CN216083457U - 一种智能射频刀控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能射频刀控制装置，包括电源模块、控制模块、人机交互模块以及隔离模块；控制模块，用于调整控制射频输出功率与输出模式，包括单片机及其外围电路、HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路；人机交互模块，用于实时显示射频刀的工作状态，包括电平转换电路以及迪文屏；隔离模块，用于输出射频信号给射频刀头并实时测量射频刀的工作参数，包括射频输出电路、输出信号采样电路、单片机及其外围电路、与控制模块单片机通信电路以及工作状态指示电路。本实用新型具有控制精度高、实时性好、安全性强、可靠性高等优点。

Description

一种智能射频刀控制装置

技术领域

本实用新型属于智能射频刀控制技术领域，具体涉及一种智能射频刀控制装置。

背景技术

随着医疗技术的不断进步，手术器械也在不断地改进，出现了钢刀、电刀、超声刀、激光刀、射频刀等。其中射频刀是通过输出4MHz的射频电波完成对组织的精确切割。它的工作原理为射频信号发生器在电极工作端输出4MHz的射频电磁波，细胞内的水分子在电磁场的影响下快速振荡、撞击，促使细胞壁破裂，从而实现了切割目的；通过控制电极输出不同波峰因子的射频电磁波可以实现不同的手术功能。

根据射频刀系统的临床特性，在射频刀控制系统中，需通过外加机构对刀具输出功率进行准确控制，提升微创手术的控制精度。

目前，国内现有技术难以实现对MHz级别的射频刀输出功率的精确控制。研究表明输出频率达到1～100MHz时，就会大大减少细胞组织碳化的问题，更高的工作频率可以使手术造成的热穿透深度降低，但是更高的工作频率也会带来电路设计困难，器件选型困难等问题。

另一方面，相比于普通的高频电刀，MHz级别的射频刀由于工作频率高，导致输出信号采样困难，因此目前大多数射频刀的输出功率控制方案仍然采用开环控制。然而开环控制输出不够稳定，且无法对不同模式下的输出波形的波峰因子进行控制，如果不能及时调整射频刀的输出功率和输出波形的波峰因子，临床手术可能达不到预期效果。这对控制的实时性和准确性提出了更加严格的要求。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种智能射频刀控制装置，具有控制精度高、实时性好、安全性强、可靠性高等优点。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种智能射频刀控制装置，包括电源模块、控制模块、人机交互模块以及隔离模块；电源模块与控制模块、隔离模块以及人机交互模块电路连接，控制模块与人机交互模块和隔离模块电路连接；

电源模块用于将220V交流电转换为控制模块、隔离模块以及人机交互模块所需幅值的电源；

控制模块，用于调整控制射频输出功率与输出模式，包括单片机及其外围电路、HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路；单片机及其外围电路与HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路电路连接；

人机交互模块，用于实时显示射频刀的工作状态，包括电平转换电路以及迪文屏；

隔离模块，用于输出射频信号给射频刀头并实时测量射频刀的工作参数，包括射频输出电路、输出信号采样电路、单片机及其外围电路、与控制模块单片机通信电路以及工作状态指示电路。

进一步的，控制模块中，单片机及其外围电路，用于接收人机交互模块和隔离模块发送的信息并对射频输出进行控制；

HMI和隔离模块单片机通信电路，用于与人机交互模块以及隔离模块通信；

负极板检测电路，用于检测负极板是否接入；

手柄检测电路，用于检测手柄按下状态；

脚踏检测电路，用于检测脚踏踏下状态；

切割和凝血开关控制电路，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关。

进一步的，手柄检测电路包括两个电压比较器，用于检测手柄上不同按键被按下时手柄输出的电压值，控制模块的单片机通过检测两个电压比较器的输出信号判断当前时刻手柄按键状态。

进一步的，模式控制电路包括CPLD、反相器、推挽电路以及MOSFET驱动电路；

CPLD，用于输出两路4MHz的互补方波；

反相器，用于增强CPLD输出信号的驱动能力，反相器输出的方波幅值为5V，经过MOSFET驱动电路后方波幅值升为12V用于给MOSFET提供栅极驱动信号；

推挽电路包括一个变压器以及两个MOSFET组成，通过控制两个MOSFET的驱动信号使这两个MOSFET交替导通，将直流电逆变为频率为4MHz的交流电。

进一步的，模式控制电路通过控制MOSFET驱动信号占空比控制射频输出波形占空比，输出正弦波占空比越小，波峰因子越大，不同的波峰因子具有不同的切割和凝血效果，进而实现控制射频输出模式。

