基于STM32的低功耗自動(dòng)靜脈穿刺系統(tǒng)研究

霍亮生，趙雄，王燕青，王鑫，阮晨詩函

1.北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2.中國人民解放軍第三〇七醫(yī)院 腫瘤科，北京 100071

引言

靜脈穿刺是醫(yī)護(hù)人員在對(duì)患者進(jìn)行疾病診療時(shí)的一種常見的臨床治療方法，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國每年進(jìn)行靜脈穿刺多達(dá)14億次[1-2]。能夠有效地幫助患者免于反復(fù)承受穿刺的痛苦，還可以用于抽取血液樣本。CT和B超等圖像可視化技術(shù)的發(fā)展，使得靜脈穿刺置管技術(shù)有了進(jìn)一步的改良。超聲引導(dǎo)下應(yīng)用塞丁格技術(shù)進(jìn)行穿刺是目前國際上廣泛應(yīng)用的PICC穿刺術(shù)[3]，通過超聲圖像進(jìn)行可視化引導(dǎo)定位，提高了PICC置管的成功率，降低了靜脈炎的發(fā)生，減輕穿刺點(diǎn)增生，減少了組織損傷與并發(fā)癥[4]。

目前，B超引導(dǎo)下的靜脈穿刺置管技術(shù)在臨床上有較大的優(yōu)越性，但是這種方法要求醫(yī)護(hù)人員掌握熟練的穿刺置管技術(shù)，國內(nèi)這方便醫(yī)護(hù)人員緊缺，穿刺人才培養(yǎng)成本較高。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的便攜式靜脈穿刺裝置，該裝置采用B超引導(dǎo)，通過B超圖像反饋及STM32嵌入式系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)穿刺過程，大大提高了穿刺過程中的自動(dòng)化程度，也降低了對(duì)于穿刺醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)要求。

本文所述自動(dòng)靜脈穿刺裝置具有以下特點(diǎn)：① 穿刺裝置的結(jié)構(gòu)采用聚酰胺樹脂材料，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，抗菌效果較好；② 體積小，可實(shí)現(xiàn)與掌上B超的快速安裝拆卸，可適用于地震、野外急救等多種急救場合；③ 在B超掃描定位階段可實(shí)現(xiàn)待機(jī)、停機(jī)，穿刺時(shí)快速喚醒，控制系統(tǒng)耗能低，響應(yīng)快；④ 通過可視化技術(shù)定位，系統(tǒng)精度高；⑤ 成本低。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)靜脈穿刺系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，見圖1，主要由穿刺模塊和顯示處理模塊兩大部分組成，穿刺模塊主要包括便攜式B超、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和引導(dǎo)穿刺結(jié)構(gòu)，顯示處理模塊主要包括圖像顯示器和圖像處理器兩部分。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

醫(yī)護(hù)人員手持B超掃描患者穿刺部位，確定穿刺靶血管，固定穿刺部位并確定穿刺位置，穿刺開始后先由顯示處理模塊根據(jù)B超所掃描的血管圖像進(jìn)行智能分析，識(shí)別血管的皮下位置及血管內(nèi)徑等參數(shù)，嵌入式控制器根據(jù)血管參數(shù)自動(dòng)計(jì)算進(jìn)針距離，通過驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)穿刺針進(jìn)行穿刺，由醫(yī)護(hù)人員將穿刺軟管推入靶血管一段距離，穿刺針退回到初始位置，完成穿刺。

2 穿刺裝置設(shè)計(jì)

2.1 B超選擇

本設(shè)計(jì)中便攜式B超采用朗昇科技有限公司的mSonics MU1智能掌上超聲，該設(shè)備便攜易用，超聲成像效果較好，滿足使用要求。

2.2 圖像處理器

圖像處理器能夠通過對(duì)B超所掃描到的血管圖像進(jìn)行分析，自動(dòng)識(shí)別圖像中靶血管，并測量出血管內(nèi)徑與血管深度[5]，將數(shù)據(jù)返回到控制系統(tǒng)。圖像處理器所處理過的血管B超圖像，見圖2。

圖2 圖像識(shí)別器處理過后的血管B超圖像

2.3 電機(jī)選型

為保證穿刺傳動(dòng)穩(wěn)定性，采用直線驅(qū)動(dòng)方式，并選用微型滑臺(tái)步進(jìn)電機(jī)作為穿刺驅(qū)動(dòng)電機(jī)。穿刺過程中負(fù)載來源分為：穿刺皮膚組織的阻力、絲杠與滑塊的傳動(dòng)阻力。根據(jù)穿刺力實(shí)驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)表明，手動(dòng)穿刺速度一般都低于5 mm/s，穿刺時(shí)穿刺力都小于4 N[6]。選用2相4線制微型步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓為（4～9）V/（100～500）mA，絲桿長度為80 mm，滑塊行程為70 mm，電機(jī)直徑15 mm，絲杠直徑3 mm，絲杠螺距0.5 mm，步距角18°[7]。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)B超探頭模型與選定的電機(jī)尺寸，設(shè)計(jì)穿刺裝置示意圖，見圖3。

