严 捷，钱凯华

（1.启东市中医院医疗器械科，江苏启东 226200；2.启东市第三人民医院内科，江苏启东 226200）

0 引言

眼睑呈帘状结构，分为上睑、下睑两部分，上睑较下睑宽大。眼睑遮盖眼眶出口，覆盖眼球前部，具有保护眼球的重要功能。睑板腺囊肿是睑板腺特发性、无菌性、慢性肉芽肿性炎症，通常称为霰粒肿[1]。在霰粒肿手术结束后，需在手术部位压迫止血。临床实践中，往往是让患者或其家属用手按压住手术部位达到止血的目的。而眼睑的血供较丰富，想要完全达到止血的要求，按压需要持续15~30 min。由于人的体力和控制力方面的原因，压迫的强度、持续度往往不能完全达到要求，压力过大会引起患者不适，压力过小又会有血渗出，影响了止血效果。

现有的眼部止血装置有气囊调节式眼部压迫止血器和手柄调节式眼科压迫止血器两类。两者的区别在于控制压力的方式不同，前者是用20 ml注射器和单向阀组件控制压力，后者是用可调式螺旋手柄组件控制压力。两者都属于手动控制方式，能在一定程度上增加患者的舒适度。但其结构相对简单，控制的精度相对较低，因此亟须研制一种运用于眼部手术的电动压迫止血设备。本文设计了一款基于AVR单片机和高精度压阻式压力传感器的眼部压迫止血装置，能够更加安全有效地用于眼部手术部位的止血。

1 总体设计

1.1 设计要求

该装置需要达到眼部安全有效止血的目的，提供的压力值必须要高于眼压值。眼压是眼球内容物作用于眼球内壁的压力，从临床的角度，正常眼压的定义应该是不引起视神经损害的眼压范围，即10~21mmHg（1mmHg=133.322Pa）[1]。因此，眼部压迫止血装置设计要求如下：（1）压力在6 s内达到40 mmHg；（2）压力达到40 mmHg后维持20 min，且压力值下降不大于5%。

1.2 工作过程

根据眼部压迫止血装置的设计要求，确定其工作过程如下：首先由操作者输入控制信号，包括压力数值及维持时间，然后由单片机输出相应控制信号，来控制微型气泵或者电磁阀执行相应的动作，输出符合压力要求的空气进入皮囊，通过皮囊对眼部手术部位的压迫达到止血的目的[2]。同时，压力传感器采集的压力信号持续反馈到单片机，单片机根据采集的数据调整微型气泵和电磁阀的动作，并把压力数值输出到显示屏上。根据压迫装置的工作过程，该装置的设计主要包括硬件和软件两部分。

2 硬件设计

根据设计的基本构思，硬件部分由以AVR单片机为核心的控制板（包含电源电路、传感器信号放大器以及蜂鸣器）、液晶显示屏、电磁阀、高精度压力传感器、一体式眼罩、微型气泵等组成（如图1所示）。该装置是用于眼部小面积手术部位的压迫止血，因此体积较小、功耗较低。在电源的选择方面，设计的是外部直流电源和内部可充电电池2种供电模式，都是6 V的供电电压。电源经内部稳压滤波电路处理后分4路输出，一路调压为5 V后给AVR单片机供电，一路经继电器给微型气泵供电，一路给显示屏供电，最后一路经单片机控制驱动电路输出到电磁阀。压力传感器、显示屏、电磁阀都选用低功耗的器件，所以由AVR单片机直接控制，微型气泵由单片机控制继电器来驱动。由于AVR单片机的强大功能，整机硬件电路比较简单。按照经济合理、适当留有余量的原则，对该装置构成的主要硬件进行一定的筛选。

图1 眼部压迫止血装置整体组成图

2.1 AVR单片机

AVR单片机采用脉冲宽度调制（pulse-width modulation，PWM）输出，可以单个程序启动，能实现主/从机收发等4种组合的多机通信[3]，广泛应用于各类工业设备、医疗器械等领域[4]。AVR单片机支持在系统编程和在应用编程，给设备的调试、研发带来很大的便利[5]。AVR单片机规格品种繁多，眼部压迫止血装置主要采集的信号是压力信号，输入的参数主要是时间和压力2种，数据量较小，根据经济适用原则，选择ATmega16A这款高性能、低功耗的8位AVR单片机，其价格在十几元人民币左右[6]。

2.2 压力传感器

由于眼部位置的特殊性，该装置对采集的压力信号精度要求比较高，故选用压阻式压力传感器。压阻式压力传感器具有动态响应好，易于微型化、集成化等特点[7]。根据眼部的止血压力要求（40 mmHg左右），选择欧姆龙2SMPP-03超小型低功耗的MEMS压力传感器（如图2所示）。技术参数为：偏置电压：（－2.5±4.0）mV；量程：（42.0±5.5）mV（额定压力 50 kPa、测量电流DC 100 μA时受温度影响小）[8]。

图2 2SMPP-03压力传感器

2.3 微型电磁阀

根据压迫止血装置的工作原理，需对压迫装置的皮囊打入一定压力的空气，并维持一定时间，计时结束后，再把皮囊内的空气排出，所以需要在管路上安装电磁阀。以供电电源6 V为基准，在满足使用的条件下选择较低功耗的三通电磁阀（如图3所示），参数如下：额定电压：DC 6 V；电流：220 mA；功率：<2 W；压力范围：0~350 mmHg；质量：16 g。

