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    基于CORTEX-M4 單片機(jī)的醫(yī)療器械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

    2023-07-28 07:24:56
    科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年18期
    關(guān)鍵詞:牙科座椅醫(yī)療器械

    王 鵬

    (上海優(yōu)醫(yī)基醫(yī)學(xué)科技有限公司,上海)

    引言

    隨著中國(guó)人民生活水平的不斷提升,同時(shí)人均GDP 逐年增長(zhǎng),口腔健康已經(jīng)越來(lái)越被人們重視,牙科醫(yī)療器械需求每年也在大幅增加[1]。2020 年中國(guó)口腔診療服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)1 257 億元,2021 年為1 461 億元,同比增長(zhǎng)16.2%,預(yù)計(jì)2020 年至2030 年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為11.1%。潛在的消費(fèi)市場(chǎng)非常巨大,所以作為民營(yíng)企業(yè)生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)前景非常好。

    UEG 醫(yī)療集團(tuán)經(jīng)營(yíng)牙科醫(yī)療器械已經(jīng)有10 年歷史,為了實(shí)現(xiàn)牙科診所一體化目標(biāo),先后對(duì)三合一影像系統(tǒng)(CBCT)、清洗消毒機(jī)、牙科綜合治療平臺(tái)等眾多產(chǎn)品進(jìn)行立項(xiàng),并走向自主研發(fā)道路,此課題研究的牙科綜合治療平臺(tái)就是其中一款產(chǎn)品。

    1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    1.1 關(guān)鍵組成部件

    主控器械盤(pán)、輔控器械盒、腳控器、病人椅、治療機(jī)、電箱。

    1.2 材料選用

    材料選用情況見(jiàn)表1。

    表1 材料選用情況

    1.3 系統(tǒng)主要功能配置

    系統(tǒng)主要功能配置見(jiàn)表2。

    表2 系統(tǒng)主要功能配置

    2 牙科綜合治療平臺(tái)研發(fā)技術(shù)重難點(diǎn)與解決方案

    2.1 控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

    此手控器控制單元的主要工作原理是:患者通過(guò)迪文觸摸屏或輔助控制器按鍵輸入控制指令給Cortex-M4 單片機(jī),單片機(jī)先從EEPROM 芯片讀取牙椅存儲(chǔ)參數(shù)(每個(gè)用戶最佳坐姿角度參數(shù)),然后根據(jù)觸摸屏里醫(yī)生選取菜單功能開(kāi)始工作,驅(qū)動(dòng)座椅電機(jī)運(yùn)動(dòng)[2]。同時(shí)實(shí)時(shí)從角度傳感器位移傳感器采集RS485數(shù)據(jù),精確定位座椅運(yùn)動(dòng)位置。所有設(shè)置參數(shù)都實(shí)時(shí)在LCD 屏幕上顯示,數(shù)據(jù)通過(guò)RS485 接口與主板通訊,也可以通過(guò)PC 來(lái)監(jiān)控。

    2.2 電子電氣硬件部分設(shè)計(jì)

    電子電氣硬件部分主要由6 個(gè)模塊組成,分別是電源模塊、治療主機(jī)模塊、病人椅模塊、腳控器模塊、主控器械盤(pán)模塊、輔控制器械盒模塊。

    開(kāi)關(guān)電源模塊主要有2 個(gè),PSU1 采用了明偉24 V 100 W 功率開(kāi)關(guān)電源[3],主要是給主板、電磁閥等部件供電;PSU2 電源采用了明偉24 V 660 W 功率開(kāi)關(guān)電源,主要是給熱水器、座椅電機(jī)供電。

