鄭發(fā)明，史之峰，吳 偉，郭 聰，任 偉

1) 上海大學(xué)理學(xué)院，上海大學(xué)量子與分子結(jié)構(gòu)國(guó)際中心，上海 200444；2) 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；3)復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，上海 200040

中心靜脈壓(central venous pressure, CVP)監(jiān)測(cè)是血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)中常用的方法之一，它有助于醫(yī)護(hù)人員評(píng)估患者心臟功能．通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CVP的變化可對(duì)危重病患進(jìn)行及時(shí)有效的治療，這對(duì)重癥監(jiān)護(hù)具有重要的臨床指導(dǎo)意義[1-2]．傳統(tǒng)CVP測(cè)量主要通過三通管方法進(jìn)行手工測(cè)量，操作繁瑣且精度不高，嚴(yán)重依賴于醫(yī)護(hù)人員的熟練程度，且無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]；大型CVP監(jiān)護(hù)儀精度高、功能強(qiáng)，但價(jià)格昂貴、體積較大，操作維護(hù)不便，并不適用于普通病房每床位1臺(tái)的需求[4-5]．本研究基于單片機(jī)和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)出一種小型的高精度、低功耗CVP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有兩種中心靜脈壓設(shè)備的不足，可在臨床應(yīng)用中大幅度降低醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度．嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)具有小型化、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)具有性能強(qiáng)大、可全天候工作的優(yōu)點(diǎn)．將兩者有效的結(jié)合到一起，利用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)采集信息，并將信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)及時(shí)處理病患體征信息，生成數(shù)據(jù)變化曲線，對(duì)超過閾值的信息及時(shí)發(fā)布告警信息，醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)告警信息對(duì)病患做出及時(shí)診斷．

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括CVP采集器、手持式便攜無線接收器、兼顧服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)3臺(tái)儀器．3臺(tái)儀器相互兼容，任何一臺(tái)儀器損壞后均可通過備用儀器代替，通用性強(qiáng)，保證了信息獲取的連續(xù)性．

圖1 無線中心靜脈壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Design framework of wireless CVP monitoring system

系統(tǒng)的工作方式如圖1．由圖1可見，當(dāng)CVP值發(fā)生變化時(shí)，采集器首先檢測(cè)到這種變化的壓力信號(hào)，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⑿盘?hào)發(fā)送出去；無線數(shù)據(jù)接收器接收到信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行處理，判斷壓力是否超過閾值，超過則向值班醫(yī)生示警；計(jì)算機(jī)與另一個(gè)無線接收器相連，通過通用串行總線(universal serial bus,USB)串口和LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信，記錄CVP的信息，并將相關(guān)信息保存到本地計(jì)算機(jī)中，醫(yī)護(hù)人員可通過互聯(lián)網(wǎng)查看相關(guān)記錄．

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CVP采集器電路設(shè)計(jì)

采集器是整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心部分，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到后期的數(shù)據(jù)分析．采集器所使用的壓力傳感器采用美國(guó)GE公司的NPC-1210系列傳感器，該傳感器靈敏度高，具有獨(dú)立的溫度補(bǔ)償電阻，方便電路的設(shè)計(jì)．信號(hào)處理及無線發(fā)送芯片采用nRF24LE1芯片，該芯片功耗低，自帶12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital convert, ADC)模塊，支持2.4 GHz公共頻段通信協(xié)議，可在主從模式之間切換[6]．CVP采集器電路設(shè)計(jì)如圖2．

圖2 采集器電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 The hardware circuit design schematic of collector

在圖2中，壓力傳感器內(nèi)部為一個(gè)內(nèi)置惠斯通電橋，當(dāng)傳感器所受壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓一致時(shí)，電橋上的位點(diǎn)1和2電壓相同，無電壓差；當(dāng)傳感器所受壓力改變時(shí)，電阻R1和R4的阻值變化從而引起位點(diǎn)1和2之間產(chǎn)生電壓差．電阻R1和R4的變化一致，假設(shè)在同一壓力下變化幅度均為x， 則在恒定電壓U下，位點(diǎn)1和2的電壓分別為

(1)

(2)

對(duì)同一個(gè)傳感器來說，x的值改變很小，因此，位點(diǎn)1和2之間的電壓差可近似為

(3)

硅基微機(jī)電(micro-electro-mechanical, MEM)壓力傳感器的壓阻變化與壓力之間的非線性系數(shù)很小[7]，在此方程中x可被認(rèn)為是與壓力成正比例系數(shù)的量，即

x=kp

(4)

