應(yīng)用于等離子消融手術(shù)的雙頻輸出逆變器設(shè)計

嚴亞軍，余厲陽，林 滑

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

應(yīng)用于等離子消融手術(shù)的雙頻輸出逆變器設(shè)計

嚴亞軍，余厲陽，林 滑

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對傳統(tǒng)消融設(shè)備主機只有一個工作頻率的局限，在不增加硬件成本和體積的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有兩個頻率輸出的逆變器.兩個輸出頻率能夠應(yīng)用在等離子消融和射頻消融兩種手術(shù)方式中.通過控制BUCK和推挽的驅(qū)動信號，實現(xiàn)了輸出功率可調(diào)和工作模式可切換；通過增加過流保護電路，保障了手術(shù)過程的安全性.電學(xué)實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的兩個工作頻率都有上升沿好、尖峰小的輸出波形.生物實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的手術(shù)消融效果，消融速度快，對正常組織的損傷小，有利于患者恢復(fù).

等離子消融；BUCK電路；推挽；PWM驅(qū)動

0 引 言

電外科設(shè)備經(jīng)歷了“電刀”—“普通射頻”—“等離子體射頻”的發(fā)展，“等離子體射頻”技術(shù)在臨床治療中的應(yīng)用是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個趨勢[1].射頻消融利用熱效應(yīng)，通過生物組織水分汽化，蛋白質(zhì)變性來達到治療效果；等離子消融手術(shù)利用輸出功率電信號使周圍生理鹽水電離，產(chǎn)生高能量的等離子體攻擊變異的細胞，使其壞死分解，達到治愈的效果.但是輸出功率過高會殺死周圍正常細胞，功率過低致使手術(shù)周期變長，效果不佳，目前，其輸出功率一般在10 W～60 W.

近年來，低溫等離子射頻技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用成為研究熱點[2].目前，國內(nèi)還處在探索實驗階段.開關(guān)電源因其技術(shù)成熟、工作頻率較高、效率高、設(shè)備輕便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于等離子手術(shù)設(shè)備的研發(fā)中.如今，消融手術(shù)設(shè)備主要朝設(shè)備功能多樣化和設(shè)備體積小型化的方向發(fā)展.通常情況下，一臺設(shè)備如要實現(xiàn)多個頻率輸出就需要多個逆變通路，但是，逆變器通過高頻變壓器來實現(xiàn)隔離輸出，而高頻變壓器又存在如何確定中心頻率的問題，所以，導(dǎo)致了設(shè)備的硬件成本和體積不斷的增加.本文利用變壓器的工作原理，只采用一個逆變通路，在不增加硬件成本和設(shè)備體積的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套功率可調(diào)的雙頻等離子手術(shù)系統(tǒng).

1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)，首先工頻220 V的交流電壓經(jīng)過AC-DC整流濾波電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)DC-DC調(diào)壓電路使輸出的直流電壓可調(diào)，從而實現(xiàn)了輸出功率可調(diào)，最后由DC-AC逆變電路，將直流電壓逆變成高頻方波信號.同時，利用單片機實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制，采用PWM控制芯片SG3526控制DC-DC調(diào)壓電路的驅(qū)動，采用CPLD器件控制DC-AC逆變電路.

圖1 功率可調(diào)逆變器原理框圖

2 DC-DC調(diào)壓電路

本系統(tǒng)的DC-DC調(diào)壓電路采用BUCK結(jié)構(gòu)，如圖2所示.根據(jù)BUCK電路工作原理[3]，調(diào)壓電路的輸出電壓為：

VDC=D×Vd

(1)

其中，VDC為調(diào)壓電路的輸出電壓，Vd為調(diào)壓電路的輸入電壓，D為由SG3526給出的PWM控制信號的占空比.

圖2 BUCK電路結(jié)構(gòu)

BUCK電路的PWM控制電路如圖3所示，單片機內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)給出的模擬信號DAC1與BUCK輸出端采集到的反饋電壓進行比較形成一個反饋回路.當(dāng)輸出電壓VDC由于某種原因而升高時，采樣到的反饋電壓值變大，與DAC1之間產(chǎn)生誤差，經(jīng)過內(nèi)部誤差放大器及比較器后，輸出的信號使PWM波的占空比降低，從而將輸出電壓拉低；反之，當(dāng)VDC降低時，芯片輸出PWM波的占空比提高，從而將輸出電壓抬高.利用本設(shè)計的反饋回路，不僅能達到穩(wěn)壓的效果，還可以通過改變DAC1值來調(diào)節(jié)輸出電壓.本系統(tǒng)預(yù)設(shè)輸出電壓范圍為80 V～150 V可調(diào).

