许振伟

(浙江机电职业技术学院，杭州 310053)

近年来，随着医疗技术水平的不断提高和高频电刀技术的进一步完善，高频双极消化道手术电刀已经逐渐取代了传统的手术刀和止血钳等医疗器械，成为目前消化道手术中常用的医疗设备。高频电刀输出电流工作于生物组织时会产生集肤效应、热效应和法拉第效应，这是高频电刀工作的基本原理。与其他手术设备相比，高频电刀具有凝血效果好、术后愈合快和功能多样化等优点。一般双极电刀输出是频率为0.4～3MHz的等幅正弦波，电压为200～1300V，最大输出功率为100W左右。由于作用范围只限于电极两端之间，对肌体组织的损伤远比单极电刀小，不仅适用于消化道手术，也广泛应用于脑外科、眼科和五官科等较为精细的手术中[1]。

目前国内市场进口高频电刀产品性能相对较好，但价格昂贵；国产电刀主要性能指标与进口产品相差不大，但在一些关键技术上，特别是在一些安全检测以及功率控制性能上与进口产品相比，有一定差距。为此，研制一种新型高频双极电刀系统，硬件采用LLC谐振半桥变换器代替相控电源，集成IC代替脉冲变压器驱动逆变MOS管；软件上设计闭环自适应PID切割控制系统，使得该系统具有完善的安全检测技术和精确的功率控制功能。

1 系统设计

图1 高频双极消化道手术电刀系统结构框图

高频双极消化道手术电刀系统结构框图如图1所示，包括嵌入式微控制器、不对称半桥LLC谐振器、功率放大输出、检测系统、人机交互以及串口通信等模块。市电（工频交流电，AC）通过不对称半桥LLC谐振变换器产生0～300V的直流高压后，经桥式逆变电路输出系统所需要的高频交流电压。嵌入式微控制器MCU采用STM32F103RCT6，负责直流电压检测、桥式逆变电路驱动与控制以及脚踏状态的采集等。模式选择电路可以选择自动电切、柔和电凝和强烈电凝三种输出模式。触摸屏采用7英寸工业串口指令彩色屏，可以方便快速组建嵌入式系统人机交互系统。上位机串口通信模块主要用于后台数据处理以及故障诊断，系统正常运行时一般可不配置[2]。

1.1 嵌入式微控制器模块

控制系统采用基于Cortex-M3内核的32位闪存增强型微控制器STM32F103RCT6，该控制器工作于72MHz，带有片内RAM和丰富的外设，电路如图2所示。

图2 控制器STM32F103电路图

图中Y2是8MHz晶振，为控制器提供时钟源，从OSC_IN和OSC_OUT引脚输入。R22和R21作为跳线选择BOOT0引脚的控制电平，正常工作时R22不 焊 接。LED_RED、LED_BLUE和LED_GREEN输出控制三色灯。BEEP引脚是扬声器控制电平，高电平则扬声器工作。TX_DIN3和RX_DOUT3是串口3，用于同触摸屏的通信,而TX_DIN2和RX_DOUT2是串口2用于同上位机的通信。DAC_V是DA输出，用于控制输出电压的幅值。AD_Vo和AD_I是分别是输出电压和电流的采样信号。SW_CUT和SW_COAG分别是电切和电凝脚踏的采样信号。

1.2 不对称半桥LLC谐振变换器

可控硅整流功率控制技术，虽然技术成熟、成本低，但是在使用中，电网电压的变化会直接改变可控硅整流电路的电压输出，从而影响高频电刀的功率输出，这是可控硅整流应用在高频电刀中遇到的突出问题，该研究采用不对称半桥LLC谐振变换器实现功率控制[3,4]。

不对称半桥LLC谐振变换器的拓扑结构如图3所示，包括直流电压源、半桥开关网络、谐振槽、变压器、整流电路、滤波电路和输出负载，其中半桥开关网络由上下两个功率开关MOSFET管Q7和Q8组成（包括气体二极管和寄生电容），谐振槽电路由谐振电感、激磁电感和谐振电容C18三个谐振元件组成，整流电路为全波整流，由二极管D1和D2组成。从谐振槽向负载看的戴维宁等效电路如图4所示，其中Req是次级等效阻抗，由该等效电路图可以得到输入端等效阻抗Zin为：

