基于DSP的无创性食管静脉曲张测压系统

摘要：介绍了一种基于DSP芯片TMS320F2407的无创性食管静脉曲张测压系统。它具有高的静脉曲张压力检测能力和高性能的数字信号采集与处理能力，并通过RS232标准串行总线实现DSP与PC机之间的高速数据通讯。经临床应用表明，该系统能准确测定食管曲张静脉内压，在临床评估食管曲张静脉出血危险程度方面具有良好的应用价值。

关键词：食管静脉曲张 数字信号处理器 串行通信接口 TMS320F2407

食管曲张静脉破裂出血是肝硬化门脉高压症患者凶险的并发症，大约三分之一的患者终将发生出血[1～2]。如果能确定出这三分之一的出血患者，尽早进行预防性治疗，就能减少医疗花费和治疗本身带来的危险。食管曲张静脉压力被认为是预测食管曲张静脉破裂出血的主要的参考指标[3]。

控制与检测系统是整个系统的，决定了无创性食管静脉曲张测压系统的主要性能和指标。目前，随着高速数字信号处理器的发展成熟与广泛应用，提供高性能的数字化控制系统成为可能[6]。
1 系统结构

无创性食管静脉曲张测压系统的主要部分有：

(1)气流发生、调整及气压检测部分；

(2)下位机部分：主要对气敏传感器采样所得到的信号进行调理、模／数转换、计算，并根据计算结果发出相应的PWM波到电机驱动芯片，控制泵气速度以得到所需的气压；同时将各项相关数据传至上位机并接收上位机发出的各种控制信号；

(3)上位机软件部分：该部分通过相关算法对采集的数据进行处理与修正，并根据处理结果对下位机控制器的相关参数或运行状态进行调整，同时实现实时监测和数据的图形化显示。

系统结构框图如所示。


2 系统硬件设计

气路部分结构如所示。紧贴于被测血管壁上的气敏探头受到静脉血管对它的压力，导致气路部分的气压变化。在这里选用霍尼韦尔40PC系列气压传感器来检测这种气压变化。40PC系列气压传感器利用独创的单硅片设计，把所有温度补偿、输出零点／满量程校正、放大等功能集中在一块硅片中。该传感器工作电压为5V，输出电压变化幅度为4V，从0．5到4．5V。室温下达到了0．2％。

气压传感器将气压值转变为0．5～4．5V之间的电信号之后，由DSP芯片TMS320F2407实现对气压信号的实时采集和对电机的控制。该芯片有双路10位的模拟／数字转换模块，可以实现高的采样。对采集的数据通过相关算法进行处理与修正，并根据计算结果由事件管理器发出PWM波控制功率器件的通断，以控制电机的转速[5]，从而实现对整个气路部分气压的闭环控制与调整[4][6]。同时，应用该芯片的串行通信接口(SCI)将采集处理后的数据通过RS232串行总线传递给上位机[4～5]，并以图形化方式实时显示静脉血压的变化曲线。DSP芯片还可以随时接收上位机发送的调整信号，对相关参数或运行状态进行在线调整。
直流电机的调速方法有调压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速等，在额定转速(称为基速)以下采用调压或串电阻调速，在基速以上采用弱磁调速。根据控制的特点，采用了脉冲宽度调制(PWM)的调速方法。PWM公式如下：

Uav=(ton/T)Us=αUs (1)

式中，ton——开关每次接通时间；

T——开关通断的工作周期；

α——占空比。

由式(1)可见，改变脉冲的占空比，电机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速也得到了控制。
近年来，随着微电子技术和电力电子技术的发展，直流电机控制领域出现了智能化功率集成电路(SmartPower IC)，由这类芯片可灵活地构成小型化、高可靠运行的PWM伺服系统。例如双H桥功率集成电路LMDl8200就是比较典型的一款芯片。是使用功率集成电路LMDl8200构建的电机控制系统示意图。

3 系统软件设计

DSP完成了整个系统中大量的软件功能。为了完成这些功能，除用到TMS320F2407的部分外，还充分应用了TMS320F2407片内的许多外设模块，如A／D模块、事件处理器模块、看门狗和实时中断模块等[4～5]。程序的主体部分采用外部中断方式实现按周期进行的数据采样、运算控制及数据传输。中断服务子程序是软件算法中重要的组成部分。DSP启动后首先进行初始化操作，包括对各个中断向量的设置以及对DSP的PLL锁相时钟模块进行设置，以使各内部模块的时钟频率达到要求；然后DSP空闲，等待中断的发生，一旦中断出现，便运行相应的中断服务子程序，处理完成后DSP空闲，等待另一个中断的发生[6]。

上位机软件模块的操作界面采用Windows视窗风格，按照操作人员的习惯与相关规范严格安排各步操作，同时配合各种组件模型与图表显示，以图表等直观的方式显示处理后的检测结果，并实时显示各关键参数的变化情况；每次检测的各个数据与结果都将存储在特定数据库中并可实现远程登陆与访问，在每次检测完成之后还将自动生成报表文件。
4 实验结果

作者在湘雅医学院按照不同情况进行了细致的体外实验和动物实验，获得了大量有价值的实验数据。以穿刺测压作为标准，在原贴壁测压处进行了食管曲张静脉穿刺测压，并将这两种方法获得的数据进行比较(如表1所示)，得到了穿刺测压与无创贴壁测压的关系图，如所示。其中，Y＝3．144+0．931x，两组数据呈线性关系。
表1 标准穿刺测压与贴壁测压结果比较

该系统结构合理，设计紧凑可靠，能准确地测定静脉曲张静脉内压，在临床评估食管曲张静脉出血危险方面具有良好的应用价值。

参考文献:

[1]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.