高频电刀的设计与实现
嵌入式系统应用
文章编号:1008-0570(2010)04-2-0050-03
(嵌入式与SOC)2010年第26卷第4-2期《微计算机信息》
高频电刀的设计与实现
DesignandrealizationofHFelectrosurgicalunit
(华北科技学院)
曹智文于家城
CAOZhi-wenYUJia-cheng
摘要:根据高频电刀设计成本和安全性的要求,本文设计的高频电刀采用UPSD325X-80型单片机作为核心控制单元,采用大
功率电子管作为功率器件,步进电机调节输出电容从而精确控制功率输出。设计完成的电刀成本相对较低、输出功率稳定,具有很好的切凝效果,其性能完全可以和进口的先进电刀媲美。关键词:高频电刀;电子管;步进电机;电切;电凝中图分类号:R608文献标识码:A
技术创新
Abstract:AccordingtotherequirementsofthecostandsafetyinHFElectrosurgicalUnitdesign,HFElectrosurgicalUnitadoptsUPSD325X-80single-chipasacorecontrolunit,useshigh-powervacuumtubeasapowerdevice,usessteppermotoradjusttheoutputcapacitorinordertoaccuratelycontrolthepoweroutput.Thecostisrelativelylower,outputpowerisconstant,soithasgoodcuttingandcoagulationeffectanditiscomparabletoforeignadvancedHF-ElectrosurgicalUnit.Keywords:HFElectrosurgicalUnit;thevacuumtube;steppermotor;cutting;coagulation
1高频电刀的工作原理
高频电刀是一种新型的取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极(电刀笔和病人板)将高频电流送入人体,在电刀笔下的局部组织中形成高密度电流,从而使局部产生高频能量能够以对病高热而达到切割和凝结两种电外科效果。
人最小的刺激通过人体而不会有任何电击危险。高频手术电刀不但使患者流溢出的血液少,而且手术面干净、清晰,对医务人员的视觉影响小,有利于手术操作的准确性和快捷性,目前已得到广泛应用。
Flash存储器、SRAM、6个I/O口、可编程序逻辑CPLD、电源管理、并具有USB、I2C、ADC、DDC和PWM等片内外部设备。本设计步进电机PWM脉冲驱动信号,既是由单片机的45,46,47脚输出。
单片机作为核心控制单元,通过光耦输出,对步进电机进行细分控制,完成对空气可调电容进行精密调节的目的,达到功率精确控制;通过输出控制继电器的开关完成切、凝功率控制和方式选择;振荡和功率放大部分核心控制器件是电子管,使电路设计大大简化;脚踏、手柄控制完成人机接口功能;检测电路报告电刀工作的状态,以便单片机进行控制。
2控制系统硬件的总体设计
高频电刀的硬件组成主要有:UPSD325X-80型单片机作为核心控制单元,液晶显示部分,振荡和功率放大,病人板,功率控制和方式选择开关,检测电路,脚踏、手柄控制。如图1所示。
3振荡和功率放大部分
目前,高频电刀主要有三种形式:火花式振荡电刀、电子管振
荡电刀、固体振荡式电刀。本文设计的是电子管振荡高频电刀。
振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。反馈振荡器一般利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡。在反馈振荡器中,LC并联回路是最基本的选频网络,振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。在高频电刀中采用谐振式输出电路,无需滤波即可输出很好的正弦功率波形。
电子管振荡电刀通常由大功率高频电子管与LC振荡回路组成,振荡比较稳定。输出为如图2所示的连续高频等幅波。
图1高频电刀的硬件组成
UPSD325X单片机的特点:uPSD325x系列单片机将ST公司著名的PSD(可编程序系统器件)和8032微控制器集成进一个芯片,形成一款功能强大的片上系统单片机。它内含两块
曹智文:讲师
