بخشی از مقاله
چکیده:
دستگاه الکتروکوتر در بسیاري از عمل هاي جراحی به کار می رود. نظر به اهمیت ایمنی الکتریکی در دستگاه هاي پزشکی ، به ویژه دستگاه هایی که مستقیماً با جان بیمار ارتباط دارند، لازم است این مهم در دستگا هاي الکتروکوتر نیز در نظر گرفته شود.
در این مقاله واحدي تحت عنوان ایمنی الکتریکی براي دستگاه الکتروکوتر طراحی و بررسی گردیده که قادر است سیگنالهاي مهم و کنترلی دستگاه الکتروکوتر را بررسی و ارزیابی کرده و بدون نیاز به بازکردن دستگاه، سیگنالهاي کنترلی و توان را روي اسیلوسکوپ نشان دهد. این مدار با استفاده از آي سی هاي FPGA و با زبان برنامه نویسی verilog طراحی شده و با برنامه ACTIVE HDL شبیه سازي شده است. نتایج شبیه سازي نشان می دهد که می توان کلیه سیگنالهاي کنترلی و توان دستگاه الکتروکوتر را در هر زمان مورد ارزیابی و مونیتورینگ قرار داد.
-1 مقدمه
الکتروکوتر یا چاقوي الکتریکی دستگاهی است که جهت برش و یا انعقاد بافت در هنگام عمل جراحی بکار می رود]٣.[به دلیل نقش مهمی که این دستگاه در اعمال جراحی ایفا می کند، باید سالانه کالیبره و ماهانه توسط مهندسین پزشکی مراکز و روزانه توسط تکنسین ها تست و ارزیابی گردد.[3]بنابر این براي تست دستگاه توسط تکنسین ها و مهندسین پزشکی، باید مداري در این دستگاهها، وجود داشته باشد .
دستگاه الکتروکوتر باید داراي مدارات تستی باشد که علاوه بر مهندسین پزشک ، کاربران نیز بتوانند از آن استفاده کنند. لذا این واحد باید در عین کارایی بالا، از سیستم ساده اي برخوردار باشد. در اکثر الکتروکوترها، SELF TEST فقط صفحه پنل را مانیتور میکند و در حقیقت SELF TEST بیشتر LED ها را چک میکند[8] و دلیلی بر بیعیب بودن دستگاه نیست. تست سیگنالهاي کنترلی و توان الکتروکوتر بعد از تعمیرات اهمیت به سزایی دارد.
در اغلب موارد مهندسین پزشکی نه تنها پس از تعمیرات بلکه در زمان PM دورهاي داخلی نیز ابزار مناسبی براي تست دستگاه ندارند و در واقع در اکثر مواقع زمانی متوجه خرابی و یا ایراد دستگاه می گردند که در حین عمل جراحی دستگاه کار نکند و یا مشکل ایجاد کند و در برخی موارد نیز متوجه اشکال نمی شوند و این در حالیسیت که دستگاه اثر مخربی روي بیمار اعمال می کند که ممکن است در این حالت کادر درمان متوجه منشا اثر بشوند و یا اثر آن دیده نشود.لذا واحد ایمنی الکتریکی میتواند کمک موثري در راستاي ارتقا ایمنی بیمار باشد از طرفی کاربر میتواند در هر شیفت و قبل از شروع اعمال جراحی، دستگاه را تست نماید و از کارایی آن اطمینان حاصل نماید.
در این مقاله یک واحد ایمنی الکتریکی براي تست و بازبینی سیگنالهاي کنترل و توان الکتروکوتر طراحی شده است. خوشبختانه اصول کار تمام الکتروکوتر ها مشابه می باشد، لذا واحد ایمنی طراحی شده را می توان براي اکثر دستگاههاي الکتروکوتر استفاده نمود.
-2 قسمت اول مدارپیشنهادي واحد ایمنی الکتریکی
شکل 1 بلوك دیاگرام واحد ایمنی الکتریکی را نشان می دهد.
شکل 1 بلوك دیاگرام پیشنهادي واحد ایمنی الکتریکی
همان گونه که در شکل1 مشاهده می شود، این واحد از چهار ماژول تشکیل شده است که در ماژول اول وجود سیگنال هاي کنترلی بررسی می گردد و در ماژول دوم می توان سیگنال هاي کنترلی و سیگنال هاي توان را با استفاده از اسیلوسکوپ بدون باز کردن دستگاه بررسی کرد. در ماژول سوم سیگنال جریانی بررسی می شود و ماژول چهارم به صورت OPTIONAL جهت ارتقا در آینده قرار داده شده است. مدار طراحی شده داراي یک بخش خودآزمون است که کاربر می تواند قبل شروع کار تست، از سالم بودن واحد ایمنی الکتریکی اطمینان حاصل نماید و سپس تست هاي روزانه و ... را انجام دهد
مهمترین بخش در واحد ایمنی الکتریکی، ماژول اول می باشد. در این ماژول ارزیابی سیگنالهاي کنترلی انجام میشود.
