摘　要：单片机在医用辅助器械中用途广泛，传感装置与单片机控制系统相结合可设计出满足更多需求的医用辅助器械。本文主要探究不同传感装置与单片机结合的优缺点，先从分析医用辅助器械的工作原理入手，说明传感装置的作用，再探究传感装置与单片机控制系统结合后在辅助设备领域的前景。得出在未来的医疗领域，需衍生出更智能化、精确化、多模式化的医用辅助器械。希望本文可以给未来医用辅助器械中基于单片机控制系统应用的研究提供参考价值。
关键词：单片机；传感器；医用辅助器械

0 引言

医用辅助器械是综合了医学、工科、机械、传感器技术、生物材料、计算机以及力学等多学科发展而来，可为医生提供有效帮助，有利于临床的诊断及治疗。同时，医用辅助器械是医护人员的得力助手，能够辅助医生进行精确诊断，可以提供科学的治疗方案，并帮助患者康复和完成日常护理。由于其技术及受用群体的复杂性，此类设备的灵活性、可靠性、安全性、实用性和稳定性都比一般器械要求高。
单片机体积小、控制力大、抗干扰力强且具有微型性，其在自动化控制系统中的应用能有效提升整体系统的性能。起初广泛应用于普通的仪器仪表中，结合不同类型传感器来满足不同使用需求。近
些年来，单片机在医用辅助设备中的用途非常广泛。除了在病人监护和手术中的应用外，还可用于健康分析等方面，给人们提供准确健康报告，为身体健康保驾护航。本文重点分析国内医用辅助器械在单片机控制系统中的应用，为进一步优化单片机与传感器相结合的医用辅助系统研发提供参考价值。

1 基于压力传感系统的装置设计及研究

压力传感器主要是将压力转换为电信号，与单片机结合能更有效的控制力度的大小，提供平稳的压力值。刘记辰等设计的超声探头助力装置、余世准等设计的医用氧气袋充气报警保护装置和严捷设计的眼部压迫止血装置，都采用单片机控制系统与压力传感装置结合，来实现一定的功能。

1.1 一种医用超声探头手柄助力器的设计

超声探头手柄助力器是首次采用单片机控制步进电机系统作为助力装置引入到超声探头检测的装置，在超声检测时，超声技师需靠手腕部施力来采集清晰完整的图像，该装置的助力系统可减轻手腕长期施力而损伤，解决了因手部按压探头力度的不均匀导致超声成像不清楚、有伪影等问题。装置共有两个HX711 压力传感模块分别安装在超声探头手柄部位和探头与探头夹之间，前者将信号传递给51 单片机处理，并控制进步电机完成运动；后者将压力信号经模数转换后传送到单片机内部，实现探头压力恒定。当超过预设最大值时，在探头处的传感器能检测出此刻的数值，将信号快速传送给单片机，蜂鸣器警报。该助力器的体积小、灵敏度高、易上手使用、有保护装置，但可靠性和实用性还有待提高。

1.2 医用氧气袋充气报警保护装置的设计

氧气袋充气保护装置可在充满氧气后报警提示、及时关闭充气通路，解决了医疗人力资源紧张问题，避免氧气袋因气体过多、压力过大而损坏，确保在快速转运与抢救过程中氧气的及时供应。采用XGZP6857020KPG 型气体压力传感器装置来测量压力，可随时检测充气路径的压力水平，以输出适当的电压值；STC12C4052AD 型单片机来检测压力传感器的输出信号，监测充气开关信号，将开启信号发送给电磁阀驱动器。在临床实验中，氧气袋的损坏率明显降低，证明该设备的可靠性和实用性。且易上手操作，携带方便，可广泛应用于不同厂家生产的氧气袋。在转运患者以及急救车上进行抢救工作时，有着不可磨灭的功劳。

1.3 基于AVR 单片机的眼部压迫止血装置的设计

在眼部手术结束后，该装置可替代人工手动按压止血，灵敏地提供稳定的压力，安全地止血于相应部位，避免患者因按压部位不当或力度不精准而感到不适。其核心控制板为ATmega16A 单片机，传感装置为压阻式压力传感器。医护人员输入信号，单片机输出控制信号并指导微型气泵完成相符动作，符合要求的气体充入；同时，压力模块将采集的信号反馈到单片机，单片机根据数值来调整微型气泵的动作，并把相符合的数值通过显示屏显示，便于医护工作者观察。压阻式传感器的精度高，可达到所需压力值，不会给眼部带来伤害。结构上，选用整片式气囊眼罩，易与眼部紧密结合，避免遗漏压迫止血的盲区。病人可以根据自己的生理状况来调节压力大小，提高自己的舒适感，这是该装置最大的优势。