进一步的，功率控制电路，用于通过控制MOSFET驱动电路输入的直流电压控制射频输出功率，使射频刀输出功率能够保持在期望值；功率控制电路包括数模转换器和降压稳压器；

数模转换器输出电压由控制模块中的单片机及其外围电路控制，通过调整数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压；

降压稳压器的输出电压用于给推挽电路提供直流电，调整降压稳压器的输出电压实现调整射频输出电压，进而实现射频输出功率控制。

进一步的，控制模块的单片机通过控制数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压，进而改变推挽电路中MOSFET的漏极电压；CPLD输出的4MHz方波信号通过反相器为推挽电路中的MOSFET提供栅极驱动信号，单片机通过控制CPLD的输出使能信号占空比调整MOSFET栅极驱动信号的占空比；

通过调整MOSFET的漏极电压和栅极驱动信号实现对射频输出功率和输出模式的控制。

进一步的，人机交互模块中，电平转换电路用于将迪文屏发出的RS232电平标准的信号转换为单片机能接收的TTL电平标准的信号，同时将单片机发出的TTL电平标准的信号转换为迪文屏能接收的RS232电平标准的信号。

进一步的，隔离模块中，射频输出电路包括隔离变压器、LC谐振电路以及输出控制继电器，用于将隔离变压器输出的不标准正弦波整形为标准正弦波；其中，隔离变压器用于减少漏电流，确保人接触到设备时不会触电，也确保医疗设备在使用过程中的连续性；LC谐振电路，用于过滤除4MHz外的信号并对4MHz信号进行升压；输出控制继电器，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关；

输出信号采样电路，用于将射频输出信号进行采样限幅并传输给隔离模块的单片机处理；

单片机及其外围电路，用于接收输出信号采样值，进行快速傅里叶变换，并计算射频输出功率和输出波形波峰因子，然后通过DMA方式将输出信息传输给控制模块的单片机；

与控制模块单片机通信电路使用光耦隔离芯片实现与控制模块单片机和隔离模块单片机的隔离通信；

工作状态指示电路，用于实时指示射频刀工作状态。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、现有技术对于输出功率和输出波形波峰因子通常采取开环控制，本实用新型通过高采样率的ADC采集射频刀输出信号，通过快速傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从频域信号中获取输出功率和输出波形波峰因子，控制模块单片机根据反馈信号对输出功率和输出波形波峰因子进行控制，提高了射频刀输出功率的稳定性，并通过控制射频刀输出波形的波峰因子，使射频刀严格工作在设定的输出模式下。

2、现有电刀设备一般采用按键式的控制面板，本实用新型使用迪文屏作为人机交互模块，提高了交互便捷性。

附图说明

图1是本实用新型装置的整体示意图；

图2是本实用新型的控制模块的示意图；

图3是本实用新型的隔离模块的示意图；

图4a是本实用新型的切割模式输出波形；

图4b是本实用新型的凝血模式输出波形；

图5是本实用新型实施例功率和模式控制电路的示意图；

图6是本实用新型实施例推挽电路的示意图；

图7是本实用新型实施手柄检测电路的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型，一种智能射频刀控制装置，包括电源模块、控制模块、人机交互模块以及隔离模块；电源模块与控制模块、隔离模块以及人机交互模块电路连接，控制模块与人机交互模块和隔离模块电路连接；

电源模块用于将220V交流电转换为控制模块、隔离模块以及人机交互模块所需幅值的电源；在本实施例中，如图1所示，电源模块首先将220V交流市电整流为直流电，然后使用+12V稳压电路和5V稳压电路获得+12V电源和5V电源。+12V电源用于给人机交互模块供电并产生隔离电源给负极板检测电路、手柄检测电路和脚踏检测电路供电；5V电源用于产生3.3V稳压电源给控制模块供电，产生3.3V隔离稳压电源给隔离模块供电。

控制模块，用于调整控制射频输出功率与输出模式，如图2所示，包括单片机及其外围电路、HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路；单片机及其外围电路与HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路电路连接；

