本文關(guān)鍵詞：一種新型醫(yī)用水刀電控系統(tǒng)的研制

  更多相關(guān)文章： 水射流技術(shù) 控制系統(tǒng) 恒壓控制 人機(jī)界面

【摘要】：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(shí)現(xiàn)微創(chuàng)的外科手術(shù)設(shè)備。1982年噴射水射流技術(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(diǎn)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)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(dú)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(shí)現(xiàn)特定的功能。本次設(shè)計(jì)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IO端口,且這64個IO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。 在本文的第二章,對控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì),明確了控制系統(tǒng)要實(shí)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(yùn)行參數(shù),同時在界面上也可以實(shí)時顯示設(shè)備的運(yùn)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(yùn)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/停控制。 4)壓力信號的檢測及報(bào)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(shí)時監(jiān)控,在設(shè)備壓力不正常的情況下及時做出報(bào)警提醒。 5)實(shí)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(shí)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(jì)方式,設(shè)計(jì)了獨(dú)立的醫(yī)用泵自動脫合結(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。 文中第三章對控制系統(tǒng)的每個模塊的設(shè)計(jì)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(jì)、自動脫合系統(tǒng)設(shè)計(jì)、負(fù)壓吸引系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)。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(jì)時在信號采集電路中加入了有源濾波電路,經(jīng)測試濾波效果良好。報(bào)警模塊設(shè)計(jì)時采用聲光報(bào)警模式,如果啟動報(bào)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。 文中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阅苁欠窳己茫?、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,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(yùn)行時的壓力波動,且設(shè)備運(yùn)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(shí)驗(yàn)效果。 文中第五章根據(jù)所研制設(shè)備的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù),并且可以實(shí)時觀測設(shè)備的運(yùn)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、所選擇的人機(jī)界面是否滿足所設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài),以及方便修改設(shè)備控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)；3、所選擇的人機(jī)界面是否具有很高的性價比。 文中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(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)共用時15分鐘,其中切割時間為6分鐘,整個實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,充分發(fā)揮了水刀的選擇性切割特點(diǎn)。通過多次對豬肝臟血管及膽管剝離實(shí)驗(yàn),有效證明了本文所設(shè)計(jì)的醫(yī)用水刀的可行性及實(shí)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(shí)用的手術(shù)工具。 文中第七章對本文進(jìn)了總結(jié)并對后續(xù)的研究提了以下幾個建議： 1)優(yōu)化單向閥的結(jié)構(gòu),以便獲得更好的水流控制效果； 2)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(jì)進(jìn)行改進(jìn),使更換一次性部件時更加方便快捷： 3)醫(yī)用泵采用醫(yī)用塑料開模加工一次成型,以便做到接觸工作用水的部分一次性使用,便于進(jìn)行無菌化操作和密封,減輕整機(jī)重量。 本文研制的醫(yī)用水刀清創(chuàng)設(shè)備相對于前兩代原理樣機(jī),不管在機(jī)械結(jié)構(gòu)上還是控制方法上都做了很大改進(jìn)。本課題的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下三個方面： 1)研制了一種新型水刀清創(chuàng)設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕,且采用了無菌化的設(shè)計(jì)方案。 2)在控制方面,運(yùn)用了基于相位式的控制方法,使設(shè)備運(yùn)行時壓力波動降到最低。 3)使用模塊化設(shè)計(jì)理念,能快速定位故障位置,方便排除故障。
【關(guān)鍵詞】：水射流技術(shù) 控制系統(tǒng) 恒壓控制 人機(jī)界面
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R318.6
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 清創(chuàng)設(shè)備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2 醫(yī)用水刀的工作原理及臨床應(yīng)用18-21
• 1.2.1 醫(yī)用水刀的工作原理18-19
• 1.2.2 醫(yī)用水刀的臨床醫(yī)用19-21
• 1.3 課題的研究目的和意義21-22
• 1.4 課題的主要研究內(nèi)容22-23
• 第二章 醫(yī)用水刀控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)23-27
• 2.1 控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)23-24
• 2.2 醫(yī)用水刀加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)24-25
• 2.3 設(shè)備的操作流程25-26
• 2.4 本章小結(jié)26-27
• 第三章 醫(yī)用水刀控制系統(tǒng)的研究27-45
• 3.1 單片機(jī)的選擇27-28
• 3.2 壓力信號和光電信號的采集及處理28-38
• 3.2.1 壓力傳感器的選擇28-30
• 3.2.2 壓力信號采集及處理30-33
• 3.2.3 光電傳感器的選擇33-35
• 3.2.4 光電傳感器信號采集及處理35-37
• 3.2.5 放大電路中的干擾和噪聲及其抑制措施37-38
• 3.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)38-40
• 3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理38-39
• 3.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇39
• 3.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)39-40
• 3.4 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)40-42
• 3.5 自動脫合系統(tǒng)設(shè)計(jì)42
• 3.6 負(fù)壓吸引系統(tǒng)設(shè)計(jì)42-44
• 3.6.1 負(fù)壓吸引器的選擇43
• 3.6.2 負(fù)壓吸引器控制電路設(shè)計(jì)43-44
• 3.7 本章小結(jié)44-45
• 第四章 影響壓力恒定的因素分析及解決辦法探討45-55
• 4.1 影響壓力恒定的因素分析45-47
• 4.2 蓄能器的應(yīng)用47-48
• 4.3 基于相位式控制方法的應(yīng)用48-50
• 4.4 基于相位式控制方法的軟件設(shè)計(jì)50-54
• 4.5 本章小結(jié)54-55
• 第五章 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)55-67
• 5.1 人機(jī)界面簡介55
• 5.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則55-56
• 5.3 醫(yī)用水刀的人機(jī)界面設(shè)計(jì)56-63
• 5.3.1 人機(jī)交互界面的選型56-58
• 5.3.2 SKWorkshop與單片機(jī)的連接方式58-59
• 5.3.3 Modbus通訊協(xié)議簡介59-61
• 5.3.4 操作界面設(shè)計(jì)61-63
• 5.4 通訊程序設(shè)計(jì)63-66
• 5.5 本章小結(jié)66-67
• 第六章 實(shí)驗(yàn)研究67-73
• 6.1 新型醫(yī)用水刀參數(shù)簡介67-68
• 6.2 切割豬肝實(shí)驗(yàn)68-72
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備68-69
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>69
• 6.2.3 實(shí)驗(yàn)過程69-72
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析72
• 6.4 本章小結(jié)72-73
• 第七章 全文總結(jié)與展望73-75
• 7.1 全文總結(jié)73-74
• 7.2 后續(xù)工作建議74-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 附錄Ⅰ79-91
• 附錄Ⅱ91-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果92-93
• 致謝93-94

