專利名稱：一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)。
技術背景高頻電刀(高頻手術器)是一種取代機械手術刀進行組織切割的電外科器械。它通過有效電極尖端產(chǎn)生的高頻高壓電流與肌體接觸時對組織進行加熱，實現(xiàn)對肌體組織的分離和凝固，從而起到切割和止血的目的。目前國內(nèi)用戶使用的高頻電刀產(chǎn)品價格昂貴，技術多采用開環(huán)或半閉環(huán)反饋技術控制高頻刀的射頻功率輸出，但是功率輸出的安全性欠缺，在復雜的數(shù)據(jù)處理工作慢，影響到手術質(zhì)量和手術速度，危及手術中病人和醫(yī)生的人身安全。中國專利CN200720076569.1《高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)》描述了一種高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受來自微處理器的二組設定信號，其包括有開關電源、高頻功放、輸出回路、第一誤差放大器和第二誤差放大器，該兩誤差放大器分別對開關電源和輸出回路的采樣信號與微處理器送來的兩組設定信號作比較和誤差放大，從而對高頻電刀輸出進行雙閉環(huán)控制，使之與兩組設定信號值相一致，但是該技術無法核對功率輸出是否安全， 無法對設置的輸出功率參數(shù)進行輸出功率的實時調(diào)節(jié)，安全性仍不夠完善。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決的上述不足，提供一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)。
技術方案
一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于具有主控制器模塊，操作界面，報警模塊，PWM模塊，D/A輸出模塊，A/D采樣模塊，繼電器控制模塊，腳踏板控制模塊，斷電保護模塊，隔離串口通訊模塊；
所述主控制器模塊，用于協(xié)調(diào)并控制各個模塊的工作，采樣部分即時反饋信號，并具有人機交互接口；
所述操作界面，包括按鍵、指示燈和LED數(shù)碼管，用于建立人機交互界面，顯示當前工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并且在系統(tǒng)出錯時顯示相應的錯誤代碼；
所述報警模塊，包括蜂鳴器和指示燈以及LED數(shù)碼管，用于告知各種參數(shù)設置錯誤，傳感器檢測錯誤，以及實時功率輸出錯誤等，并有相應的錯誤提示代碼；
所述PWM模塊，從控制器輸出高頻基波和主控制器輸出載波共同控制高頻刀的射頻功率輸出，并且在PWM輸出端設有積分反饋信號供從控制器采樣，用于實施控制功率輸出；
所述D/A輸出模塊，從控制器用于實時控制高頻刀當前工作模式和輸出功率下的反饋信號的比較閾值；
所述A/D采樣模塊，系統(tǒng)采用全閉環(huán)即時反饋技術，在逆變電源的輸入輸出節(jié)點均有反饋信號供主從控制器采樣，在射頻功率輸出端也設有電壓和電流反饋回路，此外還有人體阻抗反饋回路供主從控制器采樣，這樣系統(tǒng)對輸出功率進行多樣化控制，大大提高了射頻輸出功率控制的安全性和精確性；
所述繼電器控制模塊，繼電器的閉合控制依賴于選定的工作模式和設置的輸出功率，根據(jù)不同的設置有選擇的開閉繼電器以提供相應的功率控制和反饋信號；
所述腳踏板控制模塊，包括腳踏開關和隔離供電電路，腳踏模塊用于調(diào)節(jié)實時輸出功率的增大或減?。?br> 所述斷電保護模塊，包括電源檢測和自動切換電路，當系統(tǒng)斷電時，控制系統(tǒng)部分的雙口 RAM自動切換到3V鋰電池供電，保護當前工作參數(shù)；
所述隔離串口通訊模塊，系統(tǒng)配備帶隔離的RS232電腦通訊接口。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述高頻刀安全控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)即時反饋技術。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)還包括統(tǒng)計與管理模塊，系統(tǒng)配置512kB Flash、4kB雙口 RAM和8kB EEPROM。
