一种非接触性控制手术室门开关的设计

2022-05-26崔宏伟刘虎

医疗装备 2022年9期

崔宏伟，刘虎

安徽省蚌埠市蚌埠医学院第一附属医院（安徽蚌埠 233000）

手术室作为进行外科手术及抢救的场景，需避免细菌滋生进而防止患者感染至关重要，虽然手术室内的消毒机制及层流设计杜绝了大部分细菌的附着和滋生，但传统的脚控、手控区域都是不规则且不易消毒的区域，且由于工作人员频繁出入手术室，传统开门方式会将细菌带到患者身旁，给颅脑、心脏、脏器移植等手术患者带来很大的感染风险。在此背景下，本研究设计了一种非接触性控制手术室门开关，旨在将可能存在的感染风险降到最低，进而降低患者在手术过程中的感染率。

1 非接触性控制手术室门开关的设计

非接触性控制手术室门开关可以通过手势识别、人脸识别、温度感应等技术控制。而结合手术室具体情况，手势识别是一种可行且易实现的方式。

本研究设计的非接触性控制手术室门开关采用手势识别技术控制，分为手势识别模块、MCU 控制模块、信号传输模块，其中，手势识别模块对手势的变化进行识别处理并将其转化为电信号传输到MCU控制模块；MCU 控制模块将接收到的电信号转换为控制信号；信号传输模块控制手术室门开关，见图1。

1.1 硬件设计

1.1.1 手势识别模块

ATK-PAJ7620U2是一款高性能手势识别传感器，具有体积小、灵敏度高、使用方便等特点，外观见图2。ATK-PAJ7620U2内部的LED 驱动器使红外LED 向外发射红外线，传感器阵列检测到目标手势后提取目标信息并将其存放到寄存器中，同时手势识别模块对提取的目标信息进行识别处理，并将处理的结果存放到寄存器中，使用者可以使用IIC 接口对寄存器中的目标信息和处理结果进行读取，见图3。ATK-PAJ7620U2采用原相科技公司的PAJ7620U2芯片，PAJ7620U2芯片内部集成了光学数组式传感器，内置光源和环境光抑制滤波器集成的LED，镜头和手势传感器在1个小的立方体模组[1]，能在黑暗或低光环境下工作。ATKPAJ7620U2手势识别模块可以识别9种手势，且支持接近检测等，电路见图4。

1.1.2 MCU 控制模块

MCU 控制模块采用意法半导体集团生产的STM32F407ZGT6芯片，其内核是ARM32位的Cortex-M3[2]，拥有的资源包括集成FPU 和DSP 指令、192 kB SRAM、1 024 kB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器等，并具有SPI、IIC、UART/USART 等通信功能和FSMC、SDIO、MAC 等丰富的IO 接口；以STM32F407芯片为核心[3]，在其外围增加复位电路、时钟电路等形成MCU 最小系统板（图5），并配有标准的20针JTAG/SWD 接口，方便快速下载和调试代码。

1.1.3 信号传输模块

信号传输模块支持有线和无线传输，其中有线信号传输包括USART/UART、IIC 传输等，无线信号传输包括蓝牙、WIFI、2.4 G 传输等，本研究设计的非接触性控制手术室开关采用IIC 作为手势识别模块与MCU 控制模块相互通信的媒介。

IIC 即两线式串行总线，由PHILIPS 公司开发，由数据线SDA 和时钟SCL 构成（图6），用于连接微控制器及其外围设备，可发送和接收数据，在CPU 与被控IC 之间、IC 与IC 之间进行双向传送[4]，但由于STM32F407芯片的IIC 通信不是很稳定，所以我们通过代码实现IO 口模拟IIC 进行通信。

1.2 软件设计

1.2.1 手势识别软件

ATK-PAJ7620U2内部共有上百个寄存器，通过对不同寄存器发送指令可以实现不同的功能，现主要介绍BANK0和BANK1两个重要的寄存器区域，见表1。

表1 BANK0和BANK1的指令控制

由表1可知，访问BANK0区域需要向传感器0xEF 地址写入0x00数值，访问BANK1区域需要向传感器0xEF 地址写入0x01数值。

代码如下：

该配置数组表示上电时初始化，每个数组的第一个字节表示寄存器地址，第二个字节表示要设置的值，如{0xEF,0x00}就表示在0xEF 地址中写入0x00这个值。

该函数实现选择BANK 区域，通过BANK 的入口参数选择要进入BANK 的区域，进而进入其不同的控制寄存器，即BANK1下的PAJ7620U2使能工作寄存器（图7）和BANK0下的手势检测输出中断使能寄存器1（图8）。

BANK1下的PAJ7620U2使能工作寄存器的作用是使PAJ7620U2进入和关闭工作状态，当BIT0位设置为1时，PAJ7620U2进入工作状态，当BIT0位设置为0时，PAJ7620U2关闭工作状态，#define PAJ_OPERATION_ENABLE //设置PAJ7620U2使能寄存器。

BANK0下的手势检测输出中断使能寄存器1（工作流程见图9）的作用是手势识别，BIT0-BIT7位用于使能不同手势识别结果的中断输出上、下、左、右、顺时针旋转、逆时针旋转，通过对应的设置，1是使能，0是关闭，进而输出对应的手势识别结果中断，#define PAJ_SET_INT_FLAG1 //设置手势检测中断寄存器，具体如下：

#define GES_UP BIT(0) //向上

#define GES_DOWM BIT(1) //向下

#define GES_LEFT BIT(2) //向左

#define GES_RIGHT BIT(3) //向右

#define GES_FORWARD BIT(4) //向前

#define GES_BACKWARD BIT(5) //向后

#define GES_CLOCKWISE BIT(6) //顺时针

#define GES_COUNT_CLOCKWISE BIT(7) //逆时针

1.2.2 IIC 软件

选择STM32上的PF8和PF9端口作为时钟线和数据线，IIC 协议有空闲状态、开始信号、停止信号、数据传输等，通过这些协议的有效配合保证了设备间数据安全、完整地传输。

空闲状态：数据线SDA 和时钟线SCL 同时处于高电平规定为空闲状态。

代码如下：