探析一次性等離子手術刀控制系統的實現

北京市理工大學附中（100089）陳搏

北京市第19中學（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”概念始創于二十世紀五十年代，作為迅速發展的新興學科，其低溫等離子體、冷等離子體、熱等離子體技術已廣泛應用于醫學、電子、工業、軍事及日常生活等眾多領域。低溫等離子體作為一種高新技術，因其對臨床醫學的突出貢獻，越來越受到國內外專家學者的關注。等離子體手術刀也應運而生。低溫等離子消融技術也因此備受關注，與傳統的手術相比，低溫等離子消融技術有著低溫、微創、精確、方便、安全等特點。它現在在鼻炎、扁桃體、腺樣體、咽喉、關節等疾病治療上得到了廣泛的應用。

等離子手術刀具有傳統射頻手術刀不可比擬的優點，然而由于等離子手術刀的可重復使用性和高成本，許多醫院常常忽略它的使用壽命和規范，在手術過程中沒有專業人員記錄手術刀的使用次數和運行情況，長期使用會大大降低其有效性，導致手術事故。基于這種狀況，在臨床手術中，正確識別手術電極，記錄其插拔次數、剩余使用次數或時間、作用時間和運行情況，確保與高頻電外科設備的有效連接非常必要。為防止重復使用，需要對手術刀的使用次數或使用時間進行人為限制。

國外針對等離子手術刀的一次性使用問題主要采用機械方法和電子方法。機械方式是在等離子手術刀的刀柄內加裝一套機械結構，當手術刀插入手術系統的主機接口內后，觸發該裝置，當拔掉手術刀后改裝置不能復原，若再次插上該手術刀時，主機無法識別該刀頭，解決了手術刀一次性使用問題。

電子方式是在手術系統的主機和手術刀的刀柄內分別加裝一套電路，主機內加裝計時電路和供電電路，手術刀手柄內加裝熔斷電路，當手術的使用時間達到最大使用時間時，觸發放電電路使刀柄內熔斷電路的電流迅速升高并將其熔斷，從而實現限制手術刀使用時間的目的。

附表 寫DS2431數據幀格式

以上兩種方式功能單一，不利于手術刀的維護以及后期的產品追溯。本文在參考了既有方法的基礎上，提出了一種基于單總線存儲器DS2431的等離子手術刀識別方法，實現了限制手術刀使用次數的目的，并且能夠實現對不同功能手術刀的識別以及設備的維護和檢測功能，由于每把手術刀具有唯一的識別代碼，也解決了產品追溯問題。

2 單總線存儲器DS2431

DS2431是美國Maxim公司生產的1024位串行EEPROM存儲芯片，由四個存儲頁組成，每頁256位，采用1-Wire接口技術，通過標準的1-Wire協議對內部存儲區的數據進行讀寫，讀寫速率為15.4kbps或125kbps。每個DS2431器件都有唯一的、不可更改的64位ROM地址碼，該地址碼可在一個多點的1-Wire網絡環境中用于對器件進行尋址。其存儲結構如附圖1所示。

DS2431芯片只有兩個引腳：I/O和GND，它采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數據，同時提供工作電源，而且數據傳輸是雙向，節省了I/O資源，因此采用DS2431作為存儲器可以簡化電路，降低成本，便于總線擴展和維護等優點。

3 控制電路

主機控制芯片采用Atmega128A，它是8位低功耗微處理器，具有如下主要特點：128K字節片內可編程Flash，4K字節EEPROM，53個通用I/O端口，4路具有比較模式和PWM功能的定時器/計數器，兩個USART，8通道10位ADC等。

附圖1 DS2431內部存儲結構框圖

附圖2 單片機與等離子手術刀接線圖

附圖3 CPU寫DS2431流程

附圖4 手術刀識別流程

它在等離子手術系統處于核心位置，既是整個系統的控制中心，也要參與數據的處理，具有較強的數據處理能力和處理速度。

4 一次性等離子手術刀識別電路設計

識別電路用于對一次性手術刀插拔的識別，使用次數的限制，識別刀的類型以及產品信息等，主要分為硬件設計和軟件設計。

4.1 硬件電路設計 在實際使用中，將DS4231固定在手術刀的手柄內，通過一個三針的插座與主機相連。其示意圖如附圖2所示。刀頭識別信號用于判斷手術刀是否插上主機，當主機未插手術刀時PA0口為高電平，當插上手術刀時，刀柄內電路將PA0口的電平拉低，單片機可以根據PA0口的電平變化識別手術刀是否插上。手術刀與主機連接后，單片機的PA1口也與DS2431的I/O相連，可以對DS2431進行讀寫操作。

4.2 軟件設計 Atmega128A硬件程序采用C語言編寫，主要分為兩個部分，寫手術刀信息部分和識別手術刀部分。單總線器件對時序的要求較為嚴格，在對DS2431進行讀寫操作時要嚴格按照說明文檔的要求進行。對DS2431寫操作的軟件流程如附圖3所示。等離子手術刀的信息需提前寫入到DS2431，其基本數據幀格式如附表所示。

附表中，切割檔位和止血檔位是當手術刀與主機連接后，主機上顯示的手術刀正常工作時的默認檔位，不同用途的手術刀默認檔位不同，如用于骨科的手術刀默認檔位切割為7，止血為3。刀的類型代碼表示手術刀用于哪種手術。使用標志記錄該手術刀的使用次數或使用時間。生產工號記錄該手術刀的生產人員信息。其中生產工號和生產批號可用作手術刀追溯、日常維護和檢測的依據。手術刀識別的軟件流程如附圖4所示。

對于等離子手術刀的使用次數或使用時間的限制是通過數據中使用標志位的判斷實現的。當手術刀與主機系統連接后，CPU讀取DS2431存儲區的全部數據，根據使用標志位的數值判斷刀的使用次數或使用時間，等離子手術刀為一次性消耗品，不允許重復使用，正常情況下使用標志位應為0，表示該手術刀為新刀，未使用過，可以繼續手術。若CPU讀取的使用標志數值不為0，則表示該刀已經使用，不能繼續手術，系統會發出警示音并改變狀態燈的顏色進行提示，標志位的數值為使用過的次數或使用過的時間，需要更換手術刀。

數據幀的6到12字節為生產工號和生產批號，主要用于記錄手術刀的生產時間，規格型號，裝配員工的編號等，作為手術設備日常維護與檢測的依據。

5 結論

本文研究了一次性等離子手術刀的使用特點，參考國外相似產品，提出了一種基于單總線存儲器DS2431的一次性手術刀的設計方案，經過試驗驗證，該方案能準確記錄手術刀的使用次數并作出判斷，實現了手術刀的一次使用，避免了重復使用問題，保證了醫患人員的人身安全，同時方便了設備的維護與檢測。