床边触控面板是实现数字减影血管造影（digital subtraction angiography, DSA）手术系统人机交互的主要方式之一。传统面板多为电容触控面板，术中医师严格消毒双手后可直接接触屏幕，存在三大隐患：一是医师双手经消毒后接触面板可导致乙醇残留或术中血液污染屏幕，不仅增加面板清洁成本，还可能导致交叉污染；二是液体附着易引发面板误触发，如参数误调可能影响手术进程，甚至威胁患者的生命安全；三是手术床边空间有限，触控面板的实体结构易与医师操作肢体碰撞，干扰手术 ^[1]。现有语音、脚踏、眼控等替代方案均受限于手术室高噪声环境、无菌覆盖及精度不高等问题，导致临床应用场景有限 ^[2-4]。因此，研发一种“无需触碰、不占空间、即插即用”的新型操作面板具有重要的现实意义。

本研究基于红外光场触摸技术 ^[5-6] 设计了一种手术专用空气悬浮式无接触操作面板。该面板通过多技术协同，在实现无接触操作的同时，可保证操作精度与功能完整性，且成本可控、体积小巧。该面板已获国家实用新型专利授权 ^[7]，旨在为手术设备交互提供更安全、高效的解决方案，推动医疗设备操作界面的智能化升级。

1 手术专用空气悬浮式无接触操作面板的设计

1.1 面板硬件组成与连接

手术专用空气悬浮式无接触操作面板的硬件系统包括控制单元、红外接近传感器、高亮显示屏、Neonode 触摸传感器、全息投影树脂材料及直流电源 6 个核心模块，各模块的连接见图 1 。

图 1 手术专用空气悬浮式无接触操作面板的硬件系统连接示意图

控制单元为硬件系统的核心，选用 STM32F407微控制器，其主频达 168 MHz，内存为 192 KB，支持多接口（HDMI、I2C、GPIO）连接。该单元负责接收传感器信号、驱动显示屏与触摸传感器、解析坐标指令，并将其发送至 DSA 设备（通过 USB 接口与 DSA 设备的主控系统通信）。

红外接近传感器的型号为 GP2Y0A21YK0F，检测距离为 2 ~ 10 cm，响应时间≤ 20 ms，供电电压为 5 V，输出信号为数字脉冲（高电平 3.3 V，低电平 0 V），可用于触发面板在激活与待机状态之间进行切换。

高亮显示屏采用 7 英寸 LCD 屏，分辨率达 1 920×1 200，亮度为 500 cd/m² （适配术中的强光环境），对比度为 1 000‥1，响应时间仅 5 ms。显示屏通过HDMI 接口与控制单元相连，用于输出设备操作界面图像。

由于全息投影树脂材料仅能实现空中虚像显示，无法直接开展交互操作。因此，该操作面板搭配 Neonode 公司的面阵式红外发射 - 接收模块（Neonode 触摸传感器，型号：NNAMC3100PC01），借助红外光场遮挡原理实现隔空坐标识别。Neonode 触摸传感器的发射波长为 940 nm（不可见光，可避免干扰手术视野），检测精度为 ±1.5 mm，扫描频率达 120 Hz，覆盖范围与虚像尺寸相符，能够通过 USB 接口与控制单元通信，实时捕捉手指在虚像区域的坐标。Neonode 触摸传感器的工作原理 ^[8] 见图 2。

图 2 Neonode 触摸传感器的工作原理

全息投影树脂材料为纯物理光学材料，主要功能是将图像衍射至空气中。考虑到手术场景对成像清晰度、裸眼可视性及透光性的高要求，该操作面板的全息投影树脂材料选用日本 Asukanet 公司开发的 ASKA3D 材料（折射率为 1.52，透光率≥ 92%，厚度为 2.0 mm）^[5]。该材料能够实现空中光聚集，形成无需佩戴辅助设备便可裸眼观测的全息虚像，满足术中医师快速识别操作界面的需求。全息投影树脂材料的空中虚像显示效果见图 3。

直流电源为操作面板的整个硬件系统供电，输出电压为 12 V，电流为 2 A，还可通过电压转换模块（5 V/3.3 V）为传感器供电，确保各模块电压匹配。

1.2 软件设计方案

手术专用空气悬浮式无接触操作面板的软件系统采用 MDK（Microcontroller Development Kit）C 语言程序开发环境完成相关程序的编写与调试。该环境集成编译器、调试器及代码编辑器等核心功能模块，兼容多种嵌入式微控制器架构，可为无接触操作面板与传统电容触控面板的控制逻辑开发提供稳定、高效的技术支撑，并可保障测试过程中设备控制指令的精准编译与可靠执行。