其中，p為外界氣壓；k對(duì)于傳感器來說是一個(gè)常量(單位：Pa-1)．

那么，位點(diǎn)1和2之間電壓差值為與外加電壓以及外界大氣壓有關(guān)的量，即

(5)

因此，通過檢測(cè)位點(diǎn)1和2的電壓差就可得到相應(yīng)的壓力值．電壓差幅值變化小，需經(jīng)過放大后才能使用．經(jīng)測(cè)試，在豎直高度為25 cm的去離子水水柱的壓力下，測(cè)得x=2.85%， 放大后的電壓為2.642 V．

采集器由可充電鋰離子電池供電，鋰電池的電壓變化和電量有關(guān)[8]，因此，電池需先經(jīng)過升壓芯片升壓后，再穩(wěn)壓到5 V驅(qū)動(dòng)傳感器工作．

采集器采用nRF24LE1作為控制芯片，該芯片自帶12 bit的ADC模塊，自帶的射頻收發(fā)器工作于2.400 0～2.483 5 GHz的ISM(industrial scientific medical)頻段，在工作前要將接收器和采集器的工作頻段調(diào)至同一頻段，則在該頻段的所有器件可組成一個(gè)小型的無線傳感網(wǎng)．

2.2 便攜式接收器電路設(shè)計(jì)

圖3 便攜式接收器電路設(shè)計(jì)原理Fig.3 The hardware circuit design schematic of portable receiver

圖3為便攜式接收器的電路設(shè)計(jì)原理圖．由圖3可見，接收器包括nRF24L01模塊、STC89C52單片機(jī)、TFT1.44彩色顯示器和用于與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)的CH340G芯片．nRF24L01模塊可很好地兼容nRF24LE1芯片，但該模塊自身無信息處理能力，需通過單片機(jī)來控制模塊的工作方式[9]，并利用單片機(jī)及時(shí)處理接收到的信號(hào)，再將相關(guān)的壓力信息顯示到顯示器上．接收器的工作電壓VCC=5 V，因此CH340G芯片不僅負(fù)責(zé)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信，且需提供3.3 V電壓供nRF24L01使用．工作時(shí)nRF24L01負(fù)責(zé)接收采集器的數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后顯示到TFT1.44顯示模塊中．

計(jì)算機(jī)端的無線接收器通過USB接口與電腦相連，將接收到的靜脈壓相關(guān)信息存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)上，再結(jié)合Web技術(shù)，將相關(guān)信息發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)．

3 軟件設(shè)計(jì)

CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)涉及3臺(tái)儀器，每臺(tái)儀器的功能和使用的芯片不盡相同，若將每種儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能最小化且相互之間功能不重疊，則整個(gè)系統(tǒng)可拆分為3部分．

3.1 采集器端程序設(shè)計(jì)

采集器初始化時(shí)要初始化ADC模塊和無線通信模塊．每次使用ADC模塊時(shí)，均需在初始化中設(shè)置工作速度、轉(zhuǎn)換精度和輸入通道等，設(shè)置為：

ADCCON2=0X00; //采用單步轉(zhuǎn)換，速度為2 ksps

ADCCON3|=0XE0; //轉(zhuǎn)換精度為12 bit，數(shù)據(jù)右對(duì)齊

P0DIR|=0X01; //設(shè)置轉(zhuǎn)換的輸入通道

P0&=0XFE; //端口初始化為低

發(fā)射芯片的初始化函數(shù)應(yīng)向射頻模塊內(nèi)部寫入芯片的工作頻率、發(fā)射功率和傳輸速度等信息，同樣在接收端也要設(shè)置為相同的工作頻段和傳輸速度．設(shè)置為：

RF=1; // 允許RF中斷

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH, 0); // 設(shè)置工作頻率為2 400 MHz，即頻道為0，接收端頻道也要為0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); // 設(shè)置發(fā)射功率為0，傳輸速率為1 Mbit/s

