CN211934284U

CN211934284U - 一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置

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Publication number: CN211934284U
Application number: CN201921305402.7U
Authority: CN
Inventors: 刘富春; 王松波
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2029-08-13

Abstract

本实用新型公开了一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置，包括机壳，以及：医用电源接口电路，用于提供直流电源；超声射频驱动控制电路，用于产生高精度频率的两路互补PWM信号，依据目标频率减小PWM信号的占空比，接着将信号进行功率放大后驱动推挽电路交替导通，使直流信号推挽导通，将信号传递至功率驱动隔离模块；功率输出隔离电路，用于控制电路传递的信号使换能器在工作频率范围内谐振；同时采集电流、电压的幅值和相位传输至超声射频驱动控制电路进行PID控制；可触摸的人机交互接口电路，连接超声射频驱动控制电路。本实用新型具有安全性高、可靠性强、生产成本低、便于操作等优点，适用于常见的现代外科手术中。

Description

一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置

技术领域

本实用新型涉及智能微创医疗技术领域，尤其涉及一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置。

背景技术

超声手术刀，作为一种外科手术中常用的医疗器械之一，其工作原理是通过驱动超声换能器将电能转换为机械能，进而驱动手术刀在谐振频率点上进行高频振动，使组织内的水汽化，蛋白质氢键断裂、变性，细胞崩解，使组织被切开或凝固，在组织分离和组织切割的同时凝血止血。因其术中出血少、术后恢复快且不留痕的效果，在医疗领域中取得了较好的反响和较为广泛的应用。

射频手术刀，采用定向射频电波专利技术，由可选择的不同形状的发射极(刀头)定向发出射频电波，在接触身体组织后，由组织本身产生阻抗，使目标组织内的水分子在射频电波作用下瞬间振荡汽化，引起细胞破裂蒸发，并在其低温(40℃)恒温状态下通过改变输出波形实现切割、止血、混切、电灼、消融、电凝等功能。其采用较高的工作频率(1.5M～4.5MHz)，高频稳定输出，实现最小的组织损伤和细胞改变，组织热损伤深度仅为普通传统电刀的几十分之一，是迄今为止创伤最小的手术设备。

随着医疗水平的日益提高，微创手术越来越成为外科手术的发展趋势和追求目标，总体来说，微创手术相比传统手术方式，患者受到的创伤小，术后可很快恢复健康，无并发症和后遗症，可配合腹腔镜进行多角度观察，达到直观检查的效果，减少漏诊、误诊事件的发生，可广泛应用于各种手术，随着医生操作水平的提高，智能微创手术系统在各种手术中的运用频率将大大提高，手术效果也将更加显著。因此，超声微创技术和射频微创技术也必将广泛应用于未来的医疗领域中，但是由于国外技术壁垒、研发成本高等因素，国内大部分超声设备和射频设备依赖进口，而且常见的超声手术设备和射频手术设备中，因二者电信号频率及功率的差异较大，系统的集成存在一定的困难。基于上述问题，可见当今微创手术设备尤其是超声手术设备和射频手术设备的应用，存在成本高、集成度低、使用不方便等缺点。

因此，在保证微创手术设备安全可靠的前提下，降低其研发及使用成本，提高微创手术设备装置的精度，成为相关研究领域的关键问题之一。

实用新型内容

基于上述提出的现状和所在问题，本实验室提出了一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置，包括机壳，所述机壳内设置有：

医用电源接口电路，用于向各电路提供了相应电压的直流电源；

超声射频驱动控制电路，用于产生高精度频率的两路互补PWM 信号，依据目标频率减小PWM信号的占空比，接着将信号进行功率放大后驱动推挽电路交替导通，使直流信号推挽导通，将信号传递至功率驱动隔离模块；

功率输出隔离电路，用于根据超声射频驱动控制电路传递的信号使换能器在工作频率范围内谐振；同时采集电流、电压的幅值和相位传输至所述超声射频驱动控制电路进行PID控制；

