外科手术器械重要性论文

你要的可是这篇？？？？？智能型医用输液泵及其应用一、引言随着科技的发展，越来越多的领域需要对流体的流量或流速进行精确控制，如化工领域里对微量化学元素的检测和分析常需精确控制流量。医疗保健领域中药液的流量与流速有时也要精确控制。静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。临床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。输液过快，可能会导致中毒，更严重时会导致水肿和心力衰竭;输液过慢则可能发生药量不够或无谓地延长输液时间，使治疗受影响并给患者和护理工作增加不必要的负担。常规临床输液，普遍采用挂瓶输液，并用眼睛观察，依靠手动夹子来控制药滴速度，不易精确控制输液速度，而且工作量大。癌症病人的化疗和病危病人的抢救治疗需要使药物以恒定的速度灌注，通过调节输入的速度和时间将化疗药物均匀持续地注入，既达到化疗的最佳效果，又能最大限度地降低化疗药物的副作用。糖尿病人遭受病痛的折磨，需要以一定的速度给他们注射一定量的胰岛素。以往的做法基本上是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成巨大的浪费，而且药效作用时间也较短，因此极需一种流量和流速能控的持续输送装置，来输送少量的药物并精确控制其输送速度和流量。对老人、儿童和体质较弱者输送某些特殊药物，如麻醉药、降压药硝普纳、TPN(三磷酸吡啶核苷酸)等时，输液速度和用药量尤其需要认真精确控制，否则会产生严重的后果。血液非常容易凝固，输血时很容易阻塞输液管。要保证血流速度大于某一值，才能顺利输血。另外，不管是输液还是输血，普通输液器对输液完毕和输液过程中偶然出现的故障，如气泡、阻塞等都不能自动报警，也不能及时切断输液通路，从而产生不良后果。应该及时处理，以避免血液倒流或其他后果。因此需要用智能型输液泵来控制药液的输送，并进行异常报警。二、智能型输液泵的功能智能型医用输液泵可满足多种功能的需求，归纳起来，输液泵能实现以下功能:(1) 可精确测量和控制输液速度;(2) 可精确测定和控制输液量;(3) 液流线性度好，不产生脉动;(4) 能对气泡、空液、漏液、心率异常和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断输液通路;(5) 实现智能控制输液。三、智能型医用输液泵的系统结构智能型输液泵系统主要由以下几个部分组成:微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置。图1是智能型输液泵的系统结构框图。1. 微机系统: 是整个系统的“大脑”，对整个系统进行智能控制和管理，并对检测信号进行处理，一般采用单片机系统。2. 泵装置: 是整个系统的“心脏”，是输送液体的动力源。目前有很多种泵装置，在后面进行详细说明。3. 检测装置:主要是各种传感器，如红外滴数传感器(负责对液体流速和流量的检测)、压力传感器(负责堵塞及漏液的检测)和超声波传感器(负责对气泡的检测)等，它们可感应相应的信号，这些信号经过放大处理后，送入微机系统进行信号处理，并得出控制指令，然后进行相应的控制操作。4. 报警装置:传感器感应到的信号经微机处理后，得出报警控制信号，再由报警装置响应，引起人们的注意，同时进行正确的处理。主要有光电报警(发光二极管)和声音报警(扬声器和蜂鸣器)等。5. 输入及显示装置:输入部分负责设定输液的各参数，如输液量和输液速度等。显示部分负责显示各参数和当前的工作状态等，多采用LED数码管显示和LCE液晶显示。四、泵装置泵装置的种类很多，分类也多种多样，就驱动原理来说可分为电磁泵、气动泵和压电泵等;就结构来说有离心叶轮泵、齿轮泵和蠕动泵等。医用输液泵需要精确控制液体的流量和流速，有些类型的泵很难做到这一点的，而且考虑到输液管要安装方便，药液不能污染泵装置等因素，因此用得最多的主要有以下几种:1. 指状蠕动泵目前广泛使用的是指状蠕动泵(Finger-like Peristaltic Pump)，又称线性蠕动泵(LinearPeristalticPump)，它体积小，重量轻，定量准确，使用方便，输液管安装方便。如图2所示，这种泵有一根凸轮轴，凸轮轴上有多个(一般为12个)凸轮，这些凸轮的运动规律相差一定的角度，每个凸轮与一个“手指”(即滑块)相连。工作时，由步进电机带动凸轮轴转动，使滑块按照一定顺序和运动规律上下往复运动，像波一样依次挤压静脉输液管，使输液管中的液体以一定的速度定向流动。这种泵比较精确，容易控制。输液时不希望产生脉动，要求泵的线性度好。