醫(yī)用充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒的設(shè)計(jì)

陳仁金，孫小楊，楊波，龐皓文，石翔翔

西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 腫瘤科，四川 瀘州 646000

引言

一些婦科手術(shù)（宮腔鏡、人工流產(chǎn)、刮宮術(shù)、放取環(huán)等）需對(duì)宮頸進(jìn)行擴(kuò)張以及在對(duì)婦科腫瘤（宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌等）患者實(shí)施近距離后裝放射治療時(shí)，為了能夠更好地放置后裝施源器，同樣需要對(duì)患者宮頸做擴(kuò)張準(zhǔn)備[1-3]。但是，對(duì)于宮頸粘連或?qū)m頸萎縮患者，擴(kuò)宮操作往往非常困難。目前，臨床上現(xiàn)有的常用擴(kuò)張宮頸的方法為：采用直徑不同的鋼棒，先用直徑最小的擴(kuò)宮棒探查子宮的位置、形態(tài)，然后從小到大依次換用不同直徑的擴(kuò)宮棒放入宮頸，在宮頸停留一段時(shí)間后再取出更換更大直徑的擴(kuò)宮棒，如此反復(fù)插拔不同直徑的擴(kuò)宮棒以達(dá)到擴(kuò)張宮頸的目的。然而，通過這種反復(fù)插拔的操作，使擴(kuò)宮棒與緊縮的宮頸表面反復(fù)強(qiáng)烈摩擦，不僅增加患者的疼痛感，還會(huì)加劇宮頸表面毛細(xì)血管的破裂，導(dǎo)致宮頸內(nèi)外口損傷，甚至導(dǎo)致患者出血過多，難以確保擴(kuò)張宮頸的過程安全順利進(jìn)行。同時(shí)，不同直徑的擴(kuò)宮棒反復(fù)多次進(jìn)入宮腔，容易將污染物帶入宮腔，使腔內(nèi)感染的概率增大。再次，醫(yī)生需要不停的更換直徑不同的擴(kuò)宮棒，操作非常繁瑣，耗時(shí)長。海藻宮頸擴(kuò)張棒與鋼棒相比，能夠減小鋼棒強(qiáng)行機(jī)械擴(kuò)張導(dǎo)致的宮頸損傷和出血等并發(fā)癥，安全可靠[4]，但是海藻宮頸擴(kuò)張棒擴(kuò)宮過程耗時(shí)長，主要應(yīng)用于人工流產(chǎn)領(lǐng)域[5]，實(shí)時(shí)擴(kuò)張宮頸的臨床應(yīng)用不多。

因此，研發(fā)一種能夠減少患者出血和痛苦，縮短醫(yī)生的操作時(shí)間并簡化擴(kuò)張宮頸過程的實(shí)時(shí)擴(kuò)宮棒，具有非常重要的臨床應(yīng)用意義[6]。本文針對(duì)現(xiàn)有擴(kuò)宮棒存在的缺點(diǎn)，將現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)擴(kuò)宮棒的設(shè)計(jì)中，研制了一種醫(yī)用充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒，以解決現(xiàn)有擴(kuò)宮棒存在的諸多問題。通過模體測(cè)試，充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒滿足設(shè)計(jì)要求，能根據(jù)設(shè)定的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)棒體內(nèi)空氣壓力，操作方便。本文將對(duì)自動(dòng)擴(kuò)宮棒的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括自動(dòng)擴(kuò)宮棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路及軟件控制策略的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已獲得國家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL201620603447.2）。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒主要由棒體、充氣部分和連接部分等組成?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。

圖1 充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒結(jié)構(gòu)示意圖

棒體用于插入患者宮頸，棒體上密封套設(shè)有一橡膠軟管。位于橡膠軟管內(nèi)的棒體四周對(duì)稱設(shè)置有若干通氣小孔，氣體通過通氣小孔進(jìn)入軟管內(nèi)。棒體內(nèi)安裝有空氣壓力傳感器，用于檢測(cè)棒體內(nèi)部實(shí)時(shí)壓力變化。棒體設(shè)計(jì)為前端呈類錐形的細(xì)棒，使醫(yī)生更容易將棒體插入患者宮頸口。棒體內(nèi)部為空心的通氣通道，通過通氣軟管與充氣氣囊相連接。

