LEEP手术电刀系统的研究与实现

LEEP手术电刀系统的研究与实现 暨南大学硕士研究生毕业论文 摘 要 LEEP (又称环切电波刀或 手术电刀 LEEP 在医疗 为宫颈疾病手术设备, 刀) 器械中属高频电刀类。此设备利用电热效应来切割、凝固生物组织。? 目前尚未有完全国产化的 LEEP 刀。进口产品的手术效果良好,但存在价格 其手术效果能与进口产品 本课题研制出的功能样机, 维修周期长等问题。 昂贵、 媲美,并且安全、稳定、成本低,富有实际意义。? LEEP 手术电刀系统主要由硬件电路和软件(固件)程序组成。硬件电路可 信 信号产生、 功率控制、 模拟部分主要包括电源、 以分为模拟部分和数字部分。 还包括键 数字部分以微控制器为核心, 高压输出控制和反馈控制电路。 号调制、 软件程序保存在微控制器片上的 盘和声光提示电路。 Flash 是实现人 存储器内, 机交互界面及系统智能控制的关键。? 漏电流 系统在硬件电路上采用电气隔离、 该系统具有严格的安全保障措施。 软件看 而在软件程序中采取了功率控制、 负极板等措施, 电流检测、 检测、 门狗、声光报警等措施,以此提高系统的安全性。? 高功率的特 高压、 由于系统具有高频、 该系统还采用了有效的抗干扰措 施。 点,以及使用了大量的脉宽调制(PWM)的电源控制方式,所以其本身就是一个 强干扰源。本课题设计根据电磁兼容理论逐项分析并较好地解决了干扰问 题。? 本课题 以及相关的测试结果表明, 通过与同类进口产品的手术效果的对 比, 设计的功能样机的综合性能达到预期的目标。? 关键词:? ( LEEP) 环切电波刀 纹 (EMC, 电磁兼容 功率控制, 泄 漏电流, , 波干扰I 暨南大学硕士毕业论文 Abstract LEEP electro-scalpel is a type of cervical disease device. It belongs to the high frequency electro-knife in medical apparatus category. This device utilizes electronic-heat effect to cut or coagulate biology tissueAt present, there is no completely domestic LEEP electro-scalpel system. The imported device has an excellent surgery effect, but it has some disadvantages, such as expensive and high repair rate and long maintenance rate. Therefore, it is significant and important to develop domestic LEEP electro-scalpel which is safe, stable, and competitive in price while has the same surgery effect as the imported oneLEEP electro-scalpel system is mainly composed of hardware circuit and software firmware program. The hardware circuit can be divided into analog part and digital part. The analog part mainly includes power source, power control, signal generation, signal modulation, high voltage output control and feedback control circuit. The micro-controller unit MCU is the core of the digital part, which still includes keyboard and sound-light notice circuit. The software program, stored in the flash memory of the MCU, is the key to implementing the human-machine interface and the intelligent control of the systemThis system has strict safety measures. In the hardware circuit, it adopts electric insolate, leakage current detect, current detect, negative electrode detect while in the software program it introduces power control, software watchdog and sound-light notice to guarantee safetyThere is an