基于DSP的無創性食管靜脈曲張測壓系統

摘要：介紹了一種基于DSP芯片TMS320F2407的無創性食管靜脈曲張測壓系統。它具有高精度的靜脈曲張壓力檢測能力和高性能的數字信號采集與處理能力，并通過RS232標準串行總線實現DSP與PC機之間的高速數據通訊。經臨床應用表明，該系統能準確測定食管曲張靜脈內壓，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用價值。 關鍵詞：食管靜脈曲張 數字信號處理器 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癥，大約三分之一的患者最終將發生出血[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]。 控制與檢測系統是整個系統的核心，決定了無創性食管靜脈曲張測壓系統的主要性能和指標。目前，隨著高速數字信號處理器的發展成熟與廣泛應用，提供高性能的數字化控制系統成為可能[6]。1 系統結構 無創性食管靜脈曲張測壓系統的主要部分有： (1)氣流發生、調整及氣壓檢測部分； (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理、模／數轉換、計算，并根據計算結果發出相應的PWM波到電機驅動芯片，控制泵氣速度以得到所需的氣壓；同時將各項相關數據傳至上位機并接收上位機發出的各種控制信號； (3)上位機軟件部分：該部分通過相關算法對采集的數據進行處理與修正，并根據處理結果對下位機控制器的相關參數或運行狀態進行調整，同時實現實時監測和數據的圖形化顯示。 系統結構框圖如圖1所示。圖22 系統硬件設計 氣路部分結構如圖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的單硅片設計，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變為0．5～4．5V之間的電信號之后，由DSP芯片TMS320F2407實現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／數字轉換模塊，可以實現高精度的采樣。對采集的數據通過相關算法進行處理與修正，并根據計算結果由事件管理器發出PWM波控制功率器件的通斷，以控制電機的轉速[5]，從而實現對整個氣路部分氣壓的閉環控制與調整[4][6]。同時，應用該芯片的串行通信接口(SCI)將采集處理后的數據通過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送的調整信號，對相關參數或運行狀態進行在線調整。直流電機的調速方法有調壓調速、電樞串電阻調速和弱磁調速等，在額定轉速(稱為基速)以下采用調壓或串電阻調速，在基速以上采用弱磁調速。根據控制的特點，采用了脈沖寬度調制(PWM)的調速方法。PWM公式如下： Uav=(ton/T)Us=αUs (1) 式中，ton——開關每次接通時間； T——開關通斷的工作周期； 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，因而電動機轉速也得到了控制。近年來，隨著微電子技術和電力電子技術的發展，直流電機控制領域出現了智能化功率集成電路(SmartPower IC)，由這類芯片可靈活地構成小型化、高可靠運行的PWM伺服系統。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構建的電機控制系統示意圖。 3 系統軟件設計 DSP完成了整個系統中大量的軟件功能。為了完成這些功能，除用到TMS320F2407的核心部分外，還充分應用了TMS320F2407片內的許多外設模塊，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按周期進行的數據采樣、運算控制及數據傳輸。中斷服務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置以及對DSP的PLL鎖相時鐘模塊進行設置，以使各內部模塊的時鐘頻率達到要求；然后DSP空閑，等待中斷的發生，一旦中斷出現，便運行相應的中斷服務子程序，處理完成后DSP空閑，等待另一個中斷的發生[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規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果，并實時顯示各關鍵參數的變化情況；每次檢測的各個數據與結果都將存儲在特定數據庫中并可實現遠程登陸與訪問，在每次檢測完成之后還將自動生成報表文件。4 實驗結果 作者在湘雅醫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據。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據進行比較(如表1所示)，得到了穿刺測壓與無創貼壁測壓的關系圖，如圖4所示。其中，Y＝3．144+0．931x，兩組數據呈線性關系。表1 標準穿刺測壓與貼壁測壓結果比較 穿刺測壓值mmHg貼壁測壓值mmHg2435465691112141316該系統結構合理，設計緊湊可靠，能準確地測定靜脈曲張靜脈內壓，在臨床評估食管曲張靜脈出血危險方面具有良好的應用價值。