導(dǎo)氣管分為第一導(dǎo)氣管和第二導(dǎo)氣管，其結(jié)構(gòu)相同。第一導(dǎo)氣管和第二導(dǎo)氣管通過螺紋與比例電磁閥相連接，通過比例電磁閥的控制可實(shí)時(shí)控制管內(nèi)的壓力。氣囊通過不斷壓縮空氣從而增大氣體壓力使棒體壓力增大，控制系統(tǒng)控制電氣比例閥的開口大小，從而保證棒體內(nèi)壓力適中，即能達(dá)到擴(kuò)張宮頸的目的，又能減少患者的疼痛感。因?yàn)榘趔w外逐漸膨脹的軟管不斷作用于宮頸口內(nèi)壁，從而使宮頸口逐漸得到擴(kuò)張。

1.2 使用方法

患者平躺于婦科床上，將陰道口暴露于醫(yī)生眼前。醫(yī)生將自動(dòng)擴(kuò)宮棒的棒體套上避孕套，通過患者陰道，輕輕插入患者宮頸，使棒體中部位于宮頸。此時(shí)醫(yī)生通過氣囊不斷向棒體內(nèi)充氣，氣體從通孔處流向橡膠軟管，橡膠軟管逐漸膨脹，膨脹的橡膠軟管使宮頸內(nèi)壁受到壓力而擴(kuò)張。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制比例電磁閥的開口，從而能保證棒體內(nèi)壓力穩(wěn)定。經(jīng)過一段時(shí)間后，由于宮頸擴(kuò)張后其作用于橡膠軟管的壓力減小，此時(shí)醫(yī)生再通過氣囊充氣以增加棒體內(nèi)壓力，從而進(jìn)一步擴(kuò)張宮頸，直到滿足臨床要求為止。該充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒操作簡單方便，對(duì)醫(yī)生的技術(shù)水平要求較低，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)后即可操作使用。

1.3 控制策略軟件設(shè)計(jì)

本文對(duì)自動(dòng)擴(kuò)宮棒的控制主要是對(duì)棒體內(nèi)空氣壓力進(jìn)行控制。若棒體內(nèi)空氣壓力過大，會(huì)導(dǎo)致橡膠軟管過度擴(kuò)張，擴(kuò)張的軟管外壁作用于患者宮頸口，必然導(dǎo)致患者疼痛加劇，甚至導(dǎo)致出血；若棒體內(nèi)壓力過低，壓力不足導(dǎo)致橡膠軟管在宮頸口的壓力作用下內(nèi)凹，起不到擴(kuò)張宮頸的作用。同時(shí)，不同患者宮頸口的閉合程度不一樣，對(duì)不同患者施加的空氣壓力也不同。以上因素都對(duì)自動(dòng)擴(kuò)宮棒空氣壓力的控制提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件部分主要由主控單元、電氣比例閥、壓力傳感器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。

為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展和軟件升級(jí)，本文選擇TI 公司生產(chǎn)的TMS320F28335 作為控制系統(tǒng)的主控芯片。該芯片集成了DSP 和微控制器的長處，既能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，又能高效率地完成實(shí)時(shí)控制；同時(shí)具有豐富的IO 接口，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；6 組互補(bǔ)對(duì)稱的PWM 輸出[7]，對(duì)電氣比例閥的控制也更為方便；芯片上集成了一個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，對(duì)壓力傳感器的信號(hào)處理不需要配置專用的A/D 轉(zhuǎn)換模塊，只需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)做分壓處理就能滿足信號(hào)輸入要求。

控制系統(tǒng)的基本原理為：控制器通過A/D 轉(zhuǎn)換，對(duì)棒體內(nèi)的氣體壓力信號(hào)進(jìn)行采集與處理。設(shè)定值以模擬量的方式輸入控制器中，與采集到的電信號(hào)值進(jìn)行比較，通過電氣比例閥的調(diào)節(jié)作用，使檢測(cè)到的氣壓反饋電流信號(hào)與系統(tǒng)的輸入電流信號(hào)之差減小并趨于零，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棒體內(nèi)氣壓信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤，以達(dá)到調(diào)節(jié)棒體內(nèi)壓力穩(wěn)定在一定范圍的目的?？刂葡到y(tǒng)的原理圖，見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)，一些智能控制方法[8]現(xiàn)已逐漸應(yīng)用到電氣比例閥的控制中，例如模糊控制技術(shù)[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[10]、自適應(yīng)控制技術(shù)[11]等，并已取得良好的控制效果。本文根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)系統(tǒng)采用自適應(yīng)控制的方法，其基本調(diào)節(jié)過程如下：當(dāng)給定的設(shè)定信號(hào)大于反饋信號(hào)時(shí)，電氣比例閥閥門開口變大，進(jìn)入棒體內(nèi)的氣體流量增大，棒體內(nèi)氣壓升高，壓力傳感器檢測(cè)到的氣壓反饋信號(hào)增大,電壓偏差信號(hào)隨之減??；反之，當(dāng)給定的設(shè)定信號(hào)小于反饋信號(hào)時(shí)，比例閥的閥門開口關(guān)小，流入氣室內(nèi)的氣體流量減少，棒體內(nèi)氣壓逐漸降低，直至電壓偏差趨于零。

