智能手術(shù)器械臺車的研制

管 吉 楊 坤* 曹德森 高 磊 張虎山 管 葉

智能手術(shù)器械臺車的研制

管 吉①楊 坤①*曹德森②高 磊①張虎山①管 葉③

目的：研制一種跟蹤查找手術(shù)器械體內(nèi)遺留的系統(tǒng)臺車裝置，避免術(shù)后器械遺留在患者體內(nèi)，發(fā)生醫(yī)療事故。方法：采用手術(shù)前對器械掃描統(tǒng)計，術(shù)后掃描復(fù)位設(shè)計，利用稱量和射頻識別(RFID)定位技術(shù)對手術(shù)器械進(jìn)行標(biāo)定，完成術(shù)后對器械的核查。結(jié)果：該系統(tǒng)追蹤數(shù)量與質(zhì)量雙重數(shù)據(jù)結(jié)果，保障了手術(shù)器械的全回收率。結(jié)論：所研制的智能追蹤臺車裝置防器械遺留，可以減少醫(yī)護(hù)人員審理和心理負(fù)擔(dān)，有效降低醫(yī)療事故發(fā)生的概率。

手術(shù)器械臺車；體內(nèi)器械遺留；稱量；射頻識別定位

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.11.014

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, No.302 Military Hospital, Beijing 100039, China.

醫(yī)院現(xiàn)有的手術(shù)器械臺車功能單一，護(hù)理人員工作繁瑣，對于手術(shù)器具安全保障力度距離實際需求相差甚遠(yuǎn)。針對手術(shù)中存在手術(shù)器具安全隱患的現(xiàn)狀，本研究研制一款智能防止手術(shù)器械遺留體內(nèi)的手術(shù)器械臺車用于手術(shù)室，實現(xiàn)術(shù)前、術(shù)后對手術(shù)器械的跟蹤統(tǒng)計，預(yù)防手術(shù)器具遺留患者體內(nèi)的醫(yī)療事故發(fā)生，旨在保障患者手術(shù)安全，減少醫(yī)護(hù)人員的工作量和心理負(fù)擔(dān)。

1 智能手術(shù)器械臺車總體設(shè)計

智能手術(shù)器械臺車的主要功能為防止手術(shù)器械遺留或丟失，手術(shù)器械臺車設(shè)計的主要用途和目的，是在術(shù)后使手術(shù)器械的數(shù)量和質(zhì)量必須與術(shù)前掃描統(tǒng)計的數(shù)量和質(zhì)量完全一致，通過數(shù)量監(jiān)測和質(zhì)量檢測兩種途徑和方法雙管齊下，以防止器械遺留在患者體內(nèi)，并在發(fā)現(xiàn)器械遺失后能夠找回器械，確保手術(shù)器械不出手術(shù)室，防止醫(yī)療事故的發(fā)生[2]。重點突破：

①在手術(shù)前對手術(shù)器械進(jìn)行準(zhǔn)備確認(rèn)；②在手術(shù)中對手術(shù)器械進(jìn)行跟蹤管理；③在手術(shù)后對手術(shù)器械繼續(xù)復(fù)位核查；④在手術(shù)結(jié)束后對遺留丟失的器械進(jìn)行定位查找；⑤對手術(shù)后下臺器械進(jìn)行質(zhì)與量的標(biāo)記管理，智能手術(shù)器械臺車如圖1所示。

圖1 智能手術(shù)器械臺車系統(tǒng)示意圖

2 手術(shù)器械的質(zhì)量管理模塊設(shè)計

對手術(shù)器械的質(zhì)量管理是避免有細(xì)微器械遺留事故的發(fā)生，如針頭或折斷的刀片，此類手術(shù)器具無法用數(shù)量嚴(yán)格控制，因此采用質(zhì)量管理。

2.1 壓電傳感器

采用壓電傳感器，當(dāng)物體放在與傳感器相連的托盤上時，其壓力傳輸至傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使激勵電壓發(fā)生變化，輸出變化的模擬信號。該信號經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號輸出至CPU運算控制。CPU根據(jù)編碼命令以及程序?qū)⑵溥\算結(jié)果輸出至顯示器。直至顯示精確的結(jié)果[3]。如發(fā)現(xiàn)術(shù)前與術(shù)后器械質(zhì)量不一，系統(tǒng)將自動觸發(fā)報警，直至醫(yī)護(hù)人員找到手術(shù)器械復(fù)位為止。

2.2 質(zhì)量精細(xì)化管理

為了實現(xiàn)質(zhì)量精細(xì)化管理，本模塊采用萬分之一的測量精度，量程為100 kg，可讀性為0.01 g，重復(fù)性(標(biāo)準(zhǔn)偏差)為0.01 g，線性誤差為±0.02 g，操作溫度為10～30 ℃，可自動開機(jī)校準(zhǔn)，開機(jī)提示預(yù)熱。由于此類模塊屬于計量器具，因此每年需對其精確度和各項性能進(jìn)行計量校驗，以確保其安全性和有效性(如圖2所示)。