--元年邮局订阅号图2电刀的输出波形
振荡和功率放大电路原理图如图3所示:电子管可采用大功率束射四极管或五极管,其中R1和输出变压器的中心抽头相连,与电子管的帘栅极相连,构成超线性输出级,使电子管非线性失真度大幅度降低;灯丝供电电压为6.3V交流电。L1和整流桥
现场总线技术应用200例》
嵌入式系统应用
图1是单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图。该电路用一片TA8435来驱动一个两相混合式步进电机,输入信号有使能控制、正反转控制和时钟输入,通过光耦可将驱动器与输入级进行电隔离,以起到逻辑电平隔离和保护作用;该电路工作在1/8细分模式(M1,M2接高电平),可减小低速时的振动,快恢复二极管可用来泄放绕组电流,由于REF引脚接高电平,输出级斩波电流为VNF/RNF=0.8/0.8=1A。当然也可将M1,M2接至单片机的输入输出引脚,根据需要选择细分方式。
输出相连,然后供给电子管阳极(屏极),栅极接LC振荡电路,电子管的阴极通过开关接地,图中开关均为继电器开关,继电器线圈有单片机的驱动信号通过光耦驱动,实现电刀的单极和双极功率切换,其中U1A闭合时为双极。电容C2为166PF空气可变电容器,容值通过步进电机进行精密调节。
单极纯切时输出功率最大,单极混切时输出功率次之,单极凝输出功率更小,双极凝时输出功率最小。
5高频电刀的设计原则
由于高频电刀是工作于人体这一特殊对象,因此有许多特殊的要求与限制,特别是在安全性方面不能有丝毫差错。此外,高频电刀的输出还应有频谱要求,在电切时要求输出高频电流的频谱越窄越好,最好是一单根谱线,所以要求电刀输出波形为正弦。另外,高频电刀为在不同人体上得到好的作用效果,对输出功率要进行控制,并且在工作时应根据工作点人体电阻的变化输出不同的功率,即按照预定的功率输出曲线输出功率,好的电刀功率曲线宽而平坦,而差的电刀是一峰状功率曲线。
本设计从电路和软件上均给与了充分的考虑并采取了相应的措施。设计了很好的人机对话界面。充分考虑了使用、生产和维修的要求,设计了相应的软件,以满足不同的要求,从而使用方便,生产简单。
图3振荡和功率放大电路原理图
6高频电刀的使用和软件设计
高频电刀有两种主要的工作模式:单极和双极。
技术创新
图4步进电机驱动电路
电子管的高频率、大功率的极限使晶体管的涉入尚有一定困难。电子管工作于高频、大功率的电器中,优点是电路相对简
过压、过流的影响,与半导体器件比较相对可靠单,而且对温度、
性更高。
电路中所用电感值均较大,因此需注意绕制方法。由于分布电容在低频时影响不大,但随频率的提高而渐显出来,当频率高
因此必须采用蜂房到某个值以上时,电感也许变成电容特性了。
式绕制。蜂房式绕法的优点是体积小,分布电容小,而且电感量大。蜂房式线圈都是利用蜂房绕线机来绕制,折点越多,分布电容越小。
图5电流对组织的切割效果图
4步进电机细分驱动电路
对于步进电动机控制系统的运动,只要能向驱动器发出两路信号就可满足要求:一路为控制脉冲方波信号,另一路为正反转控制方向电平信号。
细分从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分,最终实现对电容C2值得精密调节。
实现细分方式有多种方法,最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式,大多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式,TA8435H就是其中一种芯片。PLC技术应用200例》
图6软件主流程图
1.单极模式
在单极模式中,用一完整的电路来切割和凝固组织,该电路由高频电刀内的高频发生器、病人极板、接连导线和电极组成。
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嵌入式系统应用
在大多数的应用中,电流通过有效导线和电极穿过病人,再由病人极板及其导线返回高频电刀的发生器。
2.双极模式
双极电凝是通过双极镊子的两个尖端向机体组织提供高频电能,来达到凝固组织的目的。它的作用范围只限于镊子两端之间,对机体组织的损伤程度和影响范围远比单极方式要小得多。
高频电刀能输出各种不同波形的高频电流。当高频电流波形发生改变时,电流对组织的切割效果也会发生变化。
1.当高频电刀能输出固定的的高频电流对应“电切”状态,高频电刀瞬时产生大量的热量,这种热量能够使细胞汽化并切割组织。
