CN202843783U

CN202843783U - 一种高频刀安全保护控制系统

Info

Publication number: CN202843783U
Application number: CN 201120353246
Authority: CN
Inventors: 项莹莹; 孔令成; 储建华; 叶晓东; 张志华
Original assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Current assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-20

Abstract

本实用新型提供一种高频刀安全保护控制系统，具有主控制器模块，操作界面，报警模块，PWM模块，D/A输出模块，A/D采样模块，继电器控制模块，脚踏板控制模块，断电保护模块，隔离串口通讯模块。采用全闭环即时反馈技术自动检测并调节输出电压，使得不同的人体组织产生同样的效果，提高了高频刀输出功率的安全性和精度。

Description

一种高频刀安全保护控制系统

技术领域本实用新型涉及一种高频刀安全保护控制系统。

背景技术高频电刀(高频手术器)是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过有效电极尖端产生的高频高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。目前国内用户使用的高频电刀产品价格昂贵，技术多采用开环或半闭环反馈技术控制高频刀的射频功率输出，但是功率输出的安全性欠缺，在复杂的数据处理工作慢，影响到手术质量和手术速度，危及手术中病人和医生的人身安全。中国专利CN200720076569.1《高频电刀双闭环控制系统》描述了一种高频电刀双闭环控制系统，接受来自微处理器的二组设定信号，其包括有开关电源、高频功放、输出回路、第一误差放大器和第二误差放大器，该两误差放大器分别对开关电源和输出回路的采样信号与微处理器送来的两组设定信号作比较和误差放大，从而对高频电刀输出进行双闭环控制，使之与两组设定信号值相一致，但是该技术无法核对功率输出是否安全，无法对设置的输出功率参数进行输出功率的实时调节，安全性仍不够完善。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决的上述不足，提供一种高频刀安全保护控制系统。

技术方案

一种高频刀安全保护控制系统，其特征在于：具有主控制器模块，操作界面，报警模块，PWM模块，D/A输出模块，A/D采样模块，继电器控制模块，脚踏板控制模块，断电保护模块，隔离串口通讯模块；

所述主控制器模块，用于协调并控制各个模块的工作，采样部分即时反馈信号，并具有人机交互接口；

所述操作界面，包括按键、指示灯和LED数码管，用于建立人机交互界面，显示当前工作状态和工作参数，并且在系统出错时显示相应的错误代码；

所述报警模块，包括蜂鸣器和指示灯以及LED数码管，用于告知各种参数设置错误，传感器检测错误，以及实时功率输出错误等，并有相应的错误提示代码；

所述PWM模块，从控制器输出高频基波和主控制器输出载波共同控制高频刀的射频功率输出，并且在PWM输出端设有积分反馈信号供从控制器采样，用于实施控制功率输出；

所述D/A输出模块，从控制器用于实时控制高频刀当前工作模式和输出功率下的反馈信号的比较阈值；

所述A/D采样模块，系统采用全闭环即时反馈技术，在逆变电源的输入输出节点均有反馈信号供主从控制器采样，在射频功率输出端也设有电压和电流反馈回路，此外还有人体阻抗反馈回路供主从控制器采样，这样系统对输出功率进行多样化控制，大大提高了射频输出功率控制的安全性和精确性；

