程捷，蔣德林，程振華，段光榮

佛山市第一人民醫(yī)院 設(shè)備科，廣東 佛山 528000

1 吞咽功能評(píng)估方法

目前國(guó)際上評(píng)估吞咽功能的方法為：使用不同壓力的空氣脈沖刺激喉部杓會(huì)厭壁或室?guī)?，引起室?guī)?nèi)收來了解喉粘膜的感覺情況。國(guó)際研究結(jié)論為：用0～10 mm Hg氣壓給予50 ms氣體刺激，觀察室?guī)У膬?nèi)收縮情況來作定量評(píng)判，其中室?guī)У膬?nèi)收縮＜4 mm Hg視為正常水平，4～6 mm Hg為中度感覺功能障礙，＞6 mm Hg視為重度感覺功能障礙。

我們開發(fā)的吞咽功能脈沖氣流測(cè)量?jī)x主要由空氣脈沖產(chǎn)生、測(cè)量和顯示等部分組成?？梢詰?yīng)用于OLYMPUS（奧林巴斯）和其他纖維喉鏡的吞咽感覺功能測(cè)試，開展鼻咽癌患者的吞咽感覺功能的測(cè)試業(yè)務(wù)。該儀器可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、醫(yī)學(xué)院校、醫(yī)學(xué)科研單位等部門。

2 吞咽功能脈沖氣流測(cè)量?jī)x整體設(shè)計(jì)

吞咽功能脈沖氣流測(cè)量?jī)x在單片機(jī)的指令下，用氣泵給氣囊充氣，達(dá)到一定壓力后充氣停止，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)部件把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，并慢速擠壓氣囊，使得氣囊中的壓力逐步增加，當(dāng)壓力為測(cè)量值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)停止，壓力保持在測(cè)量值，然后單片機(jī)控制電磁閥F1以50 ms的單脈沖放氣，壓力氣流經(jīng)管道輸出，測(cè)量過程完成。傳感器把氣囊中的壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過放大器放大，送入單片機(jī)的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），經(jīng)單片機(jī)處理，在顯示器上顯示測(cè)量結(jié)果。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，見圖1。

為了達(dá)到產(chǎn)生微小氣壓、高精度測(cè)量的目的，壓力的產(chǎn)生分兩步實(shí)現(xiàn)：① 以氣泵給氣囊充氣，提供基礎(chǔ)氣壓；② 對(duì)氣囊施以外壓力，提供高精度的測(cè)量氣壓。

在輸出壓力氣體時(shí)，從電磁閥F1至患者喉部的氣道有一定長(zhǎng)度，這會(huì)產(chǎn)生氣道壓力損失，必須在氣囊端對(duì)測(cè)量端附加一個(gè)補(bǔ)償壓力，使得到達(dá)患者喉部的放氣脈沖值與顯示壓力的實(shí)際值相符，該補(bǔ)償壓力經(jīng)計(jì)量確定。

在計(jì)量周期內(nèi)，為了方便操作者確定測(cè)量壓力的準(zhǔn)確性，設(shè)置電磁閥F2、壓力浮子F3、接入和電磁閥F1至患者喉部的氣道長(zhǎng)度、內(nèi)徑相同的管路做校準(zhǔn)。其原理是在某確定氣壓下，開放電磁閥F2，氣流經(jīng)管路到達(dá)空心浮子F3的底部，浮子另一端通大氣，由于氣壓的大小與浮子F3的高度成正比，壓力不變時(shí)，浮子上升的位置始終在固定的位置。同理該端壓力也經(jīng)過計(jì)量確定。

3 測(cè)量?jī)x硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要有壓力測(cè)量電路、LCD液晶顯示電路、運(yùn)動(dòng)部件、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)及電源等部分。

3.1 吞咽功能脈沖氣流測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)

吞咽功能脈沖氣流測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)，見圖2。

3.2 吞咽功能脈沖氣流單片機(jī)系統(tǒng)