2.当我们使电刀输出一种周期性的高频电流时对应“电凝”状态,这种电流的波形在单位时间产生的热量较少,因此与使细胞汽化效应不同的是,组织烧糊即呈现出电凝的效果。
3.当高频电刀输出一种介于“电切”和“电凝”之间的混合波形时,高频电流对人体组织的热效应也介于“电切”和“电凝”之间。如图5所示。
设计完成的高频电刀能完成单极电切、单极柔和电凝、单极强力电凝、双极电凝、自动双极电凝、等、混切等功能,主程序流程图如图6所示。
(嵌入式与SOC)2010年第26卷第4-2期《微计算机信息》
east101601,China)CAOZhi-wenYUJia-cheng
通讯地址:(065201河北三河燕郊华北科技学院206信箱电信息电子教研室)曹智文
(收稿日期:2009.04.30)(修稿日期:2009.07.30)
(上接第57页)
5实验分析
通过反复的调整参数,实际运行结果如图5所示。其中PID参数Kp=10、Ki=031、KD=15。在用改进的单神经元PID控制方式的时候,PID参数的初始值为常规PID的参数,式(3-8)中Kp学习速率为0.2,KI学习速率为1,Kd学习速率为0.3,Kp的限幅范围为[2,15],Ki的限幅范围为[0.2,1],Kd的限幅范围为[10,20]。设定温度为60℃,图中曲线1表示设定的温度曲线,曲线3为常规PID控制器的对温度的跟踪控制结果,曲线2为神经元PID控制器下的温度跟踪曲线,可以看出,采用智能控制方案,系统的超调小,稳态性能与动态性能远优于常规控制方案。
技术创新
7结束语
本文所设计高频电刀已经投入使用,采用单片计算机作为高频电刀的中心控制器,完成输出功率的设置与调节,各种参数的设置与显示等其他控制与计算功能。通过PWM脉冲控制步进电机技术,实现功率的精确调解,保证刀头输出功率恒定。采用电子管,工作频率为4M时,功率可达150W,电路设计相对简单。实验表明,该高频性能完全可以和进口的先进电刀媲美,而生产成本则大为降低。但仍需在性能、安全及人机化方面做了很多改进工作,以达到国外最先进技术水平,适应国际化的要求。
本文创新点:
电路中采用大功率电子管、谐振式输出电路,电路简单、可靠。PWM脉冲控制步进电机,进而精确控制可调电容的容值,保证刀头输出功率恒定。
本项目的经济效益:20万元。参考文献
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作者简介:曹智文(1972-)男,汉族,河北省保定人,华北科技学院讲师,研究方向:智能控制。
Biography:CAOZhi-wen,Male(Hanethnic),HeBeiProvince,lecturer,Researcharea:Intelligentcontrol.
(101601北京东燕郊华北科技学院电信系)曹智文于家城(ElectronicinformationengineeringDepartmentofNorthChinaInstituteofScienceandTechnology,YanjiaoBeijing---元年邮局订阅号图5实际控制输出波形
6结论
本文针对在工业温度控制过程中参数的时变,系统模型难以精确建立的情况,运用广泛使用的MSC-51单片机,设计了一个基于神经元PID控制的智能温度检测控制系统,由于神经元
操作简的自适应控制能力,控制效果好,超调小,具有控制准确、
单、故障率低等优点,具有很好的应用前景。参考文献
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作者简介:朱理(1975-),女,湖南湘潭人,讲师,湖南信息职业技术学院机电工程系,研究方向为:工业自动化及计算机检测控制。Biography:ZHULi(1975-),female,lecturer,Hunancollegeofinformation,majorintheresearchofIndustrialautomationandcomputermeasure&control.
(410200湖南长沙湖南信息职业技术学院)朱理
(Hunancollegeofinformation,Changsha,Hunan,410200,China)ZHULi
通讯地址:(410200湖南长沙望城湖南信息职业技术学院机电工程系)朱理
(收稿日期:2009.05.11)(修稿日期:2009.08.11)
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