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一种新型医用水刀电控系统的研制

作　者: 张坤亮
导　师: 张西正
学　校: 南方医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 水射流技术控制系统恒压控制人机界面
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水射流技术又称水刀,最早被应用在工业上,是真正的冷切割技术。它是将普通的水经过一系列增压系统后变成高能量水流,然后通过高压软管把高压水流输送到宝石喷嘴处(Φ0.1-0.35mm),以每秒千米的速度喷射而出,这些喷射出的高速水流具有很大的动能,当被喷射到物体表面时就会产生很强的切割力。医用水刀和工业水刀的原理是基本相同的,是一种采用高压水射流清创技术对人体组织进行选择性切割,并且能有效的保护血管、神经,实现微创的外科手术设备。1982年喷射水射流技术首次应用在医学领域,Barter和Papachristou教授用其成功进行了肝叶切除术。经过几十年来的不断发展,水刀技术越来越成熟,如今医用水刀已经在颌面外科、泌尿外科、脑科、骨科、耳鼻喉科、眼科、创伤外科等外科领域获得到了广泛应用。医用水刀除了具有一般常规外科手术器械切割人体软组织的能力,最大的特点就是具有选择性组织分离、切割的能力,且在手术过程中不产生热量,不会对组织造成热损伤。在一些软组织中,血管、管道、胆管以及神经分布比较密集,手术时稍有不慎,就会对病人造成更大的损伤,这就情况下就特别适合选用医用水刀设备,其切割时喷射出的生理盐水还可以清除切口处的细菌及残留物,可以大大减小出血量,缩短手术时间。在现代社会中,地震、泥石流、洪水等自然灾害频发,会造成大量的人员伤亡,所造成的创伤可能比较复杂,若能及时的对伤员的伤口进行清洗,可以有效的减少其中的细菌和杂物,降低伤口感染率,这对有效地降低伤残率和死亡率具有重要意义。本文主要对设备的电控系统进行研究,控制系统是一个设备的核心,通过它可以把一个个独立的机械部件协调统一起来,构成一个有机的整体,去实现特定的功能。本次设计中选用了Cygnal公司的混合信号系统级单片机C8051F040作为主控制芯片。C8051F040单片机系统控制器采用CIP-51微控制器内核,它与传统的MCS-51指令集完全兼容,最大速度可达25MIPS,此款单片机是目前8位单片机控制系统的发展方向。C8051F040中具有8个8位宽的IO端口,且这64个IO端口都可以被配置为漏极开路或推挽输出模式,用户可以根据自己的需要进行设置。在本文的第二章,对控制系统进行了整体设计,明确了控制系统要实现的功能,其研究内容主要有以下几个方面：1)与人机交互界面的通信：人机交互界面直接体现了人与设备如何进行信息互通,在本文研制的设备中,控制系统通过串口RS232与其进行信息交互,这样用户可以通过界面设定合适的设备运行参数,同时在界面上也可以实时显示设备的运行状态。2)与驱动系统通信：驱动系统由两台直流无刷电机和与其相对配套的驱动器组成,是设备的动力来源,决定设备压力的正常与否。控制系统通过485总线模式与电机驱动器进行通信。3)脚踏开关信号的采集及处理：脚踏开关可以对运行中的设备进行随时的启／停控制,把握手术的进程。控制系统需要快速的获取开关信号,并及时把控制指令发送到驱动设备中,从而对设备进行有效的启/停控制。4)压力信号的检测及报警控制：手术过程中,压力的过高或者过低都是不允许的,压力过低不能对组织进行有效切割,过高则会对血管、淋巴管、神经以及周围组织造成损害。这时就要求控制系统能对压力信号进行实时监控,在设备压力不正常的情况下及时做出报警提醒。5)实现对负压吸引系统的控制：手术过程中会产生大量的废水和被分离的组织颗粒,如果不能及时清理,则会影响手术的视野,污染手术室的环境。这时就需要启动负压吸引系统来及时的把废液清理到废液箱中,来保证手术中的视野清晰以及手术室的整洁。6)实现对自动脱合机构控制：本次研制的医用水刀清创设备,采用了一次性、无菌化的设计方式,设计了独立的医用泵自动脱合结构。每次手术后就需把所有与水接触的零部件换掉,有些部件是在设备内部的,每次打开外壳拆卸很不方便,这就需要一个自动脱合机构来完成此事。文中第三章对控制系统的每个模块的设计进行详细介绍,主要包括以下几个部分内容：单片机的选择、压力信号的采集及处理、光电信号的采集及处理、模数转换设计、自动脱合系统设计、负压吸引系统设计以及报警模块的设计。从传感器中采集的原始信号中伴有强烈的电磁干扰,会严重影响后续的处理。为了滤除这些干扰,设计时在信号采集电路中加入了有源滤波电路,经测试滤波效果良好。报警模块设计时采用声光报警模式,如果启动报警,则蜂鸣器会发出间歇的响声,同时安装在设备上的红色LED灯会不停的闪烁,以便达到提醒医护人员的目的。文中第四章对影响压力稳定的因素进行分析,并针对每个影响因素给出了相对的解决办法。影响压力恒定的主要因素有以下几个方面：1、高压腔内空气是否能排净；2、系统密封性能的好坏；3、单向阀单向导通性能是否良好；4、驱动电机的启动加速时间长短等。文中通过使用蓄能器,调整医用泵的进水口和出水口角度,特别是基于相位式控制方法成功使用,有效的降低了设备运行时的压力波动,且设备运行平稳,工作压力在范围0-8.0MPa内可调,得到了满意的实验效果。文中第五章根据所研制设备的实际情况,设计了人性化的操作界面,并使用Modbus协议成功与单片机进行了通信。用户可以通过人机界面设置设备的运行参数,并且可以实时观测设备的运行状态,以便在设备故障时能做出及时正确的处理。在人机界面选型时,主要考虑的三个问题：1、所选择的人机界面是否满足所设计的设备的要求(功能上、尺寸上等)；2、所选择的人机界面是否能直观生动的显示运行参数、运行状态,以及方便修改设备控制系统的运行参数；3、所选择的人机界面是否具有很高的性价比。文中第六章给出了用本文所研制的医用水刀进行的切割实验结果。实验共用时15分钟,其中切割时间为6分钟,整个实验过程进行顺利,切割效果明显,在设定压力为3Mpa时,能在完整保留血管的情况下,把猪肝组组织平整的切开,达到了预期的实验结果,充分发挥了水刀的选择性切割特点。通过多次对猪肝脏血管及胆管剥离实验,有效证明了本文所设计的医用水刀的可行性及实用性。医用水刀在某些特殊手术方面给临床提供了一条更好的解决途径,是一种具有潜力且实用的手术工具。文中第七章对本文进了总结并对后续的研究提了以下几个建议：1)优化单向阀的结构,以便获得更好的水流控制效果；2)自动脱合系统的行程以及脱合杆的受力仍存在一些问题,希望对脱合系统的设计进行改进,使更换一次性部件时更加方便快捷：3)医用泵采用医用塑料开模加工一次成型,以便做到接触工作用水的部分一次性使用,便于进行无菌化操作和密封,减轻整机重量。本文研制的医用水刀清创设备相对于前两代原理样机,不管在机械结构上还是控制方法上都做了很大改进。本课题的创新点主要有以下三个方面：1)研制了一种新型水刀清创设备,结构简单、体积小、重量轻,且采用了无菌化的设计方案。2)在控制方面,运用了基于相位式的控制方法,使设备运行时压力波动降到最低。3)使用模块化设计理念,能快速定位故障位置,方便排除故障。

