朱興喜 汪長嶺 張聯飛 毛靖寧 曹勇民 沈華強*

醫(yī)院手術室暖通設備控制信息面板的改造設計與應用

朱興喜①汪長嶺①張聯飛①毛靖寧①曹勇民①沈華強①*

目的：利用手術室現有暖通設備執(zhí)行系統(tǒng)，用最低的成本進行現代手術室暖通設備控制信息面板的改造設計，取代手術室原故障信息面板，方便醫(yī)護人員操作使用。方法：采用微程序處理器、編程技術以及模擬與數字技術研制新的手術室信息面板，無縫對接并控制原有的暖通及相關執(zhí)行設備。結果：研制的裝置能采集需要的控制信號，并進行有效的轉換，再經過編程進行信號處理，輸出有效的執(zhí)行信號。實驗數據顯示，實驗結果在允許的范圍內，可以與原執(zhí)行器件無縫對接。使用新研制的信息面板恢復了原手術室暖通設備控制執(zhí)行系統(tǒng)，為醫(yī)院節(jié)省近百萬購置手術室信息面板和設備費用，間接節(jié)省數百萬手術室改造費用。結論：在不影響手術室總體結構的情況下，采用模數電子以及模塊單片機的編程控制技術，用較短時間內完成電路設計和編程，研制出新的手術室信息面板，安裝測試結果表明在功能上完全替代原有系統(tǒng)，可為其他醫(yī)院類似改造項目提供技術參考。

微程序控制器；脈寬調節(jié)；手術室；信息面板；暖通設備

現代手術室一般將照明、無影燈、新風、層流風、溫度、濕度、狀態(tài)顯示等控制與設置功能均集中到綜合信息控制面板上，作為手術室綜合控制器以及手術室當時狀態(tài)的顯示面板[1-3]。南京總醫(yī)院手術室自2000年建成使用以來，其信息控制面板已使用數十年，由于手術室內的室溫常年維持在26 ℃以上的溫度，信息控制面板安裝盒內的溫度因元器件發(fā)熱比房間溫度更高，以致加快了信息控制電路板元器件的老化速度，出現多間手術室信息控制面板損壞，致使手術室內照明、新風等均無法控制。由于電路板控制芯片內含有編程，難以修復，需要對整個系統(tǒng)的更換，涉及到改造設計、布線，更換新風層流系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)等暖通設備和手術室重新改裝。如果外包工程涉及工程量大，不僅需要投入大量的資金，更要花費大量的時間，甚至影響手術室在長時間無法使用。為此，本研究通過分析信息面板的控制功能，重點研究手術室暖通設備控制信息面板的設計思路，自行對手術室暖通設備控制信息面板進行重新設計和改造。

1 暖通設備信息系統(tǒng)設計

手術室暖通設備信息包括手術室溫度和濕度、新風、層流、空調和狀態(tài)設置顯示等，其系統(tǒng)設計的主要內容為：①采用手術室現有的溫度和濕度傳感器進行取樣并顯示，與設定的溫度和濕度進行比較，來判斷是否開啟中心空調；②依據手術室凈化空氣等級設置新風和層流單位時間開啟次數；③方便醫(yī)護人員開展手術，實現開啟和關閉患者麻醉和手術時間計時。按照上述內容在電路設計上主要由微程序控制器單元(micro control unit，MCU)進行采樣、運算、模擬數字(analog digital，AD)轉換、輸出控制信號電路、溫度和濕度以及狀態(tài)設置顯示電路組成[4-5]。

1.1 結構與原理

1.1.1 結構設計

(1)MCU從手術室回風管內采集到溫度和濕度信號后進行A/D變換，與信息面板設定的溫度和濕度信息進行對比、判斷后，輸出兩路脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)信號，分別為溫度和濕度PWM控制信號，其中一路通過PWM-V1-A1先進行脈寬調制信號轉換為0～10 V(PWM-V1)的相應電壓信號，再進行電壓信號轉換為電流4～20 mA(V1-A1)信號來控制空調閥門執(zhí)行器；另一路采用同樣的原理產生電流4～20 mA(V2-A2)信號來控制蒸汽加濕閥門執(zhí)行器。