圖3 穿刺裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3 自動(dòng)靜脈穿刺系統(tǒng)控制器軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)所需功能與控制要求，控制器的硬件設(shè)計(jì)，見圖4。并對(duì)各組成部分進(jìn)行介紹。

圖4 控制器硬件設(shè)計(jì)

（1）MCU模塊選用的是STM32F105芯片，采用LQFP32封裝，它是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器[8-9]，其內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用的嵌入式領(lǐng)域的要求，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)256 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM），片內(nèi)集成有12位的A/D等。STM32F105芯片在低功耗方面表現(xiàn)的比較出色，有Sleep、Stop、Standby三種模式，可以滿足系統(tǒng)低功耗的要求，最低電流消耗可以降到2 mA，并且從低功耗模式下也可以快速喚醒，在Stop模式時(shí)喚醒微控制器只需要6 μs[10]。

（2）圖像處理系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)控制器之間的通信采用CP2102芯片，這是一款可以應(yīng)用于USB接口轉(zhuǎn)UART通信的芯片，它與3 V或5 V供電的單片機(jī)連接不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該芯片具有高集成度的特點(diǎn)，內(nèi)置USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的全速功能控制器、USB收發(fā)器、內(nèi)部時(shí)鐘、緩沖器、EEPROM和帶有調(diào)制解調(diào)器接口信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），無需外部USB器件[11]。USB功能控制器用來管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸、USB主控制器發(fā)出的命令請(qǐng)求以及UART功能控制命令[12]。CP2102的UART接口包括TX端（數(shù)據(jù)發(fā)送）、RX端（數(shù)據(jù)接收）以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信號(hào)，UART支持RTS/CTS、DSR/DTR和X-On/X-Off握手，還可以通過編程使UART支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率[13]。CP2102串行總線的數(shù)據(jù)格式和波特率，見表1。

本文實(shí)現(xiàn)USB與RS232接口電路設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換電路原理圖，見圖5。該電路以CP2102為核心器件，將USB信號(hào)轉(zhuǎn)為串口信號(hào)，D+、D-為數(shù)字I/O口，RXD/TXD進(jìn)行UART數(shù)據(jù)接收發(fā)送，選擇MAX3223芯片作為RS-232的接口芯片，完成RS-232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，該芯片工作電壓為3～5.5 V，靜態(tài)電流低于1 μA，負(fù)載電流低于2 mA，數(shù)據(jù)傳輸率為120 Kbps，外圍元件少，體積小。

（3）系統(tǒng)供電電壓DC 5 V，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，需進(jìn)行升壓處理，使的驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為+12 V。本文采用LM2587芯片來設(shè)計(jì)升壓電路。LM2587是一款反饋電源開關(guān)芯片，電源開關(guān)是一個(gè)可以承受65 V電壓的5.0 A NPN器件，該芯片具有非常好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，只需要很少的外圍器件就可以構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路[14]。輸入電壓范圍為4～40 V，輸出電壓范圍為1.23～57 V，調(diào)節(jié)范圍較寬，并且還具有熱關(guān)閉和限流保護(hù)功能?；贚M2587的+5～+12 V升壓電路，見圖6。

（4）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的是TRINAMIC公司的TMC262驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用QFN32封裝，體積較小，是一款高精度的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)60 V，電流可達(dá)8 A[15]。該芯片集成了coolStepTM和stallGuard2TM等多項(xiàng)專利技術(shù)[16]，stallGuard功能可以使芯片在沒有傳感器的情況下對(duì)失速進(jìn)行自主探測，coolStep功能可以使芯片根據(jù)電機(jī)負(fù)載的大小調(diào)節(jié)輸出電流的大小，既減少了步進(jìn)電機(jī)失步和丟步現(xiàn)象的發(fā)生，又降低了發(fā)熱，減少了功耗。TMC262芯片自身有著256細(xì)分，并且它的微分校驗(yàn)功能使得每個(gè)微分有了精度保證。該芯片可以通過SPI和S/D模式進(jìn)行電機(jī)控制，自身帶有過流、短路、過溫保護(hù)電路，低功耗高效率，目前在生物儀器和醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。

