智能人體缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)的設(shè)計(jì)

魏宏波

智能人體缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)的設(shè)計(jì)

魏宏波

目的：為了調(diào)動(dòng)機(jī)體的自身防御和修復(fù)機(jī)能，有利于中風(fēng)后神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)，設(shè)計(jì)人體缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)。方法：根據(jù)人體遠(yuǎn)端缺血預(yù)適應(yīng)療法原理，由MN101EF32D單片機(jī)控制2個(gè)微型充氣泵，分別給2個(gè)袖套充氣加壓至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），使治療者上肢血供徹底阻斷，并恒壓維持5 min，反復(fù)地造成肢體短暫的、可逆性缺血、缺氧，刺激機(jī)體產(chǎn)生內(nèi)源性介質(zhì)，以達(dá)到治療目的。結(jié)果：該治療機(jī)使治療過程更加簡潔方便，提高了治療的自動(dòng)化程度，且運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、攜帶方便。結(jié)論：該治療機(jī)具有成本低、功耗小、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，能滿足心腦血管疾病高危人群輔助治療的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

缺血預(yù)適應(yīng)；單片機(jī)；恒壓；自動(dòng)控制

0 引言

隨著社會節(jié)奏的加快和老齡人口的增多，患心腦血管疾病的比例也在上升。心腦血管疾病致死率、致殘率極高，對患者家庭和社會帶來了很大的負(fù)擔(dān)。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對人體遠(yuǎn)端缺血預(yù)適應(yīng)療法進(jìn)行了廣泛的研究[1-4]，研究表明該療法為無創(chuàng)治療，適應(yīng)范圍廣，可有效提高人體對缺血、缺氧的耐受力，增加了進(jìn)一步干預(yù)治療的時(shí)間和機(jī)會。這種治療方法通過人為反復(fù)地造成肢體短暫的可逆性缺血、缺氧，刺激機(jī)體產(chǎn)生內(nèi)源性介質(zhì)，促進(jìn)人體備用的側(cè)枝循環(huán)啟動(dòng)和新建，提高機(jī)體對缺血、缺氧的耐受力。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過肢體的反復(fù)缺血、缺氧鍛煉，還可調(diào)動(dòng)機(jī)體的自身防御和修復(fù)機(jī)能，有利于中風(fēng)后神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果[5]。該療法理論上比較成熟，但在臨床上基本上處于人工操作狀態(tài)，通過手動(dòng)給袖套打氣加壓進(jìn)行治療，操作很不方便。能夠應(yīng)用該療法自動(dòng)控制進(jìn)行治療的設(shè)備尚未見到，為此我們設(shè)計(jì)開發(fā)了智能人體缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、安全方便、智能化程度高等特點(diǎn)。下面著重論述該治療機(jī)的開發(fā)過程。

1 智能人體缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路

缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)的設(shè)計(jì)思路是：由MN101EF32D單片機(jī)控制，給2個(gè)袖套中的一個(gè)充氣加壓至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），使治療者上肢血供徹底阻斷，并恒壓維持5 min，然后打開氣閥，使袖套全部放氣，同時(shí)啟動(dòng)另一路充氣系統(tǒng)，為另一個(gè)袖套充氣，同樣也恒壓維持在200 mmHg，持續(xù)5 min。以此類推，循環(huán)3次結(jié)束。同時(shí)設(shè)計(jì)一套液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）的顯示系統(tǒng)，使袖套內(nèi)的壓力可以實(shí)時(shí)在數(shù)碼顯示器上顯示，并顯示倒計(jì)時(shí)和出錯(cuò)提示。從安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)異常處理系統(tǒng)，如果充氣一直不停，則系統(tǒng)馬上報(bào)警并復(fù)位放氣。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置有低電壓自動(dòng)報(bào)警提示。設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件的選配