(2)通過信息面板按鍵輸入層流風量、時間設置、手術時間、麻醉時間等信息，通過MCU處理后輸出兩組信息，分別為PWM信號和屏顯信息，其中PWM信號通過PWM-V3-A3(工作原理與PWM-V1-A1相同)產生電流4～20 mA(V3-A3)信號來控制層流風量控制執(zhí)行器。MCU信息采集、處理、屏顯和控制輸出如圖1所示。

圖1 手術室暖通系統(tǒng)結構圖

1.1.2 MCU的選擇

由于MCU是信息處理與控制器的大腦，也是電路設計上主要關鍵所在，其穩(wěn)定性關系到整個系統(tǒng)設計的成敗，由于時間急迫，采用現有成熟的開發(fā)板(Mega 2560開發(fā)板)作為MCU加快系統(tǒng)設計的速度。Mega 2560采用USB接口的核心電路板，最大的特點是具有多達54路數字輸入/輸出(I/O)，特別適合需要大量I/O接口的設計。Mega2560開發(fā)板的核心處理器是ATmega2560，同時具有54路數字I/O口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路異步串行通信口，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個在線串行編程連接端(ICSP header)和一個復位按鈕[6]。其大量的I/O帶來了豐富的擴展性，成熟的設計使其先天具有較佳的穩(wěn)定性，而低廉的價格極大降低了設計成本。由于本身具有USB編程接口，省去了購買編程器的繁瑣，采用裝有官方Arduino IDE，即Arduino開發(fā)工具，是一個基于開放原始碼的軟硬體平臺，構建于開放原始碼(simple I/O界面版)的普通電腦使用編程語言C就能方便的編程，使用方便，且豐富的資源可以大量節(jié)省編程周期。

1.1.3 回風口溫濕度采樣電路

回風口溫度和濕度采樣信號來自于西門子QFM65風管傳感器(如圖2所示)。QFM65風管傳感器采用AC 24 V作為工作電源，QFM65內部設置了溫度和濕度探頭及轉換處理電路[7]。一路是通過電容濕度傳感器的電容，隨著空氣濕度的改變而改變，用來測量風管內相對濕度，在相對濕度0%～100%時，電子測量電路對應模擬輸出的電壓為0～10 V，一般相對濕度的應用范圍在10%～90%，對應采集的電壓信號為1～9 V；另一路是通過Pt1000薄片測量元件的電阻，隨著空氣溫度的改變而改變，用來采集風管內的攝氏溫度，攝氏溫度的變化經電路處理后轉換成2個獨立的模擬電壓輸出，范圍均為0～10 V，對應的攝氏溫度分別為0～50 ℃和-35～+35 ℃?？紤]到手術室的攝氏溫度變化范圍，取0～50 ℃的攝氏溫度范圍對應的電壓輸出進行采樣。由于MCU開發(fā)板的A/D能承受電壓為5 V，在此將溫度和濕度采樣輸出的模擬電壓進行線性除2處理，也就是輸入到MCU板的電壓范圍均為0～5 V，其電路是采用2個100 K金屬膜電阻和1 K線繞電位器串聯組成，從電位器中間抽頭輸出，調節(jié)電位器可以保證信號降低為原來的一半，然后輸入到MCU開發(fā)板A/D輸入端。

圖2 風管溫度濕度傳感器示意圖

1.1.4 信息面板按鍵輸入電路

信息面板按鍵有6個，撥動開關1個。按鍵中2個用于時間的設置；1個用于麻醉時間的開啟、暫停和關閉；1個用于手術時間的開啟、暫停和關閉；另外2個是用于風管機組變頻器頻率增大和減小輸入鍵。6個按鍵正常狀態(tài)下為高電平(+5 V)，當需要設置或調節(jié)變頻器頻率(調節(jié)風量)時按下相應的按鍵，低電平信號就連接到MCU開發(fā)板。1個撥動開關用于當空調管道走冷水或熱水時的信號設定。

