摘要：針對醫(yī)用高頻電刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要采集和控制的信息量大的難點，提出了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀設(shè)計及其與之配套的自動測試系統(tǒng)。主控制、射頻控制、數(shù)據(jù)采集、用戶界面分別采用獨立的MCU控制。MCU之間分工協(xié)同工作，通過串行接口USART和SPI，并根據(jù)約定的通信協(xié)議進行通信；射頻產(chǎn)生電路由負責(zé)射頻控制的MCU控制復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，從而產(chǎn)生控制功率驅(qū)動電路的方波。經(jīng)測試，該系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定，系統(tǒng)參數(shù)靈活可調(diào)，且提高了高頻電刀的實時性和安全性。
關(guān)鍵詞：高頻電刀；多MCU；USART；SPI；CPLD
0 引言
高頻電刀是一種利用高頻電壓電流的熱效應(yīng)進行手術(shù)切割的電外科器械，一般具有電切和電凝的功能；相對于機械手術(shù)刀具有準確快捷、微創(chuàng)治療的優(yōu)點；其基本原理是通過在手術(shù)電極產(chǎn)生0．3～1 MHz頻段內(nèi)的高壓射頻信號對人體組織進行加熱，從而實現(xiàn)組織切割和凝固。本文設(shè)計了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀，主要介紹系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)、各MCU的分工、MCU之間的通信方式和協(xié)議、射頻產(chǎn)生電路、功率電路及其測試系統(tǒng)的設(shè)計。
1 高頻電刀的工作原理和設(shè)計原則
1．1 高頻電刀工作原理
因為生物組織是導(dǎo)電體，當(dāng)有電流通過人體組織時，可同時產(chǎn)生熱效應(yīng)、電離效應(yīng)和法拉第效應(yīng)；低于100 kHz的交流電會產(chǎn)生有限的如肌肉痙攣、疼痛、心室纖維顫動等(法拉第效應(yīng))；當(dāng)電流頻率達到100 kHz以上時，法拉第效應(yīng)明顯減少；當(dāng)高于300 kHz時可忽略不計；而當(dāng)頻率達到1．5 MHz以上的電流通過人體時，對肌體的刺激作用已非常微弱，高頻電流雖對人體已經(jīng)沒有刺激作用，但會使具有一定阻抗的人體組織產(chǎn)生熱效應(yīng)；高頻電刀就是利用高頻電流的只產(chǎn)生熱效應(yīng)而不產(chǎn)生電離和法拉第效應(yīng)這一特性制成的。它將高頻電流聚集于電刀電極的尖端，由于尖端與人體接觸面積小、電流密度大，會產(chǎn)生較高能量如果電流是持續(xù)的高頻電流，細胞受到的熱量會逐漸增加，當(dāng)熱量達到一定程度時，接觸處的細胞會受熱破裂，細胞破裂后其水份成為水汽，帶走細胞上的熱量，利用手術(shù)電極上高密度的高頻電流使人體組織切除或分開，這就是電切；如果電流是間斷的高頻電流，產(chǎn)生的熱效應(yīng)也是間斷的，細胞內(nèi)部水份得不到足夠的高溫，細胞就不會破裂，但會慢慢脫水，細胞就會干枯凝固，這就是電凝；電切和電凝是高頻電刀的2種基本工作模式。
1．2 高頻電刀的設(shè)計原則
從高頻電刀的工作原理可知，其安全性至關(guān)重要。高頻電刀的輸出還應(yīng)有頻譜要求，在工作時要求輸出高頻電流的頻譜越窄越好，最好是一單根譜線，故要求電刀輸出波形為純凈的正弦波。另外，為在不同人體組織上得到好的作用效果，對輸出功率要進行控制，并且在工作時應(yīng)根據(jù)工作點人體電阻的變化輸出不同的功率，即按照預(yù)定的功率輸出曲線輸出功率，好的電刀功率曲線寬而平坦，而差的電刀則是尖峰狀功率曲線。
2 基于多MCU的系統(tǒng)設(shè)計
2．1 設(shè)計原理和電路拓撲圖