待ADC模塊和射頻模塊初始化完成后，就可進(jìn)行ADC操作．啟動(dòng)ADC模塊后，轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)保存到ADCDATL和ADCDATH寄存器中，利用式(5)將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成壓力數(shù)據(jù)，并裝入緩存器中，通過射頻模塊由發(fā)射程序發(fā)送給接收端．每次發(fā)射時(shí)，寄存器idbuf[0]會(huì)載入表示此器件的唯一ID識(shí)別碼，數(shù)據(jù)接收時(shí)通過識(shí)別此ID碼判斷數(shù)據(jù)來自哪個(gè)采集器．發(fā)送成功后等待接收端發(fā)送接收成功信號(hào)．若10 ms內(nèi)未接收到該信號(hào)，則再次啟動(dòng)ADC模塊，并發(fā)送新的數(shù)據(jù)．

3.2 便攜式接收器程序設(shè)計(jì)

便攜式接收器在初始化時(shí)除了要初始化射頻模塊，還要初始化TFT1.44顯示模塊．顯示模塊沒有字庫(kù)，初始化時(shí)需通過函數(shù)定義需要顯示的文字的編碼，因此顯示的字符樣式可根據(jù)實(shí)際需要自由調(diào)整．工作時(shí)，單片機(jī)首先初始化射頻模塊和顯示模塊，然后通過讀取nRF24L01中的寄存器數(shù)據(jù)判斷采集器是否在工作，待數(shù)據(jù)接收成功后給采集器發(fā)送接收成功信號(hào)．?dāng)?shù)據(jù)接收成功后首先判斷傳感器來自哪個(gè)CVP傳感器，再將接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可直接讀取的十進(jìn)制數(shù)字，并將超過閾值范圍的數(shù)據(jù)標(biāo)記為紅色．

3.3 計(jì)算機(jī)端程序設(shè)計(jì)

同低功耗的嵌入式服務(wù)器相比，計(jì)算機(jī)不僅可以24 h不間斷記錄數(shù)據(jù)，且其出色的計(jì)算性能可提供更豐富的功能[10]．本研究設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)靜脈壓監(jiān)控服務(wù)器結(jié)合了LabVIEW程序的功能，可實(shí)時(shí)繪制CVP變化曲線，并保存患者的歷史數(shù)據(jù)．

3.3.1 程序設(shè)計(jì)

圖4為使用LabVIEW 10.0設(shè)計(jì)完成的主程序，使用串口模塊讀取單片機(jī)中的信息．程序使用while結(jié)構(gòu)保持程序工作并允許通過停止鍵結(jié)束工作．工作時(shí)，程序通過虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)框架(virtual instrument software architecture, VISA)串口程序[11]讀出單片機(jī)上接收到的CVP數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存到本地電腦上．使用時(shí)，程序首先讀取歷史數(shù)據(jù)，并繪制最近一段時(shí)間保存的數(shù)據(jù)變化曲線．

圖4 中心靜脈壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的LabVIEW主程序Fig.4 (Color online) The software on LabVIEW for CVP monitoring system

3.3.2 Web服務(wù)器

Web端采用LabVIEW軟件自帶的服務(wù)器平臺(tái)[12]．LabVIEW的Web服務(wù)器不僅可發(fā)布文檔，同時(shí)也可發(fā)布運(yùn)行程序的前面板．醫(yī)護(hù)人員可通過遠(yuǎn)程操作查看最近記錄的CVP數(shù)據(jù)．

圖5 在線查看數(shù)據(jù)Fig.5 (Color online) Online data check

制作的網(wǎng)頁命名為test1.html，存放位置為本地硬盤．使用時(shí)，在IE瀏覽器中輸入test1.html所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)址進(jìn)入到操作界面，如圖5．進(jìn)入后選擇需要監(jiān)測(cè)的床位，程序?qū)⒆詣?dòng)讀取相應(yīng)床位的數(shù)據(jù)．上方指針為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，下方變化的曲線為保存的歷史數(shù)據(jù)．這種模式將系統(tǒng)的核心部分集中在計(jì)算機(jī)上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)和使用成本，醫(yī)護(hù)人員只需一個(gè)瀏覽器就能查看相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互．

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 體外模擬環(huán)境測(cè)試

系統(tǒng)的封裝外殼由3D打印機(jī)打印完成，該打印機(jī)使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)樹脂材料熔融沉積成型，密封性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、綠色環(huán)保，被廣泛用于電子器件和醫(yī)療設(shè)備中[13]．

圖6為本研究設(shè)計(jì)的CVP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體外模擬環(huán)境測(cè)試情況．使用時(shí)應(yīng)保證接收器和軟導(dǎo)管密封，同時(shí)刻度尺和水柱保持豎直，通過改變水柱的高度來改變壓強(qiáng)大?。?/p>

