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。

Development of a Control and Monitor System for the Cardiopulmonary

Cerebral Resuscitation(CPCR) Device

Fu TingTan XiaopingPei 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.

Keywords：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。

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

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。

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。

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。

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。

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