一種新型醫(yī)用水刀電控系統(tǒng)的研制.pdf

1、水射流技術(shù)又稱水刀，最早被應(yīng)用在工業(yè)上，是真正的冷切割技術(shù)。它是將普通的水經(jīng)過一系列增壓系統(tǒng)后變成高能量水流，然后通過高壓軟管把高壓水流輸送到寶石噴嘴處(φ0.1-0.35mm)，以每秒千米的速度噴射而出，這些噴射出的高速水流具有很大的動能，當(dāng)被噴射到物體表面時就會產(chǎn)生很強(qiáng)的切割力。醫(yī)用水刀和工業(yè)水刀的原理是基本相同的，是一種采用高壓水射流清創(chuàng)技術(shù)對人體組織進(jìn)行選擇性切割，并且能有效的保護(hù)血管、神經(jīng)，實現(xiàn)微創(chuàng)的外科手術(shù)設(shè)備。1982年噴

2、射水射流技術(shù)首次應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，Barter和Papachristou教授用其成功進(jìn)行了肝葉切除術(shù)。經(jīng)過幾十年來的不斷發(fā)展，水刀技術(shù)越來越成熟，如今醫(yī)用水刀已經(jīng)在頜面外科、泌尿外科、腦科、骨科、耳鼻喉科、眼科、創(chuàng)傷外科等外科領(lǐng)域獲得到了廣泛應(yīng)用。醫(yī)用水刀除了具有一般常規(guī)外科手術(shù)器械切割人體軟組織的能力，最大的特點就是具有選擇性組織分離、切割的能力，且在手術(shù)過程中不產(chǎn)生熱量，不會對組織造成熱損傷。在一些軟組織中，血管、管道、膽管以及神經(jīng)分

3、布比較密集，手術(shù)時稍有不慎，就會對病人造成更大的損傷，這就情況下就特別適合選用醫(yī)用水刀設(shè)備，其切割時噴射出的生理鹽水還可以清除切口處的細(xì)菌及殘留物，可以大大減小出血量，縮短手術(shù)時間。在現(xiàn)代社會中，地震、泥石流、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)，會造成大量的人員傷亡，所造成的創(chuàng)傷可能比較復(fù)雜，若能及時的對傷員的傷口進(jìn)行清洗，可以有效的減少其中的細(xì)菌和雜物，降低傷口感染率，這對有效地降低傷殘率和死亡率具有重要意義。
　　 本文主要對設(shè)備的電控系統(tǒng)

4、進(jìn)行研究，控制系統(tǒng)是一個設(shè)備的核心，通過它可以把一個個獨立的機(jī)械部件協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來，構(gòu)成一個有機(jī)的整體，去實現(xiàn)特定的功能。本次設(shè)計中選用了Cygnal公司的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)C8051F040作為主控制芯片。C8051F040單片機(jī)系統(tǒng)控制器采用CIP-51微控制器內(nèi)核，它與傳統(tǒng)的MCS-51指令集完全兼容，最大速度可達(dá)25MIPS，此款單片機(jī)是目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。C8051F040中具有8個8位寬的I/O端口，且這64個

5、I/O端口都可以被配置為漏極開路或推挽輸出模式，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)置。第二章，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計，明確了控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，其研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：①與人機(jī)交互界面的通信:人機(jī)交互界面直接體現(xiàn)了人與設(shè)備如何進(jìn)行信息互通，在本文研制的設(shè)備中，控制系統(tǒng)通過串口RS232與其進(jìn)行信息交互，這樣用戶可以通過界面設(shè)定合適的設(shè)備運行參數(shù)，同時在界面上也可以實時顯示設(shè)備的運行狀態(tài)。②與驅(qū)動系統(tǒng)通信:驅(qū)動系統(tǒng)由兩臺直流無刷電機(jī)和

6、與其相對配套的驅(qū)動器組成，是設(shè)備的動力來源，決定設(shè)備壓力的正常與否?？刂葡到y(tǒng)通過485總線模式與電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行通信。③腳踏開關(guān)信號的采集及處理:腳踏開關(guān)可以對運行中的設(shè)備進(jìn)行隨時的啟/?？刂?，把握手術(shù)的進(jìn)程?？刂葡到y(tǒng)需要快速的獲取開關(guān)信號，并及時把控制指令發(fā)送到驅(qū)動設(shè)備中，從而對設(shè)備進(jìn)行有效的啟/?？刂?。④壓力信號的檢測及報警控制:手術(shù)過程中，壓力的過高或者過低都是不允許的，壓力過低不能對組織進(jìn)行有效切割，過高則會對血管、淋巴管、神經(jīng)以