effective measure to prevent interference in this system. The system, which frequently uses pulse width modulation PWM, is of high frequency, high voltage and high power. Thus, the system itself is a strong interference source. This study project has, according to the electro magnetic compatibility EMC theory, analyzed and consumedly solved the interference problems one by oneThe result of surgery effect, comparing to the same kind of imported product, and other relative tests, shows that the functional sample machine designed by this study group, can achieve the anticipant goalKeywords: LEEP ( Loop Electrosurgical Excision Procedure ) , Leakage Current, Power Control, EMC ( Electro Magnetic Compatibility ) , Ripple InterfereII 暨南大学硕士研究生毕业论文 目录 摘 要I ABSTRACT..II 目录 III 第 1 章 前言..1 1.1 LEEP 术与 LEEP 刀简介.1 1.2 LEEP 刀的优点..2 1.3 LEEP 刀的研究现状2 1.4 本课题的主要工作与创新点..2 1.5 本文的组织结构.2 第 2 章 系统功能与结构..4 2.1 系统功能.4 2.1.1 基本功能要求.4 2.1.2 安全要求5 2.2 系统结构.6 第 3 章 硬件电路设计9 3.1 模拟放大电路设计9 3.1.1 系统电源.10 3.1.2 功率控制电路..12 3.1.3 信号产生电路..14 3.1.3.1 分立门电路15 3.1.3.2 CPLD 实现方案15 3.1.4 信号调制电路..17 3.1.5 继电器控制电路.18 3.1.6 反馈控制电路..19 3.1.6.1 电流检测电路.19 3.1.6.2 负极板阻抗检测电路.20 3.1.6.3 输出漏电流检测电路.21 3.2 数字控制电路的设计22 3.2.1 微控制器.22 3.2.1.1 C8021F020 芯片介绍.22 3.1.1.2 微控制器接口电路设计23 3.2.2 手柄与脚踏开关控制电路26 3.2.3 键盘与声光报警电路..27 3.3 吸烟器控制电路的设计..28 3.3.1 吸烟器的电源..29 3.3.2 红外开关控制电路29 3.3.3 电机转速控制电路30 第 4 章 软件程序设计.31 4.1 软件开发环境31 4.2 软件的功能与流程.33 III 暨南大学硕士研究生毕业论文 4.2.1 软件功能分析..33 4.2.2 软件流程.33 4.2.2.1 主程序流程..34 4.2.2.2 系统定时中断.35 4.2.2.3 吸烟器与 ADC 中断..35 4.3 部分软件模块的设计36 4.3.1 SFR 初始化..36 4.3.2 安全选项程序..37 4.3.3 功率控制程序设计37 第 5 章 系统的综合性能40 5.1 安全性40 5.1.1 功率保障.40 5.1.2 漏电流保障40 5.1.3 软件保障.41 5.1.3.1 输出保护41 5.1.3.3 声光提示与报警41 5.1.3.2 软件看门狗保护41 5.2 稳定性41 5.2.1 纹波干扰及其解决.42 5.2.2 软件设计中的稳定性措施45 5.3 安全性评估与系统测试..45 5.3.1 系统安全性评估.45 5.3.1.1 安全评估的基本原则.45 5.3.1.2 可能危害的判定45 5.3.1.3 危害判定的标准46 5.3.1.4 风险估计 采取预防措施之前 46 5.3.1.5 LEEP 刀系统的安全性评估..47 5.3.2 切割效果测试..48 5.3.3 主要性能参数测试49 第 6 章 与展望..51 参考文献..A 缩略语.C 在校期间发表的论文D 致谢E IV LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 1 章 前言 第 1 章 前言 这一章将介绍 LEEP 手术电刀相关的一些知识, 本课题的主要工作与创新 点, 以及全文的组织结构等。? 1.1 LEEP 术与 LEEP 刀简介 Pathology, Cervical? and? Colposcopy? 根据 for? Society? ASCCP(American? [1] 美国阴道镜和宫颈病理学会) 相关文献 , LEEP (阴道内子宫的可视部 是用于治疗与/或诊断宫颈 宫颈电圈切除术) Procedure, 分)上皮内瘤样病变(Cervical?Intraepithelial?Neoplasia,CIN)的一种手 术。? 