上述的聞頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述聞頻刀安全保護控制系統(tǒng)還包括REM檢測模塊。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述REM檢測模塊，識別患者回路極板是否帶有REM功能，根據(jù)采樣的接觸電阻值判斷是否超出安全值范圍，并發(fā)出警告。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述全閉環(huán)即時反饋技術，檢測并調(diào)節(jié)輸出電壓，使得不同的人體組織產(chǎn)生同樣的效果。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述全閉環(huán)即時反饋技術，調(diào)節(jié)模式是基于所選定的工作模式、功率設定和人體阻抗水平。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述工作模式包括單級、雙極、僅切割、凝血模式。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)包括劑量測定誤差算法。
上述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，所述劑量測定誤差算法，在雙極或切割模式下位閉環(huán)劑量誤差算法；在凝血模式下位開環(huán)劑量誤差算法。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點
1、現(xiàn)有技術多采用開環(huán)或半閉環(huán)反饋技術控制高頻刀的射頻功率輸出，與之相比，本發(fā)明采用的是全閉環(huán)反饋技術，在功率輸出部分設有多個電壓、電流采樣點，并且對人體阻抗進行采樣分析，以便手術過程中根據(jù)人體阻抗的變化，調(diào)節(jié)輸出功率，極大的提高了功率輸出的安全性。
2、控制系統(tǒng)的主從控制器采用IDT71342雙口 RAM通訊?；陔p口 RAM的主從控制器通訊，兩個端口均具有獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，當左右端口對不同存儲空間進行讀寫操作時，可以同時進行數(shù)據(jù)的存??；若對共享區(qū)域中的同一個存儲單元同時進行存儲操作時，則IDT71342自動完成訪問權限仲裁，完全獨立于主從控制器。主從控制器 Atmegal280+雙口 RAM控制方式，很好地解決了高頻刀使用過程中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，同時能夠完成復雜的數(shù)據(jù)處理工作，從而兼顧了數(shù)據(jù)處理所需要的大吞吐量和高速性。
3、本發(fā)明在軟件控制方面采用了劑量測定誤差算法和即時反饋PID算法相結合， 兩種算法均基于選定的工作模式 和設置的輸出功率參數(shù)進行輸出功率的實時調(diào)節(jié)。
4、系統(tǒng)帶有REM檢測模塊，系統(tǒng)自動識別患者回路極板是否帶有REM功能，對患者回路阻抗進行檢測，依據(jù)是否帶有REM功能進行計算功率輸出是否安全。


圖1是高頻刀安全保護控制系統(tǒng)結構圖。
圖2是高頻刀安全保護控制系統(tǒng)原理圖。
圖3是高頻刀輸出功率控制流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步的描述。
參照圖1和圖2，高頻刀安全保護控制系統(tǒng)包括主控制器模塊，用于協(xié)調(diào)并控制各個模塊的工作，采樣部分即時反饋信號，并具有人機交互接口 ；從控制器模塊，用于控制高頻刀的射頻功率輸出和采樣即時反饋信號；雙口 RAM模塊，用于主從控制器通訊；隔離串口 RS232模塊，用于高頻刀和電腦通訊，便于操作人員聯(lián)機操作高頻刀。主從控制器采用 Atmel公司的Atmegal280芯片，該芯片具有速度高、存儲容量大、資源豐富等特點。
主控制器Atmegal280用于協(xié)調(diào)并控制各個模塊的工作，采樣部分即時反饋信號， 并具有人機交互接口和隔離串口通訊模塊，通過操作界面或者電腦，設定當前工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并把設置參數(shù)存儲到雙口 RAM的共享區(qū)域，供從控制器讀取。當系統(tǒng)設置錯誤或者系統(tǒng)自檢不成功時，蜂鳴器開始鳴聲，LED燈以及LED數(shù)碼管中顯示錯誤代碼，用于告知各種參數(shù)設置錯誤，傳感器檢測錯誤，以及實時功率輸出錯誤等，并有相應的錯誤提示代碼。
