Разработка системы управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятор

Резистор R2 ограничивает ток, протекающий по цепи светодиода VD3.Через разъемX2 снимаются управляющие сигналы, формируемые блоком управления: модуляции и разрешения работы усилителя мощности высокочастотного сигнала.2.3 Разработка алгоритма работы управляющей программыБлок-схема алгоритма работы управляющей программы микроконтроллера представлена на рисунке 2.7.Блок 1. Начальная инициализация ресурсов микроконтроллера и его окружения. Дискретные выводы D8, D9, D10, D11, D12, D13 включаем на выход.Инициализация контроллера ЖК - дисплея, очистка экрана.Блок 2.Настройка линии портов ввода-вывода:D2 – линия разрешения работы усилителя мощности. Переключаем на выход, начальное состояние LOW–работа усилителя запрещена;D3 – линия управления модулятором. Переключаем на выход, начальное состояние LOW–прохождение сигнала возбуждения через модулятор перекрыто;Рисунок 2.7 – Блок-схема алгоритма управляющей программыD4 – линия контакта «Коагуляция» переключателя режимов работы. Переключена на вход, внутренняя подтяжка к напряжению питания включена.D5 – линия контакта «Смешанный режим» переключателя режимов работы. Переключена на вход, внутренняя подтяжка к напряжению питания включена.D6 – линия контакта «Резание» переключателя режимов работы. Переключена на вход, внутренняя подтяжка к напряжению питания включена.D5 – линия педали«Работа» – вход, внутренняя подтяжка к напряжению питания включена.Блок 3. Вывод приветствия на дисплей:- верхняя строка «Приветствую»;- нижняя строка «Начало работы».Блок 4.Начало бесконечного рабочего цикла. Ожидание нажатия педали разрешения работы.Блок 5.Педаль нажата. Вывод в верхней строке сообщения «Аппарат в работе».Блок 6. Анализируем положение переключателя выбора режима работы. Если движок переключателя находится в положении «Резание», продолжаем последовательное выполнение блоков алгоритма, если нет переходим к блоку 9.Блок 7. Присваиваем переменной значение Кзап=100%.Блок 8. В нижнюю строку дисплея выводим сообщение «Резание». Передаем управление блоку 17.Блок 9. Анализируем положение переключателя выбора режима работы. Если движок переключателя находится в положении «Смесь», продолжаем последовательное выполнение блоков алгоритма, если НЕТ переходим к блоку 12.Блок 10. Присваиваем переменной значение Кзап=50%.Блок 11. В нижнюю строку дисплея выводим сообщение «Смесь». Передаем управление блоку 17.Блок 12. Анализируем положение переключателя выбора режима работы. Если движок переключателя находится в положении «Коагуляция», продолжаем последовательное выполнение блоков алгоритма, если НЕТ переходим к блоку 15.Блок 13. Присваиваем переменной значение Кзап=25%.Блок 14. В нижнюю строку дисплея выводим сообщение «Коагуляция». Передаем управление блоку 17.Блок 15. Движок переключателя выбора режима работы не находится в положениях «Резание», «Смесь» или «Коагуляция», следовательно, он находится в положении «Фульгурация».Присваиваем переменной значение Кзап=10%.Блок 16. В нижнюю строку дисплея выводим сообщение «Фульгурация».Блок 17. Включаем ШИМ с коэффициентом заполнения импульса Кзап.Блок 18. Разрешаем работу усилителя мощности.Блок 19.Ожидание отпускания педали разрешения работы.Блок 20.Педаль в отжатом положении. Вывод в верхней строке сообщения «Аппарат в ожидании».Блок 21.Включаем ШИМ с коэффициентом заполнения импульса 0%, т.е. перекрываем прохождение частоты возбуждения через модулятор на вход усилителя мощности ВЧ.Блок 22.Запрещаем работу усилителя мощности. Передаем управление в начало бесконечного рабочего цикла, блоку 4.2.4.1 Разработка управляющей программы микроконтроллераУправляющая программа микроконтроллера разработана, написана и компилирована в среде разработчика ArduinoSoftware (IDE) на языке программирования С++. Копия экрана с результатом успешной компиляции приведена на рисунке 2.8.