泵的线性度与“手指”的数目有关，当“手指”数目超过8个时，就有很明显的线性度，脉动也明显减少。2. 盘状蠕动泵这种蠕动泵具有圆弧形内周面的泵壳，有一中心轮，中心轮的边缘呈轴对称分布安装着一定数量的可转动的挤压轮，输液管夹在挤压轮和泵壳的圆弧形内周面之间。工作时，步进电机带动中心轮转动，中心轮又带动其周围的挤压轮转动，中心轮像“恒星”，挤压轮像“行星”，挤压轮既绕中心轮公转，又绕自己轴线自转。几个挤压轮沿着中心轮顺序挤压输液管，使液体以一定的方向流动。如图3所示。3. 注射泵这种泵由步进电机及其驱动器、丝杆和支架等构成，具有往复移动的丝杆、螺母，因此也称为丝杆泵。螺母与注射器的活塞相连，注射器里盛放药液。工作时，单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转，而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动，推动注射器的活塞进行注射输液，把注射器中的药液输入人体。示意图如图4。4. 弹性输液泵这种输液泵靠的是机械力，它由气球状容器、输液管和输液调节器组成，如图5所示。气球状容器即是泵体，其内层膜是合成弹性橡胶(不是乳胶)。工作时，先用注射器往泵体里注进药液，然后使泵体密封，这样泵体里就有正压力，打开输液调节器，利用合成橡胶的弹性挤压作用，就可把药液连续或间断地输入到人体。这种泵可以随身携带，使用方便，多用于长时间或间断地输液。五、产品简介及发展趋势现在市场上出现了各种各样的输液泵，根据不同的标准有不同的分类:固定点泵(Stationary)和非固定点泵(Ambulatory);标准泵(Standard)和便携泵(Portable); 体外泵(External)和可植入泵(Implantable);机械泵(Mechanical)、电子泵(Electronic)和重力泵(Gravity);容积泵(Volumetric)和蠕动泵(Peristaltic) ，如图6所示。固定泵控制精确，报警齐全，但体积较大;便携泵体积小，病人可随身携带，用电池作为电源，只适用于小量输液;可植入泵使用方便，输液时病人移动不会产生影响，但需要外科手术;机械泵用正压力来输送药物和液体，没有电源(电池或交流电)，体积小，可携带，主要用于输送小体积，长时间或间歇输液，通常用于化学医疗、止痛或抗生药类的输液;电子式泵输液速度可达999mL/h，可实现智能控制。国外对智能型输液泵的研制较早，如日本、美国和德国等国家上世纪80年代末就进行了输液泵的研制。现在市场上流行的大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本JMS株式会社的OT-601型输液泵(控制精度为10%)和SP-500型注射泵，美国IMED公司GeminiPC-2TX型输液泵可实现四路控制，还有德国贝朗(B|BRAUN)公司的Multifuse型、PerfusorCompact型(控制精度可达到2%)、Infusomat P型和InfusomatfmS型，型号众多，以色列也有相应的产品。国内对输液泵的研制起步较晚，大都在90年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液泵，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品，深圳康福特公司也有输液泵产品。不过总体说来，种类较少，性能也需改进。输液泵将向更小型化、更便携化、控制更精确、更安全可靠发展。如用于糖尿病治疗的胰岛素泵现在可随身携带而不影响大多数日常生活，甚至可带着泵洗澡或游泳，如MiniMed公司的507型产品。输液泵还向更智能化方向发展。如以后将在糖尿病患者皮下植入连续血糖测量系统，该系统包括一个小型传感器，它每隔一段时间检测皮下体液并获得血糖数据。当血糖过高时，系统将发出警报。胰岛素泵根据血糖传感器测得糖尿病患者的血糖水平，然后自动控制泵向患者体内注射胰岛素，真正实现智能输送。六、结论智能型医用输液泵能精确控制输送药液的流速和流量，并能对输液过程中出现的异常情况进行报警，同时及时自动切除输液通路。智能型输液泵的应用有助于减轻医护工作强度，提高安全性、准确性和工作效率，并提高护理水平。输液泵可广泛应用于内科、外科、儿科、心血管科、急诊科和手术室，尤其适用于ICU和CCU病房的输液治疗。在医疗保健领域里，对精确控制药液的流速和流量，智能型输液泵将有广泛的发展前途，她将成为精确输液中一朵瑰丽的奇葩。

