首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 医院管理论文 > 医疗设备管理论文 > 一种高频电刀负极板贴合度监控方法

一种高频电刀负极板贴合度监控方法

2024-05-16 45 上传者：管理员

摘要：本文介绍了高频电刀在使用过程中，为了防止极板脱落带来的伤害，设计一款低压侧可悬浮地的安全、快捷检测高压端阻抗变化（负极板粘贴程度）的方法，主要包括振荡信号产生的方法、高压负极板间电阻浮空采集方法、高压极板阻抗智能标定修正算法、数字量值的防高频干扰的滤波算法和负极板粘贴程度、脱落诊断算法以及阻抗值显示控制等主要技术经行论证。经测试，该方法既能有效地检测出高压测得负极板的贴合状态，同时保证了高压端和低压端悬浮隔离，保证手术过程中病人的安全。

关键词：
交流回路
微创手术器械
负极板
贴合状态
高频电刀
加入收藏

高频电刀是现代医学重要的微创手术器械，其原理是在刀笔笔尖流过高密度的高频交流电流，从而对生物组织产生热效应，使其汽化或碳化，达到切割或凝固作用。刀笔、机器、人体和负极板之间形成一个高频的交流回路，由于负极板和人体接触面积很大，电流的密度就非常小，只要负极板贴合良好，负极板就不会对人体产生伤害。然而传统高频电刀的负极板是整块的，机器无法检测出负极板是否贴合完好，负极板滑动或者脱落过程中，医生无法察觉，而病人也处于昏迷状态，无法给出反应，导致负极板滑动粘贴面积变小，医生还在继续手术，在此过程中，由于负极板粘贴面积很小，电流密度就会大到烫伤人体程度，引发医疗事故。所以能否观测到负极板的贴合状态措施是非常必要的，而要获取负极板的贴合状态，首要注意的是负极板的高压和采集回路必须悬浮隔离，保证医疗安规的电气安全。

1、设计需求

根据市场需求，需要设计一种高频电刀负极板贴合度监控方法，解决现有的高频电刀高压侧负极板脱落无法检测到的问题，同时满足高低压电路悬浮地得状态，为病人的安全提供保障。项目组提出的需求如下:

(1）智能精准识别高压侧负极板的粘贴情况，精度控制1欧。

(2）智能实时动态显示负极板的粘贴状态情况。

(3）实时智能判断粘贴面积变化在一定时间内超过20%或者脱落，系统能量输出停止并报警。

(4）采集回路尽量简单，不破坏影响高能量输出回路。外部耗材部分，不额外增加线路，避免辐射干扰以及耗材成本。

2、系统设计

2.1系统框架设计

本高频电刀负极板贴合度监控方法框图如图1所示，主要由主控电路、高压负极板间电阻浮空采集电路、显示电路、振荡电路、能量输出电路，负极板、单极刀笔等电路组成。

其中主控电路负责读取高压负极板间电阻浮空采集电路的输出值，并通过显示电路显示出来，如果值不在安全范围内，则切断能量输出电路的能量输出。能量输出电路、负极板、单极刀笔、人体形成一个能量电流回路，可对人体组织进行切合和止血。其中，能量输出电路负责输出高频高压正弦波能量。高压负极板间电阻浮空采集电路包含变压器电路和信号调理电路。变压器负责高压隔离和浮空采集，可以将主控电路和几千伏的能量电路进行隔离，保证弱电部分电路的安全性；并且可以将能量部分，也就是应用于人体手术部分的电路浮空于主控电路，也就是机壳，保证病人的生命安全。信号调理电路负责将通过变压器传递来的电阻值，也就是负极板贴合度的值转换成单片机可识别的0～3.3V电压值。同时，信号调理电路还有一个硬件保护功能，电路有电压比较器功能，当采集到的电压值大于设定的值后，硬件会识别到负极板滑落，发出关断信号给能量输出电路，使系统有硬件和软件双保护功能。振荡电路负责产生一个高频时钟，幅度为正负5伏，用于负极板阻抗检测。

