胃肠功能障碍是常见的消化系统疾病和病理生理状态，发病机制复杂，随着当今生活节奏加快，发病率快速上升[1]。典型胃肠功能障碍疾病胃轻瘫的特征为在无胃流出通道机械性梗阻的情况下胃排空延迟，表现出恶心、呕吐、腹胀及上腹部疼痛等一系列症状[2],极大降低生活质量且需要住院治疗，甚至可能引起胃反流误吸等严重并发症[3]。胃肠功能障碍临床诊断常用患者问询、胃容受性测试和胃排空测定等方式，但上述方式均难以长期实时量化胃肠状态，操作难度大成本高、满意度较低[4]。

测压技术的发展为胃肠动力障碍的临床诊治提供了新的思路，胃肠道压力检测方式安全、简便、无创、客观，可准确获取和反映胃肠道腔内基础压力及其变化的频率、幅度、动力指数等，从而全面评价胃肠道运动功能、分析胃肠功能障碍的病理生理机制，诊断患者病情并针对性治疗[5]。

目前胃肠道压力监测多用于对食管、小肠和直肠等消化道壁的接触式测压，如水灌注测压系统通过灌注水，从胃肠导管的侧孔流出与消化道壁接触，水作为媒介将消化道壁的压力变化传递给测压系统的压力感受装置，从而间接得出侧孔位置的消化道压力[6]。固态测压系统在导管内设置电子元件，测试消化道肌肉收缩舒张过程压迫导管的压力，从而计算消化道压力[7]。但上述接触式测压不易测试气压，也存在污染消化道环境的风险，尤其难以测试的高敏感、大容积胃内环境气压，即胃内压。

为测试胃内压，临床的人工测试方法是通过胃管注入定量生理盐水，提起胃管近端根据液面高度计算胃内压，但测压结果不准确且增加胃内负担。赵晓赟等人将胃管连接至多通道采集分析系统的各只压力传感器，用配套分析软件测试并分析各通道的胃内压数据值[8],但此方式需要专用仪器配套测压，成本较高且难以实现长期压力监测和临床普及。黄标研制了胃肠道遥测系统测试胃内压等消化道参数，通过将封装高精度微型传感器的遥测胶囊置于胃肠道中，在体外无线遥感确定胶囊位置信息并测试数据，得到胃内压数值[9],但此方法所需遥测胶囊和配套仪器成本过高，且胶囊在消化道内运动，难以实现固定位置的长期稳定按需测压。

为解决上述问题，提出了一种球囊导管远端气压反馈测试系统，通过无菌球囊导管将测压球囊置于待测气体环境，压力传感器在单片机的控制下实现对测压球囊的气压测试[10],根据测压球囊远端气压反馈特性，实现对环境气压的测试、存储和分析，用于胃内等不适于传感器长期直接接通的高敏感远距离气体环境的气压测试，测压设备只连接测压球囊气路，与待测环境隔离，避免测压设备和待测环境彼此污染，球囊导管可长期在体内留置，且造价低便于更换，允许临床上长期测试和广泛应用。

1、系统总体原理设计

球囊导管远端气压反馈测试系统由球囊导管、STM32单片机和XGZP6847D压力传感器模块等部分构成，测压原理如下：根据实际测压需求安装球囊导管，令远端的测压球囊置于待测气体环境内，充入定量气体以启动测压球囊，可感应环境气压变化；XGZP6847D压力传感器模块和STM32单片机构成的近端气压测试系统连接测压球囊接口，实现测压球囊内部气压的采集和处理，其中，XGZP6847D压力传感器模块测试测压球囊内部气压，产生一个经过校准和温度补偿后的标准数字信号，STM32单片机实时读取传感器模块采集的数据信号，并根据测压球囊气压反馈规律计算得到环境气压的测量值，各项数据在液晶显示屏(LCD)上实时显示并在MicroSD卡中长期存储，系统总体结构设计如图1所示。

图1 系统总体结构设计

本文系统在避免传感器直接接入胃内以防止传感器污染及胃反流误吸等危险的同时，允许医护人员掌握患者胃内实时状态和分析胃内压变化趋势，及时采取针对性治疗方案；此外，医护人员可根据治疗需求设置气压上限，当环境气压超过气压上限后蜂鸣器发出警报，提醒医护人员及时采取措施，避免胃反流误吸等胃内压突变的紧急情况。

