探析一次性等離子手術(shù)刀控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

北京市理工大學(xué)附中（100089）陳搏

北京市第19中學(xué)（100089）陳拓

北京杰西慧中科技有限公司（100086）劉向東

1 概述

“等離子體”概念始創(chuàng)于二十世紀(jì)五十年代，作為迅速發(fā)展的新興學(xué)科，其低溫等離子體、冷等離子體、熱等離子體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子、工業(yè)、軍事及日常生活等眾多領(lǐng)域。低溫等離子體作為一種高新技術(shù)，因其對(duì)臨床醫(yī)學(xué)的突出貢獻(xiàn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注。等離子體手術(shù)刀也應(yīng)運(yùn)而生。低溫等離子消融技術(shù)也因此備受關(guān)注，與傳統(tǒng)的手術(shù)相比，低溫等離子消融技術(shù)有著低溫、微創(chuàng)、精確、方便、安全等特點(diǎn)。它現(xiàn)在在鼻炎、扁桃體、腺樣體、咽喉、關(guān)節(jié)等疾病治療上得到了廣泛的應(yīng)用。

等離子手術(shù)刀具有傳統(tǒng)射頻手術(shù)刀不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，然而由于等離子手術(shù)刀的可重復(fù)使用性和高成本，許多醫(yī)院常常忽略它的使用壽命和規(guī)范，在手術(shù)過(guò)程中沒(méi)有專(zhuān)業(yè)人員記錄手術(shù)刀的使用次數(shù)和運(yùn)行情況，長(zhǎng)期使用會(huì)大大降低其有效性，導(dǎo)致手術(shù)事故。基于這種狀況，在臨床手術(shù)中，正確識(shí)別手術(shù)電極，記錄其插拔次數(shù)、剩余使用次數(shù)或時(shí)間、作用時(shí)間和運(yùn)行情況，確保與高頻電外科設(shè)備的有效連接非常必要。為防止重復(fù)使用，需要對(duì)手術(shù)刀的使用次數(shù)或使用時(shí)間進(jìn)行人為限制。

國(guó)外針對(duì)等離子手術(shù)刀的一次性使用問(wèn)題主要采用機(jī)械方法和電子方法。機(jī)械方式是在等離子手術(shù)刀的刀柄內(nèi)加裝一套機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)手術(shù)刀插入手術(shù)系統(tǒng)的主機(jī)接口內(nèi)后，觸發(fā)該裝置，當(dāng)拔掉手術(shù)刀后改裝置不能復(fù)原，若再次插上該手術(shù)刀時(shí)，主機(jī)無(wú)法識(shí)別該刀頭，解決了手術(shù)刀一次性使用問(wèn)題。

電子方式是在手術(shù)系統(tǒng)的主機(jī)和手術(shù)刀的刀柄內(nèi)分別加裝一套電路，主機(jī)內(nèi)加裝計(jì)時(shí)電路和供電電路，手術(shù)刀手柄內(nèi)加裝熔斷電路，當(dāng)手術(shù)的使用時(shí)間達(dá)到最大使用時(shí)間時(shí)，觸發(fā)放電電路使刀柄內(nèi)熔斷電路的電流迅速升高并將其熔斷，從而實(shí)現(xiàn)限制手術(shù)刀使用時(shí)間的目的。

附表 寫(xiě)DS2431數(shù)據(jù)幀格式

以上兩種方式功能單一，不利于手術(shù)刀的維護(hù)以及后期的產(chǎn)品追溯。本文在參考了既有方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單總線存儲(chǔ)器DS2431的等離子手術(shù)刀識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了限制手術(shù)刀使用次數(shù)的目的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同功能手術(shù)刀的識(shí)別以及設(shè)備的維護(hù)和檢測(cè)功能，由于每把手術(shù)刀具有唯一的識(shí)別代碼，也解決了產(chǎn)品追溯問(wèn)題。

2 單總線存儲(chǔ)器DS2431

DS2431是美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的1024位串行EEPROM存儲(chǔ)芯片，由四個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)組成，每頁(yè)256位，采用1-Wire接口技術(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的1-Wire協(xié)議對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，讀寫(xiě)速率為15.4kbps或125kbps。每個(gè)DS2431器件都有唯一的、不可更改的64位ROM地址碼，該地址碼可在一個(gè)多點(diǎn)的1-Wire網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用于對(duì)器件進(jìn)行尋址。其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如附圖1所示。

DS2431芯片只有兩個(gè)引腳：I/O和GND，它采用單根信號(hào)線既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)提供工作電源，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向，節(jié)省了I/O資源，因此采用DS2431作為存儲(chǔ)器可以簡(jiǎn)化電路，降低成本，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3 控制電路

主機(jī)控制芯片采用Atmega128A，它是8位低功耗微處理器，具有如下主要特點(diǎn)：128K字節(jié)片內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)EEPROM，53個(gè)通用I/O端口，4路具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)USART，8通道10位ADC等。