2.1 微型充氣泵和袖套選配

微型充氣泵和袖套是缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)工作的最主要設(shè)備之一，充氣泵要求體積小、功耗低，最大充氣壓力＞250 mmHg。設(shè)計(jì)中選用了深圳市創(chuàng)興電機(jī)有限公司的JQB370-6A微型充氣泵，外徑尺寸Φ27mm，額定電壓6.0 V，額定電流≤400 mA，流量2.0 L/min，最大壓力＞400 mmHg，完全滿足設(shè)計(jì)需要的200 mmHg。袖套選用14 cm×22 cm的成人標(biāo)準(zhǔn)捆綁式血壓計(jì)袖帶。

圖1 缺血預(yù)適應(yīng)治療機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 壓力傳感器選配

壓力傳感器是測量袖套內(nèi)壓力的關(guān)鍵部件，它決定著測量的靈敏度和恒壓的控制精度。壓力傳感器返回的信號容易受到袖套捆綁的位置、松緊程度和上臂移動(dòng)帶來的干擾，因此，要求所選壓力傳感器靈敏度高、精確性好、延時(shí)性低，具有高增益、低漂移和高共模抑制比等特征。為此，本設(shè)計(jì)選用了Motorola公司的MPX5050GP硅壓力傳感器，該壓力傳感器驅(qū)動(dòng)電壓5 VDC，零點(diǎn)偏移電壓0.2 V，滿量程輸出4.7 V，靈敏度為90 mV/kPa，反應(yīng)時(shí)間1.0 ms，在0～85℃的最大誤差為2.5%。且具有溫度補(bǔ)償和放大功能，通過接口可以直接與單片機(jī)相連，使用十分方便。本設(shè)計(jì)需要的最大壓力為200 mmHg，該傳感器測量范圍為0～375 mmHg，完全滿足設(shè)計(jì)需要。

2.3 單片機(jī)選擇

單片機(jī)是機(jī)器控制系統(tǒng)的核心，本設(shè)計(jì)選用了松下公司的MN101EF32D系列8位單片機(jī)，該單片機(jī)具有功能多樣、硬件結(jié)構(gòu)靈活、指令簡潔高效等特點(diǎn)。MN101E32D型單片機(jī)內(nèi)置最大Flash 64 KB、4 KB RAM，包含6個(gè)外部中斷、21個(gè)內(nèi)部中斷，有9個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器、4個(gè)系統(tǒng)串口、32×4段LCD驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視定時(shí)器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)同步輸出以及蜂鳴器等外圍功能。該單片機(jī)工作電壓為2.5～5.5 V，工作溫度范圍為－40～85℃，封裝為64引腳LQFP。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下功能：

（1）采用10位A/D采樣電路實(shí)現(xiàn)袖套內(nèi)壓力值的測量。（2）利用LCD顯示控制端口直接驅(qū)動(dòng)32×4段的LCD，實(shí)時(shí)顯示袖套內(nèi)壓力和時(shí)間。（3）利用單片機(jī)的定時(shí)器功能，對A/D數(shù)據(jù)采樣時(shí)間及充放氣時(shí)間進(jìn)行定時(shí)。（4）測量值的顯示方式可以選擇mmHg或者kPa[5]。

2.4 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)采用6 V直流（4節(jié)5號標(biāo)準(zhǔn)堿性干電池，1.5 V/每節(jié)）供電，并預(yù)留有外接電源口，可通過預(yù)留口由220V轉(zhuǎn)6V適配器進(jìn)行供電，電源經(jīng)過5V穩(wěn)壓管給MN101EF32D單片機(jī)供電，微型充氣泵和電磁閥直接由6 V電源供電，通過顯示器和蜂鳴器對低電壓進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警提示。電源開啟采用開關(guān)電源進(jìn)行硬件控制，治療結(jié)束后采用軟件控制的方法使系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，若需要再進(jìn)行一次治療，則按相應(yīng)按鍵進(jìn)入治療過程，徹底關(guān)閉利用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。在待機(jī)狀態(tài)時(shí)除了穩(wěn)壓模塊外，其他芯片處于斷電狀態(tài)，功耗較低。為使單片機(jī)內(nèi)部電源穩(wěn)定化，在VDD和VSS引腳之間連接10 μF的旁路電容，單片機(jī)不使用的引腳插入10 kΩ的電阻上拉或下拉。