1.1.5 MCU信號處理

MCU接收到信號分為3種處理方式。

(1)接收到攝氏溫度和相對濕度模擬信號后分別進行10位A/D轉換，得到對應的攝氏溫度和相對濕度數字信號，一方面輸出到信息面板狀態(tài)顯示電路進行攝氏溫度和相對濕度的實時顯示，另一方面與程序內設定的攝氏溫度(T0=25 ℃)數字和相對濕度(RH0=50%)數字進行對比，根據對比差值大小來調節(jié)輸出PWM脈寬(占空比)，差值越大，占空比越大，反之，差值越小，占空比越小。

在程序中將手術室內實時攝氏溫度(T)和相對濕度(RH)與設定的溫濕度對比后輸出PWM的占空比各分為4種模式：①當T-T0≤±2 ℃時，PWM占空比為10%，表示管道閥門處于關閉狀態(tài)；②當±2 ℃＜TT0≤±4 ℃時，占空比為50%，表示管道閥門開啟一半；③當±4 ℃＜T-T0≤±6 ℃時，占空比為80%，表示管道閥門開啟較大；④當±6 ℃＜T-T0時，占空比為100%，表示管道閥門開啟最大(以上溫度模式中，設定“±”中的“+”為空調管道走冷水，“-”為空調管道走熱水的模式)。

實時相對濕度RH與占空比的4種模式：①當RH0-RH≤4%時，PWM的占空比為10%，表示蒸汽加濕閥門處于關閉狀態(tài)；②當4%＜RH0-RH≤8%時，占空比為50%，表示蒸汽加濕閥門開啟一半；③當8%＜RH0-RH≤12%時，占空比為80%，表示蒸汽加濕閥門開啟較大；④當12%＜RH0-RH時，占空比為100%，表示蒸汽加濕閥門開啟最大。

(2)當接收到面板按鍵風量調節(jié)增加的信號時，其輸出PWM的占空比在當前的基礎上增大，反之占空比減小，共分為5個占空比，分別是100%、80%、60%、40%和20%，表示對應的風管機組運行變頻器的頻率為50 Hz、40 Hz、30 Hz、20 Hz和10 Hz。

(3)當接收到面板時間調節(jié)、手術時間和麻醉時間信號輸入時，MCU采用中斷處理的方式進行，輸出信號到信息面板狀態(tài)顯示電路進行相應的時間顯示。

1.1.6 PWM-V-A電路

PWM-V-A電路是脈寬信號轉換成電壓信號，再轉換成電流信號的電路。由于用于控制溫度和濕度的閥門及控制風量的變頻器分別是西門子SQX61、SKD62執(zhí)行器和富士VF-8X變頻器(其外觀如圖3所示)?？刂菩盘柧O置為4～20 mA的直流電流信號，所以將MCU輸出的PWM信號全部轉換為直流電流信號，以便于控制[8-9]。

圖3 設備外觀示意圖

PWM-V-A的電路原理如圖4所示。從MCU輸出的占空比可調的PWM信號通過TL082CN高輸入阻抗雙運算的U1A運算進行隔離和信號跟隨，將PWM信號從1腳輸出到LTC2644C(U2)的INA引腳進行PWM-V的轉換，U2是雙通道8位PWM至電壓輸出的數字模擬轉換器，具有高準確度、低漂移以及10 ppm/℃基準特性，其輸出直流電壓與PWM占空比成正比，即公式1：

式中TPWH表示脈沖的寬度時間，TPER表示2個上升沿的寬度時間，TPWH/TPER一般可以表示為占空比值。

從U2的VOUTA輸出的直流電壓通過由R5、R7、C3、R6和C4組成的低通濾波器，進一步使直流電壓波形平滑，再經過TL082CN的U1B運算隔離跟隨，最后通過由LM324N四運算的U3A運算和U3B運算以及周邊元器件組成的V-A轉換電路[10-11]。根據電路的設計，V-A轉換輸出的電流為IIOUT=VVIN/(R0+R8)，當VIN輸入電壓為1～5 V直流電壓時，調節(jié)R8從IOUT輸出為4～20 mA的電流至執(zhí)行器。圖1中的PWMV1-A1、PWM-V2-A2和PWM-V3-A3的電路原理與PWM-V-A電路原理相同，在此不再贅述。

