一種高頻電刀背電極皮膚動態(tài)接觸阻抗檢測器的設(shè)計

黃瑞生佛山市禪城區(qū)南莊醫(yī)院，廣東省，佛山市，528061

一種高頻電刀背電極皮膚動態(tài)接觸阻抗檢測器的設(shè)計

【作者】黃瑞生佛山市禪城區(qū)南莊醫(yī)院，廣東省，佛山市，528061

常規(guī)高頻電刀的雙回路背電極與皮膚粘合后，兩電極接觸電阻為（50～200）Ω，若雙回路背電極接觸電阻過大或過小則需報警。設(shè)計不僅可以檢測高頻電刀雙回路背電極板與皮膚的靜態(tài)貼合情況，還能對背電極的接觸阻抗發(fā)生動態(tài)變化時做出相應(yīng)的檢測和報警，能有效防止高頻電刀雙回路電極在手術(shù)過程中發(fā)生移動而對醫(yī)務(wù)人員可能造成的損傷，提高了高頻電刀工作時的安全性。

高頻電刀；雙回路電極；動態(tài)阻抗檢測，手術(shù)安全

0 引言

自1928年William T.Bovie發(fā)明射頻電外科器械以來[1]，高頻電刀逐步成了廣泛用于臨床的基本手術(shù)裝置。高頻電刀具有電切、電灼和電凝等功能[2]。高頻電刀事實(shí)上是一個大功率的信號發(fā)生器。信號的宏觀形態(tài)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)射頻調(diào)制后，再經(jīng)功率放大器放大輸出到電極。電極有雙極和單極之分[3]。長期以來，影響電刀的應(yīng)用和發(fā)展的難題之一是敷極板(背電極)處機(jī)體組織的灼傷或燒傷。眾所周知，高頻電刀的作用原理實(shí)際上是一種高頻電流在背電極和手術(shù)刀頭之間形成的一個閉合回路，由電流的物理特性可知，一個閉合回路中電流處處相等，而回路中的功率則由回路中某節(jié)點(diǎn)的電阻(阻抗)大小決定。電刀頭與機(jī)體組織的接觸阻抗大，因此電刀的主要功率集中在刀頭和組織的接觸處，通電時刀頭的高頻電火花可以對機(jī)體進(jìn)行組織切割或?qū)M織進(jìn)行燒灼止血。按理說背電極(無關(guān)電極)只是起一種電流的回路作用，接觸阻抗應(yīng)該很小，但實(shí)際操作中會因敷在背電極的導(dǎo)電膠導(dǎo)電性能變差或手術(shù)過程中醫(yī)生在患者身上用勁后背電極發(fā)生移位而導(dǎo)致背電極和皮膚的接觸電阻(阻抗)增大，產(chǎn)生的熱量就會越來越多[4]。這樣，就會在背電極和皮膚的接觸處灼傷，甚至發(fā)生部分背電極移開病人的皮膚接觸旁人發(fā)生醫(yī)務(wù)人員的損傷。因此，需要引入一種監(jiān)測裝置來避免這種情況的發(fā)生，本設(shè)計就是基于這個目的而進(jìn)行的。

1 設(shè)計原理與方法

1.1 設(shè)計原理

目前，背電極大多采用單回路電極板改成雙回路電極板的形式。雙回路電極板電路對高頻電流來說仍相當(dāng)于一個回路電極，但雙回路電極中把原來的一塊單電極分成兩塊電極，中間有5 mm左右的間隔。當(dāng)這兩個敷極板粘到皮膚上后，電刀中的回路檢測系統(tǒng)會檢查這兩個電極間的接觸電阻(阻抗)，雙回路背電極與皮膚粘合后，兩電極接觸電阻正常值為(50～200)Ω。若接觸面積不夠或?qū)щ娔z導(dǎo)電性能不佳，則電阻變大；如果雙回路電極有短路現(xiàn)象，則起不到檢測接觸電阻的作用。如果這種雙回路背電極在手術(shù)過程中發(fā)生電極的移位，電極與皮膚的接觸電阻雖然仍在(50～200)Ω范圍，但由于電極的位移或許已經(jīng)有一部分電極移出患者的機(jī)體而與醫(yī)務(wù)人員的身體相碰了，這樣就會發(fā)生手術(shù)中醫(yī)務(wù)人員的損傷。本設(shè)計一方面解決了雙回路電極間接觸電阻（阻抗）的靜態(tài)檢測，同時對回路背電極兩電極之間的接觸阻抗發(fā)生動態(tài)變化時，比如靜態(tài)接觸阻抗即使仍在(50～200) Ω之間，但較之初始電極和皮膚粘合時的阻抗增加20%抑或更多時，機(jī)器也能夠做出相應(yīng)的報警。

1.2 設(shè)計電路及分析

圖1為該設(shè)計的電原理路。

圖1 高頻電刀背電極接觸阻抗檢測電路Fig.1 Circuit diagram of impedance detection of back electrode in HF surgical equipment