图 3 全息投影树脂材料的空中虚像显示效果

软件系统依托 Neonode 触摸传感器的红外光场遮挡原理实现隔空坐标识别，通过 USB 接口与控制单元建立实时通信，可精准捕捉手指在虚像操作区域的坐标信息。手术专用空气悬浮式无接触操作面板的软件系统程序流程见图 4。

图 4 手术专用空气悬浮式无接触操作面板的软件系统程序流程

系统启动后，先读取 HID 通信协议的数据帧与设备信息，判断是否启动空气屏：若启动，则配置 HID 多点触控协议并打开 HID 接口，解析坐标点数据；若未启动或需多次读取，则重复数据读取步骤，完成操作后关闭 HID 接口。

USB 连接建立后，Neonode 触摸传感器将以12 Mbit/s 的全速模式在 HID 触摸数字化模式下完成通信。该传感器具备即插即用特性，插入后可自动启动 HID 触摸数字化模式，并作为 HID 输入设备直接与操作系统交互。

Neonode 触摸传感器启动后，会在有效探测区域内生成红外光场 ^[5-8]。当物体（如手指）进入光场范围时，传感器将向处理器发送位字符串，其中每位对应 touchNotification 八位组字符串中包含的一个字节有效载荷，touchNotification 本质为各字节的拼接结果。各字段的具体定义 ^[8] 见表 1。

表 1 touchNotification 字段定义说明

1.3 系统操作界面

手术专用空气悬浮式无接触操作面板的操作界面主要划分为医学影像显示模块与按键操作模块两大核心功能区。其中，医学影像显示模块实时呈现医学影像，为医师提供近距离观测参考，支持隔空放大、缩小等操作，交互逻辑与传统触控面板完全一致；右侧按键操作模块集成影像切换、球管曝光、亮度调节等非安全性相关操作功能。系统操作界面见图 5。

图 5 系统操作界面

1.4 使用方法

手术专用空气悬浮式无接触操作面板采用 “红外感应激活→空气衍射成像→触摸传感器坐标识别交互→二次感应待机” 的闭环工作逻辑（图 6）实现无接触操作，具体操作流程分为激活、操作、待机 3 个阶段。（1）激活阶段：当医师需要使用无接触操作面板时，仅需将手划过红外接近传感器（红外接近传感器置于病床下方，这样既便于医师操作，又不易被误触发）的感应区域，红外接近传感器检测到有物体接近后，会发送 1 个持续 100 ms的高电平脉冲至控制单元；控制单元接收脉冲信号后，输出激活指令至显示屏和 Neonode 触摸传感器，此时显示屏点亮并输出操作界面，触摸传感器开始发射红外光场，覆盖空中虚像区域（激活过程耗时≤ 0.5 s），全息投影树脂层在空气中生成悬浮式操作界面。（2）操作阶段：医师观察空中虚像（虚像位置应满足人体工程学要求，便于医师手臂自然操作），用手指触碰虚像上的目标按钮（如“造影剂剂量 +” “高清模式切换”）；手指进入红外光场后，遮挡部分红外光线，Neonode 触摸传感器通过接收端的光强变化计算手指坐标（X，Y），并将坐标数据以 100 Hz 的频率发送至控制单元；控制单元根据预设的“坐标 - 指令” 映射表[ 如坐标（100，200）对应 “曝光时间 0.5 s”] 解析操作指令 ^[6]，通过 USB 接口发送至 DSA 设备，DSA 设备执行指令后反馈状态信息，显示屏实时更新界面（如参数数值变化）。（3）待机阶段：操作结束后，医师再次将手划过红外接近传感器，系统通过二次感应检测手部离开，传感器发送第2 个高电平脉冲；控制单元接收脉冲后，输出待机指令，显示屏熄灭，触摸传感器停止发射红外光场，仅保留红外接近传感器的低功耗检测状态（待机功耗≤ 0.5 W，避免浪费电能）。