由于醫(yī)用高頻電刀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要采集和控制的信息量大，同時為了提高系統(tǒng)的安全性和實時性，本系統(tǒng)采用多MCU控制的設(shè)計。MCU選用基于RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗AVR單片機ATmega128。其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；而且具有包括USART、SPI串行通信接口以及8通道10位AD轉(zhuǎn)換等在內(nèi)的豐富外設(shè)。MCU之間分工協(xié)同工作，通過ATmega128自帶的USA RT和SPI接口通信。各個MCU的連接拓撲圖如圖1所示，其中：負責(zé)數(shù)據(jù)采集和電刺激輸出的MCU定義為M0，負責(zé)射頻與控溫的MCU定義為M1，負責(zé)顯示界面與整體控制的MCU定義為M2，負責(zé)用戶輸入和PC通信的MCU定義為M3?；诙郙CU的設(shè)計使數(shù)據(jù)采集、射頻控制、人機界面分開，保證了高頻電刀控制的安全性和實時性，并且人機交互更加順暢。
2．2 通信方式和協(xié)議
本系統(tǒng)采用多MCU分工協(xié)同工作，工作過程中MCU之間需要實時和大量的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)的通信是基于串行通信SPI和USART的。SPI接口是Motorola首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式(Master Slave)架構(gòu)。UART定義了數(shù)據(jù)傳輸過程中如何打包解包以及如何做可靠性處理，屬于通信協(xié)議層，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收；包括了RS 232，RS 423，RS 422和RS 485等接口標準規(guī)范和總線規(guī)范。 SPI和USART都可以實現(xiàn)全雙工通信。
在本系統(tǒng)中，UART通信使用RS 232接口標準，與TTL電平相比，可以有效地增加通信距離。握手方式采用硬件握手，DTR／DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS／CTS用于單個數(shù)據(jù)包的傳輸。M0使用2個UART異步串行口，均帶有DTS(輸入)和DTR(輸出)檢測。M1使用2個均帶有DTS和DTR的異步串行口，另加一個SPI同步串行口。M2使用一個UART口與M0進行通信，當(dāng)顯示設(shè)備為LCD屏?xí)r，使用第2個UART口；另外，M2使用固定的軟SPI口與M3進行通信。M3使用2個UART串行口與外部進行通信，使用一個軟SPI口與M2進行通信，另外加一個軟SPI口進行聲音控制，阻抗不同則聲音的頻率不同，醫(yī)生通過聲音即可判斷電極進入組織的深度。定義所有的異步串行口均為：8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。系統(tǒng)各MCU之間通信機制如下：
握手過程：
(1)開機，M0～M3均進行自檢，MCU板子獲取數(shù)據(jù)后，進入等待模式；
(2)M2進入初界面后，對每個MCU依次發(fā)送獲取軟件版本的命令，如果每個MCU都在1 s時間內(nèi)返回回應(yīng)幀則認為連接無問題，自檢通過；
(3)M2向M0獲取各種電極信息，存入全局變量中，握手成功。
通信過程：
(1)定義M2任何時候均為主機，相對于M2，M0、M1和M3均為從機。發(fā)送查詢楨后，從機均以中斷方式返回查詢數(shù)據(jù)，主機應(yīng)檢驗該數(shù)據(jù)楨是否為所需要的，數(shù)據(jù)是否正確；
(2)M0和M1之間，M1是主機，M0是從機，以中斷方式響應(yīng)。
3 射頻產(chǎn)生電路的設(shè)計
3．1 高頻信號的產(chǎn)生
高頻信號的產(chǎn)生方法有多種，以往的高頻電刀設(shè)計多是采用單片機直接產(chǎn)生或者利用脈寬調(diào)制器芯片控制功率驅(qū)動電路的PWM脈沖；而單片機產(chǎn)生的脈沖信號源由于是靠軟件實現(xiàn)的，所以輸出頻率及步進受單片機時鐘頻率、指令數(shù)和指令執(zhí)行周期的限制。本系統(tǒng)是由負責(zé)射頻控制的MCU(M1)控制復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，從而產(chǎn)生控制功率驅(qū)動電路的方波。CPLD通過對晶振頻率分頻產(chǎn)生485 kHz的方波，驅(qū)動后續(xù)的功率電路。脈沖信號源的參數(shù)(頻率、占空比)由負責(zé)射頻控制的MCU設(shè)置，并通過SPI接口與CPLD通信，將波形參數(shù)發(fā)送到CPLD。本設(shè)計主要特點有：