可触摸的人机交互接口电路，连接超声射频驱动控制电路，用于对功率、音量进行设置，以及输出设备运行时的相关状态信息。

进一步地，所述的超声射频驱动控制电路包括：

微控制器#1，用于控制BUCK开关电源输出电压的大小以及直接数字式频率合成器DDS输出PWM波的幅值和频率大小；

直接数字式频率合成器DDS，用于通过接收微控制器#1发出的控制信号，生成指定幅值、频率的PWM信号，传输至所述功率 MOSFET驱动电路；

功率MOSFET驱动电路，其以BUCK开关电源输出电压作为驱动信号，用于对直接数字式频率合成器DDS产生的PWM信号进行幅值放大，并传输至隔离升压变压器；

隔离升压变压器，用于将已放大的高频信号进行升压放大，用于为超声刀换能器和射频电刀提供高频、高压信号；

测量电路，用于通过实时测量功率MOSFET驱动电路和直接数字式频率合成器DDS的输出信号，并反馈给微控制器#1，从而对输出信号的功率、频率大小进行PID控制；

BUCK调节电路，外接48V开关电源，用于通过微控制器#1产生的PWM信号调节电路的输出电压VCT，进而驱动功率MOSFET 驱动电路工作。

进一步地，所述的微控制器#1采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4。

进一步地，所述的功率输出隔离电路包括：

微控器#2，用于接收来自二次侧测量电路输出的刀具接口电压、电流及相位信息，经处理后传输至电气非隔离区，实现对手术刀具工作状态下的电压、电流进行控制；

光耦隔离电路，用于实现电气隔离区和电气非隔离区两部分电路之间没有电气连接，防止电路之间信号的相互干扰；

二次侧测量电路，用于通过对手术刀具接口电路输出电压、电流及其相位的实时检测，与微控制器#2实时通讯，传输手术刀具的工作状态信息；

手术刀具接口电路，用于通过继电器实现了不同驱动信号的传输，实现了55.5kHz超声信号、1.8MHz射频信号和4MHz射频信号的传输，满足不同刀具的工作需求；

隔离电源，用于为功率输出隔离电路提供电压输入，驱动电路正常工作。

进一步地，所述的微控制器#2采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4。

进一步地，所述光耦隔离电路采用H11L1光耦隔离芯片，使被隔离的两部分电路之间没有电气连接，防止因有电的连接而引起信号干扰，减少电压控制电路与外部高压电路之间的干扰。

进一步地，所述人机交互接口电路包括：

微控制器#3，用于与各驱动电路进行实时通讯，保证协同交互工作的高速性和快速性；

存储电路，用于存储交互系统所需的语音库和字库，用户可以对存储器内容尤其是语音系统所需音频文件进行添加或删除；所述微控制器#3可对存储内容进行实时操作；

驱动电路，包括通信驱动电路、LCD驱动电路和触摸显示屏驱动电路；

可触摸的LCD显示屏，通过LCD驱动电路和触摸显示屏驱动电路连接微控制器#3，用于实现可视化操作和使用；

供电电源，用于为人机接口交互电路提供+12V/±5V电压，驱动整个电路正常工作。

进一步地，所述的微控制器#3采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4。

进一步地，所述存储电路对外引出USB接口，使得用户可以对存储器内容尤其是语音系统所需音频文件进行添加或删除；对内与微控制器#3进行通讯，使微控制器#3可对存储内容进行实时操作。

进一步地，所述医用电源接口电路向各电路提供+48V、+12V、 -12V、+5V的直流电源。

相比现有技术，本实用新型提供了一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置，可应用于各种外科手术中。该微创手术发生装置实现了超声射频双功能集成一体，硬件集成度高，装置结构设计简单，具有操作方便，可靠性强、安全性高等特点。

附图说明

图1为发生装置整机正面示意图。

图2为发生装置整机背面示意图。

图3为发生装置整体电路系统结构图。

图4为发生装置超声射频驱动控制电路结构图。

图5为发生装置功率输出隔离电路结构图。

图6为发生装置人机交互接口电路结构图。

图7为发生装置工作流程图。

图中：1-发生装置的电源开关，2-可触摸的LCD显示屏，3-射频中性极板接口(负极)，4-双极射频输出接口、5-单极射频输出接口，6-超声换能器接口，7-超声/射频脚踏接口(雷莫接口)，8-标准医疗电源输入接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1至图3所示，一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置，包括机壳，所述机壳内设置有：

如图4所示，所述的超声射频驱动控制电路包括：

其中，所述的微控制器#1采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4，具有资源齐全、结构简单、外设扩展性好、成本低、运行速度快等优势。

所述超声射频驱动控制电路中，微控制器#1接收到档位选择信号后，对PWM波的占空比进行控制，从而控制BUCK开关电源输出电压VCT，为MOSFET驱动放大电路提供能量。微控制器#1通过 SPI通信协议与直接数字式频率合成器DDS通信，设定直接数字式频率合成器DDS输出幅值与频率。直接数字式频率合成器DDS产生输出信号控制驱动放大电路。放大的高频信号通过隔离升压变压器进行升压，为超声刀换能器和射频电刀提供高频、高压信号。通过测量功率MOSFET驱动电路和直接数字式频率合成器DDS的输出信号并反馈给微控制器#1，从而对输出信号的功率进行精确控制。

如图5所示，所述的功率输出隔离电路包括：

其中，所述的微控制器#2采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4，具有资源齐全、结构简单、外设扩展性好、成本低、运行速度快等优势。

其中，所述光耦隔离电路采用H11L1光耦隔离芯片，使被隔离的两部分电路之间没有电气连接，防止因有电的连接而引起信号干扰，减少电压控制电路与外部高压电路之间的干扰。

本实施例对于控制信号与反馈信号的隔离通信采用H11L1光耦隔离芯片，使被隔离的两部分电路之间没有电气连接，防止因有电的连接而引起信号干扰，减少电压控制电路与外部高压电路之间的干扰。而对于输出给病人的电压信号采用隔离升压变压器隔离，避免病人接触区的电流以及能量直接流向外界的非隔离电气区域，避免因意外产生的电流信息等无序流动造成接地故障，切断电流接地回路，保证电路工作安全、稳定。同时通过对刀具工作频率进行实时监控，提升微创手术系统的稳定性。二次侧测量电路通过测量刀具的输出电流、电压与相位，通过微控制器#2处理后采用USART或SPI通信将信号传送到非隔离区。而非隔离区对刀具接口电路的功率输出采用隔离升压变压器进行隔离。

