双通道气压止血仪的研制

应 繁，宋元晟，游钐栗，熊卫华，朱奇伟

（1.浙江理工大学信息科学与工程学院，浙江杭州 310018；2.杭州欣联生语医疗科技有限公司，浙江杭州 310012）

在四肢骨科手术过程中，最常用的医疗器械装置就是止血仪，其能够创造出解刨层次更清晰的手术视野，有利于骨科医师的手术操作，同时又可以有效缩短手术时间，降低患者受到感染的概率[1-4]。人们一直在结合临床不断探索各种新型的止血仪，不断面世的止血仪在临床治疗中发挥了重要作用[5]。

气压止血仪的作用原理为袖带充气，环套挤压下肢使其组织内部压力升高，从而阻断肢体的动、静脉血流，达到手术时视野清晰无血的目的[6-8]。文献[9]中提出的旧式止血仪存在操作繁琐、运行稳定性差以及容气压采集精度低等问题。为解决上述问题，设计并研制一款新型双通道气压止血仪，可提高设备运行的稳定性以及气压采集精度，提供丰富的模式功能，使系统便捷高效。

1 系统概述

双通道气压止血仪系统采用NUC029LAN 芯片作为系统架构中心，通过GZP6847A 气压传感器模块获取止血环套中的压力信号，将外设ADC 连接至气压传感器，止血环套内实时的气压值经信号处理反馈至控制器，并根据压力调节装置（气泵与电磁阀组）对止血环套进行加压或减压，以此调节气压止血仪输出压力的大小[10]。整个系统的设计分为硬件设计和软件设计，止血仪系统结构如图1 所示。操作系统能够清晰地显示出当前的工作状态和设备的运行参数，使得操作者能够实时了解患者状态，并方便地增减设置压力和时间等参数，准确及时地反馈给用户。设备具有两个能独立控制参数的通道结构，并且双通道的独立参数设置有效地提高了止血仪的工作效率。同时，止血仪的智能控制系统还有各种模式功能，比如正常操作模式、设置模式、压力表、机器自检等模式。交互式功能模块能根据操作者的需求自定义，使得气压止血仪的功能更加丰富。操作者可以根据具体需求自定义人机交互模式，避免了旧式止血带操作繁琐等问题，系统整体操作便捷高效[11]。

图1 止血仪系统结构图

2 硬件电路设计

止血仪控制系统由六个部分构成，包括MCU 控制模块、GZP6847A 气压传感器模块、电源模块、气泵、电磁阀组、数码管显示模块。双通道气压止血仪系统硬件连接图如图2 所示。

图2 止血仪系统硬件连接图

2.1 MCU控制模块

止血仪控制系统的主控芯片采用新唐科技（Nuvoton）公司的一款32 位的高性能单片机NUC029LAN，该芯片核心采用ARM Cortex-M0 架构，片内集成了4 kB 的SRAM 和64 kB 的Flash 存储器，主频可达50 MHz，备有丰富的外设，如高达八通道PWM、八通道12 位ADC 等。

止血仪控制系统主控芯片的主要任务是负责响应输入装置提供给控制装置的控制信号，并通过驱动信号来控制加压装置和减压装置来实现对止血环套的加压与减压，控制显示装置用于显示各种压力及时间等信息。为保证止血仪在操作过程中的稳定运行，主控芯片不仅需要具有一定的控制能力，还需要具有足够的抗干扰能力。NUC029LAN 芯片支持宽电压工作范围2.5～5.5 V，有着高抗干扰能力，内建22.118 4 MHz 高精度晶振，所以选用NUC029LAN 这款高性能单片机完全可以满足设备功能需求。

2.2 电源模块

止血仪控制系统的电源模块支持电源模组与锂电池结合的不间断供电方式，时刻保障设备的供电与稳定运行。其电路组成结构为电源电路、锂电池充电电路、掉电检测电路和锂电池切换电路。电源电路由市电作为输入，接入开关电源LM35-20B15输出为15 V，选用降压芯片LMR14030 将电压降至12 V 为气泵、电磁阀供电，再经由低压差线性稳压芯片AMS1117 组成的LDO 电路将电压稳定到5 V 为主控制器和其他芯片供电[12]。在220 V 的开关电源为系统供电时，同时给锂电池充电，在正常的工作状态下为电池进行充电储能，锂电池充电电路采用充电管理芯片CN3703，在恒压充电模式下，将电池电压调制在12.6 V。掉电检测电路采用HT7550 低压差LDO 线性稳压管，在设备使用过程中，若发生意外断电的情况，将信号发送至控制器，切换为锂电池为设备供电。

2.3 传感器模块

止血气体压力传感器是气压止血仪的重要检测元件，直接影响压力输出的精确度。这就要求传感器具有良好的测量精度，对气压值和数字输出量具有良好的线性转换关系以及合适的量程（文中设计的止血仪可以输出0～80 kPa 的压力）。对于以上要求，选用CFSensor 公司的XGZP 型压力传感器，型号GZP6847A101KPP50K。