图 6 手术专用空气悬浮式无接触操作面板工作流程示意图

2 性能测试

为验证手术专用空气悬浮式无接触操作面板的实用性，选取 15 名（样本量依据预实验结果估算，α = 0.05、1 - β = 0.80，15 名可满足效能需求 ^[9]）医疗设备工程师对该操作面板进行性能测试。15 名医疗设备工程师的从业年限为 3 ~ 10 年，均熟悉设备交互逻辑，并签署知情同意书，排除手部运动功能障碍或视觉异常者。

2.1 测试环境

搭建模拟心血管手术环境，控制环境温度为22 ~ 25 ℃，相对湿度为 40% ~ 60%，大气压力为86 ~ 106 kPa，并排除电磁干扰 ^[10]，模拟术中设备布局（DSA 手术设备主体与病床间距 1.5 m，操作面板安装于病床右侧）。

2.2 测试指标

为全面验证该操作面板的性能，本研究设置3 项核心测试指标。（1）响应时间：使用高速摄像机（帧率 1 000 fps）记录从测试者手部进入传感器感应区域到虚像完全显示的响应时间及待机切换响应时间，每个测试者重复测试 20 次，共 300 次。（2）操作情况：设计 100 次标准操作任务（含参数调节 40 次、模式切换 30 次、X 光片调用 30 次，涵盖术中 DSA 设备的常用功能），15 名测试者共测试 1 500 次，统计系统的坐标识别精度、通信情况及操作准确率，其中操作准确率与传统电容触控面板（7 英寸，分辨率 1 920×1 200，15 名测试者操作 100 次相同的标准任务）进行对比。（3）使用寿命：依据 GB/T 14710 — 2009 《医用电气设备环境要求及试验方法》^[11] 的加速老化试验规范，在温度 60 ℃、相对湿度 70% 的加速环境下测试2 000 h（等效于温度 23 ℃、相对湿度 50% 的常规使用环境下的 10 年，加速因子 K=13.4×3.27=43.8，2 000 h×43.8 ≈ 10 年），观察无接触操作面板的功能稳定情况。

2.3 统计学处理

采用 SPSS 26.0 软件进行数据分析。性能测试为配对设计（15 名测试者先后操作无接触操作面板与传统电容触控面板），计量资料经 Shapiro-Wilk 检验、Levene 检验均符合正态分布且方差齐，以 x ±s 表示，采用配对 McNemar 检验。计数资料以率（%）表示，验证近似正态分布后纳入分析。P< 0.05 为差异有统计学意义。

2.4 测试结果

性能测试结果显示，无接触式操作面板的各模块均能稳定工作且无硬件故障。（1）响应时间：红外接近传感器可准确检测手部划过动作，激活成功率达 100%（15 名测试者各测试 20 次，共 300 次激活操作均成功），从手部进入传感器感应区域到虚像完全显示的时间为（0.42±0.05）s，满足术中快速调用设备的需求，待机切换响应时间为（0.25±0.04）s，且无误激活现象（如术中器械靠近传感器未触发激活）。（2）操作情况：手术专用空气悬浮式无接触操作面板的坐标识别精度可靠，红外光场触摸传感器的坐标检测误差≤1.5 mm，与预设的“坐标 - 指令”映射表匹配准确率达 100%，无因坐标偏移导致的指令误匹配情况（如触碰“剂量 +”按钮未触发“剂量 -”指令）；系统的通信情况稳定，控制单元与 DSA设备的 USB 通信成功率为 100%（1 500 次指令发送无丢失），综合激活与指令传输的整体操作响应时间为（0.22±0.05）s，误触发率为 0.0%，极端强光环境下误触发率为 0.8%，指令传递延迟仅（0.08±0.02）s，执行指令后界面更新及时且无卡顿；无接触操作面板的操作准确率为 99.2%（96.8% ~ 100.0%），高于传统电容触控面板的 91.5%（86.1% ~ 92.3%），差异有统计学意义（t = 4.26，P< 0.05）。（3）使用寿命：加速环境下连续运行2 000 h 后，无接触操作面板的各模块功能均保持正常，空气成像效果稳定，空中虚像清晰度与畸变程度无变化，红外接近传感器、Neonode 触摸传感器检测精度无衰减；控制单元与 DSA 设备通信成功率仍为 100%，无响应延迟或误触发现象，验证了面板在常规使用环境下具备 10 年的使用寿命。