所述继电器控制模块，继电器的闭合控制依赖于选定的工作模式和设置的输出功率，根据不同的设置有选择的开闭继电器以提供相应的功率控制和反馈信号；

所述脚踏板控制模块，包括脚踏开关和隔离供电电路，脚踏模块用于调节实时输出功率的增大或减小；

所述断电保护模块，包括电源检测和自动切换电路，当系统断电时，控制系统部分的双口RAM自动切换到3V锂电池供电，保护当前工作参数；

所述隔离串口通讯模块，系统配备带隔离的RS232电脑通讯接口。

上述的高频刀安全保护控制系统，所述高频刀安全保护控制系统还包括：统计与管理模块，系统配置512kB Flash、4kB双口RAM和8kB EEPROM。

上述的高频刀安全保护控制系统，所述高频刀安全保护控制系统还包括：REM检测模块。

上述的高频刀安全保护控制系统，所述REM检测模块，识别患者回路极板是否带有REM功能，根据采样的接触电阻值判断是否超出安全值范围，并发出警告。

本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、现有技术多采用开环或半闭环反馈技术控制高频刀的射频功率输出，与之相比，本实用新型采用的是全闭环反馈技术，在功率输出部分设有多个电压、电流采样点，并且对人体阻抗进行采样分析，以便手术过程中根据人体阻抗的变化，调节输出功率，极大的提高了功率输出的安全性。

2、控制系统的主从控制器采用IDT71342双口RAM通讯。基于双口RAM的主从控制器通讯，两个端口均具有独立的控制信号线、地址线和数据线，当左右端口对不同存储空间进行读写操作时，可以同时进行数据的存取；若对共享区域中的同一个存储单元同时进行存储操作时，则IDT71342自动完成访问权限仲裁，完全独立于主从控制器。主从控制器Atmega1280+双口RAM控制方式，很好地解决了高频刀使用过程中高速数据传输的要求，同时能够完成复杂的数据处理工作，从而兼顾了数据处理所需要的大吞吐量和高速性。

3、本实用新型在软件控制方面采用了剂量测定误差算法和即时反馈PID算法相结合，两种算法均基于选定的工作模式和设置的输出功率参数进行输出功率的实时调节。

4、系统带有REM检测模块，系统自动识别患者回路极板是否带有REM功能，对患者回路阻抗进行检测，依据是否带有REM功能进行计算功率输出是否安全。

附图说明

图1是高频刀安全保护控制系统结构图。

图2是高频刀安全保护控制系统原理图。

图3是高频刀输出功率控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步的描述。

参照图1和图2，高频刀安全保护控制系统包括主控制器模块，用于协调并控制各个模块的工作，采样部分即时反馈信号，并具有人机交互接口；从控制器模块，用于控制高频刀的射频功率输出和采样即时反馈信号；双口RAM模块，用于主从控制器通讯；隔离串口RS232模块，用于高频刀和电脑通讯，便于操作人员联机操作高频刀。主从控制器采用Atmel公司的Atmega1280芯片，该芯片具有速度高、存储容量大、资源丰富等特点。

主控制器Atmega1280用于协调并控制各个模块的工作，采样部分即时反馈信号，并具有人机交互接口和隔离串口通讯模块，通过操作界面或者电脑，设定当前工作状态和工作参数，并把设置参数存储到双口RAM的共享区域，供从控制器读取。当系统设置错误或者系统自检不成功时，蜂鸣器开始鸣声，LED灯以及LED数码管中显示错误代码，用于告知各种参数设置错误，传感器检测错误，以及实时功率输出错误等，并有相应的错误提示代码。

射频功率输出的PWM控制，高频刀的工作频率和输出波数由从控制器定时器3的PWM输出高频基波，高频基波为高频刀工作频率和主控制器定时器3的PWM输出载波控制共同控制完成；高频刀输出功率调节电路由从控制器定时器1的PWM输出基波和主控制器定时器1的PWM输出载波共同控制完成。

操作界面包括指示灯、LED数码管和按键及驱动电路，并由主控制器的PD口、PJ5:2和PL口控制，完成工作模式切换和功率设置，以及各种状态指示和错误提示等。

系统串口通讯模块采用带隔离的RS232 ADM3251E芯片，避免产生干扰。从而保证在新的回路引入的情况下，不降低高频刀系统的安全性。串口通讯模块连接主从控制器的USART0，用于电脑控制高频刀工作时，实现上下位机实时通讯，并且编有相应的通讯代码。