其中：Lm是激磁电感，Lr是谐振电感，Cr是谐振电容，ωs=2πfs是开关角频率，fs是开关频率，整理后可得：

图3 半桥LLC谐振变换器电路

图4 负载等效电路

可见谐振变换器有两个特征频率存在，分别记为fr和fp，则：

若开关频率满足fs＜fp，由式子（2）可知，输入阻抗Zin呈现容性，变换器不能实现ZVS，开关频率不可在此区间。而当fp＜fs＜fr或fs≥fr时输入阻抗Zin呈现感性，满足实现ZVS的前提。该文设计参数为Lr=80uH，Lm=1.13mH，Cr=1.7uF，代入公式（2）可得fr=13.76kHz，fp=3.35kHz。LLC谐振变换器的振荡频率设定为64kHz，开关频率fs=32kHz，所以该文fs≥fr即开关频率大于等于谐振频率，变换器可以实现ZVS。

1.3 功率放大输出

功率放大输出电路如图5所示，其中Vout是半桥LLC谐振变换器输出的0～300V的直流电压，有源晶振电路产生的460kHz高频信号源经过隔离驱动产生两路反相信号驱动桥式逆变电路的上下MOS管，产生正弦基波高频信号HFout1和HFout2，经过高频变压器T2和滤波整形电容C1-C4输出正弦高频电压信号，信号的幅值可以通过变压器T2的匝比控制。

图5 功率放大输出电路

1.4 检测系统

高频电刀工作时需实时检测输出功率的大小，其中输出电流的检测电路如图6所示。采用电流互感器L2隔离输出采样信号输入到RMS-TO-DC 转换器AD8436，在输出采样端输出与高频交流信号成比例的直流采样信号AD_I，输入到主控制器AD采样，电压采样原理与此相同。

利用采样得到的电压和电流信号，设计电压和功率PID自适应控制算法，形成闭环控制。在保证电压不超过限制值的情况下，大幅度提高输出功率的控制精度[5-6]。

图6 输出电流检测电路

2 软件设计与功能实现

软件流程图如图7所示，上电初始化后需要从存储器中读取参数设置值并在LCD触摸屏上显示，检测是否有参数设置和程序选择指令并处理；检测脚踏信号，结合图形界面设置和脚踏类型（电切和电凝两种）分别处理自动电切柔、电凝和强烈电凝三个处理模式并进行时间检测，最后进行数据处理并输出运行状态到触摸屏显示。

图7 高频双极消化道电刀系统软件流程图

2.1 界面设计

利用欣瑞达XG070系列7寸串口智能显示终端，通过超级图形应用软件系统，实现触控和显示等人机界面功能，其中参数配置界面如图8所示。

图8 三种模式输出波形

图中，左上角是选择和显示程序序号，左半部是自动电切的效果和功率，右半部是强力电凝的效果和功率，右上角是脚踏的检测状态。

2.2 自适应PID控制算法

电刀的切割效果，会受到组织阻抗变化的影响。采用实时自适应PID算法，根据检测阻抗数值实时调整PID控制算法的系数，改进切割效果，具体算法如图9所示。

图9 自适应PID控制器算法

3 性能测试及动物实验

自动电切输出功率范围为5～120W，为适应不同条件下的输出功率限制，设置了1到8共8个不同的效果，输出正弦波的频率是460kHz。柔和电凝输出功率范围是5～100W，同样设置了1到8共8个不同的效果，输出正弦波的频率同样是460kHz，但电压幅值相对较小。为了实现较好的凝血效果，强烈电凝需要精确的时间和控制功率，需要输出微秒级的精确波形，输出功率范围是5～100W，设置1到4共4个不同的效果。

自动电切、柔和电凝和强烈电凝三种工作模式的动物实验实际输出波形如图10所示，图(a) (b)和(c)分别是自动电切、柔和电凝和强烈电凝的实测输出波形[7,8]。

4 结论

图10 三种模式输出波形

研制一款以STM32F103RCT6微控制器为控制核心的高频消化道双极手术电刀系统。在分析电刀输出功率与负载之间关系的基础上，详细阐述了硬件电路设计原理、软件程序以及人机界面的设计，并给出了自动电切、柔和电凝和强烈电凝三种模式下的实测输出波形，动物实验效果良好。目前，所设计的电刀系统已经处于小批量生产阶段，后续工作是提高输出交流电压电流检测速度，以提高输出阻抗检测的实时性。