陳宇珂 李 爽 袁 凱 張興安 覃健全 竇建洪

基于LPC2478的三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳宇珂①*李 爽②袁 凱③張興安①覃健全④竇建洪①

目的：開發(fā)一種以LPC2478為控制核心的智能化三通道靜脈麻醉藥代動(dòng)力學(xué)給藥控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)臨床靜脈麻醉精確、科學(xué)地給藥。方法：采用兩顆ARM微控制器LPC2478作為系統(tǒng)控制核心，分別完成藥代動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及外圍數(shù)據(jù)采集和處理。結(jié)果：完成基于LPC2478三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)患者體重、身高和性別，運(yùn)用藥動(dòng)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)靜脈麻醉給藥由粗放式向精細(xì)化、智能化給藥。測試表明三通道靜脈麻醉控制輸注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，密閉式環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，臨床應(yīng)用異丙酚、利多卡因血藥濃度測定值與目標(biāo)濃度值兩者有良好的相關(guān)性，且與目標(biāo)濃度的變化一致，二者之間的誤差＜25%。結(jié)論：采用現(xiàn)代嵌入式技術(shù)通過藥代動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對給藥速率的自動(dòng)控制，降低了麻醉藥物不良反應(yīng)，提高了用藥的安全性。

靜脈麻醉；目標(biāo)控制注射；嵌入式系統(tǒng)；藥代動(dòng)力學(xué)；微控制器

陳宇珂,男,(1971- ),博士，副主任技師。廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事醫(yī)療設(shè)備管理及嵌入式系統(tǒng)研發(fā)工作。

[First-author’s address]General Hospital of Guangzhou Military Command of PLA, Guangzhou 510010, China.

近年來，靜脈麻醉已越來越為人們所接受，但是靜脈麻醉藥物存在安全范圍窄的特點(diǎn)，需要臨床麻醉師掌握好給藥速率，保證患者的安全。因此，通過藥代動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對給藥速率的自動(dòng)控制，對于合理用藥、減少不良反應(yīng)、提高用藥的安全性至關(guān)重要[1-2]。結(jié)合麻醉過程中患者意識消失、疼痛刺激反應(yīng)以及腦電雙頻指數(shù)監(jiān)測的研究，發(fā)現(xiàn)在麻醉、鎮(zhèn)靜中靜脈麻醉藥物的靶控輸注相對于恒速輸注在用藥安全性上具有明顯的優(yōu)勢，并且靶控輸注可以明顯改善患者的舒適性，提高檢查效率[3-4]。

為滿足臨床靜脈麻醉智能化給藥的要求，以微控制器為核心，藥代動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研制基于LPC2478的智能化三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)血漿或效應(yīng)室目標(biāo)藥物濃度控制麻醉深度，實(shí)現(xiàn)靜脈麻醉科學(xué)給藥；系統(tǒng)可將靜脈麻醉過程中各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄下來，使之成為電子病歷的重要組成部分[5]。

1 三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)臨床使用的要求，并考慮到手術(shù)室環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾多，在靜脈麻醉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要求做到硬件電路以ARM單片機(jī)(Microcomputer，MCU)為控制核心，采用低電壓設(shè)計(jì)，提高抗外界電磁干擾的能力；盡量減少系統(tǒng)的外圍元器件，減小線路板尺寸，降低功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；系統(tǒng)軟件的程序結(jié)構(gòu)采取模塊化設(shè)計(jì)，以利于今后的升級；系統(tǒng)采用LCD顯示，使之具有良好的操作界面和人機(jī)交互功能，并有效地降低整機(jī)體積和功耗[6-7]。

LPC2478是以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的微控制器，具有512 kB片內(nèi)高速Flash存儲器，該Flash存儲器具有特殊的128位寬度的存儲器接口和加速器架構(gòu)，可使CPU以高達(dá)72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘速度按順序執(zhí)行Flash存儲器的指令。這種特點(diǎn)只有LPC2000 ARM微控制器系列的產(chǎn)品才能提供。LPC2478還帶有實(shí)時(shí)調(diào)試接口，包括JTAG和嵌入式跟蹤在內(nèi)，可以執(zhí)行32位的ARM指令和16位的THUMB指令[8]。

