心肺脑复苏装置(CPCR)控制与检测系统初探
作者：付霆 谭小苹 裴觉民
单位：付霆(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)；谭小苹(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)；裴觉民(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)
关键词：心脑肺复苏；控制；检测；研制
生物医学工程学杂志000128 摘 要：为了与作者所承担的国家自然科学基金项目“以膜肺为基础的脑保护机制的研究”配套，作者设计了以8031芯片为控制核心，用变频器控制特制的同步电机，以压力、压差、温度传感器检测心脑肺复苏装置的体外循环状况，并将信息反馈给控制系统。为适应人体内血液流动情况，设计了恒速与脉动两种模式来驱动血泵。对血泵的调速及控制的测试验证这两种调速模式均能有效地实现调速功能。压力、温度和流量测量的精度远大于八位A/D转换器的精度。其中，压力测量误差<0.9 mmHg，温度测量误差<0.2 ℃，流量测量误差<0.134 L/min。本设计对系统软件的设计考虑了后续开发的需要，考虑到多种实际情况，采用不同的方式进行处理。
, 百拇医药
Development of a Control and Monitor System for the Cardiopulmonary
Cerebral Resuscitation(CPCR) Device
Fu Ting Tan Xiaoping Pei Juemin
(Sichuan Univercity, Chengdu 610065)
Abstract：A novel idea in developing cardiopulmonary-cerebral resuscition(CPCR) device has been developed, using a combination of membrane artificial lung(oxygenator), mild-hypothermia, and centrifugal blood pump technologies. A control system for the CPCR has been introduced, using converter control and sensor monitor, with 8031 chips as the controller. Pressure, flow rate and temperature monitors were installed in the system. Two modes of blood pump regulation have been adopted, i.e. continous flow and pulsatile flow. The in vitro evaluation tests showed that the two modes were reasonable and feasible.
, http://www.100md.com
Key words：CPCR Monitor Control Harware Software▲
1 前 言
心肺脑复苏是现代急救医学的首要课题[1，2]。仅在我国，每年就有数十万次的病人因各种原因而心跳骤停、呼吸终止等急救病例。传统的医疗手段是对心跳停止的病人进行人工按压和人工呼吸，属于心肺复苏(CPR:cardiopulmonary resuscitation)，其目前的是力争使心脏骤停的病人恢复心跳与自主呼吸，使中断的血液循环恢复。在人体各器官中，大脑对缺氧最为敏感。脑作为维持生命机能和意识活动的最重要器官，其在心肺复苏中的重要性在80年代逐渐为学者们重视。许多国家的研究人员进行了大量的机理研究和心肺脑复苏装置的研制与开发[3～5]。
