（生物医学工程专业论文）足底动静脉脉冲系统的设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r o m b o c m b o l i cd i s e a s e si nr e c e n ty e a r sa st h ew o r l d sf i r s tc o m m o nc a u s 器o f m o n a l i t y ，n o wm a l l l 【i n di sf a c c dw i t ht h ee n o 瑚o u sc h a l l e n g ct h m m b o e m b o l i cd i s e a s e a l o n gw i t ht l l er 印i dd e v e l o p m e n t0 fv a s c i l l a rs u r g e r ya l l dav 盯i e t yo fp r o f c s s i o n a l s k i l l sd i n i c sa p p l i e dt h ed e t e c t i o no fd e e pv e n o u st l l m m b o s i sm t e 黟a d u a l l yb e c o m e m o r ca i l d p e r i p h e r a lv 鹤c i i l a r d i s e 鹤e 勰ad i s e a s e ，m u l t i p l e o n c ct h ct h m m b u s f b 姗a t i o n ，衄e nc a u s i n gs 砸o u sc o n s e q u e n c c s ，n o t t r c a t m 蛐t ，p r e v e n t i o nf b c i i s e d 9 0 v e m a n c e d e e pv e i nt h m m b o s i sc 柚t a l 【ep h y s j c a lf o 咖，m e t h o do rc o m b i n a t i o no f t h e s et w om e t h o d so fd m gp r e v e m i o n a ss i m p l ed m gu s ep r e v 吼t i o n ，t h e r ca r em a n y n a w si l lt h i sc o n t e x t ，m e c h a n i c a lp c 帕p l ef a v o ro fp r c v e n t i v em e a s u r e sh a v e b e e n g r a d u a l l yb e c o m eah o tr c s e a r c h 柚d 印p l i c a t i o n 1 1 1 i s p a p e r d e s c 抽e st h ed e s i 争o ft h e s y s t e m s j m u l a t i o n p u l s ep l a i l t a r a n e r i o v e n o u sb l o o dc i r c u l a t i o ni nt h el e g sw h e np e o p l ew a l kp h y s i o l o 百c a lp r o c e s s ，a n d p 删n o t eb l o o df l o w i i lv i e wo ft h cl o w e re x t r c i n i t j e so fp a t i e n t sc a nn o tw a l ko nf 0 0 t a n e r i o v c n o u si n t e 珊i t t e n tc o m p r c s s i o nt of c d u c cv e n o u ss t a s i s c 姐e 疵c t i v e l yp r c v e n t t h ef o m a t i o no fd e e pv e i nt i l m m b o s i s ，f e d u c i n gt h er j s ko ft h f o m b o s i s 姐di t s c o m p l i c a t i o n s t 1 l i sp a p e rf o c l l s e so nt h ep l a n t a ra r t e r i o v e n o u sp u l s eo fl l a r d w a r ca n d s o n w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n a c c o f d j n gt ot h el o w e re x t r c m i t yv e n o u sn o w t y p i c a lp h y s i o l o 舀c a lv a l u e s ，t h eh a r d w a r cd e s i g np r i