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    應(yīng)用于等離子消融手術(shù)的雙頻輸出逆變器設(shè)計

    2017-08-16 10:02:31嚴亞軍余厲陽
    關(guān)鍵詞:等離子消融變壓器

    嚴亞軍,余厲陽,林 滑

    (杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

    應(yīng)用于等離子消融手術(shù)的雙頻輸出逆變器設(shè)計

    嚴亞軍,余厲陽,林 滑

    (杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

    針對傳統(tǒng)消融設(shè)備主機只有一個工作頻率的局限,在不增加硬件成本和體積的基礎(chǔ)上,設(shè)計了具有兩個頻率輸出的逆變器.兩個輸出頻率能夠應(yīng)用在等離子消融和射頻消融兩種手術(shù)方式中.通過控制BUCK和推挽的驅(qū)動信號,實現(xiàn)了輸出功率可調(diào)和工作模式可切換;通過增加過流保護電路,保障了手術(shù)過程的安全性.電學(xué)實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)的兩個工作頻率都有上升沿好、尖峰小的輸出波形.生物實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)具有較好的手術(shù)消融效果,消融速度快,對正常組織的損傷小,有利于患者恢復(fù).

    等離子消融;BUCK電路;推挽;PWM驅(qū)動

    0 引 言

    電外科設(shè)備經(jīng)歷了“電刀”—“普通射頻”—“等離子體射頻”的發(fā)展,“等離子體射頻”技術(shù)在臨床治療中的應(yīng)用是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個趨勢[1].射頻消融利用熱效應(yīng),通過生物組織水分汽化,蛋白質(zhì)變性來達到治療效果;等離子消融手術(shù)利用輸出功率電信號使周圍生理鹽水電離,產(chǎn)生高能量的等離子體攻擊變異的細胞,使其壞死分解,達到治愈的效果.但是輸出功率過高會殺死周圍正常細胞,功率過低致使手術(shù)周期變長,效果不佳,目前,其輸出功率一般在10 W~60 W.

    近年來,低溫等離子射頻技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用成為研究熱點[2].目前,國內(nèi)還處在探索實驗階段.開關(guān)電源因其技術(shù)成熟、工作頻率較高、效率高、設(shè)備輕便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于等離子手術(shù)設(shè)備的研發(fā)中.如今,消融手術(shù)設(shè)備主要朝設(shè)備功能多樣化和設(shè)備體積小型化的方向發(fā)展.通常情況下,一臺設(shè)備如要實現(xiàn)多個頻率輸出就需要多個逆變通路,但是,逆變器通過高頻變壓器來實現(xiàn)隔離輸出,而高頻變壓器又存在如何確定中心頻率的問題,所以,導(dǎo)致了設(shè)備的硬件成本和體積不斷的增加.本文利用變壓器的工作原理,只采用一個逆變通路,在不增加硬件成本和設(shè)備體積的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套功率可調(diào)的雙頻等離子手術(shù)系統(tǒng).

    1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu),首先工頻220 V的交流電壓經(jīng)過AC-DC整流濾波電路,輸出穩(wěn)定的直流電壓,再經(jīng)DC-DC調(diào)壓電路使輸出的直流電壓可調(diào),從而實現(xiàn)了輸出功率可調(diào),最后由DC-AC逆變電路,將直流電壓逆變成高頻方波信號.同時,利用單片機實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制,采用PWM控制芯片SG3526控制DC-DC調(diào)壓電路的驅(qū)動,采用CPLD器件控制DC-AC逆變電路.

    圖1 功率可調(diào)逆變器原理框圖

    2 DC-DC調(diào)壓電路

    本系統(tǒng)的DC-DC調(diào)壓電路采用BUCK結(jié)構(gòu),如圖2所示.根據(jù)BUCK電路工作原理[3],調(diào)壓電路的輸出電壓為:

    VDC=D×Vd

    (1)

    其中,VDC為調(diào)壓電路的輸出電壓,Vd為調(diào)壓電路的輸入電壓,D為由SG3526給出的PWM控制信號的占空比.

