齊天白 施惠芬△

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻標識碼] A

肌松監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

齊天白①施惠芬①△

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0003-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻標識碼] A

目的：為提升麻醉效率與安全性，設(shè)計肌松監(jiān)測系統(tǒng)，并對其進行初步驗證。方法：系統(tǒng)硬件設(shè)計基于STC89C52RC單片機，由開關(guān)電源、壓力傳感器、A/D模塊、液晶顯示器(LCD)1602顯示屏以及微型打印機等組成主體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)LCD實時顯示壓力變化及數(shù)據(jù)打??；軟件設(shè)計包括系統(tǒng)主程序設(shè)計、壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實時顯示子程序以及打印機子程序等。結(jié)果：通過對系統(tǒng)的多次測試及改進，可確定該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，壓力值在0～100 N之間準確顯示。結(jié)論：所設(shè)計的肌松監(jiān)測系統(tǒng)能有效地實時監(jiān)測手術(shù)中患者的肌松指標變化，便于麻醉師進行有效的藥物控制和改變，提升麻醉效率以及減少術(shù)后肌松劑殘余的發(fā)生率。且外圍電路設(shè)計簡單、成本低廉，具有較高的可靠性和實用性。

肌松監(jiān)測；STC89C52RC單片機；壓力傳感器；肌松劑殘余

[First-author’s address]Department of Equipment, The Third People's Hospital of Huzhou, Huhou 313000, China.

近年來，根據(jù)國外研究調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，患者通過肌肉松弛劑進行麻醉手術(shù)后的術(shù)后肌松殘余發(fā)生率為4%～57%[1]。而歐美國家的調(diào)查報告顯示，在復蘇室中，只有15%的麻醉醫(yī)師觀察到患者在手術(shù)后因體內(nèi)有殘余肌肉松弛劑而引起的明顯并發(fā)癥，而60%的麻醉醫(yī)師認為患者術(shù)后存在肌松殘余現(xiàn)象的只有1%甚至不到1%，而試驗結(jié)果顯示，手術(shù)全麻患者術(shù)后肌松殘余的發(fā)生率極高，遠不止1%。該報告還指出麻醉醫(yī)師對待全麻患者應(yīng)更合理應(yīng)用肌松藥[2]。目前，肌松藥在麻醉手術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，種類也越來越繁多，若肌松藥的使用量不嚴加控制，在手術(shù)中會對患者造成二次傷害，有時甚至會危及其生命安全[3]。因此，采用肌松監(jiān)測技術(shù)對肌松藥的使用量進行客觀的監(jiān)測，既能提高麻醉質(zhì)量，又能縮短術(shù)后恢復時間[4]?；诖?，本研究擬設(shè)計肌松監(jiān)測系統(tǒng)，適用于對手術(shù)麻醉及重癥監(jiān)護病房(intensive care unit，ICU)患者的連續(xù)實時監(jiān)測肌肉松弛程度的改變，客觀反應(yīng)肌肉松弛作用的消長過程，正確指導肌松藥的應(yīng)用和進行肌松藥藥效學的研究。

1 肌松監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本研究設(shè)計采用壓力傳感器，由硬件電路設(shè)計和軟件編程組成，將被測者的手指固定在壓力傳感器上，通過手指壓力的變化來觀察被測者的麻醉狀況，壓力變化值在液晶顯示(liquid crystal display，LCD)1602[5]上實時顯示，并且利用打印機將麻醉期間的數(shù)據(jù)打印出來，便于后期的觀察和總結(jié)，以簡便客觀的反映被測者的麻醉狀況，并且具有便于攜帶、操作簡單明了的優(yōu)點。

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

主要由開關(guān)電源、壓力傳感器、A/D模塊、51單片機(STC89C52RC[6])、LCD1602顯示屏以及微型打印機等部分組成。由51單片機(STC89C52RC)對壓力傳感器進行控制，利用精確度非常高的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊對壓力傳感器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳人單片機，供單片機處理。通過LCD屏將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來，同時利用微型打印機將數(shù)據(jù)打印出來進行記錄。硬件總體設(shè)計如圖1所示。

1.2 軟件總體結(jié)構(gòu)

軟件程序?qū)⒔Y(jié)構(gòu)進行模塊化處理，并劃分為初始化系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊以及顯示和打印數(shù)據(jù)模塊，其目的是為了保證程序結(jié)構(gòu)清楚明了，極大減小編程的難度，為后期調(diào)試過程中能夠更好的進行完善與修改。