在国家自然科学基金的支持下，笔者于1997年开始“以膜肺为基础的脑保护机制的研究”，并拟在探讨机理的基础上，开发一种集新型膜肺[6]、离心血泵[7]和亚低温技术[8]为一体的，辅以肝素涂复技术和血液分流技术的心脑肺复苏装置。心脑肺复苏机(见图1)由离心血泵、膜肺、热交换器、参数自动检测装置、水箱、氧气瓶、膜式窗口和分流接口等部分组成。循环管道系统采用硅橡胶管道或聚氨酯管道。复苏机的设计输出血量4～5 L/min。复苏机设有若干备用分流接头，在复苏机启动后，首先保证向脑供血以保护大脑，而后视需要可建立第二或第三分流通路。膜式窗口2用作取样分析血液成分。从股静脉和颈静脉由插管1，13经皮穿刺抽取血液，血液在离心泵的作用下，首先通过热交换器降至亚低温，即30-34 ℃，再经过膜肺进行氧合，最后分别由插管11，12经皮穿刺送回颈动脉与股动脉，经体外循环给脑以至全身供血、供氧。
, 百拇医药
对复苏机最重要的要求是安全可靠。泵运行中过大的压力，血液倒流，带入气泡等对人体都是有害的。故本研究与3M公司控制离心血泵的思路不同，从平稳开动与停止，压力检测值过大自动降转速(而不是以流量为控制参数)等多方面保证运行安全。其次考虑操作简单，整体轻便，容易进入普通病房和到院外现场使用。此外，血液预充量小，价格不十分昂贵等也在考虑之列。本研制的任务是为复苏机配备一套电机控制系统与压力、流量、温度检测系统。
图1 心肺脑复苏机流程简图
[1]股静脉插管接头 [2]膜型窗口 [3]能源：高能电池或交流电源
[4]离心血泵 [5]变温器 [6]膜式氧合器 [7]气体流量计
[8]小氧气瓶 [9]超声流量仪 [10]流量调节阀 [11]股动脉插管接头 [12]颈动脉插管接头 [13]颈静脉插管接头
, 百拇医药
Fig 1 Flow chart of CPCR
2 心肺脑复苏机检测与控制的原理
2.1 检测与控制内容
系统中，离心血泵与同步电机的连接采用磁偶联的方式，采用无级调速，可满足不同个体、不同体外循环方式对压力及流量的要求。
为确保安全，要求显示系统显示电机转速、血液流量、压力、温度。以压力为控制参数，当输出压力过大时，报警并自动降低转速。由于该复苏机采用冰与冷水降低血温，故温度不是控制参数，仅进行报警。存储部分检测数据，以备分析。
采用分流方法，用简单的外科插管方式对病人供血是一个复杂的问题。从股动静脉向身体除脑以外的重要器官供血，其血液循环阻力要比从颈动静脉向脑部供血的阻力大。由于其参数难以确定，此外从解剖生理角度，体循环与脑循环本是相通的，本研究以控制脑循环压力为核心，兼顾体循环。
, 百拇医药
一般认为脉动驱动方式更有利于人体血液循环，故要求该控制系统可产生脉动和恒动信号，使泵能以脉动、恒动方式运转(已研制出响应快，惯性小的同步电机[9])，并按照操作者的要求实现脉动与恒动之间的切换。
2.2 控制思路
采用8031单片机作控制器，借助于传感器，经A/D和D/A转换器以及执行机构，从而达到检测与控制的目的。具体包括：(1)传感器检测血液循环的压力、流量及温度信号，由A/D转换器自动采集，经光电隔离，送入单片机；(2)单片机发出的指令，经光电隔离，通过D/A转换器控制变频器，应用变频调速原理对电机调速(包括恒动和脉动)(3)对于压力过大时作报警并调节电机降低转速；(4)温度检测时，不在亚低温范围(30 ℃～34 ℃)则进行报警；(5)设计编码键盘、数码显示、信号灯、报警等外围接口，使系统可以方便地操作和控制。
, 百拇医药
图2 系统结构示意图
Fig 2 Sketch of the system structure
2.3 对离心血泵控制的探讨
系统的主要控制对象为离心泵。设计中考虑总是以恒流方式启动、停止泵，并在电机启动与停止时以缓慢增速、减速方式带动血泵，以防对人体血液循环系统过大的冲击，并防止血液倒流。在进入稳定的恒流状态后，方可进入脉动流状态。由于同步电机的转速与频率之间保持严格不变的正比关系，笔者通过控制变频器得到所需要的脉动曲线。
控制同步电机所用的变频器选用的是台达公司生产的高性能、低噪声泛用型VFD-M变频器。