如图6所示，所述人机交互接口电路包括：

微控制器#3，用于与各驱动电路进行实时通讯，保证了协同交互工作的高速性和快速性；

存储电路，用于存储交互系统所需的语音库和字库，对外引出 USB接口，使得用户可以对存储器内容尤其是语音系统所需音频文件进行添加或删除；对内与微控制器#3进行通讯，使微控制器#3可对存储内容进行实时操作。

可触摸的LCD显示屏，通过LCD驱动电路和触摸显示屏驱动电路连接微控制器#3，用于实现可视化操作和使用，大大提高了该装置的可操作性和应用性。

其中，所述的微控制器#3采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32 F4，具有资源齐全、结构简单、外设扩展性好、成本低、运行速度快等优势。

其中，根据国际医疗标准，所述医用电源接口电路向各电路提供 +48V、+12V、-12V、+5V的直流电源，提高整个手术发生装置的实用性。

本实施例的人机交互接口电路中通过可触摸的LCD显示屏，使用户能够对装置的输出功率进行相应设置，实现功率大小的分级输出，同时可实现设定功率的大小以及实时工作频率大小的显示，并通过扬声器实现功率大小的语音播报。整个交互过程通过微控制器#3与人机交互接口电路中各芯片进行准确数据通信来实现。

结合图1和图2所示，机壳的正面分别设置有发生装置的电源开关1，可触摸的LCD显示屏2，射频中性极板接口3(负极)，双极射频输出接口4、单极射频输出接口5，超声换能器接口6。背面则设置有超声/射频脚踏接口7(雷莫接口)，标准医疗电源输入接口8。其中射频中性极板接口3、双极射频输出接口4、单极射频输出接口 5、超声换能器接口6与功率输出隔离电路相连接，超声/射频脚踏接口7与超声射频驱动控制电路相连接，标准医疗电源输入接口8与医用电源接口电路相连接。

如图7所示，本实施例的工作过程如下：

步骤1、初始化硬件设备：医用开关电源接入220V交流电后，硬件平台上电，初始化硬件功能。

步骤2、装置启动默认设置为超声输出功能，检测超声刀具的接入及其状态：通过检测超声波刀具接入状态判断是否产生驱动电信号。

步骤3、扫频检测超声波刀具的工作谐振点：通过扫频操作实现谐振工作点的捕捉。

步骤4、进入工作状态：相关硬件模块进行初始化输出，装置开始进入工作状态，可实现超声功能和射频功能的切换。

步骤5、关闭装置系统：当设备系统关闭时，通过断开医用电源开关将设备系统掉电，以关闭系统。

最后，如果重新启动设备系统，则重复步骤1到步骤4，系统再次进入正常工作状态即可。

上述实施例用于驱动各种手术刀刀头在满足各指标的前提下稳定工作，可应用于各种类型的微创手术中，具有使用寿命长、成本低、可靠性高、环境适应性强、安全性高等优点。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种具有超声和射频功能集成的微创手术发生装置，包括机壳，其特征在于，所述机壳内设置有：

超声射频驱动控制电路，用于产生高精度频率的两路互补PWM信号，依据目标频率减小PWM信号的占空比，接着将信号进行功率放大后驱动推挽电路交替导通，使直流信号推挽导通，将信号传递至功率驱动隔离模块；

2.根据权利要求1所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述的超声射频驱动控制电路包括：

直接数字式频率合成器DDS，用于通过接收微控制器#1发出的控制信号，生成指定幅值、频率的PWM信号，传输至功率MOSFET驱动电路；

BUCK调节电路，外接48V开关电源，用于通过微控制器#1产生的PWM信号调节电路的输出电压VCT，进而驱动功率MOSFET驱动电路工作。

3.根据权利要求2所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述的微控制器#1采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4。

4.根据权利要求1所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述的功率输出隔离电路包括：

5.根据权利要求4所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述的微控制器#2采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4。

6.根据权利要求4所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述光耦隔离电路采用H11L1光耦隔离芯片，使被隔离的两部分电路之间没有电气连接，防止因有电的连接而引起信号干扰，减少电压控制电路与外部高压电路之间的干扰。

7.根据权利要求1所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述人机交互接口电路包括：

存储电路，用于存储交互系统所需的语音库和字库，用户能对语音系统所需音频文件进行添加或删除；所述微控制器#3可对存储内容进行实时操作；

8.根据权利要求7所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述的微控制器#3采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4。

9.根据权利要求7所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述存储电路对外引出USB接口，使得用户能对语音系统所需音频文件进行添加或删除；对内与微控制器#3进行通讯，使微控制器#3可对存储内容进行实时操作。

10.根据权利要求1所述的微创手术发生装置，其特征在于：所述医用电源接口电路向各电路提供+48V、+12V、-12V、+5V的直流电源。