低溫外科醫(yī)治機(jī)是選用某種物質(zhì)作為制冷介質(zhì)，利用該介質(zhì)節(jié)流時(shí)吸收熱量發(fā)生的制冷效果效果于人體安排部位經(jīng)歷降溫、凍住、復(fù)溫的進(jìn)程，形成安排 發(fā)生冷凍壞死、冷凍阻滯、炎性反應(yīng)及冷凍粘連等需求的效果。*要用于皮膚科、耳鼻喉科、肛腸科、婦科、消化科、神經(jīng)外科等簡(jiǎn)直一切外科科室的相關(guān)醫(yī)治。其 醫(yī)治機(jī)理是利用深低溫冷卻并凍住增生或腫瘤安排，使病變細(xì)胞發(fā)生生理或代謝性抑制，包含物理的、化學(xué)的和電解質(zhì)的改變，使安排細(xì)胞遭到損害從而摧毀病灶組 織，抵達(dá)臨床醫(yī)治的目的[1-2]。

本所經(jīng)過多年的研討與嘗試，開發(fā)了以液氮為制冷介質(zhì)的低溫外科醫(yī)治機(jī)，本文從硬件和軟件兩個(gè)方面論述了設(shè)備的開發(fā)進(jìn)程。

一、液氮低溫外科醫(yī)治機(jī)的硬件規(guī)劃

液氮低溫外科醫(yī)治機(jī)硬件*要由:液氮存貯器、加熱自增壓模塊、液位計(jì)、壓力傳感器、低溫電磁閥、運(yùn)送管路、加液罐、泄壓閥、醫(yī)治探頭、溫度傳感器、復(fù)溫模塊、收集轉(zhuǎn)化模塊、可編程操控器和五顏六色觸摸屏等組成。

體系的作業(yè)原理為:阻隔變壓器為加液罐加熱模塊、液氮存貯器加熱模塊以及PLC供給作業(yè)電壓。PLC選用三菱PLC-FX1N系列可編程操控 器，是硬件部分的核心器件，它一方面經(jīng)過收集轉(zhuǎn)化模塊獲得醫(yī)治探頭以及周圍安排的溫度信息，以及液氮存貯器內(nèi)壓力信息，并輸出到觸摸屏，便利用戶監(jiān)測(cè);另 一方面用戶經(jīng)過觸摸屏設(shè)定溫度參數(shù)或壓力參數(shù)，當(dāng)超越設(shè)定溫度或壓力時(shí)，PLC宣布操控信號(hào)，使卸壓閥翻開，下降液氮存貯器內(nèi)壓力，從而使溫度或壓力保持 在設(shè)定值，完結(jié)體系功用。

1、要害部件的規(guī)劃

神經(jīng)外科低溫醫(yī)治機(jī)*要有以下3個(gè)要害部件組成:液氮存貯器、液氮運(yùn)送管和冷凍醫(yī)治探頭

(1)液氮存貯器

液氮存貯器是供給冷源的場(chǎng)所，是整機(jī)中的一個(gè)重要部件。依據(jù)臨床需求，冷凍探桿直徑比較細(xì)，一般在6 mm以下，并且探桿真空*熱層占了必定的空間，所以液氮運(yùn)送的實(shí)踐通道很窄，直徑1. 6 mm左右，對(duì)流體傳輸阻力很大，因而液氮需求選用受壓強(qiáng)制運(yùn)送。

液氮容器一般應(yīng)滿足以下要求: (1)容器必須能接受液氮運(yùn)送壓力，耐壓功用可靠; (2)容器自身具有必定的*熱性，以有效存貯液氮; (3)需求有必定的容積，所存貯的液氮量滿足一次手術(shù)之用。在*剖析了醫(yī)治設(shè)備的工況后，認(rèn)為液氮存貯器雖然需求有必定的*熱功用要求，以防止容器內(nèi)液 氮迅速汽化，但對(duì)*熱要求不高，由于存貯器需求保存液氮的

時(shí)刻不長(zhǎng)，從將液氮注入到存貯器至*終手術(shù)結(jié)束，大約僅50 min—60 min時(shí)刻，并且設(shè)備作業(yè)時(shí)，也需求有部分的液氮汽化，以抵達(dá)容器增壓運(yùn)送的目的。