    圖2 BUCK電路結(jié)構(gòu)

    BUCK電路的PWM控制電路如圖3所示,單片機內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)給出的模擬信號DAC1與BUCK輸出端采集到的反饋電壓進行比較形成一個反饋回路.當(dāng)輸出電壓VDC由于某種原因而升高時,采樣到的反饋電壓值變大,與DAC1之間產(chǎn)生誤差,經(jīng)過內(nèi)部誤差放大器及比較器后,輸出的信號使PWM波的占空比降低,從而將輸出電壓拉低;反之,當(dāng)VDC降低時,芯片輸出PWM波的占空比提高,從而將輸出電壓抬高.利用本設(shè)計的反饋回路,不僅能達到穩(wěn)壓的效果,還可以通過改變DAC1值來調(diào)節(jié)輸出電壓.本系統(tǒng)預(yù)設(shè)輸出電壓范圍為80 V~150 V可調(diào).

    圖3 BUCK電路結(jié)構(gòu)及SG3526外圍電路設(shè)計

    圖4 BUCK電路驅(qū)動電路設(shè)計

    此外,由于人體組織的正常阻值范圍為10 kΩ~2 kΩ,其變化幅度較大,為保障手術(shù)安全進行,必須采取相應(yīng)的限流措施.對BUCK電路輸入端的電流進行采樣,利用SG3526的過流保護環(huán)來實現(xiàn)電路的安全性,同時其響應(yīng)速度也較快.當(dāng)電流反饋信號與基準信號DAC0的差值超過100 mV時,輸出就會封鎖一部分PWM波,降低BUCK的輸出電壓從而實現(xiàn)限流.因此即使手術(shù)刀誤短路,系統(tǒng)也不會因為過流而炸機.

    圖2中,Q1的柵極為高電平,無法用SG3526進行直接驅(qū)動.并且本系統(tǒng)的驅(qū)動信號占空比變化較大不適合采用變壓器隔離驅(qū)動.綜合比較后,本文采用自舉驅(qū)動方式,利用全橋驅(qū)動芯片IR2104S的高端輸出HO來驅(qū)動Q1,輸入高電平時,HO等于VB電壓值;當(dāng)輸入為低電平時,HO等于VS電壓值,具體電路如圖4所示.

    3 DC-AC逆變電路

    圖5 推挽逆變電路

    逆變電路是本系統(tǒng)的核心,輸出功率要求不是很高,可以采用推挽結(jié)構(gòu),推挽逆變電路如圖5所示.用一對反相的PWM波來驅(qū)動Q2,Q3,利用隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出[4].當(dāng)Q2導(dǎo)通時,Q3斷開,變壓器次級耦合輸出正壓;當(dāng)Q2斷開時,Q3導(dǎo)通,變壓器次級耦合輸出負壓,整個過程輸出電壓VO輸出的是與開關(guān)頻率一致的方波信號.

    由于等離子手術(shù)設(shè)備要求的交流信號頻率較高,因此采用CPLD來產(chǎn)生推挽的驅(qū)動信號[5-6],利用高速光耦對輸入輸出進行隔離,提高了電路可靠性,并采用專用的MOS驅(qū)動芯片MIC4452來進行驅(qū)動,推挽電路驅(qū)動電路如圖6所示.

    圖6 推挽電路驅(qū)動電路

    推挽逆變電路結(jié)構(gòu)簡單,其關(guān)鍵在于變壓器的設(shè)計.根據(jù)變壓器的一般原理[7],在忽略線圈電壓壓降和漏感壓降的情況下,當(dāng)幅度為Vo、寬度為τ的矩形波加在變壓器原邊時,

    (2)

    其中,S為變壓器鐵芯的有效截面積,B為鐵芯磁通密度,φ為鐵芯磁通量,φ=BS.

    由式(2)變形可得

    (3)

    假設(shè),鐵芯的初始磁通密度B(0)=B0,有

    (4)

    且t=τ時,磁通密度達到最大值

    (5)

    圖5中,當(dāng)開關(guān)Q2導(dǎo)通時,Q3斷開時,直流電壓VDC施加在變壓器初級的“ab”線圈上;當(dāng)開關(guān)Q2斷開時,Q3導(dǎo)通時,直流電壓VDC施加在變壓器初級的“ac”線圈上.由于2個線圈是對稱的,對磁芯的磁化方向相反,可等效為一組線圈先后被施加上正、負電壓.因此,對于正電壓來說,其初始磁通密度B0=-Bm,則可得

    (6)

    假設(shè)逆變器的驅(qū)動頻率為f,驅(qū)動信號占空比為D,則τ=D/f,得到變壓器線圈的計算公式:

    (7)

    其中,VDCD/f=VDCτ表示伏秒乘積,并由式(6)可知,當(dāng)變壓器鐵芯選定時,線圈匝數(shù)與伏秒乘積有關(guān).又因為電壓VDC相同,因此要用同一路逆變回路輸出2個頻率的逆變信號,只要將2個工作頻率的驅(qū)動信號的脈沖寬度控制在一個合理的范圍內(nèi)即可.

