徐富強(qiáng)，王 威，鄭小溪

（中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，武漢 430070）

0 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)間和減少術(shù)中出血[1]。傳統(tǒng)的高頻電刀一般不具備功率控制功能，無法根據(jù)組織阻抗變化控制輸出功率，手術(shù)中高頻電刀的功率一般由醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，如果設(shè)定不合理，往往會(huì)導(dǎo)致一些并發(fā)癥，如嚴(yán)重出血、穿孔等[2]。

與傳統(tǒng)高頻電刀不同，智能高頻電刀可以通過測(cè)量手術(shù)部位的組織阻抗控制功率的輸出，保護(hù)組織不被燒傷，以達(dá)到良好的手術(shù)效果[3]。其控制原理是利用反饋回路檢測(cè)手術(shù)刀頭接觸到組織的電阻或電壓、電流變化，然后將其送入微控制器進(jìn)行處理，從而控制功率輸出[4]。

目前，國際高端電外科設(shè)備已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電切和電凝功能，可以有效減少手術(shù)過程中出現(xiàn)焦痂和結(jié)扎力度欠佳的現(xiàn)象[5]。而國產(chǎn)的電外科設(shè)備還處在相對(duì)低端的水平上，僅適用于傳統(tǒng)的開放式手術(shù)，智能化程度不高[5-7]。本設(shè)計(jì)通過對(duì)傳統(tǒng)的高頻電刀Olympus PSD-30（基本頻率為350 kHz，最高開路輸出電壓為900 V，輸出功率范圍為2～50 W）的腳踏開關(guān)組件進(jìn)行改裝，設(shè)計(jì)阻抗反饋控制系統(tǒng)，通過測(cè)量手術(shù)部位組織阻抗控制高頻電刀的工作狀態(tài)，達(dá)到控制高頻電刀輸出功率的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由改裝的腳踏開關(guān)、測(cè)量單元和控制單元組成。其中測(cè)量單元用于測(cè)量和計(jì)算阻抗值，并確定高頻電刀何時(shí)中斷?？刂茊卧糜趨f(xié)調(diào)阻抗的安全測(cè)量以及控制高頻電刀的工作狀態(tài)。通過這3 個(gè)部分的協(xié)同工作，可以完成阻抗值的測(cè)量和高頻電刀輸出功率的控制。

1.1 改裝的腳踏開關(guān)

腳踏開關(guān)的改裝過程如下：首先，切斷連接電凝（電切）開關(guān)的導(dǎo)線，如圖1（a）所示；然后，將電凝（電切）繼電器接入導(dǎo)線兩端；最后，將連接電凝（電切）開關(guān)端的導(dǎo)線與單片機(jī)相連作為單片機(jī)的一個(gè)輸入，如圖1（b）所示。當(dāng)腳踏開關(guān)未踩下時(shí)，單片機(jī)控制電凝（電切）繼電器，使其處于斷開狀態(tài)，高頻電刀輸出功率為0 W。當(dāng)腳踏開關(guān)踩下時(shí)，有5 V 信號(hào)輸入單片機(jī)，指示電凝（電切）開關(guān)被按下，單片機(jī)根據(jù)測(cè)量單元測(cè)得的阻抗大小控制電凝（電切）繼電器的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電刀輸出功率的控制。

圖1 腳踏開關(guān)改裝前后電路原理圖

1.2 測(cè)量單元

測(cè)量單元主要由電源部分、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分組成，電路原理圖如圖2 所示。測(cè)量單元主要完成對(duì)被測(cè)器件阻抗的測(cè)量和比較。為了縮短測(cè)量時(shí)間，采用單頻生物阻抗測(cè)量法在50 kHz 頻率下進(jìn)行測(cè)量[8]。測(cè)量的基本原理是將50 kHz 1 Vpp 的正弦波作為參考信號(hào)輸入電流泵進(jìn)行處理后，輸出頻率為50 kHz、有效值（root mean square，RMS）為200 μA的恒定電流，該電流通過電極注入被測(cè)器件，然后采集電極兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律即可計(jì)算出被測(cè)器件的阻抗。

