適用于智能電外科設備的輸出功率反饋控制模塊設計*

涂良勇，周宇，薛玉昊，劉松，白佳樂，鄭赫男

(上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

高頻電刀是現(xiàn)代醫(yī)學手術的重要設備，它利用高密度的高頻電流對局部生物組織的集中熱效應，使組織(或組織成分)汽化或爆裂，從而達到凝固或切割的目的，能夠縮短手術時間，減少術中出血，故廣泛應用于各類臨床手術中[1-2]。傳統(tǒng)的高頻電刀不具備功率控制功能，無法根據(jù)組織阻抗變化調節(jié)輸出功率[3]。手術中電刀功率一般由醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗設定，選擇的功率往往比實際需達到預期手術效果的功率要大，但過大的電流密度可引起切口及周圍組織的灼傷[3-5]。

與傳統(tǒng)高頻電刀不同，智能電外科設備通過功率控制，實現(xiàn)切割不同組織時保持輸出功率特性不變，從而保護組織不被燒傷，以達到良好的手術效果[6]。手術中，智能電外科設備能提供足夠的功率進行切割或電凝組織，而一旦達到切割或電凝的手術效果后，會自動調整功率以使附近的組織不受影響，手術效果是切口附近的組織只發(fā)白發(fā)干而不會變黃和炭化，并且最小程度地降低電火花的產(chǎn)生[7]。這種功率控制對于不同部位組織、不同手術類型，都能提供可靠的自適應保護。其控制和調節(jié)輸出功率大小的原理，是通過利用反饋回路檢測手術刀頭接觸到組織的電阻或電壓、電流變化[8]，然后將其送入微控制處理器(CPU)進行處理，從而實現(xiàn)自適應功率輸出。

當今，國際高端電外科設備具有較好的智能功能，能夠自動實現(xiàn)切割和凝結，減少過程中出現(xiàn)焦痂和結扎力度欠佳的現(xiàn)象；但同時，國產(chǎn)的電外科設備還處在相對低端的水平上，僅適用于在傳統(tǒng)的開放式手術中使用，談不上具有意義的智能功能[5，9]。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權的智能電外科設備對促進我國在本領域的技術發(fā)展具有重要意義，而輸出功率反饋控制模塊是智能電外科設備的核心技術之一。本研究設計了一套輸出功率反饋控制模塊，能夠根據(jù)負載阻抗的變化快速、準確且穩(wěn)定地調節(jié)輸出進入不同模式，從而實現(xiàn)自適應功率控制方式，為開發(fā)智能電外科設備提供核心技術。

2 設計原理

2.1 組織阻抗在射頻功率作用下的變化趨勢

在組織閉合過程中，由于組織初始阻抗很小，若要向其施加一個大功率射頻能量，則需要施加一個大電流使組織迅速升溫，為了防止電流過大對系統(tǒng)造成破壞，在最初的射頻能量施加過程中需要控制恒流輸出；隨著射頻能量的持續(xù)施加，組織逐漸失水，其阻抗慢慢增大，此時系統(tǒng)可以控制恒功率輸出；隨著組織進一步失水，其阻抗越來越大，若要使輸出在組織上的功率恒定，施加在組織上的電壓則會越來越大，電壓過大會增大組織熱損傷甚至使其炭化[10-11]，為此系統(tǒng)在最后階段需要控制恒壓輸出。

2.2 設備框架

智能電外科設備主要包括以下幾個模塊：反饋控制模塊、射頻功率放大器模塊、開關電源模塊、主控模塊以及人機交互界面等，其設備框架見圖1。

其中，反饋控制模塊、射頻功率放大器模塊和開關電源模塊之間構成閉環(huán)反饋回路。在反饋回路中，反饋控制模塊檢測表征負載上的電壓和電流信號：V_in和I_in，通過相應的擬合算法可以得到流過生物組織的實際電流和組織兩端的電壓，并計算出施加給組織的實際功率；然后將實際值與設定的目標值作差，將該差值送入比例-積分-微分(proportion-integral-derivative，PID)控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)返回一個增量用來調節(jié)反饋控制模塊上控制芯片的模擬輸出，進而調節(jié)開關電源模塊輸出，最終調節(jié)射頻輸出使實際值趨于設定值，從而達到控制恒定輸出的目的。

