基于LPC2103的植入式心脏起搏器程控仪设计

梁召云 广东省医疗器械研究所 (广州 510500)

0 前言

植入式心脏起搏器主要用于治疗缓慢性心律失常，自1952年应用于临床以来，经过近60年的发展，已从早期的固定频率型发展到今天的可抗心动过速起搏和频率自适应的心脏起搏器。目前大部分的心脏起搏器都可通过配套的体外程控仪实现起搏参数的程控与遥测。用体外程控仪可对植入体内的心脏起搏器进行起搏模式、起搏频率、脉冲幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等参数的程控调节；还可对心脏起搏器的工作状态进行监测，将工作参数、电池容量状态、心肌阻抗、病人资料乃至心腔内心电图等，由心脏起搏器发送至体外程控仪中进行显示或打印，为医护人员提供有价值的临床参考。

1 系统工作原理与电路程序设计

1.1 系统工作原理

程控仪的主要功能是对心脏起搏器进行参数设置及信息遥测，其参数设置范围与心脏起搏器保持一致，当接收到程控指令时，则把操作人员设置好的程控参数传输给心脏起搏器，使后者按此参数进行工作。当接收到遥测指令时，则向心脏起搏器发出信息查询请求，心脏起搏器进行应答后，把当前的起搏参数、电池容量状态及病人资料等信息发送给程控仪，程控仪接收到信息、整理后，在液晶屏上显示出来，也可根据操作人员的需要把遥测信息打印出来，以供日后参考。程控仪还具备一键程控的应急功能，按下此紧急编程按钮后，即可完成心脏起搏器工作参数的重新调整，以满足临床紧急状态下的应用要求。程控仪与心脏起搏器的信息传输是通过电磁耦合的无线传输方式实现的。

1.2 系统结构

程控仪系统电路按不同的功能可分为MCU主控电路、数据发射(程控)与接收(遥测)电路、LCD液晶显示电路、键盘电路、打印电路等。其结构图如图1所示：

图 1 系统结构图

1.3 系统硬件设计

1.3.1 MCU主控电路的硬件设计

根据系统功能需要，选择集成度高、功耗低的LPC2103芯片为系统电路的主控芯片。LPC2103是基于一个支持实时仿真的16/32位ARM7微控制器,内置了宽范围的串行通信接口(范围从多个UART、SPI 和SSP到两条I2C总线)和8kB的片内SRAM、32kB的Flash程序存储器，2个32位定时器/外部事件计数器(带7路捕获和7路比较通道)，2个16 位定时器/外部事件计数器(带3路捕获和7路比较通道)，8路10位ADC，以及具有多达13个边沿或电平触发的外部中断管脚的32条高速GPIO线，可实现高达70 MHz的工作频率。其低功耗实时时钟(RTC)具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入[1]。

MCU主控电路是整个系统电路的控制中枢，肩负着响应键盘输入、输出经过编码的程控数据、接收并解码遥测数据、输出显示数据、输送数据给打印机进行打印、检测供电电压以及实现声光报警等任务。

1.3.2 数据发射与接收电路

程控仪对心脏起搏器的程控与遥测，主要由MCU主控电路与此部分电路配合完成。程控仪MCU对程控信息进行编码，对遥测信息进行解码，心脏起搏器的微处理器则对程控信息进行解码，对遥测信息进行编码。完成编码的信息经数字调制后，通过体内、体外双方的线圈进行电磁耦合实现信息的传递。程控仪数据发射与接收电路结构如图2所示。

图2 数据发射与接收电路

程控仪数据发射电路包含载波振荡发生器、载波调制器、功率放大器、LC串联谐振回路以及反馈模块等单元。程控时，程控仪MCU对程控信息进行编码，编码后的信息对数据发射电路中的载波信号进行调制，经功率放大器放大后输出到LC串联谐振回路，在有效范围内，体内的心脏起搏器接收线圈则可耦合到此信号，完成程控信息的接收。反馈模块的主要作用是稳定载波频率，确保信号传输的稳定。