依據(jù)上述剖析，選用填充式結(jié)構(gòu)液氮存貯器。這種存貯器為表里套筒結(jié)構(gòu)，表里筒體為1Cr18Ni9Ti不銹鋼資料，中心隔層填充珠光砂*熱材 料，筒體口用夾布膠木制成的環(huán)將內(nèi)筒體定位，以堅(jiān)持表里兩筒體的同心度一致。這種結(jié)構(gòu)的液氮存貯器有以下3個(gè)特點(diǎn): (1)當(dāng)體系密閉增壓時(shí)，其壓力上升平穩(wěn)緩慢，不會(huì)呈現(xiàn)驟變，壓力易于操控，安全性好; (2)由于選用填充式結(jié)構(gòu)，*熱效果始終不會(huì)有多大的改變，運(yùn)用壽數(shù)長(zhǎng); (3)加工工藝簡(jiǎn)略，制形成本低。

(2)液氮運(yùn)送管

液氮運(yùn)送管是銜接液氮存貯器與醫(yī)治探頭的部件，它要求將液氮迅速可靠地傳輸?shù)嚼鋬鎏筋^，盡可能削減運(yùn)送進(jìn)程中的汽化丟失。液氮從液相蒸發(fā)變?yōu)闅? 相是一個(gè)氣液平衡的傳導(dǎo)進(jìn)程，它跟傳熱進(jìn)程和壓強(qiáng)改變有關(guān)，故氣、液兩相成分的比例決定于*熱和流動(dòng)阻力，為了進(jìn)步液相成分，需求對(duì)影響換熱和流動(dòng)阻力的 幾個(gè)因素進(jìn)行剖析[4]。

基于上述剖析，規(guī)劃了表里雙管式液氮運(yùn)送管，內(nèi)管為直徑2 mm的不銹鋼管，外管為直徑12 mm的不銹鋼波紋管，兩管之間選用聚四氟乙烯三角形支撐片定位，一起在夾層抽取真空，液氮在內(nèi)管中傳輸，運(yùn)送管兩頭為不銹鋼螺母接頭，其一端銜接冷凍探 頭，另一端接液氮存貯器上的液氮出口。依據(jù)手術(shù)要求，一般運(yùn)送管長(zhǎng)度為1. 5m—1. 7m為宜，運(yùn)送管太短，手術(shù)醫(yī)生不便利，太長(zhǎng)了會(huì)增加液氮在運(yùn)送途中的損耗。

(3)冷凍醫(yī)治探頭

醫(yī)治探頭是與患者相觸摸的部件，是液氮低溫醫(yī)治機(jī)的核心部件，它的好壞直接影響設(shè)備的功用。為防止冷凍探頭損害相觸摸的正常安排，冷凍探頭非冷 凍區(qū)應(yīng)具有杰出的*熱功用。別的，為了便于探頭順利刺入病灶安排，還應(yīng)在在*端安裝刀頭。依據(jù)這些臨床要求，規(guī)劃了3套管式結(jié)構(gòu)，即為3根不同直徑的不銹 鋼管套接而成。其外管直徑為6 mm，壁厚0·2mm;中心管直徑為4mm，壁厚0. 2mm;內(nèi)管直徑為2 mm，壁厚0. 2 mm。液氮經(jīng)內(nèi)管流入汽化腔，汽化制冷后經(jīng)中心管與內(nèi)管的空腔排出。外管與中心管之間為真空腔體，一方面使非冷凍區(qū)探桿表面堅(jiān)持常溫，另一方面能夠有效地 削減液氮的汽化丟失。

依據(jù)臨床運(yùn)用需求，冷凍探頭工藝上還具有以下要求: (1)醫(yī)治探頭和探桿便于消毒，與安排觸摸部分的壁面四周鍍銀，以防止氧化。(2)醫(yī)治探頭端部需安裝測(cè)溫的銅、康銅熱電偶，用以測(cè)驗(yàn)和操控冷凍手術(shù)的溫 度。(3)為了能使冷凍探頭進(jìn)步傳熱效果，需將其做成薄壁空心形狀，資料選用導(dǎo)熱較好的紫銅。為充分利用液氮的潛熱。

2、功用模塊規(guī)劃

與PLC銜接的硬件*要有加熱自增壓模塊、收集轉(zhuǎn)化模塊和復(fù)溫模塊。

(1)加熱自增壓模塊

加熱自增壓模塊是為液氮在管道內(nèi)流動(dòng)供給動(dòng)力的功用模塊。它有兩個(gè)效果，一是加液時(shí)為加液罐供給壓力，二是設(shè)備作業(yè)時(shí)為刀桿供給壓力。