能非常精确地移除 一个良好的金属环附于高频电流发生器上, 在此手术中, 所以手术对需要切除 且金属环非常细, 因为手术极其精确, 子宫上的异常组织。 部位的伤害也很小,并且手术能够封住周围的血管。? [2] 该项技术最早见于 1981 年法国 Cartier 的报道 。目前还有几个名字用于 Transformation? the? of? 描述这个手术过程,包括 Excision? Loop? LLETZ(Large? 大环状宫颈移行带切除术) Zone, Cervix, the? of? Excision? Loop? (Large? LLETC 、 大环状宫颈切除术)和 Loop?Cone?Biopsy?of?the?cervix(宫颈锥环切片活体 检查术)等。国内称之为宫颈电圈切除术,或简称 LEEP 术。? LEEP 术可以安全、简便地在门诊开展,手术快捷,并可以局麻或无麻醉情 对组织有轻 可能伴有少量的出血, 它可以将整个移行带切除, 况下有效地开展。 微热损伤。LEEP 术切片不妨碍病理结果的判定,能为门诊病人提供了一种简便 [3,4] 有效的获得组织病理论断标本的方法 。由于许多其它手术方法会对标本造成 ?[5,6] 破坏,所以 LEEP 术是目前宫颈类疾病最广泛采用的手术 。? LEEP 术的适应症主要是宫颈糜烂、宫颈湿疣、宫颈癌前病变(CIN?、CIN [3,7] ?)等宫颈类疾病 。? 又称为环切电波刀, 或 LEEP 刀。 (Cut) 、 混切 和凝血 (Coagulation [8] 三种功能(或称为工作模式) 。? LEEP 刀是利用高频脉冲电流产生能量来达到切割的目的。低频交流电(不 超过 100KHz)能产生有限危险的法拉第效应(如肌肉痉挛、疼痛、心室纤维颤 动等) ,当电流频率为 100KHz 时,法拉第效应明显减少,在高于 300KHz 时,法 脉冲电流的这些刺激作用与频率成反比地减 一般认为, 拉第效应可以忽略不计。 元器件的频率响应特性和高频辐射干扰等 考虑到刺激作用、 在实际应用中, 小。 因素,LEEP 手术电刀普遍采用 500KHz 的高频电脉冲。? 切割: 而最重要的是使细胞体积 在细胞浆内部迅速产生热量使细胞浆变成蒸汽。 近时, 扩大约 并在切割分离 5 于是产生了临床切割效果, 引起细胞结构破坏, 倍左右, 组织的边缘产生一点或不产生止血效果。 如果在一定功率下输送脉冲电流则会在 细胞内部产生阶梯形热量。? 凝血: 者凝固的临床效果。? 混切: 和切割 (凝血) 可能会产生干燥 通过改变电流脉冲通过电极的时间, 共同的临床效果,即混切。? 第 1 页 共 51 页如果还没有破坏细胞结构就产生蒸发效果, 则会引起分离组织干燥或 在一个适宜的功率水平下, 在电极端产生连续的正弦波电流与组织接 (Blend) 具有切割 刀属高频电刀类, LEEP 手术电刀, LEEP 术所采用的电切除设备称为 LEEP (Loop? Electrosurgical? Excision?LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 1 章 前言 本课题研制的 LEEP 手术电刀就是基于以上这些理论的。? 1.2 LEEP 刀的优点 [1,2,3,4,5,6] LEEP 的优点主要表现在如下几方面 :? 1? 可以达到传统电刀达不到的非常精细的手术效果;? 2? 对周围组织伤 碳化现象, 很少发生传统电刀手术时所造成的组织拉扯、 害较小;? 3? 较传统电刀更低的工作温度,所切割的组织可直接用于活检;? 4? 减轻疼痛,留下瘢痕的机会小,并发症(出血和感染)少;? 5? 没有电流通过身体的危险;? 6? 电极板不需涂电极膏,不会有烧伤的危险;? 7? (约 手术时间短 3-5 分钟) 仅用局部麻醉。 花费少, 无痛, 操作简单, ,1.3 LEEP 刀的研究现状 目前国内使用的 LEEP 曾有国产 刀都靠进口。 LEEP 但 刀样机在展会上展出, ?[3,4] 这些样机切割时会出现碳化、出血多、烧焦等现象,不利于组织的活检 ,与 进口同类产品在性能方面相差太远,所以市场上至今还没有国产 LEEP 刀产品。 目前的 LEEP 刀产品主要有华莱士 (WALLACH) 、 飞尼思 (FINESSE) 和艾曼 (ELLMAN) 等品牌。这些进口产品安全性高,手术效果较好,但存在返修成本高?,维修周 期长等问题,而且价格昂贵。? 更 更加稳定, 本课题旨在研制出安全性和手术效果与进口同类产品相媲美, 加便宜的国产 LEEP 此课题工作有利于 手术电刀系统。 LEEP 具 术在国内的普及, 有实际意义。? 1.4 本课题的主要工作与创新点 以创造经济与社会效 开发出适合中国国情的电刀系统, 结合现有的技术与资源, 益。? 各项指标均严格遵守国 出于安全性与有效性的考虑, 在课题的研究过程中, 家相关标准的规定,并参考目前市场上现有 LEEP 刀的参数,采用自主开发的硬 开发出 件电路与软件控制程序, LEEP 样机实现 手术电刀功能样机。 LEEP 术所需 的各种功能,并达到国家相关的安全标准,手术效果比较理想。? 此 经实际测试, 系统的纹波处理方法是此课题研究出来的产品的一大特色。 