7、及周圍組織造成損害。這時就要求控制系統(tǒng)能對壓力信號進(jìn)行實時監(jiān)控，在設(shè)備壓力不正常的情況下及時做出報警提醒。⑤實現(xiàn)對負(fù)壓吸引系統(tǒng)的控制:手術(shù)過程中會產(chǎn)生大量的廢水和被分離的組織顆粒，如果不能及時清理，則會影響手術(shù)的視野，污染手術(shù)室的環(huán)境。這時就需要啟動負(fù)壓吸引系統(tǒng)來及時的把廢液清理到廢液箱中，來保證手術(shù)中的視野清晰以及手術(shù)室的整潔。⑥實現(xiàn)對自動脫合機(jī)構(gòu)控制:本次研制的醫(yī)用水刀清創(chuàng)設(shè)備，采用了一次性、無菌化的設(shè)計方式，設(shè)計了獨立的醫(yī)用泵自動

8、脫合結(jié)構(gòu)。每次手術(shù)后就需把所有與水接觸的零部件換掉，有些部件是在設(shè)備內(nèi)部的，每次打開外殼拆卸很不方便，這就需要一個自動脫合機(jī)構(gòu)來完成此事。第三章對控制系統(tǒng)的每個模塊的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹，主要包括以下幾個部分內(nèi)容:單片機(jī)的選擇、壓力信號的采集及處理、光電信號的采集及處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計、自動脫合系統(tǒng)設(shè)計、負(fù)壓吸引系統(tǒng)設(shè)計以及報警模塊的設(shè)計。從傳感器中采集的原始信號中伴有強(qiáng)烈的電磁干擾，會嚴(yán)重影響后續(xù)的處理。為了濾除這些干擾，設(shè)計時在信號采集電

9、路中加入了有源濾波電路，經(jīng)測試濾波效果良好。報警模塊設(shè)計時采用聲光報警模式，如果啟動報警，則蜂鳴器會發(fā)出間歇的響聲，同時安裝在設(shè)備上的紅色LED燈會不停的閃爍，以便達(dá)到提醒醫(yī)護(hù)人員的目的。第四章對影響壓力穩(wěn)定的因素進(jìn)行分析，并針對每個影響因素給出了相對的解決辦法。影響壓力恒定的主要因素有以下幾個方面:1、高壓腔內(nèi)空氣是否能排凈;2、系統(tǒng)密封性能的好壞;3、單向閥單向?qū)ㄐ阅苁欠窳己?4、驅(qū)動電機(jī)的啟動加速時間長短等。文中通過使用蓄能器，

10、調(diào)整醫(yī)用泵的進(jìn)水口和出水口角度，特別是基于相位式控制方法成功使用，有效的降低了設(shè)備運行時的壓力波動，且設(shè)備運行平穩(wěn)，工作壓力在范圍0-8.0MPa內(nèi)可調(diào)，得到了滿意的實驗效果。第五章根據(jù)所研制設(shè)備的實際情況，設(shè)計了人性化的操作界面，并使用Modbus協(xié)議成功與單片機(jī)進(jìn)行了通信。用戶可以通過人機(jī)界面設(shè)置設(shè)備的運行參數(shù)，并且可以實時觀測設(shè)備的運行狀態(tài)，以便在設(shè)備故障時能做出及時正確的處理。在人機(jī)界面選型時，主要考慮的三個問題:1、所選擇的人

11、機(jī)界面是否滿足所設(shè)計的設(shè)備的要求（功能上、尺寸上等）;2、所選擇的人機(jī)界面是否能直觀生動的顯示運行參數(shù)、運行狀態(tài)，以及方便修改設(shè)備控制系統(tǒng)的運行參數(shù);3、所選擇的人機(jī)界面是否具有很高的性價比。第六章給出了用本文所研制的醫(yī)用水刀進(jìn)行的切割實驗結(jié)果。實驗共用時15分鐘，其中切割時間為6分鐘，整個實驗過程進(jìn)行順利，切割效果明顯，在設(shè)定壓力為3Mpa時，能在完整保留血管的情況下，把豬肝組組織平整的切開，達(dá)到了預(yù)期的實驗結(jié)果，充分發(fā)揮了水刀的選擇

12、性切割特點。通過多次對豬肝臟血管及膽管剝離實驗，有效證明了本文所設(shè)計的醫(yī)用水刀的可行性及實用性。醫(yī)用水刀在某些特殊手術(shù)方面給臨床提供了一條更好的解決途徑，是一種具有潛力且實用的手術(shù)工具。第七章對本文進(jìn)了總結(jié)并對后續(xù)的研究提了以下幾個建議：⑴優(yōu)化單向閥的結(jié)構(gòu)，以便獲得更好的水流控制效果;⑵自動脫合系統(tǒng)的行程以及脫合桿的受力仍存在一些問題，希望對脫合系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，使更換一次性部件時更加方便快捷;⑶醫(yī)用泵采用醫(yī)用塑料開模加工一次成型，以