智能消化道雙極高頻手術(shù)電刀系統(tǒng)設(shè)計

許振偉

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310053)

近年來，隨著醫(yī)療技術(shù)水平的不斷提高和高頻電刀技術(shù)的進一步完善，高頻雙極消化道手術(shù)電刀已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的手術(shù)刀和止血鉗等醫(yī)療器械，成為目前消化道手術(shù)中常用的醫(yī)療設(shè)備。高頻電刀輸出電流工作于生物組織時會產(chǎn)生集膚效應(yīng)、熱效應(yīng)和法拉第效應(yīng)，這是高頻電刀工作的基本原理。與其他手術(shù)設(shè)備相比，高頻電刀具有凝血效果好、術(shù)后愈合快和功能多樣化等優(yōu)點。一般雙極電刀輸出是頻率為0.4～3MHz的等幅正弦波，電壓為200～1300V，最大輸出功率為100W左右。由于作用范圍只限于電極兩端之間，對肌體組織的損傷遠比單極電刀小，不僅適用于消化道手術(shù)，也廣泛應(yīng)用于腦外科、眼科和五官科等較為精細的手術(shù)中[1]。

目前國內(nèi)市場進口高頻電刀產(chǎn)品性能相對較好，但價格昂貴；國產(chǎn)電刀主要性能指標與進口產(chǎn)品相差不大，但在一些關(guān)鍵技術(shù)上，特別是在一些安全檢測以及功率控制性能上與進口產(chǎn)品相比，有一定差距。為此，研制一種新型高頻雙極電刀系統(tǒng)，硬件采用LLC諧振半橋變換器代替相控電源，集成IC代替脈沖變壓器驅(qū)動逆變MOS管；軟件上設(shè)計閉環(huán)自適應(yīng)PID切割控制系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)具有完善的安全檢測技術(shù)和精確的功率控制功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 高頻雙極消化道手術(shù)電刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高頻雙極消化道手術(shù)電刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括嵌入式微控制器、不對稱半橋LLC諧振器、功率放大輸出、檢測系統(tǒng)、人機交互以及串口通信等模塊。市電（工頻交流電，AC）通過不對稱半橋LLC諧振變換器產(chǎn)生0～300V的直流高壓后，經(jīng)橋式逆變電路輸出系統(tǒng)所需要的高頻交流電壓。嵌入式微控制器MCU采用STM32F103RCT6，負責(zé)直流電壓檢測、橋式逆變電路驅(qū)動與控制以及腳踏狀態(tài)的采集等。模式選擇電路可以選擇自動電切、柔和電凝和強烈電凝三種輸出模式。觸摸屏采用7英寸工業(yè)串口指令彩色屏，可以方便快速組建嵌入式系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)。上位機串口通信模塊主要用于后臺數(shù)據(jù)處理以及故障診斷，系統(tǒng)正常運行時一般可不配置[2]。

1.1 嵌入式微控制器模塊

控制系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位閃存增強型微控制器STM32F103RCT6，該控制器工作于72MHz，帶有片內(nèi)RAM和豐富的外設(shè)，電路如圖2所示。

圖2 控制器STM32F103電路圖

圖中Y2是8MHz晶振，為控制器提供時鐘源，從OSC_IN和OSC_OUT引腳輸入。R22和R21作為跳線選擇BOOT0引腳的控制電平，正常工作時R22不 焊 接。LED_RED、LED_BLUE和LED_GREEN輸出控制三色燈。BEEP引腳是揚聲器控制電平，高電平則揚聲器工作。TX_DIN3和RX_DOUT3是串口3，用于同觸摸屏的通信,而TX_DIN2和RX_DOUT2是串口2用于同上位機的通信。DAC_V是DA輸出，用于控制輸出電壓的幅值。AD_Vo和AD_I是分別是輸出電壓和電流的采樣信號。SW_CUT和SW_COAG分別是電切和電凝腳踏的采樣信號。

1.2 不對稱半橋LLC諧振變換器

可控硅整流功率控制技術(shù)，雖然技術(shù)成熟、成本低，但是在使用中，電網(wǎng)電壓的變化會直接改變可控硅整流電路的電壓輸出，從而影響高頻電刀的功率輸出，這是可控硅整流應(yīng)用在高頻電刀中遇到的突出問題，該研究采用不對稱半橋LLC諧振變換器實現(xiàn)功率控制[3,4]。

不對稱半橋LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括直流電壓源、半橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振槽、變壓器、整流電路、濾波電路和輸出負載，其中半橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由上下兩個功率開關(guān)MOSFET管Q7和Q8組成（包括氣體二極管和寄生電容），諧振槽電路由諧振電感、激磁電感和諧振電容C18三個諧振元件組成，整流電路為全波整流，由二極管D1和D2組成。從諧振槽向負載看的戴維寧等效電路如圖4所示，其中Req是次級等效阻抗，由該等效電路圖可以得到輸入端等效阻抗Zin為：

