基于单片机的医用水刀清创设备研究

摘要

嵌入式系统源于微型计算机,是嵌入到对象体系中,实现嵌入对象智能化的计算机,可以将嵌入式系统定义成“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业,包括自动化、国防、运输和航天领域。嵌入式系统大体可以分为四类:嵌入式微处理器(EMPU)、微控制器(MCU)、DSP处理器(DSP)和片上系统(SoC)。单片机是嵌入式微控制器的典型代表,内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、PWM、A/D、D/A等各种必要功能和外设,具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点。
　　 水刀技术是一种利用高压水射流进行切割材料的设备。利用超高压技术把普通自来水加压到250—400Mpa压力,然后通过内径约0.15-0.25mm的宝石喷嘴形成速度为800-000m/s的高速射流,从而切割材料。水刀切割设备应用于临床称为医用水刀。1990年,德国Rau将专业设计的医用水刀应用于临床,从此水刀在外科手术的临床应用越来越广。最初,医用水刀技术主要用于肝胆外科,如今,医用水刀已成为一种在实质性器官手术中重要的手术工具,逐步发展到了颌面外科、整形外科、泌尿外科、骨科、耳鼻喉科、眼科、创伤外科等外科领域。
　　 医用水刀设备由高压泵、无菌生理盐水容器、手柄和吸引器等组成。医用水刀的工作原理和工业水刀类似,就是由电动机驱动高压泵将无菌生理盐水以一定的压力泵出,经过高压软管到达操作手柄,然后通过手柄上细小的喷孔喷出,在局部就能产生足够的压力,从而达到切割组织的目的。手柄由直径细小的喷孔和围在其外周的吸引器管道组成,医用水刀工作时产生的废水可通过吸引器管道排到废水箱中,不会流向地面,保证了手术室的整洁。喷嘴的喷射压力和负压吸引的压力都是可以人为控制的,无菌生理盐水是产生切割作用的介质。
　　 在医用水刀喷出的高压水射流作用下,人体组织结构间隙发生膨胀,较软地实质性组织在较低的压力下即可被切断,而在同等压力下,血管、分泌管、淋巴管及神经等韧性较强的组织可以移滑绕开而完整地保留下来或另行处理,利用两者之间的压力差将不同韧性和弹性的组织结构加以选择性解剖分离。改变压力和流速,可以达到有选择性的分离人体组织的目的,还可将特定组织得到最大程度的保护。
　　 医用水刀是继电刀、超声刀之后问世的一种新型手术分离器械,它具有高度灵活的组织选择性,与其他传统的手术方法相比,水刀应用在临床上的优势主要有:
　　 (1)利用水的动能对人体组织进行分离,因此无任何热损伤,不会对重要脏器、周围组织造成损伤；
　　 (2)可进行精细分离,具有高度的组织选择性和保护性,达到精确的保护血管、神经和管道的目的,减少了误伤的可能性；
　　 (3)切割速度快,术中出血量少,并且避免了手术因频繁止血而耗时过多,有效地缩短了手术时间；
　　 (4)创伤小、加快患者康复,术后生活质量明显提高。
　　 随着社会的的快速发展,创伤的发病率越来越高,创伤医学的地位显得越来越重要。研究资料表明,创伤是造成青壮年死亡的首要因素。尤其是遇到地震,泥石流等大的地质灾害,会造成巨大的人员伤亡,此时大量的伤员就需要及时的进行伤口处理,否则会造成严重的后果。因此,创伤急救水平的提高是当前创伤医学中的一个重要课题。清创术是创伤外科最常用的基本技术之一,它包括切开伤道、扩大伤口、切除失活组织、清除异物、止血、引流及固定等一系列操作,而创面清洗是清创术中的首要任务。对创面进行及时清创,将异物、细菌彻底清除、冲净,可以减少伤口感染,降低伤残、死亡率,提高救治效果。
　　 本文研制一种新型的水刀清创设备,这种新型的设备能够同时完成清创术和水刀切割手术。主要是以变频器闭环控制为核心,驱动高压泵射出稳定恒压的水流。采用单片机,DSP等嵌入式系统元件完成水刀清创设备的硬件设计,用C语言完成软件编程。显示部分采用当下流行的人机界面,具有方便、直观、美观的特点。
　　 论文研究的主要内容如下:
　　 1.结合国内外的研究现状分析医用水刀的工作原理和特点,提出系统设计要求,及主要研究内容。
　　 2.对设备进行结构分析和机械设计,确定主要部件如电动机、变频器、柱塞泵、电磁泵、蓄能器、压力传感器、电磁阀、电液比例溢流阀、负压吸引器、高压软管、高压喷头以及各种连接件的性能指标和匹配参数。
　　 3.根据机械设计确定设备的控制系统。高压部分以变频器闭环控制电机为核心,使喷嘴射出稳定、恒压的水流,并适时显示当前工作压力。低压部分以电磁泵为核心,从喷枪射出稳定的水射流进行清洗,并设计出三种形状的喷枪以适合不同的工作要求。
　　 4.设备控制系统的硬件电路设计,控制器采用单片机AT89S52,显示及输入部分采用基于ARM9的人机界面,并设计相应的数模装换模块,实时显示当前的工作状态。
　　 5.设备控制系统的软件设计,以C语言为编程语言,以Keil为编译工具。