基于ARM的便携式血液流变测试仪的设计与实现

1、基于ARM的便携式血液流变测试仪的设计与实现田学隆,刘旭娟,陈桂,邹韵重庆大学生物工程学院, 重庆 (400044E-mail: liuxujuan2005摘要:ARM具有体系结构可扩展、功耗低、成本低和支持实时多任务等特点,将ARM 应用于医疗仪器的设计符合医疗仪器便携化、一体化的发展趋势。本文将ARM应用于血液流变测试仪的研究中,设计了一种以U型管作为粘度测量方法,利用ARM-LINUX嵌入式技术作为控制系统的新型一体化、便携式血液流变测试仪,介绍了该仪器的体系结构、血液流变指标计算和软硬件实现方法。试验结果表明,该仪器具有使用方便、操作简单、测定快速、数据准确度高的特点。关键词血液流变;

2、U型管粘度计;嵌入式系统;ARM;LINUX中图分类号:R319 文献标识码:A 国家标准学科分类与代码:310.6111. 引言国内外临床研究表明,血液流变学指标与心血管、动脉、血液等方面的疾病有高度相关性,许多疾病发生时会导致血液流变学指标异常,血液流变学指标可以作为这些疾病诊断、鉴别、疗效观察、预先判断及复发预测的重要参考1。粘度参数是血液流变学检测中最基本,也是最主要的参数2。对于血液这种粘塑性非牛顿流体而言,其粘度随剪切率变化而变化。为了测得一定范围剪切率下的粘度,通常需要不断改变这些粘度计的参数进行重复测量操作,这些重复操作使粘度测量耗时又费力,并且过多的重复操作会使样本的测量结果

3、不准确。近年来国外有研究者开始研究新的适合临床应用的快速测定粘度的方法,具有代表性的是采用U形管装置的扫描式毛细管粘度计3。在仪器实现方式上,市场上的很多血液流变测试仪采用的都是基于PC机的上下位机形式,如重庆维多生物工程研究所生产的FASCO-3000型全自动血液流变快测仪,这些仪器需要在PC上安装专门的软件,而且仪器体积较大,携带和移动都不方便。为了增强移动性,方便携带,早期的血液流变测试仪开始采用单片机进行控制4,但这些仪器通常都不具备良好的用户操作界面,也不利于系统功能的进一步升级。ARM是公认的业界领先的32位嵌入式RISC(reduced instructions set comp

4、uter微处理器,具有体系结构可扩展、功耗低、成本低和支持实时多任务等特点5。将ARM应用于医疗仪器的设计符合医疗仪器便携化、一体化的发展趋势。本文将ARM技术应用于血液流变测试仪的设计,采用基于U型管的粘度测量方法,设计了一种基于ARM的新型便携式血液流变测试仪。2. 便携式血液流变测试仪结构设计便携式血液流变测试仪的系统结构如图1所示,系统主要包括电机、电磁阀驱动控制模块、小键盘输入模块、数据采集模块、LCD显示模块、串口打印机模块、U盘存储模块、网络接口模块等几部分。测量过程中,微处理器通过控制电机的正、反、停转和电磁阀组合的开闭,来完成试样的吸取、平衡、加压、回流等过程,并通过压力传感

5、器测得血样在管中回流时的一系列压力值,通过A/D转换口进行模数转换,再将检测得到的模拟信号变换成数字信号送到微处理器进行处理、运算,然后把测得的结果送到液晶显示器上显示出来,同时也可实现结果的打印和存储;键盘输入系统测量所需参数和控制信号;温度控制部分为测量主体提供一个恒温环境,减小温度变化对测量产生的不良影响。 图1 便携式血液流变测试仪结构框图测量主体是测量的核心,包括毛细管、电机、电磁阀和连通管道。测量主体的结构如图2所示,毛细管结构为U型,由左右两小室和连通其间的毛细管组成,管路部分装有电机、压力传感器。U型管1有三个出口分别接通三个电磁阀,经电磁阀分别连通进样管、清洗管、电机抽排气管

6、;U型管2上端有一出口由三通管接通压力传感器与电磁阀,通过连接管道与电机抽排气管相连。 图2测量主体结构3. 血液流变指标的计算本文采用U型管毛细管式快速粘度测量方法,其基本原理如下:当两个U型管的初始液面水平高度不同,则高液面管中的液体在重力作用下向低液面管流动。根据泊肃叶公式: 并做简单变化,可得血浆粘度计算公式: 为管两端压差、l为管长、r o为管半径。式中,为流体粘度、Q为体积流量、P全血粘度则可通过建立Casson方程来求取。根据Casson方程: 经简单转化,可得 式中,为全血粘度、为切变率、c为Casson粘度、c为Casson应力。在c和c 为已知条件下,任意给定一属于1s-1

