采集器是整个监护系统的核心部分,其数据的准确性直接影响到后期的数据分析.采集器所使用的压力传感器采用美国GE公司的NPC-1210系列传感器,该传感器灵敏度高,具有独立的温度补偿电阻,方便电路的设计.信号处理及无线发送芯片采用nRF24LE1芯片,该芯片功耗低,自带12 bit的模数转换(analog-to-digital convert, ADC)模块,支持2.4 GHz公共频段通信协议,可在主从模式之间切换^[6].CVP采集器电路设计如图2.

图2 采集器电路设计原理图
Fig.2 The hardware circuit design schematic of collector

U₁=(UR₁(1+x))/(R₁(1+x)+R₃)(1)

U₂=(UR₂)/(R₄(1+x)+R₂)(2)

对同一个传感器来说, x的值改变很小,因此,位点1和2之间的电压差可近似为

ΔU=U₁-U₂=(Ux)/(2+x)(3)

硅基微机电(micro-electro-mechanical, MEM)压力传感器的压阻变化与压力之间的非线性系数很小^[7],在此方程中x可被认为是与压力成正比例系数的量,即

x=kp(4)

其中, p为外界气压; k对于传感器来说是一个常量(单位:Pa^-1).

那么,位点1和2之间电压差值为与外加电压以及外界大气压有关的量,即

p=(2ΔU)/(k(U-ΔU))(5)

因此,通过检测位点1和2的电压差就可得到相应的压力值.电压差幅值变化小,需经过放大后才能使用.经测试,在竖直高度为25 cm的去离子水水柱的压力下,测得x=2.85%, 放大后的电压为2.642 V.

采集器由可充电锂离子电池供电,锂电池的电压变化和电量有关^[8],因此,电池需先经过升压芯片升压后,再稳压到5 V驱动传感器工作.

采集器采用nRF24LE1作为控制芯片,该芯片自带12 bit的ADC模块,自带的射频收发器工作于2.400 0～2.483 5 GHz的ISM(industrial scientific medical)频段,在工作前要将接收器和采集器的工作频段调至同一频段,则在该频段的所有器件可组成一个小型的无线传感网.

图3 便携式接收器电路设计原理
Fig.3 The hardware circuit design schematic of portable receiver

计算机端的无线接收器通过USB接口与电脑相连,将接收到的静脉压相关信息存储到本地计算机上,再结合Web技术,将相关信息发布至互联网.

采集器初始化时要初始化ADC模块和无线通信模块.每次使用ADC模块时,均需在初始化中设置工作速度、转换精度和输入通道等,设置为:

ADCCON2=0X00; //采用单步转换,速度为2 ksps

ADCCON3|=0XE0; //转换精度为12 bit,数据右对齐

P0DIR|=0X01; //设置转换的输入通道

P0&=0XFE; //端口初始化为低

发射芯片的初始化函数应向射频模块内部写入芯片的工作频率、发射功率和传输速度等信息,同样在接收端也要设置为相同的工作频段和传输速度.设置为:

RF=1; // 允许RF中断

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH, 0); // 设置工作频率为2 400 MHz,即频道为0,接收端频道也要为0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); // 设置发射功率为0,传输速率为1 Mbit/s

待ADC模块和射频模块初始化完成后,就可进行ADC操作.启动ADC模块后,转换结果会保存到ADCDATL和ADCDATH寄存器中,利用式(5)将电压数据转换成压力数据,并装入缓存器中,通过射频模块由发射程序发送给接收端.每次发射时,寄存器idbuf[0]会载入表示此器件的唯一ID识别码,数据接收时通过识别此ID码判断数据来自哪个采集器.发送成功后等待接收端发送接收成功信号.若10 ms内未接收到该信号,则再次启动ADC模块,并发送新的数据.

便携式接收器在初始化时除了要初始化射频模块,还要初始化TFT1.44显示模块.显示模块没有字库,初始化时需通过函数定义需要显示的文字的编码,因此显示的字符样式可根据实际需要自由调整.工作时,单片机首先初始化射频模块和显示模块,然后通过读取nRF24L01中的寄存器数据判断采集器是否在工作,待数据接收成功后给采集器发送接收成功信号.数据接收成功后首先判断传感器来自哪个CVP传感器,再将接收到的二进制数据转换为可直接读取的十进制数字,并将超过阈值范围的数据标记为红色.