整個設備工作流程如下：操作者通過人機交互界面控制設備是否開始輸出，同時人機交互界面也能夠實時顯示輸出過程中各參數(shù)的變化情況；主控模塊根據(jù)組織狀態(tài)決定各輸出參數(shù)，并將其傳給反饋控制模塊；反饋控制模塊、射頻功率放大器模塊和開關電源模塊之間構成閉環(huán)反饋回路，結合內部的反饋控制算法，最終使系統(tǒng)能夠快速、準確且穩(wěn)定的輸出在預設值。

圖1設備框架

Fig1Equipmentframework

3 反饋控制模塊硬件設計

3.1 輸出電壓、電流檢測電路

圖2(a)為輸出電壓、電流檢測電路設計流程圖。輸出電壓(V_out)、電流(I_out)信號經(jīng)過變壓器耦合能夠將高頻高壓信號轉換為高頻低壓信號，之后經(jīng)過全波整流電路將交流信號轉換為直流信號，最后通過一個低通濾波電路使其轉換為幅值在0～3.3 V之間的低頻信號以供單片機采樣。

3.2 單片機控制電路

單片機控制電路原理圖見圖2(b)。選用STM32F103[12]作為控制芯片，該芯片具有三個模-數(shù)轉換器(analog-to-digital converter，ADC)核心，能夠對表征負載上的電壓和電流信號V_in和I_in進行實時采樣；串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)模塊能夠使其與主控模塊進行核心控制參數(shù)的實時傳輸；數(shù)模轉換模塊能夠根據(jù)芯片內部嵌入的PID算法從而調節(jié)控制芯片的模擬輸出。

圖2反饋控制模塊硬件電路原理圖

(a).輸出電壓、電流檢測原理圖；(b).單片機控制原理圖

Fig2Hardwarecircuitdiagramoffeedbackcontrolmodule

(a).Schematicofoutputvoltageandcurrentdetection；(b).Schematicofmicrocontroller

4 反饋控制模塊算法設計

4.1 反饋控制系統(tǒng)流程圖

反饋控制算法是反饋控制模塊的核心，該算法能夠根據(jù)組織阻抗的變化自適應地控制射頻輸出在恒流、恒功率或恒壓階段，其控制流程見圖3(a)。

開機后系統(tǒng)先進行一系列初始化；當接收到開始輸出指令后，反饋控制模塊從射頻功率放大器模塊采集相應的表征負載上的電壓和電流信號V_in和I_in，通過相應的擬合算法計算出組織上的實際電壓(V_out)、實際電流(I_out)以及實際功率；然后根據(jù)這些參數(shù)判斷輸出應在恒流、恒功率還是恒壓階段；之后進入相應的PID控制算法，調節(jié)輸出進一步趨于設定值；如此循環(huán)，最終系統(tǒng)可以根據(jù)負載阻抗控制射頻輸出在相應的恒流、恒功率或者恒壓階段，從而實現(xiàn)自適應功率控制。

4.2 PID控制算法

4.2.1PID控制原理 PID控制是根據(jù)系統(tǒng)輸出值與預期輸出值之間的誤差，利用比例(P)、積分(I)、微分(D)計算出控制量，以調節(jié)系統(tǒng)輸出并達到預期值的一個工具[13]。反饋環(huán)路的輸入e(k)與輸出u(k)間的關系可以表示如下：

圖3算法流程圖

(a).反饋控制系統(tǒng)流程圖；(b).PID控制流程圖

Fig3Algorithmflowchart

(a).Flowchartoffeedbackcontrolsystem；

(b).FlowchartofPIDcontrol

(1)

4.2.2PID控制流程圖 PID控制流程圖見圖3(b)。當程序進入相應的恒定輸出PID控制算法中，系統(tǒng)根據(jù)將要恒定的狀態(tài)，對參數(shù)P、I、D以及預期輸出值進行初始化；然后根據(jù)實際檢測到的參數(shù)與預期輸出值，計算出相應的誤差、積分誤差以及微分誤差；將這些計算結果結合式(1)，得出一個增量用于調節(jié)反饋模塊上控制芯片的模擬輸出，然后根據(jù)一系列電路最終調節(jié)射頻輸出。反復執(zhí)行以上步驟即可實現(xiàn)恒定的輸出狀態(tài)。

5 實驗結果

反饋控制模塊檢測射頻功率放大器模塊上表征負載上的電壓和電流信號V_in和I_in，該信號是幅值為0～3.3 V的低頻信號，它與負載兩端的實際電壓(V_out)和實際電流(I_out)之間具有一定關系。實驗過程中調節(jié)不同的V_in和I_in，通過示波器觀察負載兩端的實際電壓(V_out)和實際電流(I_out)，據(jù)此進行相關參數(shù)擬合。反饋控制模塊的性能通過PID算法中被控量的響應速度以及系統(tǒng)在不同檔位下的功率-負載曲線衡量。

