基于ADS1278的便攜式術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀光+張群峰+程帆

摘 要：術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一種為外科醫(yī)生提供神經(jīng)辨別的醫(yī)療輔助系統(tǒng)。本文主要介紹了一種基于ADS1278的便攜式術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)，包括其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。并且經(jīng)臨床驗(yàn)證，該設(shè)備在臨床手術(shù)過程中取得了良好的效果，為外科醫(yī)生提供了有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：ADS1278；FPGA；神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀；便攜式；

1. 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

便攜式術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀的構(gòu)成較為復(fù)雜，主要由患者接線盒、通訊盒和監(jiān)護(hù)主機(jī)三大部分構(gòu)成，患者接線盒主要負(fù)責(zé)人體生理電信號(hào)的采集和預(yù)處理，通訊盒主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)護(hù)主機(jī)主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的顯示和人機(jī)交互。

其中患者接線盒部分包括8通道肌電信號(hào)采集和2路微電流刺激；為了提高通訊的抗干擾性，患者接線盒與通訊盒之間采用485總線通訊，并且傳輸數(shù)據(jù)采用了NRZI編碼[4]方式編碼；監(jiān)護(hù)主機(jī)內(nèi)含一個(gè)工控機(jī)（型號(hào)：研華 MIO-2262）和15寸液晶屏（帶觸摸功能），醫(yī)生通過觸摸屏就可以完成采集設(shè)置和病理管理等操作。

2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)隔離與電源設(shè)計(jì)

基于臨床和系統(tǒng)安全性的需求，本系統(tǒng)采用兩級(jí)隔離設(shè)計(jì)。第一級(jí)隔離在監(jiān)護(hù)主機(jī)，電源隔離模塊采用上海永燊電子的SNP-H067-M，該模塊符合IEC60601-1標(biāo)準(zhǔn)，隔離電壓在4000V以上，輸入220V交流網(wǎng)電源，可輸出+12V/5A直流電源。由于USB2.0接口只能提供+5V，電流最大為500mA的直流電源，不能滿足患者接線盒與通訊盒的功耗需求，因此，患者接線盒與通訊盒將采用獨(dú)立的+12V電源供電，該級(jí)無(wú)信號(hào)線的隔離。第二級(jí)隔離在患者接線盒，電源隔離模塊采用金升陽(yáng)G0505-2W和金升陽(yáng)G1212-2W，模塊符合CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，隔離電壓6000V以上，隔離阻抗1000MΩ。信號(hào)線隔離采用新華龍公司的Si8662ED-B-IS和Si8661ED-B-IS，隔離電壓6000V以上，傳輸帶寬150 Mbps，可滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。該級(jí)信號(hào)線隔離如下所述，采集部分隔離信號(hào)主要有ADS1278的控制信號(hào)、CPLD的控制信號(hào)和耗材識(shí)別芯片的控制信號(hào)，刺激部分隔離信號(hào)主要有刺激電流的輸出控制和刺激電流的反饋檢測(cè)，其中浮地1、浮地2、浮地3均相互隔離，隔離電壓在4000V以上，主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行隔離。該系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)有效地降低了應(yīng)用端的傳導(dǎo)輻射，并采取屏蔽等措施，降低空間輻射， 有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

2.2 工作模式設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在正常采集顯示人體電生理信號(hào)的同時(shí)，還需要提示醫(yī)生電極接觸是否良好，因此系統(tǒng)可以在不同的工作模式之間進(jìn)行切換，該系統(tǒng)的主要工作模式有：信號(hào)采集顯示、活動(dòng)電極端阻抗測(cè)試、參考電極端阻抗測(cè)試和定標(biāo)模式。阻抗測(cè)試功能可以計(jì)算電極與人體之間的阻抗值，供系統(tǒng)判斷電極是否接觸良好。定標(biāo)模式可以對(duì)產(chǎn)品在出廠前對(duì)放大器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和存儲(chǔ)。阻抗測(cè)試功能和定標(biāo)功能信號(hào)源由患者接線盒FPGA自行產(chǎn)生，經(jīng)采集放大之后，供上位機(jī)軟件計(jì)算使用。各工作模式切換主要由模擬開關(guān)芯片CD4052BPWR在不同的信號(hào)源之間切換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.3放大器和ADC設(shè)計(jì)

人體神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉的電活動(dòng)信號(hào)幅度很低，一般在零點(diǎn)幾微伏至幾十毫伏范圍內(nèi)，因此對(duì)放大電路的設(shè)計(jì)要求較高，要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的特性。該放大電路采用兩級(jí)放大，前級(jí)運(yùn)放采用AD8422BRMZ，其放大倍數(shù)固定為13倍，后級(jí)運(yùn)放采用OPA140AIDBVR，其放大倍數(shù)為2倍和20倍兩檔可調(diào)，在運(yùn)放±5V供電，輸入有300mV極化電壓的情況下，仍有100mV的測(cè)量范圍。