2、系统主要模块设计

2.1 球囊导管

球囊导管通过鼻饲或插管等方式置入患者胃内等需要测试气压的环境，整体长度根据实际需求选用；球囊导管内径贯通，可密封和开启，用于注入药物和水分或调节环境气压；球囊导管管壁内部设置毛细管道，连接远端管壁外侧硅胶材质的测压球囊。在非测压状态下，球囊内部无气体，球囊紧贴于管壁，以避免球囊导管安装和放置的过程中对环境造成影响；在需要测压时，通过近端的测压球囊接口充入气体启动测压球囊，测压球囊弹性良好，在外部环境不同气压作用下会产生规律性的形变，从而使测压球囊内部气压呈现规律性的变化特性，因此可以通过将压力传感器模块连接测压球囊接口，对测压球囊进行气压监测，通过测压球囊气压反馈特性计算得到测压球囊外部环境气压的变化，从而实现远端气压反馈测试。

2.2 压力传感器模块

压力采集端使用XGZP6847D压力传感器模块，用于气体压力的测试，测压范围为-40～40 kPa, 工作电压范围为2.5～5.5 V,符合测压球囊气压变化的要求。XGZP6847D压力传感器模块采用类DIP封装形式，PCB板的两面分别安装有SOP封装的压力传感器与信号处理电路芯片，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿，以供电电压为参考，产生一个经过校准、温度补偿后的标准数字信号[11]。

2.3 控制器模块

选用内核为Cortex—M4的STM32F407ZGT6单片机作为测压系统的控制中心，具有1 M的FLASH,可以实现对信号的精确采集和存储[12]。

2.4 系统软件设计

测压程序设计采用C语言，通过主程序调用的方式执行子程序，完成延迟函数、串口、存储通道、XGZP6847D、LCD等初始化配置，实现串口通信、显示屏显示、气压采集和计算等功能。气压采集和计算功能可实现多只XGZP6847D压力传感器通过I2C通信同时采集球囊和环境气压数据并在校准和补偿后输出24 bit压力数据AD值；设置公式根据球囊气压计算环境气压测量值；设置频率确定每秒采样数量；各项参数在LCD屏上实时显示，并实时存储在SD卡中，供后续分析和处理。

3、系统测压实验

为测试球囊导管远端气压反馈测试系统可行性，搭建模拟实验平台，对测压系统进行静态气压标定和动态测压实验，标定测压球囊气压反馈特性并验证测压系统气压测试的可行性及测量精度。

3.1 模拟实验平台搭建

测压系统的原理为通过球囊导管远端气压反馈测试环境气压，因此，实验平台设置密封容器模拟胃部等气体环境，安装球囊导管反馈气压，安装压力源等设备使气体环境压力可自由调节。STM32单片机控制2只相同的压力传感器模块同时测试密封容器内部气压和测压球囊内部气压，通过静态气压标定完成测压球囊气压反馈特性的标定，通过动态测压实验对比根据测压球囊反馈特性换算得到环境气压测量值与直接测试的实际值，分析远端气压反馈测试系统的测压精度，验证其可行性。

为搭建实验平台，使用2 000 mL刚性玻璃瓶作为密封容器，瓶盖引出4个通气口A、B、C、D供球囊导管、测压系统和气压源安装和连接，其中通气口A连接球囊导管，选用的型号为医用一次性使用无菌长期双腔硅胶导尿管，测压球囊最大容积为30 mL,通气口B连接压力传感器1,直接测试密封容器内部的环境气压，通气口C、D连接气压源，可通过注入和释放气体改变密封容器内部气压；球囊导管的测压球囊接口连接压力传感器2,测试测压球囊内部气压，模拟实验平台各部分间的连接使用乳胶管、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)硬管和聚丙烯(polypropylene, PP)三通接头等连接件及弹簧箍、止水夹等紧固件以保证连接处紧密。SD卡中存储的数据包括直接测试的环境气压实际值、测压球囊气压值、根据测压球囊气压值换算的环境气压测量值和数据采集的时间。模拟实验平台各部分如图2所示。

图2 模拟实验平台各部分实物

在进行静态气压标定前，为验证2只压力传感器测试气压数据的一致性，将压力传感器1和传感器2接入密封容器，使2只传感器同时测试相同的环境气压，在持续测压的同时缓慢抽气，降低环境气压，随机选取不同时间下2只传感器对比数据，如表1所示。

表1 2只传感器对比数据

处理数据得，2只压力传感器测压数据差值为0.02±0.004 kPa, 相对误差小于1 %,可认定为不同压力传感器个体差异导致，结果表明2只压力传感器所测数据相同，可在此基础上进行后续气压测试。