VFD-M变频器加、减速时间最小为0.1秒，考虑电机的响应速度，用五点调速，按照每分钟60次计，每秒脉动一次，并利用VFD-M变频器的外接端口AV与单片机控制D/A输出端口连接。单片机输出0～10 V控制信号，变频器频率随控制电压变化呈对应关系。这样，单片机输出脉动电压控制信号和电机转速变化。此外，电机变频调速时，还采取了防止同步电机反转的措施。
, 百拇医药
2.4 检测原理
本系统测量三个参数：压力、流量与温度。测量点均在体外循环管路上，要求快速、实时检测。
笔者采用英国Druck公司的硅薄膜式压力传感器，它具有受温度影响较小的优点。压力传感器的信号经高精度的测量放大器AD521放大，将0～0.6 KPa压力信号转换为0～5 V的电压信号再通过二阶滤波网络与A/D接口连接，输入微机。
温度检测采用集成电路温度传感器AD590，它具有体积小、热容量小、线性好、重复性好、稳定性好、信号规范等优点，其工作原理是：用电路产生一个与绝对温度成正比的电流输出，从而可作为绝对温度传感器。由于AD590高输出阻抗，故能消除电源变动和交流波纹，以及传输电阻的影响。在温度信号放大中，采用运放OP07驱动，再与A/D转换器连接。
检测血流量的方法很多，笔者选用较为经济的差压法检测血液流量。差压传感器为压阻式差压传感器。差压传感器由自行设计的文丘里管检测到的信号经A/D转换器转换为数字信号进入8031处理，将电压转换成相应的流量值并显示出来。
, 百拇医药
3 硬件线路的设计
3.1 单片机控制硬件线路设计
根据所要求的功能，本设计采用8031芯片作为控制核心，实现对检测到的信号的采集，对变频器的控制，报警和显示功能。8031有两个十六位的可编程定时器/计数器，有四种操作方式；有两个外部中断，两个定时溢出中断和一个串行口中断；有128个字节的RAM和丰富的指令，故可满足控制核心的要求。
电路主要包括四个部分，即(1)程序、数字存储；(2)数据采集；(3)控制变频的输出通道；(4)显示、键盘、报警等外围电路。四个部分用P2.7和一片74LS1398译码选通而分配到不同的地址区间。数据采集通道、输出通道与8031主体间采用光电隔离以消除输入输出模拟量等强电系统的干扰。在采样频率不高的情况下，该法是一种经济适用的方法。
程序、数字存储电路以8031为主体，采用6 MHz频率的晶振，一片27128作为16 K程序存储器，一片62256作为32 K数据存储器，IC1(74LS373)作为地址锁存器。
, 百拇医药
数据采集通道分别采集压力、流量和温度信号。本设计以0809A/D转换器为核心，采用中断方式。三种信号经过放大、滤波后，分别输入0809的IN0、IN1、IN2。三态锁相器555组成的脉冲发生器为0809提供A/D转换脉冲。转换后的信号经光电隔离后放在锁存器74LS373中。
控制变频的输出通道采用直通方式。数据由8031发出后，放在74LS373中锁存，经光电隔离器TLP521，送到D/A转换器0832。
显示与键盘用一片8279控制。该8279是一种通用可编程键盘、显示的接口芯片，能完成键盘输入和显示控制两种功能。报警外围电路通过8031的P1.5和P1.6接口控制两个发光二极管，作为启动/脉动的提示信号源。P1.7输出的报警信号，通过一只三极管去驱动一个扬声器，作为报警声音。
3.2 整个系统的印制板设计
, http://www.100md.com 本设计采用PROTEL软件包。系统的版图设计为三部分：第一块板(见附1a)包括温度放大器、压力放大器和±15 V电源。该电源为放大器与外接的差压传感器供电；第二块板(见图1，b、c)以与主芯片8031相关的接口电路为设计内容，包括存储、数据采集D/A接口、用于控制变频器的数据输出A/D接口和显示接口；第三块板(见图1，d、e)为面板，主要有指示灯、报警驱动电路、LED显示、按键和相关的驱动电路等。这样设计为便于安装和检查错误。
3.3 传感器检测参数的校验