2 基于温度传感系统的装置设计及研究

温度传感器可根据需要选择合适的温度和维持时间，通过单片机输出信号，智能、精准地控制温度。张志刚等对腹腔灌注热化疗仪的优化设计和阮宏宇等设计的医用恒温冲洗泵，采用不同类型的温度传感器来达到温差偏小的目的，满足在不同手术状态下所需不同温度的条件。

2.1 基于UC/OS-II 的腹腔灌注热化疗仪的优化设计

张志刚等人为了简化腹腔灌注热化疗仪的电路、降低成本、提高安全性，将UC/OS-II 操作系统移植到单片机上实现软件功能。选用80C552 单片机控制温度系统，可控硅的开关由光电耦合器控制。温度监测和控制是本系统的核心，所以选用高分辨率、转换时间短的DS18B20 数字温度传感器，方便检测不同点的温值；建立了不同安全系数的报警装置，各模块之间协调运行。该优化设计提高了腹腔灌注热化疗仪器的自动化和智能化，温差控制也较为精准，外围电路结构相对简单，降低了仪器的成本。在一系列临床测试中，改进后的装置取得了预期效果，其稳定性、实用性和安全性明显提高，获得好评。

2.2 医用恒温冲洗泵系统的设计

阮宏宇等研制出一种基于PID 算法的、ATMEGA32 单片机作为主控制器的恒温冲洗装置，该系统的单片机具有脉冲宽度调制的功能，其寄存器可控制液体流量的大小；温度传感器为Pt100 的恒
温冲洗泵系统。附着在加热板上的传感器连接温控器，通过传感器测量出加热板的温度，单片机可读取温度或设置加热板的数值。该系统流量的误差较大，但能够满足手术要求；选用的薄加热板，虽抗干扰能力弱，但从一个稳态到另一个稳态的时间间隔短，更适于该系统。经过测试，系统从启动到冲出流量和温度均符合要求的液体并进入稳态，这一过程时长较短，具有理论研究和临床实践价值。

3 基于光电传感系统的装置设计及研究

光电传感器将输入电流转换成光信号射出，接收器再根据接收的光信号强度检测目标，多与单片机系统结合用于报警装置。避免传统输液时出现因换药不及时，空气进入静脉，引起回血甚至是空气栓塞，给病人造成痛苦的问题，欧祖常研制出医用点滴输液报警器、袁境男设计出红外传感器测量液位报警装置。此外，骆铮研发的医用尿量检测系统和杨池等研究的温控医用灌注泵报警技术在一定意义上也减少了医疗事故的发生。

3.1 医用点滴输液报警器的研制

医用点滴输液报警器是一个减轻医务人员负担的辅助装置，系统采用STC11L01 贴片单片机作为处理器，光电开关（光电三极管）来记录药液的滴数，利用多软件处理方法实现双重提示报警。当液滴通过时，根据光的折射原理，光线不通过原始路径，电路不通；反之，电路导通。当残液少于6mL 时，单片机将信号传送到报警系统、蜂鸣器响起以提醒陪护人员或医护工作者。本系统集成了光电和单片机技术，精准地实现输入、显示、报警等多种功能。在临床实践中，可用于不同体积的液瓶，减少医务人员的工作量。然而，系统存在容易受环境背景光影响的问题，不能应用于硝普钠等易发生光化降解的药物。

3.2 红外传感器测量液位报警装置的设计

袁境男成功研制出红外传感器和SPCE061A 单片机系统相结合的测量液位报警装置，可无接触测量药液高度。其原理简单：主要利用光的折射定律，放在输液管两侧的红外发光二极管和光敏二极管能确定流下的药滴滴数，确定液面的高度，当达到预测值时进行报警。显示屏会显示液体剩余量、报警点、监测状态等过程。装置体积小，便于携带和拆装，可与不同药物配套使用，既减少了医护人员的工作量，又将患者输液时存在的安全问题降到了最低。但电路会延迟，水滴的计数会存在误差，且下落的水滴中可能会有气泡，会导致实际体积小于理论值。