表1 CP2102串行總線的數(shù)據(jù)格式和波特率

圖5 USB轉(zhuǎn)串口-CP2102電路原理圖

圖6 LM2587芯片升壓（+5～+12 V）電路

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件開發(fā)采C語言的Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，Keil MDK有豐富的STM32固件庫，提高了軟件開發(fā)效率[17]。穿刺控制程序流程，見圖7。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)SPI的初始化、運(yùn)動(dòng)控制命令定義、通信功能的初始化等，完成初始化操作之后判斷穿刺針是否在初始位置，確認(rèn)穿刺針的初始位置之后開始進(jìn)行穿刺，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)穿刺針到達(dá)靶血管目標(biāo)位置后，由醫(yī)護(hù)人員手動(dòng)將軟管推入血管內(nèi)，軟管進(jìn)入血管之后醫(yī)護(hù)人員觸動(dòng)穿刺結(jié)束的按鈕，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)收到穿刺結(jié)束指令，開始退針，退針完畢穿刺結(jié)束。

圖7 穿刺控制程序流程圖

4 進(jìn)針控制

本文通過隨機(jī)采集解放軍第三〇七醫(yī)院腫瘤科100例穿刺患者的靜脈超聲圖像數(shù)據(jù)，分析其穿刺靜脈血管的半徑r及血管中心距離皮膚表層的距離h的分布范圍，得到以下數(shù)據(jù)：靜脈血管半徑最小為1.22 mm，最大為3.25 mm，平均半徑為2.05 mm；血管中心距離皮膚表層的距離h最小值為3.06 mm，最大值為14.22 mm，平均高度為8.60 mm。本文將安全穿刺范圍縮小為：血管半徑允許范圍（1.50～2.60）mm，血管中心距離皮膚表層的距離h允許范圍（5.60～11.00）mm。

穿刺時(shí)血管示意圖，見圖8。血管半徑為r，血管中心距離皮膚表層的距離為h，穿刺針初始位置距離皮膚高度為d，安裝好穿刺裝置之后，d的值是確定的，穿刺角度α為45°，針穿破血管時(shí)位置為C，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)進(jìn)針結(jié)束，CD長度為血管直徑的三分之二。

圖8 穿刺血管示意圖

進(jìn)針距離計(jì)算公式：

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量即可計(jì)算得出脈沖數(shù)。穿刺針以較快速度穿破皮膚之后速度變慢，之后在皮下組織中穿行，刺破血管達(dá)到指定位置停止。采用PWM調(diào)頻調(diào)寬法來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 控制精度驗(yàn)證

通過對(duì)體模進(jìn)行B超掃描采樣，分析得出100組血管參數(shù)樣本，之后在上位機(jī)調(diào)試平臺(tái)根據(jù)每組血管的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)針控制測試，驗(yàn)證進(jìn)針控制精度是否達(dá)到要求。體模實(shí)物，見圖9，體模長18 cm，寬11.5 cm，上表面為圓弧形，圓弧最高點(diǎn)距體模底部高度為4.5 cm，兩端距離體模底部距離為2 cm。體模中有五條模擬血管，血管的離皮高度分布在3.0～13.0 mm，血管半徑分布在1.3～3.0 mm，是一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為穿刺安全及準(zhǔn)確性考慮，穿刺針實(shí)際穿刺距離可允許的誤差范圍為：理論穿刺距離。在進(jìn)行了100組進(jìn)針控制測試的基礎(chǔ)上對(duì)每組測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，誤差最大值為，誤差最小值為-，在允許誤差范圍內(nèi)，測試結(jié)果滿足要求。

圖9 體模實(shí)物圖

5.2 穿刺置管驗(yàn)證

本文通過對(duì)體模中的血管進(jìn)行穿刺置管實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證自動(dòng)靜脈穿刺設(shè)備的功能性。在圖9所示的體模中的每條血管上分別選擇9處不同位置的模擬血管，深度內(nèi)徑等交叉分布，由專業(yè)醫(yī)護(hù)人員操作進(jìn)行穿刺置管實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行45例。實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 穿刺置管情況統(tǒng)計(jì)（例）

置管實(shí)驗(yàn)中，置管成功率較高，達(dá)到97.78%，且穩(wěn)定性較好。失敗的一例實(shí)驗(yàn)血管深度為3.22 mm，血管半徑為1.41 mm，該血管位于皮膚表層且血管半徑較小，血管情況較為復(fù)雜，也存在人為原因?qū)е掳醒芪恢冒l(fā)生輕微偏移，穿刺置管失敗。在臨床實(shí)際穿刺過程中，醫(yī)護(hù)人員會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選擇血管狀況較好的位置進(jìn)行穿刺，盡可能避免在表淺且纖細(xì)的位置進(jìn)行穿刺操作。

6 結(jié)論

在可視化技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，穿刺過程對(duì)于自動(dòng)化的要求也越來越高。本文所述的自動(dòng)靜脈穿刺系統(tǒng)以STM32F105為控制核心，結(jié)合機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制電路以及穿刺過程分析，實(shí)現(xiàn)了穿刺裝置的設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確地完成控制進(jìn)針動(dòng)作，具有較好的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

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