醫用電動手術床控制系統的改造與應用

朱興喜 李 治 汪長嶺 曹勇民 戚仕濤 沈華強 毛靖寧 于春華*

醫用電動手術床控制系統的改造與應用

朱興喜①李 治②汪長嶺①曹勇民①戚仕濤①沈華強①毛靖寧①于春華①*

目的：將發生故障的醫用電動手術床控制系統進行改造，自制控制系統替代原控制系統，解決控制主板損壞難以修復的使用問題。方法：利用電動手術床原有液壓油泵、油路電磁閥及整體架構等，依據其所實現的功能，自行設計電路與控制手柄組成控制系統，恢復電動手術床正常使用。結果：通過控制系統的改造，可以實現電動手術床的床位主體升降、頭部高低調節、整體頭腳傾斜以及左右側位調節等功能，達到臨床手術的使用要求。結論：電動手術床控制系統的改造設計與應用，為其他類型醫用電動手術床控制系統的改造提供設計參考。

電動手術床；控制系統；改造與應用

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.11.016

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing 210002, China.

電動手術床是調整手術體位、暴露手術野及使手術順利進行的現代醫院醫療手術輔助設備，其操作可控性對方便手術治療起著十分重要的作用[1-2]。通常電動手術床由支撐、液壓傳動及控制系統3部分組成。支撐部分主要包括臺面、升降柱及底座，其中臺面可由多塊不同功能的支撐板組成，即頭板、背板、腰板、腿板、臀板及足板等；底座部分包括腳輪和剎車鎖定裝置[3]。液壓傳動部分包括油缸、油泵、電磁閥、溢流閥、輸油管路及液壓筒等。控制系統部分主要包括電源、控制面板及控制主板等[4]。手術床面的位置調整是通過控制系統，利用油壓推動液壓筒內活塞運動，從而實現手術床的各種動作[5]。如果控制系統因故障而不能正常使用，手術床則不能發揮其應有的作用。本研究對發生故障的醫用電動手術床控制系統進行改造，更換損壞的電動手術床的控制主板，由于該手術床為德國進口品牌，其主板價格昂貴，且訂貨周期＞3個月。為節省經費、及早恢復使用，根據手術床功能自行設計電路，改造控制系統。

1 醫用電動手術床的功能

電動手術床具有8個方位調節功能，調節手柄分別為主體升降、前后傾斜、左右傾斜和頭部板高低調節，除有8個調節方位按鍵外還有2個電源控制按鍵，其按鍵產生的調節和電源信號需要經過控制電路處理后再驅動執行電路，如圖1所示。

為了實現電動手術床的8個調節功能，需要控制油壓泵和12個油液流向電磁閥的工作狀態，如圖2所示。

圖1 調節手柄示圖

圖2 油壓泵和電磁閥示圖

圖2 顯示，有1個油壓泵的12個油液流向電磁閥，其與控制部分聯動的工作原理是當按任意一個方位鍵時，首先判斷是否允許手術床工作，如允許則判斷油壓泵內的壓力是否保護，如果在手術床工作允許和壓力保護范圍內的情況下則判斷是升壓還是降壓，若為升壓則打開升壓通道電磁閥，若為降壓則打開降壓通道電磁閥。此外，判斷手柄按鍵的調整方位，打開對應的油液流向電磁閥，然后油壓泵開始工作將油泵進指定的液壓筒，進行床面調節。根據上述原理，當綠色燈亮時，按任意方位鍵則會產生高電平輸入信號。在油壓泵升降壓信號形成電路中，如果升壓則會產生升壓電磁閥組驅動信號，否則產生降壓電磁閥組驅動信號。在油液流向電磁閥信號形成電路中，根據手柄輸入的信號產生相對應的電磁閥驅動信號，同時產生油壓泵工作驅動信號。

2 醫用電動手術床控制系統設計

醫用電動手術床控制系統分為工作電源電路和油壓泵、油液流向控制與執行電路兩部分。

2.1 工作電源電路設計

根據電動手術床工作時油壓泵、電磁閥和控制電路所需要電壓和電流的不同，采用相應的電路設計，由于油壓泵和電磁閥是電感性器件，工作電流適當增大余量。油壓泵的工作電壓為24 Vdc，電流5 A左右；電磁閥工作電壓為24 Vdc，每只電磁閥電流1 A左右；控制電路工作電壓有12 Vdc和5 Vdc，電流1 A左右。因而，在電路設計中采用2個36 Vdc電壓，其輸入工作電壓為26～47 Vdc，轉換電壓為24 Vdc，10 A的專用直流轉換器，分別作為油壓泵的工作電源、電磁閥和控制電路的工作電源。該直流轉換器具有如下性能：①輸入寬電壓26～47 Vdc任意電壓均可準確輸出24 Vdc電壓，且電壓穩定，可長期為10 A電流工作，其峰值可達到20 A，即可負載＜240 W功率的設備長期穩定工作而無需增加任何散熱片；②所有元器件采用進口原裝，同步整流技術，鋁合金外殼，防水、抗震、防潮及防塵；③具有輸入瞬間高壓保護、輸出過流保護、輸出短路保護以及芯片過熱保護等功能。工作電源的輸入采用民用交流電供電，使用環形變壓器進行降壓兩組輸出，即一組為220 Vac輸入，兩組24 Vac輸出，功率為350 W左右，其整個電源電路如圖3所示。

