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        智能消化道雙極高頻手術(shù)電刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-12-12 08:33:14許振偉
        現(xiàn)代儀器與醫(yī)療 2020年5期
        關(guān)鍵詞:電刀雙極電凝

        許振偉

        (浙江機(jī)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(jìn)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(shí)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(diǎn)。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(yuǎn)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(xì)的手術(shù)中[1]。

        目前國內(nèi)市場進(jìn)口高頻電刀產(chǎn)品性能相對較好,但價(jià)格昂貴;國產(chǎn)電刀主要性能指標(biāo)與進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jì)

        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(jī)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(fù)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(qiáng)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(jī)交互系統(tǒng)。上位機(jī)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(yùn)行時(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)R22不 焊 接。LED_RED、LED_BLUE和LED_GREEN輸出控制三色燈。BEEP引腳是揚(yáng)聲器控制電平,高電平則揚(yáng)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(jī)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(shí)現(xiàn)功率控制[3,4]。

        不對稱半橋LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(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(fù)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(fù)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(fù)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(shí)現(xiàn)ZVS,開關(guān)頻率不可在此區(qū)間。而當(dāng)fp<fs<fr或fs≥fr時(shí)輸入阻抗Zin呈現(xiàn)感性,滿足實(shí)現(xiàn)ZVS的前提。該文設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)需實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)與功能實(shí)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(qiáng)烈電凝三個處理模式并進(jìn)行時(shí)間檢測,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出運(yùn)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(jì)

        利用欣瑞達(dá)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(shí)現(xiàn)觸控和顯示等人機(jī)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(qiáng)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(shí)時(shí)自適應(yīng)PID算法,根據(jù)檢測阻抗數(shù)值實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制算法的系數(shù),改進(jìn)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(shí)驗(yàn)

        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(shí)現(xiàn)較好的凝血效果,強(qiáng)烈電凝需要精確的時(shí)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(qiáng)烈電凝三種工作模式的動物實(shí)驗(yàn)實(shí)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(qiáng)烈電凝的實(shí)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(fù)載之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了硬件電路設(shè)計(jì)原理、軟件程序以及人機(jī)界面的設(shè)計(jì),并給出了自動電切、柔和電凝和強(qiáng)烈電凝三種模式下的實(shí)測輸出波形,動物實(shí)驗(yàn)效果良好。目前,所設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性。

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