ATmega16為一個(gè)功能較強(qiáng)的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16支持片內(nèi)調(diào)試與編程，內(nèi)置有10位可編程增益的ADC，采用8031單片機(jī)中最新型的ATMega16單片機(jī)作控制，用單個(gè)芯片替代常見的單片機(jī)最小系統(tǒng)中的5～10塊電路，不但簡(jiǎn)化了電路，而且提高了硬件工作的可靠性。軟件設(shè)計(jì)用C++高級(jí)語言編程和外部PC直接調(diào)試。

3.3 吞咽功能脈沖氣流電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)檢測(cè)的對(duì)象是微小空氣壓力，運(yùn)算放大器和傳感器的電源設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)把開關(guān)電源與模擬電源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開關(guān)電源為一次穩(wěn)壓，模擬電源為二次穩(wěn)壓，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)框圖，見圖3。圖3中±12 V電源、+5 V開關(guān)電源是初級(jí)電源，±5 V模擬電源，來自±12 V開關(guān)電源，二次穩(wěn)壓的效果提高了電源的穩(wěn)壓能力，還大大減少電源紋波，降低了電源干擾，提高了放大器的運(yùn)算精度。傳感器的恒壓源，是在±12 V電源、8 V線性電源的基礎(chǔ)上，用精密基準(zhǔn)電源為傳感器供電，兩者的有效措施大大減小了傳感器和運(yùn)算放大器的溫度漂移及時(shí)間漂移的誤差，保證了系統(tǒng)模擬量的測(cè)量精度。

3.4 吞咽功能脈沖氣流壓力測(cè)量電路

壓力的準(zhǔn)確測(cè)量是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，本系統(tǒng)采用微壓氣體傳感器，該傳感器基于電阻應(yīng)變片橋式結(jié)構(gòu)，不需要調(diào)零、溫度修正調(diào)試過程，不但減化硬件設(shè)計(jì)、減輕調(diào)試工作量，同時(shí)也方便軟件編程。壓力信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后，送入精密運(yùn)算放大器放大，放大器的輸出送入單片機(jī)的ADC。

3.5 吞咽功能脈沖氣流運(yùn)動(dòng)部件

運(yùn)動(dòng)部件把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為氣囊擠壓的直線運(yùn)動(dòng)，用軟件調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。步進(jìn)電機(jī)的主軸通過連接器與絲杠連接，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)慢速直線運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)部件上部，固定有氣囊擠壓板，運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)，擠壓板壓迫氣囊，使得氣囊內(nèi)壓力增加。為了防止運(yùn)動(dòng)部件、壓力異常，設(shè)置了運(yùn)動(dòng)限位保護(hù)。

3.6 其他技術(shù)

穩(wěn)定可靠是醫(yī)療電子產(chǎn)品的重要指標(biāo)，為了提高系統(tǒng)可靠性，除采用簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)外，還對(duì)電源輸入端用電源濾器進(jìn)行濾波、電源隔離、控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間光電耦合器隔離及多次穩(wěn)壓等方法。

對(duì)單片機(jī)的ADC采樣，多次采樣后取平均值，在每次壓力測(cè)量前，先采樣放大器的輸出電位初值并儲(chǔ)存，測(cè)量中用采樣數(shù)據(jù)減去儲(chǔ)存的初值。

4 吞咽功能脈沖氣流軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用C語言作為主要編程語言，充分發(fā)揮C語言編程的高效率優(yōu)勢(shì)，執(zhí)行程序分為兩個(gè)模塊，分別是自檢程序和測(cè)量程序。在兩個(gè)程序中包含數(shù)個(gè)子程序，子檢程序包括泵、閥功能、管道漏氣、氣壓產(chǎn)生、壓力取樣、顯示、氣壓輸出測(cè)量、校正等。

5 小結(jié)

實(shí)際證明本系統(tǒng)壓力測(cè)量誤差<0.2 mm Hg，已在臨床得到了應(yīng)用。

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