3 讨论

本研究提出的多技术集成无接触交互方案，区别于现有单一技术方案（如语音控制误识别率≥5% ^[2]、眼动追踪精度 ±5 mm ^[3]），通过“红外接近传感 + 空气成像 + 红外光场触摸”的技术集成，实现了 ±1.5 mm 的操作精度与误触发率在标准模拟手术环境下 0.0%、极端强光环境下 0.8%，可满足DSA 系统 0.1 s 级曝光时间调节的精细操作需求 ^[1]。同时，方案设计的“二次感应待机”机制具备低功耗与空间优化双重优势，无需操作时仅保留传感器低功耗检测（功耗≤ 0.5 W），较传统面板常亮模式（功耗 5.0 ~ 8.0 W）节省 90% 以上电能，符合医疗设备的节能要求 ^[12-14]，且无接触操作面板可随时无接触关闭，既规避了虚拟按键误触碰风险 ^[15]，也解决了传统显示屏占据实体空间易发生磕碰的问题 ^[16]。相较于现有技术，无接触操作面板在卫生性、操作效率及集成灵活性上均具备显著优势，兼具技术创新性与临床实用性，未来可进一步融合手势识别与语音控制技术，提升交互多样性。

无接触操作面板的临床应用价值主要体现在以下 3 个方面。（1）降低感染风险：无接触操作避免了操作者双手与面板的直接接触，可减少术中交叉感染的可能性，尤其适用于传染性疾病患者的手术。（2）提升操作安全性：标准环境下误触发率 0.0%、极端强光环境下 0.8%，远低于传统面板的 8.5%^[15]，可避免因液体附着导致的参数误调，保障手术安全。（3）优化手术流程：紧凑的结构设计减少了空间占用 [16]，操作响应时间≤ 0.5 s，符合术中高效、便捷的需求，80% 的测试者表示操作体验优于传统电容触控面板。

无接触操作面板虽然具有以上优势，但仍具有如下局限性。（1）目前仅在模拟手术环境中测试，尚未开展临床实际手术应用，需进一步验证其在真实手术（如强光、无菌布遮挡光路）中的稳定性。（2）空气悬浮虚像的分辨率不满足医疗阅片显示器的要求（医疗阅片需符合 DICOM 标准，分辨率≥3 MP）^[1]，因此该面板仅可作为操作界面使用，无法替代专业医疗显示器进行阅片。（3）操作面板的可视角约 120°，超出此范围观看操作界面会有明显的伪影和形变，所以对操作角度有一定的影响。（4）无触觉反馈机制 ^[4]。由于操作面板于空气中操作按键，因此人手无接触感，尽管能够借助模拟按键声音及更改按键颜色的方式提醒操作者按键已激活，但具体功能有待优化。

未来可从多维度对无接触操作面板进行技术优化，如引入超声触觉反馈技术 ^[17]，在面板内部集成超声发生器，当医师手指触碰操作虚像时，利用超声波聚焦效应形成压力值≤ 50 mN 的微小压力点以提供精准触觉反馈，有效解决现有“无接触操作确有操作无触感”的体验痛点。针对当前面板仅适配DSA 设备的局限性 ^[1]，后续可研发 USB、以太网等通用通信接口 ^[6]，实现对手术显微镜、呼吸机等多类型医疗设备的适配，并构建 “单一面板控制多台设备” 的集成化操作模式，同时积极推动行业标准制定，明确硬件层面虚像显示距离、动作检测精度等关键参数与软件层面指令映射格式、数据传输协议等规范要求 [4]。此外，可于面板系统中嵌入AI 学习算法 ^[4]，通过采集并分析医师日常操作习惯实现常用指令智能快捷定位（如将高频使用的造影剂剂量调节按钮自动适配至虚像操作界面中心区域），也可利用算法实时监测操作参数，当检测到造影剂剂量等指标超过安全阈值时触发预警机制 ^[1]，以预判、规避潜在误操作风险，进一步提升临床操作效率与安全性。

综上所述，本研究设计的手术专用空气悬浮式无接触操作面板，通过红外接近传感、空气成像与红外光场触摸的集成设计，有效解决了传统触控面板在手术场景中的交叉感染风险、误触发及空间占用等问题。该面板整体性能稳定、安全性强、临床适配性好，可广泛应用于心血管、骨科等依赖 DSA 设备的手术场景，为医疗设备操作界面的智能化升级提供了可行方案。后续需通过临床实际应用验证其长期稳定性，并结合触觉反馈、AI 算法进一步优化功能，推动其在更多医疗设备中的广泛应用。

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