齊天白 施惠芬△

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

齊天白①施惠芬①△

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

目的：為提升麻醉效率與安全性，設(shè)計(jì)肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行初步驗(yàn)證。方法：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于STC89C52RC單片機(jī)，由開(kāi)關(guān)電源、壓力傳感器、A/D模塊、液晶顯示器(LCD)1602顯示屏以及微型打印機(jī)等組成主體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)LCD實(shí)時(shí)顯示壓力變化及數(shù)據(jù)打??；軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實(shí)時(shí)顯示子程序以及打印機(jī)子程序等。結(jié)果：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的多次測(cè)試及改進(jìn)，可確定該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，壓力值在0～100 N之間準(zhǔn)確顯示。結(jié)論：所設(shè)計(jì)的肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)中患者的肌松指標(biāo)變化，便于麻醉師進(jìn)行有效的藥物控制和改變，提升麻醉效率以及減少術(shù)后肌松劑殘余的發(fā)生率。且外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉，具有較高的可靠性和實(shí)用性。

肌松監(jiān)測(cè)；STC89C52RC單片機(jī)；壓力傳感器；肌松劑殘余

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

近年來(lái)，根據(jù)國(guó)外研究調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，患者通過(guò)肌肉松弛劑進(jìn)行麻醉手術(shù)后的術(shù)后肌松殘余發(fā)生率為4%～57%[1]。而歐美國(guó)家的調(diào)查報(bào)告顯示，在復(fù)蘇室中，只有15%的麻醉醫(yī)師觀察到患者在手術(shù)后因體內(nèi)有殘余肌肉松弛劑而引起的明顯并發(fā)癥，而60%的麻醉醫(yī)師認(rèn)為患者術(shù)后存在肌松殘余現(xiàn)象的只有1%甚至不到1%，而試驗(yàn)結(jié)果顯示，手術(shù)全麻患者術(shù)后肌松殘余的發(fā)生率極高，遠(yuǎn)不止1%。該報(bào)告還指出麻醉醫(yī)師對(duì)待全麻患者應(yīng)更合理應(yīng)用肌松藥[2]。目前，肌松藥在麻醉手術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，種類(lèi)也越來(lái)越繁多，若肌松藥的使用量不嚴(yán)加控制，在手術(shù)中會(huì)對(duì)患者造成二次傷害，有時(shí)甚至?xí)＜捌渖踩玔3]。因此，采用肌松監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)肌松藥的使用量進(jìn)行客觀的監(jiān)測(cè)，既能提高麻醉質(zhì)量，又能縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間[4]?；诖?，本研究擬設(shè)計(jì)肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于對(duì)手術(shù)麻醉及重癥監(jiān)護(hù)病房(intensive care unit，ICU)患者的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肌肉松弛程度的改變，客觀反應(yīng)肌肉松弛作用的消長(zhǎng)過(guò)程，正確指導(dǎo)肌松藥的應(yīng)用和進(jìn)行肌松藥藥效學(xué)的研究。

1 肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)采用壓力傳感器，由硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程組成，將被測(cè)者的手指固定在壓力傳感器上，通過(guò)手指壓力的變化來(lái)觀察被測(cè)者的麻醉狀況，壓力變化值在液晶顯示(liquid crystal display，LCD)1602[5]上實(shí)時(shí)顯示，并且利用打印機(jī)將麻醉期間的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，便于后期的觀察和總結(jié)，以簡(jiǎn)便客觀的反映被測(cè)者的麻醉狀況，并且具有便于攜帶、操作簡(jiǎn)單明了的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

主要由開(kāi)關(guān)電源、壓力傳感器、A/D模塊、51單片機(jī)(STC89C52RC[6])、LCD1602顯示屏以及微型打印機(jī)等部分組成。由51單片機(jī)(STC89C52RC)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行控制，利用精確度非常高的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)壓力傳感器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成將壓力傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳人單片機(jī)，供單片機(jī)處理。通過(guò)LCD屏將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，同時(shí)利用微型打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來(lái)進(jìn)行記錄。硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 軟件總體結(jié)構(gòu)

軟件程序?qū)⒔Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化處理，并劃分為初始化系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊以及顯示和打印數(shù)據(jù)模塊，其目的是為了保證程序結(jié)構(gòu)清楚明了，極大減小編程的難度，為后期調(diào)試過(guò)程中能夠更好的進(jìn)行完善與修改。