2.5 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LCD顯示窗如圖2所示，用于觀察袖套內(nèi)壓力和持續(xù)時(shí)間。設(shè)計(jì)采用MN101EF32D芯片內(nèi)置的LCD驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)顯示器，單片機(jī)的LCD輸出端口分別與LCD的8段顯示控制端相連接，構(gòu)成片選控制端，單片機(jī)的段輸出引腳分別接到LCD管位控制端。當(dāng)程序控制單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的字符時(shí)，LCD便會有相應(yīng)的顯示，從而實(shí)現(xiàn)袖套壓和時(shí)間顯示。MN101EF32D芯片內(nèi)置32個(gè)段引腳、4個(gè)公用引腳的LCD驅(qū)動(dòng)電路，由段輸出鎖存、LCD控制寄存器、預(yù)分頻器、時(shí)序控制電路、多路調(diào)制器、分段驅(qū)動(dòng)器、公用驅(qū)動(dòng)器、分壓電阻構(gòu)成。系統(tǒng)加電后先初始化LCD方式控制寄存器，用來對LCD時(shí)鐘、LCD顯示的ON/OFF、顯示占空比等進(jìn)行設(shè)置。LCD驅(qū)動(dòng)使用段輸出引腳（SEG0～SEG31）、公用輸出引腳（COM0～COM3），可以進(jìn)行靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示。多路調(diào)制器時(shí)，以時(shí)序控制電路信號為基礎(chǔ)選擇段輸出鎖存數(shù)據(jù)，提供給段驅(qū)動(dòng)器，段驅(qū)動(dòng)器根據(jù)供給LCD電源的電壓，將段數(shù)據(jù)鎖存內(nèi)容變成可以驅(qū)動(dòng)LCD的信號，再輸出段信號。

圖2LCD顯示窗

2.6 袖套恒壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袖套恒壓是由單片機(jī)控制微型氣泵和電磁閥充、放氣的結(jié)果。當(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電平時(shí)，微型氣泵和電磁閥立即工作，袖套開始被充氣。當(dāng)其內(nèi)壓力達(dá)到200 mmHg時(shí)，壓力傳感器發(fā)出壓力上限信號，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算，在對應(yīng)輸出端口產(chǎn)生低電平信號，使氣泵和氣閥停止工作；當(dāng)袖套內(nèi)壓力低于200 mmHg時(shí)，壓力傳感器發(fā)出壓力下限信號，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算在對應(yīng)輸出端口產(chǎn)生高電平，氣泵和電磁閥再次啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)袖套內(nèi)恒壓[6-7]。

由于選用的MN101EF32D單片機(jī)I/O引腳輸出電流最大只有20 mA，而微型充氣泵和電磁閥的額定電流都達(dá)幾百毫安，為此，設(shè)計(jì)中在單片機(jī)和微型氣泵間加用TIP122達(dá)林頓晶體管，該晶體管集電極電流可達(dá)2 A，基極電流可達(dá)50 mA。通過控制TIP122的基極電平，實(shí)現(xiàn)袖帶的充氣和放氣。由于氣泵和電磁閥內(nèi)部都有線圈，易產(chǎn)生感性負(fù)載，為防止燒毀器件，加用續(xù)流二極管IN4148，如圖3所示。為了保證安全，系統(tǒng)采用常開氣閥，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)能夠自動(dòng)放氣，從而避免氣閥損壞時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