输入气压(记为Pi(kPa))和输出电压(记为Vo(V))对应关系如下：

为保证采集到信号的精确性，对裸传感器芯片进行信号校准和温度补偿，形成XGZP6847 型压力传感器模块[13]。XGZP6847 型压力传感器模块采用DIP6 封装，XGZP 型压力传感器作为敏感元件，集成了数字调理芯片，PCB 板的两面分别安装SOP 封装的XGZP 型压力传感器与信号处理电路芯片ZMD31010，以供电电压为参考，产生一个经过校准、温度补偿后的标准电压信号。选择合适电压和气压量程的传感器，以获得范围正确、精度幅度良好的气压数字量信号。

3 软件程序设计

3.1 电源调节系统

系统供电有市电和锂电池供电两种模式，为了保障止血仪在运行过程中的稳定性，防止设备在运行过程中意外掉电，电源调节程序流程如图3 所示，当设备检测到市电切断时，自动转换至锂电池供电。当锂电池供电运行时，若出现低电量，会持续报警。含内部电源的设备，在外部电源断电后，可自动切换到内部电源持续工作；不含内部电源的设备，意外断电后，止血仪能够在10 s 内保持压力值处于稳定状态，且恢复通电后，保持断电前的状态，能够对数据进行实时处理。

图3 电源调节程序流程

3.2 压力调节系统

系统程序流程图如图4 所示，GZP6847A 气压传感器模块将接收到的气压信号转换为相应的电信号，MCU 采集数据处理之后的电信号。其中数据处理主要采用移动平均、频域滤波算法。移动平均算法可以有效降低测量中的噪声干扰，而频域滤波能改善止血带内压力波动的包络线，提高设备的抗干扰能力和测量精度。设备进入工作模式后，可调整单通道运行和双通道运行两种模式，两个通道可以进行独立的参数设置。操作者通过调整设定时间以及设定压力使设备工作，控制器中向气泵和电磁阀传递电信号将驱动气泵与电磁阀工作。气泵开始工作后，机器进入工作状态，设备运行稳定后，载体上的压力应稳定在设定压力值的±1 kPa(±8 mmHg)范围内，因系统合理范围的气密性或因外部扰动导致系统失衡后，在10 s 内止血压力能通过压力平衡机制调节到失衡之前设定的压力值。

图4 系统程序流程图

3.3 自检与报警提示系统

设备在使用之前，由操作者将止血袖带缠绕在患者肢体损伤部位的近心端，做好准备工作后开启机器。设备上电初始化之后开始自检，若出现低电量、气泵故障、管路漏气等问题，蜂鸣器会发出报警，当检测无异常时设备进入工作状态，等待用户进行按键操作。自检完成后，显示屏的袖带压力和止血时间显示块显示为“0”或前次运行参数。若设备在运行过程中出现影响手术中止血的故障，报警系统能够提供具有听觉或视觉的提示信号，使用户第一时间了解产品的运行情况，并根据情况加以调整[14]。

4 气压采集精度测试

止血仪驱动气泵对止血环套进行加压，GZP6847A气压传感器模块感受到压力后进行识别、采样以及对干扰信号进行识别和去除、收集、整合压力信号，并转化为电信号传导至数据处理器，在显示屏上显示压力值结果[15]。设备显示的气压数值与真实气压数值间的误差大小是衡量止血仪精度的一个重要指标，为确保设备压力数值精度满足需求，对设备气压值采集精度进行测试[16]。用橡胶管和四通连接器将主机控制器和充气检测罐、充气球、压力计连接起来，组成检定系统。

静态压力测量范围的检定：将主机调成静态压力检测模式，即设备待机、电磁阀闭合，按照全量程内基本平均分布的原则，在75、300、450、600 mmHg的检定点，检测20 次，分别测出主机控制器静态压力示值均值、标准压力计压力示值均值，计算静态压力显示误差均值。

静态压力示值误差的检定：在设定的静态压力范围内，由标准压力计对止血仪逐点从低到高增压进行压力测量，静态压力示值误差按下式计算:

式中，Δp表示静态压力示值误差均值，单位为mmHg；p表示止血仪静态压力示值均值，单位为mmHg；p0表示标准压力计压力示值均值，单位为mmHg。

经过检定系统测量，实验数据详见表1。

表1 气压检测数据对照

市场上的自动气压止血仪的静态压力显示误差大多在8 mmHg 左右，而经过优化后，气压止血仪静态压力显示误差均小于5 mmHg。通过优化电路设计部分，提高设备的抗干扰特性以及提高采集气压的精度。设备压力数值采集精度高可以更好地控制术中患者创口的出血量，满足止血仪在临床手术中使用的需求。

5 结论

研制一款以NUC029LAN 芯片作为核心控制器的双通道气压止血仪，在操作系统上，双通道独立设定参数的工作模式解决了单一气囊止血仪使用不灵活的缺陷，提高了设备的工作效率。系统操作界面设计简洁，操作功能丰富，满足医务人员的使用需求。针对旧式止血仪测量压力值精度低的问题，优化了芯片与传感器模块的设计方案，提高了对电磁脉冲的抗干扰特性，使设备有着高精度的数据采集能力。止血仪的双供电系统和掉电检测电路的设计，解决了旧式止血仪受电源波动干扰的问题，提高了设备工作的安全性，保障设备的稳定运行。为止血仪的功能设计提供了一种新型的可靠方案。