本系統(tǒng)采用C語言作為編程語言，對程序編譯調(diào)試采用KEIL C51軟件，程序調(diào)試工程使用u Vision3[7-8]。程序運行時主要過程為：按下開關(guān)接通電源后，給予壓力傳感器一定且不超過量程范圍以內(nèi)的壓力，通過單片機對數(shù)據(jù)進行采集、處理及存儲，最終在液晶屏上顯示不斷變化的壓力值，按下打印機的開關(guān)以后，打印機開始工作，將液晶屏顯示的壓力值實時打印出來，直到壓力值為0 N時，打印機停止工作，至此，完成本系統(tǒng)的整個過程。系統(tǒng)軟件如圖2所示。

圖1 硬件總體設(shè)計框圖

圖2 軟件總體設(shè)計框圖

2 肌松監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 電源設(shè)計

系統(tǒng)采用5 V的電源電路作為供電模塊，設(shè)計雙電源接口供電方式，避免使用一個電源而導致顯示模塊和打印模塊電壓分配失衡不能正常工作，使用USB接口供電是為了在調(diào)試程序時方便簡單。

2.2 壓力傳感器模塊

2.2.1 傳感器的選擇

目前市場上常用的壓力傳感器分別為壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器及電阻應(yīng)變式壓力傳感器[9]。其中電阻應(yīng)變式壓力傳感器穩(wěn)定性好，精密度和靈敏度高，且壽命長，適合本系統(tǒng)，故選取其為本系統(tǒng)傳感器。

2.2.2 壓力傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式壓力傳感器外包裝主要由具有微彈性的膠體、電線及鐵塊等組合構(gòu)成，當壓力傳感器未受到壓力時，3個電阻應(yīng)變片的阻值相同為R，此時輸入電壓端電壓為V，輸出電壓端的壓力為0 V，即電橋處于平衡狀態(tài)。當給壓力傳感器施加一定的壓力以后，彈性膠體就會發(fā)生拉伸或擠壓的形變，組成電橋的4個電阻應(yīng)變片Ra、Rb、Rc及Rd會受到相應(yīng)的拉伸或壓縮，阻值也會因發(fā)生形變而相應(yīng)的增大或減小△R，即Ra=R-△R，Rb=R+△R，Rc=R-△R，Rd=R+△R。電阻的變化使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動電信號，而作用在壓力傳感器上的壓力與輸出電壓成正比線性關(guān)系，因此可將非電量(壓力)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號輸出。

本系統(tǒng)采用的壓力傳感器靈敏度為2.0 mV/V，供電電壓為5.0 V，量程為10 kg。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用具有高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換模塊，該芯片具有A、B兩路模擬通道輸入，通道A的可編程增益為128或64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20 mV或±40 mV，該通道適合于電橋式傳感器。通道B的可編程增益為32，主要用于系統(tǒng)參數(shù)檢測，該芯片具有集成度高、精度高、響應(yīng)速度快以及抗干擾性強等優(yōu)點。集成度高主要表現(xiàn)在該芯片無需再加片內(nèi)時鐘振蕩器和穩(wěn)壓電源等外圍電路，同時該芯片還增加了上電自動復位功能，開機的初始化過程可以簡化。芯片管腳如圖3所示。

圖3 模塊引腳圖

2.4 單片機模塊

系統(tǒng)單片機模塊由單片機及其外圍電路組成。根據(jù)市場上的單片機芯片的價格、應(yīng)用領(lǐng)域以及性能的不同，綜合考慮單片機程序存儲器的容量、中斷功能及開發(fā)工具的費用等因素，選取了速度快、功耗小、價格低、容量大且抗干擾能力強的STC89C52RC單片機。該芯片有40個引腳，32個I/O端口，包括2個外部中斷口INT0、INT1，2個16位的可編程定時器/計數(shù)器T0、T1，2個全雙工串行通信口。STC89C52RC單片機支持在系統(tǒng)可編程(In-System Programmable，ISP)在線下載，無需專用編程器和專用仿真器，采用先進的加密技術(shù)，支持仿真軟件KEIL[10]。

2.5 LCD顯示模塊

LCD實時顯示電路采用LCD1602屏。LCD1602顯示屏是一種工業(yè)字符型液晶，其顯示的內(nèi)容為16×2，即可以顯示兩行，且每行16個字符，工作電壓為5 V。