    治療主機(jī)模塊主要采用了STM32F407 單片機(jī)作為控制芯片,參見(jiàn)圖1,單片機(jī)分別對(duì)座椅的升降電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行I/O 輸出驅(qū)動(dòng),熱水器和照明燈進(jìn)行I/O 輸出開(kāi)關(guān),對(duì)光固化機(jī)、潔牙機(jī)、低速手機(jī)、高速手機(jī)、剎車(chē)、水氣總閥、水閥、氣閥、熱水器控制、管道、沖盂、漱口、負(fù)壓抽、消毒瓶、沖洗、消毒、供水消毒燈、凈水瓶進(jìn)行I/O 輸出控制。通過(guò)RS232 接口實(shí)現(xiàn)了迪文串口觸摸屏通訊,通過(guò)RS485 接口實(shí)時(shí)收集電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)使座椅精確定位并有位置存儲(chǔ)功能,通過(guò)RS485 接口連接輔控器實(shí)現(xiàn)輔控器控制座椅等功能,通過(guò)I/O 輸入實(shí)現(xiàn)有線腳踏控制功能,通過(guò)TTL 接口和RF 模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線腳踏控制功能,通過(guò)I/O 輸入功能實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)關(guān)輸入、光固化機(jī)掛架開(kāi)關(guān)輸入、潔牙機(jī)掛架開(kāi)關(guān)輸入、低速手機(jī)掛架開(kāi)關(guān)輸入、高速手機(jī)掛架開(kāi)關(guān)輸入、供水切換輸入、供水保護(hù)開(kāi)關(guān)輸入、熱水器信號(hào)輸入。

    圖1 控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    病人椅模塊主要采用了安全開(kāi)關(guān)、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、位移編碼器實(shí)現(xiàn)了座椅上下和俯仰運(yùn)動(dòng),對(duì)座椅精確定位,實(shí)現(xiàn)了座椅位置存儲(chǔ)功能。

    腳控器模塊主要采用了一個(gè)RF 模塊,實(shí)現(xiàn)了有線和無(wú)線兩種控制方式。實(shí)現(xiàn)座椅俯仰運(yùn)動(dòng)腳動(dòng)控制,水閥、氣閥的腳動(dòng)控制。

    主控器械盤(pán)模塊主要采用了現(xiàn)成的高速手機(jī)、氣馬達(dá)手機(jī)、電馬達(dá)手機(jī)、超聲潔牙機(jī)、三用噴槍、光固化機(jī)。對(duì)這些現(xiàn)成部件拿起、放下進(jìn)行I/O 檢測(cè),對(duì)其開(kāi)關(guān)進(jìn)行I/O 輸出控制。

    輔助控制器模塊主要采用STM32F103 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了11 個(gè)按鍵輸入,4 個(gè)LED 指示輸出,RS485 與主板通訊功能,還有一個(gè)24 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電源轉(zhuǎn)換。

    2.3 軟件算法部分設(shè)計(jì)

    軟件算法部分主要分3 個(gè)部分組成,分別是觸控屏程序算法、主板程序算法、輔助控制器程序算法。

    首先設(shè)備進(jìn)行初始化包括:a.單片機(jī)系統(tǒng)初始化;b.迪文串口觸摸屏初始化;c.按鍵初始化;d.I/O 口初始化;e.RS485 端口控制電機(jī)位置初始化;f.定時(shí)初始化;g.EEprom 芯片數(shù)據(jù)讀取初始化。

    其次從EEPROM 芯片和時(shí)鐘芯片中讀取預(yù)存參數(shù)數(shù)據(jù),包括:a.每個(gè)醫(yī)生存儲(chǔ)的上一次座椅位置參數(shù);b.升降電機(jī)極限位置參數(shù);c.旋轉(zhuǎn)電機(jī)極限位置參數(shù);d.痰盂注水時(shí)間參數(shù);e.漱口杯注水時(shí)間參數(shù);f.年月日時(shí)間參數(shù);g.管路沖洗時(shí)間參數(shù);h.調(diào)回漱口位時(shí)自動(dòng)熄燈使能參數(shù);i.屏幕按鍵音使能參數(shù);j.電馬達(dá)手機(jī)參數(shù);h.氣馬達(dá)手機(jī)參數(shù);i.高速手機(jī)參數(shù);k.超聲潔牙機(jī)強(qiáng)度參數(shù)。