圖6 中心靜脈壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在模擬環(huán)境中工作Fig.6 (Color online) The CVP monitoring system working in simulated environment

圖7是水柱高度與輸出的結(jié)果圖．由圖7可見，監(jiān)護(hù)儀對(duì)水柱高度的分辨能力為1 mm．

圖7 水柱高度與中心靜脈壓監(jiān)護(hù)儀測(cè)量結(jié)果比較Fig.7 (Color online) The comparison between height of water column and results of CVP monitor

4.2 臨床測(cè)試

經(jīng)外周靜脈置入中心靜脈導(dǎo)管(peripherally inserted central catheter, PICC)操作簡(jiǎn)單，與中心靜脈插管測(cè)量的CVP數(shù)據(jù)的一致性好[14]．因此，實(shí)驗(yàn)過程中，靜脈壓采集器通過檢測(cè)PICC中的壓力來測(cè)量CVP．

置管由專業(yè)護(hù)士操作，置管時(shí)選擇右頸外靜脈，讓患者平臥，使靜脈壓采集器前端的水柱部分平放并與心臟水平．采集時(shí)，將三通閥撥至采集器方向，此時(shí)靜脈壓采集器和心臟處于封閉環(huán)境中，在靜脈壓的作用下示數(shù)回穩(wěn)．示數(shù)穩(wěn)定后，靜脈壓采集器采集到的數(shù)值即為通過PICC法測(cè)得的中心靜脈壓數(shù)值．置管位置如圖8．

圖8 中心靜脈壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在臨床中的置管位置Fig.8 (Color online) The position of CVP monitoring system in clinical trial

對(duì)某位CVP值為0.82 kPa的患者分別使用CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和傳統(tǒng)三通管法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1．測(cè)量時(shí)，這兩種方法的置管位置完全相同，數(shù)據(jù)記錄也同時(shí)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)環(huán)境一致．通過分析這兩種方法的結(jié)果可直接反映哪種方法更精確．

表1 兩種方法測(cè)得的CVP值比較

通過擬合分析繪制兩種方法的擬合圖如圖9，計(jì)得兩者的斜率分別是6.92×10-4和1.34×10-3，均方差分別為1.71×10-3kPa和6.44×10-3kPa，平均值分別是0.827 kPa和0.835 kPa．使用CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，測(cè)得的結(jié)果更接近0.82 kPa．可見，CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性優(yōu)于三通管法．

圖9 兩種測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合圖像Fig.9 The fitting curves of two test results

造成兩者差異的原因在于使用三通管測(cè)量時(shí)讀數(shù)誤差較大，而監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用高靈敏度的壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性優(yōu)于手工測(cè)量方法．

圖10 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 The results of long time continuous monitoring

CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作．圖10是監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與手工測(cè)量?jī)煞N方法在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)中的測(cè)試結(jié)果．其中，手工記錄結(jié)果由12組醫(yī)護(hù)人員記錄完成．結(jié)果顯示，CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連續(xù)且平緩，而人工記錄的結(jié)果則差異較大，分散在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)所記錄曲線的兩側(cè)．這說明，手工測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差大于CVP監(jiān)護(hù)系統(tǒng)所記錄的結(jié)果，這種誤差通常與醫(yī)護(hù)人員的個(gè)人使用習(xí)慣有關(guān)，是普遍存在的．

結(jié) 語

本研究在本地主機(jī)上搭建了一個(gè)CVP記錄平臺(tái)，利用壓力傳感器記錄患者CVP數(shù)據(jù)．把數(shù)據(jù)采用無線傳輸技術(shù)傳送到便攜式接收器和本地服務(wù)器上，便于醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)查看患者的靜脈壓數(shù)據(jù)．基于LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理軟件可根據(jù)患者的生命體征判斷患者數(shù)據(jù)是否異常，并將異常情況反饋給醫(yī)生，由醫(yī)生根據(jù)反饋信息對(duì)患者病情做出初步診斷．LabVIEW的可視化編程操作便于人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，可自由定制儀器顯示界面以方便醫(yī)護(hù)人員根據(jù)不同病房和患者設(shè)置不同的體征監(jiān)護(hù)儀器．該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思路可根據(jù)患者病情定制相應(yīng)的監(jiān)護(hù)模塊，解決了現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備價(jià)格昂貴的問題，對(duì)推廣先進(jìn)監(jiān)護(hù)手段、降低設(shè)備的使用成本具有重要的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義．