圖2 質(zhì)量管理模塊設(shè)計圖

3 手術(shù)器械數(shù)量管理模塊設(shè)計

隨著移動計算器件、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和移動定位技術(shù)的發(fā)展，三角定位、圖像定位和信標(biāo)定位是目前三大主要的自動定位技術(shù)，而衛(wèi)星定位則最為便捷，但用于室內(nèi)醫(yī)療存在精確度問題，因此本設(shè)計引入射頻識別(radio frequency identification，RFID)定位技術(shù)[4-5]。

RFID定位技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來較為成熟的自動識別技術(shù)，就信息傳遞的原理而言，RFID技術(shù)在低頻段是基于變壓器耦合模型，即初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞；在高頻段是基于雷達(dá)探測目標(biāo)的空間耦合模型，即雷達(dá)發(fā)射的電磁波碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)。射頻標(biāo)簽與讀寫器之間的電耦合包含電感耦合和電磁耦合[5]。RFID定位技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計及工作原理，主要由感應(yīng)標(biāo)簽、設(shè)備讀寫器、接收天線、計算機(jī)處理器以及系統(tǒng)工作頻率部分組成。

3.1 感應(yīng)標(biāo)簽設(shè)計

感應(yīng)標(biāo)簽由耦合線圈及芯片構(gòu)成，每個標(biāo)簽具有唯一性的電子編碼數(shù)組，附著在被測物體表面，作為識別定位的目標(biāo)對象，采用無源標(biāo)簽，以減少空間體積設(shè)計，識別距離在20 M范圍內(nèi)有效，可為貼紙小環(huán)，也可為片狀微型貼片，方便目標(biāo)攜帶，材質(zhì)可為消毒防水材質(zhì)，保障其安全因數(shù)的可控性[6]。

3.2 設(shè)備讀寫器設(shè)計

讀寫器為讀寫和寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，設(shè)計為手持式和固定感應(yīng)式，工作電壓為1 V有效，確保雙保險下對信息錄入的可靠性。完整的讀寫器包含射頻信號發(fā)射電源、高頻接收單元、控制電路以及處理和儲存部件[7]。

3.3 接收天線設(shè)計

設(shè)計的接收天線用來產(chǎn)生磁通量，所產(chǎn)生的磁通量用來識別定位無源標(biāo)簽，為標(biāo)簽提供能量并在讀寫器和標(biāo)簽之間傳遞信息[8]。

3.4 計算機(jī)處理器設(shè)計

計算機(jī)處理器用于提供總控網(wǎng)路信息平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和通訊傳輸。由讀寫器在手術(shù)室內(nèi)發(fā)射射頻能量形成電磁場，作用距離的大小取決于發(fā)射功率。將計算機(jī)處理器設(shè)計為當(dāng)標(biāo)簽通過電磁場區(qū)域時被觸發(fā)，發(fā)送儲存在標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，并由讀寫器讀取并解碼發(fā)送至計算機(jī)[9]。當(dāng)信號運動至標(biāo)簽附近時讀寫器讀出并定位局部標(biāo)簽，也可通過讀寫器的指令改寫儲存在標(biāo)簽里的信息。讀寫器即可接收也可發(fā)送信息，使用防沖撞算法和直接空間分區(qū)法進(jìn)行求交運算，能在30 s內(nèi)鑒別100個標(biāo)簽，并可通過標(biāo)準(zhǔn)的接口與計算機(jī)中央處理器進(jìn)行對接互傳數(shù)據(jù)[10]。如發(fā)現(xiàn)術(shù)后回收的手術(shù)器械與術(shù)前數(shù)量不一致時系統(tǒng)將自動觸發(fā)報警，直至醫(yī)護(hù)人員找到原因后復(fù)位為止。

3.5 系統(tǒng)工作頻率設(shè)計

利用Rayleigh分布、對數(shù)正太分布及Rician分布等統(tǒng)計特性模型軟件，確定識別定位技術(shù)系統(tǒng)，將工作頻率設(shè)計為13.56 MHz，本頻段設(shè)計為高頻，識別距離為50～100 cm，路徑損耗指數(shù)N為9.6，其優(yōu)點為較低頻便宜，適合短識別距離，可滿足多重識別技術(shù)的需求，運行方式所需的標(biāo)簽為無源標(biāo)簽，識別速度為毫秒級，且環(huán)境影響因素小[11]。識別定位技術(shù)系統(tǒng)模塊工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)識別定位模塊工作流程圖

4 智能手術(shù)器械臺車系統(tǒng)附件設(shè)計

4.1 顯示器

本系統(tǒng)附件部分的顯示器設(shè)計為兩塊，顯示屏A和顯示屏B。顯示屏A顯示質(zhì)量模塊傳回的手術(shù)器械質(zhì)量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)量模塊傳回的數(shù)量數(shù)據(jù)，溫度、濕度數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)對比報錯等數(shù)據(jù)信息；顯示器B顯示在手術(shù)器械丟失的情況下對器械的定位信息的全息位置圖。