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，對(duì)程序編譯調(diào)試采用KEIL C51軟件，程序調(diào)試工程使用u Vision3[7-8]。程序運(yùn)行時(shí)主要過(guò)程為：按下開(kāi)關(guān)接通電源后，給予壓力傳感器一定且不超過(guò)量程范圍以?xún)?nèi)的壓力，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及存儲(chǔ)，最終在液晶屏上顯示不斷變化的壓力值，按下打印機(jī)的開(kāi)關(guān)以后，打印機(jī)開(kāi)始工作，將液晶屏顯示的壓力值實(shí)時(shí)打印出來(lái)，直到壓力值為0 N時(shí)，打印機(jī)停止工作，至此，完成本系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)軟件如圖2所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 軟件總體設(shè)計(jì)框圖

2 肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用5 V的電源電路作為供電模塊，設(shè)計(jì)雙電源接口供電方式，避免使用一個(gè)電源而導(dǎo)致顯示模塊和打印模塊電壓分配失衡不能正常工作，使用USB接口供電是為了在調(diào)試程序時(shí)方便簡(jiǎn)單。

2.2 壓力傳感器模塊

2.2.1 傳感器的選擇

目前市場(chǎng)上常用的壓力傳感器分別為壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器及電阻應(yīng)變式壓力傳感器[9]。其中電阻應(yīng)變式壓力傳感器穩(wěn)定性好，精密度和靈敏度高，且壽命長(zhǎng)，適合本系統(tǒng)，故選取其為本系統(tǒng)傳感器。

2.2.2 壓力傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式壓力傳感器外包裝主要由具有微彈性的膠體、電線(xiàn)及鐵塊等組合構(gòu)成，當(dāng)壓力傳感器未受到壓力時(shí)，3個(gè)電阻應(yīng)變片的阻值相同為R，此時(shí)輸入電壓端電壓為V，輸出電壓端的壓力為0 V，即電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)給壓力傳感器施加一定的壓力以后，彈性膠體就會(huì)發(fā)生拉伸或擠壓的形變，組成電橋的4個(gè)電阻應(yīng)變片Ra、Rb、Rc及Rd會(huì)受到相應(yīng)的拉伸或壓縮，阻值也會(huì)因發(fā)生形變而相應(yīng)的增大或減小△R，即Ra=R-△R，Rb=R+△R，Rc=R-△R，Rd=R+△R。電阻的變化使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)電信號(hào)，而作用在壓力傳感器上的壓力與輸出電壓成正比線(xiàn)性關(guān)系，因此可將非電量(壓力)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)輸出。

本系統(tǒng)采用的壓力傳感器靈敏度為2.0 mV/V，供電電壓為5.0 V，量程為10 kg。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用具有高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊，該芯片具有A、B兩路模擬通道輸入，通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20 mV或±40 mV，該通道適合于電橋式傳感器。通道B的可編程增益為32，主要用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)，該芯片具有集成度高、精度高、響應(yīng)速度快以及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。集成度高主要表現(xiàn)在該芯片無(wú)需再加片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和穩(wěn)壓電源等外圍電路，同時(shí)該芯片還增加了上電自動(dòng)復(fù)位功能，開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程可以簡(jiǎn)化。芯片管腳如圖3所示。

圖3 模塊引腳圖

2.4 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)單片機(jī)模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成。根據(jù)市場(chǎng)上的單片機(jī)芯片的價(jià)格、應(yīng)用領(lǐng)域以及性能的不同，綜合考慮單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量、中斷功能及開(kāi)發(fā)工具的費(fèi)用等因素，選取了速度快、功耗小、價(jià)格低、容量大且抗干擾能力強(qiáng)的STC89C52RC單片機(jī)。該芯片有40個(gè)引腳，32個(gè)I/O端口，包括2個(gè)外部中斷口INT0、INT1，2個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1，2個(gè)全雙工串行通信口。STC89C52RC單片機(jī)支持在系統(tǒng)可編程(In-System Programmable，ISP)在線(xiàn)下載，無(wú)需專(zhuān)用編程器和專(zhuān)用仿真器，采用先進(jìn)的加密技術(shù)，支持仿真軟件KEIL[10]。

2.5 LCD顯示模塊

LCD實(shí)時(shí)顯示電路采用LCD1602屏。LCD1602顯示屏是一種工業(yè)字符型液晶，其顯示的內(nèi)容為16×2，即可以顯示兩行，且每行16個(gè)字符，工作電壓為5 V。

2.6 微型打印機(jī)模塊

系統(tǒng)采用DPU-414微型熱敏打印機(jī)(日本精工株式會(huì)社)，具有攜帶方便，操作簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)。