2.6 微型打印機模塊

系統(tǒng)采用DPU-414微型熱敏打印機(日本精工株式會社)，具有攜帶方便，操作簡捷等優(yōu)點。

3 肌松監(jiān)測系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計、壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實時顯示子程序以及打印機子程序等。采用C語言作為編程語言，對程序編譯調(diào)試采用KEIL C51軟件，程序調(diào)試工程中使用6u Vision3。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序中對系統(tǒng)環(huán)境進行初始化后調(diào)用壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換模塊子程序、LCD實時顯示子程序以及打印機子程序。若外界給予壓力傳感器一定壓力，則調(diào)用壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換模塊子程序，同時將測得的壓力值顯示在LCD屏上。

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計

系統(tǒng)子程序主要涉及到壓力傳感器子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD實時顯示子程序以及打印機子程序等。3.2.1 系統(tǒng)采樣子程序

系統(tǒng)采樣子程序由傳感器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊共同構(gòu)成。壓力傳感器主要是測定外界壓力的模擬信號，與對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，當壓力傳感器上無壓力時，傳感器內(nèi)部自動調(diào)零設(shè)置。當傳感器上感受到壓力，系統(tǒng)立即啟動A/D轉(zhuǎn)換模塊，即給A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入信號，得到數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是采集壓力傳感器的輸出小信號，前24個ADSK脈沖采集24位串行二進制數(shù)據(jù)，接下來的1～3個ADSK脈沖選擇下次A/D采集的通道和增益，本研究設(shè)計采用1個ADSK脈沖，選擇增益為128的A通道。

3.2.2 LCD顯示子程序

LCD顯示子程序包括LCD初始化函數(shù)、單個字節(jié)處理函數(shù)LCD1602_write()，字符串處理函數(shù)LCD1602_writebyte()以及顯示函數(shù)show()。該程序可以將測得壓力值顯示在LCD屏上。LCD屏第一行上顯示“Pressure?。?！”，第二行上壓力值。若測得的壓力值＞100 N，則將該壓力值視為無效壓力值，在屏上壓力值整數(shù)部分顯示亂碼。其流程如圖4所示。

圖4 LCD顯示流程框圖

3.2.3 打印機子程序

打印機顯示子程序包括打印機初始化函數(shù)，處理函數(shù)void_PrintByte()，打印函數(shù)void_ PrintString()。該程序可以將測得壓力值打印在熱敏打印紙上，打印第一行為“湖州市第三人民醫(yī)院”，然后依次打印測得的壓力值。

4 肌松監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

肌松監(jiān)測系統(tǒng)壓力值在0～100 N之間能夠?qū)Σ煌膲毫χ颠M行相應(yīng)的顯示，且精確度為小數(shù)點后兩位。選取醫(yī)院監(jiān)護儀(型號MP50，PHILIPS，美國)肌松監(jiān)測模塊與其進行比對實驗，雖然還存在一定的誤差，但能較好地完成系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的肌松監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于單片機，以LCD實時顯示和打印為基本要求的肌松監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)調(diào)試方面，為了提高數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，對其進行了對比測試，結(jié)果相對誤差較小，測量精度較高，提示該系統(tǒng)能較好的完成設(shè)計任務(wù)，能有效地實時監(jiān)測手術(shù)中患者的肌松指標變化，便于麻醉師進行有效的藥物控制和改變。且成本較低，具有一定的實用價值。

臨床中麻醉科醫(yī)師、手術(shù)醫(yī)師和患者的共同愿望是能夠提供更安全麻醉，而肌松監(jiān)測儀在臨床使用過程中起到了十分重要的作用[11-12]。肌松監(jiān)測儀的普及為肌松藥的適時、合理應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)[13]。隨著其使用愈來愈加廣泛，相關(guān)技術(shù)必將更加完善。由于電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，肌松監(jiān)測儀的技術(shù)和方法得到了不斷地更新與完善，刺激、信號的采集與換能、結(jié)果的處理與顯示均可在瞬間完成[14]。在未來社會，將麻醉由經(jīng)驗科學轉(zhuǎn)變?yōu)榫_科學，由人工觀察和經(jīng)驗判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榧∷杀O(jiān)測設(shè)備指導下的數(shù)字化、精確化的用藥和指導恢復，肌松監(jiān)測技術(shù)的臨床應(yīng)用將日趨增多[15-16]。

[1]Dubois P，De B，Jamara J，et al.Performance of acceleromyography with a short and light TOF-tube compared with mechanomyography：a clinical comparison[J].Eur J Anaesthesiol，2014，31(8)：404-410.