7、范围的切变率,即可得到其相应的粘度值。另外,由血液流变仪检测出的粘度值,配合血沉仪检测出的血沉和压积参数,可以计算出其它血液流变学指标,如还原粘度,红细胞聚集指数等。4. 硬件控制系统设计嵌入式处理器是嵌入式系统硬件最核心的部分,三星公司推出的S3C24106是16/32位RISC处理器,主频高达203MHz,能够轻松运行WINCE.net、LINUX等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适合于低成本和功耗敏感的应用。S3C2410外设接口非常丰富,包括3个16C550工业标准UART、高速IIC总线接口和2个SPI接口。它还具有4个具备PWM功能的定时器

8、,实时时钟和看门狗,PWM单元(4路输出,144个通用I/O口。同时外围集成了LCD控制器(支持STN和TFT、NAND Flash控制器、SDRAM控制器等系统管理单元,8个10bit精度ADC和触摸屏控制器(内置切换MOS管,USB主机/USB设备,SD/MMC卡控制器,PLL数字锁相环。通过这一系列完整的系统外围设备,大大减少了整个系统的成本,消除了为系统配置额外器件的需要。 图3控制系统硬件结构系统的硬件逻辑框图如图3所示:整个硬件系统以S3C2410为核心,在功能上可以分为电机驱动控制模块、电磁阀驱动控制模块、小键盘输入模块、数据采集模块、LCD显示模块、微型打印机模块、U盘存储模块

9、、网络接口模块。在硬件设计中,充分利用S3C2410丰富的内部集成资源来扩展各个功能模块。选择7个GPIO口控制驱动电路来实现对电机、电磁阀驱动控制;选择8个GPIO口来扩展4×4小键盘,实现控制命令和参数的输入;扩展12位并行A/D转换芯片AD1674采集压力传感器传送的压力值;利用内部自带的LCD控制器驱动4位灰度级、320×240分辨率的STN型LCD显示屏,为用户提供操作界面;通过标准RS232串口扩展微型打印机,通过USB控制器扩展USB HOST接口,为系统提供打印、存储数据功能;利用总线扩展网卡芯片DM9000给系统提供网络接口,方便系统调试和仪器测量数据的网

10、络共享。其中电机、电磁阀驱动控制模块和数据采集处理模块是整个测量部分的核心,用于实现血液流变测试仪的主要功能,其他模块为系统提供了强大的附加功能。5. 软件系统设计本软件系统采用交叉编译调试方式,PC使用RedHat Linux9.0操作系统,ARM板使用arm-linux操作系统,GUI软件使用MiniGUI,PC机上的交叉编译调试工具使用armv4l-unknown-linux工具链。设计内容包括上层的图形用户界面程序开发以及和底层硬件系统相关的软件设计。5.1 用户级软件设计本软件系统的结构图如图4所示。 图4软件系统结构图四个功能模块分别为:粘度测量、设备维护、记录处理和参数设置。考虑

11、到操作的方便,设计为9个功能界面:主界面、全血测量界面、血浆测量界面、设备清洗界面、设备排样界面、设备浸泡界面、记录处理界面、参数设置界面和设备检查界面。主程序从MiniGUIMain入口,加载用户参数数据(即读取用户参数文件param.ini中的参数值,并创建一个主窗口,然后返回。只有当用户按键操作引发消息后,才进入主窗口回调函数进行消息处理。主程序流程图如图5。 图5主程序流程图5.2 与底层系统相关的软件设计与底层系统相关的软件设计包括系统定时机制、小键盘输入、硬件驱动接口、U盘转存等。在MiniGUI中,应用程序可以调用SetTimer函数创建定时器,但无法保证精确的定时响应7,因此本

12、系统取消了MiniGUI内部的定时器线程,采用Linux操作系统的setitimer 系统调用,自行处理SIGALARM信号实现系统的精确定时机制。小键盘是本系统唯一的输入设备,为了减少系统的硬件相关性和提高可移植性,MiniGUI提供了统一的输入抽象层(Input Abstract Layer ,IAL接口来支持不同的输入设备,减小了开发输入设备的难度。MiniGUI对键盘输入的处理方式如图6所示。键盘设备驱动程序从键盘接收原始的输入事件和数据,并把它转换为MiniGUI抽象的键盘事件和数据。相关的底层时间处理例程把这些键盘事件转换为上层的击键消息,放到相应的消息队列中。应用程序通过消息循环

13、获取这些消息,交由窗口过程处理。键盘图6 MiniGUI中的键盘输入硬件驱动接口包括A/D转换驱动接口和电机电磁阀驱动接口。本软件采样方式为每隔(采样时间/50秒就连续采集25个压力值。因此每隔(采样时间/50秒就调用一次A/D驱动接口函数获取25个转换值。调用A/D驱动接口read函数实现,函数调用语句如下:read(adc_fd, adm, 25 * sizeof(int; 第一个参数为 A/D 设备文件描述符；第二个参数为转换结果存放空间的首地址即二维 数组 ad5025每一行元素的首地址； 第三个参数为读取的字节长度， 一次读取 25 个转换结 果，因此是 25 个 int 类型数据的