课题研制出来的产品样机的纹波峰-峰值控制在 0.296~0.5V 范围内。? 本课题的创新点:? 根据电磁兼容理论,将系统干扰降低到较理想的程度,提高了系统的稳 1? 定性,主要指标达到甚至高于美国 WALLACH?LEEP 技术水平;? 并且符合中国国情的第一个国产 稳定, 有效、 LEEP 设计出安全、 2? 手术电 刀系统。? 1.5 本文的组织结构 第 2 章主要讨论 LEEP 刀的系统功能与结构。此章讲述了系统的三种工作模 式及它们的要求,并列举了一系列在系统设计中必须符合的安全性要求。根据 LEEP 刀系统所需的功能与安全性要求,此章还给出了课题研究中采用的系统功 能结构框图,并简要介绍的系统各个模块的作用与特点。本文的第 3、4 章的硬 件与软件就是按照此章的功能结构框图进行设计的。? 第 2 页 共 51 页刀存在的问题, LEEP 针对进口与国产 刀国产化。 LEEP 本课题的主要任务是将LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 1 章 前言 第 3 章主要介绍硬件电路的设计。在课题设计中将电路分成模拟放大电路、 信 功率控制、 模拟放大电路部分主要有电源、 数字控制电路和吸烟器控制电路。 数字控制电路部分以微控制 高压输出控制和反馈控制电路。 信号调制、 号产生、 以及键盘和声光提示电 还包括手柄与脚踏开关的输出开关控制电路, 器为 核心, 路, 是实现人机交互和系统智能控制的硬件基础。 吸烟器控制电路主要包括电源、 红外控制和转速控制电路。LEEP 刀系统的硬件电路较多,也较复杂,是整个课 题的重点与难点。硬件电路是第 4 章中软件程序赖以运行和实现智能控制的平 台,也是第 5 章中系统的抗干扰性能的硬件基础。? 第 4 章主要介绍系统软件程序的设计。LEEP 刀系统的程序主要由初始化、 任务处理循环和三个定时中断组成。此章介绍了 LEEP 刀系统软件的设计方案, 程序功能及其控制流程,并对部分具有特色的模块进行介绍。? 第 有效性和稳定性等角度考虑系 5 此章从安全性、 章介绍系统的综合性能。 此 以及它们的软件保障措施。 此章介绍了功率和漏电流的保障措施, 统的性能。 此章还总 来评价功能样机的有效性。 章通过将功能样机与进口同类产品相比较, 此课题研 通过系统测试结果表明, 最后, 结了系统中采用的有效的稳定性措施。 制的 LEEP 手术电刀系统达到的较理想的结果。? 第 6 章是全文的总结与展望。总结 LEEP 刀系统的特点,以及作者在此项目 中所做的工作,并展望 LEEP 刀系统的应用前景。? 第 3 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 2 章 系统功能与结构 第 2 章 系统功能与结构 本章将分析 LEEP 手术电刀系统所需的功能要求,并列举国家和行业对高频 文 系统结构方案是针对这些功能与安全要求提出的, 电刀系统的主要安全 要求。 中还对各个功能模块作了简要介绍。? 2.1 系统功能 LEEP 还要具有良好的人机交互界面、 手术电刀系统不仅要提供电切割功 能, 配套的吸烟器和严格的安全保障体系等。? 2.1.1??基本功能要求? 不同工作模式有不同的功 凝血和混切三种工作模式。 电切割功能包括切 割、 [9] 率要求,如表 2.1 所示 :? 表 2.1??三种工作模式的功率要求? 工作模式? 功率范围W 最大开路电压V 切割? 10~100? 600? 混切? 10~100? 600? 凝血? 10~100? 4000? 功率误差的定义为如下:? (Wt:功率误差;Ws:功率设定值)? 切割模式功率误差 Wt?cut???5+Ws/20? 混切模式功率误差?Wtblend?5+Ws/15? 凝结模式功率误差?Wtcoag??10+Ws/4? 三种工作模式都以 500KHz 为载波, 不同工作模式的调制信号不同, 如图 2-1 所示:? T 比占空 100% 模式切割 3/4T 1/4T 模式混切 比 75% 模式凝血 比 25% 1/4T 3/4T图 2-1??不同工作模式的调制信号波形 LEEP 手术电刀在实施电 切割手术时应避免碳化现象。LEEP 术切割下来的组 出现碳 手术区域位于皮肤表面, 碳化了组织将影响检验。 织可能有送检的 需要, 化现象会影响美观。? 人机交互界面主要是为操作者提供良好的操作界面。系统需要:? (1)?提供三种工作模式的设置;? (2)?能够进行功率设置,并将其显示;? 吸烟器开关状态等系 待机状态、 漏电流过大、 (3)?能够指示负极板松动、 统状态信息;? (4)?具有方便的输出开关控制按键;? 第 4 页 共 51 页占空 占空LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 2 章 系统功能与结构 系统正在输出高压信号和系统异常等不同场景时能够以不 (5)?系统设置、 同的声光提示或报警。? 吸烟器用于吸除手术过程产生的烟雾,以减轻室内环境污染。进行手术时, 以便在 吸烟器还带有强制启动按键, 其转速可以手动调节。 吸烟器能自动启动, 没有进行切割手术时也能吸烟。? 2.1.2??安全要求? LEEP 刀作为一种高频电刀,必须符合高频电刀的相关标准。