4.2 機(jī)柜設(shè)計

機(jī)柜設(shè)計有操作鍵盤和指示報警區(qū)域，機(jī)柜內(nèi)儲存擺放有計算機(jī)主機(jī)一臺，內(nèi)置讀寫器模塊和天線裝置模塊以及電源和穩(wěn)壓器等，機(jī)柜裝有4個腳輪便于移動操作。

5 智能手術(shù)器械臺車的應(yīng)用

(1)將數(shù)據(jù)通信協(xié)議及地址碼錄入發(fā)射模塊中，將數(shù)據(jù)傳輸波特率調(diào)制到設(shè)備使用的頻段，連接工作站系統(tǒng)及附件，同時對讀寫器的編碼、檢測和接收進(jìn)行調(diào)試，對工作站應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)試，將標(biāo)本標(biāo)碼簽進(jìn)行編碼掃描，開機(jī)預(yù)熱[12]。

(2)選取10件手術(shù)器械作為樣品目標(biāo)，在樣品目標(biāo)上粘貼環(huán)感應(yīng)標(biāo)簽，在選定的閑置手術(shù)室進(jìn)行實驗，室溫設(shè)置為23 ℃，打開所有手術(shù)室常用設(shè)備后進(jìn)行以下操作：①將準(zhǔn)備好的手術(shù)器械進(jìn)行掃描標(biāo)記，顯示器顯示其數(shù)量；②放置系統(tǒng)托盤平臺，顯示器顯示質(zhì)量數(shù)據(jù)；③模擬丟失器械，即將1把手術(shù)器械放置手術(shù)床的一角用遮擋物遮擋，對其啟用識別定位，在顯示器上顯示區(qū)域位置；④找到手術(shù)器械后按消除報警按鍵，確認(rèn)器械全部歸位，無遺失后關(guān)閉系統(tǒng)[13]。

(3)實驗結(jié)果表明，通過RFID定位的無線傳輸，模擬丟失遺漏在患者體內(nèi)的手術(shù)器械顯示在顯示器上，且清晰可辨，找回器械復(fù)位后最終顯示手術(shù)器械數(shù)量和質(zhì)量與術(shù)前完全一致，保證了器械的完好性[14-15]。但在復(fù)雜磁場的干擾環(huán)境下其穩(wěn)定性尚需大量實驗結(jié)果加以驗證。

6 結(jié)論

本裝置應(yīng)用稱量和RFID定位技術(shù)，構(gòu)建面向醫(yī)療手術(shù)室防止手術(shù)器械遺失的手術(shù)器械臺車系統(tǒng)，將術(shù)后尚未歸位的手術(shù)器械報警至醫(yī)護(hù)人員，以便進(jìn)行離開手術(shù)室之前的及時處理。該系統(tǒng)在初步的實驗中取得較為理想的效果，實現(xiàn)了手術(shù)器械防遺失功能的預(yù)期目標(biāo)。該設(shè)備操作簡便，同時能夠解決醫(yī)護(hù)人員未能即時發(fā)現(xiàn)的殘留醫(yī)療垃圾問題。在后續(xù)的研究中有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)，實現(xiàn)手術(shù)器械臺車系統(tǒng)的信息化、智能化。隨著芯片的納米級，將有望對所有術(shù)中的手術(shù)器具進(jìn)行標(biāo)定，實現(xiàn)手術(shù)結(jié)束后無任何殘留，提高手術(shù)患者的安全性和手術(shù)治療的效率。

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Research on the development of a intelligence operation instrumentation trolley equipment trolley

GUAN Ji, YANG Kun, CAO De-sen, et al
China Medical Equipment,2015,12(11)∶43-46.

Objective∶ To develop a system of car device tracing legacy devices for resolving the postoperative operation equipment left inside the patient and reducing the occurrence of medical accidents which is not necessary. Methods∶ Using preoperative scanning instrument scan statistic, design idea of resetting, the equipment calibrated by weighing and RFID positioning technology, completes the postoperative of instrument verification to prevent the legacy of the objective. Results∶ The quantity and quality of the data results of dual system, guarantee the operation instrument full recovery. Conclusion∶ Using instruments left the program developed, can reduce the medical staff of physical and psychological burden, can effectively reduce the probability of medical accidents.

Endomechanical legacy; Weighing; Radio frequency identification positioning

管吉，男，(1990- )，本科學(xué)歷，工程師。解放軍第302醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，從事醫(yī)療設(shè)備維修及質(zhì)量控制管理工作。

1672-8270(2015)11-0043-04

R197.39

A

2015-02-06

①解放軍第302醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心 北京 100039

②解放軍總醫(yī)院醫(yī)工中心 北京 100039

③解放軍總醫(yī)院門診眼科 北京 100039

*通訊作者：yangkun302yy@126.com