圖3 工作電源電路圖

圖3顯示，D10和D11為整流橋，DC1和DC2為36 Vdc/24 Vdc轉換器，U10(LM338K)為電壓調整集成塊[6-8]。排插4的1腳為油壓泵工作電源，2腳為油液流向電磁閥的工作電源，3腳為控制電路工作電源，4腳為公共地。LM338K是電壓調整塊，最大輸出電流為5 A，通過計算，調節RRES31使輸出電壓為12 Vdc[9-11](公式1)：

2.2 油壓泵和油液流向控制設計

油壓泵和油液流向控制電路主要由手柄控制信號輸入處理電路和油壓泵、電磁閥控制驅動信號處理和形成的電路兩部分組成。手柄控制信號輸入端口可產生8個方位控制信號和2個電源動作信號，8個方位控制信號具有兩種狀態：①當按下某按鍵時，某個功能鍵會產生相應的高電平(5 V電平)信號；②當不按任意鍵時所有信號均為低電平。2個動作開關是用于控制8個方位控制信號是否能夠動作，當按“O”鍵時，手柄紅色發光燈亮，表示按任意方位控制信號不起作用。當按“綠色”鍵時，手柄綠色發光燈亮，表示允許方位調節(如圖4所示)。

圖4 油壓泵和油液流向控制電路框圖

2.3 手術床臺面調整運行電路

手術床臺面調整運行電路如圖5所示。

圖5 手術床臺面調整運行電路圖

圖5 中的排插5是為連接控制電路輸出的信號，排插5的1～6腳分別為泵升壓、泵降壓、主體升降、前后傾斜、左右傾斜和頭部板高低調節驅動信號；7腳連接排插4的2腳，提供電磁閥工作的24 Vdc直流電壓；8腳為公共地，9腳為油壓泵的驅動信號。10腳連接排插4的1腳，提供油壓泵的24 Vdc工作直流電源壓；在圖5中，Q10～Q15是N溝道增強型場效應管，型號是IRF640N，其VDSS=200 V，RDS=0.15 Ω，ID=18 A，當VGS=5 V，驅動一個24 V/1 A的電磁閥功率足夠，且長期通電使用其溫度也在常溫范圍[12-13]。L10～至L21為油液流向電磁閥，B10為油壓泵，使用繼電器K10的常開觸點為其提供工作電源[14]。

3 醫用電動手術床控制系統的應用情況

按照圖3、圖4上述的電路圖原理，采用DXP2004制作成2塊PCB板[14-15]，一塊為控制電路板，安裝在圖1所示的控制手柄盒內[15-16]。另一塊為電源和運行電路板，安裝的位置如圖6所示。

圖6 電源和運行電路板安裝位置示圖

對于元件的選擇，不可使用拆機元件。將板元件安裝好后先認真檢查再進行連接調試。調試時只要調節12 Vdc輸出即可，其他電源均為固定輸出。經通電測試電源輸出成功，測試油壓泵正常工作時的電流為3 A左右，將電磁閥門在不打開的情況下強行泵油，其電流達到5 A左右，同時油泵壓力保護開始工作，且符合要求。檢測電磁閥和控制電路的工作電流均為2 A左右，符合要求。

4 結語

經改造后的醫用電動手術床通過調節手柄控制8個方位，能按照設定進行調節手術臺面，而且平穩無抖動。用手觸摸電源塊和場效應管表面，反復調節手術臺面方位，電源塊和場效應管表面溫度正常。完成安裝調試后送手術室試用，符合臨床使用各項要求。

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Research on the reconstruction and application of control system for electric operation table

ZHU Xing-xi, LI Zhi, WANG Chang-ling, et al
China Medical Equipment,2015,12(11)∶49-52.

Objective∶ To fix the control system of electric operating table, we use self-design control system instead of original design, which solve the problem of main board damage difficult to repair. Methods∶ By reserving original structure of hydraulic oil pump, oil solenoid valve and the main architecture, and on the basis of its function, we designed circuit and the control handle for this control system. Results∶ After the reconstruction of the control system, it can realize the function of electric operation table such as main body lifting, tilting and moving horizontal, height adjustment of head position, and so on, meeting the requirements of clinical surgery. Conclusion∶The design and application of control system electric of operating table provide reference for the other types of operating table designs.

Electric operating table; Control system; Reconstruction and application

朱興喜，男，(1963- )，碩士，高級工程師，教授。南京軍區南京總醫院醫學工程科，中國醫學裝備協會理事會理事。從事醫院醫療設備的管理、技術保障、質量控制、教學和科研工作，研究方向：臨床醫學工程。

1672-8270(2015)11-0049-04

R197.324

A

2015-04-30

①南京軍區南京總醫院醫學工程科 江蘇 南京 210002

②南京軍區南京總醫院藥品科 江蘇 南京 210002

*通訊作者：274933102@qq.com