LPC2478微控制器包括1個(gè)LCD控制器、1個(gè)10/100的以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、1個(gè)帶4 kB終端RAM的USB全速Device/Host/OTG控制器、4個(gè)UART，2路控制器局域網(wǎng)(CAN)通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口(SSP)、3個(gè)I2C接口和1個(gè)I2S接口；同時(shí)還帶有1個(gè)片內(nèi)4 MHz內(nèi)部振蕩器、98 kB RAM(包括64 kB局部SRAM、16 kB以太網(wǎng)SRAM、16 kB通用DMA SRAM和2 kB電池供電SRAM)以及1個(gè)外部存儲器控制器(EMC)來支持上述的各種串行通信接口；這些特性使該器件最適用于那些便攜式的電子產(chǎn)品，以及販?zhǔn)劢K端(POS)等應(yīng)用場合。同時(shí)還帶有多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10位的ADC、10位的DAC、2個(gè)PWM單元和多達(dá)160個(gè)的高速GPIO。LPC2478微控制器中有64個(gè)GPIO管腳被連接到了以硬件為基礎(chǔ)的向量中斷控制器(VIC)上，因此，外部的輸入可以產(chǎn)生邊沿觸發(fā)中斷[12]。

LPC2478微控制器具有功耗低、運(yùn)行速度快、接口豐富和內(nèi)部程序存儲器容量大等顯著優(yōu)點(diǎn)。通過將程序中包含的各種字庫和圖形，以及程序代碼存儲在片內(nèi)程序存儲器中，減少了外圍元器件。較高的時(shí)鐘頻率保證了快速完成復(fù)雜的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)運(yùn)算和同外界設(shè)備實(shí)時(shí)通訊；低功耗運(yùn)行可滿足三通道靜脈麻醉控制輸注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，密閉式環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

2 三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采取雙ARM微處理器結(jié)構(gòu)，其中處理器1完成靜脈麻醉藥物的藥代藥效學(xué)計(jì)算；處理器2完成靜脈麻醉各類信息采集處理和控制絲桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成藥物注射，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三通道靜脈麻醉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

三通道靜脈麻醉控制系統(tǒng)硬件部分主要包含以下5個(gè)功能模塊。

(1)ARM單片機(jī)基本系統(tǒng)。即LPC2478與地址鎖存器、數(shù)據(jù)存儲器、振蕩電路及復(fù)位電路等構(gòu)成的一個(gè)最小的系統(tǒng)。

(2)電源部分。該部分將9 V電源轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V和20.5 V供單片機(jī)系統(tǒng)和液晶顯示系統(tǒng)使用。

(3)液晶顯示電路。采用液晶顯示器可以提供良好的人機(jī)界面，又可有效地降低整機(jī)功耗。

(4)RS232收發(fā)器及其他。控制系統(tǒng)同輸注泵之間進(jìn)行通訊需要通過RS232接口，而單片機(jī)USART同RS232之間要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

(5)報(bào)警模塊。作為用于手術(shù)環(huán)境的設(shè)備，對于出現(xiàn)的各種異常情況，給出相應(yīng)聲、光報(bào)警，確保設(shè)備正常工作和患者的安全[10-11]。

3 三通道靜脈麻醉輸注軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序全部采用C語言設(shè)計(jì)編寫，靜脈麻醉控制系統(tǒng)的單片機(jī)控制軟件采用易于維護(hù)和功能擴(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)，主要由初始化、速率實(shí)時(shí)計(jì)算、定時(shí)中斷、數(shù)據(jù)顯示、藥代動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算以及鍵盤處理等模塊組成[13]。為方便調(diào)用，均編寫為子程序形式。整個(gè)程序設(shè)計(jì)在時(shí)鐘中斷和外部中斷調(diào)度下并行運(yùn)行，通過多級中斷優(yōu)先方式相互銜接來完成任務(wù)。