同低功耗的嵌入式服务器相比,计算机不仅可以24 h不间断记录数据,且其出色的计算性能可提供更丰富的功能^[10].本研究设计的实时静脉压监控服务器结合了LabVIEW程序的功能,可实时绘制CVP变化曲线,并保存患者的历史数据.

3.3.1 程序设计

图4为使用LabVIEW 10.0设计完成的主程序,使用串口模块读取单片机中的信息.程序使用while结构保持程序工作并允许通过停止键结束工作.工作时,程序通过虚拟仪器软件结构框架(virtual instrument software architecture, VISA)串口程序^[11]读出单片机上接收到的CVP数据并将结果保存到本地电脑上.使用时,程序首先读取历史数据,并绘制最近一段时间保存的数据变化曲线.

图4 中心静脉压监测系统的LabVIEW主程序
Fig.4 (Color online)The software on LabVIEW for CVP monitoring system

3.3.2 Web服务器

Web端采用LabVIEW软件自带的服务器平台^[12].LabVIEW的Web服务器不仅可发布文档,同时也可发布运行程序的前面板.医护人员可通过远程操作查看最近记录的CVP数据.

图5 在线查看数据
Fig.5 (Color online)Online data check

制作的网页命名为test1.html,存放位置为本地硬盘.使用时,在IE浏览器中输入test1.html所对应的网址进入到操作界面,如图5.进入后选择需要监测的床位,程序将自动读取相应床位的数据.上方指针为实时数据,下方变化的曲线为保存的历史数据.这种模式将系统的核心部分集中在计算机上,简化了系统的开发和使用成本,医护人员只需一个浏览器就能查看相关数据并进行数据交互.

系统的封装外壳由3D打印机打印完成,该打印机使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene,ABS)树脂材料熔融沉积成型,密封性好、结构强度高、绿色环保,被广泛用于电子器件和医疗设备中^[13].

图6为本研究设计的CVP监测系统的体外模拟环境测试情况.使用时应保证接收器和软导管密封,同时刻度尺和水柱保持竖直,通过改变水柱的高度来改变压强大小.

图6 中心静脉压监护系统在模拟环境中工作
Fig.6 (Color online)The CVP monitoring system working in simulated environment

图7 水柱高度与中心静脉压监护仪测量结果比较
Fig.7 (Color online)The comparison between height of water column and results of CVP monitor

经外周静脉置入中心静脉导管(peripherally inserted central catheter, PICC)操作简单,与中心静脉插管测量的CVP数据的一致性好^[14].因此,实验过程中,静脉压采集器通过检测PICC中的压力来测量CVP.

置管由专业护士操作,置管时选择右颈外静脉,让患者平卧,使静脉压采集器前端的水柱部分平放并与心脏水平.采集时,将三通阀拨至采集器方向,此时静脉压采集器和心脏处于封闭环境中,在静脉压的作用下示数回稳.示数稳定后,静脉压采集器采集到的数值即为通过PICC法测得的中心静脉压数值.置管位置如图8.

图8 中心静脉压监护系统在临床中的置管位置
Fig.8 (Color online)The position of CVP monitoring system in clinical trial

表1 两种方法测得的CVP值比较
Table 1 The CVP data from two different methods

通过拟合分析绘制两种方法的拟合图如图9,计得两者的斜率分别是6.92×10^-4和1.34×10^-3,均方差分别为1.71×10^-3 kPa和6.44×10^-3 kPa,平均值分别是0.827 kPa和0.835 kPa.使用CVP监护系统测量的数据更稳定,测得的结果更接近0.82 kPa.可见,CVP监护系统的准确性优于三通管法.

图9 两种测试数据的拟合图像
Fig.9 The fitting curves of two test results

图 10 长时间连续监测结果
Fig.10 The results of long time continuous monitoring