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       腹腔壓力動態測量系統設計

      來源:電子設計信息網 作者:西南民族大學電信學院 鄧彥松 向偉 王丹

          腹腔是一個封閉的腔隙,其中的任何器官體積增加超過一定限度均可導致腹內高壓,腹腔壓力監測旨在通過觀察腹部手術后及重癥病人的腹內壓變化,為及時地給予干預性治療、護理提供有效的依據?,F在對腹腔壓力的測量,人們通常采用測量膀胱壓力的辦法,這種方法是通過一根導尿管插入膀胱,并往膀胱緩慢灌注大約50ml生理鹽水,然后測量液體從膀胱流出時的壓力。這種方法簡單實用,測量數值能夠真實反映人體腹腔壓力值。但是這種方法有一個非常致命的缺點:每測量一次膀胱壓力就需要灌注一次,醫務人員不可能不停的去灌注生理鹽水,一般的重癥監護是每隔4~12小時灌注測量一次,這種間斷測量就有可能影響醫務人員及時了解病人腹腔壓力變化情況,甚至延誤實施搶救的最佳時間。本文正是考慮了以往測量方法的弊端,以單片機為核心設計了一種經濟實用的腹腔壓力動態測量儀,其主要特點是:對病人進行無痛無創連續腹腔壓力測量,能實現腹腔壓力數據動態采集、存儲、顯示,以便于醫務人員及時掌握病人病情。

        測量原理

        要對重癥病人進行腹腔壓力測試,必須進行連續監控,所以我們采用了一種新方法來測量腹腔壓力。系統原理框圖如圖1,注水泵通過導尿管往被測量 人的膀胱注入生理鹽水,這里使用的導尿管采用雙通道導尿管,注水泵從一個通道往膀胱中灌水,注水速度保持在4ml/h,壓力傳感器從另一個通道測量流出的水的壓力變化情況。傳感器將壓力變化情況轉換成微弱的電壓幅度變化(0~75mv),經過模擬放大器放大后得到變化范圍在0~4.5v左右的電壓變化值,再使用單片機控制a/d轉換器對這個模擬電壓進行采樣,經過單片機進行數據處理后送顯示器顯示。這個過程使用注水泵不停的注入生理鹽水,傳感器也不間斷的對壓力值進行測量,顯示器動態刷新測量結果,這樣就可以實現長期動態監測。

        從測量原理來講,與傳統的測量方法相比有兩個方面的改進。

        一方面,這里采用雙通道導尿管代替了傳統測量方法中的普通導尿管。使用雙通道導尿管可以用一個通道來進行液體連續灌注,同時使用另一個通道來測量液體經過膀胱后流出時的壓力。在傳統方法中使用的導尿管只有一個通道,所以灌注的時候不能測量,只有灌注了一定的量之后(一般灌注50ml),撤掉灌注設備,然后接上測量設備開始測量液體從膀胱流出時的壓力。

        另一方面,為了實現動態測量,我們采用了單片機(at89s52)來控制整個系統的動態工作。at89s52在系統中主要用來控制a/d轉換器進行數據動態采集,把采集到的壓力數據進行實時處理,控制顯示器動態刷新顯示結果。在傳統方法中,由于只測量一次壓力數值,所以一般不采用微處理器進行動態管理,測量設備軟硬件都更簡單。

        系統硬件設計

        系統采用at89s52作為主控制器,控制數據采集、運算和顯示。壓力傳感器采用npc1210高精度壓力傳感器,壓力傳感器輸出的是0~75mv微弱電壓信號。傳感器的輸出信號經雙絞屏蔽線傳出,送入放大器進行放大。放大器選用icl7650這種高精度運算放大器,它具有輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、且價格低廉等優點。

        對傳感器輸出的微弱電壓信號放大60倍左右輸出送a/d轉換器。選用8位a/d轉換器ad0809實現模擬信號到數字信號的轉換,用at89s52控制a/d轉換器采集放大器輸出的范圍在0~4.5v的模擬電壓信號。at89s52與ad0809的接口電路如圖3,得到的數字信號送at89s52進行處理。后端采用3位共陽極數碼管顯示結果,由單片機p2口輸出段碼,p1口輸出位碼。

