基于DSP的無(wú)創(chuàng )性食管靜脈曲張測壓系統

摘要：介紹了一種基于DSP芯片TMS320F2407的無(wú)創(chuàng )性食管靜脈曲張測壓系統。它具有高精度的靜脈曲張壓力檢測能力和高性能的數字信號采集與處理能力，并通過(guò)RS232標準串行總線(xiàn)實(shí)現DSP與PC機之間的高速數據通訊。經(jīng)臨床應用表明，該系統能準確測定食管曲張靜脈內壓，在臨床評估食管曲張靜脈出血危險程度方面具有良好的應用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：食管靜脈曲張 數字信號處理器 串行通信接口 TMS320F2407 食管曲張靜脈破裂出血是肝硬化門(mén)脈高壓癥患者最兇險的并發(fā)癥，大約三分之一的患者最終將發(fā)生出血[1～2]。如果能確定出這三分之一的出血患者，盡早進(jìn)行預防性治療，就能減少醫療花費和治療本身帶來(lái)的危險。食管曲張靜脈壓力被認為是預測食管曲張靜脈破裂出血的最主要的參考指標[3]。 控制與檢測系統是整個(gè)系統的核心，決定了無(wú)創(chuàng )性食管靜脈曲張測壓系統的主要性能和指標。目前，隨著(zhù)高速數字信號處理器的發(fā)展成熟與廣泛應用，提供高性能的數字化控制系統成為可能[6]。1 系統結構 無(wú)創(chuàng )性食管靜脈曲張測壓系統的主要部分有： (1)氣流發(fā)生、調整及氣壓檢測部分； (2)下位機部分：主要對氣敏傳感器采樣所得到的信號進(jìn)行調理、模／數轉換、計算，并根據計算結果發(fā)出相應的PWM波到電機驅動(dòng)芯片，控制泵氣速度以得到所需的氣壓；同時(shí)將各項相關(guān)數據傳至上位機并接收上位機發(fā)出的各種控制信號； (3)上位機軟件部分：該部分通過(guò)相關(guān)算法對采集的數據進(jìn)行處理與修正，并根據處理結果對下位機控制器的相關(guān)參數或運行狀態(tài)進(jìn)行調整，同時(shí)實(shí)現實(shí)時(shí)監測和數據的圖形化顯示。 系統結構框圖如圖1所示。圖22 系統硬件設計 氣路部分結構如圖2所示。緊貼于被測血管壁上的氣敏探頭受到靜脈血管對它的壓力，導致氣路部分的氣壓變化。在這里選用霍尼韋爾40PC系列氣壓傳感器來(lái)檢測這種氣壓變化。40PC系列氣壓傳感器利用獨創(chuàng )的單硅片設計，把所有溫度補償、輸出零點(diǎn)／滿(mǎn)量程校正、放大等功能集中在一塊硅片中。該傳感器工作電壓為5V，輸出電壓變化幅度為4V，從0．5到4．5V。室溫下精度達到了0．2％。 氣壓傳感器將氣壓值轉變?yōu)?．5～4．5V之間的電信號之后，由DSP芯片TMS320F2407實(shí)現對氣壓信號的實(shí)時(shí)采集和對電機的控制。該芯片有雙路10位的模擬／數字轉換模塊，可以實(shí)現高精度的采樣。對采集的數據通過(guò)相關(guān)算法進(jìn)行處理與修正，并根據計算結果由事件管理器發(fā)出PWM波控制功率器件的通斷，以控制電機的轉速[5]，從而實(shí)現對整個(gè)氣路部分氣壓的閉環(huán)控制與調整[4][6]。同時(shí)，應用該芯片的串行通信接口(SCI)將采集處理后的數據通過(guò)RS232串行總線(xiàn)傳遞給上位機[4～5]，并以圖形化方式實(shí)時(shí)顯示靜脈血壓的變化曲線(xiàn)。DSP芯片還可以隨時(shí)接收上位機發(fā)送的調整信號，對相關(guān)參數或運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)調整。直流電機的調速方法有調壓調速、電樞串電阻調速和弱磁調速等，在額定轉速(稱(chēng)為基速)以下采用調壓或串電阻調速，在基速以上采用弱磁調速。根據控制的特點(diǎn)，采用了脈沖寬度調制(PWM)的調速方法。PWM公式如下： Uav=(ton/T)Us=αUs (1) 式中，ton——開(kāi)關(guān)每次接通時(shí)間； T——開(kāi)關(guān)通斷的工作周期； α——占空比。 由式(1)可見(jiàn)，改變脈沖的占空比，電機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機轉速也得到了控制。近年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機控制領(lǐng)域出現了智能化功率集成電路(SmartPower IC)，由這類(lèi)芯片可靈活地構成小型化、高可靠運行的PWM伺服系統。例如雙H橋功率集成電路LMDl8200就是比較典型的一款芯片。圖3是使用功率集成電路LMDl8200構建的電機控制系統示意圖。 3 系統軟件設計 DSP完成了整個(gè)系統中大量的軟件功能。為了完成這些功能，除用到TMS320F2407的核心部分外，還充分應用了TMS320F2407片內的許多外設模塊，如A／D模塊、事件處理器模塊、看門(mén)狗和實(shí)時(shí)中斷模塊等[4～5]。程序的主體部分采用外部中斷方式實(shí)現按周期進(jìn)行的數據采樣、運算控制及數據傳輸。中斷服務(wù)子程序是軟件算法中最重要的組成部分。DSP啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化操作，包括對各個(gè)中斷向量的設置以及對DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊進(jìn)行設置，以使各內部模塊的時(shí)鐘頻率達到要求；然后DSP空閑，等待中斷的發(fā)生，一旦中斷出現，便運行相應的中斷服務(wù)子程序，處理完成后DSP空閑，等待另一個(gè)中斷的發(fā)生[6]。 上位機軟件模塊的操作界面采用Windows視窗風(fēng)格，按照操作人員的習慣與相關(guān)規范嚴格安排各步操作，同時(shí)配合各種組件模型與圖表顯示，以圖表等直觀(guān)的方式顯示處理后的檢測結果，并實(shí)時(shí)顯示各關(guān)鍵參數的變化情況；每次檢測的各個(gè)數據與結果都將存儲在特定數據庫中并可實(shí)現遠程登陸與訪(fǎng)問(wèn)，在每次檢測完成之后還將自動(dòng)生成報表文件。4 實(shí)驗結果 作者在湘雅醫學(xué)院按照不同情況進(jìn)行了細致的體外實(shí)驗和動(dòng)物實(shí)驗，獲得了大量有價(jià)值的實(shí)驗數據。以穿刺測壓作為標準，在原貼壁測壓處進(jìn)行了食管曲張靜脈穿刺測壓，并將這兩種方法獲得的數據進(jìn)行比較(如表1所示)，得到了穿刺測壓與無(wú)創(chuàng )貼壁測壓的關(guān)系圖，如圖4所示。其中，Y＝3．144+0．931x，兩組數據呈線(xiàn)性關(guān)系。表1 標準穿刺測壓與貼壁測壓結果比較 穿刺測壓值mmHg貼壁測壓值mmHg2435465691112141316該系統結構合理，設計緊湊可靠，能準確地測定靜脈曲張靜脈內壓，在臨床評估食管曲張靜脈出血危險方面具有良好的應用價(jià)值。