何 磊 孔令成

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，江蘇 常州 213164;常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所2，江蘇 常州 213164)

0 引言

直接數(shù)字合成［1］(direct digital synthesis，DDS)技術(shù)是一種新型的頻率合成技術(shù)。該技術(shù)具有較高的頻率分辨率，它既能快速實(shí)現(xiàn)頻率切換，又能在頻率改變時(shí)保證相位的連續(xù)。

在傳統(tǒng)的外科手術(shù)中，手術(shù)刀和止血鉗是人們非常熟悉的醫(yī)療工具。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)水平的不斷提高和高頻手術(shù)器技術(shù)的進(jìn)一步完善，智能型醫(yī)用多功能高頻手術(shù)器已經(jīng)逐漸取代了手術(shù)刀、止血鉗和其他一些醫(yī)療器械，成為現(xiàn)代外科手術(shù)中常用的醫(yī)療設(shè)備。高頻手術(shù)器是高頻段工作中最常見的高能量醫(yī)療儀器。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及、應(yīng)用和發(fā)展，高性能的單片機(jī)已廣泛應(yīng)用在高頻手術(shù)器的整機(jī)控制中，實(shí)現(xiàn)了各種功能下功率波形、電壓、電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及各種安全指標(biāo)、程序化控制和故障的檢測(cè)及指示。這就大大提高了設(shè)備本身的安全性和可靠性，簡(jiǎn)化了醫(yī)生的操作過(guò)程。

1 高頻手術(shù)器

1.1 手術(shù)器原理

高頻手術(shù)器是基于“集膚效應(yīng)”原理設(shè)計(jì)的［2］?！凹w效應(yīng)”原理具體是指電流在人體這段“導(dǎo)體”的表面流動(dòng)，而不流經(jīng)人體內(nèi)臟組織。因此，這種高頻電流不會(huì)對(duì)臟器造成傷害，且患者自己基本上沒(méi)有明顯不適感。

高頻手術(shù)器主要由高頻手術(shù)器主機(jī)以及手術(shù)器手柄、負(fù)極板、雙極鑷子等附件組成。通常的高頻手術(shù)器都具有單極電切、單極電凝以及雙極電凝的功能。

由于低頻電流可以產(chǎn)生明顯的電擊和電刺激作用，因此選擇手術(shù)器的工作頻率具有重要的意義。在選擇過(guò)程中，要求所選頻率不能引起電擊，同時(shí)還要求具有較小的電刺激，一般交流電頻率應(yīng)大于300 kHz。有關(guān)資料表明，當(dāng)交流電頻率在500 kHz左右時(shí)，電流對(duì)人體的電刺激己經(jīng)很小;當(dāng)交流電頻率大于1 MHz時(shí)，電流對(duì)人體的電刺激會(huì)完全消失，這時(shí)高頻電流只會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生熱效應(yīng)。由于涉及高頻輻射和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制等問(wèn)題，現(xiàn)有高頻手術(shù)器工作頻率一般在0.4～3 MHz之間。本課題所設(shè)計(jì)的手術(shù)器的工作頻率約為500 kHz。

1.2 手術(shù)器硬件結(jié)構(gòu)

高頻手術(shù)器的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高頻手術(shù)器基本硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic hardware structure of electrotome

人機(jī)界面主要負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備的參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)顯示;可編程邏輯器件在微控制器的控制下進(jìn)行參數(shù)配置，然后輸出所需頻率和波形的高頻信號(hào);高頻信號(hào)經(jīng)隔離電路后被送入后續(xù)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中，用以控制MOSFET的通斷和繼電器的開關(guān);繼電器的開關(guān)控制高頻變壓器的不同輸入端，并在輸出端產(chǎn)生不同的信號(hào)。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。圖2中，T_ON為FPGA產(chǎn)生的高頻信號(hào)，F(xiàn)1為大功率 MOSFET管。T_ON控制F1的導(dǎo)通以及控制繼電器開關(guān)K2A的通斷。繼電器開關(guān)的通斷控制高頻變壓器T4的不同輸入端，并在輸出端產(chǎn)生不同的信號(hào)。這就實(shí)現(xiàn)了高頻信號(hào)T_ON對(duì)高壓直流信號(hào)HVDC的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了功率放大，最終得到高頻高壓信號(hào)，即手術(shù)所需的高頻高壓信號(hào)。

圖2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 MOSFET driving circuit

在單極電切、單極電凝、雙極電凝三種工作模式下的信號(hào)頻率如表1所示。

表1 信號(hào)頻率參照表Tab.1 Reference table of the signal frequency

2 驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

高頻手術(shù)器期望的頻率控制信號(hào)如圖3所示，T0為基波周期，基波的頻率變化范圍為200～1000 kHz［3］;T1為調(diào)制波周期，調(diào)制頻率的變化范圍為0～39 kHz?？紤]到高頻手術(shù)器不同型號(hào)的要求，本系統(tǒng)的基波頻率變化范圍應(yīng)為200 kHz～1 MHz;鑒于對(duì)手術(shù)器輸出功率的控制，要求調(diào)制波的脈寬可調(diào)。

圖3 期望的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)Fig.3 Expected driving pulse signal

本系統(tǒng)采用FPGA設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率和脈寬都可調(diào)［4］的調(diào)制波，并得到相應(yīng)的脈沖信號(hào)。調(diào)制波的周期為b個(gè)脈沖周期長(zhǎng)，其高電平時(shí)間為a個(gè)脈沖周期長(zhǎng)，然后將基波和調(diào)制波進(jìn)行與操作。

2.1 脈沖發(fā)生器接口

采用FPGA實(shí)現(xiàn)基波信號(hào)和調(diào)制波信號(hào)頻率和脈寬的調(diào)整，由FPGA控制產(chǎn)生PWM信號(hào)［5］，這就可以保證信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。FPGA與微控制器的接口連接如圖4所示。

圖4 微處理器與FPGA的接口示意圖Fig.4 Interface between microprocessor and FPGA

2.2 發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Internal block diagram of driving pulse generator

基波數(shù)據(jù)寄存器值和調(diào)制波數(shù)據(jù)寄存器值計(jì)算方法［6］如下:

式中:Vbp為基波數(shù)據(jù)寄存器值;Vmp為調(diào)制波數(shù)據(jù)寄存器值;Fosc為外部時(shí)鐘的頻率;Fbp和Fmp分別為基波和調(diào)制波的脈沖頻率。

由Fout輸出的控制脈沖波形如圖6所示。

圖6 控制脈沖波形Fig.6 Waveform of the control pulse

采用Verilog語(yǔ)言［7］，可實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)前后調(diào)制脈沖發(fā)生器的仿真［8-9］。當(dāng)占空比數(shù)據(jù)寄存器值為0x0016、0x000A和0x0020時(shí)，out輸出波形的占空比分別為1∶1、4∶1 和16∶25。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于高頻手術(shù)器的應(yīng)用對(duì)象是病人，所以對(duì)可靠性和控制精度的要求很高。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，基于FPGA的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器，具有很高的可靠性。MOSFET的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率可以在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，因此，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路具有很大的通用性。

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