图3 三通电磁阀

2.4 液晶显示屏

为了可以让操作人员直观方便地观察到压迫止血装置的工作情况，需安装一块液晶显示屏。根据设计的要求，选择中景园电子0.96 in（1 in=25.4 mm）OLED（organic light-emitting diode）液晶显示屏（如图4所示）。该显示屏具备2种不同接口方式的Demo板，分别是七针的SPI/IIC兼容模块和四针的IIC模块，根据本电路的结构选用四针的IIC 模块[9]。

2.5 微型气泵

根据眼部压迫区域面积的大小，选用压迫皮囊的接触面积为5 cm×7 cm，压迫皮囊的容积在100 ml（50 ml×2）左右。因为设计采用的是6 V供电，并且要求在6 s内达到压迫止血的40 mmHg的压力，所以选择额定工作电压为直流6 V、常用于电子血压计的微型气泵，技术参数为：电压：DC 6 V，压力：500 mmHg，风量：2 L/min，外形尺寸：27 mm×60 mm，电流：400 mA，功率：2.4 W。

图4 OLED液晶显示屏

2.6 一体式气囊眼罩

压迫装置采用一体式眼罩式结构（如图5所示），内部采用双层结构，由硅橡胶皮囊、尼龙外壳两部分组成。用硅橡胶制作成椭圆形皮囊，不仅能和眼部紧密结合，还可以经常清洗消毒[10]。尼龙外壳设计为眼罩形状，可以完全覆盖整个眼睛部位，并由两侧的锁紧扎带固定于头部。50 ml的硅橡胶皮囊放于尼龙外壳内，皮囊一侧和眼部直接接触，另一侧固定于尼龙外壳内。术后能快速压迫在眼部，达到自动恒压的目的，提高术后压迫止血的效果。

图5 一体式气囊眼罩结构示意图

2.7 放大器及蜂鸣器选型

根据电路供电电压及经济适用原则，放大器选用LM358（高增益，是内部频率补偿的双运算放大器），蜂鸣器选用的是较常见的TMB12A05（工作电压为3 V）。

根据选择的硬件搭建电路，系统原理框图如图6所示，电路原理图如图7所示，实物图如图8所示。

图6 眼部压迫止血装置系统原理框图

图7 眼部压迫止血装置电路原理图

图8 眼部压迫止血装置实物图

3 软件设计

在对眼部压迫止血装置整体功能分析的基础上进行软件设计。该压迫装置的软件采用WinAVR进行程序设计、GCC编译器编译。软件设计主要分为压力数据采集测量和计算、测量结果的显示、加压工作状态和计时、超时超压的报警4个部分。

程序运行流程如图9所示。开机后，系统先进行复位，然后自检，根据压力信号的数值，决定是否打开电磁阀，如果压力信号不为0，则开启电磁阀，等待6 s排出皮囊内压力；当排气后压力信号为0，则进入待机状态，如果6 s后压力信号仍旧不为0，则进入报警终止状态；当压力信号等于0时，自检通过，进入待机状态。自检完毕后，由操作者设置时间和压力参数。按“开始”键，设备进入工作阶段，包括加压阶段、压力保持阶段、减压阶段。在加压阶段中，传感器检测的压力信号输入AVR单片机，当信号达到预设值时，进入压力保持阶段，并开始计时，当达到预设时间后，打开电磁阀，进入减压阶段，排出气囊内压力。当稳压计时状态内压力和设置值有偏差时，则进入报警状态。工作结束发出结束提示音。执行元件工作时，压力传感器不间断地采集压力信号，并且实时反馈给AVR单片机，同时显示压力值到显示屏上[11]。

图9 眼部压迫止血装置程序运行流程图

4 使用方法

开机，等待设备自检，自检通过后进入待机状态，使用者根据手术部位的大小及深度，选择合适的压力和维持该压力的时间。将一体式气囊眼罩佩戴于手术患者的头部，手术部位一般已经用无菌纱布覆盖，然后按“开始”键，压迫止血装置马上开始工作。当达到设置时间和压力后，自动放气、复位。

5 性能优势

与传统机械及手工压迫止血装置相比，该装置具有明显优势（详见表1）：（1）一体式气囊眼罩中的柔性气囊能与眼部手术部位紧密结合，既不留压迫止血的盲区，又能提高患者的舒适度；（2）高精度的压力传感器能灵敏而准确地反映实际压力值，使压力值能够安全而有效；（3）AVR单片机能够给出精确的控制信号，使压力值既能满足临床压迫止血的目的，又能根据患者的主观感受进行准确的调节；（4）具有安全保护及报警功能，降低护理人员的工作量；（5）压力稳定，止血效果好[12]。

表1 3种止血装置性能优势比较

6 结语

基于AVR单片机的眼部压迫止血装置可以安全、有效地压迫眼部手术部位，达到快速、安全止血的目的，且能有效避免用手或者其他方法止血产生的不良后果，如眼部手术后局部出血引起的眼部肿胀、黑眼圈等。如对压迫装置的皮囊及外部结构进行一定的改变，可以较好地运用到其他体表部位的压迫止血。