基于LPC1768芯片的新型微創智能切凝刀研究

張靜雅 羅昱文 符茂勝

摘要：根據微創手術技術和微創手術器械的發展趨勢，設計了一款微創切凝刀控制系統，并在系統中移植實時嵌入式系統μC/OS-II對其進行控制.選用LPC1768處理器芯片，使用較為先進的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式來實現改變刀頭電熱絲部分通過的平均電流大小，改變刀頭的發熱量.該控制方式區別于現有產品直接改變刀頭電熱絲電壓的方式，具有更為節能、靈敏、精確的優點.并選用可觸摸的LCD將手術過程中所涉及的溫度與時間等相關信息以圖形化的方式直觀地反饋給主刀醫師，同時在系統發現違規操作或系統本身發生故障時報警.實驗證明，設計的切凝刀在臨床上的應用擁有更高的安全性和更高的效率.

關鍵詞：微創切凝刀；嵌入式系統；PWM；μC/OS-II；LCD

中圖分類號：TN248.1 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2019）03-0061-04

微創手術與傳統外科手術相比，大大減少手術創口面積，從而減小人體組織感染的可能性，且具有損傷小、疼痛輕、恢復迅速等優點，因此微創手術器械的研發以及利用此器械進行的微創手術技術發展迅猛[1-2].腹腔鏡手術可采用微創切凝手術刀進行操作，微創切凝手術刀的刀頭為極小的剪刀狀結構，并在刀頭內植入電發熱裝置，電發熱裝置的熱功率可以通過微處理器進行精確控制，從而可以精確控制刀頭的溫度.該手術器械可以應用于多種手術中且止血迅速、手術恢復周期短、病人痛苦輕，因此利用此種器械進行的手術質量非常高.微創切凝手術刀的工作原理與普通電刀、射頻刀和超聲刀均不同，它可以把電能直接高效率的轉換為熱能，對組織和血管的加熱是通過刀頭的加熱阻絲直接完成的，因此人體中無電流流過，且止血和切割過程中不會因為熱傳導對組織、血管產生損傷，減小了產生并發癥的可能性；微創切凝手術刀使用簡單、操作簡便、止血效果好、手術風險低.

1 系統的設計原理

本系統主要包括兩個部分：智能化控制端以及手持式終端.通過智能化控制端可以對整個系統進行控制，并對手術參數進行預設、查詢界面進行操作.手術醫師通過手持式終端的機械部分并結合不同病患使用不同的按鍵進行治療.控制系統由多個模塊構成，包括傳感器探頭、電源模塊、處理器模塊以及輸入輸出設備等.通過處理器可以對刀頭電熱器件主回路以及電源進行精準的控制，從而實現對刀頭功率供給以及刀頭溫度的智能控制.這兩項的控制是本控制系統中對功能要求的重點.系統整體的設計思路如下圖1所示.分析系統的工作方式和原理，進行了系統的硬件設計，再把操作系統移植到硬件平臺上，并編寫了各個子任務程序，設計了人機交互界面，最后對整個系統進行調試，并驗證了系統的穩定可行性.微創切凝刀控制系統的總體設計基本完成.

2 系統的硬件設計

智能化控制端采用ARM Cortex-M3為主控制器，Cortex-M3核心是一個專為工業控制領域而開發的32位核心，其采用的Tail-Chaining終端技術完全基于硬件處理，最多能減少12個時鐘周期數，實際減少應用中70%的中斷數，能夠大幅度提高系統的中斷響應速度，再加以對ARM V7-M指令集的完全兼容，使得大量現有代碼可以快速完成移植.

2.1 可觸摸顯示屏模塊

人機交互界面主要用于手術參數的初始化設置和利用圖形界面反饋微創切凝刀整體的工作狀態，出錯時針對不同情況的報警等.人機交互任務借助串口通信任務向工業串口屏發送數據和指令，使其顯示需要的信息；同時也通過串口通信任務接受觸摸屏信號，轉化為有效的激勵指令，反饋給處理器.在使用過程中，將需要用于顯示的元素預先存放于串口屏的flash存貯結構中.當需要顯示某條信息時，主控制系統將該信息所對應元素的存放地址與顯示方式通過串口發送給串口屏，串口屏在接收數據之后，從閃存中提取顯示元素，按照要求的坐標與形狀將元素轉換成圖像信號在LCD上顯示出來[3-4]；當有觸摸控制時間發生時，串口屏會將觸摸位置，觸摸時間等信號按照約定好的方式通過串口傳回控制系統，系統接收后進行判讀、處理，即可完成對觸摸激勵的響應.

2.2 電源模塊

該結構的功能是當開關電源因供電中斷而停止工作時，自動轉換到鋰蓄電池供電；當供電恢復，開關電源工作時，自動化轉換到開關電源供電[5]，并同時給蓄電池充電.其中電源結構的電路圖如下圖3所示.圖中的三端器件VD是一個電壓檢測器，當電源電壓為5V時，電壓檢測器輸出高電平，通過Q2控制Q3保持開路，Q1導通，整個系統由5V電源供電，Vout為5V，此時鋰電池通過R4進行涓流充電；當電源電壓5V下降低于4V時，電壓監測器輸出低電平，則Q2斷開，使得Q3導通，Q1斷開，這時電路通過鋰電池供電，供電電壓為4.2V，通過后端穩壓器件穩定為3.3V后，仍能維持控制系統本身工作一段時間，使有時間恢復電源供應.這樣，即可保證在供電中斷時，目標系統仍保持工作狀態，保存相關設置參數，在恢復供電時能夠第一時間投入手術，保證手術安全.

