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基于DSP的無(wú)創(chuàng)性食管靜脈曲張測(cè)壓系統(tǒng)
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(cè)壓系統(tǒng)。它具有高精度的靜脈曲張壓力檢測(cè)能力和高性能的數(shù)字信號(hào)采集與處理能力，并通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)串行總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)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(zhǔn)確測(cè)定食管曲張靜脈內(nèi)壓，在臨床評(píng)估食管曲張靜脈出血危險(xiǎn)程度方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：食管靜脈曲張數(shù)字信號(hào)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(xiǎn)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(yù)防性治療，就能減少醫(yī)療花費(fèi)和治療本身帶來(lái)的危險(xiǎn)。食管曲張靜脈壓力被認(rèn)為是預(yù)測(cè)食管曲張靜脈破裂出血的最主要的參考指標(biāo)[3]。
控制與檢測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，決定了無(wú)創(chuàng)性食管靜脈曲張測(cè)壓系統(tǒng)的主要性能和指標(biāo)。目前，隨著高速數(shù)字信號(hào)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(wú)創(chuàng)性食管靜脈曲張測(cè)壓系統(tǒng)的主要部分有：
(1)氣流發(fā)生、調(diào)整及氣壓檢測(cè)部分；
(2)下位機(jī)部分：主要對(duì)氣敏傳感器采樣所得到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的PWM波到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，控制泵氣速度以得到所需的氣壓；同時(shí)將各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)并接收上位機(jī)發(fā)出的各種控制信號(hào)；
(3)上位機(jī)軟件部分：該部分通過(guò)相關(guān)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與修正，并根據(jù)處理結(jié)果對(duì)下位機(jī)控制器的相關(guān)參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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2
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
氣路部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。緊貼于被測(cè)血管壁上的氣敏探頭受到靜脈血管對(duì)它的壓力，導(dǎo)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(cè)這種氣壓變化。40PC系列氣壓傳感器利用獨(dú)創(chuàng)的單硅片設(shè)計(jì)，把所有溫度補(bǔ)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(dá)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(hào)之后，由DSP芯片TMS320F2407實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和對(duì)電機(jī)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(shí)現(xiàn)高精度的采樣。對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)算法進(jìn)行處理與修正，并根據(jù)計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速[5]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)氣路部分氣壓的閉環(huán)控制與調(diào)整[4][6]。同時(shí)，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(guò)RS232串行總線(xiàn)傳遞給上位機(jī)[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(jī)發(fā)送的調(diào)整信號(hào)，對(duì)相關(guān)參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整。
直流電機(jī)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(chēng)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(diǎn)，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(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(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也得到了控制。
近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了智能化功率集成電路(SmartPowerIC)，由這類(lèi)芯片可靈活地構(gòu)成小型化、高可靠運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)示意圖。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
DSP完成了整個(gè)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(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(xiàn)按周期進(jìn)行的數(shù)據(jù)采樣、運(yùn)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(dòng)后首先進(jìn)行初始化操作，包括對(duì)各個(gè)中斷向量的設(shè)置以及對(duì)DSP的PLL鎖相時(shí)鐘模塊進(jìn)行設(shè)置，以使各內(nèi)部模塊的時(shí)鐘頻率達(dá)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(yùn)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(gè)中斷的發(fā)生[6]。
上位機(jī)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(xí)慣與相關(guān)規(guī)范嚴(yán)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(cè)結(jié)果，并實(shí)時(shí)顯示各關(guān)鍵參數(shù)的變化情況；每次檢測(cè)的各個(gè)數(shù)據(jù)與結(jié)果都將存儲(chǔ)在特定數(shù)據(jù)庫(kù)中并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登陸與訪(fǎng)問(wèn)，在每次檢測(cè)完成之后還將自動(dòng)生成報(bào)表文件。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
作者在湘雅醫(yī)學(xué)院按照不同情況進(jìn)行了細(xì)致的體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，獲得了大量有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以穿刺測(cè)壓作為標(biāo)準(zhǔn)，在原貼壁測(cè)壓處進(jìn)行了食管曲張靜脈穿刺測(cè)壓，并將這兩種方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(如表1所示)，得到了穿刺測(cè)壓與無(wú)創(chuàng)貼壁測(cè)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(xiàn)性關(guān)系。
表1標(biāo)準(zhǔn)穿刺測(cè)壓與貼壁測(cè)壓結(jié)果比較
穿刺測(cè)壓值mmHg貼壁測(cè)壓值mmHg2435465691112141316
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)緊湊可靠，能準(zhǔn)確地測(cè)定靜脈曲張靜脈內(nèi)壓，在臨床評(píng)估食管曲張靜脈出血危險(xiǎn)方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
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