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 管維,向松濤;水刀在泌尿外科手術(shù)中的應(yīng)用[J];國外醫(yī)學(xué).泌尿系統(tǒng)分冊;2003年03期

2 鄒麗娟;;淺談紅外光電傳感器的工作原理及應(yīng)用[J];科技信息;2010年23期

3 王海蘭,陸劍波;采用蓄能器吸收壓力脈動的回路配置與分析[J];流體傳動與控制;2004年02期

4 鄒勁林;袁琦文;邊壯;;水刀在治療膽道結(jié)石中的應(yīng)用[J];實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志;2011年10期

5 王宏,尹紹雅,姚鑫,張延銘,焦德讓;水刀在神經(jīng)外科應(yīng)用的初步體會[J];中國現(xiàn)代神經(jīng)疾病雜志;2004年05期

6 馬保金,蔡端,王鐵平;水刀在肝血管瘤切除術(shù)中的應(yīng)用[J];中華肝膽外科雜志;2004年09期

7 魏革,劉慧,蔡佩霞;螺旋水刀在腦腫瘤切除術(shù)的應(yīng)用及配合[J];中國微侵襲神經(jīng)外科雜志;2005年07期

8 羅新;耿薔;王曉玉;沈媛;;螺旋水刀在子宮頸癌盆腔淋巴清掃術(shù)中的應(yīng)用[J];中華婦產(chǎn)科雜志;2006年07期

，

本文編號：1103002