程控仪数据接收电路与发射电路共用同一LC串联谐振回路，程控仪遥测时，对LC串联谐振回路的耦合信号进行检波，经带通滤波器及信号放大后，输入到程控仪MCU进行解码。

通常心脏起搏器采用钛合金作为封装外壳，经手术埋植于患者体内，信息交换过程中，信号衰减比较厉害，频率越高，衰减越厉害[2]。通过对信号衰减与数据传输效率的综合考虑，在此载波频率定为125KHz，传输数据的编码方式则采用曼彻斯特编码方式。

1.3.3 LCD液晶显示电路

系统选用OCM24064图形点阵液晶显示器作为人机交换界面，工作电压为3.3V，点阵数为240*64，控制核心芯片为T6963C，它接收来自主控MCU的指令与数据，并产生相应的时序及数据控制液晶显示屏的显示。该控制芯片自带128个内部字符，自行管理64KB显示缓冲区,与主控MCU的数据传输为8位并行数据传输方式，控制信号线只有/RD 、/WR、/CE等5个。

1.3.4 键盘电路

在程控仪面板中，按键比较多，为了提高键盘的响应速度和降低主控芯片的硬件负担，我们选用CH452芯片来构造系统的键盘电路。CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，内置64键键盘控制器，可以实现8×8矩阵键盘扫描，只需在CH452的DIG0～DIG7引脚与键盘矩阵之间串接1KΩ至10KΩ的限流电阻，即可搭建矩阵键盘[3]。而CH452与主控MCU的连接也比较简单，可选高速的4线串行接口或者经济的2线串行接口，在本系统中，选用4线串行接口方式。当确认有按键被按下时，CH452通过DOUT引脚向主控 MCU产生低电平的中断，并把相应按键代码传输给主控MCU。

1.3.5 打印电路

在心脏起搏器埋植过程中或术后随访中，程控仪对心脏起搏器的程控或遥测都是必不可少的，这些参数通过程控仪的打印机打印出来，为医生提供临床参考。受到程控仪体积的限制，在此采用微型热敏打印机，并设计了控制电路和驱动电路，它与主控MCU通过2线串口的方式进行连接，以实现打印数据及控制信号的传输。

1.4 系统软件设计

系统软件按结构与功能主要分为如下几个模块：(1)主程序：检测各个硬件电路模块是否连接完好，初始化LPC2103的特殊功能寄存器，加载LCD显示驱动程序，进入程控仪主菜单；(2)显示程序：LCD显示驱动、菜单显示、程控结果显示、遥测结果显示；(3)程控程序：对程控数据进行编码，控制发射电路，完成程控数据的发射；(4)遥测程序：接收心脏起搏器发送过来的信息，完成数据解码，送LCD进行显示；(5)打印程序：完成程控结果、遥测结果的报告打印。(6)键盘响应程序：判断被按下的键盘，调用相应的响应程序；(7)其他特殊程序：电压检测与异常情况的声光报警等。

一般情况下，在LPC2103等32位ARM芯片中，软件大多数采用C语言进行编程，并且以嵌入式系统为开发平台，以提高开发效率及软件性能[4]。在本系统设计中，大部分代码也由C语言来实现。而系统的初始化则采用汇编语言，通过汇编语言实现向量表定义、堆栈初始化、系统变量初始化、中断系统初始化、I/O初始化以及地址的重映射等。

系统的全部程序代码在ADS1.2集成开发环境中进行编写、调试、编译及连接，经EasyJTAG-H仿真后将目标代码下载到系统flash中运行。

2 结束语

本文介绍了一种植入式心脏起搏器的配套程控仪，进行了硬件电路的设计和软件程序的编写。程控与遥测信息的传输是本系统的关键技术难点，选择合适的调制方式及编码方式，是保证信号传输稳定性、可靠性的基础。而且，随着心脏起搏器等植入式装置功能的不断扩展，将会对信号传输的数据量、传输效率等提出更高的要求。

[1]广州周立功单片机发展有限公司.LPC2101/02/03使用指南.2006

[2]朱泽璟，王一枫，邬小玫，方祖祥.一种新型植入式装置无线数据传输方法[J].生物医学工程学进展，2010，31(4)187-190.

[3]南京沁恒电子有限公司.CH452中文手册.2009

[4]周立功.ARM微控制器基础与实战.北京：北京航空航天大学出版社，2009