高頻電刀系統(tǒng)優(yōu)化

作者 / 孫曉偉 天津長(zhǎng)榮數(shù)碼科技有限公司(天津 300403)

摘要：高頻電刀在手術(shù)電極與腹肌板之間產(chǎn)生高頻電流實(shí)現(xiàn)人體組織切割及凝血工作。詳細(xì)介紹高頻電刀的基本組成，軟件設(shè)計(jì)流程及改進(jìn)要點(diǎn)。經(jīng)過改進(jìn)后的高頻電刀輸出電壓更安全，使用效果更佳，患者痛苦少。

1 高頻電刀基本組成

　　高頻電刀取代傳統(tǒng)手術(shù)的機(jī)械電刀，高頻電刀的工作原理類似于變頻器，將工頻220 V/50 Hz經(jīng)過功率放大器變換為輸出電壓在3000~5000 V之間，輸出頻率在300 kHz左右的信號(hào)，在手術(shù)電極與腹肌板之間產(chǎn)生高頻電流可以輕松割開人體組織，同時(shí)還可以起到凝血和止血的作用。高頻電刀主要由處理器、按鍵、數(shù)碼顯示、振蕩器、調(diào)制器、功率放大、安全保護(hù)、作用電極及負(fù)極板基本分組成。處理器采用ST公司的STM32F103芯片，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)振蕩器起振，起振后的信號(hào)經(jīng)過半橋驅(qū)動(dòng)與功率放大器后輸出給作用電極實(shí)現(xiàn)切割、凝血等功能。同時(shí)采集面板按鍵輸入，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)及功能切換等功能。半橋驅(qū)動(dòng)電路是電路板的關(guān)鍵，單片機(jī)PWM輸出信號(hào)經(jīng)過半橋驅(qū)動(dòng)電路后，將信號(hào)放大輸出到電極，若輸出頻率過高，會(huì)導(dǎo)致患者麻木;輸出頻率過低，會(huì)導(dǎo)致電流輸出不夠，切割較困難的現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。功率放大器采用ADI公司的HMC637LP5，典型電路如圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)流程

　　高頻電刀的輸出功率需進(jìn)行校準(zhǔn)工作，模仿人體生物組織的組織進(jìn)行功率校準(zhǔn)，并觀察輸出電壓是否滿足要求，輸出電壓過高會(huì)有可能造成患者灼傷，故在保證輸出功率準(zhǔn)確的情況下盡可能降低輸出電壓的幅值。在進(jìn)行生物組織切割時(shí)輸出功率不可以大于300 W，負(fù)載箱采用FLUKE公司的QA-ES Ⅱ高頻電刀測(cè)試儀。該測(cè)試儀可以記錄功率輸出值，電壓峰峰值，高頻泄露電流，純電阻負(fù)載可調(diào)范圍為10~5200 Ω，高頻電刀軟件校準(zhǔn)過程如圖3所示。

　　高頻電刀輸出波形主要有六種，改進(jìn)后的電刀輸出波形如圖4所示。

　　電切波形為幅值相等，間隔相同的正弦波，波形輸出共包含65個(gè)波形，波形的周期為300 kHz。電凝波形為遞減波，首個(gè)波形的幅值與電切波形幅值相同，其余波形依次遞減。電凝波形的波頭數(shù)不同，輸出的電壓亦不同，波形數(shù)越多，輸出電壓越低，安全系數(shù)越高。波形數(shù)越少，輸出電壓越高。電凝波形個(gè)數(shù)一般在1~4個(gè)，也可以根據(jù)輸出功率不同，設(shè)定不同的波形數(shù)，例如0~70 W輸出單波，80~120 W輸出雙波，120 W以上輸出三波或四波。波形數(shù)量的確定依據(jù)以下要求，輸出功率較小時(shí)保證輸出電壓高，故波形數(shù)少。功率大輸出波形多，輸出電壓低。

　　軟件設(shè)計(jì)除考慮輸出功率及波形調(diào)整外，還需要有報(bào)警功能，報(bào)警功能主要實(shí)現(xiàn)腹肌板接觸面積小及腹肌板脫落報(bào)警，腹肌板脫落會(huì)造成手術(shù)電極與腹肌板之間形成高壓電弧，這樣嚴(yán)重威脅患者與醫(yī)師安全，在腹肌板脫落的情況下，手術(shù)電極無法輸出功率。針對(duì)腹肌板接觸面的檢測(cè)采用Microchip公司的AT42QT1110芯片對(duì)觸力進(jìn)行采集，并將采集的信號(hào)傳輸給處理器進(jìn)行分析，若接觸面過小會(huì)報(bào)警提示。

　　高頻電刀一般不采用觸摸屏進(jìn)行頁面顯示，主要因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)合為手術(shù)室，為防止血液或汗?jié)n滴濺在觸摸屏上造成設(shè)備故障或誤動(dòng)作的問題，一般都采用數(shù)碼管顯示，同時(shí)人機(jī)交互采用按鍵來實(shí)現(xiàn)。

3 高頻電刀質(zhì)量控制

　　高頻電刀完成硬件及軟件調(diào)試后還需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)指標(biāo)要滿足以下要求：

　　1)高頻漏電流低于150 mA;

　　2)輸出波形穩(wěn)定，基波應(yīng)為純凈的正弦波;

　　3)腹肌板斷線或阻抗過大，儀器具有聲光報(bào)警功能，同時(shí)停止輸出功率。

　　高頻漏電流的測(cè)試方法如圖5所示，腹肌板接QA-ES紅色表筆，手術(shù)電極接白色表筆，檢測(cè)設(shè)備與儀器外殼接大地。

4 結(jié)論

　　高頻電刀利用手術(shù)電極與腹肌板之間產(chǎn)生高頻電流實(shí)現(xiàn)人體組織切割，在腹肌板接觸不良及接觸面積過小的情況下會(huì)造成患者灼傷的現(xiàn)象。經(jīng)過系統(tǒng)改造后，接觸面積小會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，停止電刀輸出功率，避免了患者被灼傷的可能，同時(shí)電刀輸出電壓降低，減小了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第49頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。