圖1 中A2的LM385-1.2是穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值是1.2 V，U1A工作在負(fù)反饋狀態(tài)，兩個輸入端2、3之間可以認(rèn)為是虛短，而且R2兩端無電流，因此R3兩端的壓降也是1.2 V，R3的值是2.4 K，流過R3的電流為1.2/2.4=0.5 mA，由于串聯(lián)回路電流處處相等，流過R4的電流也是0.5 mA，此電流最終將流入自激振蕩電路Q2、Q3回路。B1是N1: N2=7: 1的阻抗變換器。B2是1:1電氣隔離變壓器，它將電刀的工作電壓(5000 V，300 KHz)和測量電路(12 V)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，由于電刀屬于CF型儀器，患者漏電流必須小于10 μA[5]。而測量電路的輸出端(Resistor DC)還要與主機(jī)(50 Hz的電源經(jīng)變壓后給元器件供電)連接，所以B2起一個將低頻元件與高頻元件實(shí)現(xiàn)電氣隔離的作用。高頻電流通過人體時，因?yàn)槠渲芷跁r間過短，不會引起神經(jīng)和肌肉的興奮，而50 Hz的市電經(jīng)過常規(guī)變壓后即使給元器件供電的工作電壓很低，比如5 V或12 V，元器件的任一節(jié)點(diǎn)也不能接觸人體的任何部位，因?yàn)閷θ梭w存在著宏電流電擊或微電流電擊的危險，所以這兩部分須進(jìn)行隔離。

需要測量的是兩個back pole(雙回路背電極)之間的電阻，阻抗經(jīng)過B2和B1兩個變壓器，映射到Q2、Q3集電極和發(fā)射極之間，而以+12 V為起點(diǎn)，經(jīng)過R3、Q1、 R4、Q2、 Q3的集電極和發(fā)射極最后接地，組成了一個完整的通路。該通路為0.5 mA的恒流源(前面已述)，R4下端的節(jié)點(diǎn)分別通過R5及N1的中心抽頭接Q2和Q3的集電極，由于R5與U1B同相輸入端相連，U1B是一個電壓跟隨器，輸入電阻接近無窮大，故R5幾乎沒有電流流過。因此，流經(jīng)R4的電流即是Q2、Q3的振蕩電流，回路的電壓會隨著Q2、Q3負(fù)載阻抗(通過B1、B2阻抗映射)的變化而變化，因此，在R4的下端會產(chǎn)生一個隨阻抗而變的Δ電壓，經(jīng)U1B電壓跟隨器的5腳輸入，最終由Resistor DC端輸出。通過測量Resistor DC的直流電壓值就可以得到Q2、Q3的負(fù)載阻值。由于Q2、Q3的負(fù)載阻值變化是兩個back pole(雙回路背電板)之間阻值變化的函數(shù)值，因此，測量Resistor DC端輸出的直流電壓就能達(dá)到測量雙回路背電板電阻(阻抗)的目的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改變恒流源和R4的大小或B1的阻抗比的值，讓雙電極皮膚接觸阻抗在(20～250)Ω變化時使Resistor DC檢測端直流電壓在(1.5-4.5) V之間變化(CPU或A/ D轉(zhuǎn)換最佳電壓范圍)，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)把恒流源定為0.5 mA，R4定為2.2 K，N1的阻抗比為7:1。

用無感電阻接在兩個back pole電極之間，在Resistor DC端對地之間測得對應(yīng)的阻抗-直流電壓。阻抗和直流電壓的對照見表1所示。

表1 雙回路背電極接觸阻抗和檢測電壓的對照Tab.1 Contact impedance and detection voltage of Double-loop back electrode

根據(jù)檢測到的直流電壓可以求得相應(yīng)的皮膚與電極的靜態(tài)接觸阻抗。通過一個窗口（2.99～3.77）V比較器，讓機(jī)器允許雙電極與皮膚的接觸阻抗在（50～200）Ω之間屬于安全范圍。通過相應(yīng)的計算，還可以得到電極與皮膚之間的動態(tài)接觸阻抗，再根據(jù)動態(tài)阻抗的變化率限制值設(shè)置報警的參數(shù)。

[1] David Prutchi, Michael Norris. 醫(yī)療電子儀器設(shè)計與開發(fā)-醫(yī)療儀器設(shè)計, 制作和測試的實(shí)用技術(shù)[M]. 封洲燕, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011

[2] 余學(xué)飛, 吳建剛, 邱力軍, 盧廣文.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計[M]. 第二版. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2007

[3] 鄧親愷. 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004

[4] John G. Webster. 醫(yī)學(xué)儀器應(yīng)用和設(shè)計[M].馬立業(yè)譯. 北京: 新時代出版社1982

[5] 鄒任玲, 胡秀枋. 醫(yī)用電氣安全工程[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2008

Design of Dynamic Skin lmpedance Detector for the Back Electrode of High Frequency Surgical Equipment

【W(wǎng)riters 】Huang Ruisheng
Chancheng District Nanzhuang Hospital. Foshan,Guangdong. 528061 China

high frequency surgical equipment, double-loop electrode, dynamic impedance detection, operation safety

R612

B

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.05.009

1671-7104(2012)05-0345-02

2012-05-10

黃瑞生，E-mail: hrs2989@163.com

王永國，E-mail: wyguo@126.com

【 Abstract 】For the conventional high frequency(HF) surgical equipment, the contact impedance between the two back electrodes when they are gluing with skin is 50-200Ω. If the contact impedance between the two electrodes is either too large or too small, an alarm is needed. This detector is designed not only to detect the contact condition between skin and the back electrodes, but also to monitor and alarm the dynamic change of the contact impedance. It effectively prevents the potential damage to medical staff when the back electrodes of the double-loop HF surgical equipment is moved during operation. Thus, this design enhances the safety of HF surgical equipment in clinical use.