3.2 静态气压标定

为标定测压球囊气压反馈环境气压的特性，进行静态气压标定，具体操作如下：按模拟实验平台设计连接测压系统线路，在测压球囊未启动的情况下，向密封容器中加压达到某一初始气压值，静置1 min使环境气压稳定后，使用注射器向测压球囊注入10 mL空气启动测压球囊以测压，静置1 min以保证测压球囊仅受环境气压作用，记录环境气压与球囊气压数据，重复相同操作记录多组数据以避免偶然性误差；后续不断改变密封容器内部初始气压，以相同操作启动测压球囊测试不同初始气压下的测压球囊反馈环境气压的特性；根据临床使用需求，胃内压极端条件下最大值可达4 kPa[8],因此设置测压系统量程为0～6 kPa, 静态气压标定的初始压力覆盖系统量程，选定为-0.5～8.5 kPa; 为保证数据一致性且避免偶然性误差，选择测压球囊启动后30 s内环境气压和球囊气压测试数据平均值，得到初始环境气压在-0.5～8.5 kPa范围内的环境气压与球囊气压静态气压标定数据，如表2所示。

根据数据生成环境气压与球囊气压的散点图并构建辅助直线，生成静态气压标定数据图，如图3所示，可知在同等启动条件下，测压球囊气压与静态环境气压呈现线性关系，经拟合，球囊气压y与环境气压x的反馈特性直线方程为：y=1.030x+19.836 4,拟合方程与实测值的误差在±0.05 kPa范围内，因此可以得到结论，相同条件下测压球囊反馈外部环境气压遵循线性函数关系，与初始气压无关。

表2 静态气压标定数据

图3 静态气压标定数据

3.3 动态测压实验

为验证测压系统远端气压反馈得到的环境气压测量值可靠度，计算响应时间和测量误差等参数，进行动态测压实验，具体操作如下：按模拟实验平台设计连接测压系统线路，向密封容器中加压达到某一初始气压值后，使用注射器以相同操作向测压球囊注入10 mL空气启动测压球囊，2只压力传感器分别测试环境气压和球囊气压，根据静态气压标定得到的球囊远端气压反馈特性公式，代入球囊气压的测量值，得到环境气压测量值。根据静态气压标定的初始环境气压范围确定动态测压实验的气压波动范围为-0.5～8.5 kPa, 且初始环境气压在4.0～5.0 kPa内，气压源在迅速充入气体并释放气体以生成压力峰值的同时，持续缓慢释放气体以逐渐减低环境气压，从而实现全量程的动态测压实验。为计算测量值和实际值的响应时间，避免实际值和测量值的采集时间重合，选用2台STM32F407ZGT6单片机以不同的数据采集频率对测压球囊气压和环境气压进行测试。由于测压球囊存在缓慢恢复原态的趋势，在长时间测压过程中，对球囊气压以测压时间为自变量引入线性时间补偿，得到最终的测量值。截取100 s内环境气压实际值和测量值生成动态测压对照数据曲线，如图4所示。

图4 动态测压对照数据曲线

如图4可知，环境气压的测量值与实际值曲线一致性较高，证明系统能够满足测压需求，为进一步计算测压系统响应速度及测试精度，取2条曲线在压力变化达到极值的时间和对应的气压数据，计算响应时间和绝对误差，部分动态测压数据如表3所示。

表3 动态测压数据

处理表3中数据，对实际值和测量值分别达到极值的时间点，即实际值时间和测量值时间作差得到响应时间，经分析，实际值时间均小于测量值时间，说明球囊气压变化是由实际气压变化后反馈得到，最大响应时间为0.155 s, 平均响应时间为0.060 s, 可以认为测试系统能够实现响应时间在200 ms之内的实时测试；对实际值和测量值的极值差取绝对值得到绝对误差，经分析，环境气压实际值在0～9 kPa范围内时，测压系统绝对误差的最大值为0.107 kPa, 平均值为0.038 kPa, 可以认为测压系统能够实现绝对误差在0.15 kPa以下的精确压力测试。综上得到结论：测压系统可实时精确测压，响应时间在200 ms之内，绝对误差在0.15 kPa以下。

4、结束语

本文针对人体胃部等难以直接放置压力传感器的特定高敏感远距离气体环境的气压测试需求，设计出一种球囊导管远端气压反馈测试系统，系统通过球囊导管将测压球囊置于远端的待测气体环境内，监测测压球囊内部气压，根据测压球囊受环境气压反馈特性计算环境气压，为验证测压系统性能，搭建模拟实验平台进行静态气压标定和动态测压实验，验证了双压力传感器的气压测试精度，完成了对测压球囊的反馈特性标定和动态测压精度测试，结果表明该系统能够满足气压测试要求，响应时间在200 ms之内，绝对误差在0.15 kPa以下。该系统采用无菌球囊导管远端气压反馈测试方式，可避免对测压环境产生刺激和污染，球囊导管标准化生产，成本低可更换，允许长期使用和广泛应用，STM32测压模块小巧便携、操作简单，可应用于类似测压需求的医疗护理和实际工程等场景中。

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基金资助:中央高校基本科研业务费项目(DUT22YG214);

文章来源:叶旭时,王东,耿欢欢,等.球囊导管远端气压反馈测试系统设计与实验[J].传感器与微系统,2024,43(11):94-98.