射頻功率輸出的PWM控制，高頻刀的工作頻率和輸出波數(shù)由從控制器定時器3的 PWM輸出高頻基波，高頻基波 為高頻刀工作頻率和主控制器定時器3的PWM輸出載波控制共同控制完成；高頻刀輸出功率調(diào)節(jié)電路由從控制器定時器I的PWM輸出基波和主控制器定時器I的PWM輸出載波共同控制完成。
操作界面包括指示燈、LED數(shù)碼管和按鍵及驅(qū)動電路，并由主控制器的H) 口、 PJ5:2和PL 口控制，完成工作模式切換和功率設置，以及各種狀態(tài)指示和錯誤提示等。
系統(tǒng)串口通訊模塊采用帶隔離的RS232ADM3251E芯片，避免產(chǎn)生干擾。從而保證在新的回路引入的情況下，不降低高頻刀系統(tǒng)的安全性。串口通訊模塊連接主從控制器的 USART0，用于電腦控制高頻刀工作時，實現(xiàn)上下位機實時通訊，并且編有相應的通訊代碼。
從控制器Atmegal280在主控制器給予復位信號后，開始運行,從雙口 RAM共享區(qū)讀取當前設置命令，對命令進行分析后，使能D/A輸出和PWM輸出，開閉相應的繼電器提供功率輸出和反饋信號等級。D/A輸出模塊采用4路輸出TLC7226芯片，從控制器通過總線控制D/A輸出，用于實時控制高頻刀當前工作模式和輸出功率下的反饋信號的比較閾值。
A/D采樣模塊，主從控制器Atmegal280自帶16路10位ADC模塊，不需要外擴ADC 電路。系統(tǒng)采用全閉環(huán)即時反饋技術，在逆變電源的輸入輸出節(jié)點均有反饋信號供主從控制器采樣，在射頻功率輸出端設有電壓和電流反饋回路，主控制器采樣功率輸出端的電流反饋信號，從控制器采樣功率輸出端的電流和電壓反饋信號，此外還有人體阻抗反饋回路供主從控制器采樣，采樣信號作為劑量誤差算法和即時反饋PID算法調(diào)整的依據(jù)。
雙口 RAM模塊采用IDT71342高速RAM芯片，根據(jù)系統(tǒng)需要IDT71342的4kB空間被劃分為3塊存儲區(qū)，IkB作為主控制器數(shù)據(jù)區(qū)，保存當前工作狀態(tài)、系統(tǒng)設置和錯誤報警等參數(shù)；lkB作為從控制器數(shù)據(jù)區(qū)，保存當前功率輸出狀態(tài)等參數(shù)；2kB作為主從控制器共享數(shù)據(jù)區(qū)，用于存取當前實時工作參數(shù)，主控制器發(fā)送需要回檢數(shù)據(jù)和從控制器需要上報數(shù)據(jù)均存儲在此區(qū)域?；陔p口 RAM的主從控制器通訊，兩個端口均具有獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，分別連接到主從控制器Atmegal280的總線端口。當左右端口對不同存儲空間進行讀寫操作時，可以同時進行數(shù)據(jù)的存?。蝗魧蚕韰^(qū)域中的同一個存儲單元同時進行存儲操作時，則IDT71342自動完成訪問權限仲裁，完全獨立于主從控制器，從而保證系統(tǒng)功率控制需要反饋的數(shù)據(jù)通訊的有效性和實時性。
腳踏板控制模塊，包括腳踏開關和隔離供電電路。采用隔離供電，為了防止干擾， 從而保證在新的回路引入的情況下，不降低高頻刀系統(tǒng)的安全性。腳踏模塊用于調(diào)節(jié)實時輸出功率的增大或減小，方便醫(yī)生在手術過程中調(diào)節(jié)高頻刀的輸出功率。
斷電保護模塊，包括電源檢測和自動切換電路，以及備份供電用的3V鋰電池構成。當系統(tǒng)斷電時，自動切換電路工作，雙口 RAM自動切換到3V鋰電池供電，保護當前工作參數(shù)。
高頻刀安全保護控制系統(tǒng)還包括統(tǒng)計與管理模塊，系統(tǒng)配置512kB Flash,4kB 雙口 RAM和8kB EEPR0M，用于存儲控制軟件、工作模式設置和功率參數(shù)設置、高頻刀檢測到的最近20個錯誤代碼、每種模式的工作次數(shù)和工作時間、每種工作模式的平均功率設置、 高頻刀的總工作時間及其他維修相關信息。
此外，系統(tǒng)還具有REM監(jiān)測功能，當系統(tǒng)連接帶REM功能的患者回路極板，也就是單極切割模式時若所測接觸電阻超出安全標準范圍時，一般低于5歐姆或者高于135歐姆或超出初始測量阻值的40%時，系統(tǒng)以較小者為準，REM報警指示燈變紅，蜂鳴器發(fā)出兩次報警聲，同時射頻功率輸出被禁止；REM報警指示將一直保持紅色，直至排除產(chǎn)生報警的故障原因，然后指示燈變綠，射頻功率輸出恢復。當系統(tǒng)連接無REM安 全檢測功能的患者回路極板，也就是雙極模式時若所測患者回路電極兩腳之間的接觸電阻超過20歐姆時，REM報警指示燈變紅，蜂鳴器連續(xù)發(fā)出兩次報警聲，同時射頻功率輸出被禁止，直至產(chǎn)生故障的原因被排除，然后報警指示燈熄滅，射頻功率輸出被重新使能。
