張靜雅 羅昱文 符茂勝

摘要：根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)器械的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款微創(chuàng)切凝刀控制系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中移植實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II對(duì)其進(jìn)行控制.選用LPC1768處理器芯片，使用較為先進(jìn)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式來實(shí)現(xiàn)改變刀頭電熱絲部分通過的平均電流大小，改變刀頭的發(fā)熱量.該控制方式區(qū)別于現(xiàn)有產(chǎn)品直接改變刀頭電熱絲電壓的方式，具有更為節(jié)能、靈敏、精確的優(yōu)點(diǎn).并選用可觸摸的LCD將手術(shù)過程中所涉及的溫度與時(shí)間等相關(guān)信息以圖形化的方式直觀地反饋給主刀醫(yī)師，同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作或系統(tǒng)本身發(fā)生故障時(shí)報(bào)警.實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的切凝刀在臨床上的應(yīng)用擁有更高的安全性和更高的效率.

關(guān)鍵詞：微創(chuàng)切凝刀；嵌入式系統(tǒng)；PWM；μC/OS-II；LCD

中圖分類號(hào)：TN248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-260X（2019）03-0061-04

微創(chuàng)手術(shù)與傳統(tǒng)外科手術(shù)相比，大大減少手術(shù)創(chuàng)口面積，從而減小人體組織感染的可能性，且具有損傷小、疼痛輕、恢復(fù)迅速等優(yōu)點(diǎn)，因此微創(chuàng)手術(shù)器械的研發(fā)以及利用此器械進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)發(fā)展迅猛[1-2].腹腔鏡手術(shù)可采用微創(chuàng)切凝手術(shù)刀進(jìn)行操作，微創(chuàng)切凝手術(shù)刀的刀頭為極小的剪刀狀結(jié)構(gòu)，并在刀頭內(nèi)植入電發(fā)熱裝置，電發(fā)熱裝置的熱功率可以通過微處理器進(jìn)行精確控制，從而可以精確控制刀頭的溫度.該手術(shù)器械可以應(yīng)用于多種手術(shù)中且止血迅速、手術(shù)恢復(fù)周期短、病人痛苦輕，因此利用此種器械進(jìn)行的手術(shù)質(zhì)量非常高.微創(chuàng)切凝手術(shù)刀的工作原理與普通電刀、射頻刀和超聲刀均不同，它可以把電能直接高效率的轉(zhuǎn)換為熱能，對(duì)組織和血管的加熱是通過刀頭的加熱阻絲直接完成的，因此人體中無電流流過，且止血和切割過程中不會(huì)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)對(duì)組織、血管產(chǎn)生損傷，減小了產(chǎn)生并發(fā)癥的可能性；微創(chuàng)切凝手術(shù)刀使用簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、止血效果好、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低.

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：智能化控制端以及手持式終端.通過智能化控制端可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)手術(shù)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)、查詢界面進(jìn)行操作.手術(shù)醫(yī)師通過手持式終端的機(jī)械部分并結(jié)合不同病患使用不同的按鍵進(jìn)行治療.控制系統(tǒng)由多個(gè)模塊構(gòu)成，包括傳感器探頭、電源模塊、處理器模塊以及輸入輸出設(shè)備等.通過處理器可以對(duì)刀頭電熱器件主回路以及電源進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀頭功率供給以及刀頭溫度的智能控制.這兩項(xiàng)的控制是本控制系統(tǒng)中對(duì)功能要求的重點(diǎn).系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路如下圖1所示.分析系統(tǒng)的工作方式和原理，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，再把操作系統(tǒng)移植到硬件平臺(tái)上，并編寫了各個(gè)子任務(wù)程序，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可行性.微創(chuàng)切凝刀控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)基本完成.

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能化控制端采用ARM Cortex-M3為主控制器，Cortex-M3核心是一個(gè)專為工業(yè)控制領(lǐng)域而開發(fā)的32位核心，其采用的Tail-Chaining終端技術(shù)完全基于硬件處理，最多能減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，實(shí)際減少應(yīng)用中70%的中斷數(shù)，能夠大幅度提高系統(tǒng)的中斷響應(yīng)速度，再加以對(duì)ARM V7-M指令集的完全兼容，使得大量現(xiàn)有代碼可以快速完成移植.