其中：Lm是激磁電感，Lr是諧振電感，Cr是諧振電容，ωs=2πfs是開關(guān)角頻率，fs是開關(guān)頻率，整理后可得：

圖3 半橋LLC諧振變換器電路

圖4 負載等效電路

可見諧振變換器有兩個特征頻率存在，分別記為fr和fp，則：

若開關(guān)頻率滿足fs＜fp，由式子（2）可知，輸入阻抗Zin呈現(xiàn)容性，變換器不能實現(xiàn)ZVS，開關(guān)頻率不可在此區(qū)間。而當fp＜fs＜fr或fs≥fr時輸入阻抗Zin呈現(xiàn)感性，滿足實現(xiàn)ZVS的前提。該文設(shè)計參數(shù)為Lr=80uH，Lm=1.13mH，Cr=1.7uF，代入公式（2）可得fr=13.76kHz，fp=3.35kHz。LLC諧振變換器的振蕩頻率設(shè)定為64kHz，開關(guān)頻率fs=32kHz，所以該文fs≥fr即開關(guān)頻率大于等于諧振頻率，變換器可以實現(xiàn)ZVS。

1.3 功率放大輸出

功率放大輸出電路如圖5所示，其中Vout是半橋LLC諧振變換器輸出的0～300V的直流電壓，有源晶振電路產(chǎn)生的460kHz高頻信號源經(jīng)過隔離驅(qū)動產(chǎn)生兩路反相信號驅(qū)動橋式逆變電路的上下MOS管，產(chǎn)生正弦基波高頻信號HFout1和HFout2，經(jīng)過高頻變壓器T2和濾波整形電容C1-C4輸出正弦高頻電壓信號，信號的幅值可以通過變壓器T2的匝比控制。

圖5 功率放大輸出電路

1.4 檢測系統(tǒng)

高頻電刀工作時需實時檢測輸出功率的大小，其中輸出電流的檢測電路如圖6所示。采用電流互感器L2隔離輸出采樣信號輸入到RMS-TO-DC 轉(zhuǎn)換器AD8436，在輸出采樣端輸出與高頻交流信號成比例的直流采樣信號AD_I，輸入到主控制器AD采樣，電壓采樣原理與此相同。

利用采樣得到的電壓和電流信號，設(shè)計電壓和功率PID自適應(yīng)控制算法，形成閉環(huán)控制。在保證電壓不超過限制值的情況下，大幅度提高輸出功率的控制精度[5-6]。

圖6 輸出電流檢測電路

2 軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

軟件流程圖如圖7所示，上電初始化后需要從存儲器中讀取參數(shù)設(shè)置值并在LCD觸摸屏上顯示，檢測是否有參數(shù)設(shè)置和程序選擇指令并處理；檢測腳踏信號，結(jié)合圖形界面設(shè)置和腳踏類型（電切和電凝兩種）分別處理自動電切柔、電凝和強烈電凝三個處理模式并進行時間檢測，最后進行數(shù)據(jù)處理并輸出運行狀態(tài)到觸摸屏顯示。

圖7 高頻雙極消化道電刀系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 界面設(shè)計

利用欣瑞達XG070系列7寸串口智能顯示終端，通過超級圖形應(yīng)用軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)觸控和顯示等人機界面功能，其中參數(shù)配置界面如圖8所示。

圖8 三種模式輸出波形

圖中，左上角是選擇和顯示程序序號，左半部是自動電切的效果和功率，右半部是強力電凝的效果和功率，右上角是腳踏的檢測狀態(tài)。

2.2 自適應(yīng)PID控制算法

電刀的切割效果，會受到組織阻抗變化的影響。采用實時自適應(yīng)PID算法，根據(jù)檢測阻抗數(shù)值實時調(diào)整PID控制算法的系數(shù)，改進切割效果，具體算法如圖9所示。

圖9 自適應(yīng)PID控制器算法

3 性能測試及動物實驗

自動電切輸出功率范圍為5～120W，為適應(yīng)不同條件下的輸出功率限制，設(shè)置了1到8共8個不同的效果，輸出正弦波的頻率是460kHz。柔和電凝輸出功率范圍是5～100W，同樣設(shè)置了1到8共8個不同的效果，輸出正弦波的頻率同樣是460kHz，但電壓幅值相對較小。為了實現(xiàn)較好的凝血效果，強烈電凝需要精確的時間和控制功率，需要輸出微秒級的精確波形，輸出功率范圍是5～100W，設(shè)置1到4共4個不同的效果。

自動電切、柔和電凝和強烈電凝三種工作模式的動物實驗實際輸出波形如圖10所示，圖(a) (b)和(c)分別是自動電切、柔和電凝和強烈電凝的實測輸出波形[7,8]。

4 結(jié)論

圖10 三種模式輸出波形

研制一款以STM32F103RCT6微控制器為控制核心的高頻消化道雙極手術(shù)電刀系統(tǒng)。在分析電刀輸出功率與負載之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，詳細闡述了硬件電路設(shè)計原理、軟件程序以及人機界面的設(shè)計，并給出了自動電切、柔和電凝和強烈電凝三種模式下的實測輸出波形，動物實驗效果良好。目前，所設(shè)計的電刀系統(tǒng)已經(jīng)處于小批量生產(chǎn)階段，后續(xù)工作是提高輸出交流電壓電流檢測速度，以提高輸出阻抗檢測的實時性。