基于AVR單片機(jī)的微創(chuàng)智能切凝刀系統(tǒng)的設(shè)計

尹 婉， 葉 兵， 張靜雅， 余海東， 王立偉

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

微創(chuàng)手術(shù)不同于傳統(tǒng)的外科手術(shù)之處在于具有創(chuàng)傷程度低、疼痛輕和恢復(fù)快的優(yōu)點，深受患者的歡迎，因此微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)器械的研制成為新的發(fā)展方向［1－2］。在微創(chuàng)手術(shù)中，肌體組織的熱融合技術(shù)和切割技術(shù)的應(yīng)用已較成熟，常用的切割器械有電刀、超聲刀、微波刀和激光刀等。但是上述技術(shù)存在著一些缺陷，有些甚至是技術(shù)原理層面的缺陷。電熱切凝刀便是為了改善上述手術(shù)器械的功能應(yīng)運而生的，其原理是利用電阻體的歐姆熱實施手術(shù)治療。歐姆熱的優(yōu)點在于電熱交換體的電流構(gòu)成自封閉系統(tǒng)，進(jìn)行電熱轉(zhuǎn)換時不會產(chǎn)生手術(shù)局部肌體中微弱的電流發(fā)散，也不會產(chǎn)生電流對肌體組織的刺激。目前，國內(nèi)尚未見采用歐姆熱換能技術(shù)的便攜式切凝刀產(chǎn)品銷售，國外也只有MicroLine公司生產(chǎn)類似的醫(yī)療器械。本文設(shè)計的鋰電池供電的便攜式微創(chuàng)切凝刀最大優(yōu)點在于微型化、便攜化。將大功率運行的醫(yī)療設(shè)備微型化，需要將控制盒直接微型化裝進(jìn)切凝刀手柄，以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器所有的功能，它可以在醫(yī)師手里360°隨意旋轉(zhuǎn)，擺脫了電纜對醫(yī)師手腕的纏繞和牽絆，使手術(shù)過程更加方便快捷。

1 系統(tǒng)的設(shè)計原理

熱切凝刀系統(tǒng)包括操作結(jié)構(gòu)和智能化控制系統(tǒng)2個部分。操作結(jié)構(gòu)主要為機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)是以嵌入式系統(tǒng)為核心的電氣結(jié)構(gòu)。器械頭部的電阻加熱體刀頭為可開合的鉗形結(jié)構(gòu)，通過手持器控制其開合，同時利用自身結(jié)構(gòu)形成加載電流的傳導(dǎo)。電阻加熱體刀頭的溫度由控制器加載的電流決定，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置條件自動控制電流大小?？刂贫酥饕獙崿F(xiàn)控制、手術(shù)參數(shù)設(shè)置和查詢界面的操作。主刀醫(yī)師通過操作熱切凝刀手持式終端的機(jī)械結(jié)構(gòu)，配合按鍵，對病人進(jìn)行治療。控制系統(tǒng)主要包含微控制器、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊、A／D 采樣模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、功率驅(qū)動模塊等部分組成，如圖1所示。

圖1 微創(chuàng)切凝刀控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 功率驅(qū)動電路圖

為實現(xiàn)溫度的精確控制，采用了脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)［3－6］，即通過占空比不同的方波電壓產(chǎn)生不同的平均電流。由微控制器產(chǎn)生PWM信號，PWM信號經(jīng)過功率放大后形成的脈沖電流通過刀頭電熱絲，產(chǎn)生高熱。通過對脈寬調(diào)制信號占空比（脈沖寬度）的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對刀頭功率的實時控制。

由于在電熱器件工作過程中，電熱主回路的工作電流較大，大功率運行時，瞬時電流可能會達(dá)到9A［7］。為了避免電流過大引起的器件燒毀以及短路對微控制器的影響，在功率驅(qū)動電路中增加了4個并聯(lián)的雙N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管AO8810作為高速開關(guān)，擴(kuò)大電流容量以執(zhí)行保護(hù)動作。傳統(tǒng)的大功率運行的設(shè)備都要裝散熱片，而由于本文便攜式切凝刀對空間尺寸的嚴(yán)格限制，不可能安裝散熱片，通過安裝4個并聯(lián)的AO8810場效應(yīng)管完美地解決了這個問題。

由于MOS管導(dǎo)通后有導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗與漏極電流強(qiáng)度的平方成比例關(guān)系，那么電流越大的產(chǎn)品，就越是需要具有低的導(dǎo)通阻抗。AO8810場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻穩(wěn)定，導(dǎo)通電阻只有20mΩ左右。而且電阻越小時，產(chǎn)生的熱量越小，這樣4個并聯(lián)的AO8810場效應(yīng)管并結(jié)合PCB板便可完成散熱，不需要外接散熱片。