1.4 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)

壓力傳感器輸出的信號(hào)較弱，且容易受到外界環(huán)境的干擾[12]，因此本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)輸入的棒內(nèi)空氣壓力信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。由于外界干擾信號(hào)主要為高頻信號(hào)，因此本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Sallen-Key 型二階低通濾波器[13]用于信號(hào)調(diào)理電路。同時(shí)，因?yàn)閴毫鞲衅鬏斎氲哪M電壓信號(hào)幅值為0～5 V，而DSP 的A/D 轉(zhuǎn)換模塊電壓輸入范圍為0～3 V，所以在濾波的前向通路需要設(shè)計(jì)分壓電路。為了保護(hù)DSP 芯片的A/D 模塊，信號(hào)在A/D 轉(zhuǎn)換前設(shè)置限位電路，其原理圖如圖3 所示。

圖3 模擬量輸入電路

圖3 中，R1、R2 構(gòu)成分壓電路，R3、R4、R5、R6、C1、C2 和LM324 構(gòu)成Sallen-Key 型二階低通濾波器，D1構(gòu)成限位電路。輸入電壓Vin 經(jīng)過分壓和兩級(jí)RC 低通電路后，再接到LM324 的同向輸入端。高頻信號(hào)的幅頻特性下降速度為-40 dB/十倍頻，比一階低通濾波器提高一倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文設(shè)計(jì)的充氣式擴(kuò)宮棒最大的優(yōu)勢(shì)在于減輕患者痛苦、簡化擴(kuò)宮流程和縮短擴(kuò)宮時(shí)間，因此實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比充氣式擴(kuò)宮棒和傳統(tǒng)鋼棒對(duì)宮頸的損傷和兩種擴(kuò)宮方式完成同樣的擴(kuò)宮效果需要的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)裝置[14]選用兩個(gè)完全相同的女性人體模體，分別準(zhǔn)備一套擴(kuò)宮鋼棒和一套充氣式擴(kuò)宮棒。通過比較宮頸口的劃痕多少評(píng)估擴(kuò)宮棒對(duì)患者的損傷程度，損傷等級(jí)分為輕度、中度和重度三級(jí)。為了避免不同醫(yī)生對(duì)擴(kuò)宮操作的熟練程度不同導(dǎo)致擴(kuò)宮時(shí)間不同等人為因素的影響[15-16]，采用同一個(gè)醫(yī)生先后對(duì)兩個(gè)相同模體實(shí)施完成相同宮頸口擴(kuò)張尺寸的擴(kuò)宮鋼棒和充氣式擴(kuò)宮棒操作，并分別記錄宮頸口損傷程度和操作時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1。

表1 充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒和擴(kuò)宮鋼棒實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒能夠顯著提高擴(kuò)宮效率，并減小擴(kuò)宮過程中反復(fù)插拔鋼棒造成的宮頸口損傷。其次，自動(dòng)擴(kuò)宮棒能大大減少擴(kuò)宮時(shí)間，既減小了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，又增加了患者的舒適度。因此，本文研發(fā)的充氣式擴(kuò)宮棒能夠顯著改善傳統(tǒng)擴(kuò)宮方式的不足，使患者和醫(yī)生都能夠得到最好的擴(kuò)宮體驗(yàn)。

3 結(jié)論

本文研究的充氣式自動(dòng)擴(kuò)宮棒能夠根據(jù)不同患者宮頸的情況，通過設(shè)置不同的壓力值自動(dòng)完成棒體內(nèi)壓力調(diào)節(jié)。當(dāng)自動(dòng)擴(kuò)宮棒插入宮頸后，通過氣囊逐步增加棒體內(nèi)壓力，壓力傳感器自動(dòng)感應(yīng)棒體內(nèi)壓力，當(dāng)棒體內(nèi)壓力與設(shè)定壓力趨于平衡時(shí)，DSP 控制電氣比例閥開口大小，使棒體內(nèi)壓力與設(shè)定壓力相等，從而可以根據(jù)不同患者宮頸情況設(shè)定不同棒體壓力，使整個(gè)擴(kuò)宮過程變得方便、簡潔。充氣式擴(kuò)宮棒的研制減輕了患者的痛苦，縮短了擴(kuò)宮時(shí)間，降低了患者出血過多的風(fēng)險(xiǎn)，具有很大的臨床應(yīng)用價(jià)值。