2.1 可觸摸顯示屏模塊

人機(jī)交互界面主要用于手術(shù)參數(shù)的初始化設(shè)置和利用圖形界面反饋微創(chuàng)切凝刀整體的工作狀態(tài)，出錯(cuò)時(shí)針對(duì)不同情況的報(bào)警等.人機(jī)交互任務(wù)借助串口通信任務(wù)向工業(yè)串口屏發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，使其顯示需要的信息；同時(shí)也通過串口通信任務(wù)接受觸摸屏信號(hào)，轉(zhuǎn)化為有效的激勵(lì)指令，反饋給處理器.在使用過程中，將需要用于顯示的元素預(yù)先存放于串口屏的flash存貯結(jié)構(gòu)中.當(dāng)需要顯示某條信息時(shí)，主控制系統(tǒng)將該信息所對(duì)應(yīng)元素的存放地址與顯示方式通過串口發(fā)送給串口屏，串口屏在接收數(shù)據(jù)之后，從閃存中提取顯示元素，按照要求的坐標(biāo)與形狀將元素轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)在LCD上顯示出來[3-4]；當(dāng)有觸摸控制時(shí)間發(fā)生時(shí)，串口屏?xí)⒂|摸位置，觸摸時(shí)間等信號(hào)按照約定好的方式通過串口傳回控制系統(tǒng)，系統(tǒng)接收后進(jìn)行判讀、處理，即可完成對(duì)觸摸激勵(lì)的響應(yīng).

2.2 電源模塊

該結(jié)構(gòu)的功能是當(dāng)開關(guān)電源因供電中斷而停止工作時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到鋰蓄電池供電；當(dāng)供電恢復(fù)，開關(guān)電源工作時(shí)，自動(dòng)化轉(zhuǎn)換到開關(guān)電源供電[5]，并同時(shí)給蓄電池充電.其中電源結(jié)構(gòu)的電路圖如下圖3所示.圖中的三端器件VD是一個(gè)電壓檢測(cè)器，當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，電壓檢測(cè)器輸出高電平，通過Q2控制Q3保持開路，Q1導(dǎo)通，整個(gè)系統(tǒng)由5V電源供電，Vout為5V，此時(shí)鋰電池通過R4進(jìn)行涓流充電；當(dāng)電源電壓5V下降低于4V時(shí)，電壓監(jiān)測(cè)器輸出低電平，則Q2斷開，使得Q3導(dǎo)通，Q1斷開，這時(shí)電路通過鋰電池供電，供電電壓為4.2V，通過后端穩(wěn)壓器件穩(wěn)定為3.3V后，仍能維持控制系統(tǒng)本身工作一段時(shí)間，使有時(shí)間恢復(fù)電源供應(yīng).這樣，即可保證在供電中斷時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)仍保持工作狀態(tài)，保存相關(guān)設(shè)置參數(shù)，在恢復(fù)供電時(shí)能夠第一時(shí)間投入手術(shù)，保證手術(shù)安全.

2.3 PWM驅(qū)動(dòng)模塊

PWM技術(shù)是采用脈寬調(diào)制方式，即占空比不同的方波電壓所產(chǎn)生的平均電流也不同[6-7].為了避免電流過大可能引起的期間燒毀，短路對(duì)處理器的影響，在處理器的PWM輸出端口與驅(qū)動(dòng)放大電路之間增加了光耦進(jìn)行隔離，以保證主電熱回路在可能的故障下不會(huì)影響到控制系統(tǒng)的核心.

該系統(tǒng)選用兩枚采樣電阻作為傳感器，其中一枚溫敏電阻是作為溫度傳感器使用，將溫度反饋給處理器進(jìn)行比例積分微分控制（Proportion Integration Differentiation，PID），調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度.另一枚則作為PWM狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器.當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器返回的模擬量信號(hào)與溫度傳感器的模擬量信號(hào)一致時(shí)，則證明系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好；當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器傳回信號(hào)與溫度傳感器不一致時(shí)，則表示PWM的驅(qū)動(dòng)模塊或者電熱器件沒有正常工作，通過對(duì)信號(hào)的對(duì)比分析，當(dāng)判斷為PWM驅(qū)動(dòng)模塊故障時(shí)，處理器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉默認(rèn)的PWM0通道，改用PWM1通道輸出，啟動(dòng)備份PWM驅(qū)動(dòng)模塊繼續(xù)工作，同時(shí)提示在手術(shù)完成后檢修系統(tǒng).當(dāng)判斷為電熱器件工作故障時(shí)，則主動(dòng)斷開電熱主回路電源并報(bào)警停止手術(shù).

PWM驅(qū)動(dòng)模塊電路如下圖4所示.

