基于ARM的血液灌流系统的设计研究

    1. 引言

    血液灌流是当今公认的、最好的体外吸附疗法之一[1]，很早就被用于治疗乙醇中毒。现在，血液灌流技术广泛应用于去除血液中的低密度脂蛋白-胆固醇和内毒素等，对低密度脂蛋白-胆固醇和脂蛋白的吸附程度达到70%以上[2]。目前，高性能的血液灌流机主要由Fre-senius和Kaneka公司研制。

     2. 工作原理及过程

    血液灌流是将人体内血液借助体外循环，通过具有特异性清除血液中内源性和外源性毒物或致病物质的高分子吸附材料的过程，以达到净化血液、调整体液内微环境的平衡和稳定、缓解和治疗疾病的目的[3]。血液灌流是人体血液从前臂桡动脉或下肢足背动脉引出，进入灌流器吸附血液中的毒素，又经前臂皮下前静脉或下肢大隐静脉返回人体的过程。经过一段时间的循环后，血液便得到净化。图1为血液灌流过程示意图。

    3.  系统结构

    根据血液灌流过程的需求，可将系统划分为四个模块：中央控制、机械控制、数据操作和扩展接口。机械控制模块主要是对血泵、注射泵运行和电磁阀开闭的控制；数据操作模块主要是对人体血压值采集转换、参数输入和加载，以及参数实时显示的操作；扩展接口模块主要针对开发阶段操作系统和软件的下载、交叉编译、调试等操作，以及设备网络化和远程控制。

     3.1 中央控制器ARM芯片简介

    系统采用三星公司的S3C2410芯片作为中央控制单元。S3C2410是一款低成本、超低功耗、高性能的32位嵌入式芯片。它操作简单、功耗极低的静态设计，非常适合功耗限制严格的产品的生产。该芯片采用了ARM920T内核，具有150Hz以上的运行速度，支持5级流水线操作，包含存储器管理单元（MMU）。

     3.2  机械控制

    3.2.1 传动装置

    系统设计中采用步进电机作为泵血和注射的传动装置，步进电机用于驱动血泵，将体内血液引出体外和注射泵，并向血液中注射抗凝剂。由于体内血液引出会导致人体血压下降，为了保证血压的下降速率和幅度稳定，而且能精确控制血液的引出量，系统可选用运转平缓的三相以上的步进电机进行驱动。血液在体外循环过程中，由于其循环速度和外界环境因素的影响，血液可能会发生凝结，所以，在灌流过程中，需根据循环过程中血液的状态向血液中注入一定量的抗凝剂。注射泵能够平缓、精确地完成抗凝剂的注入。由于步进电机运行速率由用户控制，所以定时器的超时设定需从应用程序传入。脉冲的正负电平转换通过芯片内部中断实现，当同时控制血泵和注射泵时，由于同时采用的内部中断处于同一优先级，因而可能会出现竞态，尤其当两个定时器中断频率相当时，影响最为显著。代码测试表明，当两个定时器中断频率相差50倍以上时，其影响程度极小。系统设定的血泵和注射泵的运行速率范围相差60~100倍，所以，对脉冲输出精度的影响极小。