圖3 恒壓充放氣驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)包括信號的采集處理程序，微型充氣泵與電磁閥的驅(qū)動(dòng)與控制程序，時(shí)鐘、顯示器、鍵盤及蜂鳴器等相關(guān)接口程序的設(shè)計(jì)。軟件的主要工作流程為：上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，當(dāng)開始鍵被按下時(shí)，第一組充氣泵所連單片機(jī)端口產(chǎn)生高電位，充氣泵開始工作，放氣閥關(guān)閉，使第一組袖套迅速充氣至200 mmHg左右，單片機(jī)通過1路A/D電路開始采集袖帶的氣壓，并將袖帶內(nèi)實(shí)時(shí)氣壓和200 mmHg進(jìn)行比較，用來控制氣泵和氣閥的充氣或放氣，維持袖套內(nèi)氣壓恒定在200 mmHg左右。同時(shí)顯示器顯示袖套內(nèi)實(shí)時(shí)壓力和時(shí)間，計(jì)時(shí)器開始由5 min倒計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)到0時(shí)，單片機(jī)連接第一組氣泵和氣閥的端口變?yōu)榈碗娖?，第一組袖套快速排氣，同時(shí)連接第二組氣泵和氣閥的單片機(jī)端口由低電位變成高電位，控制第二組氣泵和氣閥進(jìn)行工作。同樣將第二組袖套充氣至200 mmHg，并恒壓維持5 min，顯示屏上實(shí)時(shí)顯示第二組袖套內(nèi)氣壓，依次循環(huán)，進(jìn)行3次，共30 min。然后蜂鳴器報(bào)警，結(jié)束治療返回待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行程序如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行程序框圖

編程時(shí)從安全角度出發(fā)，還要考慮到以下異常情況的處理：

（1）如果袖套內(nèi)壓力大于220 mmHg，充氣泵仍充氣不停，則系統(tǒng)馬上報(bào)警并復(fù)位放氣，返回待機(jī)狀態(tài)。

（2）如果充氣泵工作超過30 s，對應(yīng)袖套內(nèi)壓力低于90 mmHg，則系統(tǒng)馬上報(bào)警并復(fù)位放氣，返回待機(jī)狀態(tài)。

以上程序流程用C語言編程，通過C語言編譯器解析生成代碼，用keil軟件和proteus聯(lián)合調(diào)試。運(yùn)行方式為3級（取指、解碼、執(zhí)行）流水線處理，在執(zhí)行指令的同時(shí)，讀取、解讀其他指令，結(jié)束執(zhí)行指令后，立即開始執(zhí)行下一個(gè)指令。使用流水線處理就可以連續(xù)地執(zhí)行指令，提高指令的執(zhí)行速度。通過指令隊(duì)列和指令解碼器進(jìn)行流水線處理，指令隊(duì)列由硬件自動(dòng)控制，所以在編程時(shí)不需考慮。但是計(jì)算指令執(zhí)行時(shí)間時(shí)，就要考慮到指令隊(duì)列的操作，通過微程序控制，指令解碼器生成指令執(zhí)行每個(gè)周期的控制信號，并在需要控制信號的前一個(gè)周期利用流水線處理來解讀指令隊(duì)列的內(nèi)容[8-9]。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有成本低、功耗小、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、安全可靠、攜帶方便，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能夠較好地滿足心腦血管疾病高危人群輔助治療的要求，有廣闊的市場前景。

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（收稿：2015-01-04 修回：2015-04-20）

Design of intelligent ischemia preconditioning treatment apparatus

WEI Hong-bo
(Department of Electromechanical Engineering,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016,Shaanxi Province，China)

ObjectiveTo mobilize the body's own defense and repair function and help the nervous system repair after stroke according to the remote ischemic preconditioning therapy principle.MethodsTwo miniature inflating pumps were controlled by MN101EF32D single chip microcomputer to impose 200 mmHg(1 mmHg=133.322 Pa)pressure on two cuffs in turn to block the upper limb blood supply completely.Every pressing process lasted 5 min,and repeated,transient and reversible ischemia and hypoxia might stimulate the body to produce endogenous mediators.ResultsIt proved that the apparatus simplified the treatment and enhanced the automation with high stability,safety,reliability and portability.ConclusionThe apparatus gains advantages in low cost,low power consumption and high automation,and can be used for auxiliary treatment of cardiovascular and cerebrovascular diseases patients.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：29-31]

ischemic preconditioning;single chip microcomputer;constant pressure;automatic control

R318.6；TH772.1

A

1003-8868（2015）08-0029-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.029

寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目（13JG14，ZK15030）

魏宏波（1974—），女，副教授，主要從事CAD/CAM、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、智能檢測技術(shù)方面的研究工作，E-mail：cdnkwhb@163.com。

：721016陜西寶雞，寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（魏宏波）