基于多MCU的高頻電刀研制

摘要：針對醫(yī)用高頻電刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要采集和控制的信息量大的難點，提出了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀設(shè)計及其與之配套的自動測試系統(tǒng)。主控制、射頻控制、數(shù)據(jù)采集、用戶界面分別采用獨立的MCU控制。MCU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(jìn)行通信；射頻產(chǎn)生電路由負(fù)責(zé)射頻控制的MCU控制復(fù)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。
關(guān)鍵詞：高頻電刀；多MCU；USART；SPI；CPLD

0 引言
高頻電刀是一種利用高頻電壓電流的熱效應(yīng)進(jìn)行手術(shù)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(shù)刀具有準(zhǔn)確快捷、微創(chuàng)治療的優(yōu)點；其基本原理是通過在手術(shù)電極產(chǎn)生0．3～1 MHz頻段內(nèi)的高壓射頻信號對人體組織進(jìn)行加熱，從而實現(xiàn)組織切割和凝固。本文設(shè)計了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀，主要介紹系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各MCU的分工、MCU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(shè)計。

1 高頻電刀的工作原理和設(shè)計原則
1．1 高頻電刀工作原理
因為生物組織是導(dǎo)電體，當(dāng)有電流通過人體組織時，可同時產(chǎn)生熱效應(yīng)、電離效應(yīng)和法拉第效應(yīng)；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(yīng))；當(dāng)電流頻率達(dá)到100 kHz以上時，法拉第效應(yīng)明顯減少；當(dāng)高于300 kHz時可忽略不計；而當(dāng)頻率達(dá)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(yīng)；高頻電刀就是利用高頻電流的只產(chǎn)生熱效應(yīng)而不產(chǎn)生電離和法拉第效應(yīng)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(xì)胞受到的熱量會逐漸增加，當(dāng)熱量達(dá)到一定程度時，接觸處的細(xì)胞會受熱破裂，細(xì)胞破裂后其水份成為水汽，帶走細(xì)胞上的熱量，利用手術(shù)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(yīng)也是間斷的，細(xì)胞內(nèi)部水份得不到足夠的高溫，細(xì)胞就不會破裂，但會慢慢脫水，細(xì)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(shè)計原則
從高頻電刀的工作原理可知，其安全性至關(guān)重要。高頻電刀的輸出還應(yīng)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(jìn)行控制，并且在工作時應(yīng)根據(jù)工作點人體電阻的變化輸出不同的功率，即按照預(yù)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MCU的系統(tǒng)設(shè)計
2．1 設(shè)計原理和電路拓?fù)鋱D
由于醫(yī)用高頻電刀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)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(shè)計。MCU選用基于RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗AVR單片機ATmega128。其先進(jìn)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(zhuǎn)換等在內(nèi)的豐富外設(shè)。MCU之間分工協(xié)同工作，通過ATmega128自帶的USA RT和SPI接口通信。各個MCU的連接拓?fù)鋱D如圖1所示，其中：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和電刺激輸出的MCU定義為M0，負(fù)責(zé)射頻與控溫的MCU定義為M1，負(fù)責(zé)顯示界面與整體控制的MCU定義為M2，負(fù)責(zé)用戶輸入和PC通信的MCU定義為M3。基于多MCU的設(shè)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。

2．2 通信方式和協(xié)議
本系統(tǒng)采用多MCU分工協(xié)同工作，工作過程中MCU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(gòu)。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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行通信，當(dāng)顯示設(shè)備為LCD屏?xí)r，使用第2個UART口；另外，M2使用固定的軟SPI口與M3進(jìn)行通信。M3使用2個UART串行口與外部進(jìn)行通信，使用一個軟SPI口與M2進(jìn)行通信，另外加一個軟SPI口進(jìn)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(jìn)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MCU之間通信機制如下：
握手過程：
(1)開機，M0～M3均進(jìn)行自檢，MCU板子獲取數(shù)據(jù)后，進(jìn)入等待模式；
(2)M2進(jìn)入初界面后，對每個MCU依次發(fā)送獲取軟件版本的命令，如果每個MCU都在1 s時間內(nèi)返回回應(yīng)幀則認(rèn)為連接無問題，自檢通過；
(3)M2向M0獲取各種電極信息，存入全局變量中，握手成功。
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(yīng)檢驗該數(shù)據(jù)楨是否為所需要的，數(shù)據(jù)是否正確；
(2)M0和M1之間，M1是主機，M0是從機，以中斷方式響應(yīng)。