吞咽功能脉冲气流测量仪设计

程捷，蒋德林，程振华，段光荣

佛山市第一人民医院 设备科，广东 佛山 528000

1 吞咽功能评估方法

目前国际上评估吞咽功能的方法为：使用不同压力的空气脉冲刺激喉部杓会厌壁或室带，引起室带内收来了解喉粘膜的感觉情况。国际研究结论为：用0～10 mm Hg气压给予50 ms气体刺激，观察室带的内收缩情况来作定量评判，其中室带的内收缩＜4 mm Hg视为正常水平，4～6 mm Hg为中度感觉功能障碍，＞6 mm Hg视为重度感觉功能障碍。

我们开发的吞咽功能脉冲气流测量仪主要由空气脉冲产生、测量和显示等部分组成。可以应用于OLYMPUS（奥林巴斯）和其他纤维喉镜的吞咽感觉功能测试，开展鼻咽癌患者的吞咽感觉功能的测试业务。该仪器可广泛应用于医院、医学院校、医学科研单位等部门。

2 吞咽功能脉冲气流测量仪整体设计

吞咽功能脉冲气流测量仪在单片机的指令下，用气泵给气囊充气，达到一定压力后充气停止，步进电机旋转，运动部件把电机的旋转运动变换为直线运动，并慢速挤压气囊，使得气囊中的压力逐步增加，当压力为测量值时，步进电机旋转停止，压力保持在测量值，然后单片机控制电磁阀F1以50 ms的单脉冲放气，压力气流经管道输出，测量过程完成。传感器把气囊中的压力值转换为电信号，通过放大器放大，送入单片机的内置模数转换器（ADC），经单片机处理，在显示器上显示测量结果。整体设计结构，见图1。

为了达到产生微小气压、高精度测量的目的，压力的产生分两步实现：① 以气泵给气囊充气，提供基础气压；② 对气囊施以外压力，提供高精度的测量气压。

在输出压力气体时，从电磁阀F1至患者喉部的气道有一定长度，这会产生气道压力损失，必须在气囊端对测量端附加一个补偿压力，使得到达患者喉部的放气脉冲值与显示压力的实际值相符，该补偿压力经计量确定。

在计量周期内，为了方便操作者确定测量压力的准确性，设置电磁阀F2、压力浮子F3、接入和电磁阀F1至患者喉部的气道长度、内径相同的管路做校准。其原理是在某确定气压下，开放电磁阀F2，气流经管路到达空心浮子F3的底部，浮子另一端通大气，由于气压的大小与浮子F3的高度成正比，压力不变时，浮子上升的位置始终在固定的位置。同理该端压力也经过计量确定。

3 测量仪硬件设计

系统硬件主要有压力测量电路、LCD液晶显示电路、运动部件、步进电机及驱动、单片机及电源等部分。

3.1 吞咽功能脉冲气流测量仪硬件结构

吞咽功能脉冲气流测量仪硬件结构，见图2。

3.2 吞咽功能脉冲气流单片机系统

ATmega16为一个功能较强的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16支持片内调试与编程，内置有10位可编程增益的ADC，采用8031单片机中最新型的ATMega16单片机作控制，用单个芯片替代常见的单片机最小系统中的5～10块电路，不但简化了电路，而且提高了硬件工作的可靠性。软件设计用C++高级语言编程和外部PC直接调试。

3.3 吞咽功能脉冲气流电源系统

该系统检测的对象是微小空气压力，运算放大器和传感器的电源设计是系统稳定工作的关键，设计把开关电源与模拟电源的优势互补，开关电源为一次稳压，模拟电源为二次稳压，系统电源设计框图，见图3。图3中±12 V电源、+5 V开关电源是初级电源，±5 V模拟电源，来自±12 V开关电源，二次稳压的效果提高了电源的稳压能力，还大大减少电源纹波，降低了电源干扰，提高了放大器的运算精度。传感器的恒压源，是在±12 V电源、8 V线性电源的基础上，用精密基准电源为传感器供电，两者的有效措施大大减小了传感器和运算放大器的温度漂移及时间漂移的误差，保证了系统模拟量的测量精度。

3.4 吞咽功能脉冲气流压力测量电路

压力的准确测量是本系统设计的重点之一，本系统采用微压气体传感器，该传感器基于电阻应变片桥式结构，不需要调零、温度修正调试过程，不但减化硬件设计、减轻调试工作量，同时也方便软件编程。压力信号经传感器转换后，送入精密运算放大器放大，放大器的输出送入单片机的ADC。

3.5 吞咽功能脉冲气流运动部件

运动部件把步进电机的旋转运动变换为气囊挤压的直线运动，用软件调试步进电机的旋转速度。步进电机的主轴通过连接器与丝杠连接，丝杠的转动拖动运动部件实现慢速直线运动。在运动部件上部，固定有气囊挤压板，运动部件移动时，挤压板压迫气囊，使得气囊内压力增加。为了防止运动部件、压力异常，设置了运动限位保护。

3.6 其他技术

稳定可靠是医疗电子产品的重要指标，为了提高系统可靠性，除采用简化硬件设计外，还对电源输入端用电源滤器进行滤波、电源隔离、控制信号与驱动信号之间光电耦合器隔离及多次稳压等方法。

对单片机的ADC采样，多次采样后取平均值，在每次压力测量前，先采样放大器的输出电位初值并储存，测量中用采样数据减去储存的初值。

4 吞咽功能脉冲气流软件设计

本系统用C语言作为主要编程语言，充分发挥C语言编程的高效率优势，执行程序分为两个模块，分别是自检程序和测量程序。在两个程序中包含数个子程序，子检程序包括泵、阀功能、管道漏气、气压产生、压力取样、显示、气压输出测量、校正等。

5 小结

实际证明本系统压力测量误差<0.2 mm Hg，已在临床得到了应用。

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