i l c j p l ea n dt h em a i nc i r c u i td e s i g n m e t h o d1 _ 1 l ep r i n c i p l eo fp u l s ep r e s s u r cc o n t r o lm e t h o d s c o m p l e t i n gt h cp r o t o t y p e d e s i g na n de x p c r i m e n t ，a n di n i t i a l l yo o m p l e t e d t h eu p g r a d i n gw o r k s y s t e mi sm a i n i yc o m p o s e do fc o n t r o l l e ra i l d i n n a t a b l ec u s h i o n s s i n 出ec h i p c o n t m l l e ri st h em a i nc o n t r o l l c f p u l s e st h ea i rq u i c k l yi n t oi n n a t a b l ec u s h i o n s e a c h e 侬斌i v ep n e u m a t i cc o m p r e s s i o n ，t h ec o n t r o l l e rw i l la u t o m “c a l l yi m l a t a b i ec u s h i o n a g a i l lf r o mt h ea i r t h ec o n t m l l e ri n c l u d e sa i rc o m p r e s s o r sg a s h o l d e r ，s o l e n o i dv a l v e ， p o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h en l a i np a n e l sa n dd i s p l a y m a i np a n e l si n c i u d ed a t aa c q u i s i t i o n ， d a t am e m o 啪m a i l m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ep 0 1 i c e ，r e g i l l a t o r s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r l a c e ，w a t c h d o g ，s o l e n o i dv a i v ec o n t r 0 1c i r c u i tm o d u l e s 1 oe n a b l es y s t e m si nt h e c o m p l e xe n v i r o n m e n to fp r o l o n g e ds t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e mu s i n g i i 山东大学硕士学位论文 d e c o u p l i l l gc i i c u i t ，叩t o i s o l a t e d ，w a t c h d o g 柚do t l l e r 柚t i i n t e 疵r c n c c m e a s l l r e s e x p e r i m e n t ss h o w t l i a tt h ed e s i g no ft h i sp 印e ri sc o r r e d 柚dr c a s o n a b l e w i n lt h ed e v e l o p m e n to fe l c c t m n i ct e c h l l o l o g y t h ep e r f o 咖柚c co fm a c h i n e s 柚d t h c 翻e n d l y 蚰t u r cb e c o m eah i g l l e rd e m 柚d t h eu p 铲a d i n go ft h em a i np 柚d so ft h e m a i ni m p r o v e m e n t s 3 2 - b i te m b e d d e dc o n t r 0 i l c ri nt h em a i nc o m m l p a i l e lf o rc o n t r o l l i n g s 3 c 糊b oc h i pu c o s - f o rr c a l t i l l l e 叩c f a t i n gs y s t 锄s 1 1 l em i nd a 协a c q u i s i t i m o d u l e ，m o d u l et o u c hs c r e c n 叩e f a t i o l i ，c o l o ru dd i s p l a ym o d u i e 砧a mm o