CN101264352A - 自控医用灌注泵及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自控医用灌注泵及其控制方法，所述灌注泵包括执行模块、用于输入信息及接收并反馈信号的功能模块，用于控制功能模块及执行模块工作的控制模块，控制模块包括I/O单元、微处理芯片及存储单元，功能模块包括手动输入单元及信号I/O单元。本发明所述控制方法，包括如下步骤，输入用户指令，按照输入的用户指令选择相应工作模式，执行相关动作。本发明兼具独立工作模式或联动工作模式，其中联动工作模式受控于实施手术的手术设备，随手术设备的动或停实时控制其水流的开与关，实现了手术中水流的有效控制，减少了由于持续冲水而可能引发的水中毒并发症，或手术中冲洗水消耗过多或因过度冲水而引发人体体温的不必要的降低。
Description
技术领域
本发明涉及医用灌注泵，特别涉及一种自控医用灌注泵及其控制方法。
背景技术
随着医疗技术的发展，微创手术越来越广泛地用于临床手术过程中。微创手术过程中会产生局部高温或者附加物如烟雾，以及被切除的组织、冲洗出血等均需要水流冲洗。基于此Gemeinhardt和Spinosa等发明了医用灌注泵，详见美国专利US2773453和US3927955。医用灌注泵主要是通过手术过程中建立的手术通道，向实施手术的部位以适当的压力冲洗水流，避免手术过程中产生局部的高温，同时通过上述建立的通道带走手术产生的附加物如烟雾，被切除的组织，冲洗出血等。
但是，目前实施手术的设备与灌注泵是互不连接的，各自独立地工作。通常在微创手术开始即下内窥镜时灌注泵被打开，水流开始冲洗手术部位直至整个手术结束。但由于手术过程中，手术受到人体的呼吸，查找手术目标的干扰，手术的实效工作如切除、凝固被中途停止，此时并不需要冲洗手术目标，这样水不仅白白流走，同时带走大量的人体热量，可能导致水中毒或人体的降温反映或其它的一些并发症。
因此为了克服这种无效的冲水过程，需要发明了一种自控医用灌注泵及其控制方法，它的兼具两种工作模式，即独立工作模式或联动工作模式。联动工作模式受控于实施手术的手术设备如激光治疗机、电刀、射频刀、超声刀等，它随手术设备的动或停而开启或关闭。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种自控医用灌注泵及其控制方法，能够在手术过程中被手术设备实时控制其水流的开与关，以减少目前的医用灌注泵在手术过程中的持续冲水而可能引发的水中毒并发症，或手术中冲洗水消耗过多或因过度冲水而引发人体体温的不必要的降低。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种自控医用灌注泵，包括由伺服电机及传动机构组成的执行模块，执行模块驱动灌注泵工作，还增设了用于输入信息及接收并反馈信号的功能模块，用于控制功能模块及执行模块工作的控制模块，控制模块包括I/O单元、微处理芯片及存储单元，功能模块包括分别与I/O单元相连接的手动输入单元及信号I/O单元；
所述功能模块加电后，按用户指令由所述手动输入单元向所述I/O单元输入信息，并经所述微处理芯片按照存储在所述存储单元的控制程序处理后，再由所述微处理芯片驱动所述执行模块动作；
或者由所述信号I/O单元将接收到的手术设备源发射信号反馈给所述I/O单元，经所述微处理芯片识别后，按照程序驱动所述执行模块工作，所述信号I/O单元接收源发射信号并输出该信号如高电平时，所述I/O单元驱动所述伺服电机开启所述灌注泵开始注水，所述信号I/O单元接收并输出该信号如低电平时，所述I/O单元停止驱动所述伺服电机，所述灌注泵结束注水。
