一种微创腔隙手术用冲洗机的设计

枣庄科技职业学院 屈东坡

本文介绍一种基于飞思卡尔MPL3115A2智能传感器的微创腔隙手术用冲洗机的软、硬件实现方法。该冲洗机通过MPL3115A25采集高精度压力和温度，单片机获取数据后按要求即时控制、调节压力和温度大小，并利用数码管显示电路显示，为达到安全有效冲洗效果，本设计中设置药液过滤装置，实现整机的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

1 设计背景

在微创腔隙手术过程中，一个重要环节就是以一定压力的无菌生理盐水灌注清洗关节腔，将手术区的出血及切除的组织碎块冲走，给予手术者充足的操作空间和清晰的手术视野。冲洗液的流入强度直接影响手术的进程，关节腔冲洗液的压力过低或不连续，空气进入关节，会造成手术视野模糊不清，影响手术操作；压力过高，易造成组织水肿等并发症的发生。目前，手术中普遍采取的方法是将0.9%氯化钠溶液术前放置在恒温箱中加热，术中悬挂在两米至三米高的屋顶上，利用重力的作用，将0.9%氯化钠溶液冲洗在腔隙内，这种情况增加了操作难度和劳动强度，而且冲洗液的压力和强度难以保持恒定。另外，每次将冲洗液悬挂在高处时会有安全隐患。为此，笔者设计一种微创腔隙手术用冲洗机。

2 总体设计方案

（1）利用模块化设计思想，冲洗机整体包括MPL3115A2传感器数据采集模块、药液加热模块、加压冲洗模块、显示模块和药液冲洗模块。其设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案

整体设计如下：设备由控制模块、数据采集、加热、加压、显示和药液过滤等6个模块组成。设备启动后，可以根据需要设定加热温度和压力，被测药液气压和体温度由智能传感器传送给单片机控制模块，并由显示模块实时显示当前温度和压力。为了防止氯化钠溶液中混入杂质或在加热过程中产生杂质，所述的出液口处还设置有药液过滤装置。

（2）结构介绍（图2、图3）

图2 主视剖视结构示意图

图3 液体袋的结构示意图

上述的箱体分为上下两层，箱体上层自上而下设置有液体袋和加热气囊，液体袋和加热气囊之间设置有传感器；所述的气路部分，固定设置在箱体下层，气路部分包括气泵、电机，气泵通过导气管与加热气囊相连通，电机驱动气泵工作；电路部分固定设置在箱体下层气路部分的一侧，电路部分包括电源模块和控制电路模块；加热气囊、传感器、电机、控制电路模块、电源模块电连接。

3 主要器件介绍

整机控制单元采用51单片机作为控制核心，功能齐全，价格低廉。控制电路分为输入控制部分、输出控制部分和数据显示部分。其中，输入控制部分连接控制面板，控制面板上设有温控键、气控键、温度+键、温度-键，气压+键、气压-键；输出控制部分包含电机控制、加热控制和气阀控制，分别有相应的IO端口实现。数据显示部分包含正常状态显示led(绿)、放气状态显示led(红)、设定温度数码显示、实时温度数码显示、设定压力数码显示、实时压力数码显示六部分。

其他主要器件如下：

（1）传感器。飞思卡尔MPL3115A2 提供高精度压力和高度数据，可调采样速率，具有超低功耗、智能功能及不需要数据处理等特点，包括数字输出、两个自动唤醒的中断、最小/最大门限检测和自主数据采集。传感器可自己处理传感器数据，减少了与主机通信的需要，降低了微控制器（MCU）的使用频率。

（2）加热气囊。加热气囊采用碳纤维材料加热气囊，碳纤维的抗拉强度高、重量轻，并且具有很好的柔韧性，耐折达到50000次，而且能辐射远红外线，是很好的电热转换材料，它比金属丝、碳化硅加热体的热效率提高达30%，电功率几乎不衰减。

4 软件设计

单片机实现微创腔隙手术用冲洗机的程序流程如图4所示。

图4 程序流程图

如图5，由于MPL3115A2支持与控制器I2c总线通信，并拥有自己特色的通信格式，这就要求在程序编写时，要采用模块化编程思想，将程序分为I2c初始化模块、传感器初始化模块、数据处理模块、显示模块等四部分，使功能实现更加灵活、便捷。

图5 MPL3115初始化程序

5 使用介绍

术前准备：将3000ml装冲洗用0.9%氯化钠溶液充入液体袋。接入电源，在控制面板上利用温度+键、温度-键进行温度设定(开机预设加热温度为40℃)，按下温控键启动加热(当再次按下时停止加热)。当温度达到预设值时，自动停止加热；当温度低于预设值1℃时，继续加热，允许温度变化范围±1℃。

术中冲洗：在控制面板上利用气压+键、气压-键预设加热气囊气压值，按下气控键启动电机进行加压充气，一般1min左右能达到预设值；同时将冲洗管插入液体袋出液口103，打开冲洗管下端阀门即可使用。本设计在气压达到预设值后，自动停止加压，当温度低于预设值1kpa时，自动加压，允许气压变化范围为±1kpa。

术后处理：根据手术操作规程，完成相关处理后，再次按下温控键和气控键，打开放气阀5，加热气囊2放气并停止加热加压。取下冲洗管，关闭电源。

小结：在实际应用中，本设计用加压加热装置将原来的手术准备中单独的加热溶液和加压冲洗两个分时步骤合二为一，简化了手术准备的环节，减小了手术室人员的工作量，减轻了手术的操作难度和医护人员的劳动强度，对手术的顺利进行提供了有利条件，为加快手术进度，提高手术质量打下坚实基础。