高频电刀必须 具有十分完善且可靠的安全保障体系, 这是保证患者和医护人员安全的最基本的 用 因此高频电刀在出厂前应逐台逐项甚至多次重复进行严格测试和检查, 条件。 户也应建立适当的经常的检测手段, 以确保电刀的各项安全指标始终保持在国际 电工学会和九五年五月发布九九年修订的我国有关高频电刀的标准即 IEC601-2-2,GB9706.4 和 GB9706.1规定范围内。? 本课题研制的 LEEP 刀按医疗器械管理类别分类, 该高频电刀属 II 类的 理疗 设备。按电击防护分类属于 I 类、带应用部分的 BF 型、普通、移动式设 备。属 [9] 于全悬浮Complete?Float,CF式单极电刀 。? 根据相关标准,LEEP 刀系统的安全要求及必要的安全保障体系概括起来主 [8] 要有以下几项 :? 1? 输出必须完全浮置。高频电刀的高频高压输出部分对机壳(与大地相连) 和 220V@50Hz AC? 民用电网电源(以下简称网电源)必须严格隔离。各输出 不仅绝缘电阻要很大100M 而且在接上应用 端口电极对地和电源, 欧, 部分之后,对地分布电容要足够小100pF。须通过 6000V 交流试验电压 漏电流检验。高频电刀输出一旦悬浮不良,易于发生灼伤甚至危及生命的 否则 ?高频电刀还应具有防漏防潮性能, 为此, 高低频漏电流将迅速增大, 一旦受潮必然影响电刀输出的浮置程度;? 2? 电刀的金属机壳应可靠接地,即网电源的地线应可靠接地,且与机器接地 点之间的连接电阻应小于 0.2 欧连网电源电缆接地线在内,以防机壳和 保护接地点悬空而带电,增加电击危险和机内对外界的高频辐射;? 3? 网电源与机壳接地线之间必须能承受 1500V 耐压,机壳对地漏电流应低 于 0.1mA,以保证网电源与机壳隔离良好,防止电击;? 4? 对患者的及患者辅助的低频漏电流必须低于 10mA。因为人体神经、肌肉 特 别是心脏对低频电流十分敏感,所以过大的低频漏电流将对患者产生严重 刺激甚至致人死命;? 5? 高频漏电流必须低于 150mA。?高频漏电流是电刀两输出电极对地的辐射电 流,它对手术毫无作用而可造成患者的灼伤和环境污染;? 6? 高频电刀输出载波的基波频率应在 0.3~5MHZ 之间, 不得过低也不得过高全 悬浮式电刀一般在 0.4~0.8MHZ 之间,过低则产生低频刺激,过高则高频 辐射严重;? 7? 高频电刀的输出功率,在任何情况下不得超过 400W,因为过大的功率可能 对患者造成灼伤;? 8? 高频电刀的输出功率应尽可能稳定,在网电源电压波动和负载变化时,电 刀输出功率应能保持在规定范围内,否则时而出现切凝效果不佳,时而又 焦粘组织,甚至严重灼伤患者;? 9? 高频电刀的输出波形应严格稳定,且基波是相对纯净的正弦波,否则易引 起输出功率不稳甚至增大高频漏电流或产生低频工作电流;? 第 5 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 2 章 系统功能与结构 电刀应用手柄及连接电缆外表对电极的耐压应至少承受 10? 3000V低频交流有 效值和 2 否则有可能因漏电而灼伤 倍高频电刀最大开路输出电压的试验, 操作人员和/或患者;? 负极板面积应足够大,最好是粘贴式的,保证从患者肌体返回机器的电流 11? 2 在人体与极板接触处的密度尽可能低0.02A/cm 。 因为单极电刀的额定负 最小不低于 因此高频手术 载电压在此负载下电刀输出最大功率, 1000V, 2 电流均限制在 2A 从而可推算出极板的最小面积为 以下, 100cm 这是负 极 , 2 板面积的最低限值,手术中必须始终保证有 100cm 以上的极板面积同患者 皮肤紧密而均匀地接触。负极板材质推荐采用铝合金;? 中性电极极板应具有断线或阻抗过大故障的声光报警和切断输出的功 12? 能,防止断点或大阻抗点产生功耗引起灼伤或着火;? 输出功率应随设定的增加而增加,随设定的下降而下降,防止调节设定时 13? 产生不希望的功率变化而造成危险;? 切割、凝血同时启动时应禁止功率输出或者只输出功率较小的模式如凝 14? 血,防止误操作引起过大功率加到患者身上;? 切凝启动时应有清晰的声光提示,以提醒操作者注意;? 15? CF 16? 型电刀应用部分应能承受 2KV 除颤电压冲击, ?因在心脏科使用中 经常碰 到使用除颤器;? 电刀在任何设定下可长时间开路启动,并可多次短路而不影响机器的性能 17? 和安全;? 任何设定下的输出不得增大 以防止过大 电源复通或启动复通时, 20%以上, 18? 功率突然加到患者身上;? 额定负载下的输出应与设定位置对应,功率误差应20%(功率误差定义见 19? 前面) ,不同负载下的全功率和半功率曲线与规定值误差也应?20%;? 手控开关工作电压应?12V,脚踏开关工作电压应?24V;? 20? 21 输出回路应串入不小于 5000pF 输出电极对直流阻抗应远大 的高压电容, 于 2M 欧,以防低频输出。 2.2 系统结构 本课题设计中采用了如图 根据系统所需要实现的功能及相关的要求, 2-2 所 示的实现方案:? 微控制器图 2-2??LEEP 手术电刀系统总体结构框图? 从电路实现的角度来看,可以把系统 大致分成三大模块(如图中虚线框所 示) , 即数字控制电路、 模拟放大电路和吸烟器电路。 在硬件上用三块 PCBPrinted? 