手术室医疗设备一体化控制的研究与应用

杨 坤，杨勇勇，邵 蕾

1.同济大学附属同济医院设备物资处，上海 200065；2.上海医疗器械股份有限公司，上海 200093

手术室医疗设备一体化控制的研究与应用

杨 坤1，杨勇勇2，邵 蕾1

1.同济大学附属同济医院设备物资处，上海 200065；2.上海医疗器械股份有限公司，上海 200093

目的 解决国内手术室医疗设备的集中控制问题。方法 研究采用单片机作为微管制器（MCU），复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为扩展芯片，通过CAN总线协议实现与控制主机之间的通信功能，设计了一套能够兼容国内手术室设备多样性的集中控制系统，并通过Modelsim进行4×4矩阵键盘集中控制模拟按键的时序仿真。结果研究采用集成CAN控制器的PIC18F45K80微控制器、高速隔离CAN总线收发器CTM 8251AT及CPLD芯片EPM 1270T144C5等硬件架构，实现了按键控制和设备显示信号的更新，以该方案为蓝本构建了一体化手术室设备控制系统，实现了手术室设备多样性的兼容和集中控制。结论 手术室设备多样性的集中控制系统可采用单片机-CPLD-CAN方案架构，实现国产一体化手术室的集中管理和控制。临床使用效果满意。

手术室；集中控制；单片机

随着信息技术的发展，各种先进的医疗设备引入到临床，辅助医师完成高效安全的手术。在手术过程中，医师需要根据手术操作的要求，对多个设备的参数进行设置调整，由于设备控制面板繁多及无菌区域使用空间有限，给医师手术操作带来困难，也使设备功能得不到有效应用[1]。而采用计算机网络技术将多个手术设备集成到一个系统中，手术医生能通过中央控制系统来完成对各种设备的控制，充分体现高效率、数字化、智能化和洁净化，提高手术室的空间利用率，提高设备操作的便捷性，节约手术的准备时间，提高手术室工作效率，更安全、精确、省时、高效地完成手术[2]。

1 一体化手术室方案及功能

一体化手术室是计算机信息技术、生物医学工程技术与现代医学技术的有机结合[3]。可以通过一台主机集中控制手术室内的主要设备、实时记录设备的运行数据和手术过程。一体化手术室的核心部件是集中控制触摸屏工作站，通过触摸屏对手术室内医用设备进行集中管理与监控[4]，包括无影灯的光照强度、手术床升降倾角等位移动作、高频电刀工作模式及频率、内窥镜参数和冷光源亮度的调整等见图1。

图1 医疗设备集中控制示意图Fig.1 Diagram of centralized control of medical equipment

2 医疗设备集中控制

一体化手术室建设的重要环节是设备集中控制的实现。本节介绍设备集中控制中面临的问题，并提出相应的解决方案。

2.1 设备集中控制面临的难题

设备集中控制的兼容性。在现有的手术室内，医疗设备种类繁多，各种设备控制面板的差异较大。面板按键数量及键盘工作方式（包括独立键盘和矩阵键盘）各不相同，面板指示（包括LED灯、七段数码管等）也不相同。并且现有手术室设备大多数都是独立的单元，没有对外统一的通信接口。集中控制的安全可靠性。集中控制的通信质量优劣直接关系到手术的安全性及效率，由于手术室空间有限、电气设备繁多，这就要求主控工作站和受控设备之间的通信要及时、准确可靠，抗干扰能力强。所以手术室内医疗设备集中控制的实现具有一定的困难。

2.2 设备集中控制解决方案

考虑到以上两个方面，对其关键问题进行研究，设计出一套集中控制系统。系统硬件采用单片机+CPLD结构，通信采用CAN总线协议。单片机作为微控制器（MCU），通过CAN总线协议实现与控制主机之间的通信功能，实时接受主控机的操作信号并向其反馈设备的显示数据。复杂可编辑逻辑器件（CPLD）作为单片机的扩展芯片，具有可编程性，可以通过在线编程根据实际需要修改调整内部逻辑及管脚约束，实现灵活配置，在不改变硬件电路板的基础上灵活实现各种逻辑功能[5]。同时CPLD丰富的可配置IO口资源，使其具有较高的自由度。通过CPLD，设备只需将其控制面板的各路信号与CPLD的IO口相连接，自身不需进行改造，便可以实现在同一硬件平台上对各种手术室设备的集中控制，满足集中控制的实用性和兼容性要求。

CAN是德国BOSCH公司开发的一种支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴。CAN总线采用短帧传输，每帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰概率小[6-7]。该总线具有突出的可靠性、实时性、灵活性和抗干扰性，非常适用于集中控制系统的构建，可以方便、可靠地实现设备和主机之间的实时通信，能够保证集中控制的安全可靠性。集中控制的网络结构框图见图2。