d u l e c i r c u i 协锄d 卸t o m a t i cd a t as t o r a g e r 1 d si n c r e 硒e du s eo ft h es y s t e ms t a b i l i t y 孤dt h e c o 盯c s p o n d i n gr c a l t i l i l e t o u c hs c r c e n s ，c o l o rl c d 扰dg f a p h 妇lu s c rh l t e 响c c ( g u d h 勰g r e a t l ye i l i l 柚c c dt h c 惦eo ft h ei n t e r a c t i v cn a t u f co f 伍e n d s h i p ，e a s i l yo p e r a b l e k e y w o i _ d s ：d 、叩；a vp u m p ；a r m ；u c ，o s - l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：薹隆 日 期：丝业绍盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：莲陲导师签名：盘室趣日期：筵坚壁幽 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究意义 根据世界卫生组织2 0 0 1 年的报告，血栓疾病为全球总死亡率的第一位常见原 因。血栓形成是导致心、脑和外周血管事件的最后关键环节，是致残致死的直接 原因，没有血栓就没有心脑血管事件。现在全人类正面临着血栓栓塞性疾病的巨 大挑战，迫切需要应用科学的指南来指导血栓栓塞性疾病的诊断和治疗。血栓疾 病分为动脉粥样硬化基础上形成的动脉血栓栓塞、心房颤动合并附壁血栓的栓塞 并发症以及静脉血栓栓塞症导致的器官组织缺血和或坏死。血栓栓塞性疾病涉及 各学科领域，如心血管内科、神经内科、血液科、呼吸科、肿瘤科、肾内科、血 管外科、骨科、妇产科、麻醉科、心血管外科、神经外科、普外科等。 静脉血栓是人类“无声的杀手”。据统计约8 0 的深静脉血栓是“沉默”的、 无临床表现的；7 0 9 6 以上的肺栓塞是在死亡后发现的，故静脉血栓疾病是人类“无 声的杀手”。据美国胸科医师协会报道，在美国，仅静脉血栓栓塞性疾病就是排 在第三位的常见血管疾病，发病率仅次于冠心病和高血压，年新发病例约为2 0 万 人，其发病率相当于脑卒中。在西方国家，深静脉血栓和肺栓塞的年发病率分别 约为l 和o 5 。在中国，静脉血栓栓塞症同样也是常见病、多发病，而且其发 病率呈迅速上升趋势。2 0 世纪6 0 年代前后，在国内深静脉血栓( d e e p v e i n t h r o m b o s i s d v t ) 形成被视为少见病；8 0 年代以来，国内血管外科专业得到迅速 发展，伴随着多种诊疗技术的推广应用，d v t 的检出率逐趋增多，并成为周围血 管疾病中的常见病、多发病【“。 深静脉血栓形成和肺栓塞是一个疾病的两个方面，近来，人们倾向于将两者 合称为静脉血栓栓塞( v t e ) 【2 1 。静脉血栓栓塞性疾病是一种复杂的血管疾病，临床 上可并发两种疾病：第一种是深静脉血栓形成( d v t ) ，d v t 通常发生在腓肠肌内深 静脉，可向上蔓延；第二种是较为严重的疾病，即肺栓塞( p e ) ，实质上它是位于 深静脉近端血栓的一种并发症。临床上近5 0 的d v t 患者可发生p e ，但是，由于 d v t 和p e 均无特异的l 临床表现，诊断困难，因而常导致诊断和治疗的延误。如在 美国，每年漏诊的v t e 多达2 6 万例，因而造成每年约5 万人死于急性肺栓塞，其 原因是与突然发生急性肺栓塞、未及时诊断和有效治疗有关。为此，1 9 9 9 年美国 胸科学会发表了“急性静脉血栓栓塞症的诊断程序一临床实践指南”p j 。 山东大学硕士学位论文 d v t 发生率很高且症状严重。患者会出现水肿、疼痛、静脉闭塞等症状，当d v t 脱落随血流运动而堵塞在肺动脉便形成肺血栓栓塞症( p t e ) ，危及患者生命。肺栓 塞是肢体静脉血栓形成的严重并发症，其与p t e 是一个疾病在不同部位、不同阶 段的表现。血管损伤、静脉淤滞、凝血物改变是深静脉血栓发生的3 大因素。欧 美国家大量的临床流行病学研究资料表明，d v t 发生的风险人群特征一般随年龄的 增加而增大，秋冬季节发生率更高。深静脉血栓形成在下肢最为常见，尤其在下 肢损伤或手术后，其发生率高达2 8 3 0 ，多发生于腓肠肌静脉丛；虽然造成 患肢水肿、疼痛等症状较少，但约有o 5 2 o 的患者会发生致命性肺栓塞， 从而成为患者早期死亡的一个重要原因1 4 j 。 目前国内，在心肌梗死、脑梗死等以动脉粥样硬化为基础的动脉血栓塞性疾 病的防治工作上，由于各种药物和介入治疗开展的较为广泛，大家对此类疾病的 认识相对比较成熟。但在静脉血栓栓塞性疾病，尤其是在其发病率较高的骨科， 目前的认识及受重视程度远低于国外，而且，因为8 0 9 6 深静脉血栓栓塞性疾病是无 症状的，所以许多骨科大手术后由于对深静脉血栓形成缺少必要的防治措施，少 数造成致死性肺栓塞而导致患者死亡。