作者设计了相应的实验校正三个传感器及放大器的精度。将测定的数据用数据处理软件Graphtool进行拟合，得到相应的关联式。实验表明，温度传感器的线性度很好，线性拟合的相关系数达0.999。考虑A/D转换器的量化误差的影响，温度检测的精度范围<0.2 ℃。进口的压力传感器的灵敏度与线性度都很好，经零点与测量范围电阻调试，可认为压力测量误差约等于A/D转换器的量化误差，大约为0.9 mmHg。流量测量结果与由差压信号计算所得流量值相关系数为0.973。
, 百拇医药
4 系统软件设计
由于心脑肺复苏系统的复杂性，软件程序也就复杂、冗长。为此，采用模块化程序设计与结构程序设计的方法，即将程序整体分解为几个相对独立的程序模块：键处理显示模块、数据采集与处理模块、数据控制模块、报警程序模块、参数显示偏移计算模块等等。整体程序安排为：首先进行系统(包括8031)初始化，然后打开中断，等待中断信号，最后查询温度压力越界标志，判断是否进行报警处理。各键程序按照各自的功能进行处理。
键处理与显示控制采用8279芯片。8279能自动对显示器进行扫描，故显示程序简单。在显示程序中设置八位显示缓冲区，对应八位LED。8279具有自动供键扫描、消除压键抖动、识别闭合键号、多键同时压下自动保护等功能。程序软件采用中断处理。
数据采集与数据处理模块针对的是由A/D转换器转换的压力、流量及温度的数字信号。包括采样通道选择与数字滤波子程序与数据采样子程序。
, 百拇医药
数据控制模块可以控制变频器分别按照恒动或脉动方式进行。
各参数显示偏移量计算模块是用来计算显示偏移量，修改显示缓冲区的值。为显示转速、压力、温度和流量这四个参数，分别采用查表法编制四个子程序，以简化和缩短程序，提高程序的执行效率。
报警信号包括：单频音、指示灯和相应信息。对于压力作特殊处理，压力超限，泵缓慢降速至600/分左右，防止血液倒流。分别编制三个子程序以实现上述功能。
软件功能的实现是通过系统面板上九个按键来实现的。这九个键分别安排为：设置键、设置确认键、增键、减键、切换键、回显键、启动键、脉动键及停止键。
5 结论
(1)变频调速原理及恒速和脉动两种电机驱动模式可有效地应用于心脑肺复苏装置上。
, 百拇医药
(2)单片机用于心肺脑复苏装置不失为一种适当的选择。
(3)本文研究设计的检测与数据采集电路比较精确，其误差大大小于八位A/D转换器的量化误差。
(4)系统的所有功能，如按键处理、数据采集、变频器控制、脉动运转等均采用中断方式处理，可以保证系统实时运行。■
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39670211)
参考文献：
[1]Safar P, Bircher NG. Cardiopulmonary cerebral resuscitation. Third Ed， London: WB Saunders Company Ltd, 1985
[2]Safar P. Emergency cardiopulmonary bypass for resuscitation from prolonged cardiac arrest. Ann Emerg Med, 1990; 19∶55
, 百拇医药
[3]王一镗.心肺脑复苏进展.中国急救医学，1991；11(6)∶28
[4]江基尧，朱诚著.现代脑损伤.上海科学技术文献出版社，1995
[5]江基尧综述，朱诚审校.国外亚低温与脑损伤的研究进展.国外医学神经病学神经外分册，1993；20(1)∶47
[6]裴觉民，王利春，谭小苹.膜式人工肺及其应用.中国胸心血管外科临床杂志，1994；1(1)∶59
[7]Tatsuya Sasaki, Tomoaki Jikuya et al. A Compact centrifugal pump for cardiopulmonary bypass. Artificial Organs, 1992; 16(6)∶592
[8]梁玉敏，张霁，朱恳.亚低温治疗与脑损伤.中国急救医学应用，1995；15(5)∶45
[9]周定颐.电极及其拖动技术.北京：机械工业出版社，1987