系統(tǒng)接通電源或復(fù)位后，對LPC2478的數(shù)據(jù)口、鍵盤、顯示方式、中斷方式及UART等進(jìn)行初始化，當(dāng)使用者按下“確認(rèn)”鍵后主程序啟動(dòng)，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)向注射泵發(fā)出指令，改變注射速率，并隨時(shí)查詢注射泵的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作正常，同時(shí)將各種信息顯示在液晶屏上[12]。在系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)中，大量使用了子程序，其中包括中斷子程序和一般子程序，使整個(gè)程序形成了各個(gè)功能獨(dú)立的模塊，主程序完成初始化和子程序的調(diào)用，這種模塊化的設(shè)計(jì)方式有利于程序的調(diào)試、維護(hù)和今后系統(tǒng)軟硬件的升級。整個(gè)系統(tǒng)程序包括核心控制模塊、顯示子程序、鍵盤管理、定時(shí)及錯(cuò)誤處理模塊[13]。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

應(yīng)用靜脈麻醉控制儀靜脈選擇異丙酚、利多卡因，輸入患者體重、身高、年齡和性別，確定目標(biāo)濃度，鍵入給藥命令，單片機(jī)靜脈麻醉靶控輸注系統(tǒng)按藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)給藥，維持目標(biāo)濃度。

手術(shù)患者在麻醉誘導(dǎo)前行頸內(nèi)靜脈穿刺，分別于麻醉前(空白對照)、睫毛反射消失、意識消失、切皮后和睜眼時(shí)取頸內(nèi)靜脈血4 ml，分離血漿測定異丙酚和利多卡因濃度，異丙酚和利多卡因血藥濃度采用高效液相色譜法(紫外檢測器)檢測。手術(shù)過程中患者手術(shù)種類、年齡、體重及全身情況無明顯差異。麻醉誘導(dǎo)至手術(shù)切皮時(shí)間、術(shù)終時(shí)間分別為20～38 min和120～140 min。異丙酚、利多卡因目標(biāo)值與實(shí)測值的關(guān)系見表1。異丙酚、利多卡因的百分比誤差(PE)分別為-20%和22.7%。

表1 靜脈麻醉控制儀使用后不同階段血漿實(shí)測藥物濃度

表1 靜脈麻醉控制儀使用后不同階段血漿實(shí)測藥物濃度

麻醉階段異丙酚利多卡因目標(biāo)濃度實(shí)測濃度目標(biāo)濃度實(shí)測濃度睫毛反射消失2.64±0.56 2.46±0.47 1.61±0.88 1.89±0.96意識消失3.29±0.68 3.08±0.54 2.52±1.24 2.74±1.56切皮4.25±0.84 3.76±0.66 3.75±1.17 4.03±1.75睜眼2.09±0.60 1.86±0.39 1.20±0.24 1.33±0.52

表1顯示，異丙酚、利多卡因血藥濃度測定值與目標(biāo)濃度值兩者有良好的相關(guān)性，與目標(biāo)濃度的變化一致，二者之間的誤差＜25%，在臨床允許誤差范圍內(nèi)表明異丙酚、利多卡因目標(biāo)血漿濃度能夠反映血漿實(shí)際藥物濃度，同時(shí)證明單片機(jī)靜脈麻醉靶控輸注系統(tǒng)的控制精度較高。

5 結(jié)語

基于LPC2478微控制器的三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)滿足了臨床靜脈麻醉控制小型化的要求，有效保證了靜脈麻醉平穩(wěn)可靠，提高了臨床靜脈麻醉的精度，增加了靜脈麻醉的安全性，系統(tǒng)麻醉信息的實(shí)時(shí)記錄實(shí)現(xiàn)了靜脈麻醉質(zhì)量管理由終末質(zhì)量控制轉(zhuǎn)化為環(huán)節(jié)質(zhì)量控制。

[1]Hu C，Horstman DJ，Shafer SL.Variability of target-controlled infusion is less than the variability after bolus injection[J].Anesthesiology，2005，102(3)：639-645.