据世界卫生组织统计，深静脉血栓常出现 在下肢骨科大手术后，约8 0 的深静脉血栓发病前期没有明显症状，但当血栓栓子 脱落引起肺栓塞后，患者死亡率极高。在美国，9 6 的外科医生都同意在术中、术 后广泛使用各种措施预防静脉血栓，而在国内尚未广泛开展，其原因主要有： 1 ) 常将术后深静脉血栓当作一般的术后反应，以为发生率低，而未加以重视。 2 ) 担心应用抗栓药物引起的出血等副作用，但抗凝的益处却很难直接感知。 3 ) 以为抗栓预防性治疗会增加患者的医疗费用，却很少考虑发生深静脉血栓 和肺栓塞所需要的额外费用。 4 ) 对深静脉血栓和肺栓塞所带来的危害认识不足p j 。 尽管经过充分溶栓、抗凝等治疗，但仍有部分病人虽然症状好转，但每当站 立或活动较长时间后，下肢又会出现肿胀，尤其以踝部较为明显。时间长，尚会 出现下肢浅静咏曲张、小腿皮肤色素沉着等症状，称之为血栓后综合症。由于采 用肝素等抗凝药物，预防性抗血栓治疗在达到治疗目的的同时，本身也会造成如 出血、血肿等1 67 】相应并发症。因此，目前国外虽然广为应用，但对其利是否大于 弊尚有争议。况且在规范化的预防性抗凝治疗下，仍有约l 3 的患者发生d v t 。 2 山东大学硕士学位论文 因此，血栓栓塞疾病的防治需要全方位立体化措施，重要的是要建立以“防”为 主和多学科交叉的观念。在此背景下，机械性预防措施逐渐受到人们青睐并成为 研究与应用的热点。 总之，对d v t 目前尚缺乏行之有效的治疗方法，选择有效、简便的预防方法 就显得尤为重要。从报道看，英国已经有相应产品，并且在欧美、日本等国家已 有很好的市场。日本代理商k o b a y a s h i 公司的销售额已从1 9 9 7 年销售9 8 台提升 到2 0 0 2 年的月销售8 0 台。国内尚没有看到类似产品的报道。国外产品已经在我 国上市，但由于价格等因素尚未得到广泛推广。本系统是通过对足底动静脉间歇 加压来模仿人行走时腿部血液循环的生理作用，从而预防下肢深静脉栓塞的装置。 作为一种无创性治疗方式，能简单、安全、有效地加快患者肢体功能恢复，减少 并发症及缩短住院时间。 1 2 深静脉血栓形成的病理生理 1 9 世纪中期，v i r c h o w 提出静脉血栓形成的三大因素，即静脉血流滞缓、静 脉壁损伤和血液高凝状态。近年来，通过大量临床与实验观察，不仅使各因素有 了具体内容，而且可用检测方法予以证实。但在上述三种因素中，任何一个单一 因素往往都不足以致病，必须是各种因素的组合，尤其是血流缓慢和高凝状态， 才可能引起血栓形成。 深静脉血栓形成是指血液在深静脉内不正常地凝结，属静脉回流障碍性疾病。 好发于下肢，多见于产后，盆腔术后，外伤及长期卧床的患者，主要表现为患肢 肿胀，疼痛。血栓脱落可致肺栓塞，危及生命，是肺栓塞的栓子主要来源。根据 下肢深静脉血栓栓塞的部位可分为小腿和近端深静脉血栓，位于胭静脉内或以上 部位的血栓称为近端深静脉血栓。肺血栓栓塞症是指来自静脉系统或右心的血栓 阻塞肺动脉或其分支所致的疾病，通常所称肺栓塞指肺血栓栓塞症。深静脉血栓 和肺血栓栓塞症为静脉血栓栓塞症的两种类型，二者总称为静脉血栓栓塞症，是 同一疾病病程的两个不同阶段。 静脉血流状态：当血流缓慢或瘀滞时，局部组织因缺氧和细胞代谢障碍可使 局部凝血酶聚集及纤维蛋白溶解活性下降，而致使局部静脉血栓形成i 踟。 血管壁的损伤：正常血管内膜是血小板凝集的生理屏障，其内膜细胞合成的 前列腺素( p g i ：) 有扩张血管和血小板凝集的功能，当血管壁损伤时，抗栓现象就会 3 山东大学硕士学位论文 逆转1 8 i o 高凝状态：血液组成成分的改变而使患者机体处于高凝状态是深静脉血栓形 成的一个主要原因。高凝状态分遗传性和获得性两种，遗传性高凝状态包括先天 性抗凝血酶一i 缺乏症、蛋白一s 、蛋白一c 缺乏症等，但对比后天获得性高凝状态来 讲遗传性高凝状态只是少见的致病因素，后天获得性高凝状态除与手术刺激有关 外，还与患者的自身因素及合并的疾病状态有关【9 1 。 静脉血栓形成的病理变化，主要是由于血液高凝状态和血流滞缓而发生血栓， 血栓与管壁一般仅有轻度粘连，容易脱落，可引起肺栓塞。激发炎症反应后，血 栓与血管壁粘连也可较紧密。按照血栓的组成，静脉血栓有三种类型： 1 ) 红血栓。最为常见，组成比较均匀，血小板和白细胞散在性分布在红细胞 和纤维素的胶状块内。 2 ) 白血栓。基本由纤维素、白细胞和成层的血小板组成，只有极少量红细胞。 3 ) 混合血栓。由白血栓组成头部，板层状的红血栓和白血栓构成体部、红血 栓或板层状的血栓构成尾部。静脉血栓形成引起静脉回流障碍，其程度取决于受 累血管的大小和部位，以及血栓的范围和性质。阻塞远端静脉压升高，毛细血管 瘀血，内皮细胞缺氧，使毛细血管渗透性增加，阻塞远端肢体出现肿胀。深静脉 压升高及静脉回流障碍，使交通支静脉扩张开放，阻塞远端血流经交通支而入浅 静脉，出现浅静脉扩张。血栓可沿静脉血流方向向近心端蔓近，小腿血栓可继续 伸延到下腔静脉，甚至对侧。当血栓完全阻塞静脉主干后，血栓还可逆行向远端 伸延。血栓可脱落，随血流经右心，栓塞于肺动脉，而并发肺栓塞。另一方面血 栓可以机化、再管化和再内膜化，使静脉管腔能恢复一定程度的通畅。