收稿日期：1998-12-11, http://www.100md.com
单位：付霆(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)；谭小苹(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)；裴觉民(四川大学 生物力学研究所，成都 610065)
关键词：心脑肺复苏；控制；检测；研制
生物医学工程学杂志000128 摘 要：为了与作者所承担的国家自然科学基金项目“以膜肺为基础的脑保护机制的研究”配套，作者设计了以8031芯片为控制核心，用变频器控制特制的同步电机，以压力、压差、温度传感器检测心脑肺复苏装置的体外循环状况，并将信息反馈给控制系统。为适应人体内血液流动情况，设计了恒速与脉动两种模式来驱动血泵。对血泵的调速及控制的测试验证这两种调速模式均能有效地实现调速功能。压力、温度和流量测量的精度远大于八位A/D转换器的精度。其中，压力测量误差<0.9 mmHg，温度测量误差<0.2 ℃，流量测量误差<0.134 L/min。本设计对系统软件的设计考虑了后续开发的需要，考虑到多种实际情况，采用不同的方式进行处理。
, 百拇医药
Development of a Control and Monitor System for the Cardiopulmonary
Cerebral Resuscitation(CPCR) Device
Fu Ting Tan Xiaoping Pei Juemin
(Sichuan Univercity, Chengdu 610065)
Abstract：A novel idea in developing cardiopulmonary-cerebral resuscition(CPCR) device has been developed, using a combination of membrane artificial lung(oxygenator), mild-hypothermia, and centrifugal blood pump technologies. A control system for the CPCR has been introduced, using converter control and sensor monitor, with 8031 chips as the controller. Pressure, flow rate and temperature monitors were installed in the system. Two modes of blood pump regulation have been adopted, i.e. continous flow and pulsatile flow. The in vitro evaluation tests showed that the two modes were reasonable and feasible.
, http://www.100md.com
Key words：CPCR Monitor Control Harware Software▲
1 前 言
心肺脑复苏是现代急救医学的首要课题[1，2]。仅在我国，每年就有数十万次的病人因各种原因而心跳骤停、呼吸终止等急救病例。传统的医疗手段是对心跳停止的病人进行人工按压和人工呼吸，属于心肺复苏(CPR:cardiopulmonary resuscitation)，其目前的是力争使心脏骤停的病人恢复心跳与自主呼吸，使中断的血液循环恢复。在人体各器官中，大脑对缺氧最为敏感。脑作为维持生命机能和意识活动的最重要器官，其在心肺复苏中的重要性在80年代逐渐为学者们重视。许多国家的研究人员进行了大量的机理研究和心肺脑复苏装置的研制与开发[3～5]。