圖3 BUCK電路結(jié)構(gòu)及SG3526外圍電路設(shè)計

圖4 BUCK電路驅(qū)動電路設(shè)計

此外，由于人體組織的正常阻值范圍為10 kΩ～2 kΩ，其變化幅度較大，為保障手術(shù)安全進行，必須采取相應(yīng)的限流措施.對BUCK電路輸入端的電流進行采樣，利用SG3526的過流保護環(huán)來實現(xiàn)電路的安全性，同時其響應(yīng)速度也較快.當(dāng)電流反饋信號與基準信號DAC0的差值超過100 mV時，輸出就會封鎖一部分PWM波，降低BUCK的輸出電壓從而實現(xiàn)限流.因此即使手術(shù)刀誤短路，系統(tǒng)也不會因為過流而炸機.

圖2中，Q1的柵極為高電平，無法用SG3526進行直接驅(qū)動.并且本系統(tǒng)的驅(qū)動信號占空比變化較大不適合采用變壓器隔離驅(qū)動.綜合比較后，本文采用自舉驅(qū)動方式，利用全橋驅(qū)動芯片IR2104S的高端輸出HO來驅(qū)動Q1，輸入高電平時，HO等于VB電壓值；當(dāng)輸入為低電平時，HO等于VS電壓值，具體電路如圖4所示.

3 DC-AC逆變電路

圖5 推挽逆變電路

逆變電路是本系統(tǒng)的核心，輸出功率要求不是很高，可以采用推挽結(jié)構(gòu)，推挽逆變電路如圖5所示.用一對反相的PWM波來驅(qū)動Q2，Q3，利用隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出[4].當(dāng)Q2導(dǎo)通時，Q3斷開，變壓器次級耦合輸出正壓；當(dāng)Q2斷開時，Q3導(dǎo)通，變壓器次級耦合輸出負壓，整個過程輸出電壓VO輸出的是與開關(guān)頻率一致的方波信號.

由于等離子手術(shù)設(shè)備要求的交流信號頻率較高，因此采用CPLD來產(chǎn)生推挽的驅(qū)動信號[5-6]，利用高速光耦對輸入輸出進行隔離，提高了電路可靠性，并采用專用的MOS驅(qū)動芯片MIC4452來進行驅(qū)動，推挽電路驅(qū)動電路如圖6所示.

圖6 推挽電路驅(qū)動電路

推挽逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，其關(guān)鍵在于變壓器的設(shè)計.根據(jù)變壓器的一般原理[7]，在忽略線圈電壓壓降和漏感壓降的情況下，當(dāng)幅度為Vo、寬度為τ的矩形波加在變壓器原邊時，

(2)

其中，S為變壓器鐵芯的有效截面積，B為鐵芯磁通密度，φ為鐵芯磁通量，φ=BS.

由式(2)變形可得

(3)

假設(shè)，鐵芯的初始磁通密度B(0)=B0，有

(4)

且t=τ時，磁通密度達到最大值

(5)

圖5中，當(dāng)開關(guān)Q2導(dǎo)通時，Q3斷開時，直流電壓VDC施加在變壓器初級的“ab”線圈上；當(dāng)開關(guān)Q2斷開時，Q3導(dǎo)通時，直流電壓VDC施加在變壓器初級的“ac”線圈上.由于2個線圈是對稱的，對磁芯的磁化方向相反，可等效為一組線圈先后被施加上正、負電壓.因此，對于正電壓來說，其初始磁通密度B0=-Bm，則可得

(6)

假設(shè)逆變器的驅(qū)動頻率為f，驅(qū)動信號占空比為D，則τ=D/f，得到變壓器線圈的計算公式：

(7)

其中，VDCD/f=VDCτ表示伏秒乘積，并由式(6)可知，當(dāng)變壓器鐵芯選定時，線圈匝數(shù)與伏秒乘積有關(guān).又因為電壓VDC相同，因此要用同一路逆變回路輸出2個頻率的逆變信號，只要將2個工作頻率的驅(qū)動信號的脈沖寬度控制在一個合理的范圍內(nèi)即可.

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 電學(xué)實驗結(jié)果

圖7 實際硬件電路圖

本系統(tǒng)要求輸出100 kHz和310 kHz的方波，采用磁芯PQ35，Bm=0.15 T，S=1.96×10-4m2，VDC為80 V～150 V.對于100 kHz的逆變電路，當(dāng)驅(qū)動信號占空比為38%時，理想匝數(shù)為10匝，根據(jù)經(jīng)驗留0.5倍的余量，則匝數(shù)應(yīng)為15匝；同理，對于310 kHz的逆變電路，當(dāng)驅(qū)動信號占空比為48%，理想匝數(shù)為5匝，經(jīng)驗值為10匝.這里通過實驗對比取其中間值.