        系統軟件設計

        主要子程序模塊包括:系統初始化、a/d轉換程序、平均濾波子程序、標度變換子程序、二進制轉bcd碼子程序。主程序流程圖如圖4所示。為了防止病人由于咳嗽等偶然原因造成的腹腔壓力陡變影響,在數據處理方面,采用了平均濾波方法以減小偶然誤差。圖5為平均濾波子程序流程圖。該子程序采用平均濾波的方法進行數據處理,即將連續采樣10次的數據去掉最大值和最小值之后進行累加求和,按8次采樣值取平均數,即得有效采樣值,存入發送緩沖區。
           防止信號干擾的注意事項

        系統應用于對危重病人腹腔壓力的監測,可靠性成為設計時要考慮的重點。系統使用高精度壓力傳感器檢測壓力變化,對干擾信號的抑制也就成為設計成敗的關鍵。在設計中主要作如下考慮:

        (1)為了抑制因為電源電壓波動引起的噪聲影響,增加去藕電容、屏蔽罩和濾波電路。

        (2)各邏輯電路芯片中未使用的輸入端,根據邏輯關系接至已使用芯片的輸入端或者接地,或者接高電平,以減少外部干擾信號對系統的影響。

        (3)時鐘脈沖信號配置適當靠近cpu,選擇短而粗的引線。

        (4)對弱信號線進行屏蔽保護;電源線與信號線分開走線,以防止線間串擾。

        (5)合理布置地線:由于本系統的信號工作頻率為11.0592mhz,數字地與模擬地分開,分別與電源端地線相連,而且盡量加大模擬電路的接地面積;接地線盡量加粗,以防止接地電位會隨電流的變化而變化,使系統的定時信號電平不穩定,使系統的抗噪聲性能變差。

        (6)任何信號線都不形成環路;走線盡量要短而直;盡量減少過孔量;盡量用45°折線而不用90°折線布線。

        (7)時鐘線要垂直于i/o口線,可以減少i/o口線對時鐘電路的干擾。

        (8)模擬信號輸入線、參考電壓端盡量遠離數字電路信號線。

        (9)在軟件設計時采用平均濾波的方法減小偶然誤差。

      結論

        本文設計了腹腔壓力動態測量系統,采用雙通道導尿管,用連續灌注,連續測量的方式來實現對腹腔壓力的動態測量。測量儀選用低功耗8位單片機at89s52對壓力傳感器采集的腹腔壓力信號進行實時分析及處理。所設計的腹腔壓力動態測量儀帶有數碼管顯示器,能實時顯示所檢 測的腹腔壓力信號。測量儀對傳統的設備和方法加以改進,對熟悉傳統設備的醫務人員也不會帶來更多的負擔。這種腹腔壓力測量儀摒棄了傳統的人工定期監測的方法,采用了先進的連續測量的方法,為重癥病人的腹腔壓力監控開辟了新的途徑。


      家用醫療電子半導體市場分析

      家用醫療電子設備被美國《財富》雜志預測為21世紀前十年最具發展潛力的產業的第一名,也成為半導體廠商搶進的重點市場。

        全球半導體廠商積極投入

        目前家用醫療電子市場的主要供貨商包括強生(Johnson&Johnson)、羅氏診斷(RocheDiagnostics)與拜耳醫療保健事業(BayerHealthcare)三大龍頭,并且都擁有超過10%的市場占有率,其中強生更以37%的市占率穩居首位。

        近年來,全球半導體、硬件與軟件等代表性的大公司動作頻頻,進行垂直整合的計劃性投入,包括微軟、英特爾、飛利浦等廠商,已開始將焦點移到家用醫療電子市場,希望以高新技術與成本優勢切入原本封閉的醫療產業,局勢漸漸有所不同。

        先是英特爾成立數字醫療事業部(DigitalHealthGroup),并與美國微芯科技(Microchip)宣布成立醫療產品部門,再與醫療器材制造商合作,陸續發表醫療用相關感測芯片與技術;德州儀器也于2007年初,在其高效能模擬事業群下成立醫療/高可靠性產品線,集中所有可用于醫療電子的相關產品;飛利浦在新加坡成立亞太第一座醫療診斷設備學習中心,強化在亞太地區對先進醫療保健的投入;而韓國三星集團旗下的三星首爾醫院,則廣泛應用了三星電子自行開發的醫療系統。