在国家自然科学基金的支持下，笔者于1997年开始“以膜肺为基础的脑保护机制的研究”，并拟在探讨机理的基础上，开发一种集新型膜肺[6]、离心血泵[7]和亚低温技术[8]为一体的，辅以肝素涂复技术和血液分流技术的心脑肺复苏装置。心脑肺复苏机(见图1)由离心血泵、膜肺、热交换器、参数自动检测装置、水箱、氧气瓶、膜式窗口和分流接口等部分组成。循环管道系统采用硅橡胶管道或聚氨酯管道。复苏机的设计输出血量4～5 L/min。复苏机设有若干备用分流接头，在复苏机启动后，首先保证向脑供血以保护大脑，而后视需要可建立第二或第三分流通路。膜式窗口2用作取样分析血液成分。从股静脉和颈静脉由插管1，13经皮穿刺抽取血液，血液在离心泵的作用下，首先通过热交换器降至亚低温，即30-34 ℃，再经过膜肺进行氧合，最后分别由插管11，12经皮穿刺送回颈动脉与股动脉，经体外循环给脑以至全身供血、供氧。
, 百拇医药
对复苏机最重要的要求是安全可靠。泵运行中过大的压力，血液倒流，带入气泡等对人体都是有害的。故本研究与3M公司控制离心血泵的思路不同，从平稳开动与停止，压力检测值过大自动降转速(而不是以流量为控制参数)等多方面保证运行安全。其次考虑操作简单，整体轻便，容易进入普通病房和到院外现场使用。此外，血液预充量小，价格不十分昂贵等也在考虑之列。本研制的任务是为复苏机配备一套电机控制系统与压力、流量、温度检测系统。
图1 心肺脑复苏机流程简图
[1]股静脉插管接头 [2]膜型窗口 [3]能源：高能电池或交流电源
[4]离心血泵 [5]变温器 [6]膜式氧合器 [7]气体流量计
[8]小氧气瓶 [9]超声流量仪 [10]流量调节阀 [11]股动脉插管接头 [12]颈动脉插管接头 [13]颈静脉插管接头
, 百拇医药
Fig 1 Flow chart of CPCR
2 心肺脑复苏机检测与控制的原理
2.1 检测与控制内容
系统中，离心血泵与同步电机的连接采用磁偶联的方式，采用无级调速，可满足不同个体、不同体外循环方式对压力及流量的要求。
为确保安全，要求显示系统显示电机转速、血液流量、压力、温度。以压力为控制参数，当输出压力过大时，报警并自动降低转速。由于该复苏机采用冰与冷水降低血温，故温度不是控制参数，仅进行报警。存储部分检测数据，以备分析。
采用分流方法，用简单的外科插管方式对病人供血是一个复杂的问题。从股动静脉向身体除脑以外的重要器官供血，其血液循环阻力要比从颈动静脉向脑部供血的阻力大。由于其参数难以确定，此外从解剖生理角度，体循环与脑循环本是相通的，本研究以控制脑循环压力为核心，兼顾体循环。
, 百拇医药
一般认为脉动驱动方式更有利于人体血液循环，故要求该控制系统可产生脉动和恒动信号，使泵能以脉动、恒动方式运转(已研制出响应快，惯性小的同步电机[9])，并按照操作者的要求实现脉动与恒动之间的切换。
2.2 控制思路
采用8031单片机作控制器，借助于传感器，经A/D和D/A转换器以及执行机构，从而达到检测与控制的目的。具体包括：(1)传感器检测血液循环的压力、流量及温度信号，由A/D转换器自动采集，经光电隔离，送入单片机；(2)单片机发出的指令，经光电隔离，通过D/A转换器控制变频器，应用变频调速原理对电机调速(包括恒动和脉动)(3)对于压力过大时作报警并调节电机降低转速；(4)温度检测时，不在亚低温范围(30 ℃～34 ℃)则进行报警；(5)设计编码键盘、数码显示、信号灯、报警等外围接口，使系统可以方便地操作和控制。
, 百拇医药
图2 系统结构示意图
Fig 2 Sketch of the system structure
2.3 对离心血泵控制的探讨
系统的主要控制对象为离心泵。设计中考虑总是以恒流方式启动、停止泵，并在电机启动与停止时以缓慢增速、减速方式带动血泵，以防对人体血液循环系统过大的冲击，并防止血液倒流。在进入稳定的恒流状态后，方可进入脉动流状态。由于同步电机的转速与频率之间保持严格不变的正比关系，笔者通过控制变频器得到所需要的脉动曲线。
控制同步电机所用的变频器选用的是台达公司生产的高性能、低噪声泛用型VFD-M变频器。
