多單片機高頻電刀的研制

黃廣軼，段雪冰

(1黑龍江省計量檢定測試院，哈爾濱150036; 2大慶油田第二采油廠第二作業(yè)區(qū)采油五區(qū)四隊，黑龍江大慶163414)

多單片機高頻電刀的研制

黃廣軼1，段雪冰2

(1黑龍江省計量檢定測試院，哈爾濱150036; 2大慶油田第二采油廠第二作業(yè)區(qū)采油五區(qū)四隊，黑龍江大慶163414)

針對高頻電刀具有的結構比較復雜，采集和控制的數(shù)據(jù)量比較多的難點，提出了一種在多個單片機結構下的醫(yī)用高頻電刀設計及其配套的自動測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集、主控制、射頻控制、用戶界面分別采用獨立的單片機控制。各個單片機之間分工協(xié)同工作，通過串行接口USART和SPI，并根據(jù)約定的通信協(xié)議進行通信;射頻產(chǎn)生電路由負責射頻控制的單片機控制復雜可編程邏輯器件(CPLD)，從而產(chǎn)生控制功率驅(qū)動電路的方波。經(jīng)測試，該系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定，系統(tǒng)參數(shù)靈活可調(diào)，且提高了高頻電刀的實時性和安全性。

高頻電刀;單片機;USART;SPI;CPLD

高頻電刀是一種利用高頻電壓電流的熱效應進行手術切割的電外科器械，一般具有電切和電凝的功能;相對于機械手術刀具有準確快捷、微創(chuàng)治療的優(yōu)點。其基本原理是通過在手術電極產(chǎn)生0.3～1.0MHz頻段內(nèi)的高壓射頻信號對人體組織進行加熱，從而實現(xiàn)組織切割和凝固。本文設計了一種基于多單片機結構的醫(yī)用高頻電刀，主要介紹系統(tǒng)的電路拓撲結構、各單片機的分工、單片機之間的通信方式和協(xié)議、射頻產(chǎn)生電路、功率電路及其測試系統(tǒng)的設計。

1 高頻電刀的工作原理和設計原則

1.1 高頻電刀工作原理

生物組織是導電體，當有電流通過人體組織時，可同時產(chǎn)生熱效應、電離效應和法拉第效應;低于100 kHz的交流電會產(chǎn)生有限的如肌肉痙攣、疼痛、心室纖維顫動等(法拉第效應);當電流頻率達到100 kHz以上時，法拉第效應明顯減少;當高于300 kHz時可忽略不計;而當頻率達到1.5 MHz以上的電流通過人體時，對肌體的刺激作用已非常微弱，高頻電流雖對人體已經(jīng)沒有刺激作用，但會使具有一定阻抗的人體組織產(chǎn)生熱效應。高頻電刀就是利用高頻電流的只產(chǎn)生熱效應而不產(chǎn)生電離和法拉第效應這一特性制成的。它將高頻電流聚集于電刀電極的尖端，由于尖端與人體接觸面積小、電流密度大，會產(chǎn)生較高能量如果電流是持續(xù)的高頻電流，細胞受到的熱量會逐漸增加，當熱量達到一定程度時，接觸處的細胞會受熱破裂，細胞破裂后其水分成為水汽，帶走細胞上的熱量，利用手術電極上高密度的高頻電流使人體組織切除或分開，這就是電切;如果電流是間斷的高頻電流，產(chǎn)生的熱效應也是間斷的，細胞內(nèi)部水分得不到足夠的高溫，細胞就不會破裂，但會慢慢脫水，細胞就會干枯凝固，這就是電凝;電切和電凝是高頻電刀的2種基本工作模式。

1.2 高頻電刀的設計原則

從高頻電刀的工作原理可知，其安全性至關重要。高頻電刀的輸出還應有頻譜要求，在工作時要求輸出高頻電流的頻譜越窄越好，最好是一單根譜線，故要求電刀輸出波形為純凈的正弦波。另外，為在不同人體組織上得到好的作用效果，對輸出功率要進行控制，并且在工作時應根據(jù)工作點人體電阻的變化輸出不同的功率，即按照預定的功率輸出曲線輸出功率，好的電刀功率曲線寬而平坦，而差的電刀則是尖峰狀功率曲線。

2 基于多單片機的系統(tǒng)設計

2.1 設計原理和電路拓撲圖

由于醫(yī)用高頻電刀的系統(tǒng)結構較復雜，需要采集和控制的信息量大，同時為了提高系統(tǒng)的安全性和實時性，本系統(tǒng)采用多MCU控制的設計。單片機選用基于RISC結構的8位低功耗AVR單片機ATmega128。其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾;而且具有包括USART、SPI串行通信接口以及8通道10位AD轉換等在內(nèi)的豐富外設。單片機之間分工協(xié)同工作，通過ATmega128自帶的USART和SPI接口通信。各個MCU的連接拓撲圖如圖1所示，其中:負責數(shù)據(jù)采集和電刺激輸出的單片機定義為M0，負責射頻與控溫的單片機定義為M1，負責顯示界面與整體控制的單片機定義為M2，負責用戶輸入和PC通信的單片機定義為M3?；诙鄦纹瑱C的設計使數(shù)據(jù)采集、射頻控制、人機界面分開，保證了高頻電刀控制的安全性和實時性，并且人機交互更加順暢。