因管腔受 纤维组织收缩作用影响，以及瓣膜本身的破坏，可致静脉瓣膜功能不全。 静脉粗大，压力低，流速慢，剪切应力低，不易导致血小板激活。静脉血栓 的形成不同于动脉血栓，局部血流淤滞在血栓形成中起重要作用，血管损伤多为 诱因；血栓形成过程主要为血小板参与下的凝血酶形成，血小板不是血栓主要成 分，相应的治疗也应以抗凝血酶为主。深静脉血栓形成的主要危害是破碎、脱落 引起急性肺栓塞，大块血栓脱落可至病人立即死亡，反复小块脱落可导致慢性血 栓栓塞性肺动脉高压的形成。诊断深静脉血栓形成者肺灌注扫描5 0 左右发现有肺 栓塞，有症状的肺栓塞7 0 伴有无症状的深静脉血栓形成。另外，由于血栓机化引 4 山东大学硕士学位论文 起静脉瓣膜功能不全或持续梗阻的结果，血栓后综合征非常常见，长期随访发生 率，近端血栓在半数以上，小腿血栓占三分之一。常见症状为腿肿、小腿疼痛， 少见皮肤溃疡，静脉性跛行等，影响工作和生活质量【1 0 】。 下肢静脉血栓形成可累及浅静脉、小腿深静脉和近端深静脉，不同部位的血 栓有着明显的不同表现。浅静脉血栓多为良性，但偶可延伸至深静脉；小腿深静 脉血栓与近端者比较，血栓体积较小，多无症状，常可完全自溶，但向近端延伸 可致命。大的深静脉血栓很少能完全自溶，单纯肝素抗凝能完全溶解者不足1 0 ， 是形成急性肺栓塞的主要栓子来源。深静脉血栓形成经常从小腿开始，当深静脉 血栓形成引起症状时，超过8 0 9 6 已经累及到胭静脉甚至更高位置( 近端深静脉血栓 形成) 。孤立的小腿深静脉血栓形成大约有2 0 9 6 发病一周内延伸累及近端静脉，小 腿深静脉血栓形成7 引起肺栓塞，而近端者却常发生【1 0 1 。 1 3 深静脉血栓形成的诊断与治疗 深静脉血栓形成对人体健康危害极大，及时发现和治疗都有赖于对疾病状态 的早期发现和正确诊断。特殊的检查手段有助于深静脉血栓的诊断，但有利有弊， 需结合检查综合分析，才能达到临床准确诊断的目的。d v t 的临床经过往往比较隐 匿，大约8 0 9 6 的深静脉血栓形成病例无临床症状，尤其远端者。有时深静脉血栓形 成的第一个临床表现就是肺栓塞。患肢肿胀不适感，两下肢粗细不等，沿静脉血 管疼痛与压痛，慢性者可出现浅静脉曲张、皮肤营养障碍和慢性水肿。深静脉血 栓形成的诊断手段有加压超声成像( c o m p r e s s i o nu l t r a s o n o g r a p h y ) 、静脉造影 ( v e n o g r a p h y ) 和阻抗体积描记法( i 叩e d a n c ep l e t h y s 脚o g r a p h y ) 。 1 ) 静脉造影为最准确的检查方法，能使静脉直接显像，可有效地判断有无 血栓，能确定血栓的大小、位置、形态及侧支循环情况。后期行逆行造影，还可 了解静脉瓣膜功能情况。静脉造影是诊断深静脉血栓形成及了解血栓范围、程度 最可靠的方法，也是其他检查方法优劣的对比依据，诊断的准确率在9 0 以上，但 该检查是一种创伤性操作，费用高贵，有造影剂过敏等不良反应且不宜重复检查， 因此作为常规的检查方法在临床上受到很大的局限1 1 11 2 】。 2 ) 超声波检查利用多普勒效应，将探头置于较大静脉的体表，可闻及或描 记静脉血流音，如该部无血流音，可说明静脉栓塞。应用新型显像仪，还可直接 观察静脉直径及腔内情况，可了解栓塞的大小及其所在部位。准确性明显高于阻 山东大学硕士学位论文 抗体积描记法，而且为无创检查，应为首选。 3 ) 电阻抗体积描记检查采用各种容积描记仪，测定气囊带阻断股静脉回流 后小腿容积增加程度，以及去除阻断后小腿容积减少速率，从而可判断下肢静脉 通畅度，以确定有无静脉血栓形成。 治疗的目的不仅在于预防血栓栓塞事件和血栓复发，还要平衡其带来的风险， 即出血危险性。常用的治疗方法有： 1 ) 肝素和低分子肝素治疗深静脉血栓形成的治疗着眼于调节凝血活性和预 防静脉淤积两方面。一旦深静脉血栓形成的诊断成立，连续静脉肝素或皮下低分 子肝素每日l 2 次，持续约1 周( 5 1 0 日) ，若病人没有异常出血，在开始肝素 治疗后的2 4 4 8 小时内口服华法令3 m g 开始，调整剂量至i n r 2 0 3 0 应用至少 3 个月，和分级加压长袜是深静脉血栓形成标准的治疗方法1 1 31 4 1 。 2 ) 直接凝血酶抑制剂直接凝血酶抑制剂( 水蛭素及其衍生物) 在预防和治疗 深静脉血栓形成方面优于普通肝素，尤其存在肝素诱发的血小板减少时可选择应 用。水蛭素1 5 m g 每1 2 小时，皮下注射7 1 0 天。 3 ) 溶栓疗法由于抗凝的疗效肯定，和溶栓带来的出血风险，术后深静脉血 栓形成很少采用溶栓治疗。据一项随机试验，溶栓疗法可能降低血栓后综合征带 来的问题，目前溶栓只限于广泛的髂股静脉血栓病人【1 5 1 6 l 。尿激酶2 0 0 万u ，半小 时静脉滴注。 4 ) 腔静脉滤网应用腔静脉滤网的目的在于预防其远端的血栓脱落发生肺栓 塞，本身不能治疗深静脉血栓，并可能加重d v t 。腔静脉滤网的潜在适应症为抗凝 禁忌( 如抗凝导致严重出血) 或抗凝失败的患者。因此不推荐腔静脉滤网作为深 静脉血栓形成的治疗措施【“。 5 ) 切开取栓术手术切开取栓一度被建议用于发生7 日以内的近端深静脉血 栓形成，然而术后复发率非常高。