VFD-M变频器加、减速时间最小为0.1秒，考虑电机的响应速度，用五点调速，按照每分钟60次计，每秒脉动一次，并利用VFD-M变频器的外接端口AV与单片机控制D/A输出端口连接。单片机输出0～10 V控制信号，变频器频率随控制电压变化呈对应关系。这样，单片机输出脉动电压控制信号和电机转速变化。此外，电机变频调速时，还采取了防止同步电机反转的措施。
, 百拇医药
2.4 检测原理
本系统测量三个参数：压力、流量与温度。测量点均在体外循环管路上，要求快速、实时检测。
笔者采用英国Druck公司的硅薄膜式压力传感器，它具有受温度影响较小的优点。压力传感器的信号经高精度的测量放大器AD521放大，将0～0.6 KPa压力信号转换为0～5 V的电压信号再通过二阶滤波网络与A/D接口连接，输入微机。
温度检测采用集成电路温度传感器AD590，它具有体积小、热容量小、线性好、重复性好、稳定性好、信号规范等优点，其工作原理是：用电路产生一个与绝对温度成正比的电流输出，从而可作为绝对温度传感器。由于AD590高输出阻抗，故能消除电源变动和交流波纹，以及传输电阻的影响。在温度信号放大中，采用运放OP07驱动，再与A/D转换器连接。
检测血流量的方法很多，笔者选用较为经济的差压法检测血液流量。差压传感器为压阻式差压传感器。差压传感器由自行设计的文丘里管检测到的信号经A/D转换器转换为数字信号进入8031处理，将电压转换成相应的流量值并显示出来。
, 百拇医药
3 硬件线路的设计
3.1 单片机控制硬件线路设计
根据所要求的功能，本设计采用8031芯片作为控制核心，实现对检测到的信号的采集，对变频器的控制，报警和显示功能。8031有两个十六位的可编程定时器/计数器，有四种操作方式；有两个外部中断，两个定时溢出中断和一个串行口中断；有128个字节的RAM和丰富的指令，故可满足控制核心的要求。
电路主要包括四个部分，即(1)程序、数字存储；(2)数据采集；(3)控制变频的输出通道；(4)显示、键盘、报警等外围电路。四个部分用P2.7和一片74LS1398译码选通而分配到不同的地址区间。数据采集通道、输出通道与8031主体间采用光电隔离以消除输入输出模拟量等强电系统的干扰。在采样频率不高的情况下，该法是一种经济适用的方法。
程序、数字存储电路以8031为主体，采用6 MHz频率的晶振，一片27128作为16 K程序存储器，一片62256作为32 K数据存储器，IC1(74LS373)作为地址锁存器。
, 百拇医药
数据采集通道分别采集压力、流量和温度信号。本设计以0809A/D转换器为核心，采用中断方式。三种信号经过放大、滤波后，分别输入0809的IN0、IN1、IN2。三态锁相器555组成的脉冲发生器为0809提供A/D转换脉冲。转换后的信号经光电隔离后放在锁存器74LS373中。
控制变频的输出通道采用直通方式。数据由8031发出后，放在74LS373中锁存，经光电隔离器TLP521，送到D/A转换器0832。
显示与键盘用一片8279控制。该8279是一种通用可编程键盘、显示的接口芯片，能完成键盘输入和显示控制两种功能。报警外围电路通过8031的P1.5和P1.6接口控制两个发光二极管，作为启动/脉动的提示信号源。P1.7输出的报警信号，通过一只三极管去驱动一个扬声器，作为报警声音。
3.2 整个系统的印制板设计
, http://www.100md.com 本设计采用PROTEL软件包。系统的版图设计为三部分：第一块板(见附1a)包括温度放大器、压力放大器和±15 V电源。该电源为放大器与外接的差压传感器供电；第二块板(见图1，b、c)以与主芯片8031相关的接口电路为设计内容，包括存储、数据采集D/A接口、用于控制变频器的数据输出A/D接口和显示接口；第三块板(见图1，d、e)为面板，主要有指示灯、报警驱动电路、LED显示、按键和相关的驱动电路等。这样设计为便于安装和检查错误。
3.3 传感器检测参数的校验