圖1 高頻電刀電路拓撲圖

2.2 通信方式和協(xié)議

本系統(tǒng)采用多個單片機分工協(xié)同工作，工作過程中單片機之間需要實時和大量的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)的通信是基于串行通信SPI和USART的。SPI接口是Motorola首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式(Master Slave)架構。UART定義了數(shù)據(jù)傳輸過程中如何打包解包以及如何做可靠性處理，屬于通信協(xié)議層，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收;包括了RS 232，RS 423，RS 422和RS 485等接口標準規(guī)范和總線規(guī)范。SPI和USART都可以實現(xiàn)全雙工通信。

在本系統(tǒng)中，UART通信使用RS 232接口標準，與TTL電平相比，可以有效地增加通信距離。握手方式采用硬件握手，DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS/CTS用于單個數(shù)據(jù)包的傳輸。M0使用2個UART異步串行口，均帶有DTS(輸入)和DTR(輸出)檢測。M1使用2個均帶有DTS和DTR的異步串行口，另加一個SPI同步串行口。M2使用一個UART口與M0進行通信，當顯示設備為LCD屏時，使用第2個UART口;另外，M2使用固定的軟SPI口與M3進行通信。M3使用2個UART串行口與外部進行通信，使用一個軟SPI口與M2進行通信，另外加一個軟SPI口進行聲音控制，阻抗不同則聲音的頻率不同，醫(yī)生通過聲音即可判斷電極進入組織的深度。定義所有的異步串行口均為:8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。系統(tǒng)各單片機之間通信機制如下:

(1)握手過程:①開機，M0～M3均進行自檢，單片機板子獲取數(shù)據(jù)后，進入等待模式;②M2進入初界面后，對每個單片機依次發(fā)送獲取軟件版本的命令，如果每個單片機都在1 s時間內(nèi)返回回應幀則認為連接無問題，自檢通過;③M2向M0獲取各種電極信息，存入全局變量中，握手成功。

(2)通信過程:①定義M2任何時候均為主機，相對于M2，M0、M1和M3均為從機。發(fā)送查詢楨后，從機均以中斷方式返回查詢數(shù)據(jù)，主機應檢驗該數(shù)據(jù)楨是否為所需要的，數(shù)據(jù)是否正確。②M0和M1之間，M1是主機，M0是從機，以中斷方式響應。

3 射頻產(chǎn)生電路的設計

3.1 高頻信號的產(chǎn)生

高頻信號的產(chǎn)生方法有多種，以往的高頻電刀設計多是采用單片機直接產(chǎn)生或者利用脈寬調(diào)制器芯片控制功率驅(qū)動電路的PWM脈沖;而單片機產(chǎn)生的脈沖信號源由于是靠軟件實現(xiàn)的，所以輸出頻率及步進受單片機時鐘頻率、指令數(shù)和指令執(zhí)行周期的限制。本系統(tǒng)是由負責射頻控制的單片機(M1)控制復雜可編程邏輯器件(CPLD)，從而產(chǎn)生控制功率驅(qū)動電路的方波。CPLD通過對晶振頻率分頻產(chǎn)生485 kHz的方波，驅(qū)動后續(xù)的功率電路。脈沖信號源的參數(shù)(頻率、占空比)由負責射頻控制的單片機設置，并通過SPI接口與CPLD通信，將波形參數(shù)發(fā)送到CPLD。本設計主要特點有:(1)波形信號精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)頻率不會隨工作時間出現(xiàn)漂移;(2)波形的占空比等參數(shù)易于設置，從而可以靈活地控制和調(diào)節(jié)射頻輸出功率，以選擇最佳的功率參數(shù)。

3.2 阻抗匹配網(wǎng)絡和選頻電路

射頻功率放大電路要對CPLD產(chǎn)生的485 kHz方波進行放大，經(jīng)阻抗變換和濾波電路將正弦波耦合到電極上。CPLD輸出的方波首先要驅(qū)動功率MOS管，這樣就實現(xiàn)了高頻信號對直流電壓的控制，即功率放大。此時經(jīng)過放大的脈沖信號不是手術所需的高頻高壓電流，還要經(jīng)過阻抗匹配和選頻濾波才能形成手術所需的正弦波。由矩形脈沖信號的傅里葉分析可知，脈沖寬度為τ，幅度為E，重復周期為 T1的矩形脈沖信號的基波幅度 a1=(2E/π)sin(τ/T1π)，頻帶寬度B=2π/τ;因此通過改變CPLD產(chǎn)生方波的占空比，可以靈活的選擇最佳輸出功率和選頻網(wǎng)絡的參數(shù)。