在所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)中，首先主控制器進行各個模塊的初始化，自檢完成之后，讀取雙口 RAM中上一次工作狀態(tài)參數(shù)，并在操作面板顯示，默認的工作模式和輸出功率均為上次工作時的設置值，然后復位從控制器，防止系統(tǒng)誤動作輸出射頻功率。
在軟件控制方面采用了劑量測定誤差算法和即時反饋PID算法相結合，兩種算法均基于選定的工作模式和設置的輸出功率參數(shù)進行輸出功率的實時調(diào)節(jié)。
全閉環(huán)即時反饋技術，自動檢測并調(diào)節(jié)輸出電壓，使得不同的人體組織產(chǎn)生同樣的效果。這種調(diào)節(jié)是基于所選定的工作模式，可選擇單級、雙極或僅切割、凝血模式，包括功率設定和人體阻抗水平，系統(tǒng)設置多個功率輸出端采樣點，主從控制器同時采樣反饋信號， 實現(xiàn)真正的閉環(huán)控制功率輸出；劑量測定誤差算法，依賴于選定的工作模式。在雙極或切割模式下位閉環(huán)劑量誤差算法，主控制器在從控制器使能射頻功率輸出時，采樣回來的反饋信號作為劑量測定誤差算法的實際輸出參數(shù)，并與預期的輸出參數(shù)進行比較，以確保從控制器安全正常工作；在凝血模式下位開環(huán)劑量誤差算法，此時基于逆變電源端的反饋信號采樣，判斷射頻功率輸出是否超出安全值。
即時反饋PID算法是一種閉環(huán)模式算法，適用于雙極和切割模式，不適用于凝血模式。即時反饋PID算法基于人體阻抗反饋信號，根據(jù)人體阻抗從短路到開路逐漸增大，采用恒流、恒功率和恒壓分段控制?？刂戚敵鲎畲箅妷河脕頊p少電容耦合、降低視頻干擾以及消除火花。在低阻抗情況下，恒電流可保護輸出電路；在高阻抗情況下，恒電壓控制可限制電弧和電磁干擾。依據(jù)功率對電壓、電流和阻抗的關系進行計算P = I2R = V2/R，恒流、恒功率和恒壓分段控制臨界點由實驗數(shù)據(jù)曲線擬合來確定。
高頻刀輸出功率控制流程如圖3所示。首先進行系統(tǒng)自檢，自檢內(nèi)容包括校準、揚聲器、指示燈和顯示等。只有成功完成自檢才可以正常使用，否則會輸出錯誤功率。如果系統(tǒng)自檢不成功，報警器會響一下，然后面板顯示一個錯誤代碼，依照錯誤代碼提示排除故障，然后重新開機，直至成功完成自檢。自檢完成之后，根據(jù)需要選定工作模式和設置輸出功率，系統(tǒng)根據(jù)上述設置切換到相應的輸出控制，單極模式或雙極模式分別使用不同的控制算法，雙極模式首先設定雙極參數(shù)包括工作頻率和輸出功率等，然后檢測是否有報警事項，有則調(diào)整設置，直至報警取消，沒有就進行下一步判斷，若工作在自動模式，在按鍵按下或腳踏踩下即自動輸出功率直至輸出時間結束；若工作在手動模式，在按鍵按下或腳踏踩下才可以輸出功率，直至手動關斷輸出。在功率輸出過程中須循環(huán)檢測REM回路，保證輸出安全。單極模式首先設定單極參數(shù)包括工作頻率和輸出功率等，在按鍵按下或腳踏踩下時，輸出功率直至輸出時間到，在功率輸出過程中，需要循環(huán)檢測患者回路敷肌板，采用模糊控制方法來保證患者回路的安全性。綜上所述，配合操作面板或者腳踏板或者電腦實現(xiàn)實時工作模式和輸出功率切換。在功率輸出過程中，系統(tǒng)根據(jù)反饋信號決定采用劑量誤差算法和即時反饋PID算法中的具體 運算方程。
顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權利要求
1.一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于具有主控制器模塊，操作界面，報警模塊，PWM模塊，D/A輸出模塊，A/D采樣模塊，繼電器控制模塊，腳踏板控制模塊，斷電保護模塊，隔離串口通訊模塊；所述主控制器模塊，用于協(xié)調(diào)并控制各個模塊的工作，采樣部分即時反饋信號，并具有人機交互接口；所述操作界面，包括按鍵、指示燈和LED數(shù)碼管，用于建立人機交互界面，顯示當前工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并且在系統(tǒng)出錯時顯示相應的錯誤