3.3 医用尿量检测系统的设计

医用尿量检测系统是以STC89C52 型单片机为主，光敏电阻为感应器的一套检测系统[8]。当液体高度超过二极管所在的水平面时，根据光的折射原理，光线在液面处偏转，不会照在光敏电阻上，导致光敏电阻阻值变大。测得的电压输入比较器，比较后传感器的电压将变成高低电平，输送到单片机中进行处理，从而得到容器中的液体量。单片机会将判断出的液体位置显示在显示屏上，便于医护人员随时观察病人情况。集尿器已满时，病人按下按键，报警铃响，提醒医护人员及时处理。其突出特点是制作了光照补偿电路，在黑暗中也可以采集；选用的光敏电阻为性价比高的传感系统。其在临床中得到了医务人员的认可，能及时提醒医护人员更换尿袋，同时显示病人的排尿情况。但还存在不足：缺少上下位机，不能将采集的数据传送到医护操作的终端界面。

3.4 温控医用灌注泵报警技术研究

杨池等[9]基于原有的温控医用灌注泵进行优化，由传感器、Atmega128 单片机及其他硬件组成了四项报警装置，主要说明其中三项的原理。水温过冷或过热报警，通过温度变送器将pt100 温度传感器的电阻信号转换成电压信号，经模数转换后得到数字信号。当温度超出阈值时，报警器报警。加热板温度过高报警是通过出水口处的温度传感器反馈的信号，调节加热板的温度。单片机读取PID 控制器的SV 值获得温度值，当加热板的温度值超出阈值时停止加热，报警系统启动。水压过大报警系统的传感器为FS2050 压力传感器，在运行过程中，单片机将压力传感器信号经模数转换为压力值，压力值超出阈值报警系统工作。经过严格的实验验证，上述的四个报警功能可靠性和实用性极高，可弥补原有装置的不足，但装置还在试验阶段，但有望成为有力的辅助装置进入临床应用。

4 基于加速度传感系统的装置设计及研究

加速度传感器是将感受的加速度转换成可用的输出信号的传感器。单片机进行信号处理，加速度传感装置采集信号，二者结合常用于防摔倒类装置和可穿戴或便携式的设备中。该部分主要介绍了一款监测睡眠质量的设备、测量心率的戒指和便携式定位追踪器。

4.1 基于多信号融合的睡眠监测设备的研究

王霞和韩嘉伟设计了一种睡眠监测设备，由STM32 单片机进行信号处理，ADXL345 加速度传感器来采集腕动信号，光电传感器采集心率和血氧饱和度的信号。根据相应的睡眠算法来标定睡眠状况，判断睡眠质量，从而达到睡眠监测的目的。设备与市面上的智能手环不同，其结合了心率和腕动信号，能更精确的监测睡眠质量，也可监测短时间睡眠（午睡）；可参考更多的睡眠分期和睡眠质量的指标，提高准确率。

4.2 一款心率戒指的设计

杨风健等基于光电测量法设计了一种可以检测心率的可穿戴装置，主要由STM32F103C8T6 主控制器电路、MPU6050 加速度传感器电路、光电传感器与信号调理电路等组成。首先，单片机内置A/D 转换模块将存储的PPG 数据和加速度传感器的数据进行傅里叶转换, 可得到运动干扰的信号频率；其次，在PPG 采样信号谱中找到第一和第二谱峰，经计算后可得出心率。该装置具有实用性，能采集手指上的PPG 信号并算出心率，每6 秒更新一次数值，使用者可实时监测自己的心率。但装置在剧烈运动时，数值会失真；且其体积与普通戒指相比较大，应减少内部结构的体积。

4.3 一种医用便携式定位追踪装置设计

刘翠梅等设计了一种适合在家康复的老人携带的定位追踪装置，由主控器STC12C5A60S2、GPS模块、GSM 模块和NMA7260 三维加速度传感器模块等组成。装置具有三种功能，主要说明其摔倒提示功能。原理如下：微处理器处理传感器采集到的数据，得出携带者此时的状态。装置保证了老龄患者的安全，若老人摔倒，其报警系统和通信系统能快速做出响应，让老人及时得到救助；也间接减轻了监护人及医护人员的负担，且具有耗能低、费用低、可靠性强等特点。

