高頻電刀系統優(yōu)化

作者 / 孫曉偉 天津長(cháng)榮數碼科技有限公司(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)現人體組織切割及凝血工作。詳細介紹高頻電刀的基本組成，軟件設計流程及改進(jìn)要點(diǎn)。經(jīng)過(guò)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

　　高頻電刀取代傳統手術(shù)的機械電刀，高頻電刀的工作原理類(lèi)似于變頻器，將工頻220 V/50 Hz經(jīng)過(guò)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，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(kāi)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、數碼顯示、振蕩器、調制器、功率放大、安全保護、作用電極及負極板基本分組成。處理器采用ST公司的STM32F103芯片，驅動(dòng)數碼管顯示，輸出PWM信號，驅動(dòng)振蕩器起振，起振后的信號經(jīng)過(guò)半橋驅動(dòng)與功率放大器后輸出給作用電極實(shí)現切割、凝血等功能。同時(shí)采集面板按鍵輸入，實(shí)現功率調節及功能切換等功能。半橋驅動(dòng)電路是電路板的關(guān)鍵，單片機PWM輸出信號經(jīng)過(guò)半橋驅動(dòng)電路后，將信號放大輸出到電極，若輸出頻率過(guò)高，會(huì )導致患者麻木;輸出頻率過(guò)低，會(huì )導致電流輸出不夠，切割較困難的現象。驅動(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 軟件設計流程

　　高頻電刀的輸出功率需進(jìn)行校準工作，模仿人體生物組織的組織進(jìn)行功率校準，并觀(guān)察輸出電壓是否滿(mǎn)足要求，輸出電壓過(guò)高會(huì )有可能造成患者灼傷，故在保證輸出功率準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，負載箱采用FLUKE公司的QA-ES Ⅱ高頻電刀測試儀。該測試儀可以記錄功率輸出值，電壓峰峰值，高頻泄露電流，純電阻負載可調范圍為10~5200 Ω，高頻電刀軟件校準過(guò)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。電凝波形的波頭數不同，輸出的電壓亦不同，波形數越多，輸出電壓越低，安全系數越高。波形數越少，輸出電壓越高。電凝波形個(gè)數一般在1~4個(gè)，也可以根據輸出功率不同，設定不同的波形數，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。波形數量的確定依據以下要求，輸出功率較小時(shí)保證輸出電壓高，故波形數少。功率大輸出波形多，輸出電壓低。

　　軟件設計除考慮輸出功率及波形調整外，還需要有報警功能，報警功能主要實(shí)現腹肌板接觸面積小及腹肌板脫落報警，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，這樣嚴重威脅患者與醫師安全，在腹肌板脫落的情況下，手術(shù)電極無(wú)法輸出功率。針對腹肌板接觸面的檢測采用Microchip公司的AT42QT1110芯片對觸力進(jìn)行采集，并將采集的信號傳輸給處理器進(jìn)行分析，若接觸面過(guò)小會(huì )報警提示。

　　高頻電刀一般不采用觸摸屏進(jìn)行頁(yè)面顯示，主要因為應用場(chǎng)合為手術(shù)室，為防止血液或汗漬滴濺在觸摸屏上造成設備故障或誤動(dòng)作的問(wèn)題，一般都采用數碼管顯示，同時(shí)人機交互采用按鍵來(lái)實(shí)現。

3 高頻電刀質(zhì)量控制

　　高頻電刀完成硬件及軟件調試后還需對其進(jìn)行檢測，技術(shù)指標要滿(mǎn)足以下要求：

　　1)高頻漏電流低于150 mA;

　　2)輸出波形穩定，基波應為純凈的正弦波;

　　3)腹肌板斷線(xiàn)或阻抗過(guò)大，儀器具有聲光報警功能，同時(shí)停止輸出功率。

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

4 結論

　　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)現人體組織切割，在腹肌板接觸不良及接觸面積過(guò)小的情況下會(huì )造成患者灼傷的現象。經(jīng)過(guò)系統改造后，接觸面積小會(huì )產(chǎn)生報警，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，減小了醫療風(fēng)險。

　　參考文獻：

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