適用于智能電外科設(shè)備的輸出功率反饋控制模塊設(shè)計(jì)*

涂良勇，周宇，薛玉昊，劉松，白佳樂，鄭赫男

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

高頻電刀是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)手術(shù)的重要設(shè)備，它利用高密度的高頻電流對(duì)局部生物組織的集中熱效應(yīng)，使組織(或組織成分)汽化或爆裂，從而達(dá)到凝固或切割的目的，能夠縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，故廣泛應(yīng)用于各類臨床手術(shù)中[1-2]。傳統(tǒng)的高頻電刀不具備功率控制功能，無(wú)法根據(jù)組織阻抗變化調(diào)節(jié)輸出功率[3]。手術(shù)中電刀功率一般由醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，選擇的功率往往比實(shí)際需達(dá)到預(yù)期手術(shù)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(shè)備通過功率控制，實(shí)現(xiàn)切割不同組織時(shí)保持輸出功率特性不變，從而保護(hù)組織不被燒傷，以達(dá)到良好的手術(shù)效果[6]。手術(shù)中，智能電外科設(shè)備能提供足夠的功率進(jìn)行切割或電凝組織，而一旦達(dá)到切割或電凝的手術(shù)效果后，會(huì)自動(dòng)調(diào)整功率以使附近的組織不受影響，手術(shù)效果是切口附近的組織只發(fā)白發(fā)干而不會(huì)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(duì)于不同部位組織、不同手術(shù)類型，都能提供可靠的自適應(yīng)保護(hù)。其控制和調(diào)節(jié)輸出功率大小的原理，是通過利用反饋回路檢測(cè)手術(shù)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(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率輸出。

當(dāng)今，國(guó)際高端電外科設(shè)備具有較好的智能功能，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割和凝結(jié)，減少過程中出現(xiàn)焦痂和結(jié)扎力度欠佳的現(xiàn)象；但同時(shí)，國(guó)產(chǎn)的電外科設(shè)備還處在相對(duì)低端的水平上，僅適用于在傳統(tǒng)的開放式手術(shù)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(shí)產(chǎn)權(quán)的智能電外科設(shè)備對(duì)促進(jìn)我國(guó)在本領(lǐng)域的技術(shù)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(shè)備的核心技術(shù)之一。本研究設(shè)計(jì)了一套輸出功率反饋控制模塊，能夠根據(jù)負(fù)載阻抗的變化快速、準(zhǔn)確且穩(wěn)定地調(diào)節(jié)輸出進(jìn)入不同模式，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率控制方式，為開發(fā)智能電外科設(shè)備提供核心技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 組織阻抗在射頻功率作用下的變化趨勢(shì)

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(gè)大功率射頻能量，則需要施加一個(gè)大電流使組織迅速升溫，為了防止電流過大對(duì)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(shí)系統(tǒng)可以控制恒功率輸出；隨著組織進(jìn)一步失水，其阻抗越來(lái)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(huì)越來(lái)越大，電壓過大會(huì)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(shè)備框架

智能電外科設(shè)備主要包括以下幾個(gè)模塊：反饋控制模塊、射頻功率放大器模塊、開關(guān)電源模塊、主控模塊以及人機(jī)交互界面等，其設(shè)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(guān)電源模塊之間構(gòu)成閉環(huán)反饋回路。在反饋回路中，反饋控制模塊檢測(cè)表征負(fù)載上的電壓和電流信號(hào)：V_in和I_in，通過相應(yīng)的擬合算法可以得到流過生物組織的實(shí)際電流和組織兩端的電壓，并計(jì)算出施加給組織的實(shí)際功率；然后將實(shí)際值與設(shè)定的目標(biāo)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(gè)增量用來(lái)調(diào)節(jié)反饋控制模塊上控制芯片的模擬輸出，進(jìn)而調(diào)節(jié)開關(guān)電源模塊輸出，最終調(diào)節(jié)射頻輸出使實(shí)際值趨于設(shè)定值，從而達(dá)到控制恒定輸出的目的。

整個(gè)設(shè)備工作流程如下：操作者通過人機(jī)交互界面控制設(shè)備是否開始輸出，同時(shí)人機(jī)交互界面也能夠?qū)崟r(shí)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(guān)電源模塊之間構(gòu)成閉環(huán)反饋回路，結(jié)合內(nèi)部的反饋控制算法，最終使系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的輸出在預(yù)設(shè)值。

圖1設(shè)備框架

Fig1Equipmentframework

3 反饋控制模塊硬件設(shè)計(jì)

3.1 輸出電壓、電流檢測(cè)電路

圖2(a)為輸出電壓、電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)流程圖。輸出電壓(V_out)、電流(I_out)信號(hào)經(jīng)過變壓器耦合能夠?qū)⒏哳l高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻低壓信號(hào)，之后經(jīng)過全波整流電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，最后通過一個(gè)低通濾波電路使其轉(zhuǎn)換為幅值在0～3.3 V之間的低頻信號(hào)以供單片機(jī)采樣。

3.2 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)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(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)核心，能夠?qū)Ρ碚髫?fù)載上的電壓和電流信號(hào)V_in和I_in進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)模塊能夠使其與主控模塊進(jìn)行核心控制參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)芯片內(nèi)部嵌入的PID算法從而調(diào)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(cè)原理圖；(b).單片機(jī)控制原理圖

Fig2Hardwarecircuitdiagramoffeedbackcontrolmodule

(a).Schematicofoutputvoltageandcurrentdetection；(b).Schematicofmicrocontroller

4 反饋控制模塊算法設(shè)計(jì)