进一步的，所述的自控医用灌注泵的功能模块还连接有显示单元，用于显示灌注泵的主要参数。
所述自控医用灌注泵的控制方法，按照下述步骤进行操作，
步骤100，所述功能模块接收用户指令；
步骤101，按照用户指令向所述控制模块输入信息，触发所述控制模块调用程序，按照所述控制模块程序驱动所述执行模块做相应动作；
或者，步骤102，按照用户指令连通手术设备源发射信号并反馈给所述控制模块，经所述控制模块识别后，按照程序驱动所述执行模块做相应动作，如所述控制模块接收并输出高电平时，驱动所述伺服电机开启所述灌注泵开始注水，如所述控制模块接收并输出低电平时，停止驱动所述伺服电机，所述灌注泵结束注水。
进一步的，所述控制模块控制所述执行模块按照连续方式冲水；或者所述控制模块控制所述执行模块按照脉冲方式冲水，冲水方式由所述功能模块输入或者所述控制模块调用。
进一步的，所述步骤102中的控制模块控制所述执行模块与手术设备源发射信号完全同步工作；或者所述控制执行模块与手术设备源发射信号有一定的延时，延时时间由所述功能模块输入或所述控制模块调用。
本发明的有益效果是：相比现有技术，本发明自控医用灌注泵含有控制模块、功能模块及执行模块，它兼具独立工作模式或联动工作模式。其中，联动工作模式受控于实施手术的手术设备，随手术设备的动或停实时控制其水流的开与关，实现了手术中水流的有效控制，减少了由于持续冲水而可能引发的水中毒并发症，或手术中冲洗水消耗过多或因过度冲水而引发人体体温的不必要的降低。
附图说明
图1是本发明自控医用灌注泵的结构框图；
图2是本发明所述手术设备源发射信号Vsc示意图；
图3是本发明所述伺服电机控制信号Vmc示意图；
图4是本发明所述联动工作模式状态下伺服电机控制信号Vmc的变化示意图；
图5A是本发明所述连续式冲水方式下的伺服电机控制信号Vmc的示意图；
图5B是本发明所述脉冲式冲水方式下的伺服电机控制信号Vmc的示意图；
图6是本发明所述灌注泵优选实施例的结构框图；
图7是本发明所述灌注泵控制方法的流程图。
图中：10功能模块、11显示单元、12手动输入单元、13信号I/O单元，20控制模块、21I/O单元、22微处理芯片、23存储单元，30执行模块、31伺服电机、32传动单元，40电源单元；
22 89C51微处理芯片芯片、23 AT24C32 EPROM存储单元、21.1 8279键盘显示控制器、21.2 DAC0832 D/A转换电路、13.1信号I/O电路。
具体实施方式
参见图1，本发明所述的一种自控医用灌注泵及其控制方法，包括泵体执行模块30、功能模块10及控制模块20。其中，执行模块30通过电机转动而实现注水工作，包括伺服电机31及传动单元32，另外伺服电机可采用马达及马达驱动控制电路替代。
控制模块20用于控制功能模块10及执行模块30工作，包括I/O单元21、微处理芯片22及存储单元23，它们是通过数据总线、地址总线进行通信。微处理芯片22为目前常用的单片机。存储单元23包括目前常用的可擦除或永久性存储器，主要用来存储关键技术参数及程序。I/O单元21是目前常用的微处理芯片22的输入与输出接口电路。根据技术的发展情况，控制模块20中的I/O单元21、微处理芯片22及存储单元23即可以是现在的分体连接电路，也可以是集成在一片或几片芯片上的集成控制电路。
