醫用充氣式自動擴宮棒的設計

陳仁金，孫小楊，楊波，龐皓文，石翔翔

西南醫科大學附屬醫院 腫瘤科，四川 瀘州 646000

引言

一些婦科手術（宮腔鏡、人工流產、刮宮術、放取環等）需對宮頸進行擴張以及在對婦科腫瘤（宮頸癌、子宮內膜癌等）患者實施近距離后裝放射治療時，為了能夠更好地放置后裝施源器，同樣需要對患者宮頸做擴張準備[1-3]。但是，對于宮頸粘連或宮頸萎縮患者，擴宮操作往往非常困難。目前，臨床上現有的常用擴張宮頸的方法為：采用直徑不同的鋼棒，先用直徑最小的擴宮棒探查子宮的位置、形態，然后從小到大依次換用不同直徑的擴宮棒放入宮頸，在宮頸停留一段時間后再取出更換更大直徑的擴宮棒，如此反復插拔不同直徑的擴宮棒以達到擴張宮頸的目的。然而，通過這種反復插拔的操作，使擴宮棒與緊縮的宮頸表面反復強烈摩擦，不僅增加患者的疼痛感，還會加劇宮頸表面毛細血管的破裂，導致宮頸內外口損傷，甚至導致患者出血過多，難以確保擴張宮頸的過程安全順利進行。同時，不同直徑的擴宮棒反復多次進入宮腔，容易將污染物帶入宮腔，使腔內感染的概率增大。再次，醫生需要不停的更換直徑不同的擴宮棒，操作非常繁瑣，耗時長。海藻宮頸擴張棒與鋼棒相比，能夠減小鋼棒強行機械擴張導致的宮頸損傷和出血等并發癥，安全可靠[4]，但是海藻宮頸擴張棒擴宮過程耗時長，主要應用于人工流產領域[5]，實時擴張宮頸的臨床應用不多。

因此，研發一種能夠減少患者出血和痛苦，縮短醫生的操作時間并簡化擴張宮頸過程的實時擴宮棒，具有非常重要的臨床應用意義[6]。本文針對現有擴宮棒存在的缺點，將現代控制技術應用于自動擴宮棒的設計中，研制了一種醫用充氣式自動擴宮棒，以解決現有擴宮棒存在的諸多問題。通過模體測試，充氣式自動擴宮棒滿足設計要求，能根據設定的壓力自動調節棒體內空氣壓力，操作方便。本文將對自動擴宮棒的結構和控制系統做詳細介紹。

1 系統設計

系統設計主要包括自動擴宮棒的結構設計、硬件電路及軟件控制策略的設計。其結構設計已獲得國家實用新型專利（專利號：ZL201620603447.2）。

1.1 結構設計

本文設計的充氣式自動擴宮棒主要由棒體、充氣部分和連接部分等組成?？傮w結構示意圖，見圖1。

圖1 充氣式自動擴宮棒結構示意圖

棒體用于插入患者宮頸，棒體上密封套設有一橡膠軟管。位于橡膠軟管內的棒體四周對稱設置有若干通氣小孔，氣體通過通氣小孔進入軟管內。棒體內安裝有空氣壓力傳感器，用于檢測棒體內部實時壓力變化。棒體設計為前端呈類錐形的細棒，使醫生更容易將棒體插入患者宮頸口。棒體內部為空心的通氣通道，通過通氣軟管與充氣氣囊相連接。

導氣管分為第一導氣管和第二導氣管，其結構相同。第一導氣管和第二導氣管通過螺紋與比例電磁閥相連接，通過比例電磁閥的控制可實時控制管內的壓力。氣囊通過不斷壓縮空氣從而增大氣體壓力使棒體壓力增大，控制系統控制電氣比例閥的開口大小，從而保證棒體內壓力適中，即能達到擴張宮頸的目的，又能減少患者的疼痛感。因為棒體外逐漸膨脹的軟管不斷作用于宮頸口內壁，從而使宮頸口逐漸得到擴張。

1.2 使用方法

患者平躺于婦科床上，將陰道口暴露于醫生眼前。醫生將自動擴宮棒的棒體套上避孕套，通過患者陰道，輕輕插入患者宮頸，使棒體中部位于宮頸。此時醫生通過氣囊不斷向棒體內充氣，氣體從通孔處流向橡膠軟管，橡膠軟管逐漸膨脹，膨脹的橡膠軟管使宮頸內壁受到壓力而擴張。當壓力達到設定值后，控制系統實時控制比例電磁閥的開口，從而能保證棒體內壓力穩定。經過一段時間后，由于宮頸擴張后其作用于橡膠軟管的壓力減小，此時醫生再通過氣囊充氣以增加棒體內壓力，從而進一步擴張宮頸，直到滿足臨床要求為止。該充氣式自動擴宮棒操作簡單方便，對醫生的技術水平要求較低，經過簡單的培訓后即可操作使用。

1.3 控制策略軟件設計

本文對自動擴宮棒的控制主要是對棒體內空氣壓力進行控制。若棒體內空氣壓力過大，會導致橡膠軟管過度擴張，擴張的軟管外壁作用于患者宮頸口，必然導致患者疼痛加劇，甚至導致出血；若棒體內壓力過低，壓力不足導致橡膠軟管在宮頸口的壓力作用下內凹，起不到擴張宮頸的作用。同時，不同患者宮頸口的閉合程度不一樣，對不同患者施加的空氣壓力也不同。以上因素都對自動擴宮棒空氣壓力的控制提出了更高的要求。本文設計的控制系統硬件部分主要由主控單元、電氣比例閥、壓力傳感器、A/D 和D/A 轉換裝置構成。