Рисунок 2.8 - Копия экрана с результатом успешной компиляции программыПолный текст управляющей программы приведен в ПРИЛОЖЕНИИ А ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ настоящей Пояснительной записки.2.4.2 Моделирование работы блока управления прибором средствами САПРМоделирование работы блока управления прибором производилось средствами САПР. Модель блока управления показана на рисунке 2.9.Управление прибором осуществляет микроконтроллер U1. Входные сигналы микроконтроллера U1 формируются:- позиционным переключателем SW1;- кнопкой «Работа».Рисунок 2.9 – Модель блока управленияв среде САПРПоложение движка поворотного позиционного переключателя SW1 определяет один из четырех режимов работы прибора: «Резание», «Смесь», «Коагуляция», «Фульгурация». От выбора режима зависит коэффициент запронения импульсов высокой частоты на губках рабочей части прибора.Кнопка «Работа» в нажатом состоянии разрешает работу прибора, в свободном – запрещает.Выходные сигналы микроконтроллера:- сигнал модуляции для ВЧ генератора;- сигнал включения мощности ВЧ генератора.Высокий логический уровень сигнала включения мощности активирует работу ВЧ генератора и высокочастотное напряжение оказывается приложенным к оперируемой ткани тела пациента через пару губок рабочей части прибора.Величина нагрева в зависимости от предустановленного режима работы прибора регулируется величиной коэффициента заполнения модулирующих импульсов излучения высокочастотного генератора.Логические элементы U2 и U3 моделируют работу модулятора сигнала ВЧ генератора G1.Наблюдение за формой сигнала на губках рабочей части прибора производим с помощью виртуального осциллографа Q1.На рисунке 2.10 приведена модель блока управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятором в исходном состоянии после окончания процедуры сброса микроконтроллера.Рисунок 2.10 – Моделирование работы блокав исходном состоянииКнопка «Работа» находится в неактивном положении - свободна, переключатель режимов работы в любом произвольном положении. Сигнал разрешения работы усилителя мощности – низкий логический уровень (работа усилителя мощности ВЧ запрещена). Коэффициент заполнения импульсов модуляции Кзап = 0. Верхняя строка дисплея сообщение «Приветствую», нижняя строка дисплея «Начало работы».На рисунке 2.11 приведена модель блока управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятором в режиме работы «Резание».Рисунок 2.11 – Моделирование работы блока управления в режиме «Резание»Кнопка «Работа» находится в активном положении - нажата, переключатель режимов работы в положении 1 «Резание». Сигнал разрешения работы усилителя мощности – высокий логический уровень (работа усилителя мощности ВЧ разрешена). Коэффициент заполнения импульсов модуляции Кзап = 100%. Верхняя строка дисплея сообщение «Аппарат в работе», нижняя строка дисплея «Резание».На рисунке 2.12приведена модель блока управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятором в режиме работы «Смесь».Рисунок 2.12 – Моделирование работы блока управления в смешанном режимеКнопка «Работа» находится в активном положении - нажата, переключатель режимов работы в положении 2 «Смесь». Сигнал разрешения работы усилителя мощности – высокий логический уровень (работа усилителя мощности ВЧ разрешена). Коэффициент заполнения импульсов модуляции Кзап = 50%. Верхняя строка дисплея сообщение «Аппарат в работе», нижняя строка дисплея «Смешанный режим».На рисунке 2.13 приведена модель блока управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятором в режиме работы «Коагуляция».