松监测技术的临床应用将日趋增多[15-16]。

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A design and analysis of a monitoring system for muscle relaxation/QI Tian-bai, SHI Huifen//China Medical Equipment,2017,14(5):3-6.

Objective:To design and analyze a muscle relaxation monitoring system so as to increase the anesthesia efficiency and safety.Methods:The hardware design of system was based on single chip machine (STC89C52RC), and it has the function of LCD real-time display for pressure change and the printing function. The design of software mainly included the system main program design, pressure sensor subroutine, A/D conversion subroutine, LCD real-time display subroutine and printer subroutine, etc.Results: Through the multiple times of test and improvement for the system, the system has achieved stably run, and the pressure value could achieve accurately display between 0-100 N.Conclusion:The monitoring system of muscular relaxation has series of advantages, such as simple circuit design, low cost, higher reliability and practicability and so on. It can real-timely and effectively monitor the change of the indexes of muscular relaxation for patients during operation. And the anesthesiologist can effectively control and change medication for patients. In this way, the monitoring system can increase the anesthetic efficiency and decrease the incidence of postoperative residual muscle relaxant.

Muscle relaxation monitoring; STC89C52RC; Pressure sensor; Residual muscle relaxant

齐天白,男,(1984- ),硕士研究生，工程师。湖州市第三人民医院设备科，从事医疗器械的临床使用和维修工作。

2016-12-24

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.002

△共同第一作者：施惠芬

①湖州市第三人民医院设备科 浙江 湖州 313000