棗莊科技職業(yè)學(xué)院 屈東坡

本文介紹一種基于飛思卡爾MPL3115A2智能傳感器的微創(chuàng)腔隙手術(shù)用沖洗機的軟、硬件實現(xiàn)方法。該沖洗機通過MPL3115A25采集高精度壓力和溫度，單片機獲取數(shù)據(jù)后按要求即時控制、調(diào)節(jié)壓力和溫度大小，并利用數(shù)碼管顯示電路顯示，為達到安全有效沖洗效果，本設(shè)計中設(shè)置藥液過濾裝置，實現(xiàn)整機的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。

1 設(shè)計背景

在微創(chuàng)腔隙手術(shù)過程中，一個重要環(huán)節(jié)就是以一定壓力的無菌生理鹽水灌注清洗關(guān)節(jié)腔，將手術(shù)區(qū)的出血及切除的組織碎塊沖走，給予手術(shù)者充足的操作空間和清晰的手術(shù)視野。沖洗液的流入強度直接影響手術(shù)的進程，關(guān)節(jié)腔沖洗液的壓力過低或不連續(xù)，空氣進入關(guān)節(jié)，會造成手術(shù)視野模糊不清，影響手術(shù)操作；壓力過高，易造成組織水腫等并發(fā)癥的發(fā)生。目前，手術(shù)中普遍采取的方法是將0.9%氯化鈉溶液術(shù)前放置在恒溫箱中加熱，術(shù)中懸掛在兩米至三米高的屋頂上，利用重力的作用，將0.9%氯化鈉溶液沖洗在腔隙內(nèi)，這種情況增加了操作難度和勞動強度，而且沖洗液的壓力和強度難以保持恒定。另外，每次將沖洗液懸掛在高處時會有安全隱患。為此，筆者設(shè)計一種微創(chuàng)腔隙手術(shù)用沖洗機。

2 總體設(shè)計方案

（1）利用模塊化設(shè)計思想，沖洗機整體包括MPL3115A2傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、藥液加熱模塊、加壓沖洗模塊、顯示模塊和藥液沖洗模塊。其設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案

整體設(shè)計如下：設(shè)備由控制模塊、數(shù)據(jù)采集、加熱、加壓、顯示和藥液過濾等6個模塊組成。設(shè)備啟動后，可以根據(jù)需要設(shè)定加熱溫度和壓力，被測藥液氣壓和體溫度由智能傳感器傳送給單片機控制模塊，并由顯示模塊實時顯示當(dāng)前溫度和壓力。為了防止氯化鈉溶液中混入雜質(zhì)或在加熱過程中產(chǎn)生雜質(zhì)，所述的出液口處還設(shè)置有藥液過濾裝置。

（2）結(jié)構(gòu)介紹（圖2、圖3）

圖2 主視剖視結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 液體袋的結(jié)構(gòu)示意圖

上述的箱體分為上下兩層，箱體上層自上而下設(shè)置有液體袋和加熱氣囊，液體袋和加熱氣囊之間設(shè)置有傳感器；所述的氣路部分，固定設(shè)置在箱體下層，氣路部分包括氣泵、電機，氣泵通過導(dǎo)氣管與加熱氣囊相連通，電機驅(qū)動氣泵工作；電路部分固定設(shè)置在箱體下層氣路部分的一側(cè)，電路部分包括電源模塊和控制電路模塊；加熱氣囊、傳感器、電機、控制電路模塊、電源模塊電連接。

3 主要器件介紹

整機控制單元采用51單片機作為控制核心，功能齊全，價格低廉?？刂齐娐贩譃檩斎肟刂撇糠?、輸出控制部分和數(shù)據(jù)顯示部分。其中，輸入控制部分連接控制面板，控制面板上設(shè)有溫控鍵、氣控鍵、溫度+鍵、溫度-鍵，氣壓+鍵、氣壓-鍵；輸出控制部分包含電機控制、加熱控制和氣閥控制，分別有相應(yīng)的IO端口實現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示部分包含正常狀態(tài)顯示led(綠)、放氣狀態(tài)顯示led(紅)、設(shè)定溫度數(shù)碼顯示、實時溫度數(shù)碼顯示、設(shè)定壓力數(shù)碼顯示、實時壓力數(shù)碼顯示六部分。

其他主要器件如下：

（1）傳感器。飛思卡爾MPL3115A2 提供高精度壓力和高度數(shù)據(jù)，可調(diào)采樣速率，具有超低功耗、智能功能及不需要數(shù)據(jù)處理等特點，包括數(shù)字輸出、兩個自動喚醒的中斷、最小/最大門限檢測和自主數(shù)據(jù)采集。傳感器可自己處理傳感器數(shù)據(jù)，減少了與主機通信的需要，降低了微控制器（MCU）的使用頻率。

（2）加熱氣囊。加熱氣囊采用碳纖維材料加熱氣囊，碳纖維的抗拉強度高、重量輕，并且具有很好的柔韌性，耐折達到50000次，而且能輻射遠紅外線，是很好的電熱轉(zhuǎn)換材料，它比金屬絲、碳化硅加熱體的熱效率提高達30%，電功率幾乎不衰減。

4 軟件設(shè)計

單片機實現(xiàn)微創(chuàng)腔隙手術(shù)用沖洗機的程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

如圖5，由于MPL3115A2支持與控制器I2c總線通信，并擁有自己特色的通信格式，這就要求在程序編寫時，要采用模塊化編程思想，將程序分為I2c初始化模塊、傳感器初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊等四部分，使功能實現(xiàn)更加靈活、便捷。

圖5 MPL3115初始化程序

5 使用介紹

術(shù)前準備：將3000ml裝沖洗用0.9%氯化鈉溶液充入液體袋。接入電源，在控制面板上利用溫度+鍵、溫度-鍵進行溫度設(shè)定(開機預(yù)設(shè)加熱溫度為40℃)，按下溫控鍵啟動加熱(當(dāng)再次按下時停止加熱)。當(dāng)溫度達到預(yù)設(shè)值時，自動停止加熱；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值1℃時，繼續(xù)加熱，允許溫度變化范圍±1℃。

術(shù)中沖洗：在控制面板上利用氣壓+鍵、氣壓-鍵預(yù)設(shè)加熱氣囊氣壓值，按下氣控鍵啟動電機進行加壓充氣，一般1min左右能達到預(yù)設(shè)值；同時將沖洗管插入液體袋出液口103，打開沖洗管下端閥門即可使用。本設(shè)計在氣壓達到預(yù)設(shè)值后，自動停止加壓，當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值1kpa時，自動加壓，允許氣壓變化范圍為±1kpa。

術(shù)后處理：根據(jù)手術(shù)操作規(guī)程，完成相關(guān)處理后，再次按下溫控鍵和氣控鍵，打開放氣閥5，加熱氣囊2放氣并停止加熱加壓。取下沖洗管，關(guān)閉電源。

小結(jié)：在實際應(yīng)用中，本設(shè)計用加壓加熱裝置將原來的手術(shù)準備中單獨的加熱溶液和加壓沖洗兩個分時步驟合二為一，簡化了手術(shù)準備的環(huán)節(jié)，減小了手術(shù)室人員的工作量，減輕了手術(shù)的操作難度和醫(yī)護人員的勞動強度，對手術(shù)的順利進行提供了有利條件，為加快手術(shù)進度，提高手術(shù)質(zhì)量打下堅實基礎(chǔ)。