功能模块10用于输入信息及接收并反馈信号，包括分别与I/O单元21单向连接的手动输入单元12及显示单元11，与I/O单元21双向连接的信号I/O单元13。显示单元11的功能是将灌注泵的主要技术参数如流量、压力及工作状态在装置的面板上显示，可用数码管、液晶显示屏或指示灯。手动输入单元12是指安装在灌注泵上的控制按键或键盘或触摸屏，主要功能包括参数的选择与设置按键、控制模式的选择或功能的选择。信号I/O单元13包括灌注泵的信号输出接口及信号输入接口。灌注泵的信号输出接口主要是将灌注泵的主要技术参数，工作状态等在远端设备上显示或输出。灌注泵的信号输入接口主要是将管理直接或间接来自于手术设备的源发射控制信号Vsc的连接。直接连接是指上述信号Vsc直接通过目前常用的电缆、光缆或无线等手段将手术设备与灌注泵连接。间接连接是指上述信号Vsc先连到其它装置如手术室集中控制器，集中控制器再与灌注泵连接。伺服电机31驱动其传动单元32，实现灌注泵的冲水与停止冲水。伺服电机31的转速与灌注泵的注水水流速直接对应，并受来自微处理芯片22电压幅值可调的模拟信号Vmd的控制。Vmd的幅值越高，电机转动得越快，灌注泵的水流输出也就越快，越多。有关电机及传动装置可参考美国专利US2773453及US3927955。电源单元提供本发明所有模块需的电源。
手术设备主要是实施手术的器械如激光治疗机，电刀、超声刀等，其发射源分别为激光光源，高频信号源或超声波源。通常这些源由手术设备的控制开关，如脚踏开关或手动开关控制。发射控制信号Vsc是指当这些开关受到医生的操作时，通常会产生一个电压信号(如TTL，COMS信号等)状态的变化，如由低变为高电平，或有高变为低。参见图2，以TTL电平为例，在时间t0时脚踏开关被踏下，Vsc产生一个由0到+5V的跳变，在t1时脚踏开关被松开，Vsc由+5V回到0，手术设备的源停止发射功率信号。该信号作为源信号，经过处理后(如利用光偶隔离、射频调制或光纤传输等)被输送，在到达信号I/O单元13前或后被还原出源信号Vsc。该信号的功能类似于时钟信号。
与传统的灌注泵不同，本发明有两种工作模式，即传统的独立模式与联动模式(受控模式或远端模式)。独立模式是指本发明自己独立运行，工作过程不受外部其它设备的控制。而联动模式则装置工作状态受其它设备和本装置自身设置的控制，工作过程随外部信号的改变而改变。
独立工作模式：功能模块10得电时，按用户指令由手动输入单元12向I/O单元21输入信息选择独立工作模式，经微处理芯片22至存储单元23，再由微处理芯片22按照程序驱动执行模块30动作。此时，微处理芯片22将输出如图3所示的灌注泵电机控制信号Vmc。
联动工作模式：功能模块10得电时，按用户指令由信号I/O单元13将接收到的手术设备源发射信号反馈给I/O单元21选择联动工作模式，经微处理芯片22识别后，按照程序驱动执行模块30工作。此时，微处理芯片22输出的伺服电机31控制信号Vmc将受到Vsc的变化而变化，参见图4，在t0时刻，Vsc由低电平跳变成高电平，伺服电机31控制信号Vmc在经过Ti(＝t1-t0)的延时后即t1时，由低电平跳变到高电平，灌注泵开始冲水。在t11时刻，灌注泵相对Vsc信号Tf的延时后停止冲水。上述延时量Ti与Tf可以分别改变，其值根据不同的手术过程选取最佳值。Ti与Tf也可分别为零，此时的信号Vsc与Vmc完全同步。