(1)波形信號精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)頻率不會隨工作時間出現(xiàn)漂移；
(2)波形的占空比等參數(shù)易于設(shè)置，從而可以靈活地控制和調(diào)節(jié)射頻輸出功率，以選擇最佳的功率參數(shù)。
3．2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和選頻電路
射頻功率放大電路要對CPLD產(chǎn)生的485 kHz方波進行放大，經(jīng)阻抗變換和濾波電路將正弦波耦合到電極上。CPLD輸出的方波首先要驅(qū)動功率MOS管，這樣就實現(xiàn)了高頻信號對直流電壓的控制，即功率放大。此時經(jīng)過放大的脈沖信號不是手術(shù)所需的高頻高壓電流，還要經(jīng)過阻抗匹配和選頻濾波才能形成手術(shù)所需的正弦波。由矩形脈沖信號的傅里葉分析可知，脈沖寬度為τ，幅度為E，重復(fù)周期為T1的矩形脈沖信號的基波幅度a1=(2E／π)sin(τ／T1π)，頻帶寬度B=2π／τ；因此通過改變CPLD產(chǎn)生方波的占空比，可以靈活的選擇最佳輸出功率和選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。
3．3 基于電源管理芯片的射頻功率電源設(shè)計
針對高頻電刀不同的工作模式需要不同的射頻電路功率電壓，設(shè)計了可由MCU控制的可調(diào)功率電壓輸出。以高頻電刀使用電凝功能時為例，設(shè)計要求為：輸入為37 V時，通過調(diào)整控制端，要求輸出可以為13 V，17 V，21 V，25 V，29 V，最大電流為2．5 A。應(yīng)用電路如圖2所示。
方案選擇：設(shè)計采用LINEAR公司的LT1074芯片，Vin的范圍達到7．3～45 V，Vout在2．21～0．85Vin范圍可調(diào)，輸出電流最大可達4．4 A，能滿足設(shè)計要求。Vout計算公式：
故可通過MCU控制改變R2的值就可以得到相應(yīng)的電壓；經(jīng)仿真，當(dāng)R2的誤差為5％時，Vout的誤差在5％以內(nèi)。
4 測試系統(tǒng)的設(shè)計
4．1 電源測試系統(tǒng)
對于整個高頻電刀系統(tǒng)來講，電源的性能至關(guān)重要，因此設(shè)計了電源板的自動測試工裝，分別測試電路工作電壓和射頻功率電壓。設(shè)計思路：負載工裝可在單片機控制板的控制下變換負載，PC機通過RS 232接口與單片機控制板通信發(fā)送控制指令；臺式萬用表測量在不同負載下電源板的各項數(shù)據(jù)，PC機通過USB接口與臺式萬用表通信接收萬用表測量的數(shù)據(jù)；測試的運行是在PC端上位機軟件的控制下完成的。自動測試系統(tǒng)測試在額定電流下的工作電壓，空載、半載、全載時的射頻功率電壓并將測試數(shù)據(jù)記錄到Excel文件。系統(tǒng)連接框圖如圖3所示。
4．2 射頻輸出測試
射頻輸出是最終耦合到電極上高頻電流的輸出，需要對其實際輸出功率、功率曲線、波峰因子(CF)、射頻漏電量、接觸阻抗等進行測量；單獨制作測試工裝會過于復(fù)雜。經(jīng)調(diào)研，F(xiàn)LUKE公司的QA-ESⅡ電刀分析儀可以全面的對以上測試量進行測量，且該電刀分析儀可以通過RS 232接口與PC通信，即可以由PC機發(fā)送指令控制電刀分析儀對射頻輸出進行測量，電刀分析儀也可將測試數(shù)據(jù)回發(fā)到PC機。根據(jù)QA-ESⅡ電刀分析儀的通信指令和與PC的通信協(xié)議，編制上位機軟件，實現(xiàn)上位機控制的射頻輸出自動化測試系統(tǒng)，可以方便地對射頻輸出的功率曲線，波峰因子、漏電量等進行測量，并將測試數(shù)據(jù)記錄在本次測試的Excel文件。
5 結(jié)語
本文所設(shè)計的高頻電刀已經(jīng)投入市場使用。在實驗過程中，利用本系統(tǒng)高頻脈沖信號參數(shù)實時可調(diào)的特點，可以方便的對系統(tǒng)的輸出功率、選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)等進行調(diào)試、配置，然后選擇最佳的設(shè)計方案；數(shù)據(jù)采集、射頻控制分開控制使系統(tǒng)更安全。經(jīng)測試，本系統(tǒng)安全性能達到高頻手術(shù)設(shè)備安全要求，射頻功率方便可調(diào)，功率曲線平坦。
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