實驗結(jié)果表明，當(dāng)線圈匝數(shù)N=12時，2個工作頻率都有相對較好的方波輸出.輸出波形如圖8所示.同一路逆變回路輸出的100 kHz和310 kHz方波上升沿陡，振鈴較小、電壓尖峰也在可接受范圍內(nèi).

圖8 實測逆變器輸出波形

4.2 生物實驗結(jié)果

圖9 系統(tǒng)手術(shù)消融效果

在同一檔位相同時間下，用手術(shù)刀在豬肉上進行消融實驗，消融效果如圖9所示.實驗表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)消融速度快，消融點集中且不發(fā)散，提高了手術(shù)效率，又將對正常組織的損傷降到最低，減輕了病人的痛苦.此外，根據(jù)兩個頻率下的消融效果可以發(fā)現(xiàn)，300 kHz的消融效果優(yōu)于100 kHz的消融效果，在相同條件下消去更多的組織.

5 結(jié)束語

本文采用開關(guān)電源原理和逆變技術(shù)，設(shè)計了雙頻輸出等離子消融手術(shù)逆變器系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生輸出功率可調(diào)的高頻方波信號.電學(xué)實驗輸出結(jié)果表明，同一個變壓器實現(xiàn)兩個高頻輸出是可行的；動物實驗結(jié)果表明，兩個模式下的消融效果都達到了預(yù)估的效果.但是，本文設(shè)計方案的輸出波形都存在振鈴現(xiàn)象，用RC吸收電路只能在一定程度上起到抑制作用，并不能有完美的抑制效果.本系統(tǒng)已完成基本調(diào)試，準備應(yīng)用于臨床測試.接下來將通過改善單片機的控制算法來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過軟開關(guān)技術(shù)的改進來降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗.

[1]宋濤.高頻電外科設(shè)備中開關(guān)電源的研究與設(shè)計[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2014.

[2]ROY S, REYES S, SMITH L P. Bipolar radiofrequency plasma ablation (Coblation) of lymphatic malformations of the tongue[J]. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology, 2009,73(2):289-293.

[3]INOU K, YASUI H, HAYASHI S. Switching power supply: US 5349523[P].1994-09-20.

[4]MORITA K, SHINDO T, KURIHARA T, et al. Optimization of Switching Phase of a Single-Phase PWM dc-ac Inverter[J]. Electrical Engineering in Japan, 2016,195(4):16-25.

[5]ZHOU Z, LI T, TAKAHASHI T, et al. Design of a universal space vector PWM controller based on FPGA[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004. APEC’04. Nineteenth Annual IEEE. IEEE, 2004,3:1698-1702.

[6]朱遠建,張華.基于數(shù)字頻率合成算法的硬件PWM模塊設(shè)計[J].機電工程,2016,33(1):84-87.

[7]POL P V, PATIL S L, ZULZULE V G. A four switch transformer isolated single phase push-pull inverter topology: Design and experimentation[C]//Power and Advanced Control Engineering (ICPACE), 2015 International Conference on. IEEE, 2015:248-252.

The Design of a Dual-frequency Inverter Applied to Plasma Ablation

YAN Yajun, YU Liyang, LIN Hua

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Nowadays, electrosurgical ablation operation is more and more widely used in clinical medicine. But the traditional ablation device host has only one operating frequency, and the surgical function is single. A new dual-frequency inverter is designed in this paper, the system provides two output frequencies based on no additional hardware cost and volume, and is used in two ablation procedures: plasma ablation and radiofrequency ablation. The control circuit mainly controls the driving signals of the BUCK and the push-pull so as to achieve the adjustable output power and the working mode switching. Increasing over-current protection circuit ensures the safety of surgical procedures. Electrical experimental results show that the two operating frequencies of the system have a good rising edge and a small peak output waveform. At the same time, biological experiment results show that the system has a good effect of surgical ablation, ablation speed, tiny damage to normal tissue, is conducive to the recovery of patients.

plasma ablation; BUCK circuit; push-pull; PWM drive

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.003

2016-12-28

浙江省重大科技專項資助項目(2014C03017)

嚴亞軍(1993-)，男，浙江江山人，碩士研究生，系統(tǒng)電路設(shè)計及控制.通信作者：余厲陽副教授，E-mail:yuliyang@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2017)04-0010-05