Рисунок 2.13 – Моделирование работы блока управления в режиме «Коагуляция»Кнопка «Работа» находится в активном положении - нажата, переключатель режимов работы в положении 3 «Коагуляция». Сигнал разрешения работы усилителя мощности – высокий логический уровень (работа усилителя мощности ВЧ разрешена). Коэффициент заполнения импульсов модуляции Кзап = 25%. Верхняя строка дисплея сообщение «Аппарат в работе», нижняя строка дисплея «Коагуляция».На рисунке 2.14 приведена модель блока управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты-коагулятором в режиме работы «Фульгурация».Рисунок 2.14 – Моделирование работы блока управления в режиме «Фульгурация»Кнопка «Работа» находится в активном положении - нажата, переключатель режимов работы в положении 4 «Фульгурация». Сигнал разрешения работы усилителя мощности – высокий логический уровень (работа усилителя мощности ВЧ разрешена). Коэффициент заполнения импульсов модуляции Кзап = 10%. Верхняя строка дисплея сообщение «Аппарат в работе», нижняя строка дисплея «Фульгурация».Выводы по разделуМоделирование работы блока управления средствами САПР подтвердило ее работоспособность, показало соответствие реакции системы в виде формируемых управляющих сигналов и выводимых на дисплей сообщений на поступающие команды оператора.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ процессе выполнения выпускной квалификационной работы бакалавра были сформулированы и решены следующие задачи:1) на основе изучения литературных источников рассмотрено применение электрокоагуляторов в медицинской практике;2) изучен принцип работы и история создания электроинструмента в хирургии;3) рассмотрены виды и режимы работы электрохирургического инструмента высокой частоты (ЭХВЧ);4) описан состав существующих систем ЭХВЧ;5) выполнен обзор фирм – производителей электрохирургического инструмента;6) составлена структурная схема разрабатываемого устройства ЭХВЧ;7) разработана электрическая принципиальная схема системы управления ЭХВЧ;8) составлена блок-схема алгоритма управляющей программы микроконтроллера разрабатываемой системы;9) написана, скомпилирована и отлажена управляющая программа микроконтроллера разрабатываемой системы;10) произведено моделирование работы системы управления прибором средствами САПР.Цель выпускной квалификационной работы бакалавра: разработать систему управления электрохирургическим аппаратом высокой частоты – коагулятором, достигнута.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Андрей, Шалунов Акустическая коагуляция аэрозолей / Шалунов Андрей , Владимир Хмелев und Ксения Шалунова. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2018. - 272 c;2. Бабич, Максим Аргоно-плазменная коагуляция при туберкулезном плеврите / Максим Бабич. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2016. - 112 c.3. Шестерня, Н. А. Плазменная коагуляция в травматологии и ортопедии (+ СD-ROM): моногр. / Н.А. Шестерня, С.В. Иванников, Д.А. Тарасов. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. - 104 c.4. Шестерня, Н. А. Плазменная коагуляция в травматологии и ортопедии: моногр. / Н.А. Шестерня. - М.: Лаборатория знаний, 2018. - 208 c.5. Шестерня, Н.А. Плазменная коагуляция в травматологии и ортопедии (+ CD-ROM): моногр. / Н.А. Шестерня. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. - 792 c.6. Электрохирургия – техническая информация [Электронный ресурс] http://www.endosurgical.ru/electrohirurgiya-prakticheskie-sovety/7. Новожилов О.П. Основы микропроцессорной техники. Т.2: учеб. пособие:в 2 т. / О.П.Новожилов .— М. : РадиоСофт, 2007 .— 336с. : ил.8. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров.: Пер. с нем. — К.: "МК-Пресс", 2006. — 208 с, ил.9. Гибсон Г.,Лю Ю-Ч. Аппаратные и программные средства микро-ЭВМ / Пер. с англ. В.