5 不同传感系统与单片机装置结合的对比分析

5.1 压力传感装置的对比

通过对比眼部压迫止血装置、超声探头手柄助力器这两种装置可以得出：压阻式压力传感器适用于采集高精度信号的装置，其动态响应好，微型化；HX711 压力传感器模块易使用、效率高，适于安装精度相对较低的装置。而氧气袋充气保护装置使用的气体压力传感器模块易安装，可根据需求设置输出信号。

5.2 温度传感装置的对比

基于UC/OS-II 的腹腔灌注热化疗仪和医用恒温冲洗泵系统，均采用了温度传感器以达到对温度的精准检测。DS18B20 数字温度传感器的分辨率高，转换时间短，适用于狭小空间设备的测温，但编程较难；PT100 温度传感器使用简单、易替换，但测温范围小，精度低。

5.3 光电传感装置的对比

医用点滴输液报警器、红外传感器测量液位报警装置、医用尿量检测报警系统都针对液体进行报警，但所选用的传感装置及型号不同。点滴输液报警选用光电三极管，利用液体对光束的遮挡或反射，判断液体的有无。红外传感器则是通过测量落液滴的滴数，来确定液位的高度。因尿液是有颜色的，所以尿量检测系统选用光敏电阻，在通过有色液体后，光敏电阻能依据光强做出相应的改变。从整体上来看，基于光电三极管的报警装置能够满足日常需求，但有药物需避光或黑暗环境中使用或有些液体带有颜色，这时可采用红外传感器的报警装置。

5.4 加速度传感装置对比

多信号融合的睡眠监测设备和心率戒指都采用ADXL345 加速度传感器，这是一款小巧、低成本、低功耗的三轴加速度传感器，自身集成了信号调理、滤波的功能，能精准输出信号。医用便携式定位追踪装置采用NMA7260 高灵敏度加速度传感器，其三个轴对应人行走时的三个方向的加速度，融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，适合测量人行走时的信号。

5.5 不同型号的单片机对比

以上装置采用不同的单片机控制系统。传统的51 单片机具有易编程、耐用、成本低、体积小且灵活度较高等特点；但速度慢，适用于低功耗的场所。而8051 的新型单片机STC12C5A60S2，弥补了传统51 单片机的缺点，其具有双串口，速度快、抗干扰能力强等特点。16 位高性能的SPCE061A 型单片机系统，能快速处理复杂的数字信号、易调试且性价比高。STM32 型单片机有多种通信接口且具有较强的信号处理能力。具有高性能、速度快、低功耗的AVR 单片机，在编程语言上与其他型号有所差别，如Atmega128单片机不能直接处理红外传感器采集、转换后的电信号，需转换成标准的TTL 电信号。

6 医用辅助器械在医疗行业的展望

随着计算机、微电子技术、材料科学、生物工程以及医工结合领域的迅猛发展，不同类型的传感器将会与更多不同的单片机系统结合，进行优化和创新，甚至采用多模式融合的形式。
（1）智能化。在简单的辅助报警装置中，单片机与传感器结合的系统虽满足了监测和报警的需求，但智能化程度还有待提高。可通过减少人工操作的步骤，结合上位机智能化提供服务，在最大程度上减轻医护人员的工作负担。
（2）精确化。在一些高精尖的医用辅助器械中，需选用高精度传感装置和高性能、传输速度快的单片机，尽可能降低误差，降低因机械误差导致医疗事故的发生率。
（3）多模式。目前医疗辅助器械的核心部件仍只有这几种单片机系统，希望发展出更多种类的单片机和不同类型的传感装置，这样才能紧跟未来医疗领域的发展。传感装置的种类众多，可满足现有需求，但可尝试将多种功能结合到一个传感模块，以便节约空间。
医疗辅助器械技术涉及不同专业领域，其硬件和软件需要与时俱进、不断优化和完善。想要完全替代人工操作，需要很长的研究历程来不断提高系统的准确性、可靠性和精确性。本文探究了传感器与单片机系统结合的优势，分析了单片机控制系统在医疗辅助器械领域的主要应用，希望可以给未来医用辅助器械系统的研究提供一定的参考。