2.3 PWM驅動模塊

PWM技術是采用脈寬調制方式，即占空比不同的方波電壓所產生的平均電流也不同[6-7].為了避免電流過大可能引起的期間燒毀，短路對處理器的影響，在處理器的PWM輸出端口與驅動放大電路之間增加了光耦進行隔離，以保證主電熱回路在可能的故障下不會影響到控制系統的核心.

該系統選用兩枚采樣電阻作為傳感器，其中一枚溫敏電阻是作為溫度傳感器使用，將溫度反饋給處理器進行比例積分微分控制（Proportion Integration Differentiation，PID），調節PWM脈沖寬度.另一枚則作為PWM狀態監測傳感器.當狀態監測傳感器返回的模擬量信號與溫度傳感器的模擬量信號一致時，則證明系統的工作狀態良好；當狀態監測傳感器傳回信號與溫度傳感器不一致時，則表示PWM的驅動模塊或者電熱器件沒有正常工作，通過對信號的對比分析，當判斷為PWM驅動模塊故障時，處理器會自動關閉默認的PWM0通道，改用PWM1通道輸出，啟動備份PWM驅動模塊繼續工作，同時提示在手術完成后檢修系統.當判斷為電熱器件工作故障時，則主動斷開電熱主回路電源并報警停止手術.

PWM驅動模塊電路如下圖4所示.

3 系統軟件結構

3.1 μC/OS-Ⅱ系統下的軟件結構

μC/OS-Ⅱ有著極其精簡有效且免費開放的源碼，小巧的內核結構容易被移植到各種硬件平臺，系統本身是直接運行于處理器之上，結構精簡高效.在移植時，用戶僅需修改OS_CPU_C.C、OS_CPU. H、OS_CPU_A. ASM三個源文件中的寄存器地址等內容即可完成系統的移植工作[8-9].運行在處理器相關代碼之上的系統的相關任務，這些任務包含了用戶程序對系統資源調度的相關接口，例如：時鐘、任務處理、任務調度、任務間通信等.在系統層之上運行的則是用戶編寫設定的任務程序，例如：報警處理、驅動PWM、模數轉換器（Analog/Digital，A/D）數據的讀取等.

3.2 PWM控制任務流程圖

PWM控制任務的主要工作是依據溫敏采樣電阻通過A/D通道反饋給處理器的數據，實時通過PID控制技術[10-12]，調整PWM端口脈沖輸出的寬度，實現最終對電熱器件熱功率的控制.從圖中可以看出，為保證PWM脈沖輸出的正確性，PWM控制模塊使用了由A/D模塊提供的兩路A/D數據，一路A/D數據反饋表示電熱器件的工作溫度，另一路表示PWM輸出的脈沖的占空比.通過實驗得到占空比和工作溫度比值的范圍后，在控制任務中，會將這兩個反饋值進行比較運算.若得到的結果保持在規定范圍內，則證明PWM模塊工作正常；反之，控制任務會判定當前驅動模式為不正常，然后通過軟件關閉PWM0端口的輸出，改用PWM1端口輸出，啟用備份的PWM驅動電路.啟動備份電路后，若工作正常，控制任務會通過人機交互界面發出警告，提示手術完成后檢修系統；若仍不能正常工作，則PWM控制任務會給系統巡邏監控任務發出災難信號，由巡邏監控任務報警，并斷開電熱主回路，停止手術.

5 實驗結果與分析

本系統在臨床試驗之前先使用鴨腸模擬病變組織進行切割試驗.首先將鴨腸洗凈，用鑷子截取出適當長度，做切割前準備，如圖7所示，圖示左下方為切凝刀刀頭.

按下電源開關使系統上電，并按下切割鍵，使夾持區域溫度升高，快速達到要求溫度，使得軟組織和血管凝固封閉，以達到手術效果.切割試驗過程圖如圖8所示，通過顯示屏可得出實時功率以及刀頭溫度等參數.

試驗結果表明：此系統運行良好，能有效切割病變組織和凝血功能，且燙傷區域小，下一步將在臨床進行試驗.

5 總結

本文設計的基于ARM Cortex-M3的熱能刀系統，傳統器械所帶來的問題基本得到了解決，且熱能刀在臨床上具有非常高的安全性和效率.對此款熱能刀加以不同頻率的脈沖進行測試，發現當脈沖頻率為200Hz時，對電熱器件的功率調節能滿足臨床要求，此時溫度以攝氏度每秒的速度改變.

該熱凝刀系統完成了數字可調節控制方式的刀頭溫度控制，實現了溫度設置范圍為50～300℃的技術性能指標，并使溫度控制相對精度控制在 ±6%，溫度上升時間控制在3-5s.在對整個系統測試優化結果下，主刀醫師通過切凝刀手柄部分的機械結構配合按鍵，能實現溫度的精確控制，且手術過程中刀頭溫度的穩定能夠得到保證，整體工作性能的穩定性增強，同時也保證了技術參數等各方面指標符合相關醫用參數標準.

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