圖2 測(cè)量單元電路原理圖

1.2.1 電源部分

電源部分包括直流穩(wěn)壓電源、DC-DC 變換器、函數(shù)發(fā)生器和Howland 電流源[9]。直流穩(wěn)壓電源E3633A（輸出電壓范圍為9～36 V，輸出電流范圍為±50～±1 000 mA）為DC-DC 變換器提供輸入電壓。DC-DC 變換器將E3633A 輸入的電壓進(jìn)行變換后為Howland 電流泵、繼電器、活性電極（active electrode，AE）[10]、儀表放大器（instrumentation amplififier，IA）等器件提供相應(yīng)的電源。函數(shù)發(fā)生器4053 具有雙通道，帶寬為10 MHz，可用于產(chǎn)生各種高精度的調(diào)制波形。Howland 電流泵是一個(gè)壓控電流源，可以為測(cè)量負(fù)載提供穩(wěn)定的電流輸入，其輸出電流不受負(fù)載變化的影響，可保證被測(cè)器件的測(cè)量精度。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分主要包括AE、IA 和數(shù)據(jù)采集器（data acquisition，DAQ）。AE（如圖3 所示）用于穩(wěn)定被測(cè)器件的電壓信號(hào)。IA 用于對(duì)AE 輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用增益為2 的IA。DAQ 主要用于采集參考電壓信號(hào)和被測(cè)器件的電壓信號(hào)，其采樣頻率設(shè)置為251 kHz，符合奈奎斯特采樣頻率，可以確保獲得完整的波形。

圖3 AE 電路圖

1.2.3 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分主要由計(jì)算機(jī)中的LabVIEW 軟件完成。LabVIEW 軟件采集DAQ 的輸出信號(hào)，對(duì)阻抗值進(jìn)行計(jì)算并與設(shè)定的阻抗閾值進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到阻抗閾值，然后發(fā)送信號(hào)給DAQ 通知微控制器。為了減小測(cè)量誤差，測(cè)量單元中采用與被測(cè)器件阻抗相當(dāng)?shù)膮⒖茧娮琛?/p>

1.3 控制單元

控制單元電路原理圖如圖4 所示。Arduino UNO微控制器通過3 個(gè)輸入和5 個(gè)輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量繼電器（固態(tài)繼電器CPC1988[11]）和電凝（電切）繼電器（簧片繼電器9002[12]）通斷的同步協(xié)調(diào)，完成阻抗測(cè)量和對(duì)高頻電刀輸出功率的控制。

圖4 控制單元電路原理圖

微控制器的3 個(gè)輸入分別是電凝、電切信號(hào)輸入和DAQ 信號(hào)輸入，其中DAQ 輸入連接至單片機(jī)的中斷引腳。單片機(jī)通過讀取電凝、電切開關(guān)狀態(tài)判斷腳踏開關(guān)是否被踩下，通過讀取DAQ 信號(hào)確定電凝（電切）繼電器是否可以閉合。

單片機(jī)的5 個(gè)輸出分別是2 個(gè)測(cè)量繼電器控制信號(hào)、電凝開關(guān)信號(hào)、電切開關(guān)信號(hào)和發(fā)送至DAQ的信號(hào)。單片機(jī)控制2 個(gè)測(cè)量繼電器和電凝（電切）繼電器始終處于相反的工作狀態(tài)。當(dāng)電凝（電切）繼電器閉合時(shí)，高頻電刀輸出特定的功率，此時(shí)測(cè)量繼電器斷開以隔離高頻電刀防止電流進(jìn)入測(cè)量單元對(duì)其造成損壞。當(dāng)電凝（電切）繼電器斷開時(shí)，測(cè)量繼電器閉合，同時(shí)單片機(jī)發(fā)送信號(hào)至DAQ，通知LabVIEW 可以對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量。