放大板和吸 分别称之为控制板、 印刷电路板来实现这些模块, Board, Circuit? 烟器板。? 第 6 页 共 51 页电源 控制 控制 控制 和漏电流检测 红外 转速 继电器输出 电流 、负极板 开关 信号调制 信号产生 键盘与输出 功率控制 声光提示LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 2 章 系统功能与结构 所有软 系统设计可分为软件程序设计和硬件电路设计。 从软硬件角度来看, 件程序都固化在微控制器片上的 Flash 存储器中, 利用硬件提供的功能来进行系 软件程序的所有功能必 但由于硬件电路是软件程序的运行平台, 统的智能控制。 须依靠硬件来执行,所以后续章节中将优先介绍硬件。? 主机内部有控制板与放大 系统分为主机与吸烟器。 从外观结构的角度来 看, 而吸烟器作为主机的附 以及由这两块电路提供的人机操作界面??前面板, 板, 件置于主机外。? 前面板提供按键、显示和电极插座等,如图 2-3 所示:? 刀 功率显示 头 插 座 增 减 脚 负 踏 极 待机 开 板 关 插 吸烟器 插 座 切割 座 启动图 2-3??LEEP 刀主机前面板示意图? 前面板上使用了一个数码管和较多的 LED (模式设置 来显示系统的状态信息 的四个按键右上角也为 LED 指示灯) ,加上蜂鸣器的声音,组成了丰富的声光报 高压部分必 凝血键为蓝色, 切割与混切键必须为黄色, 值得注意的是, 警功能。 [8,9] 须带有高压标志 。前面板是系统安全性保障措施的重要组成部分。? 吸烟器上带有转速调节旋钮及红外信号接收 吸烟器电路板放在吸烟器内部, 装置。? 需要指出的 将各个模块再细分为几个功能电路。 为了方便电路设计与调试, 因为在工程实现时还需要考虑到元器件的布局与 这些功能划分不是绝对的, 是, PCB 的布线等。? 下面分别对这些功能模块进行简要介绍:? 1? 电源?系统采用我国标准的 AC?220V/50Hz 电网电源(以下简称网电源) 这些电源 网电源经过一个隔离变压器降压并产生三组交流电源, 供电。 这部分电路 馈送到系统的各个部分。 变换等措施, 稳压、 再经过滤波、 稍后 但其它模块中也有相应的电源模块。 主要在模拟放大电路中实现, 对硬件电路介绍时把它放在模拟放大电路中进行介绍;? 2? 微控制器是实现人机交互的核 MCU) Unit, (Micro-Controller此微控 制器 心部件, 通过固化在微控制器片内 Flash 存储器中的软件程序 (即固件, [10] firmware) ,来实现系统的智能控制 。它实现的功能主要有:? (1)扫描键盘和输出开关,以接收操作者的操作;? (2)控制 LED 与数码管,显示系统状态信息;? (3)根据用户操作情况决定吸烟器的开启动作;? 第 7 页 共 51 页凝血 混切 红外发射启动 系统待机 漏电流过大 负极板松动LEEP 手术电刀系统的研究与实现 第 2 章 系统功能与结构 (4)输出切割、凝血和混切三种工作模式的调制信号,去调制信号产 生电路产生的 500KHz 信号;? (5)接收电流、负极板和漏电流检测电路的反馈信号;? (6)根据反馈信号计算出当前的功率,动态调节当前的功率输出;? (7)控制蜂鸣器进行声音提示/报警;? (8)软件系统异常时进行复位;? 3? 吸烟器?吸烟器用于吸收手术过程中产生的烟雾, 给操作者提供良好的手术 吸烟器通过 吸烟器作为可选配件提供给客户。 考虑到实际情况, 环境。 红外接收电路, 以接收微控制器发出的红外信号, 也即吸烟器启动信号。 输出开关闭合时,系统能自动启动吸烟器;? 4? 信号产生?产生 500KHz 的载波信号, 并接受来自微控制器的调制信号的调制, 将产生的已调信号进行隔离与升压后输到刀头与负极板;? 5? 电流、负极板和漏电流检测?电流检测部分负责将当前的电流值检测出来并提供给微控制器, 以 便微控制器的软件程序可以计算出当前的功率情况。 由于电流值与当前 即当负极板与患者 故其也同时带有阻抗检测的功能, 的负载阻抗有关, 皮肤接触不良时,可通知系统采取相应的措施。负极板阻抗检测部分主要是检测负极板与患者皮肤是否接触良好, 此电路防止患者皮肤灼伤。漏电流检测部分电路负责检测输出泄露电流是否超过 50mA。一旦 超过此值,就通知微控制器关断输出信号。这三个检测电路是系统的安全保障体系的一部分;? 6 功率控制?这部分电路接收微控制器的功率控制信号, 并调节输出功率信号的 功率大小,防止输出超标。 第 8 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 第 3 章 硬件电路设计 根据图 2-2 数字控制电路和 硬件电路分为模拟放大电路、 的系统结构框图, 以 本章将介绍其中的主要电路的具体设计方法, 吸烟器控制电路等三块电路板。 还 但在具体实现中, 文中尽量按电路的功能进行分类介绍, 及相关电路的特点。 PCB 元器件布局、 需要考虑到抗干扰、 所以某些功能 布板和外观结构等的要求, 模块可能跨越几个模块。? 3.1 模拟放大电路设计 自顶向下即是先从系统总体设 的设计方法。 (Top-Down) 系统采用自顶向下 这种 将设计工作逐步细分。 在顶层进行功能方框图的划分和结构设计, 计入手, 可以大大提高开发工作的效率 明确项目组成员任务, 方法有利于降低工作难度, [11] 。? 