    然后就進(jìn)入一個(gè)循環(huán),I/O 輸入讀?。ū热绨存I、安全開(kāi)關(guān)等參見(jiàn)圖1 的DI)、迪文串口屏RS232 命令讀寫(xiě)與顯示、旋轉(zhuǎn)電機(jī)角度編碼器和升降電機(jī)位移傳感器RS485 數(shù)據(jù)讀取、I/O 輸出(電機(jī)運(yùn)行、照明燈控制等參見(jiàn)圖1 的DO)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí),看門(mén)狗喂狗。

    主板程序流程見(jiàn)圖2。

    圖2 主板程序流程

    2.4 EMC 和安規(guī)測(cè)試和優(yōu)化

    牙科綜合治療平臺(tái)的電氣安全等級(jí)是1 級(jí)B 類(lèi),安規(guī)要求按照IEC/EN 60601-1 的規(guī)定[4-5],比如接地電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求:<0.1 Ω,實(shí)測(cè)0.072 Ω。剩余電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求:插腳1 與2 之間/插腳1 與外殼之間/插腳2 與外殼之間均<60 V;實(shí)測(cè):0.5 V。耐壓測(cè)試網(wǎng)電源到外殼之間:1 500 V,網(wǎng)電源到熱水器之間:500 V,網(wǎng)電源到應(yīng)用部分之間:4 000 V,應(yīng)用部分到應(yīng)用部分之間:4 000 V,網(wǎng)電源到腳踏器之間:4 000 V,腳踏器外殼到腳踏器電源之間:500 V。實(shí)測(cè)均符合要求。

    EMC 設(shè)計(jì)優(yōu)化主要由針對(duì)醫(yī)療設(shè)備對(duì)外界電磁干擾影響EMI,以及受外界電磁干擾因素EMS 兩部分組成。EMS 包括ESD、CS、EFT、SURGE、PFMF、DIPS。EMI 包括CE、RE、HARMONIC、FLICKER、Interference power。

    此處以EMI(CE)重點(diǎn)舉例,此次開(kāi)發(fā)其他項(xiàng)目檢測(cè),在檢測(cè)所并未發(fā)生參數(shù)超標(biāo)。只有EMI(CE)發(fā)生了超標(biāo),并且進(jìn)行了后期優(yōu)化。主要原因是電源模塊會(huì)產(chǎn)生低頻發(fā)射干擾。電源布線或電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中沒(méi)有處理好,就會(huì)在30~50 Mhz 附近產(chǎn)生超標(biāo)干擾信號(hào)。為了防止這些位置超標(biāo),線路板電源部分要一個(gè)π 型濾波回路,高頻濾波電容和低頻濾波電容最好是3 個(gè)數(shù)量級(jí)為宜,比如放0.1 uf 陶瓷電容和100 uf 極性鉭電容。最易產(chǎn)生發(fā)射干擾的器件電源端要加磁珠或電感。

    3 結(jié)論

    通過(guò)UEG 牙科綜合治療平臺(tái)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和研究,熟悉醫(yī)療器械研發(fā)的整個(gè)生命周期每個(gè)環(huán)節(jié)、安規(guī)及EMC 的要求和各種檢測(cè)方法,為今后更加復(fù)雜的國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械研發(fā)做好了鋪墊。同時(shí)發(fā)現(xiàn),將電子技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)的有源醫(yī)療器械相融合,可最大限度發(fā)揮價(jià)值,造福國(guó)人,不斷突破國(guó)外技術(shù)壟斷的局面,是一個(gè)前景美好的朝陽(yáng)行業(yè)。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)更加專(zhuān)注投入醫(yī)療器械研發(fā)工作中,可將電子研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和醫(yī)療行業(yè)進(jìn)行完美融合,研發(fā)出更多國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械。

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