单片机及其外围电路，用于接收人机交互模块和隔离模块发送的信息并对射频输出进行控制；

HMI和隔离模块单片机通信电路，用于与人机交互模块以及隔离模块通信；

负极板检测电路，用于检测负极板是否接入；

手柄检测电路，用于检测手柄按下状态，包括两个电压比较器LM393LVDR，用于检测手柄上不同按键被按下时手柄输出的电压值，控制模块的单片机通过检测两个电压比较器的输出信号判断当前时刻手柄按键状态。

如图7所示，手柄检测电路，使用5V电压给手柄检测电路供电，包含两个电压比较器LM393LVDR，设置的3个比较电压分别为：

当手柄未接入时，手柄电压为5V，大于3个比较电压，电压比较器OUT1、OUT2和OUT3口输出均为高电平；当手柄接入但无按键按下时，手柄电压为4V，小于

比较电压，电压比较器OUT1和OUT2口输出高电平，OUT3口输出低电平；当切割键按下时，手柄电压为

电压比较器OUT1口输出高电平，OUT2和OUT3口输出低电平；当凝雪键按下时，手柄电压为0V，电压比较器OUT1、OUT2和OUT3口均输出低电平。控制模块单片机通过检测OUT1、OUT2和OUT3口的电平判断按键状态。

脚踏检测电路，用于检测脚踏踏下状态；切割和凝血开关控制电路，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关；

切割和凝血开关控制电路，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关；

功率控制电路，用于通过控制MOSFET驱动电路输入的直流电压控制射频输出功率，使射频刀输出功率能够保持在期望值。

人机交互模块，用于实时显示射频刀的工作状态，包括电平转换电路以及迪文屏；电平转换电路用于将迪文屏发出的RS232电平标准的信号转换为单片机能接收的TTL电平标准的信号，同时将单片机发出的TTL电平标准的信号转换为迪文屏能接收的RS232电平标准的信号。

隔离模块，用于输出射频信号给射频刀头并实时测量射频刀的工作参数，如图3所示，包括射频输出电路、输出信号采样电路、单片机及其外围电路、与控制模块单片机通信电路以及工作状态指示电路。

射频输出电路包括隔离变压器、LC谐振电路以及输出控制继电器，用于将隔离变压器输出的不标准正弦波整形为标准正弦波；其中，隔离变压器用于减少漏电流，确保人接触到设备时不会触电，也确保医疗设备在使用过程中的连续性；LC谐振电路，用于过滤除4MHz外的信号并对4MHz信号进行升压；输出控制继电器，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关；

输出信号采样电路，用于将射频输出信号进行采样限幅并传输给隔离模块的单片机处理；

单片机及其外围电路，用于接收输出信号采样值，进行快速傅里叶变换，并计算射频输出功率和输出波形波峰因子，然后通过DMA方式将输出信息传输给控制模块单片机；

与控制模块单片机通信电路使用光耦隔离芯片实现控制模块单片机和隔离模块单片机的隔离通信；

工作状态指示电路，用于实时指示射频刀工作状态。

在本实施例中，工作状态指示具体为：

一、初始化硬件设备

硬件平台基于STM32F303，使用外部晶振作为单片机的时钟源。硬件平台上电后，初始化UART1、UART4和SPI3串口和模数转换器，其中UART1串口用于和隔离区单片机通信，UART4用于调试，SPI3用于和隔离区单片机通信，模数转换器用于将射频输出的模拟采样信号转换为数字信号。

二、采集固定点数的采样信号并将采集到的电压电流信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，并根据该频域信号计算出4MHz信号的幅值，然后根据采样值计算出射频输出信号的均方根值，最后通过4MHz信号的幅值和均方根值计算出射频输出信号的波峰因子。

三、使用DMA传输的方式将4MHz信号的幅值和射频输出信号的波峰因子发送给控制模块的单片机。

在本实施例中，控制模块中的模式控制电路包括CPLD(复杂可编程逻辑器件)、反相器、推挽电路以及MOSFET驱动电路；

CPLD，用于输出两路4MHz的互补方波；

反相器，用于增强CPLD输出信号的驱动能力，反相器输出的方波幅值为5V，经过MOSFET驱动芯片后方波幅值升为12V用于给MOSFET提供栅极驱动信号。模式控制电路通过控制MOSFET驱动信号占空比控制射频输出波形占空比，输出正弦波占空比越小，波峰因子越大，不同的波峰因子具有不同的切割和凝血效果，进而实现控制射频输出模式。切割模式和凝血模式的输出波形如图4a和图4b所示。