从控制器Atmega1280在主控制器给予复位信号后，开始运行，从双口RAM共享区读取当前设置命令，对命令进行分析后，使能D/A输出和PWM输出，开闭相应的继电器提供功率输出和反馈信号等级。D/A输出模块采用4路输出TLC7226芯片，从控制器通过总线控制D/A输出，用于实时控制高频刀当前工作模式和输出功率下的反馈信号的比较阈值。

A/D采样模块，主从控制器Atmega1280自带16路10位ADC模块，不需要外扩ADC电路。系统采用全闭环即时反馈技术，在逆变电源的输入输出节点均有反馈信号供主从控制器采样，在射频功率输出端设有电压和电流反馈回路，主控制器采样功率输出端的电流反馈信号，从控制器采样功率输出端的电流和电压反馈信号，此外还有人体阻抗反馈回路供主从控制器采样，采样信号作为剂量误差算法和即时反馈PID算法调整的依据。

双口RAM模块采用IDT71342高速RAM芯片，根据系统需要IDT71342的4kB空间被划分为3块存储区，1kB作为主控制器数据区，保存当前工作状态、系统设置和错误报警等参数；1kB作为从控制器数据区，保存当前功率输出状态等参数；2kB作为主从控制器共享数据区，用于存取当前实时工作参数，主控制器发送需要回检数据和从控制器需要上报数据均存储在此区域。基于双口RAM的主从控制器通讯，两个端口均具有独立的控制信号线、地址线和数据线，分别连接到主从控制器Atmega1280的总线端口。当左右端口对不同存储空间进行读写操作时，可以同时进行数据的存取；若对共享区域中的同一个存储单元同时进行存储操作时，则IDT71342自动完成访问权限仲裁，完全独立于主从控制器，从而保证系统功率控制需要反馈的数据通讯的有效性和实时性。

脚踏板控制模块，包括脚踏开关和隔离供电电路。采用隔离供电，为了防止干扰，从而保证在新的回路引入的情况下，不降低高频刀系统的安全性。脚踏模块用于调节实时输出功率的增大或减小，方便医生在手术过程中调节高频刀的输出功率。

断电保护模块，包括电源检测和自动切换电路，以及备份供电用的3V锂电池构成。当系统断电时，自动切换电路工作，双口RAM自动切换到3V锂电池供电，保护当前工作参数。

高频刀安全保护控制系统还包括：统计与管理模块，系统配置512kB Flash、4kB双口RAM和8kB EEPROM，用于存储控制软件、工作模式设置和功率参数设置、高频刀检测到的最近20个错误代码、每种模式的工作次数和工作时间、每种工作模式的平均功率设置、高频刀的总工作时间及其他维修相关信息。

此外，系统还具有REM监测功能，当系统连接带REM功能的患者回路极板，也就是单极切割模式时：若所测接触电阻超出安全标准范围时，一般低于5欧姆或者高于135欧姆或超出初始测量阻值的40％时，系统以较小者为准，REM报警指示灯变红，蜂鸣器发出两次报警声，同时射频功率输出被禁止；REM报警指示将一直保持红色，直至排除产生报警的故障原因，然后指示灯变绿，射频功率输出恢复。当系统连接无REM安全检测功能的患者回路极板，也就是双极模式时：若所测患者回路电极两脚之间的接触电阻超过20欧姆时，REM报警指示灯变红，蜂鸣器连续发出两次报警声，同时射频功率输出被禁止，直至产生故障的原因被排除，然后报警指示灯熄灭，射频功率输出被重新使能。

在所述高频刀安全保护控制系统中，首先主控制器进行各个模块的初始化，自检完成之后，读取双口RAM中上一次工作状态参数，并在操作面板显示，默认的工作模式和输出功率均为上次工作时的设置值，然后复位从控制器，防止系统误动作输出射频功率。