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(yīng)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(jī)后系統(tǒng)先進(jìn)行一系列初始化；當(dāng)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(yīng)的表征負(fù)載上的電壓和電流信號(hào)V_in和I_in，通過相應(yīng)的擬合算法計(jì)算出組織上的實(shí)際電壓(V_out)、實(shí)際電流(I_out)以及實(shí)際功率；然后根據(jù)這些參數(shù)判斷輸出應(yīng)在恒流、恒功率還是恒壓階段；之后進(jìn)入相應(yīng)的PID控制算法，調(diào)節(jié)輸出進(jìn)一步趨于設(shè)定值；如此循環(huán)，最終系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載阻抗控制射頻輸出在相應(yīng)的恒流、恒功率或者恒壓階段，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)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(yù)期輸出值之間的誤差，利用比例(P)、積分(I)、微分(D)計(jì)算出控制量，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出并達(dá)到預(yù)期值的一個(gè)工具[13]。反饋環(huán)路的輸入e(k)與輸出u(k)間的關(guān)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(dāng)程序進(jìn)入相應(yīng)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(duì)參數(shù)P、I、D以及預(yù)期輸出值進(jìn)行初始化；然后根據(jù)實(shí)際檢測(cè)到的參數(shù)與預(yù)期輸出值，計(jì)算出相應(yīng)的誤差、積分誤差以及微分誤差；將這些計(jì)算結(jié)果結(jié)合式(1)，得出一個(gè)增量用于調(diào)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(diào)節(jié)射頻輸出。反復(fù)執(zhí)行以上步驟即可實(shí)現(xiàn)恒定的輸出狀態(tài)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

反饋控制模塊檢測(cè)射頻功率放大器模塊上表征負(fù)載上的電壓和電流信號(hào)V_in和I_in，該信號(hào)是幅值為0～3.3 V的低頻信號(hào)，它與負(fù)載兩端的實(shí)際電壓(V_out)和實(shí)際電流(I_out)之間具有一定關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)不同的V_in和I_in，通過示波器觀察負(fù)載兩端的實(shí)際電壓(V_out)和實(shí)際電流(I_out)，據(jù)此進(jìn)行相關(guān)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(yīng)速度以及系統(tǒng)在不同檔位下的功率-負(fù)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(fù)載為50 Ω。

5.2 檢測(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)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(biāo)數(shù)據(jù)，x代表橫坐標(biāo)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(guān)系數(shù)R2均在0.99以上，可以看出其之間呈高度線性相關(guān)。

5.3 PID參數(shù)整定

在實(shí)驗(yàn)過程中，PID各參數(shù)整定順序大致如下：首先令I(lǐng)和D的值為0，調(diào)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(chǔ)下，通過調(diào)節(jié)I值使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差最小；最后再進(jìn)行D值的調(diào)節(jié)。最終會(huì)有一組P、I、D參數(shù)，使得系統(tǒng)輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)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(diào)量(反饋控制模塊上控制芯片的模擬輸出)的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間(被調(diào)量從零輸出到滿量程輸出所用的時(shí)間)約為17.5 ms；圖6(b)為恒壓輸出狀態(tài)下被調(diào)量的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間約為18.0 ms；圖6(c)為恒功率輸出狀態(tài)下被調(diào)量的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)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(shí)間均能夠保持在25.0 ms以內(nèi)，證明該系統(tǒng)具有快速的響應(yīng)。

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(cè)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)擬合

(a).實(shí)際電壓與檢測(cè)電壓擬合；

(b).實(shí)際電流與檢測(cè)電流擬合

Fig5Fittingbetweendetectedsignalandactualsignal

(a).Fittingbetweentheactualvoltageandthedetectedvoltage；

(b).Fittingbetweentheactualcurrentandthedetectedcurrent

圖6被調(diào)量響應(yīng)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(fù)載曲線

實(shí)驗(yàn)過程中分別測(cè)試了3種功率檔位下負(fù)載上的實(shí)際功率與負(fù)載阻抗之間的關(guān)系，功率-負(fù)載曲線見圖7。其中1階段(負(fù)載阻抗介于0～10 Ω)為恒流輸出階段，2階段(負(fù)載阻抗介于10～200 Ω)為恒功率輸出階段，3階段(負(fù)載阻抗大于200 Ω)為恒壓輸出階段。在對(duì)應(yīng)的恒定輸出階段，系統(tǒng)實(shí)際輸出值與預(yù)設(shè)值誤差能夠保持在±5%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確且穩(wěn)定的自適應(yīng)功率控制方式。

圖7 不同檔位下的功率-負(fù)載曲線

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一套適用于智能電外科設(shè)備的輸出功率反饋控制模塊，該模塊能夠根據(jù)負(fù)載阻抗的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出進(jìn)入不同模式。圖6結(jié)果顯示，在三種不同的恒定輸出模式下，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間均能夠保持在25.0 ms以內(nèi)，其響應(yīng)速度遠(yuǎn)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(yīng)；從圖7中的功率-負(fù)載曲線中可以看出，在對(duì)應(yīng)的恒定輸出階段，系統(tǒng)實(shí)際輸出值與預(yù)設(shè)值誤差能夠保持在±5%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確且穩(wěn)定的自適應(yīng)功率控制方式。本研究所設(shè)計(jì)的輸出功率反饋控制模塊，能夠根據(jù)負(fù)載阻抗的變化快速、準(zhǔn)確且穩(wěn)定地調(diào)節(jié)輸出進(jìn)入不同模式，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率控制方式，為智能電外科設(shè)備的研發(fā)提了供技術(shù)基礎(chǔ)。