手術(shù)前，需求將液氮加入到液氮存貯器內(nèi)，這就靠加液罐中的加熱自增壓模塊完結(jié)。*先銜接好加液罐與液氮存貯器之的管路，然后經(jīng)過觸摸屏的加液開 關(guān)，操控加液與否。別的，在液氮存貯器和外置儲(chǔ)液罐中都安裝了液位計(jì)，一方面能夠在顯現(xiàn)屏上顯現(xiàn)當(dāng)時(shí)液位量，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另一方面當(dāng)在液氮存貯器液位達(dá) 到*高或許外置儲(chǔ)罐液氮缺乏時(shí)，能夠主動(dòng)切斷加液開關(guān)，完結(jié)人性化規(guī)劃。液位計(jì)選用了比較器的翻轉(zhuǎn)原理，電路如圖2所示。

手術(shù)時(shí)，液氮從存貯器中經(jīng)液氮運(yùn)送管抵達(dá)刀頭，汽化釋放冷量后排出。由于管路細(xì)且長(zhǎng)，需求很高的壓力，加熱自增壓模塊應(yīng)能為其供給滿足的壓力。 一起，存貯器內(nèi)壓力應(yīng)能自由操控，當(dāng)液氮存貯器內(nèi)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，應(yīng)中止加熱，必要時(shí)翻開卸壓閥下降壓力，以保持存貯器內(nèi)壓力。

(2)收集轉(zhuǎn)化模塊

不同人體部位或安排，會(huì)對(duì)制冷效果發(fā)生不同的影響。例如大血管中血液的流動(dòng)會(huì)帶走相當(dāng)?shù)睦淞浚谌梭w安排中，由于熱阻，每1 cm大約形成35℃的溫差[3-4] 。為了掌握在醫(yī)治區(qū)域鴻溝上的溫度，以免醫(yī)治進(jìn)程中損害正常安排，需求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)治區(qū)域的溫度。因而，設(shè)備配備了多路外置針式溫度傳感器，便于操作者監(jiān)督 冷凍探頭周圍安排溫度。溫度探針的資料為T分度熱電偶線，其一端銜接到收集轉(zhuǎn)化模塊，另一端插入人體安排中。作業(yè)時(shí)，熱電偶線將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成熱電動(dòng)勢(shì)信 號(hào)，經(jīng)過收集轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化為溫度，并經(jīng)通訊線在觸摸屏上顯現(xiàn)出來。壓力的收集則是經(jīng)過T分度熱電偶將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成4mA-20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過收集轉(zhuǎn)化模塊再轉(zhuǎn)化為壓力，并在觸摸屏上顯現(xiàn)出來。

(3)復(fù)溫模塊

冷凍手術(shù)在操作完結(jié)后，如何加熱使探頭與凍住的安排能夠快速脫離，是一個(gè)技術(shù)難題。傳統(tǒng)的計(jì)劃是在醫(yī)治探頭的端部布置電加熱元件，可是電加熱元 件在液氮的低溫和加熱發(fā)生的高溫的重復(fù)更迭下，線路、焊點(diǎn)以及元件自身很容易由于熱脹冷縮呈現(xiàn)故障，壽數(shù)無法進(jìn)步。本設(shè)備則將儲(chǔ)罐中液氮蒸發(fā)所發(fā)生的氮?dú)? 收集起來，在加熱到室溫后經(jīng)過原有的液氮運(yùn)送管路送至醫(yī)治探頭，完結(jié)探頭復(fù)溫。這樣的計(jì)劃由于加熱元件不在低溫下作業(yè)，具有更高的可靠性和壽數(shù)，運(yùn)用時(shí)也 更為安全，在某些特殊運(yùn)用場(chǎng)合(如心臟手術(shù)中)不會(huì)由于電壓對(duì)病人形成傷害。

二、液氮低溫外科醫(yī)治機(jī)的軟件規(guī)劃

1、主程序規(guī)劃

規(guī)劃軟件時(shí)遵循模塊化規(guī)劃原則，分別規(guī)劃了主程序和模塊子程序。除主程序外，針對(duì)不同功用規(guī)劃了子程序，*要包含:溫度檢測(cè)子程序、加液操控子程序、過壓放氣子程序和復(fù)溫子程序等。液氮低溫外科醫(yī)治機(jī)的軟件主程序流程圖如圖3。