کلیه سیگنالهاي کنترلی تولید شده در بخش هاي مختلف الکتروکوتر وارد این بخش می شود. منظور از سیگنالهاي کنترلی، سیگنالهاي فعال کننده سویئچ هاي ترانزیستوري یا قسمتهاي مختلف تولید کننده شکل موج هاي تحریک الکتریکی است. براي فعال کردن ماژول ارزیابی سیگنالهاي کنترلی دو راه وجود دارد.
راه اول براي ارزیابی، زمانی است که دستگاه در حال کار است در این زمان کلیه سیگنالهاي کنترلی تست و ارزیابی میشوند و راه دوم براي تست، زمانی است که دستگاه کار نمیکند و کاربر صرفا می خواهد دستگاه را مورد ارزیابی قرار دهد. در این حالت میبایست با استفاده از اهرم مخصوص، یکی از سوئچهاي دستی را فعال کرده و مقاومت 500 اهم - معادل مقاومت داخلی بدن - را براي مد برش و یا مقاومت 300 اهم را براي مد انعقاد انتخاب کند. سوئچ دستی حالت کلید فشاري و اهرم، حالت فنري دارد.
بااین کار ژنراتور واسیلاتور دستگاه براي مدت زیادي دائما کار نخواهد کرد و به عناصر الکتریکی حساس الکتروکوتر آسیب نخواهد رسید. شناسایی سیگنالهاي کنترلی الکتروکوتر، در طراحی این ماژول از اهمیت بالایی برخوردار است. بعد از شناسایی سیگنالهاي کنترلی و بررسی آنها، اگرسیگنالها آنالوگ باشند باید ابتدا به مقدار dc تبدیل گردد وسپس با استفاده از رگولاتورها به 5 ولت تبدیل گردد و در مرحله بعد سیگنالهاي dc به FPGA اعمال میشود. پس از انجام پروسه بررسی سیگنالهاي کنترلی با برنامه موجود در FPGA ، نتیجه در خروجی با استفاده ازLED ها نمایش داده میشود. همچنین میتوان سیگنالها را با استفاده از ترمینالهاي خروجی روي اسیلوسکوپ مشاهده نمود. نتیجه انجام پروسه نرم افزاري و سخت افزاري در ماژول اول، بررسی وجود ویا عدم وجود سیگنالهاي کنترلی میباشد و البته در صورت نیاز میتوان شکل موج سیگنالهاي کنترلی را نیز با استفاده از اسیلوسکوپ مشاهده و صحت سیگنال کنترلی را مورد ارزیابی قرار داد. بدین ترتیب هم کاربران میتوانند دستگاه خود را مورد تست و ارزیابی قراردهند و هم مهندسین پزشک می توانند بررسی هاي کاملتري روي دستگاههاي که تعمیر شده و یا نیاز به بازدید دوره اي دارند انجام دهند.
جهت طراحی و شبیه سازي ماژول اول مطابق بلوك دیاگرام شکل 2 ، اقدامات ذیل انجام گرفته است
شکل 2 بلوك دیاگرام اقدامات انجام گرفته جهت طراحی ماژول اول
-1-2 شناسایی سیگنال هاي اصلی دستگاه
سیگنالهاي اصلی عبارتند از سیگنالهایی که در تولید شکل موجهاي برش و یا انعقاد و یا BLEND به طور مستقیم و یا غیرمستقیم نقش دارند .[11] سیگنالهایی که در ایمنی بیمار و دستگاه نقش دارند از سیگنالهاي مهم دستگاه به شمار میآیند.
سیگنال هاي کنترلی که به طور مستقیم و یا غیر مستقیم در ایمنی و یا کارایی دستگاه اثر دارد، باید شناسایی و بررسی گردند.