在软件控制方面采用了剂量测定误差算法和即时反馈PID算法相结合，两种算法均基于选定的工作模式和设置的输出功率参数进行输出功率的实时调节。

全闭环即时反馈技术，自动检测并调节输出电压，使得不同的人体组织产生同样的效果。这种调节是基于所选定的工作模式，可选择单级、双极或仅切割、凝血模式，包括功率设定和人体阻抗水平，系统设置多个功率输出端采样点，主从控制器同时采样反馈信号，实现真正的闭环控制功率输出；剂量测定误差算法，依赖于选定的工作模式。在双极或切割模式下位闭环剂量误差算法，主控制器在从控制器使能射频功率输出时，采样回来的反馈信号作为剂量测定误差算法的实际输出参数，并与预期的输出参数进行比较，以确保从控制器安全正常工作；在凝血模式下位开环剂量误差算法，此时基于逆变电源端的反馈信号采样，判断射频功率输出是否超出安全值。

即时反馈PID算法是一种闭环模式算法，适用于双极和切割模式，不适用于凝血模式。即时反馈PID算法基于人体阻抗反馈信号，根据人体阻抗从短路到开路逐渐增大，采用恒流、恒功率和恒压分段控制。控制输出最大电压用来减少电容耦合、降低视频干扰以及消除火花。在低阻抗情况下，恒电流可保护输出电路；在高阻抗情况下，恒电压控制可限制电弧和电磁干扰。依据功率对电压、电流和阻抗的关系进行计算：P＝I2R＝V2/R，恒流、恒功率和恒压分段控制临界点由实验数据曲线拟合来确定。

高频刀输出功率控制流程如图3所示。首先进行系统自检，自检内容包括校准、扬声器、指示灯和显示等。只有成功完成自检才可以正常使用，否则会输出错误功率。如果系统自检不成功，报警器会响一下，然后面板显示一个错误代码，依照错误代码提示排除故障，然后重新开机，直至成功完成自检。自检完成之后，根据需要选定工作模式和设置输出功率，系统根据上述设置切换到相应的输出控制，单极模式或双极模式分别使用不同的控制算法，双极模式：首先设定双极参数包括工作频率和输出功率等，然后检测是否有报警事项，有则调整设置，直至报警取消，没有就进行下一步判断，若工作在自动模式，在按键按下或脚踏踩下即自动输出功率直至输出时间结束；若工作在手动模式，在按键按下或脚踏踩下才可以输出功率，直至手动关断输出。在功率输出过程中须循环检测REM回路，保证输出安全。单极模式：首先设定单极参数包括工作频率和输出功率等，在按键按下或脚踏踩下时，输出功率直至输出时间到，在功率输出过程中，需要循环检测患者回路敷肌板，采用模糊控制方法来保证患者回路的安全性。综上所述，配合操作面板或者脚踏板或者电脑实现实时工作模式和输出功率切换。在功率输出过程中，系统根据反馈信号决定采用剂量误差算法和即时反馈PID算法中的具体运算方程。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型的高频刀安全保护控制系统进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种高频刀安全保护控制系统，其特征在于：具有主控制器模块，操作界面，报警模块，PWM模块，D/A输出模块，A/D采样模块，继电器控制模块，脚踏板控制模块，断电保护模块，隔离串口通讯模块；

所述断电保护模块，包括电源检测和自动切换电路，当系统断电时，控制系统部分的双口RAM自动切换到3V锂电池供电，保护当前工作参数；所述隔离串口通讯模块，系统配备带隔离的RS232电脑通讯接口。

2.如权利要求1所述的高频刀安全保护控制系统，其特征在于：所述高频刀安全保护控制系统还包括：统计与管理模块，系统配置512kB Flash、4kB双口RAM和8kB EEPROM。

3.如权利要求1所述的高频刀安全保护控制系统，其特征在于：所述高频刀安全保护控制系统还包括：REM检测模块。

4.如权利要求3所述的高频刀安全保护控制系统，其特征在于：所述REM检测模块，识别患者回路极板是否带有REM功能，根据采样的接触电阻值判断是否超出安全值范围，并发出警告。