2 暖通設備調試

按照上述設計原理制作電路板和編寫程序后進行調試。

表2 模擬溫度對應的閥門狀態(tài)

圖4 PWM-V-A原理圖

(1)進行V-A調試(如圖4原理)。在執(zhí)行器位置連接一個RL=500 Ω的模擬負載，在VIN端加上5 V電壓，調節(jié)R8，測量模擬負載的端電壓約為10 V，即輸出電流約為20 mA，為了檢驗V-A輸出電流是否達到要求，進行數據測試，測試條件是：R0+R8=200 Ω，RL=100 Ω和200 Ω，得出V-A的轉換產生的誤差很小，對于控制閥門基本符合要求，見表1。

表1 不同負載RL(Ω)條件下實驗結果

(2)進行PWM-V調試。在PWM輸入口輸入頻率100 kHz、幅度為5 V的脈沖波，采用的占空比分別為20%、50%和100%(建議不要使用占空比為0進行調試)，對應的輸出VVIN電壓分別約為1 V、2.5 V和5 V，符合控制閥的電流要求。

(3)進行溫度調試。濕度和風管機組變頻器的測試與溫度測試原理類似，用模擬溫度的采樣信號Ui(模擬空調管道走冷水條件下)，再通過線性除2處理后輸入到MCU，從模擬負載中測試負載端電壓，測試條件是：R0+R8=250 Ω，RL=500 Ω。從表2中可以得出，在模擬溫度為25 ℃時，與程序設定的溫度(25 ℃)相差在溫度模式1中，PWM占空比輸出為10%，閥門關閉；在模擬溫度為28 ℃，其差值在溫度模式2中，PWM占空比輸出為50%，閥門開啟一半；當模擬溫度為32 ℃，其差值在溫度模式4中，PWM占空比為100%，閥門全開啟，均符合設計要求。

3 結論

通過對V-A、PWM-V和模擬溫度調試實驗的結果可見，研制的裝置能采集需要的控制信號，并進行有效的轉換，再經過編程進行信號處理，輸出有效的執(zhí)行信號。實驗數據顯示，實驗結果在允許的范圍內，可以與原執(zhí)行器件無縫對接。因此對手術室原電氣設施和暖通設備的控制信息研究，在不影響手術室總體結構的情況下，采用模數電子、模塊單片機的編程控制技術，研制新的手術室信息面板，在功能上完全替代原有系統(tǒng)，使醫(yī)院手術室工作能夠照常開展，避免手術室墻體改造帶來的不便和費用支出，而且此電路可為其他醫(yī)院設計手術室暖通控制電路提供技術參考[12]。

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The transformed design and application of HVAC control panel in operating room of hospital/

ZHU Xing-xi, WANG Chang-ling, ZHANG Lian-fei, et al//
China Medical碩士Equipment,2017,14(10):4-7.授。

Objective: To replace the original faulty information panel so as to be convenient for operation of medical staff through used the existed execution system of heating ventilation air conditioning (HVAC) equipment to achieve transformed design with lowest cost for the control plate of HVAC in modern operation room. Methods: The new transformed plate of operation room, which was researched and developed by adopting microprogram control unit,programming technique, simulated and digital technique, could seamless joint and control the original HAVC and relative execution equipment. Results: The new information plate has recovered the control and execution system of HAVC in original operation room, and it saved nearly one million Yuan cost of information plate and equipment for operation room of hospital. Besides, it also indirectly saved millions Yuan of transformed cost of operation room. Conclusion: Under the normal using of the operation room without being affected, the circuit design, programming and installation of information plate are realized in shortest time. The design not only accumulates technique experience but also provide technique reference for the similar transformation in other hospitals.

Micro programmed control unit; Pulse width modulation; Operating room; Control panel; Execution system of heating ventilation air conditioning

Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing, 210002,China

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.002朱興

2017-05-06

1672-8270(2017)10-0004-04

R197.39

A

①南京總醫(yī)院醫(yī)學工程科 江蘇 南京 210002

*通訊作者：shootgunmm@126.com