本发明有两种水流模式，即连续与脉冲模式。连续模式时灌注泵提供连续的冲洗水流，不间断；而脉冲模式则是指灌注泵所提出的水流是间断的，不连续的方式。水流的两种模式可以通过灌注泵电机的控制信号Vmc或驱动信号Vmd来分别实现。通过伺服电机31控制信号Vmc实现的方式如图3所示，实线代表这时的伺服电机31工作在连续工作状态，即伺服电机31不间断地运转，灌注水流保持冲洗手术目标(此时伺服电机31驱动信号Vmd保持连续状态)。图3虚线代表这时的伺服电机31工作在脉冲工作状态，灌注泵间歇地或脉冲地提供水流。脉冲模式的两个关键参数是周期T＝ton+toff，占空比D＝ton/T。这两个参数可以通过手动输入单元12进行设置获得，也可通过手动输入单元12调用存储在微处理芯片22存储单元23中的程序而获得。本发明的独立与联动模式皆有上述两种水流模式。同理，图5A、5B分别给出的是采用伺服电机31驱动信号Vmd实现的连续水流与脉冲水流。但此时伺服电机31的控制信号Vmd只能选择图3中的实线及连续的状态。其中Vmd是一个模拟量，它的大小决定了伺服电机31转动的速度，幅值越大，转速越快，水流速也越大，相应的水压力也越高。
图6为本发明一个优选实施例，本发明的功能模块包括手动输入单元即键盘12、显示单元即LCD显示11及信号I/O单元即信号I/O电路13.1，控制模块的I/O单元包括键盘显示控制器(8279)21.1及D/A转换电路(DAC0832)21.2、微处理芯片22采用目前广泛使用的89C51微处理芯片，存储单元23采用容量为32K的的AT24C32。其中键盘输入12，显示单元11通过键盘显示控制器与微处理芯片89C51的P0口相联，存储单元AT24C32与微处理芯片的P2口的0、1脚相连，存储灌注泵的运行程序，参数延时时间Ti，Tf，脉冲水流模式时参数占空比D和周期T，或冲水时间ton和停止冲水toff，注水流速等。这些参数在设备开机时可以直接调用，也可通过键盘12输入方式进行设置，该设置信号通过键盘12及8279键盘显示控制器21.1与89C51微处理芯片22通讯。信号I/O电路13.1采用光欧隔离电路，将手术设备源的发射信号Vsc同相位地传送至微处理芯片89C51的P2口的第2脚，并实现与上述手术设备源信号的隔离。伺服电机31的控制信号Vmc直接由89C51微处理芯片的P2口3脚发指令，实现灌注泵伺服电机31的注水与停止注水。该信号采用5V的TTL电平并与伺服电机31的信号输入兼容。灌注泵的注水水流速度(水流量)由89C51微处理芯片的P1口输出经过8位的数模DAC0832D/A转换电路变成伺服电机31的速度控制信号Vmd(模拟信号)，该值得变化范围0-5V，并与伺服电机31的转速控制输入兼容。
当灌注泵的工作模式通过键盘12设置在独立模式时，灌注泵按照设置的水流速或连续水流或脉冲水流冲水。这种水流模式也通过键盘12进行设置。当灌注泵的工作模式通过键盘12设置在联动模式时，此时微处理芯片22通过信号I/O电路13.1扫描接入的手术设备源发射控制信号Vsc，在t0时刻微处理芯片21接受到该信号，在经过Ti时刻的延时后即时刻t1，微处理芯片21产生灌注泵伺服电机31的控制信号Vmc(Vmc＝5V)。在t10时刻微处理芯片扫描到Vsc信号由+5V变到0(即手术设备源发射停止发射)，在经过Tf时刻的延时后即时刻t11，89C51微处理芯片21将灌注泵伺服电机31的控制信号Vmc输出0，灌注泵伺服电机31停止运转，灌注泵停止注水。这期间灌注泵的注水水流量(水流速)由通过键盘12设定的参数或调用存储单元23中的参数决定。89C51微处理芯片经过DAC0832D/A转换电路21.2后的Vmd的大小与灌注泵的注水量(流速)相对应。相关的参数通过8279键盘显示控制器在LCD显示11上显示。
微处理芯片系统采用+5V供电，伺服电机采用+18V供电。
如图7所示，本发明所述的控制方法，按照下述步骤进行操作，
步骤100，所述功能模块接收用户指令；
步骤101，按照用户指令向所述控制模块输入信息，触发所述控制模块调用程序，按照所述控制模块程序驱动所述执行模块做相应动作，即所述灌注泵执行独立工作模式；