尚无足够的随机试验证实其疗效和安全性，因 此其应用目前仅限于巨大静脉血栓伴肢体缺血者【1 5 “。 1 4 深静脉血栓形成的预防 血栓一旦形成，往往造成严重后果，因此防重于治。对于深静脉血栓形成的 预防，低分子肝素至少与普通肝素一样有效，应用起来更方便，无须监测1 1 8 l 。理 论上，作为手术的一级预防，最好术前丌始用药。欧洲的试验多于术f i f 丌始，而 山东大学硕士学位论文 北美多于术后1 2 2 4 小时开始应用，主要是担忧术中出血可能增加，预防血栓的 效果以欧洲的试验更好【堋。可以采取物理、药物方法或两者联合预防深静脉血栓 的形成。 机械性疗法分级弹力袜、下肢功能锻炼器、足底静脉泵及下肢间断气体加 压装置等方法的使用，无药物的不良反应，且经济方便易被患者接受，这些方法 能有效的加速下肢静脉回流，改善局部组织代谢的内环境，增加内源性纤维蛋白 溶解活性，能有效减少下肢深静脉血栓的总体发病率 药物疗法口服抗凝药、抗血小板药物及右旋糖酐等用于深静脉血栓的预防 性治疗，虽然有不同程度的抗栓疗效但疗效不肯定且有出血倾向等不良反应而不 作常规使用，用于药物预防性治疗的药物多为肝素制剂。 1 5 本文的主要工作 模仿人行走时腿部血液循环的生理作用，设计一种动静脉泵，作为一种深静 脉血栓的无创性治疗方式。该泵对于因创伤、手术或各种病理情况而需制动或部 分制动的病人，使用该泵，能显著地增加腿部血液循环。能简单、安全、有效地 加快患者肢体功能恢复，减少并发症及缩短住院时间。 ” 第一步以单片机8 9 s 5 2 为主控芯片，完成样机的制作。系统主要由控制器和 充气垫组成。控制器通过控制空气脉冲使充气垫迅速充气膨胀。每次有效的充气 加压后，控制器再自动地将充气垫中的空气排出。控制器主要包括依次连接的空 气压缩机、储气罐、空气过滤器、三通电磁阀、电源模块、散热模块、主控制板 和显示屏。主控制板主要包括数据采集、数据存储、人机接口、报警、稳压电路、 串口、看门狗、电磁阀驱动等模块。 第二步完成样机升级工作。主控制板以嵌入式3 2 位控制器s 3 c 4 4 b o 为主控 芯片，u c o s 一为实时操作系统( r t 0 s ) 。主要实现了数据采集模块、触摸屏操作 模块、彩色l c d 显示模块、e 2 p r o m 存储模块和自动报警模块。r t 0 s 的使用增加了 系统的稳定性和相应的实时性。触摸屏、彩色l c d 和图形用户界面( g u i ) 的使用大 大提高了人机交互的友好性。 7 山东大学硕士学位论文 第二章生理学基础 2 1 足底静脉丛理论 g a r d n e r 等1 1 9 】于1 9 8 3 年首次提出，人的足底静脉丛类似一个强有力的生理性血 泵，被喻为人的第二心脏。人在行走或负重时，足底静脉丛中的血液被猛烈排挤， 回流入下肢深静脉，其产生的血流具有较强的搏动性，由此生成的压力足以克服 因小腿动脉膨胀而产生的高达1 3 3 k p a 压力。仅靠这种力量就足以在不需要任何 肌肉收缩协助情况下，使人在站立位时将血液从足部回流至右心房。手掌和手背 也有类似泵压机制。1 9 9 0 年l a v e r i c k 等【驯首次报告模仿上述生理过程制作的动静 脉泵可使帽静脉血流流速提高2 5 0 ，有效地降低了深静脉血栓的发生率。此后， 动静脉泵的临床效用逐渐得到认可，并在欧美受到广泛关注。 2 2 模仿负重的原理 图2 1 负重时血液l 圃流 高压气泵，给病人足底迅速充气加压，伸展足弓，使足底静脉丛中的血液瞬 间排空，这个过程完全模仿了人体在j 下常行走时排空足底静脉丛的机理。通过对 足底静脉周期性加压、减压的机械作用，产生搏动性的血流并加速下肢静脉血流 速度，促进淤血静脉排空，从而促进下肢血液循环，预防凝血因子的凝集及对血 管内膜的粘附。如图2 1 所示【2 ，左图为没有负重情况下，动脉压力和地球引力 使静脉充盈。右图为负重情况下，使足底血液回流。a n d r e w s 等f 2 2 】研究结果显示， 足底静脉泵的压力为5 0m m | g 时，股静脉的血流峰速度增加2 1 ，当压力是1 2 5 咖h g 和2 0 0 彻h g 时，峰速度分别增加3 2 和3 8 5 。结合人体行走时对足底周 期作用的过程，本系统治疗脉冲压力范围选为6 0 2 0 0 啪h g ，以1 0 m i i l h g 压力为单位 8 山东大学硕士学位论文 进行压力设定，充气时间控制在0 4 s 以内，周期1 2 s 5 0 s 可调，脉冲压力持续时 间为1 s 或3 s 。为了方便医生、病人的使用，设立三个典型工作模式1 3 0h m l h g 1 s ( 1 s 为持续时间，下同) ，1 3 0 哪l h g 3 s ，8 0 肌1 1 1 1 s ，周期为2 0 s 。同时根据医生的返 回意见，为提高治疗精度和仪器的使用效率，设置了定时功能。 a v 泵预防d v t 主要有两个机制： 1 ) 通过对足底动静脉从周期性加压、减压的机械作用，产生高速静脉血流， 冲刷静脉瓣膜后方，消除静脉淤滞，促进下肢血液循环，从而预防凝血因子的凝 集及对血管内膜的粘附，防止d v t 形成。 2 ) a v 泵能增加纤溶系统的活性。