3 肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實(shí)時(shí)顯示子程序以及打印機(jī)子程序等。采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，對(duì)程序編譯調(diào)試采用KEIL C51軟件，程序調(diào)試工程中使用6u Vision3。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序中對(duì)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化后調(diào)用壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換模塊子程序、LCD實(shí)時(shí)顯示子程序以及打印機(jī)子程序。若外界給予壓力傳感器一定壓力，則調(diào)用壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換模塊子程序，同時(shí)將測(cè)得的壓力值顯示在LCD屏上。

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)子程序主要涉及到壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實(shí)時(shí)顯示子程序以及打印機(jī)子程序等。3.2.1 系統(tǒng)采樣子程序

系統(tǒng)采樣子程序由傳感器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊共同構(gòu)成。壓力傳感器主要是測(cè)定外界壓力的模擬信號(hào)，與對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，當(dāng)壓力傳感器上無(wú)壓力時(shí)，傳感器內(nèi)部自動(dòng)調(diào)零設(shè)置。當(dāng)傳感器上感受到壓力，系統(tǒng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換模塊，即給A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入信號(hào)，得到數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是采集壓力傳感器的輸出小信號(hào)，前24個(gè)ADSK脈沖采集24位串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)，接下來(lái)的1～3個(gè)ADSK脈沖選擇下次A/D采集的通道和增益，本研究設(shè)計(jì)采用1個(gè)ADSK脈沖，選擇增益為128的A通道。

3.2.2 LCD顯示子程序

LCD顯示子程序包括LCD初始化函數(shù)、單個(gè)字節(jié)處理函數(shù)LCD1602_write()，字符串處理函數(shù)LCD1602_writebyte()以及顯示函數(shù)show()。該程序可以將測(cè)得壓力值顯示在LCD屏上。LCD屏第一行上顯示“Pressure?。?！”，第二行上壓力值。若測(cè)得的壓力值＞100 N，則將該壓力值視為無(wú)效壓力值，在屏上壓力值整數(shù)部分顯示亂碼。其流程如圖4所示。

圖4 LCD顯示流程框圖

3.2.3 打印機(jī)子程序

打印機(jī)顯示子程序包括打印機(jī)初始化函數(shù)，處理函數(shù)void_PrintByte()，打印函數(shù)void_ PrintString()。該程序可以將測(cè)得壓力值打印在熱敏打印紙上，打印第一行為“湖州市第三人民醫(yī)院”，然后依次打印測(cè)得的壓力值。

4 肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力值在0～100 N之間能夠?qū)Σ煌膲毫χ颠M(jìn)行相應(yīng)的顯示，且精確度為小數(shù)點(diǎn)后兩位。選取醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀(型號(hào)MP50，PHILIPS，美國(guó))肌松監(jiān)測(cè)模塊與其進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，雖然還存在一定的誤差，但能較好地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一款基于單片機(jī)，以LCD實(shí)時(shí)顯示和打印為基本要求的肌松監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在系統(tǒng)調(diào)試方面，為了提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果相對(duì)誤差較小，測(cè)量精度較高，提示該系統(tǒng)能較好的完成設(shè)計(jì)任務(wù)，能有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)中患者的肌松指標(biāo)變化，便于麻醉師進(jìn)行有效的藥物控制和改變。且成本較低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

臨床中麻醉科醫(yī)師、手術(shù)醫(yī)師和患者的共同愿望是能夠提供更安全麻醉，而肌松監(jiān)測(cè)儀在臨床使用過(guò)程中起到了十分重要的作用[11-12]。肌松監(jiān)測(cè)儀的普及為肌松藥的適時(shí)、合理應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)[13]。隨著其使用愈來(lái)愈加廣泛，相關(guān)技術(shù)必將更加完善。由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，肌松監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)和方法得到了不斷地更新與完善，刺激、信號(hào)的采集與換能、結(jié)果的處理與顯示均可在瞬間完成[14]。在未來(lái)社會(huì)，將麻醉由經(jīng)驗(yàn)科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榫_科學(xué)，由人工觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榧∷杀O(jiān)測(cè)設(shè)備指導(dǎo)下的數(shù)字化、精確化的用藥和指導(dǎo)恢復(fù)，肌松監(jiān)測(cè)技術(shù)的臨床應(yīng)用將日趨增多[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

齊天白,男,(1984- ),碩士研究生，工程師。湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療器械的臨床使用和維修工作。

2016-12-24

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.002

△共同第一作者：施惠芬

①湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科 浙江 湖州 313000