附圖1 DS2431內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)框圖

附圖2 單片機(jī)與等離子手術(shù)刀接線圖

附圖3 CPU寫(xiě)DS2431流程

附圖4 手術(shù)刀識(shí)別流程

它在等離子手術(shù)系統(tǒng)處于核心位置，既是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，也要參與數(shù)據(jù)的處理，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度。

4 一次性等離子手術(shù)刀識(shí)別電路設(shè)計(jì)

識(shí)別電路用于對(duì)一次性手術(shù)刀插拔的識(shí)別，使用次數(shù)的限制，識(shí)別刀的類(lèi)型以及產(chǎn)品信息等，主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

4.1 硬件電路設(shè)計(jì) 在實(shí)際使用中，將DS4231固定在手術(shù)刀的手柄內(nèi)，通過(guò)一個(gè)三針的插座與主機(jī)相連。其示意圖如附圖2所示。刀頭識(shí)別信號(hào)用于判斷手術(shù)刀是否插上主機(jī)，當(dāng)主機(jī)未插手術(shù)刀時(shí)PA0口為高電平，當(dāng)插上手術(shù)刀時(shí)，刀柄內(nèi)電路將PA0口的電平拉低，單片機(jī)可以根據(jù)PA0口的電平變化識(shí)別手術(shù)刀是否插上。手術(shù)刀與主機(jī)連接后，單片機(jī)的PA1口也與DS2431的I/O相連，可以對(duì)DS2431進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

4.2 軟件設(shè)計(jì) Atmega128A硬件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要分為兩個(gè)部分，寫(xiě)手術(shù)刀信息部分和識(shí)別手術(shù)刀部分。單總線器件對(duì)時(shí)序的要求較為嚴(yán)格，在對(duì)DS2431進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)要嚴(yán)格按照說(shuō)明文檔的要求進(jìn)行。對(duì)DS2431寫(xiě)操作的軟件流程如附圖3所示。等離子手術(shù)刀的信息需提前寫(xiě)入到DS2431，其基本數(shù)據(jù)幀格式如附表所示。

附表中，切割檔位和止血檔位是當(dāng)手術(shù)刀與主機(jī)連接后，主機(jī)上顯示的手術(shù)刀正常工作時(shí)的默認(rèn)檔位，不同用途的手術(shù)刀默認(rèn)檔位不同，如用于骨科的手術(shù)刀默認(rèn)檔位切割為7，止血為3。刀的類(lèi)型代碼表示手術(shù)刀用于哪種手術(shù)。使用標(biāo)志記錄該手術(shù)刀的使用次數(shù)或使用時(shí)間。生產(chǎn)工號(hào)記錄該手術(shù)刀的生產(chǎn)人員信息。其中生產(chǎn)工號(hào)和生產(chǎn)批號(hào)可用作手術(shù)刀追溯、日常維護(hù)和檢測(cè)的依據(jù)。手術(shù)刀識(shí)別的軟件流程如附圖4所示。

對(duì)于等離子手術(shù)刀的使用次數(shù)或使用時(shí)間的限制是通過(guò)數(shù)據(jù)中使用標(biāo)志位的判斷實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)手術(shù)刀與主機(jī)系統(tǒng)連接后，CPU讀取DS2431存儲(chǔ)區(qū)的全部數(shù)據(jù)，根據(jù)使用標(biāo)志位的數(shù)值判斷刀的使用次數(shù)或使用時(shí)間，等離子手術(shù)刀為一次性消耗品，不允許重復(fù)使用，正常情況下使用標(biāo)志位應(yīng)為0，表示該手術(shù)刀為新刀，未使用過(guò)，可以繼續(xù)手術(shù)。若CPU讀取的使用標(biāo)志數(shù)值不為0，則表示該刀已經(jīng)使用，不能繼續(xù)手術(shù)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警示音并改變狀態(tài)燈的顏色進(jìn)行提示，標(biāo)志位的數(shù)值為使用過(guò)的次數(shù)或使用過(guò)的時(shí)間，需要更換手術(shù)刀。

數(shù)據(jù)幀的6到12字節(jié)為生產(chǎn)工號(hào)和生產(chǎn)批號(hào)，主要用于記錄手術(shù)刀的生產(chǎn)時(shí)間，規(guī)格型號(hào)，裝配員工的編號(hào)等，作為手術(shù)設(shè)備日常維護(hù)與檢測(cè)的依據(jù)。

5 結(jié)論

本文研究了一次性等離子手術(shù)刀的使用特點(diǎn)，參考國(guó)外相似產(chǎn)品，提出了一種基于單總線存儲(chǔ)器DS2431的一次性手術(shù)刀的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案能準(zhǔn)確記錄手術(shù)刀的使用次數(shù)并作出判斷，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)刀的一次使用，避免了重復(fù)使用問(wèn)題，保證了醫(yī)患人員的人身安全，同時(shí)方便了設(shè)備的維護(hù)與檢測(cè)。