图2 集中控制的网络结构框图Fig.2 Network structure of centralized control

3 设备集中控制的实现

3.1 硬件结构

本文采用集成CAN控制器的PIC18F45K80微控制器、高速隔离CAN总线收发器CTM 8251AT及CPLD芯片EPM 1270T144C5等。PIC18F45K80是一款CMOS8位单片机，该微控制器包含完整的CAN模块，执行CAN2.0A/B协议，能够在较大的噪声环境中通信。CTM 8251AT是一款3.3 V隔离收发器，具有DC2500V隔离功能并具有TVS管防总线过压功能，速度最高达1Mbit/s，最大可允许连接110个节点。EPM 1270T144C5为Altera的MAXⅡ系列产品，此器件提供1270个逻辑单元，116个I/O端口，能够完全满足系统需求，硬件结构框图见图3。

图3 整体硬件结构框图Fig.3 Network structure of hardwares

3.2 按键控制的实现

手术室医疗设备各参数的设置，是通过按键来进行的，每款设备按键工作方式不同，数量较少的一般采用独立式键盘，按键较多的则多为矩阵键盘。当对主控触摸屏上某一设备的模拟按键进行操作时，根据双方定义的通信协议，主机通过CAN总线向对应节点的设备发送当前被操作按键的协议编号，产生中断信号，单片机接受该编号并进行判断，得到集中控制主机上该模拟按键对应的实际按键的键值，并产生一个方波脉冲，作为CPLD的触发信号，在触发信号的下降沿，将计算出的键值存入CPLD的一个寄存器中，作为缓存变量，CPLD检测到该缓存变量有变化后，对其进行判断，依据设备自身按键的工作方式，通过硬件描述语言在CPLD内部进行逻辑描述，实现该键值对应输出信号高低电平的生成：①若设备面板为独立式按键，对屏幕上某一按键进行按下动作，可在CPLD内部对该按键输出信号变量置零；②若设备面板为矩阵按键，CPLD接受到单片机消息后，根据该按键在矩阵键盘中的行列编号，在其所在行的扫描信号有效时，对其相应的列输出信号变量进行置零，并将变量置零结果与设备自身操作面板的按键信号变量进行“相与”位运算，与设备面板电路组成并联等效按键电路，将最终结果通过CPLD的IO口输出作用于设备，完成对设备的一次按键操作。

3.3 设备指示信号更新的实现

系统在上电后，单片机进行初始化，初始化完成后发送一帧数据给控制主机。单片机实时主动监测设备控制面板上的所有指示信号，并为每一个信号设定相应的缓存变量。对设备自身面板或主控机屏幕模拟面板进行按键操作，都会引起设备指示状态改变，当面板上的led灯状态或数码管显示数值发生变化时，其最新状态会直接传送到CPLD，对数码管数值进行解码，并对其缓存变量进行更新，当单片机检测到有数据更新后，产生中断信号，根据通信协议通过CAN总线向控制主机发送指示信号更新的消息，将设备的最新状态反馈给主机，完成主机屏幕上该设备显示状态的更新。主程序及中断程序流程图见图4。

图4 主程序及中断程序流程图Fig.4 Flow chart of main program and interrupt program

通过Modelsim进行4×4矩阵键盘集中控制模拟按键的时序仿真，LAT为CPLD接受数据的触发信号，key_buffer为当前操作按键的协议编号，由控制主机传递给单片机，KEY_SCAN和KEY_OUT分别是行扫描信号和列输出信号，当主控机模拟按键按下时，单片机会在在LAT信号的下降沿将key_buffer传递给CPLD，其中1001为按键释放编号。系统实时检测key_buffer的变化，并根据设备键盘扫描信号进行相应输出信号的置位，四个屏幕模拟键盘分别进行操作的仿真波形见图5。

图5 仿真波形Fig.5 Simulation waveform

4 临床应用

本文探讨了一体化手术室医疗设备集中控制中面临的一些关键问题与解决办法，设计出一套能够兼容国内手术室设备多样性的集中控制系统。目前，以该方案为蓝本的手术室设备控制系统已在上海市同济医院妇产科手术室完成安装，并进行临床实验。临床实验的主要内容见图6。在临床实验中，对现实临床妇科腔镜微创手术的完整流程和关键节点进行监控和信息采集，对各级腔镜手术进行模块化流程化处理，在围手术期的全程与目前临床的传统洁净手术室进行对比，综合分析一体化手术室对微创手术围手术期的影响因素，为临床一体化手术室的开展和妇科微创手术的发展提供循证依据。

图6 临床试验Fig.6 Clinical trial

我们提供的方案通过记录和采集围手术期全程及各关键节点患者的生命体征、各项生理生化系统参数及手术流程中各项设备输出信号和影像学存储数据，实时汇聚和整合各时间节点的患者信息和手术室数据，形成完备的手术过程监测和信息整合，将手术步骤流程化、模块化，实现了术前准备的一体化、手术过程的标准化、患者资料信息整合、手术记录的“黑匣子”功能、手术示教和远程交互功能和术后效果的可追溯化。