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)下的軟件結(jié)構(gòu)

μC/OS-Ⅱ有著極其精簡(jiǎn)有效且免費(fèi)開放的源碼，小巧的內(nèi)核結(jié)構(gòu)容易被移植到各種硬件平臺(tái)，系統(tǒng)本身是直接運(yùn)行于處理器之上，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)高效.在移植時(shí)，用戶僅需修改OS_CPU_C.C、OS_CPU. H、OS_CPU_A. ASM三個(gè)源文件中的寄存器地址等內(nèi)容即可完成系統(tǒng)的移植工作[8-9].運(yùn)行在處理器相關(guān)代碼之上的系統(tǒng)的相關(guān)任務(wù)，這些任務(wù)包含了用戶程序?qū)ο到y(tǒng)資源調(diào)度的相關(guān)接口，例如：時(shí)鐘、任務(wù)處理、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信等.在系統(tǒng)層之上運(yùn)行的則是用戶編寫設(shè)定的任務(wù)程序，例如：報(bào)警處理、驅(qū)動(dòng)PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog/Digital，A/D）數(shù)據(jù)的讀取等.

3.2 PWM控制任務(wù)流程圖

PWM控制任務(wù)的主要工作是依據(jù)溫敏采樣電阻通過A/D通道反饋給處理器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)通過PID控制技術(shù)[10-12]，調(diào)整PWM端口脈沖輸出的寬度，實(shí)現(xiàn)最終對(duì)電熱器件熱功率的控制.從圖中可以看出，為保證PWM脈沖輸出的正確性，PWM控制模塊使用了由A/D模塊提供的兩路A/D數(shù)據(jù)，一路A/D數(shù)據(jù)反饋表示電熱器件的工作溫度，另一路表示PWM輸出的脈沖的占空比.通過實(shí)驗(yàn)得到占空比和工作溫度比值的范圍后，在控制任務(wù)中，會(huì)將這兩個(gè)反饋值進(jìn)行比較運(yùn)算.若得到的結(jié)果保持在規(guī)定范圍內(nèi)，則證明PWM模塊工作正常；反之，控制任務(wù)會(huì)判定當(dāng)前驅(qū)動(dòng)模式為不正常，然后通過軟件關(guān)閉PWM0端口的輸出，改用PWM1端口輸出，啟用備份的PWM驅(qū)動(dòng)電路.啟動(dòng)備份電路后，若工作正常，控制任務(wù)會(huì)通過人機(jī)交互界面發(fā)出警告，提示手術(shù)完成后檢修系統(tǒng)；若仍不能正常工作，則PWM控制任務(wù)會(huì)給系統(tǒng)巡邏監(jiān)控任務(wù)發(fā)出災(zāi)難信號(hào)，由巡邏監(jiān)控任務(wù)報(bào)警，并斷開電熱主回路，停止手術(shù).

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)在臨床試驗(yàn)之前先使用鴨腸模擬病變組織進(jìn)行切割試驗(yàn).首先將鴨腸洗凈，用鑷子截取出適當(dāng)長(zhǎng)度，做切割前準(zhǔn)備，如圖7所示，圖示左下方為切凝刀刀頭.

按下電源開關(guān)使系統(tǒng)上電，并按下切割鍵，使夾持區(qū)域溫度升高，快速達(dá)到要求溫度，使得軟組織和血管凝固封閉，以達(dá)到手術(shù)效果.切割試驗(yàn)過程圖如圖8所示，通過顯示屏可得出實(shí)時(shí)功率以及刀頭溫度等參數(shù).

試驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)運(yùn)行良好，能有效切割病變組織和凝血功能，且燙傷區(qū)域小，下一步將在臨床進(jìn)行試驗(yàn).

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于ARM Cortex-M3的熱能刀系統(tǒng)，傳統(tǒng)器械所帶來的問題基本得到了解決，且熱能刀在臨床上具有非常高的安全性和效率.對(duì)此款熱能刀加以不同頻率的脈沖進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖頻率為200Hz時(shí)，對(duì)電熱器件的功率調(diào)節(jié)能滿足臨床要求，此時(shí)溫度以攝氏度每秒的速度改變.

該熱凝刀系統(tǒng)完成了數(shù)字可調(diào)節(jié)控制方式的刀頭溫度控制，實(shí)現(xiàn)了溫度設(shè)置范圍為50～300℃的技術(shù)性能指標(biāo)，并使溫度控制相對(duì)精度控制在 ±6%，溫度上升時(shí)間控制在3-5s.在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試優(yōu)化結(jié)果下，主刀醫(yī)師通過切凝刀手柄部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)配合按鍵，能實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，且手術(shù)過程中刀頭溫度的穩(wěn)定能夠得到保證，整體工作性能的穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時(shí)也保證了技術(shù)參數(shù)等各方面指標(biāo)符合相關(guān)醫(yī)用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn).

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