全文目录

摘要  3-7
ABSTRACT  7-15
第一章绪论  15-23
  1.1 清创设备的国内外研究现状  15-18
  1.2 医用水刀的工作原理及临床应用  18-21
    1.2.1 医用水刀的工作原理  18-19
    1.2.2 医用水刀的临床医用  19-21
  1.3 课题的研究目的和意义  21-22
  1.4 课题的主要研究内容  22-23
第二章医用水刀控制系统的整体设计  23-27
  2.1 控制系统的功能设计  23-24
  2.2 医用水刀加压系统的设计  24-25
  2.3 设备的操作流程  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章医用水刀控制系统的研究  27-45
  3.1 单片机的选择  27-28
  3.2 压力信号和光电信号的采集及处理  28-38
    3.2.1 压力传感器的选择  28-30
    3.2.2 压力信号采集及处理  30-33
    3.2.3 光电传感器的选择  33-35
    3.2.4 光电传感器信号采集及处理  35-37
    3.2.5 放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施  37-38
  3.3 数模转换模块设计  38-40
    3.3.1 A/D转换的基本原理  38-39
    3.3.2 模数转换器的选择  39
    3.3.3 模数转换程序设计  39-40
  3.4 报警模块设计  40-42
  3.5 自动脱合系统设计  42
  3.6 负压吸引系统设计  42-44
    3.6.1 负压吸引器的选择  43
    3.6.2 负压吸引器控制电路设计  43-44
  3.7 本章小结  44-45
第四章影响压力恒定的因素分析及解决办法探讨  45-55
  4.1 影响压力恒定的因素分析  45-47
  4.2 蓄能器的应用  47-48
  4.3 基于相位式控制方法的应用  48-50
  4.4 基于相位式控制方法的软件设计  50-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章人机界面的设计  55-67
  5.1 人机界面简介  55
  5.2 人机界面的设计原则  55-56
  5.3 医用水刀的人机界面设计  56-63
    5.3.1 人机交互界面的选型  56-58
    5.3.2 SKWorkshop与单片机的连接方式  58-59
    5.3.3 Modbus通讯协议简介  59-61
    5.3.4 操作界面设计  61-63
  5.4 通讯程序设计  63-66
  5.5 本章小结  66-67
第六章实验研究  67-73
  6.1 新型医用水刀参数简介  67-68
  6.2 切割猪肝实验  68-72
    6.2.1 实验前准备  68-69
    6.2.2 实验目的  69
    6.2.3 实验过程  69-72
  6.3 实验结果分析  72
  6.4 本章小结  72-73
第七章全文总结与展望  73-75
  7.1 全文总结  73-74
  7.2 后续工作建议  74-75
参考文献  75-79
附录Ⅰ  79-91
附录Ⅱ  91-92
攻读硕士学位期间成果  92-93
致谢  93-94

一种新型医用水刀电控系统的研制

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