AD芯片采用TI公司的ADS1278IPAPT，其是TI公司推出的一款24位△-ΣAD轉(zhuǎn)換器， 具有8個(gè)實(shí)時(shí)采樣通道，最高144kSPS的采樣速率，SPI或者幀同步串行接口，線性相位數(shù)字濾波器，70kHz帶寬，111dB信噪比[5]等。

2.4 刺激器設(shè)計(jì)

刺激器部分主要實(shí)現(xiàn)微電流的恒流刺激，刺激器主要有三個(gè)參數(shù)，分別為刺激頻率、刺激脈寬、刺激強(qiáng)度。刺激頻率從0.1Hz到100Hz可調(diào)，靈敏度為0.1Hz；刺激脈寬從50uS到250uS可調(diào)，靈敏度為50uS；刺激強(qiáng)度從0.05mA到30mA可調(diào)，靈敏度0.01mA。

患者接線盒FPGA接收上位機(jī)的命令參數(shù)，控制DA芯片DAC8512FS將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，經(jīng)運(yùn)放AD822AR驅(qū)動(dòng)MOS管IRFRC20，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的恒流控制。刺激電流經(jīng)刺激采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓，通過AD芯片ADS8320EB轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)隔離芯片及FPGA上傳至監(jiān)護(hù)主機(jī)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

3. 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能主要是由軟件實(shí)時(shí)管理和控制的，主要分為FPGA固件、USB固件、上位機(jī)軟件。

3.1 FPGA固件設(shè)計(jì)：

該系統(tǒng)FPGA固件包括兩部分：患者接線盒FPGA固件和通訊盒FPGA固件?；颊呓泳€盒FPGA固件主要功能包括：FPGA固件版本的管理、命令的解析和應(yīng)答、采集數(shù)據(jù)的組幀和上傳、反饋電流值的上傳等。通訊盒FPGA固件主要功能包括：FPGA固件版本的管理、命令的解析和轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)助USB控制器芯片CY7C68013A進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳等。

3.2 USB固件設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)采樣頻率為25kSPS， 每幀傳輸字節(jié)數(shù)為32字節(jié)，故數(shù)據(jù)傳輸速率為6.4Mbps， USB2.0理論傳輸速率為480Mbps，理論上可以滿足傳輸需求[6]。端點(diǎn)（EndPoint0）用于傳遞標(biāo)準(zhǔn)USB命令和本產(chǎn)品定義的命令，端點(diǎn)1（Endpoint1）用于傳送采集數(shù)據(jù)，采用BULK傳輸方式，最大數(shù)據(jù)包大小為1024字節(jié)。

4. 臨床試驗(yàn)與產(chǎn)品化

該設(shè)備成功上市后，成為國(guó)內(nèi)首款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輔助神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打破了進(jìn)口設(shè)備對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的壟斷。截至目前，已在多家三甲醫(yī)院進(jìn)行了數(shù)百臺(tái)臨床手術(shù)，該產(chǎn)品不僅達(dá)到了進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)水平，而且更符合國(guó)內(nèi)醫(yī)生的使用習(xí)慣，提高了術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)設(shè)備使用的普遍性，減少了手術(shù)患者神經(jīng)系統(tǒng)醫(yī)源性損傷的風(fēng)險(xiǎn)，臨床使用效果如圖1所示：

參考文獻(xiàn)

[1] 郭紅霞. 術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)和術(shù)后尿動(dòng)力學(xué)評(píng)估在SNSRH中的應(yīng)用[D]. 廣州：南方醫(yī)科大學(xué)， 2010.

[2] 陳曉俠， 宋文靜， 王平. 神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀在甲狀腺手術(shù)中的使用及其護(hù)理配合[J].全科護(hù)理. 2016， 14（5）： 488-489.

[3] 莊紅霞， 靳玉萍，歐陽(yáng)愛群. 中央神經(jīng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于重度顱腦損傷病人護(hù)理[J].安徽衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2006， 5（6）： 63-64.

[4] http：//baike.baidu.com/link？url=24kK_LeMmaXFhZRC_33j9VeIucHWCcrTqN4brCx9XDV6

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作者簡(jiǎn)介：

賀光（1983—），男，硬件工程師，主要從事醫(yī)療器械硬件設(shè)計(jì)；

張群峰（1972—），男，技術(shù)總監(jiān)，主要從事醫(yī)療器械硬件設(shè)計(jì)，項(xiàng)目管理；

程帆（1983—），男，軟件工程師，主要從事醫(yī)療器械軟件設(shè)計(jì)；endprint