1.4 系統(tǒng)工作過程

阻抗反饋控制系統(tǒng)工作原理圖如圖5 所示。當(dāng)踩下腳踏開關(guān)時(shí)，電凝（電切）開關(guān)將從高頻電刀來的5 V 電壓引入單片機(jī)，指示電凝或電切開關(guān)閉合，單片機(jī)讀取此信號(hào)控制電凝（電切）繼電器吸合，高頻電刀輸出特定的功率。此時(shí)，測(cè)量繼電器處于斷開狀態(tài)，將測(cè)量單元與高頻電刀隔離。若單片機(jī)監(jiān)測(cè)到腳踏開關(guān)仍處于閉合狀態(tài)，則斷開電凝（電切）繼電器，閉合測(cè)量繼電器，將測(cè)量單元連接到被測(cè)器件，微控制器同時(shí)發(fā)送一個(gè)信號(hào)到DAQ 通知LabVIEW 測(cè)量被測(cè)器件的阻抗并與閾值進(jìn)行比較。若未達(dá)到閾值，LabVIEW 停止測(cè)量，同時(shí)通過DAQ 發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，使測(cè)量繼電器斷開，電凝（電切）繼電器閉合，高頻電刀繼續(xù)為被測(cè)器件提供交流電。以上過程一直重復(fù)，直到測(cè)量到的阻抗達(dá)到閾值，LabVIEW通過DAQ 向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，中斷高頻電刀的功率輸出，避免被測(cè)器件從高頻電刀接收更多的交流電。

圖5 阻抗反饋控制系統(tǒng)工作原理圖

1.5 系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)

控制單元軟件在Arduino UNO 開發(fā)環(huán)境下用C++語言編寫。在編寫控制系統(tǒng)軟件時(shí)，需要考慮以下事項(xiàng)：（1）在繼電器的閉合和斷開之間增加25 ms的延遲，將測(cè)量單元和高頻電刀隔離，避免因電流流入測(cè)量單元而導(dǎo)致測(cè)量單元損壞。根據(jù)繼電器數(shù)據(jù)表[11-12]，測(cè)量繼電器和電凝（電切）繼電器的最大切換時(shí)間為20 ms，可以選擇25 ms 作為安全延遲時(shí)間，以防在驗(yàn)證階段出現(xiàn)錯(cuò)誤。（2）考慮從測(cè)量繼電器閉合至信號(hào)發(fā)送到DAQ 開始測(cè)量之間的25 ms 延遲，解決在繼電器切換過程中，當(dāng)繼電器未完全閉合時(shí)，初始測(cè)量阻抗值非常高的問題。（3）高頻電刀最短開啟時(shí)間為75 ms。綜合考慮以上因素，完成被測(cè)器件阻抗測(cè)量、高頻電刀開啟和停止再到下一次測(cè)量需要0.184 s。這意味著高頻電刀每秒觸發(fā)5.4 次，總接通時(shí)間為0.405 s，系統(tǒng)的占空比約為41%。完整的時(shí)序圖如圖6 所示。

圖6 控制單元工作時(shí)序圖

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

生物阻抗取決于一定頻率下細(xì)胞外液（extracellular water，ECW）和細(xì)胞內(nèi)液（intracellular water，ICW）電阻率的加權(quán)總和[13]。人體生物阻抗模型可以用RRC 三元件電路等效，其中ICW 的阻抗用Ri表示，ECW 的阻抗用Re表示，細(xì)胞膜電容用Cm表示，如圖7 所示。

