基于DSP的無創(chuàng)性食管靜脈曲張測壓系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于DSP芯片TMS320F2407的無創(chuàng)性食管靜脈曲張測壓系統(tǒng)。它具有高精度的靜脈曲張壓力檢測能力和高性能的數(shù)字信號采集與處理能力，并通過RS232標準串行總線實現(xiàn)DSP與PC機之間的高速數(shù)據(jù)通訊。經(jīng)臨床應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能準確測定食管曲張靜脈內(nèi)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(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞：食管靜脈曲張 數(shù)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，盡早進行預防性治療，就能減少醫(yī)療花費和治療本身帶來的危險。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(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，決定了無創(chuàng)性食管靜脈曲張測壓系統(tǒng)的主要性能和指標。目前，隨著高速數(shù)字信號處理器的發(fā)展成熟與廣泛應(yīng)用，提供高性能的數(shù)字化控制系統(tǒng)成為可能[6]。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無創(chuàng)性食管靜脈曲張測壓系統(tǒng)的主要部分有： (1)氣流發(fā)生、調(diào)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行調(diào)理、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、計算，并根據(jù)計算結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的PWM波到電機驅(qū)動芯片，控制泵氣速度以得到所需的氣壓；同時將各項相關(guān)數(shù)據(jù)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：該部分通過相關(guān)算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理與修正，并根據(jù)處理結(jié)果對下位機控制器的相關(guān)參數(shù)或運行狀態(tài)進行調(diào)整，同時實現(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)的圖形化顯示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖22 系統(tǒng)硬件設(shè)計 氣路部分結(jié)構(gòu)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(shè)計，把所有溫度補償、輸出零點／滿量程校正、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(zhuǎn)變?yōu)?．5～4．5V之間的電信號之后，由DSP芯片TMS320F2407實現(xiàn)對氣壓信號的實時采集和對電機的控制。該芯片有雙路10位的模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)高精度的采樣。對采集的數(shù)據(jù)通過相關(guān)算法進行處理與修正，并根據(jù)計算結(jié)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(zhuǎn)速[5]，從而實現(xiàn)對整個氣路部分氣壓的閉環(huán)控制與調(diào)整[4][6]。同時，應(yīng)用該芯片的串行通信接口(SCI)將采集處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串行總線傳遞給上位機[4～5]，并以圖形化方式實時顯示靜脈血壓的變化曲線。DSP芯片還可以隨時接收上位機發(fā)送的調(diào)整信號，對相關(guān)參數(shù)或運行狀態(tài)進行在線調(diào)整。直流電機的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速、電樞串電阻調(diào)速和弱磁調(diào)速等，在額定轉(zhuǎn)速(稱為基速)以下采用調(diào)壓或串電阻調(diào)速，在基速以上采用弱磁調(diào)速。根據(jù)控制的特點，采用了脈沖寬度調(diào)制(PWM)的調(diào)速方法。PWM公式如下： Uav=(ton/T)Us=αUs (1) 式中，ton——開關(guān)每次接通時間； T——開關(guān)通斷的工作周期； α——占空比。 由式(1)可見，改變脈沖的占空比，電機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速也得到了控制。近年來，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機控制領(lǐng)域出現(xiàn)了智能化功率集成電路(SmartPower IC)，由這類芯片可靈活地構(gòu)成小型化、高可靠運行的PWM伺服系統(tǒng)。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(gòu)建的電機控制系統(tǒng)示意圖。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 DSP完成了整個系統(tǒng)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(yīng)用了TMS320F2407片內(nèi)的許多外設(shè)模塊，如A／D模塊、事件處理器模塊、看門狗和實時中斷模塊等[4～5]。程序的主體部分采用外部中斷方式實現(xiàn)按周期進行的數(shù)據(jù)采樣、運算控制及數(shù)據(jù)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啟動后首先進行初始化操作，包括對各個中斷向量的設(shè)置以及對DSP的PLL鎖相時鐘模塊進行設(shè)置，以使各內(nèi)部模塊的時鐘頻率達到要求；然后DSP空閑，等待中斷的發(fā)生，一旦中斷出現(xiàn)，便運行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，處理完成后DSP空閑，等待另一個中斷的發(fā)生[6]。 上位機軟件模塊的操作界面采用Windows視窗風格，按照操作人員的習慣與相關(guān)規(guī)范嚴格安排各步操作，同時配合各種組件模型與圖表顯示，以圖表等直觀的方式顯示處理后的檢測結(jié)果，并實時顯示各關(guān)鍵參數(shù)的變化情況；每次檢測的各個數(shù)據(jù)與結(jié)果都將存儲在特定數(shù)據(jù)庫中并可實現(xiàn)遠程登陸與訪問，在每次檢測完成之后還將自動生成報表文件。4 實驗結(jié)果 作者在湘雅醫(yī)學院按照不同情況進行了細致的體外實驗和動物實驗，獲得了大量有價值的實驗數(shù)據(jù)。以穿刺測壓作為標準，在原貼壁測壓處進行了食管曲張靜脈穿刺測壓，并將這兩種方法獲得的數(shù)據(jù)進行比較(如表1所示)，得到了穿刺測壓與無創(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(shù)據(jù)呈線性關(guān)系。表1 標準穿刺測壓與貼壁測壓結(jié)果比較 穿刺測壓值mmHg貼壁測壓值mmHg2435465691112141316該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計緊湊可靠，能準確地測定靜脈曲張靜脈內(nèi)壓，在臨床評估食管曲張靜脈出血危險方面具有良好的應(yīng)用價值。