14、长度。该函数调用成功返回 1，否则返回 0。 软件对电机状态的控制通过调用电机驱动接口ioctl函数实现，函数调用语句如下： ioctl (motor_fd, 0, 0; 第一个参数为电机设备文件描述符；第二个参数是电机状态标志，0代表电机停转，1 代表正转，2代表反转；第三个参数设为0。因此上面语句代表的是电机停转语句。 软件对电磁阀的控制也是通过电磁阀驱动接口的ioctl函数实现的，函数调用语句如下： ioctl (em_fd, 22, 0; 第一个参数为电磁阀设备文件描述符；第二个参数是电磁阀状态标志，由于控制的是5 个阀，可能的状态组合有32种，故用5位二进制数表示5个阀的状态，0表示

15、开，1表示关，转 换为10进制的值即是参数值。因此上面语句代表的是让电磁阀1和4开，2、3和5关。 另外，要把文件保存到 U 盘中，必须先要把 U 盘挂载到 Linux 文件系统上，就必须在 程序中执行挂载和卸载 U 盘的程序。创建一个进程可以实现对其他程序的引用，通过系统 调用 exec 来实现。exec 函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代 调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。因此可用此方法实 现 U 盘转存功能。此外本系统还用到了串口打印机，打印操作主要通过向串口发送打印命 令（如制表、换行、汉字切换等）及数据即可实现，故不再介绍。 6.

16、 实验验证 采用重庆大学维多生物工程研究所生产的全血质控液作为全血测量标准、 血浆质控液作 为血浆测量标准进行粘度测量。质控液标准如表 1 所示。准备好质控液，设定好参数，进入 全血测量对话框（如图 7） ，选中“粘度测量”按钮开始测量。观察液体的进样、采样、排样 等操作是否正确，压力曲线绘制是否正常。进入记录处理对话框，输入刚测量的样本编号、 对应样本的血沉、压积值，可正确计算并显示所有指标结果。血浆测量方法相同。 连续 20 次对质控液进行粘度测量后，对测试结果进行准确性和重复性评价，由表 2 可 知测试结果在质控液参数范围之内，重复率在 2%以内，符合医用标准。 表1 质控标准 剪切率

17、（1/s） 200 30 1 血浆 粘度 （mpa·s） 4.8±0.1 5.9±0.2 11.8±0.5 1.56±0.1 -6- 图 7 全血测量窗口界面 表 2 粘度测量性能评价表 测试指标 全血高切粘度 全血中切粘度 全血低切粘度 血浆粘度 测试结果( x ± s 4.80 ± 0.06 5.90 ± 0.08 11.82 ± 0.11 1.56 ± 0.01 重复率(CV 1.3% 1.3% 0.93% 0.64% 7. 结论 测试结果表明，该仪器不仅使用方便、操作简单、测定快速，而且

18、测试结果准确度高， 另外仪器测试参数可以根据实际使用情况进行调整，有利于医院血液流变学检测的质量控 制，建立医院内部统一的指标评定标准。 -7- 参考文献 1 袁进,顾为望.血液流变学在临床疾病诊断、治疗中的应用.中国比较医学杂志,2007,17(7:406-409 2 董伟,秦东兴,伍瑾斐.基于血液流变学理论的血液流变仪的设计. 微计算机信息, 2006, 22(9: 170-172 3 Sangho Kim, Young I. Cho,William N. Hogenauer,Kenneth R. Kensey. A method of isolating surface tension

19、and yield stress effects in a U-shaped scanning capillary-tube viscometer using a Casson model. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 103(2002: 207-208 4 朱翔,马波,刘骥.单片微机在血液流变学中的应用.中国医学物理学杂志, 1999, 2(16: 92-93 5 魏忠, 蔡勇, 雷红卫等. 嵌入式开发详解(M. 北京: 电子工业出版社, 2003 6 Samsung Electronics. Users manual of S3C2410X 32-Bit RI

20、SC microprocessor. 2003 7 MiniGUI 编程指南. 北京飞漫软件技术有限公司. 2003.10 Design and implementation of the portable hemorheology testing apparatus based on ARM Tian Xuelong, Liu Xujuan, Chen Gui, Zou Yun College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing (400044 Abstract ARM have numerous characteristic

21、s ,such as expansile system structure, low-power, low-cost and the support for real time multitask .Applying ARM to the design of medical instruments matches the trend that medical instruments are developing towards minimization and portability.This paper applies ARM to the study of hemorheology testing apparatus, introduces a new incorp