3.3 基于電源管理芯片的射頻功率電源設計

針對高頻電刀不同的工作模式需要不同的射頻電路功率電壓，設計了可由單片機控制的可調(diào)功率電壓輸出。以高頻電刀使用電凝功能時為例，設計要求為:輸入為37 V時，通過調(diào)整控制端，要求輸出可以為13 V，17 V，21 V，25 V，29 V，最大電流為2.5 A。應用電路如圖2所示。

圖2 LT1074的應用電路

方案選擇:設計采用LINEAR公司的LT1074芯片，Vin的范圍達到7.3～45 V，Vout在2.21～0.85Vin范圍可調(diào)，輸出電流最大可達4.4 A，能滿足設計要求。Vout計算公式:

故可通過單片機控制改變R2的值就可以得到相應的電壓;經(jīng)仿真，當 R2的誤差為5%時，Vout的誤差在5%以內(nèi)。

4 測試系統(tǒng)的設計

4.1 電源測試系統(tǒng)

對于整個高頻電刀系統(tǒng)來講，電源的性能至關重要，因此設計了電源板的自動測試工裝，分別測試電路工作電壓和射頻功率電壓。設計思路:負載工裝可在單片機控制板的控制下變換負載，PC機通過RS 232接口與單片機控制板通信發(fā)送控制指令;臺式萬用表測量在不同負載下電源板的各項數(shù)據(jù)，PC機通過USB接口與臺式萬用表通信接收萬用表測量的數(shù)據(jù);測試的運行是在PC端上位機軟件的控制下完成的。自動測試系統(tǒng)測試在額定電流下的工作電壓，空載、半載、全載時的射頻功率電壓并將測試數(shù)據(jù)記錄到Excel文件。系統(tǒng)連接框圖如圖3所示。

圖3 電源測試系統(tǒng)

4.2 射頻輸出測試

射頻輸出是最終耦合到電極上高頻電流的輸出，需要對其實際輸出功率、功率曲線、波峰因子(CF)、射頻漏電量、接觸阻抗等進行測量;單獨制作測試工裝會過于復雜。經(jīng)調(diào)研，F(xiàn)LUKE公司的QA－ESⅡ電刀分析儀可以全面的對以上測試量進行測量，且該電刀分析儀可以通過RS 232接口與PC通信，即可以由PC機發(fā)送指令控制電刀分析儀對射頻輸出進行測量，電刀分析儀也可將測試數(shù)據(jù)回發(fā)到PC機。根據(jù)QA－ESⅡ電刀分析儀的通信指令和與PC的通信協(xié)議，編制上位機軟件，實現(xiàn)上位機控制的射頻輸出自動化測試系統(tǒng)，可以方便地對射頻輸出的功率曲線，波峰因子、漏電量等進行測量，并將測試數(shù)據(jù)記錄在本次測試的Excel文件。

5 結語

在實驗過程中，利用本系統(tǒng)高頻脈沖信號參數(shù)實時可調(diào)的特點，可以方便的對系統(tǒng)的輸出功率、選頻網(wǎng)絡的參數(shù)等進行調(diào)試、配置，然后選擇最佳的設計方案;數(shù)據(jù)采集、射頻控制分開控制使系統(tǒng)更安全。經(jīng)測試，本系統(tǒng)安全性能達到高頻手術設備安全要求，射頻功率方便可調(diào)，功率曲線平坦。

［1］張勝宇.數(shù)字式超聲波發(fā)生器的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2005.

［2］朱彬.軟開關功率放大電路與高頻電刀電路的研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［3］石碧輝，敖美珠.高頻電刀的原理與使用［J］.醫(yī)療裝備，2003，(02).

［4］曾鏡源.LEEP手術電刀系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.廣州:暨南大學，2006.

Development of multi－MCU frequency electric knife

HUANG Guang－yi
(Heilongjiang Provincial Insitute of Measurement＆Verification，Harbin，150036)

Because of the high frequency electric knife structure is more complex，data acquisition and control than more difficulty，we propose a high－frequency electric knife designed for medical and supporting the automatic test system under multiple MCU structure.Data acquisition，master control，radio control，user interface were used to separate MCU control.The division of work between the various microcontroller via a serial interface USART，SPI，and communicate communication protocol in accordance with the agreement;RF generator circuit complex programmable logic device(CPLD)is responsible for radio－controlled by the MCU control，power driver circuit to generate control the square wave.After testing，the system output frequency stability，flexible and adjustable system parameters，and to improve the high－frequency electric knife timeliness and safety.

high－frequency electric knife;MCU;USART;SPI;CPLD

R608

A

1002－2376(2015)06－0010－04

2015－03－21