[2]Sakai DM，Martin-Flores M，Tomak EA，et al. Differences between acceleromyography and electromyography during neuromuscular function monitoring in anesthetized Beagle dogs[J].Vet Anaesth Analg，2015，42(3)：233-241.

[3]Wehbe M，Arbeid E，Cyr S，et al.A technical description of a novel pharmacological anesthesia robot[J].J Clin Monit Comput，2014，28(1)：27-34. [4]尹橙，薛紀秀，葉新，等.患者在清醒或鎮(zhèn)靜狀態(tài)下校準定標對術(shù)后肌松監(jiān)測指標的影響[J].首都醫(yī)科大學學報，2013，34(5)：651-654.

[5]朱華光.淺議LCD1602的編程技巧[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6(18)：4980-4982，4989.

[6]黃同，邵思飛.一種基于CH340T的STC89C52RC編程器設(shè)計[J].電子測試，2013(12)：16-17.

[7]侯濟恭.Keil C51的開關(guān)語句目標代碼分析[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15(7)：7-9.

[8]Guo-Shing Huang GS.Application of Stereo Vision 3D Target Recognition Using Camera Calibration Algorithm[A].Information Engineering Research Institute，USA.Proceedings of 2015 International Conference on Circuits and Systems(CAS 2015)Information Engineering Research Institute，USA，2015：5.

[9]程春雨，王開宇，商云晶，等.電阻應(yīng)變式稱重傳感器在實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗室科學，2016，19(4)：48-50.

[10]DING Shichang，LUO Xiangyang，YE Dengpan，et al.Delay-Distance Correlation Study for IP Geolocation[J].Wuhan University J Nat Sci，2017，22(2)：157-164.

[11]侯桂婷，金孝岠.肌松監(jiān)測研究進展[J].牡丹江醫(yī)學院學報，2016，37(2)：114-116，113.

[12]周仁龍，杭燕南.麻醉鎮(zhèn)靜深度監(jiān)測技術(shù)的評價和進展[J].中國醫(yī)學裝備，2005，2(1)：22-26.

[13]Herda TJ，Cooper MA.Muscle-related differences in mechanomyography Frequency-force relationships are model dependent[J].Med Biol Eng Comput，2015，53(8)：689-697.

[14]顏景佳，趙桀，王雅端，等.數(shù)字化技術(shù)在高齡患者TCI麻醉中的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學，2012，7(6)：25-28.

[15]Trager G，Michaud G，Deschamps S，et al.Comparison of phonomyography，kinemyography and mechanomyography for neuromuscular monitoring[J].Can J Anaesth，2006，53(2)：130-135.

[16]陶國榮，于布為.殘余肌松的研究進展[J].臨床麻醉學雜志，2013，29(8)：809-812.

A design and analysis of a monitoring system for muscle relaxation/QI Tian-bai, SHI Huifen//China Medical Equipment,2017,14(5):3-6.

Objective:To design and analyze a muscle relaxation monitoring system so as to increase the anesthesia efficiency and safety.Methods:The hardware design of system was based on single chip machine (STC89C52RC), and it has the function of LCD real-time display for pressure change and the printing function. The design of software mainly included the system main program design, pressure sensor subroutine, A/D conversion subroutine, LCD real-time display subroutine and printer subroutine, etc.Results: Through the multiple times of test and improvement for the system, the system has achieved stably run, and the pressure value could achieve accurately display between 0-100 N.Conclusion:The monitoring system of muscular relaxation has series of advantages, such as simple circuit design, low cost, higher reliability and practicability and so on. It can real-timely and effectively monitor the change of the indexes of muscular relaxation for patients during operation. And the anesthesiologist can effectively control and change medication for patients. In this way, the monitoring system can increase the anesthetic efficiency and decrease the incidence of postoperative residual muscle relaxant.

Muscle relaxation monitoring; STC89C52RC; Pressure sensor; Residual muscle relaxant

齊天白,男,(1984- ),碩士研究生，工程師。湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療器械的臨床使用和維修工作。

2016-12-24

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.002

△共同第一作者：施惠芬

①湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科 浙江 湖州 313000