    4 實驗結(jié)果與分析

    4.1 電學(xué)實驗結(jié)果

    圖7 實際硬件電路圖

    本系統(tǒng)要求輸出100 kHz和310 kHz的方波,采用磁芯PQ35,Bm=0.15 T,S=1.96×10-4m2,VDC為80 V~150 V.對于100 kHz的逆變電路,當(dāng)驅(qū)動信號占空比為38%時,理想匝數(shù)為10匝,根據(jù)經(jīng)驗留0.5倍的余量,則匝數(shù)應(yīng)為15匝;同理,對于310 kHz的逆變電路,當(dāng)驅(qū)動信號占空比為48%,理想匝數(shù)為5匝,經(jīng)驗值為10匝.這里通過實驗對比取其中間值.

    實驗結(jié)果表明,當(dāng)線圈匝數(shù)N=12時,2個工作頻率都有相對較好的方波輸出.輸出波形如圖8所示.同一路逆變回路輸出的100 kHz和310 kHz方波上升沿陡,振鈴較小、電壓尖峰也在可接受范圍內(nèi).

    圖8 實測逆變器輸出波形

    4.2 生物實驗結(jié)果

    圖9 系統(tǒng)手術(shù)消融效果

    在同一檔位相同時間下,用手術(shù)刀在豬肉上進行消融實驗,消融效果如圖9所示.實驗表明,本文設(shè)計的系統(tǒng)消融速度快,消融點集中且不發(fā)散,提高了手術(shù)效率,又將對正常組織的損傷降到最低,減輕了病人的痛苦.此外,根據(jù)兩個頻率下的消融效果可以發(fā)現(xiàn),300 kHz的消融效果優(yōu)于100 kHz的消融效果,在相同條件下消去更多的組織.

    5 結(jié)束語

    本文采用開關(guān)電源原理和逆變技術(shù),設(shè)計了雙頻輸出等離子消融手術(shù)逆變器系統(tǒng),系統(tǒng)能夠產(chǎn)生輸出功率可調(diào)的高頻方波信號.電學(xué)實驗輸出結(jié)果表明,同一個變壓器實現(xiàn)兩個高頻輸出是可行的;動物實驗結(jié)果表明,兩個模式下的消融效果都達到了預(yù)估的效果.但是,本文設(shè)計方案的輸出波形都存在振鈴現(xiàn)象,用RC吸收電路只能在一定程度上起到抑制作用,并不能有完美的抑制效果.本系統(tǒng)已完成基本調(diào)試,準備應(yīng)用于臨床測試.接下來將通過改善單片機的控制算法來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通過軟開關(guān)技術(shù)的改進來降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗.

    [1]宋濤.高頻電外科設(shè)備中開關(guān)電源的研究與設(shè)計[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2014.

    [2]ROY S, REYES S, SMITH L P. Bipolar radiofrequency plasma ablation (Coblation) of lymphatic malformations of the tongue[J]. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology, 2009,73(2):289-293.

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    The Design of a Dual-frequency Inverter Applied to Plasma Ablation

    YAN Yajun, YU Liyang, LIN Hua

    (SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

    Nowadays, electrosurgical ablation operation is more and more widely used in clinical medicine. But the traditional ablation device host has only one operating frequency, and the surgical function is single. A new dual-frequency inverter is designed in this paper, the system provides two output frequencies based on no additional hardware cost and volume, and is used in two ablation procedures: plasma ablation and radiofrequency ablation. The control circuit mainly controls the driving signals of the BUCK and the push-pull so as to achieve the adjustable output power and the working mode switching. Increasing over-current protection circuit ensures the safety of surgical procedures. Electrical experimental results show that the two operating frequencies of the system have a good rising edge and a small peak output waveform. At the same time, biological experiment results show that the system has a good effect of surgical ablation, ablation speed, tiny damage to normal tissue, is conducive to the recovery of patients.

    plasma ablation; BUCK circuit; push-pull; PWM drive

    10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.003

    2016-12-28

    浙江省重大科技專項資助項目(2014C03017)

    嚴亞軍(1993-),男,浙江江山人,碩士研究生,系統(tǒng)電路設(shè)計及控制.通信作者:余厲陽副教授,E-mail:yuliyang@hdu.edu.cn.

    TN86

    A

    1001-9146(2017)04-0010-05

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