机器人微创手术不仅具有传统微创手术创口小、疼痛轻、出血少及术后恢复快等优点，同时也解决了传统微创手术中存在的诸多问题：如基于主从控制的手术方式能够减轻医生手术时的疲劳，并解决传统微创手术中存在的“筷子效应”问题；机器人能够实现更为复杂精细的手术操作，可以极大地拓展医生的手术能力。正是由于这些无可比拟的优势，机器人微创外科手术已经得到了外科手术领域的广泛认可，国内外众多医疗机构都对微创外科手术机器人表现出极大的使用欲望，研制和开发具有自主知识产权的微创外科机器人系统不但具有很高的学术研究价值，同时也可以带来巨大的社会经济效益，这是本文开展微创外科手术机器人系统研制工作的目的及意义所在。通过对微创外科手术操作环境进行分析，提出了微创外科手术对机器人机构设计的基本要求，并在此基础上研制出了由手术机械臂系统及手术微器械组成的机器人执行系统。为了满足微创手术所需的术中空间不变点，本文对复合平行四边形机构进行改进，研制出一种基于钢带传动的新型平行四边形远心点运动机构，并将该机构用于本文的机械臂机构设计中。此外，本文还研制出一种采用钢丝驱动的单自由度关节，并将该关节用于手术微器械的腕部机构设计中。实际的微器械腕部运动测试表明该单元关节具有较好的运动灵活性，完全能够满足微创手术微器械腕部机构设计要求。为了满足微创手术对机械臂术中运动灵活性的要求，采用机械臂雅可比矩阵的奇异值构造了基于条件数和可操作度的综合灵巧度评价指标，并建立了基于该综合评价指标的机械臂灵巧度优化模型。通过采用序列二次规划算法对该优化问题进行求解，实现了对机械臂术中运动灵巧度的优化，优化结果表明机械臂在其工作空间内具有良好的各向同性及可操作度，能够满足微创手术对其运动灵活性的要求。此外，本文采用摆位机构的封闭逆解方程对梯度投影算法进行改进，并采用改进的梯度投影算法对机器人执行系统进行了术前摆位规划；双器械机械臂在动物胆囊摘除手术中的实际操作性能表明该术前规划方法对机器人系统的术前摆位具有较好的指导性作用。针对所研制的微创外科手术机器人系统，提出了一种基于位姿分离的主从控制算法，该主从控制算法通过实现主从运动映射中的位置和姿态分离，将手术机械臂系统中的6自由度串联机构逆解问题简化为两个3自由度串联机构的逆解问题，极大地降低了机械臂系统的逆解求解难度。同时，本文采用该主从控制算法实现了基于主手位置增量的主从轨迹跟踪控制，并成功解决了手术过程中的主从一致性问题、主从二次映射问题以及轨迹跟踪过程中的位置指令平滑处理问题。此外，本文提出了基于器械末端位置不变的腕部姿态细分算法，该算法可实现术中手术器械的快速安全更换。在上述研究基础上，本文对所研制的手术机器人进行系统集成，并对机械臂系统中的远心点机构进行标定测试，测试数据表明该机构能够满足微创手术对远心点空间位置稳定性的要求。同时，本文通过采集手术过程中的实际数据对提出的主从控制算法进行验证，结果表明该主从控制算法能够较好的实现机器人系统的主从轨迹跟踪控制。最后，本文通过实际的动物胆囊摘除手术对所研制的手术机器人整体操作性能进行验证，手术结果表明该机器人系统具有较好的术中操作性能，并基本具备开展临床手术的能力。[1] 谢碧云,赵京. 基于条件数约束的方向可操作度[J]. 机械工程学报. 2010(23)[2] 谢宗武,孙奎,刘宏. 扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用[J]. 哈尔滨工业大学学报. 2009(05)[3] 潘博,付宜利,杨宗鹏,王树国. 面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法[J]. 控制与决策. 2009(02)[4] 冯美,付宜利,潘博,朴明波. 腹腔微创手术机器人末端执行机构的设计和实现[J]. 机器人. 2009(01)[5] 孙立宁,张剑,杜志江. 一种基于图像导航的骨外科手术机器人系统[J]. 哈尔滨工程大学学报. 2006(02)[6] 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 机器人. 2006(02)[7] 岳龙旺,许天春,贠今天. “妙手”系统机械结构设计与优化[J]. 机器人. 2006(02)[8] 付西光,颜国正. 7-DOF核工业机器人的轨迹规划与仿真[J]. 系统仿真学报. 2005(08)[9] 祖迪,吴镇炜,谈大龙. 一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法[J]. 机械工程学报. 2005(06)[10] 管荣祥,张恒,王胜. 机器人辅助下的腹腔镜手术[J]. 江苏大学学报(医学版). 2004(03)

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