如图6所示，推挽电路包括一个变压器以及两个MOSFET组成，通过控制两个MOSFET的驱动信号使这两个MOSFET交替导通，将直流电逆变为频率为4MHz的交流电。

模式控制电路通过控制MOSFET驱动信号占空比控制射频输出波形占空比，输出正弦波占空比越小，波峰因子越大，不同的波峰因子具有不同的切割和凝血效果，进而实现控制射频输出模式。

在本实施例中，功率控制电路包括数模转换器和降压稳压器；

数模转换器输出电压由控制模块中的单片机及其外围电路控制，通过调整数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压；

降压稳压器的输出电压用于给推挽电路提供直流电，调整降压稳压器的输出电压实现调整射频输出电压，进而实现射频输出功率控制。

如图5所示，控制模块的单片机通过控制数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压，进而改变推挽电路中MOSFET的漏极电压；CPLD输出的4MHz方波信号通过反相器为推挽电路中的MOSFET提供栅极驱动信号，单片机通过控制CPLD的输出使能信号占空比调整MOSFET栅极驱动信号的占空比；

通过调整MOSFET的漏极电压和栅极驱动信号实现对射频输出功率和输出模式的控制。

在本实施例中，控制射频输出功率和输出模式的控制具体操作过程为：

一、初始化硬件设备

硬件平台上电后，初始化串口和子系统硬件平台。硬件平台基于STM32F303，使用内部串口实现与其他模块的通信。首先初始化UART 1、3、4、5串口和SPI1、2、3串口，UART1串口用于和隔离区单片机通信，UART3串口用于和CPLD通信，UART4串口用于调试，UART5串口用于和迪文屏通信，SPI1串口用于控制模数转换器输出电压值，SPI2串口用于和CPLD通信，SPI3用于和隔离区单片机通信。

二、迪文屏界面初始化

配置完与迪文屏通信的串口后，首先读取迪文屏自带的实时时钟的时间，然后在迪文屏上使用设定的字体显示需要显示的文字，并从Flash中读取最近的日志内容并写入对应的变量空间，最后在程序中设置看门狗。具体包括：

(1)划分512字节缓冲区使用循环队列存储迪文屏发出的指令，每隔5ms读取一次指令缓冲区的指令，若缓冲区不为空，这处理缓冲区的一条指令；

(2)向迪文屏发送读实时时钟指令，收到迪文屏返回的指令后通过判断指令中的变量地址判断该指令返回的数据为哪个变量值。若变量地址为0x0010(存储实时时间的变量地址)时，记录指令中的年、月、日、时、分、秒等数据。

(3)控制模块的单片机向迪文屏发送读Nor Flash指令，迪文屏读取Nor Flash数据后通过串口将数据发送给控制模块的单片机，单片机根据收到的历史值对射频刀进行初始化。其中，存储在迪文屏Nor Flash中的数据包括日志内容、显示亮度、系统音量、日志条数、系统语言、激发方式以及不同输出模式设置的默认功率。

(4)从Nor Flash读取出系统语言后，根据系统语言重新配置迪文屏上显示的文字信息。在开发软件Keil MDK中使用的文字编码格式为UTF-8，而在迪文屏中使用的文字编码格式为Unicode，因此在将文字信息发送给迪文屏之前需要将UTF-8编码格式的文字转换为Unicode编码格式。

(5)开启看门狗。

三、使用定时中断的方式每隔5ms检测一次射频刀的工作状态并对射频刀输出功率进行控制。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种智能射频刀控制装置，其特征在于，包括电源模块、控制模块、人机交互模块以及隔离模块；电源模块与控制模块、隔离模块以及人机交互模块电路连接，控制模块与人机交互模块和隔离模块电路连接；

电源模块用于将220V交流电转换为控制模块、隔离模块以及人机交互模块所需幅值的电源；

控制模块，用于调整控制射频输出功率与输出模式，包括单片机及其外围电路、HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路；单片机及其外围电路与HMI和隔离模块单片机通信电路、负极板检测电路、手柄检测电路、脚踏检测电路、切割和凝血开关控制电路、功率控制电路以及模式控制电路连接；