[2]Xu Z，Liu F，Yue Y，et al.C50 for propofolremifentanil target-controlled infusion and bispectral index at loss of consciousness and response to painful stimulus in Chinese patients：a multicenter clinical trial[J].Anesth Analg，2009，108(2)：478-483.

[3]Clouzeau B，Bui HN，Guilhon E，et al.Fiberoptic bronchoscopy under noninvasive ventilation and propofol target-controlled infusion in hypoxemic patients[J].Intensive Care Med.2011，37(12)：1969-1975.

[4]Chalumeau-Lemoine L，Stoclin A，Billard V，et al.Flexible fiberoptic bronchoscopy and remifentanil target-controlled infusion in ICU：a preliminary study[J].Intensive Care Med，2013，39(1)：53-58.

[5]戴捷，蘇磊，王博，等.二級麻醉藥物噴射與揮發(fā)式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與理論分析[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2013，10(1)：22-25.

[6]Fanti L，Agostoni M，Arcidiacono PG，et al.Targetcontrolled infusion during monitored anesthesia care in patients undergoing EUS：propofol alone versus midazolam plus propofol.A prospective double-blind randomised controlled trial[J].Dig Liver Dis，2007，39(1)：81-86.

[7]何洹，施沖.靶控輸注瑞芬太尼對Narcotrend腦電監(jiān)測的影響[J].廣東醫(yī)學(xué)，2008，29(10)：1708-1709.

[8]侯芝綺，張興安.異丙酚藥動(dòng)學(xué)與其靶控輸注系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評估[J].中國藥房，2011(10)：924-927.

[9]曾曉暉，石磊，趙樹進(jìn)，等.LC-MS/MS法測定人血漿中舒芬太尼的血藥濃度[J].中國臨床藥學(xué)雜志，2010(2)：93-96.

[10]劉光斌.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[11]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[12]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[13]林銳，韓永泉.高質(zhì)量C程序設(shè)計(jì)指南[M].2版，北京：電子工業(yè)出版社，2003.

The design based on microcontrollers LPC2478 for target controlled infusion of three channel/

CHEN Yu-ke, LI Shuang, YUAN Kai, et al// China Medical Equipment,2014,11(9):6-8.

Objective:To develop an intelligent three-channel intravenous anesthetics target infusionsystem by used LPC2478 as control core, in order to realize accurate and scientific clinical intravenous anesthesia.Methods:Using two ARM microcontrollers LPC2478 as the control core, completed pharmacokinetic model calculation, DC motor driver and peripheral data acquisition and processing.Results:A large number of tests show that system has high control accuracy, reliable operation,can meet the clinical needs. Realize the software and hardware design of three-channel intravenous anesthesia infusion system based on LPC2478. According to weight, height and gender of patient,realize the intravenous anesthesia drug delivery from the extensive to refining and intelligent based on pharmacokinetic model. The tests showed that the three-channel intravenous anesthesia control infusion system has compact structure. It can stable operate in the closed environment. The clinical application showed that measured value of blood drug concentration of propofol and lidocaine have good correlation with the target value, and the change is consistent, the error less than 25%.Conclusion:Based on the pharmacokinetic model and modern embedded technology, it can realize the automatic control of the drug delivery rate. This method can reduce adverse reactions of the anesthetic drug, and improve the safety of medication.

Intravenous anesthesia; Target control infusion; Embedded system; Pharmacokinetics; Microcontrollers

1672-8270(2014)09-006-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.003

2014-02-25

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A032200023)“HL7標(biāo)準(zhǔn)三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”；廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)科技項(xiàng)目(2010Q—P306)“數(shù)字化靜脈麻醉工作站的研制與開發(fā)”

①廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 廣東 廣州 510010 ③廣州市億福迪醫(yī)療器械有限公司 廣東 廣州 510643

②國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院 湖南 長沙 410073 ④深圳圣諾醫(yī)療設(shè)備有限公司 廣東 深圳 518053

*通訊作者：yukechen@qq.com