采用自顶向下的设计方法,将模拟放大板电路细分为七个功能模块如图 3-1 所示: 图 3-1??模拟放大板电路顶层结构图? 电路的原理图与 PCB Limited 设计均采用 International? 公司的 Protel? EDA 工具 Protel?99Se。图 3-1 就是采用 Protel 画出的顶层图,图中的每一个方框 sch 均对应一个原理图文件, 图中的序号只是为了描述 为原理图文件的后缀名, [12] 方便而加上去的,其中序号 1 表示其顶层图 。? 由图 分别对应七 3-1 模拟放大板电路由七个原理图文件组成, 中可以看出, [13,14,15,16,17] 个功能模块 。? 模块 包括图中未标出的 2 并馈送到系统中的各个模块, 负责产生系统电源, 数字控制板中的电路模块。同时带有部分的功率控制电路。? 模块 3 主要负责功率控制。此部分电路接收来自数字控制板的功率控制信 号,并根据此信号调节输出的电压,从而实现功率控制的作用。? 模块 4 与 对标准 微控制器根据当前的工作模式, 4’主要是产生载波信号。 的 500KH 方波信号进行工作模式调制。 此功能模块的输出就是对应不同工 作模式 的、以 500KHz 为基波的载波信号,其将接受功率控制信号模拟信号的调制。 模块 4 是通过分立元器件搭建起来的信号产生电路, 而 4’则采用 CPLD (Complex? [13] Programmable?Logic?Device,复杂可编程逻辑器件)产生精确的载波信号 。? 模块 5 使模块 4 或 4’的 500KHz 载波信号接受来自模块 2 输出的功率控制 信号的调制,产生的已调信号供模块 6 使用。? 模块 6 在模块 5 已调信号和来自微控制器的信号的控制下, 选择输出升压变 第 9 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 压器的放大倍数。其将已调信号放大后,输出到刀头与负极板上。? 7 负 6 输 并将检测结果提交给微控制器。 是系统实现反馈控 漏电流和负极板接触阻抗的状态, 这部分电路监视输出电流、 制的关键。 3.1.1??系统电源? 模拟放大板 并馈送到系统中电路的各个部分。 系统电源负责提供各种电压, 此节将集中介绍这两块电路板 但为了描述方便, 与数字控制板上均有电源电路, 上的电源电路设计。? 如图 系统中与网电源相连的是一个隔离变压器, 3-2 此变压器产生 所示。 AC? 14V 135V、AC? 和 7.5V(均为标称值)三个电源。根据仪器的安全要求,变压 AC? 器副边的三个电源必须与220V 并能通过高频电刀相关标准中规定 AC?严格隔离, [8,18] 的高压泄漏电流测试,以提高系统的安全性 。 图 3-2??网电源隔离变压器示意图 图 3-3??系统电源(模拟放大板部分) +12V 模拟放大板上的电源模块负责产生高压浮地电源+12V+, 和+5V 各一个, 如图 3-3 所示。 (本文的所有电路图中 TPxx 表示 PCB 板上的测试点,xx 为相应 的数字序号,GND 为低压参考地,GND2 为浮地)? 考虑到干扰可以通过公共阻抗耦合(公共电源耦合与公共地耦合) ,所以此 与 也相互隔离。? 第 10 页 共 51 页GND) 电路采用高压与低压区的电源 (+12V+与+12V) 相互隔离, 参考地 (GND2 的高压信号进行检测, 责对模块 模块LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 网络标号 DC_180V 是图 3-2 变压器副边的 AC?135V 经整流及滤波后得到的。 浮地+12V+就是为实现电路高低隔离而利用此电压得到设计的一个简单的电源。 虽然此电源不精确,纹波干扰也大,但它可以满足使用它供电的电路的要求。? 电源+12V 与+5V 分别通过图 3-2 的 AC?14V 与 AC?7.5V 产生的。+12V 与+5V 由于 稳定的电源。 可以为后级电路提供精确、 都采用了专用三端稳压芯片产生, 7.5V AC? 为幅度相同,极性相反的交流电源,所以采用 D12 与 D13 就实现了全波 整流,而 AC?14V 则需要四个二极管进行全波整流。采用这种电路主要原因是图 3-2 另外定做会增加成本和系 并且经过安全性测试的产品, 的变压器是现有的, 统开发周期。 三端稳压芯片的外围电路的设计参考芯片的数据手册 (datasheet) 。由于图 3-2 中的 14V 135V、AC? AC? 和 7.5V AC? 是相互隔离的,所以上述的高 压区的+12V+与低压区的+12V 和+5V 在它们的前级是隔离的。为了达到有效 的隔 并且在 还必须在它们的后级电路设计中都必须隔离, PCB 离, 布线时要使这些参 [11] 以减小线间耦合电容 考点的间距尽量大一点, 有效的隔离措施可以大大减小 。 [19] 高压区的干扰低压区的程度 。? 图中的+5V 电源还负责为数字控制板供电。 图 3-4 中的+5VIN 为+5V 电源经电 容滤波后产生的。 图 3-4??系统电源(数字控制板部分)? 数字控制板上的电源电路为微控制器及其外围电路等提供电源。由于在 PCB 所以由+5VIN 各个方面都可能引入干扰, 布线时, 馈电的各个方向都采用了滤波 与保护电路,将干扰隔离在局部范围内。