        半導體廠商目前著墨的醫療應用領域包括移植設備(心律調整、神經刺激、藥物供給和肥胖治療)、便攜式設備(診斷影像、氧氣治療和病人監護)、家用設備(生理監視器、疾病管理、康復、遵守監督和醫療信息終端)及安全設備(耗材鑒定和數據保密),以及無線技術(如Bluetooth和IrDA)與RFID等。

        為了能盡快進入醫療市場,英特爾、三星電子、德州儀器、松下、摩托羅拉與飛利浦等大廠,也共組開放性業界聯盟ContinuaHealthAlliance,希望通過合力建構統一標準來解決互通性問題,并降低研發成本、提升醫療技術與質量。該聯盟勾勒了包括健身、疾病管理和老年人保健系統的市場遠景,認為這些系統都將相互連接并通過PC、手機和數字電視連接到網絡,預計在今年年底推出第一批具備互通性的相關商品。

        根據專業研究機構Databeans最新的報告內容,2007年醫療半導體市場由Toshiba、意法半導體與德州儀器等大廠所獨占。然而隨著更多新興的需求增加,越來越多其它供貨商正逐漸分食這塊市場大餅。由于產品設計對于更小尺寸、更低功耗與更高速度的要求提高,因此傳感器、電源芯片、數據轉換器等為是醫療電子需求最大的半導體器件;而信號調節和處理、接口以及無線技術,為最看好的新興產品領域。預估2008年電子醫療的銷售總額將達到30億美元。

        然而,產業鏈若要完備當然還需要軟件廠商的支持,其中以甲骨文(Oracle)及德國思愛普(SAP)最為積極,持續研發多項相關軟件平臺,希望符合各硬件大廠所推出的醫療產品及規格,解決互通性的問題,促進市場成熟。

        診斷與治療為醫療電子現階段最主要的應用范疇,不過快速成長的家用醫療電子市場,才是半導體供貨商最看好的商機焦點。尤其在開發中國家市場,家用醫療設備是逞可能成長更為快速。開發中國加經濟起飛、所得翻升數十倍,但人們花費在在醫療的開支也相對的節節高升。然而,傳統的醫療基礎設施不一定能滿足現有需求,而且建設與醫療成本皆高昂,人力資源也不一定足夠,因此有市場分析師認為,家用醫療電子設備可能如手機般,以跳躍式的成長,在短期間內獲得實現。

        家用醫療設備將走消費性電子路線

        醫療裝置與電子技術的革新及整合,讓人們可以居家照顧并監測自己的健康狀況,不需完全仰賴醫護人員或住進醫院。家用醫療電子裝置與系統主要為預防導向,并由消費者的需求所主導,這些智能型裝置的使用接口親和,甚至可穿在身上、記錄病患信息,并且能透過無線網絡傳送,不僅有益人們及早發現健康問題,也能協助醫生有效率的掌握病患狀況。

        試著想象當我們刷牙時,牙刷中的生化傳感器可以立即檢查血糖與口腔細菌數,握住牙刷的刷柄就可以將我們個人醫療信息傳送到數據庫中。此外,戴上嵌有微電腦屏幕的眼鏡,便可以幫助記得東西放的位置和其它人的信息,這些都是家用醫療電子正在研發的裝置。未來,也許連我們貼在傷口的繃帶都能以光纖制作并偵測病毒或細菌數量,主動提醒我們更換;或者,還有能夠發現并摧毀成為腫瘤的癌細胞的設備,以及藥品調配的設備等,這意味著未來許多治療及診斷性的醫療設備,可以朝“消費性商品”的角度發展,同時也能刺激更多廠商開發智能型且易于攜帶、使用的消費性電子醫療器材。

        半導體廠商的投入與技術研發,希冀未來每個人都可以用更便利與經濟的方式,照顧自己的健康,甚至在意外發生或危難時,在醫護人員尚未到達時,可以作為救援自己或別人的幫手。

       

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