PWM輸出高電平信號時，MOS管導(dǎo)通，輸出低電平信號時，MOS管關(guān)斷。如圖2所示，10Ω是驅(qū)動電阻，要使電阻盡量地靠近 MOSFET管的柵極，這樣可以消除寄生振蕩。由于MOSFET管輸入阻抗很高，驅(qū)動阻抗必須很低，才能防止電路發(fā)生反饋自振蕩。

2.2 液晶顯示模塊

本文設(shè)計的便攜式切凝刀系統(tǒng)選用點陣式液晶屏，為了能夠同時實現(xiàn)圖形、數(shù)字以及字母等豐富直觀的信息內(nèi)容并且兼顧外觀寬度的限制，選用了64×32點陣單色OLED顯示模塊，其大小僅有14.5×11.6mm2，不僅小巧便攜而且能夠完全滿足系統(tǒng)需要。其接口電路圖如圖3所示。

圖3 液晶屏接口電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

選用ATMEL公司所研發(fā)的精簡指令集高速8位AVR系列單片機(jī)作為微控制器。

3.1 切凝刀控制系統(tǒng)軟件主流程圖

控制系統(tǒng)上電啟動完成軟件系統(tǒng)的初始化后，軟件對整個軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行自檢；當(dāng)自檢正常后，接收來自外圍設(shè)備的切割和凝血相關(guān)的參數(shù)設(shè)置或讀取已經(jīng)存儲在系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)置參數(shù)，等待操作者的操作動作；當(dāng)伴隨操作動作的按鍵事件激勵時，通過PWM控制輸出來驅(qū)動電熱器件工作。切凝刀控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖4 切凝刀控制系統(tǒng)軟件主流程圖

3.2 A／D采樣模塊

A／D模塊程序流程如圖5所示，首先將ADC控制和狀態(tài)寄存器（ADCSRA）的ADEN（7bit）置位來啟動ADC，當(dāng)檢測到該位為邏輯0之后則表示ADC轉(zhuǎn)換完成，正常的轉(zhuǎn)換過程一般需要13個ADC時鐘周期［8－9］。由于ADC的精度是10位，所以當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換完成后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在ADCL和ADCH 2個數(shù)據(jù)寄存器中，默認(rèn)情況是右對齊，需要先讀取ADCL寄存器再讀取ADCH寄存器中的數(shù)據(jù)。進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換時再將ADSC標(biāo)志位置位來再次啟動ADC轉(zhuǎn)換。讀取數(shù)據(jù)后將轉(zhuǎn)換結(jié)果換算成電壓與標(biāo)定電壓對比，通過算法將電量顯示在OLED液晶顯示屏上。

圖5 A／D模塊程序流程圖

3.3 PWM控制模塊

系統(tǒng)采用基于T／C0的不分頻快速PWM模式，在此模式下，計數(shù)器從BOTTOM計到TOP，而TOP值可以為0x01FF等固定值，也可以由輸出比較寄存器OCR1A或輸入捕捉寄存器ICR1指定［10］。這樣，輸 出 比較 寄 存 器 OCR1A 和OCR1B則可用于保存匹配值，用于改變PWM的占空比。工作于快速脈沖寬度調(diào)制模式時，在OCO引腳上輸出PWM波形。設(shè)置COM01：0為2并且將OCO的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出，這樣就可以產(chǎn)生普通的脈沖寬度調(diào)制信號。PWM控制任務(wù)流程圖如圖6所示。

圖6 PWM控制任務(wù)流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于AVR單片機(jī)的便攜式微創(chuàng)熱切凝刀，克服或改善了傳統(tǒng)類似器械的若干缺陷與不足，有更高的安全性和效率。經(jīng)過試驗測試，當(dāng)脈沖頻率在4.3kHz時，對電熱器件的功率調(diào)節(jié)即可保證溫度以℃／s的速度改變。該熱切凝刀系統(tǒng)采用數(shù)字可調(diào)節(jié)控制方式的刀頭溫度控制，溫度設(shè)置范圍為50～200℃，溫度控制的相對精度在±6%，溫度上升時間控制在3～5s。綜合測試結(jié)果表明，本文研制的便攜式切凝刀運行良好，同時切割組織和封閉血管，電熱傳導(dǎo)損傷?。ㄆ骄鶢C傷寬度小于1mm），設(shè)計精巧，便攜性強(qiáng)，并且手術(shù)視野清晰。

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