无论正常者或有静脉血栓的患者，使用后即 能刺激内源性纤维蛋白溶酶活性，其机制可能是由于减少了纤溶蛋白溶酶原活化 抑制因子( p a i 一1 ) ，使组织性纤维蛋白溶酶原活化素( t p a ) 的活性增加所致【4 】，作 用机理尚未完全清楚。动静脉脉冲系统的另外一个优点为显著的消肿作用。例如： 由创伤或手术导致的筋膜室压力增高和水肿，因静脉结扎或剥脱造成的术后水肿， 以及由扭伤、拉伤和运动有关的下肢损伤造成的水肿1 2 3 1 。对于因创伤、手术或各 种病理情况而需制动或部分制动的病人，使用该泵，能显著地增加腿部血液循环， 防止血栓形成。另外，动静脉泵还能通过对手部进行脉冲式挤压，提高手臂脉管 系统循环。动静脉泵使用的注意：病人在使用a v 泵后，回心血量会明显增加，加 重心脏负荷。因此，a v 泵对因回心血量增加可导致不良后果的患者应禁用，如充 血性心功能衰竭、即往患有深静脉血栓、血栓性静脉炎和肺栓塞等。另外，对于 感染和肢体反应迟钝的患者应慎用。 2 3 基本概念 2 3 1 容量血管 静脉和相应的动脉比较，数量较多，口径较粗，管壁较薄，故其容量较大， 而且扩展性较大，即较小的压力变化就可以使容积发生较大的变化。在安静状态 下，整个静脉系统容纳了全身循环血量的6 0 一7 0 。静脉的口径发生较小变化时， 静脉内容纳的血量就可发生很大的变化，而压力的变化较小。因此，静脉在血管 系统中起着血液贮存库的作用，在生理学中将动脉称为容量血管【2 4 1 。 2 3 2 静脉的可扩张性与塌陷 静脉较动脉有一明显的特点，即有较大的可扩张性。血管的可扩张性是指血 9 山东大学硕士学位论文 管壁内外的压力差( 成跨壁压) 每改变1 哪h g 时血管容积变化的百分数，可用下式 表示： d 。0 冬 ( 2 1 ) 印 式中d 为可扩张性，a 矿为血管容积的变化值，a p 为跨壁压的变化值，k 为血管 的初始容积。血管的跨壁压即血管内血液对管壁的压力和血管外组织对管壁的压 力之差。一定的跨壁压是保持血管充盈膨胀的必要条件。跨壁压减小到一定程度， 血管就不能保持充盈膨胀，即发生塌陷。静脉管壁较薄，管壁中弹性纤维和平滑 肌都较少，因此当跨壁压降低时就容易发生塌陷，此时静脉的容积也减小；当跨 壁压增大时，静脉就充盈，容积增大。 2 3 3 血流量和血流速度 单位时间内流过血管某一截面的血量称为血流量( b l o o df l o w ) ，也成容积速 度，其单位通常以m l m i n 或l m i n 来表示。血液中的一个质点在血管内移动的线速 度，称为血流速度。血液在血管内流动时，其血流速度与血流量成正比，与血管 的截面积成反比。 1 泊肃叶定律泊肃叶研究了液体在管道系统内流动的规律，指出单位时间 内液体的流量( q ) 与管道两端的压力差p 卜p 2 以及管道半径的次方成正比，与管 道的长度l 成反比，即为泊肃叶定律( p o i s e u i l l e s1 a w ) 。这些关系可用下式 表示： q k 壬( 墨一只) ( 2 2 ) 这一等式中的k 为常数。后来的研究证明它与液体的粘稠度n 有关。因此泊肃叶 定律有可写成为 q = 掣 ( 2 3 ) 2 层流和湍流血液在血管内流动的方式可分为层流和湍流两类。在层流的 情况下，液体每个质点的流动方向都一致，与血管的长轴平行：当个质点的流速 不相同，在血管轴心处流速最快，越靠近管壁，流速越慢。因此可以设想血管内 的血液有无层同轴的圆柱面构成，处于同一层的液体质点的流速相同，由轴心向 1 0 山东大学硕士学位论文 管壁，各层液体的流速依次递减，如果以箭头指示血流的方向，箭的长度表示流 速，在血管的纵剖面上个箭头的连线形成一抛物线。泊肃叶定律适用于层流的情 况。当血液的流速加快到一定程度后，会发生湍流。此时血液中各质点的流速方向 不再一致，出现漩涡。在湍流的情况下，泊肃叶定律不再适用，血流量不是与血 管两段的压力成正比，而是压力差的平方根成正比。关于湍流的形成条件， r e y n 0 1 d s 提出一个经验公式： r e 。堕 ( 2 4 ) 行 式中v 为血液在血管内的平均速度( 单位为c m s ) ，d 为管腔直径( 单位为c m ) ，p 为血液密度( 单位为g c m 3 ) n 为血液粘稠度( 单位为泊) ，r e 为r e y n 0 1 d s 数，没 有单位。一般当r e 数超过2 0 0 0 时，就可以发生湍流。由上式可知，在血流速度 快，血管口径大，血液粘稠度低的情况下，容易产生湍流。 1 1 山东大学硕士学位论文 第三章基于单片机样机的设计 3 1 系统组成与功能 本系统主要由控制器、充气软管及肢端硬底充气垫组成。图3 1 为a v 泵系统设 计的控制器部分。控制器模块负责整个系统的控制，主要包括数据采集、电磁阀 驱动、键盘设备接口、参数l c d 显示与存储等。图3 2 为系统气路连接图，l 、r 分 别代表左、右腿。气体的主要走向为：气泵向储气罐中连续充气，调整溢流阀使 储气罐中气体压力点稳定，气体经由充气阀形成空气脉冲向充气垫充气，充气加 压后，充气垫中的气体再由卸气阀泄掉，完成一次充气治疗过程。样机主要实现 以下功能： c p u ( 8 9 s 5 2 ) 图3 1 控制系统结构框图 图3 2 系统气路连接图 1 ) 实现脉冲压力即每次充气挚中的气体压力可调功能。