最终临床试验依托单片机-CPLD-CAN方案对现实临床妇科腔镜微创手术的完整流程和关键节点进行监控和信息采集，对各级腔镜手术进行模块化流程化处理，在围手术期的全程与目前临床的传统洁净手术室进行对比，综合分析一体化手术室对微创手术围手术期的影响因素，及其对妇科微创手术的适应情况，明确一体化手术室条件下各级微创手术尤其是妇科腔镜手术和盆底手术的特点和风险因素；构建、测试并最终形成一体化手术室下标准的微创手术操作流程，精确比较和评估各级腔镜和盆底手术的手术麻醉护理指标、患者生命体征及围手术期生理生化参数，探索并验证一体化手术室对妇科微创手术的临床价值；建立一体化手术室条件下稳定的各级微创手术标准化模块化模型，并通过该模型进一步明确一体化手术室条件下影响手术参数和患者信息数据的关键指标或者模块，进而在标准条件下明确该关键指标或者模块对患者疾病进展及治疗反应的生理病理作用机制，从而达到优化手术流程、改进一体化手术室的作用。

5 讨论

一体化手术室是医院数字化的重要标志，也是手术室发展的必然趋势。通过整合手术室的硬件设备和软件系统，实现手术过程及患者资料的信息整合、手术环境的整体操作控制及影像远程示教咨询和技术沟通，一体化手术室能够为各型的现实开展和未来研究提供良好的标准化的可扩展平台。

本研究所提供的单片机-CPLD-CAN方案可实现手术开放式管理、设备集中控制、信息即时传送共享和影像存储，实现手术、视频教学、观摩和远程会诊等功能的综合性诊疗平台，消除信息孤岛，实现了手术室系统的开放性。在手术中实现了检验数据的实时自动接收，报告的无纸化实时发送，使医生能及时、准确地获取检验结果。通过使用本研究所提供的单片机-CPLD-CAN方案构建数字一体化手术室系统，医院在充分利用现有设备的基础上，增强医院的环节管理，做到实时、有序、系统及监督性管理，减少患者的等待时间，提高患者的满意度，提高医院设备资源利用率，完成医院患者信息的科学、系统的积累，提高诊疗保险，降低院内交叉感染，减少投资风险性。欧美等发达国家在20世纪90年代初已经开始了数字化手术室的研发。美国的调查报告显示，使用数字化手术室，使手术效率提高了10%。在提高手术效率的同时，也大大提高了手术室的洁净度和有效降低了室内的交叉感染[8]。从而提高了医院的经济效益和社会效益。近年来，一些发达国家的医疗器械公司，如美国的Stryker、日本的Olympus等纷纷登陆中国，推出了价格高昂的数字化手术室整体方案；国产数字一体化手术室系统的成功开发，将快速大力推动国内现代化医院建设的发展。单片机-CPLD-CAN方案在现代洁净手术室的基础上，结合计算机信息技术和多媒体技术，实现视频、信息和设备的整合集成，实现手术室内实时共享患者病历、影像信息；完成多路高清视频的院际存储、转播和示教等功能布局；完成手术室内具有对外通信功能监护类设备与系统的联接，实现手术过程中人体生命体征数据的采集，以及对部分医疗设备的集中控制功能，是国内数字一体化手术室一种可行的解决方案。

[1]冯靖炜，陈华.数字化手术室规划和建设[J].中国医疗设备，2008，23（10）：120-123.

[2]王刚，王云龙，郑建立.积极推进“数字式一体化手术室”产业化进程[J].中国医学装备，2012，9（4）：42-45.

[3]王辉，李兰芳.数字化手术室建设现状分析[J].中国医学装备，2009，6（7）：31-33.

[4]宇新民，李宏斌.数字化手术室的研究与设计[J].中国医学装备，2011，8（7）：38-40.

[5]阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：5.

[6]王黎明，夏立，邵英.CAN现场总线系统的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2008：10-16.

[7]Çenesìz N，Esìn M.Controller area network（CAN）for computer integrated manufacturing systems[J].J Intell Manuf，2003，15（2）：481-489.

[8]唐武芳.现代一体化手术室建设发展现状及展望[J].中国医疗设备，2016，36（3）：87-89.

Research and application of integrated control of medical equipment in operating room

YANG Kun1，YANGYongyong2，SHAO Lei1
1.Department of Equipment，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China；2.Shanghai Medical Instruments（Group）Ltd．，Shanghai 200093，China

Objective To realize the integrated control of medical equipment in operating room.Methods With SCM as MCU，CPLD chip as an extension，and communication with control panel via CAN bus protocol，an integrated control system was designed，which was compatible with the diversity of operating room.Timing simulation of 4x4 matrix keyboard focus control simulation buttons was conducted by Modelsim.Results With microcontroller PIC18F45K 80 of integrated CAN controller，high-speed isolated CAN bus transceiver CTM 8251AT，and CPLD chip EPM 1270T144C5 as hardware architecture，the update on keyboard control and display signal was achieved.Based on this program，an integrated equipment control system for operating room was established to accommodate the diversity and centralized control of equipment.Conclusion MCU-CPLD-CAN microcontroller architecture scheme can be adopted for the integrated control system for equipment in operating room，which realizes the centralized management and control of equipment.

Operating room；Centralized control；MCU

R318

A

2095-378X（2016）03-0216-05

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.03.020

2016-07-25）

杨 坤（1978—），男，本科，工程师

邵 蕾，电子信箱：lei_shao1@163.com