新型多功能颅脑外引流固定仪的设计及其性能研究*

姜楠，龙云玲

(首都医科大学附属北京天坛医院医学工程处，北京 100071)

1 引 言

颅脑外引流手术是医治颅脑损伤的有效方法，引流手术过程中畅通引流可提升手术成功几率[1]。导引出患者颅脑内剩余气体、残留血液、血性脑脊液是引流管的主要功能[2]，引流管一般在颅脑外引流手术完成后安置，引流瓶正常工作后，患者脑膜刺激症状显著缓解，有效防止脑膜粘连、蜘蛛网颗粒闭塞症状。引流瓶流量与高度应适时变化，主要依据患者体征进行调节[3]，合理调整引流瓶高度、引流流速与流量可加速患者病情好转，稳定患者颅内压。引流瓶导流不畅与导流过度是因为引流瓶悬挂位置过高或者过低[4-6]，前者不能降低颅内压，后者降压过度，两者都对患者不利，造成生命威胁。

根据颅脑外引流需求，设计一种新型多功能颅脑外引流固定仪。该仪器主要包含引流瓶高度精准调节、液体流速流量精准测量等功能，为医护领域提供一种简单便捷的引流护理方式。

2 数据和方法

2.1 数据来源

本研究将去离子水作为实验研究液体，实验设备为新型多功能颅脑外引流固定仪。使用精准秒表与天平计量实验用时与液体质量，精准天平精度达0.001 g，称重上限为220 g。

2.2 方法

新型多功能颅脑外引流固定仪包括引流支架与引流液体测量模块两部分，从两个角度阐述新型多功能颅脑外引流固定仪工作情况。

2.2.1新型多功能颅脑外引流固定支架 (1)引流固定支架设计

设计一种新型的多功能、可调式颅脑外引流固定支架，见图1。

图1 新型多功能颅脑外引流固定支架

由图1可知，新型多功能可调式颅脑外引流固定仪由10部分组成，同时实现输液与引流功能。固定支架起主要支撑作用，其中挂钩螺栓与挂钩固定环是固定部位的主要部件，挂钩螺栓与固定环的一侧连接，支架固定在螺栓的另一侧，此处安装引流瓶的挂钩转钮，方便调节引流瓶[7]。输液瓶挂钩用于安置输液瓶；标尺与引流瓶的挂钩采用一种任意滑动的安装方式，根据具体需求进行调节，标尺通过两个固定环与支架连接；引流瓶安置在引流瓶挂钩上，并与支架稳固结合；需注意的是，引流瓶的挂钩安置在标尺两端内。

标尺底部为刻度起始端0 mm，顶部为刻度终止端500 mm。与挂钩固定部位原理相似，标尺固定部位同样包括标尺固定环与标尺螺栓，标尺螺栓与标尺固定环的一侧连接，支架固定在标尺螺栓的另一侧，此处安装标尺转钮，方便调节标尺[8]。标尺刻度的下方是引流仪的对准部位，对准部位的设置有效提高了引流仪的精确度，为进行引流手术的患者提供一种可靠的医疗手段。

(2)引流固定支架使用方法

手术患者仰卧在病床上，首先调节标尺位置，将引流瓶安置在引流挂钩后，患者体表投影侧脑室平面的标尺刻度调节为0 mm，调节标尺的固定部位使标尺与支架稳固连接[9-11]；其次调节引流瓶与支架的固定情况，引流瓶的开口位置在侧脑室平面上端约110～160 mm处，待标尺刻度对准后拧紧挂钩螺栓，最终引流瓶挂钩与颅脑外引流固定仪支架稳固连接。

2.2.2引流液体测量模块 (1)薄膜谐振型Lamb波传感器

引流液体测量模块采用薄膜谐振型Lamb波传感器测量引流液体的速度，达到监控引流患者脑脊液的目的。薄膜谐振型Lamb波传感器探测氮化铝压电层的压电效应变化，激励、接收Lamb波。Lamb波器件处于工作状态时，激励端的插指换能器接收交变电压后，同电极间生成交变电场，在压电层的逆压电效应影响下，Lamb波器件在薄膜内进行伸缩振动，产生Lamb波。在正压电效应影响下，接收端的插指换能器接收Lamb波后转换振动信号为电信号，频率通过谐振电路输出[12]。基于上述原理，以高质量测量流体为目标，对Lamb波传感器进行优化，优化后的薄膜谐振型Lamb波传感器见图2。

图2 薄膜谐振型Lamb波传感器

(2)电气控制模块

STC15F2K60S2是电气部分的主控制器，具有工作效率高的优点，工作频率高达20 MHz，携带60K程序存储器与2KRAM。AD7770芯片是一种分辨率与精度双高的模数转换器，控制器转换流体模拟信号为数字信号时应用到此芯片，所以控制噪声低、速度快，同时可输出串行数据。图3为电气控制结构图，由图可知，滤波放大器模块、A/D转换模块、人机交互模块以及电源变换模块是电器控制结构的重要组成部分。