或者，步骤102，按照用户指令连通手术设备源发射信号并反馈给所述控制模块，经所述控制模块识别后，按照程序驱动所述执行模块做相应动作，如所述控制模块接收并输出高电平时，驱动所述伺服电机开启所述灌注泵开始注水，如所述控制模块接收并输出低电平时，停止驱动所述伺服电机，所述灌注泵结束注水，即所述灌注泵执行联动工作模式。
所述控制模块控制所述执行模块按照连续方式冲水；或者所述控制模块控制所述执行模块按照脉冲方式冲水，冲水方式由所述功能模块输入或者所述控制模块调用。
所述步骤102中的控制模块控制所述执行模块与手术设备源发射信号完全同步工作；或者所述控制执行模块与手术设备源发射信号有一定的延时，延时时间由所述功能模块输入或所述控制模块调用。
本发明兼具独立工作模式或联动工作模式，其中联动工作模式受控于实施手术的手术设备，随手术设备的动或停实时控制其水流的开与关，实现了手术中水流的有效控制，减少了由于持续冲水而可能引发的水中毒并发症，或手术中冲洗水消耗过多或因过度冲水而引发人体体温的不必要的降低。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种自控医用灌注泵，包括由伺服电机及传动机构组成的执行模块，执行模块驱动灌注泵工作，其特征在于：还增设了用于输入信息及接收并反馈信号的功能模块，用于控制功能模块及执行模块工作的控制模块，控制模块包括I/O单元、微处理芯片及存储单元，功能模块包括分别与I/O单元相连接的手动输入单元及信号I/O单元；
所述功能模块加电后，按用户指令由所述手动输入单元向所述I/O单元输入信息，并经所述微处理芯片按照存储在所述存储单元的控制程序处理后，再由所述微处理芯片驱动所述执行模块动作；
或者由所述信号I/O单元将接收到的手术设备源发射信号反馈给所述I/O单元，经所述微处理芯片识别后，按照程序驱动所述执行模块工作，所述信号I/O单元接收源发射信号并输出该信号如高电平时，所述I/O单元驱动所述伺服电机开启所述灌注泵开始注水，所述信号I/O单元接收并输出该信号如低电平时，所述I/O单元停止驱动所述伺服电机，所述灌注泵结束注水。
2.根据权利要求1所述的自控医用灌注泵，其特征在于：所述功能模块还连接有显示单元，用于显示灌注泵的主要参数。
3.根据权利要求1所述自控医用灌注泵的控制方法，其特征在于：按照下述步骤进行操作，
步骤100，所述功能模块接收用户指令；
步骤101，按照用户指令向所述控制模块输入信息，触发所述控制模块调用程序，按照所述控制模块程序驱动所述执行模块做相应动作；
或者，步骤102，按照用户指令连通手术设备源发射信号并反馈给所述控制模块，经所述控制模块识别后，按照程序驱动所述执行模块做相应动作，如所述控制模块接收并输出高电平时，驱动所述伺服电机开启所述灌注泵开始注水，如所述控制模块接收并输出低电平时，停止驱动所述伺服电机，所述灌注泵结束注水。
4.根据权利要求3所述自控医用灌注泵的控制方法，其特征在于：所述控制模块控制所述执行模块按照连续方式冲水；
或者所述控制模块控制所述执行模块按照脉冲方式冲水，冲水方式由所述功能模块输入或者所述控制模块调用。
5.根据权利要求3或4所述自控医用灌注泵的控制方法，其特征在于：所述步骤102中的控制模块控制所述执行模块与手术设备源发射信号完全同步工作；
或者所述控制执行模块与手术设备源发射信号有一定的延时，延时时间由所述功能模块输入或所述控制模块调用。
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