代碼；所述報警模塊，包括蜂鳴器和指示燈以及LED數(shù)碼管，用于告知各種參數(shù)設置錯誤，傳感器檢測錯誤，以及實時功率輸出錯誤等，并有相應的錯誤提示代碼；所述PWM模塊，從控制器輸出高頻基波和主控制器輸出載波共同控制高頻刀的射頻功率輸出，并且在PWM輸出端設有積分反饋信號供從控制器采樣，用于實施控制功率輸出；所述D/A輸出模塊，從控制器用于實時控制高頻刀當前工作模式和輸出功率下的反饋信號的比較閾值；所述A/D采樣模塊，系統(tǒng)采用全閉環(huán)即時反饋技術，在逆變電源的輸入輸出節(jié)點均有反饋信號供主從控制器采樣，在射頻功率輸出端也設有電壓和電流反饋回路，此外還有人體阻抗反饋回路供主從控制器采樣，這樣系統(tǒng)對輸出功率進行多樣化控制，大大提高了射頻輸出功率控制的安全性和精確性；所述繼電器控制模塊，繼電器的閉合控制依賴于選定的工作模式和設置的輸出功率， 根據(jù)不同的設置有選擇的開閉繼電器以提供相應的功率控制和反饋信號；所述腳踏板控制模塊，包括腳踏開關和隔離供電電路，腳踏模塊用于調(diào)節(jié)實時輸出功率的增大或減??；所述斷電保護模塊，包括電源檢測和自動切換電路，當系統(tǒng)斷電時，控制系統(tǒng)部分的雙口 RAM自動切換到3V鋰電池供電，保護當前工作參數(shù)；所述隔離串口通<訊模塊，系統(tǒng)配備帶隔離的RS232電腦通訊接口。
2.如權利要求1所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述高頻刀安全控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)即時反饋技術。
3.如權利要求1所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)還包括統(tǒng)計與管理模塊，系統(tǒng)配置512kB Flash、4kB雙口 RAM和8kB EEPROM。
4.如權利要求1所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)還包括REM檢測模塊。
5.如權利要求4所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述REM檢測模塊，識別患者回路極板是否帶有REM功能，根據(jù)采樣的接觸電阻值判斷是否超出安全值范圍，并發(fā)出警告。
6.如權利要求2所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述全閉環(huán)即時反饋技術，檢測并調(diào)節(jié)輸出電壓，使得不同的人體組織產(chǎn)生同樣的效果。
7.如權利要求2所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述全閉環(huán)即時反饋技術，調(diào)節(jié)模式是基于所選定的工作模式、功率設定和人體阻抗水平。
8.如權利要求7所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述工作模式包括單級、雙極、僅切割、凝血模式。
9.如權利要求1所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述高頻刀安全保護控制系統(tǒng)包括劑量測定誤差算法。
10.如權利要求9所述的高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，其特征在于所述劑量測定誤差算法，在雙極或切割模式下位閉環(huán)劑量誤差算法；在凝血模式下位開環(huán)劑量誤差算法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高頻刀安全保護控制系統(tǒng)，具有主控制器模塊，操作界面，報警模塊，PWM模塊，D/A輸出模塊，A/D采樣模塊，繼電器控制模塊，腳踏板控制模塊，斷電保護模塊，隔離串口通訊模塊。本發(fā)明采用全閉環(huán)即時反饋技術自動檢測并調(diào)節(jié)輸出電壓，使得不同的人體組織產(chǎn)生同樣的效果，提高了高頻刀輸出功率的安全性和精度。
文檔編號A61B18/12GK103006317SQ201110280509
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權日2011年9月20日
發(fā)明者項瑩瑩, 孔令成, 儲建華, 葉曉東, 張志華 申請人:常州先進制造技術研究所