作者设计了相应的实验校正三个传感器及放大器的精度。将测定的数据用数据处理软件Graphtool进行拟合，得到相应的关联式。实验表明，温度传感器的线性度很好，线性拟合的相关系数达0.999。考虑A/D转换器的量化误差的影响，温度检测的精度范围<0.2 ℃。进口的压力传感器的灵敏度与线性度都很好，经零点与测量范围电阻调试，可认为压力测量误差约等于A/D转换器的量化误差，大约为0.9 mmHg。流量测量结果与由差压信号计算所得流量值相关系数为0.973。
, 百拇医药
4 系统软件设计
由于心脑肺复苏系统的复杂性，软件程序也就复杂、冗长。为此，采用模块化程序设计与结构程序设计的方法，即将程序整体分解为几个相对独立的程序模块：键处理显示模块、数据采集与处理模块、数据控制模块、报警程序模块、参数显示偏移计算模块等等。整体程序安排为：首先进行系统(包括8031)初始化，然后打开中断，等待中断信号，最后查询温度压力越界标志，判断是否进行报警处理。各键程序按照各自的功能进行处理。
键处理与显示控制采用8279芯片。8279能自动对显示器进行扫描，故显示程序简单。在显示程序中设置八位显示缓冲区，对应八位LED。8279具有自动供键扫描、消除压键抖动、识别闭合键号、多键同时压下自动保护等功能。程序软件采用中断处理。
数据采集与数据处理模块针对的是由A/D转换器转换的压力、流量及温度的数字信号。包括采样通道选择与数字滤波子程序与数据采样子程序。
, 百拇医药
数据控制模块可以控制变频器分别按照恒动或脉动方式进行。
各参数显示偏移量计算模块是用来计算显示偏移量，修改显示缓冲区的值。为显示转速、压力、温度和流量这四个参数，分别采用查表法编制四个子程序，以简化和缩短程序，提高程序的执行效率。
报警信号包括：单频音、指示灯和相应信息。对于压力作特殊处理，压力超限，泵缓慢降速至600/分左右，防止血液倒流。分别编制三个子程序以实现上述功能。
软件功能的实现是通过系统面板上九个按键来实现的。这九个键分别安排为：设置键、设置确认键、增键、减键、切换键、回显键、启动键、脉动键及停止键。
5 结论
(1)变频调速原理及恒速和脉动两种电机驱动模式可有效地应用于心脑肺复苏装置上。
, 百拇医药
(2)单片机用于心肺脑复苏装置不失为一种适当的选择。
(3)本文研究设计的检测与数据采集电路比较精确，其误差大大小于八位A/D转换器的量化误差。
(4)系统的所有功能，如按键处理、数据采集、变频器控制、脉动运转等均采用中断方式处理，可以保证系统实时运行。■
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39670211)
参考文献：
[1]Safar P, Bircher NG. Cardiopulmonary cerebral resuscitation. Third Ed， London: WB Saunders Company Ltd, 1985
[2]Safar P. Emergency cardiopulmonary bypass for resuscitation from prolonged cardiac arrest. Ann Emerg Med, 1990; 19∶55
, 百拇医药
[3]王一镗.心肺脑复苏进展.中国急救医学，1991；11(6)∶28
[4]江基尧，朱诚著.现代脑损伤.上海科学技术文献出版社，1995
[5]江基尧综述，朱诚审校.国外亚低温与脑损伤的研究进展.国外医学神经病学神经外分册，1993；20(1)∶47
[6]裴觉民，王利春，谭小苹.膜式人工肺及其应用.中国胸心血管外科临床杂志，1994；1(1)∶59
[7]Tatsuya Sasaki, Tomoaki Jikuya et al. A Compact centrifugal pump for cardiopulmonary bypass. Artificial Organs, 1992; 16(6)∶592
[8]梁玉敏，张霁，朱恳.亚低温治疗与脑损伤.中国急救医学应用，1995；15(5)∶45
[9]周定颐.电极及其拖动技术.北京：机械工业出版社，1987
收稿日期：1998-12-11, http://www.100md.com