از جمله این سیگنال ها میتوان به سیگنال هاي ورودي و خروجی اسیلاتور ، سیگنال هاي ورودي ترانسفورماتور فرکانس بالا، سیگنال هاي کنترلی مربوط به فعال سازي برش و انعقاد و.... اشاره کرد.در هر الکتروکوتر حداقل 20 سیگنال کنترلی مختلف قابل شناسایی و ارزیابی است. هرچه دستگاه از پیچیدگی بیشتري برخوردار باشد، تعداد سیگنال هاي کنترلی آن افزایش می یابد. البته در یک دستگاه اگر سیگنالهاي بیشتري شناسایی شوند، واحد ایمنی الکتریکی نیز بهینه تر خواهد بود و البته زمانی که تعداد سیگنال هاي کنترلی بیشتري مورد شناسایی و ارزیابی قرار می گیرند، طراحی باید به گونه اي انجام شود که کاربر شاغل در اتاق عمل و یا واحد درمانی، در هنگام تست دستگاه احساس سردرگمی نکند.
جدول 1 چندین نمونه از سیگنال هاي کنترلی
که موجب فرایند برش و یا انعقاد می گردد. در نبود این سیگنال دو شکل موج سینوسی بدون سطح DC ازلحاظ الکتروفیزیولوژي سلولی قادر به برش و یا انعقاد نیستند. براي اعمال ورودي این شکل موج به FPGA میباست اقدامات زیر انجام گردد.
سیگنال اعمال شده به سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا
سیگنال نشان دهنده فعال بودن پلیت
سیگنالی که نشان می دهد کاربر برش و یا انعقاد دستگاه را فعال کرده است
سیگنالهاي خروجی اسیلاتور
سیگنال کنترلی گیرنده رله مربوط به برش
ولتاژ DC مربوطه جهت OFFSET لازم براي بایاس ترانزیستورهاي قدرت را فراهم میآورد این سیگنال به ورودي
اسیلاتور اعمال و یکی از سیگنالهایی است که در بایاس اسیلاتور نقش دارد این سیگنال به ورودي اسیلاتور اعمال و یکی از سیگنالهایی است که در بایاس اسیلاتور نقش دارد این سیگنالها به دو سر ورودي ترانسفورماتور فرکانس بالا اعمال می شود یکی از خروجی ها در مد مونوپلار با استفاده از مدار شکل 4 میتوان سیگنال سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا را به FPGA اعمال کرد.
شکل 3 بلوك دیاگرام آماده کردن سیگنال سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا جهت اعمال به FPGA
شکل DC 4 کردن ولتاژ سیگنال سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا جهت اعمال به FPGA
DC -2-2 کردن سیگنال ها
قبل از اعمال سیگنال ها به FPGA، باید از مناسب بودن میزان و وضعیت سیگنال ها اطمینان حاصل نمود. لذا سیگنال ها را با استفاده از یکسوسازهاي تمام موج و سپس خازنهاي صافی و پس از آن در صورت نیاز رگولاتورها به صورت مناسب به پایه هاي ورودي FPGA وصل کرده ایم. به طور مثال سیگنالی که به سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا در یکی از انواع الکتروکوترها اعمال می گردد جهت اعمال بهFPGA به صورت شکل 3 آماده می گردد.
ولتاژ DC مربوطه OFFSET لازم براي بایاس ترانزیستورهاي قدرت را فراهم میآورد و در واقع شکل موج اصلی روي این سیگنال سوار میشود. این سیگنال حالت مونوپلار دارد و داراي شکل موج مربعی با اندازه 2.7 ولت میباشد. این شکل موج از یک طرف موجب بایاس ترانزیستورها و عملکرد آنها در حالت سوئیچنگ میشود و از طرف دیگر یک سطح DC به سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا اعمال میکند
سیگنال سر وسط ترانسفورماتور فرکانس بالا باید به یک مدار سه برابر کننده ولتاژ اعمال گردد تا بتوان ولتاژ بیشتر از 7.3 ولت از آن بدست آورد - زیرا حداقل ورودي براي رگولاتور 7805 برابر 7.3 ولت میباشد - . مقادیر خازنها را 1 میکرو فاراد در نظر گرفته ایم. براي تمام سیگنال هاي کنترلی باید مراحلی نظیر مراحل بالا را انجام داد.
-3-2 برنامه نویسی
براي برنامه نویسی واحد ایمنی الکتریکی از زبان برنامه نویسی VERILOG استفاده شده است. به دو صورت میتوان برنامه نویسی انجام داد. در حالت اول میتوان از تکنیک ماشین حالت استفاده کرد و در واقع بررسی هرسیگنال را یک حالت در نظر گرفت و در قالب یک STATE ویا حالت وجود و یا عدم وجود سیگنال کنترلی را ارزیابی نمود.
