一種微創腔隙手術用沖洗機的設計

棗莊科技職業學院 屈東坡

本文介紹一種基于飛思卡爾MPL3115A2智能傳感器的微創腔隙手術用沖洗機的軟、硬件實現方法。該沖洗機通過MPL3115A25采集高精度壓力和溫度，單片機獲取數據后按要求即時控制、調節壓力和溫度大小，并利用數碼管顯示電路顯示，為達到安全有效沖洗效果，本設計中設置藥液過濾裝置，實現整機的可靠性、穩定性、安全性和經濟性。

1 設計背景

在微創腔隙手術過程中，一個重要環節就是以一定壓力的無菌生理鹽水灌注清洗關節腔，將手術區的出血及切除的組織碎塊沖走，給予手術者充足的操作空間和清晰的手術視野。沖洗液的流入強度直接影響手術的進程，關節腔沖洗液的壓力過低或不連續，空氣進入關節，會造成手術視野模糊不清，影響手術操作；壓力過高，易造成組織水腫等并發癥的發生。目前，手術中普遍采取的方法是將0.9%氯化鈉溶液術前放置在恒溫箱中加熱，術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，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，筆者設計一種微創腔隙手術用沖洗機。

2 總體設計方案

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

圖1 總體設計方案

整體設計如下：設備由控制模塊、數據采集、加熱、加壓、顯示和藥液過濾等6個模塊組成。設備啟動后，可以根據需要設定加熱溫度和壓力，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前溫度和壓力。為了防止氯化鈉溶液中混入雜質或在加熱過程中產生雜質，所述的出液口處還設置有藥液過濾裝置。

（2）結構介紹（圖2、圖3）

圖2 主視剖視結構示意圖

圖3 液體袋的結構示意圖

上述的箱體分為上下兩層，箱體上層自上而下設置有液體袋和加熱氣囊，液體袋和加熱氣囊之間設置有傳感器；所述的氣路部分，固定設置在箱體下層，氣路部分包括氣泵、電機，氣泵通過導氣管與加熱氣囊相連通，電機驅動氣泵工作；電路部分固定設置在箱體下層氣路部分的一側，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帧⑤敵隹刂撇糠趾蛿祿@示部分。其中，輸入控制部分連接控制面板，控制面板上設有溫控鍵、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，分別有相應的IO端口實現。數據顯示部分包含正常狀態顯示led(綠)、放氣狀態顯示led(紅)、設定溫度數碼顯示、實時溫度數碼顯示、設定壓力數碼顯示、實時壓力數碼顯示六部分。

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據，可調采樣速率，具有超低功耗、智能功能及不需要數據處理等特點，包括數字輸出、兩個自動喚醒的中斷、最小/最大門限檢測和自主數據采集。傳感器可自己處理傳感器數據，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 軟件設計

單片機實現微創腔隙手術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、數據處理模塊、顯示模塊等四部分，使功能實現更加靈活、便捷。

圖5 MPL3115初始化程序

5 使用介紹

術前準備：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-鍵進行溫度設定(開機預設加熱溫度為40℃)，按下溫控鍵啟動加熱(當再次按下時停止加熱)。當溫度達到預設值時，自動停止加熱；當溫度低于預設值1℃時，繼續加熱，允許溫度變化范圍±1℃。

術中沖洗：在控制面板上利用氣壓+鍵、氣壓-鍵預設加熱氣囊氣壓值，按下氣控鍵啟動電機進行加壓充氣，一般1min左右能達到預設值；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。本設計在氣壓達到預設值后，自動停止加壓，當溫度低于預設值1kpa時，自動加壓，允許氣壓變化范圍為±1kpa。

術后處理：根據手術操作規程，完成相關處理后，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，關閉電源。

小結：在實際應用中，本設計用加壓加熱裝置將原來的手術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，簡化了手術準備的環節，減小了手術室人員的工作量，減輕了手術的操作難度和醫護人員的勞動強度，對手術的順利進行提供了有利條件，為加快手術進度，提高手術質量打下堅實基礎。