為了更好地實現系統擴展和軟件升級，本文選擇TI 公司生產的TMS320F28335 作為控制系統的主控芯片。該芯片集成了DSP 和微控制器的長處，既能夠實現高精度的數據處理任務，又能高效率地完成實時控制；同時具有豐富的IO 接口，便于系統擴展；6 組互補對稱的PWM 輸出[7]，對電氣比例閥的控制也更為方便；芯片上集成了一個12 位的A/D 轉換器，對壓力傳感器的信號處理不需要配置專用的A/D 轉換模塊，只需要對傳感器輸出的信號做分壓處理就能滿足信號輸入要求。

控制系統的基本原理為：控制器通過A/D 轉換，對棒體內的氣體壓力信號進行采集與處理。設定值以模擬量的方式輸入控制器中，與采集到的電信號值進行比較，通過電氣比例閥的調節作用，使檢測到的氣壓反饋電流信號與系統的輸入電流信號之差減小并趨于零，從而實現對棒體內氣壓信號對輸入信號的跟蹤，以達到調節棒體內壓力穩定在一定范圍的目的?？刂葡到y的原理圖，見圖2。

圖2 控制系統原理圖

根據相關研究報導，一些智能控制方法[8]現已逐漸應用到電氣比例閥的控制中，例如模糊控制技術[9]、神經網絡技術[10]、自適應控制技術[11]等，并已取得良好的控制效果。本文根據實際需要，對系統采用自適應控制的方法，其基本調節過程如下：當給定的設定信號大于反饋信號時，電氣比例閥閥門開口變大，進入棒體內的氣體流量增大，棒體內氣壓升高，壓力傳感器檢測到的氣壓反饋信號增大,電壓偏差信號隨之減??；反之，當給定的設定信號小于反饋信號時，比例閥的閥門開口關小，流入氣室內的氣體流量減少，棒體內氣壓逐漸降低，直至電壓偏差趨于零。

1.4 模擬量輸入通道設計

壓力傳感器輸出的信號較弱，且容易受到外界環境的干擾[12]，因此本文所設計的控制系統對輸入的棒內空氣壓力信號進行濾波和放大。由于外界干擾信號主要為高頻信號，因此本控制系統設計的Sallen-Key 型二階低通濾波器[13]用于信號調理電路。同時，因為壓力傳感器輸入的模擬電壓信號幅值為0～5 V，而DSP 的A/D 轉換模塊電壓輸入范圍為0～3 V，所以在濾波的前向通路需要設計分壓電路。為了保護DSP 芯片的A/D 模塊，信號在A/D 轉換前設置限位電路，其原理圖如圖3 所示。

圖3 模擬量輸入電路

圖3 中，R1、R2 構成分壓電路，R3、R4、R5、R6、C1、C2 和LM324 構成Sallen-Key 型二階低通濾波器，D1構成限位電路。輸入電壓Vin 經過分壓和兩級RC 低通電路后，再接到LM324 的同向輸入端。高頻信號的幅頻特性下降速度為-40 dB/十倍頻，比一階低通濾波器提高一倍，滿足設計要求。

2 實驗結果與討論

本文設計的充氣式擴宮棒最大的優勢在于減輕患者痛苦、簡化擴宮流程和縮短擴宮時間，因此實驗主要對比充氣式擴宮棒和傳統鋼棒對宮頸的損傷和兩種擴宮方式完成同樣的擴宮效果需要的時間。實驗裝置[14]選用兩個完全相同的女性人體模體，分別準備一套擴宮鋼棒和一套充氣式擴宮棒。通過比較宮頸口的劃痕多少評估擴宮棒對患者的損傷程度，損傷等級分為輕度、中度和重度三級。為了避免不同醫生對擴宮操作的熟練程度不同導致擴宮時間不同等人為因素的影響[15-16]，采用同一個醫生先后對兩個相同模體實施完成相同宮頸口擴張尺寸的擴宮鋼棒和充氣式擴宮棒操作，并分別記錄宮頸口損傷程度和操作時間。實驗結果，見表1。

表1 充氣式自動擴宮棒和擴宮鋼棒實驗結果比較

從實驗數據可以看出，充氣式自動擴宮棒能夠顯著提高擴宮效率，并減小擴宮過程中反復插拔鋼棒造成的宮頸口損傷。其次，自動擴宮棒能大大減少擴宮時間，既減小了醫生的工作強度，又增加了患者的舒適度。因此，本文研發的充氣式擴宮棒能夠顯著改善傳統擴宮方式的不足，使患者和醫生都能夠得到最好的擴宮體驗。

3 結論

本文研究的充氣式自動擴宮棒能夠根據不同患者宮頸的情況，通過設置不同的壓力值自動完成棒體內壓力調節。當自動擴宮棒插入宮頸后，通過氣囊逐步增加棒體內壓力，壓力傳感器自動感應棒體內壓力，當棒體內壓力與設定壓力趨于平衡時，DSP 控制電氣比例閥開口大小，使棒體內壓力與設定壓力相等，從而可以根據不同患者宮頸情況設定不同棒體壓力，使整個擴宮過程變得方便、簡潔。充氣式擴宮棒的研制減輕了患者的痛苦，縮短了擴宮時間，降低了患者出血過多的風險，具有很大的臨床應用價值。