5.1 輸出電流及電壓波形

圖4為系統(tǒng)在恒功率輸出條件下的電流及電壓輸出波形，輸出功率為160 W，負載為50 Ω。

5.2 檢測信號與實際信號擬合

圖5(a)為V_in與V_out的曲線擬合，圖5(b)為I_in與I_out的曲線擬合。圖中擬合公式y(tǒng)代表縱坐標數(shù)據(jù)，x代表橫坐標數(shù)據(jù)。圖5(a)和圖5(b)擬合曲線中V_in與V_out和I_in與I_ou之間的相關系數(shù)R2均在0.99以上，可以看出其之間呈高度線性相關。

5.3 PID參數(shù)整定

在實驗過程中，PID各參數(shù)整定順序大致如下：首先令I和D的值為0，調節(jié)P使系統(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定，并記錄P的值；然后在此P值的基礎下，通過調節(jié)I值使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最??；最后再進行D值的調節(jié)。最終會有一組P、I、D參數(shù)，使得系統(tǒng)輸出達到穩(wěn)定所需的時間最短以及穩(wěn)態(tài)誤差最小[14]。圖6(a)為恒流輸出狀態(tài)下被調量(反饋控制模塊上控制芯片的模擬輸出)的響應曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時間(被調量從零輸出到滿量程輸出所用的時間)約為17.5 ms；圖6(b)為恒壓輸出狀態(tài)下被調量的響應曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時間約為18.0 ms；圖6(c)為恒功率輸出狀態(tài)下被調量的響應曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時間約為25.0 ms。在三種不同恒定輸出模式下，系統(tǒng)穩(wěn)定時間均能夠保持在25.0 ms以內，證明該系統(tǒng)具有快速的響應。

圖4輸出電流及電壓波形。其中曲線1代表輸出電流波形，曲線2代表輸出電壓波形。

Fig4Outputcurrentandvoltagewaveforms.Wherecurve1representstheoutputcurrentwaveformandcurve2representstheoutputvoltagewaveform.

(a)

(b)

圖5檢測信號與實際信號擬合

(a).實際電壓與檢測電壓擬合；

(b).實際電流與檢測電流擬合

Fig5Fittingbetweendetectedsignalandactualsignal

(a).Fittingbetweentheactualvoltageandthedetectedvoltage；

(b).Fittingbetweentheactualcurrentandthedetectedcurrent

圖6被調量響應曲線

(a).為恒流輸出狀態(tài)；(b).為恒壓輸出狀態(tài)；(c).為恒功率輸出狀態(tài)

Fig6Responsecurveofcontrolledparameters

(a).Constantcurrentoutputstatus；(b).Constantvoltageoutputstatus；(c).Constantpoweroutputstatus

5.4 不同檔位下的功率-負載曲線

實驗過程中分別測試了3種功率檔位下負載上的實際功率與負載阻抗之間的關系，功率-負載曲線見圖7。其中1階段(負載阻抗介于0～10 Ω)為恒流輸出階段，2階段(負載阻抗介于10～200 Ω)為恒功率輸出階段，3階段(負載阻抗大于200 Ω)為恒壓輸出階段。在對應的恒定輸出階段，系統(tǒng)實際輸出值與預設值誤差能夠保持在±5%以內，實現(xiàn)了準確且穩(wěn)定的自適應功率控制方式。

圖7 不同檔位下的功率-負載曲線

6 結論

本研究設計了一套適用于智能電外科設備的輸出功率反饋控制模塊，該模塊能夠根據(jù)負載阻抗的變化自動調節(jié)輸出進入不同模式。圖6結果顯示，在三種不同的恒定輸出模式下，系統(tǒng)穩(wěn)定時間均能夠保持在25.0 ms以內，其響應速度遠高于組織阻抗變化速度，從而證明該系統(tǒng)具有快速的響應；從圖7中的功率-負載曲線中可以看出，在對應的恒定輸出階段，系統(tǒng)實際輸出值與預設值誤差能夠保持在±5%以內，從而實現(xiàn)了準確且穩(wěn)定的自適應功率控制方式。本研究所設計的輸出功率反饋控制模塊，能夠根據(jù)負載阻抗的變化快速、準確且穩(wěn)定地調節(jié)輸出進入不同模式，從而實現(xiàn)自適應功率控制方式，為智能電外科設備的研發(fā)提了供技術基礎。