人机交互模块，用于实时显示射频刀的工作状态，包括电平转换电路以及迪文屏；

隔离模块，用于输出射频信号给射频刀头并实时测量射频刀的工作参数，包括射频输出电路、输出信号采样电路、单片机及其外围电路、与控制模块单片机通信电路以及工作状态指示电路。

2.根据权利要求1所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，控制模块中，单片机及其外围电路，用于接收人机交互模块和隔离模块发送的信息并对射频输出进行控制；

HMI和隔离模块单片机通信电路，用于与人机交互模块以及隔离模块通信；

负极板检测电路，用于检测负极板是否接入；

手柄检测电路，用于检测手柄按下状态；

脚踏检测电路，用于检测脚踏踏下状态；

切割和凝血开关控制电路，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关。

3.根据权利要求1所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，手柄检测电路包括两个电压比较器，用于检测手柄上不同按键被按下时手柄输出的电压值，控制模块的单片机通过检测两个电压比较器的输出信号判断当前时刻手柄按键状态。

4.根据权利要求1所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，模式控制电路包括CPLD、反相器、推挽电路以及MOSFET驱动电路；

CPLD，用于输出两路4MHz的互补方波；

反相器，用于增强CPLD输出信号的驱动能力，反相器输出的方波幅值为5V，经过MOSFET驱动电路后方波幅值升为12V用于给MOSFET提供栅极驱动信号；

推挽电路包括一个变压器以及两个MOSFET组成，通过控制两个MOSFET的驱动信号使这两个MOSFET交替导通，将直流电逆变为频率为4MHz的交流电。

5.根据权利要求4所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，模式控制电路通过控制MOSFET驱动信号占空比控制射频输出波形占空比，输出正弦波占空比越小，波峰因子越大，不同的波峰因子具有不同的切割和凝血效果，进而实现控制射频输出模式。

6.根据权利要求4所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，功率控制电路，用于通过控制MOSFET驱动电路输入的直流电压控制射频输出功率，使射频刀输出功率能够保持在期望值；功率控制电路包括数模转换器和降压稳压器；

数模转换器输出电压由控制模块中的单片机及其外围电路控制，通过调整数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压；

降压稳压器的输出电压用于给推挽电路提供直流电，调整降压稳压器的输出电压实现调整射频输出电压，进而实现射频输出功率控制。

7.根据权利要求6所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，控制模块的单片机通过控制数模转换器的输出电压调整降压稳压器的输出电压，进而改变推挽电路中MOSFET的漏极电压；CPLD输出的4MHz方波信号通过反相器为推挽电路中的MOSFET提供栅极驱动信号，单片机通过控制CPLD的输出使能信号占空比调整MOSFET栅极驱动信号的占空比；

通过调整MOSFET的漏极电压和栅极驱动信号实现对射频输出功率和输出模式的控制。

8.根据权利要求1所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，人机交互模块中，电平转换电路用于将迪文屏发出的RS232电平标准的信号转换为单片机能接收的TTL电平标准的信号，同时将单片机发出的TTL电平标准的信号转换为迪文屏能接收的RS232电平标准的信号。

9.根据权利要求1所述的一种智能射频刀控制装置，其特征在于，隔离模块中，射频输出电路包括隔离变压器、LC谐振电路以及输出控制继电器，用于将隔离变压器输出的不标准正弦波整形为标准正弦波；其中，隔离变压器用于减少漏电流，确保人接触到设备时不会触电，也确保医疗设备在使用过程中的连续性；LC谐振电路，用于过滤除4MHz外的信号并对4MHz信号进行升压；输出控制继电器，用于控制射频切割模式开关和射频凝血模式开关；

输出信号采样电路，用于将射频输出信号进行采样限幅并传输给隔离模块的单片机处理；

单片机及其外围电路，用于接收输出信号采样值，进行快速傅里叶变换，并计算射频输出功率和输出波形波峰因子，然后通过DMA方式将输出信息传输给控制模块的单片机；

与控制模块单片机通信电路使用光耦隔离芯片实现与控制模块单片机和隔离模块单片机的隔离通信；

工作状态指示电路，用于实时指示射频刀工作状态。

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