Л.Григорьева.;Под ред. В.В. Сташина.- М.. Финансы и статистика, 1983.-255с.10. Arduino Software (IDE) – техническая информация [Электронный ресурс] https://www.arduino.cc/en/software11. Arduino – техническая информация [Электронный ресурс] http://robocraft.ru/blog/arduino/1035.html12. ATMEGA328 – техническая информация [Электронный ресурс] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/392243/ATMEL/ATMEGA328.html13. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. М.: Додэка-ХХ1, 2005. -528с14. HD44780 – техническая информация [Электронный ресурс] http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/lcd/chips/hd44780/start.htm15. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 5-е изд., стер. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2008.-560 с.ПРИЛОЖЕНИЕ А ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ#include LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8);#definestartButton 7 // входкнопки "Работа"#definecuttingPos 6 // вход позиция переключателя режимов "Резание"#define mixPos 5 // вход позиция переключателя режимов "Смесь"#define coagulationPos 4 // вход позиция переключателя режимов "Коагуляция"#define modulationPin 3 // выход управления модуляцией#define powerPin 2 // выход управления усилителем мощностиint mod=0;void setup() { lcd.begin(16, 2);pinMode(modulationPin, OUTPUT); // дискретный выход управления модулятором digitalWrite(modulationPin,0); // начальное состояние LOW pinMode(powerPin, OUTPUT); // дискретный выход управления усилителем мощности digitalWrite(modulationPin,0); // начальное состояние LOW digitalWrite(startButton,1); // внутренняя подтяжка входа "Работа" включена digitalWrite(cuttingPos,1); // внутренняя подтяжка входа "Резание" включена digitalWrite(mixPos,1); // внутренняя подтяжка входа "Смесь" включена digitalWrite(coagulationPos,1); // внутренняя подтяжка входа "Коагуляция" включенаlcd.print(" - Welcome -"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Getting started");}void loop() { while(digitalRead(startButton)!=0); // ожиданиенажатиякнопкиРАБОТА lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Power ON! "); // Сообщение "Аппарат включен" lcd.setCursor(0,1); if(digitalRead(cuttingPos)==0){ // Режим "Резание" включен lcd.print("Cutting mode "); // Сообщение о включении режима "Резание"mod=255; }else if(digitalRead(mixPos)==0){ // Режим "Смесь" включенlcd.print("Mix mode "); // Сообщение о включении режима "Резание"mod=127; }else if(digitalRead(coagulationPos)==0){ // Режим "Коагуляция" включенlcd.print("Coagulation mode"); // Сообщение о включении режима "Коагуляция" mod=63; }else{ // Режим "Фульгурация" включен lcd.print("Fulguration mode"); // Сообщение о включении режима "Фульгурация" mod=10; } analogWrite(modulationPin,mod); // Задание скважности модулирующего сигнала digitalWrite(powerPin,1); // Включение усилителя мощности while(digitalRead(startButton)==0); // ожидание отпускания кнопки РАБОТА analogWrite(modulationPin,0); // Запрет работы задающего генератора digitalWrite(powerPin,0); // Выключение усилителя мощности lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Power OFF "); // Сообщение "Аппарат отключен" lcd.setCursor(0,1); lcd.print(" ");}Поз.обозна-чениеНаименованиеКол.ПримечаниеМикросхемыDD1MAX6805US31D31DD2ATMEGA3281DD3ADM560JR1DA178L051ДиодыVD1,VD21N41482РезисторыR1C1 – 4 – 0.125 – 10 кОм ± 5%1R2C1 – 4 – 0.125 – 390 Ом ± 5%1R3WH-148 10 кОм±10%1КонденсаторыC1,C2КD – 2 – SL – 22 пФ2C3,C6,C11КМ-6А-Н90-0,1 мкФ3C7-C10К50 – 35 – 1 мкФ±10% * 16 В4Кварцевый резонаторZQ1РПК01 HC-49SM 16,0 МГц1ИндикаторыDPY1WH1602B1HL1АЛ307АМ1Стандартные изделияSB1Кнопка B3F-10201SW1Микропереключатель PS-580L1