脉冲压力调节范围： 6 0 2 0 0 f n i t l h g ，调整i 日j 隔为1 0 m m h g 。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 ) 实现充气脉冲周期和脉冲持续时间可调功能。周期设定可调范围：1 2 s 5 0 s ，分为两段，1 2 s 2 0 s 可调闯隔为2 s ；2 0 s 5 0 s 可调问隔为5 s 。充气垫中压 力持续时间可分别设定为l s 或3 s 。 3 ) 参数l c d 显示。参数主要包括：脉冲压力、周期、脉冲持续时间、运行状 态和故障提示等。 4 ) 工作模式选择功能。系统可设定为1 3 0 i i i l h g 1 s ，1 3 0 i 舯h g 3 s ，8 0 l l h g 1 s 三 种工作模式，充气脉冲周期均为2 0 s 。 5 ) 具有故障自动诊断、报警功能。能自动判断充气垫穿戴过松、过紧、充气 软管纽结堵塞、和充气软管未连接4 种情况，并报警提示。能迅速帮助用户排除 故障，确保正常使用。 6 ) 总治疗时间记忆功能。能够记录系统自开始使用时总的开机治疗时间。 7 ) 定时功能。可0 2 4 小时定时，精度l o 分钟。 3 2 硬件系统设计 3 2 1c p u 的选择与外围电路 样机采用a t 8 9 s 5 2 微处理器。a t 8 9 s 5 2 采用c m 0 s 工艺以及面向寄存器结构的单 片机。它含有8 k 字节f 1 a s h 存储器，具有2 5 6 字节的内部r a i d ；3 个1 6 位定时记数器； 3 2 个可编成程的i o 口线；6 个中断源；可编程的串行编口，还具有空闲和掉电方 式，集成度高、速度快、功耗低。e 2 p r o m 存储器选用2 4 c 0 4 ，1 2 c 串行总线。外扩 看门狗m a x 8 1 3 l 。考虑到实际的精度的需要，我们选用了a d c 0 8 0 9 ( 8 位) 实现两路 模拟量的a d 转换。其输出信号与t l 电平兼容，同单片机接口很容易，当其工作时 钟频率为6 4 0 k h z 时，完成一次转换的时间大约为1 0 0 u s 。在o 5 o p s i ( 1 p s i = 5 l7 1 5 栅h g ) 范围内，气体压力传感器输出为o 5 4 5 v 电压信号，8 位a d c 使量化 误差对应为1 2 6 舢h g ，满足系统以1 0 i i i h g 为单位进行压力设定的精度要求。设 计过程中，利用c p u 的i s p 功能，对c p u 进行在线编型2 5 2 62 7 1 。 3 2 2 液晶显示单元 液晶显示器，稳定可靠、接口简单易用、显示内容丰富、体积小、微功耗， 在嵌入式系统中作为人机界面获得了广泛的应用。液晶显示l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) ，是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽通透光线的性能制 作成的一种重要平板显示器件。它是一种被动发光器件，所谓被动发光，是指环 山东大学硕士学位论文 境越亮越清晰，在黑暗环境下加入背光才能清晰显示。 根据需要显示的内容，本系统选择金鹏公司生产的o c m 4 x 8 c 液晶显示模块。 0 c m 4 x 8 c 液晶显示模块是1 2 8 x 6 4 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图 形，具有绘图及文字画面混合显示功能。内置国标g b 2 3 1 2 码简体中文字库( 1 6 x 1 6 点阵) 、1 2 8 个字符( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m ( g d r a m ) 。可通过8 位并行及串 行两种连接方式与c p u 接口，具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。 显示r a m ，字型产生器，都包含在一个芯片里，只要一个最小的微处理器系统，就 可以方便操作模块。本系统采用8 位数据并行传输方式，传输速度快，刷新频率高 【。连线图如图3 3 所示。 图3 3l c d 接口连接图 图中v s s 为地电源，v d d 接5 v 正电源，r s t 为复位信号线，低电平有效。r s 为寄 存器选择位，高电平时选择数据寄存器，低电平选择命令寄存器。r w 为读写信号 线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。p s b 为串并模式选择位，高电平 选择并行模式。e 为使能位，高电平有效。l e d a 、l e d k 为背光灯控制引脚。 系统上电后必须对液晶模块进行相应初始化设置，约定显示格式，液晶才能 够正常显示。每个命令之l 日j 要延时一定时间再接受下一个数据。 1 初始化 1 ) r s t 控制位置为0 ，l c d 复位。2 ) 选择l c d 工作在并行8 b i t 接口，基本指令集 状态( 命令字：3