經(jīng)過觸摸屏和按鍵配合操作可完結(jié)各種功用擇和參數(shù)的設(shè)置。開機(jī)后一切外圍器件和按鍵狀況都復(fù)位到初始化狀況。用戶在操控界面中的“數(shù)據(jù)監(jiān)控”分 界面上設(shè)置醫(yī)治手術(shù)所需的壓力和溫度參數(shù)值。當(dāng)罐內(nèi)壓力小于設(shè)定值時(shí)，加熱模塊作業(yè)，使液氮加速氣化，快速進(jìn)步存貯器中壓力。當(dāng)存貯器中實(shí)踐壓力值大于用 戶所設(shè)定的壓力參數(shù)值時(shí)，操控體系主動(dòng)封閉加熱模塊，并翻開卸壓閥放出必定量的氣體，以使罐內(nèi)壓力保持在設(shè)定壓力。

用戶按下開端作業(yè)開關(guān)，低溫電磁閥開端向低溫探頭運(yùn)送液氮使探頭降溫。當(dāng)溫度降到設(shè)置溫度參數(shù)值以下時(shí)，體系主動(dòng)封閉低溫電磁閥，中止繼續(xù)降 溫。由于手術(shù)醫(yī)治并不是溫度抵達(dá)醫(yī)治溫度時(shí)就完結(jié)，而是需求繼續(xù)醫(yī)治溫度必定時(shí)刻后才能抵達(dá)醫(yī)治目的，所以在溫度高于設(shè)定值時(shí)，體系將再度翻開低溫電磁 閥，使溫度堅(jiān)持在設(shè)定值，直至手術(shù)結(jié)束時(shí)手動(dòng)中止作業(yè)開關(guān)。

手術(shù)完結(jié)后翻開復(fù)溫模塊作業(yè)，儲(chǔ)氣罐中的熱氣經(jīng)過運(yùn)送管運(yùn)送到探頭處開端復(fù)溫，等待探頭溫度抵達(dá)0℃以上時(shí)，將低溫探頭從病體中拔出，并封閉復(fù)溫電磁閥。

2、用戶操控界面開發(fā)

用戶操控模塊完結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及用戶對(duì)體系參數(shù)的實(shí)時(shí)操控。觸摸屏是人機(jī)交互的窗口，一切操控均由觸摸屏完結(jié)，顯現(xiàn)操控界面由組態(tài)軟件 編寫，清晰易懂，便于操作。一起，傳感器信息經(jīng)過PLC*終顯現(xiàn)在屏幕上，能夠讓操作人員更*的了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。別的反饋操控體系依據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào) 節(jié)，較人工操控更為*和快捷。反饋的信息包含壓力、液位、探頭內(nèi)置和外置傳感器溫度以及包含閥門開閉、作業(yè)狀況等操控參數(shù)。

三、功用測(cè)驗(yàn)

選用4%明膠溶液作為測(cè)驗(yàn)對(duì)象，由于這種溶液的凝膠體挨近實(shí)在生物安排。測(cè)驗(yàn)條件為:刀頭直徑5 mm、環(huán)境溫度20℃、液氮運(yùn)送壓力0. 25MPa。在距刀頭8 mm、13 mm、18 mm、23 mm、28 mm、33 mm、38 mm放置外置溫度傳感器，得到溫度隨時(shí)刻的改變曲線如圖5。由圖可知，在間隔刀頭約10 mm之內(nèi)，溫度抵達(dá)-50℃以下，可滿足大部分手術(shù)要求，如需范圍更大的低溫，可經(jīng)過調(diào)高液氮運(yùn)送壓力來完結(jié)。

液氮低溫外科醫(yī)治機(jī)以液氮為作業(yè)介質(zhì)，適用于外科多種相關(guān)病癥的醫(yī)治。該設(shè)備*要特點(diǎn)有自增壓加液功用、溫度監(jiān)測(cè)功用和人性化用戶操控界面等。

自增壓加液功用由PLC操控，一方面完結(jié)向液氮存貯器加液時(shí)的一鍵式操作，另一方面為液氮從存貯器流向刀頭供給滿足的穩(wěn)定的壓力;溫度監(jiān)測(cè)功用用于監(jiān)測(cè)治 療探頭與外置溫度傳感器的溫度，經(jīng)PLC輸出到顯現(xiàn)屏，一起主動(dòng)記錄各路傳感器的溫度改變曲線，便利用戶術(shù)后查閱與剖析;用戶操控界面選用觸摸屏方法，由 組態(tài)軟件編寫，清晰易懂，完結(jié)人性化人機(jī)交互。