其中+5VDIS 为红外发射、蜂鸣器及键 盘扫描电路等提供电源,+5VAMP 为反馈检测电路的输出转换电路和输出开关控 制电路提供电源。VCC 为微控制器提供电源,而 VDD 则为微控制器的 ADC 与 DAC 提供稳定性很高的参考电压。? 并根据实际需要作了相 电源电路的原理图设计时主要参考数据手册的方案, 应的调整。所采用的元器件都是比较常见的,芯片的型号替换比较容易。? [10] 电源电路的 PCB 布线主要原则是 :? 1? 高压区与低压区尽量远离。可以减小线间耦合电容;? 2? (必须大于 电源与参考地线尽量粗 15mil) 增 电源线承受的电流较大, 。 大 PCB 走线宽度有利于减小导线阻抗;? 3? PCB 板上走线与固定孔间距必须大于 240mil。因为高频电刀标准对外壳 漏电流作了限制(正常状态小于 0.1mA,单一故障时小于 0.5mA) ,又因 LEEP 而 刀系统的金属外壳与固定孔相连, PCB 走线与接地柱之间存在耦 第 11 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 合电容,故它们之间太近时太增大外壳漏电流,这有可能造成质检不通 过;? 4 走线尽量不要直角。 可以减小线间耦合电容。 不同层间的走线尽量垂直。 3.1.2??功率控制电路功率控制电路模块对来自微控制器 DAC(Digital?Analog?Converter,数字 其输出信号将作为信号调制电路中 输出的功率控制信号进行放大, 模拟转换器) 的调制信号。? 根据功率计算公式:? 2P I R?(公式 3-1)? 2 UP ??(公式 3-2)? R结合 LEEP 刀系统的实际情况,在前面板中设置完后,功率也是固定的。在 电流 手术过程中, I 电阻 是可以检测出来的, R 故可以通过公式 的变化比较快, 3-1 计算出瞬时电阻值 R。为了保持功率 P 不变,必须改变电流或电压值。因为 直接控制电流比较困难, 所以在此系统中利用公式 3-1 计算出来的瞬时电阻值 R, 利用公式 3-2 可计算出应输出的电压值,通过改变电压值来达到改变功率的目 的。这些计算通过微控制器的软件程序完成。? 在电路设计上,系统采用图 3-5 电路框图实现对电压的控制。? 微控制器 DAC 输出 信号隔离 电源开关控制图 3-5?电压控制框图? [21] 微控制器 C8051F020 集成了 8~12 位精度的 DAC (考虑到外围元器件的精度, 此 DAC 只采用了 8 位精度) , 通过 DAC 输出的模拟信号通过脉宽调制 Width? (Pulse? 的 [22] 开关状态,从而实现电压控制 。? 微控制器 DAC 所 输出的动态范围只有 而且微控制器工作在低压区, 0~3.3V, 以必须加隔离电路来减小来自高压部分的串扰和漏电流。? 具体电路实现如图 3-6 所示: 图 3-6??功率控制电路(PWM 产生) 微控制器 DAC 通过 J15 接口输入电压控制信号,经两个运算放大器 第 12 页 共 51 页MOSFET 驱动变压器进行信号放大, 以控制功率 TL494 Modulation, PWM) 芯片 脉宽调制LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 Operation?Amplifier,OA放大后,用双光耦芯片(U6A 和 U6B 必须在同一硅 这是在参考文 来实现互补式光电耦合电路隔离。 以保证转移特性的一致) 片上, [23] 献 电路的基础上,引入脉宽调制芯片以实现输出电压的线性放大。 图 首先要求光电耦合器件具有很好的线性特性, 用于模拟信号的耦合转换, 图 3-7 为典型光电晶体管的转移特性曲线。 图 3-7??电晶体管的转移特性? 为了克服光耦器件的非线性转移特性,国外有专用的光耦来实现,如图 3-8 所示: 图 3-8??专用光电耦合电路? 图 3-6 中采用的方案与图 3-8 而且 经济, 前者更简单、 专用光耦实现方案, 实践证明 同一硅片上的两个光耦特性比较一致, 专用光耦器件在国内不易获得。 [23] 此种方案更加实用、合理 。? 所以增加基于 光耦输出的信号驱动能力不足, TL494 芯片的脉宽调制电路来 TL494 提高信号的带负载能力。 采用 是一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路。 (通常为 脉宽调制电路可以克服线性稳压电路效率低 30%~40%) 调整管配备 、 [24] 大的散热片等固有缺点 ,电压驱动型脉宽调制控制集成电路 TL494?,这样就 提高了电源的效率,减轻了电路板的体积和成本。? 由于 TL494 所以此芯片及其外围电路的电源和参考地必须分别 位于高压区, 采用浮地电源+12V+和浮地(GND2) ,以避免公共阻抗耦合干扰。? TL494 的 PWM 输出信号经互补推挽电路放大后,还必须增加高低压隔离变压 器(如图 3-9)才能驱动处于高压区的 VMOS(图 3-10 中的 Q4) ,以保障相 关元 [25] 器件的安全 。? 第 13 页 共 51 页 LEEP 手术电刀系统的研究与实现第 4 章 软件程序设计 图 3-9??功率控制电路(高低压隔离) 采用隔直电容可以保障输出