图3 电气控制结构图

2.2.3引流液体测量模块软件设计 (1)软件框图

为监控患者引流液体流速，引流液体测量模块软件构成复杂，见图4，主要为主程序软件、初始化软件、算法程序、人机交互程序等。定义滤波参数、调整工作频率、输出监测结果等功能在人机交互程序中完成。研发一种FIR滤波器，滤波处理流量采样值，解决引流液体监测中的工频干扰、尖峰干扰等问题[13]。在人机交互程序中改变FIR滤波器的参数，可优化滤波器工作性能。

图4 仪器软件框图

(2)Lamb波流速矢量测量原理

(1)

式中，Mp、φ表示Lamb波长与Lamb波相位速度，M1是引流液体的声速。

Lamb波传感器测量引流液体流速过程如下：分析消逝波的穿透深度可以看出，在薄膜-液体界面临界位置，若声速和引流液体速度同时对消逝场内的声波传播产生干扰，此时附近介质处于流动状态[15-17]。简言之，引流液体流速变化引起引流液体声速变化，引流液体声速的高低受流体方向干扰，据此掌握附近引流液体流速大小与方向。

3 结果

3.1 测量误差分析

将引流液体固定后，测量一定时间内去离子水流体的重量，采用物理公式计算定量去离子水的流量，与本研究仪器测量值进行对比，分别标记为标准值与显示值。记录标准流量为50、100、150、200、250、300 mL时本研究仪器测量值，计算测量误差，每种流量反复测试5次，以增强实验数据的可靠性，结果见表1，分析该表可得本研究仪器测量引流液体流量的误差小于1%，重复误差低于0.5%，测量精度高。

表1 本研究仪器测量误差

3.2 流速与灵敏度关系分析

分析本研究仪器输出电压与流速的关系得到流速与仪器灵敏度的关系，从正向流动与反向流动两个角度进行分析，实验结果见图5。

图5 流速与本研究仪器输出电压关系

Fig5Therelationshipbetweenthecurrentvelocityandtheoutputvoltageoftheinstrumentinthispaper

由图5可知，正向、反向数值变化趋势基本一致；不同流速下，本研究仪器输出电压存在显著差异。

3.3 薄膜谐振Lamb波传感器相位频率移动分析

测试本研究仪器中薄膜谐振Lamb波传感器相位频率移动变化情况，设置M—N、P—Q两种液体流动方向，设置4种液体流速，调整液体流速后，薄膜谐振Lamb波传感器进入工作状态，记录不同方向上薄膜谐振Lamb波传感器相位频率移动情况，见图6。

(a) M—N方向；(b)P—Q方向

Fig6Phasefrequencyshiftofthinfilmresonantlambwavesensorsindifferentdirections

图6表明，薄膜谐振Lamb波传感器在不同流速下的相位与谐振频率移动情况存在差异；M—N方向上，薄膜谐振Lamb波传感器在不同流速下的相位与谐振频率移动情况存在差异，且相同谐振频率下，流速越低，相位移动越大。P—Q方向上，薄膜谐振Lamb波传感器在不同流速下的相位与谐振频率移动情况同样存在差异，但相同谐振频率下，流速越高，相位移动越大。

3.4 薄膜谐振Lamb波传感器稳定性分析

根据薄膜谐振Lamb波传感器稳定性变化情况，计算本研究仪器的测量极限，本次测试用时1 000 s，记录薄膜谐振Lamb波传感器稳定性变化情况，见图7。薄膜谐振Lamb波传感器测量极限的计算如下：

(2)

其中，H为薄膜谐振Lamb波传感器的噪声，L为薄膜谐振Lamb波传感器测流敏感度。

图7 薄膜谐振Lamb波传感器稳定性变化情况

Fig7VariationofstabilityofthinfilmresonantLambwavesensor

图7中，最大噪声值为0.15 Hz，因此，计算本研究仪器的测量极限为17.2 nL/s。数据表明，本研究仪器测量极限较高，适用于多领域流体测量，性能较优；根据薄膜谐振Lamb波传感器稳定性变化情况可知，噪声较低，稳定性较强，适用于测量微小通道液体的流速与流量。

4 结论

综上研究表明，本研究设计的引流固定仪，可有效解决传统颅脑外引流装置高度调节不精准、引流液体流量和流速测量不准确的问题，且使用简单、程序合理，患者与医护人员可随时调节引流瓶位置；引流支架中的标尺为调节引流瓶高度提供精准的参照手段，便于医护人员交换引流信息，可用准确的数值描述引流瓶高度，可靠性、实用性、创造性较强。金属是引流仪主要用材，消毒擦拭更方便。