圖7 RRC 電路圖

根據(jù)Cole-Cole 理論[14]，對(duì)于上述生物阻抗三元件模型，有如下結(jié)論：

式中，R0為頻率很低或?yàn)? 時(shí)RRC 電路的阻抗；R∞為頻率很高時(shí)人體生物組織等效電路的阻抗；fc為RRC 電路的特征頻率。以結(jié)腸息肉切除為例，在結(jié)腸息肉切除時(shí)，高頻電刀的負(fù)極板連接到大腿位置，正極處在結(jié)腸位置，為了減小測(cè)量誤差，在系統(tǒng)驗(yàn)證前，首先要確定大腿到結(jié)腸對(duì)應(yīng)的軀干位置的RRC 電路的阻抗。具體方法是采用人體成分分析儀ImpediMed SFB7[5]，將其電極的一端連接到大腿上負(fù)極板對(duì)應(yīng)的位置，另一端連接到軀干上結(jié)腸對(duì)應(yīng)的位置，測(cè)出R0和R∞，通過多次測(cè)量求R0和R∞的平均值，可確定Cole-Cole 頻譜阻抗圖，從阻抗圖上可以得到Ri、Re和50 kHz 頻率下的Cm的值，這樣就確定了結(jié)腸對(duì)應(yīng)軀干位置到負(fù)極板的RRC 參數(shù)。由于本系統(tǒng)在50 kHz 頻率下電流穩(wěn)定不變，所以RRC的參數(shù)值不變，在RRC 電路中串聯(lián)一個(gè)電位器，通過旋轉(zhuǎn)電位器可以模擬在高頻電刀工作過程中結(jié)腸部位阻抗的變化。

采用人體成分分析儀測(cè)量出軀干前部到大腿的3 次測(cè)量值的平均值分別為R0=62.06 Ω、R∞=25.35 Ω。而軀干后側(cè)至大腿的3 次測(cè)量值的平均值分別為R0=65.50 Ω、R∞=25.28 Ω。然后將這2 個(gè)位置的R0和R∞值取平均值，得到R0的平均值為63.78 Ω、R∞的平均值為25.32 Ω。由此可以確定Cole-Cole 頻譜阻抗軌跡圖，根據(jù)該軌跡圖可確定50 kHz 時(shí)，Re=64 Ω、Ri=13 Ω、Cm=1 nF。

通過以上測(cè)量可以確定人體在50 kHz 頻率下的Re、Ri和Cm。選用與以上測(cè)量值對(duì)應(yīng)的電阻、電容組成的RRC 電路模擬大腿到結(jié)腸對(duì)應(yīng)的軀干位置的阻抗，用電位器模擬結(jié)腸部位的阻抗。將被測(cè)器件阻抗閾值分別設(shè)置為500、750 和1 000 Ω，旋轉(zhuǎn)電位器對(duì)阻抗反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試，結(jié)果表明，參考電阻的阻抗保持在（475±5）Ω 之內(nèi)時(shí)，來自高頻電刀的交流電可以在以上阻抗閾值處都降為0 A。圖8為1 000 Ω 閾值驗(yàn)證時(shí)的功率阻抗曲線，踩下電凝開關(guān)并轉(zhuǎn)動(dòng)電位器將阻抗從68 Ω 上調(diào)到1 000 Ω（閾值）時(shí)，高頻電刀被控制單元自動(dòng)中斷，功率下降到0 W。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 1 000 Ω 閾值驗(yàn)證時(shí)的功率阻抗曲線

3 結(jié)語

本研究通過對(duì)傳統(tǒng)高頻電刀的腳踏開關(guān)進(jìn)行改裝，加入測(cè)量單元與控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻電刀輸出功率的自動(dòng)控制。概念驗(yàn)證結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)被測(cè)器件的阻抗（精度為±5 Ω），且在閾值處可以有效中斷高頻電刀的輸出。由于本設(shè)計(jì)是在不改變?cè)懈哳l電刀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，所以可以方便、安全地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)高頻電刀的升級(jí)，節(jié)約設(shè)備更新?lián)Q代帶來的高昂成本。本研究僅進(jìn)行了概念驗(yàn)證，下一步將通過動(dòng)物結(jié)腸樣本試驗(yàn)來確定合適的阻抗閾值，為進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)作準(zhǔn)備。