图1系统框架

2.2硬件设计

2.2.1振荡信号产生的方法

振荡产生电路由图3中的三个反相器U3.1、U3.2、U3.3和电阻R17、R18，电容C5组成。

由于反相器的相移为180°，所以奇数个反相器的环形电路才可以形成振荡。反相器内部的寄生电容很小，故原始的三个反相器组成的环形振荡器频率非常高，不是所需的频率。在环形电路中加RC延时电路，可得到设计所需要的振荡频率。加上电容C5和电阻R17后，反相器的寄生电容相比于C5太小，寄生电感可忽略。

U3.2输入P为高电平时，输出Q为低电平。U3.3输入是U3.2的输出，为低电平，U3.3的输出S即为高电平。

由于Q为低电平的开始瞬间，C5为导通状态，即，X处为低电平。Y处的电平等于X处的电平，即为低电平。U3.1的输入为Y处的低电平，U3.1的输出P的电平为高电平，P处的电平在开始瞬间未翻转。

S处为高电平，Q处为低电平，形成电压差，C5会进行充电。充电时间T=R17*C5。充满电后，X处为高电平。Y处的电压等于X处的电压，为高电平。U3.1的输出1为低电平，P处的电平翻转。一个周期翻转两次，故振荡频率f=1/(2π*R17*C5)。

2.2.2高压负极板间电阻浮空采集方法

由于高频电刀能量部分为超高电压，电压可达到5 000 V，如果和弱电部分直接相接，容易损坏弱点部分器件，导致系统崩溃；而且，能量部分的应用部分未浮空于大地，在手术过程中，来自电网或其他设备的能量会串扰到应用部分，危害病人生命安全。本设计采用高压负极板间电阻浮空采集方法，用变压器将高压侧负极板，即应用部分和低压侧的采集部分进行电气隔离，然后通过信号调理电路将高压侧的电阻信号转换为低压的电压信号传输给MCU进行处理。此方法既保证了控制电路免受到高压电路的冲击伤害，又保证了手术过程中病人的生命安全。

2.2.2. 1高压负极板间电阻浮空采集仿真电路

负极板1和负极板2之间的距离为L，负极板的贴合长度为M，负极板间的阻抗为R=i*ρ*L/M，其中ρ、L和i为定值，当负极板脱落过程中，M会变小，R就会变大。

图2高压负极板间电阻浮空采集仿真电路

图2为极板贴合监测电路仿真图，R为负极板间的皮肤阻值。电阻R和变压器T1等效为电阻R’,R’=k*R,R’和R正相关。A和B点之间的电压为UAB,C和D点之间的电压为UCD,E和F之间的电压为UEF。电阻R3,R8和R’形成一个电压回路，得到

UEF=UCD/((R3+R8)/(k*R)+1)。当R增大时，UEF也跟着增大。即，在负极板滑落过程中，M会减小，R值变大，最终的UEF会增大。仿真结果如图3所示，R越大，输出波形幅度越大。

2.2.2. 2高压负极板间电阻浮空采集实际电路

图3高压负极板间电阻浮空采集仿真电路输出波形

图4高压负极板间电阻浮空采集实际电路

高压负极板间电阻浮空采集实际电路如图4所示。

此电路是通过浮空采集方法将电压在5000V处的电阻经过变压器T1隔离采集其阻值。其中J1和J2为负极板，负极板贴合在人体皮肤上。J1和J2之间的人体皮肤有一定的阻抗，粘贴面积越大，阻抗越小。T1为变压器，负极板端为次级，弱电端为原级。由前文可知，REM-CHK1和REM-CHK2之间的电阻随着负极板的滑落而增大。U1为4路双向开关，可以使得U2.2的正输入端信号电平始终为正，负输入端信号电平始终为负。此电路的输出端REM-AD接到单片机的数字量引脚，其值随着负极板的脱落而增大。REM-AD同时为电压比较器U5.1的负向输入端，当值大于设定值后，U5.1输出LIMIT-V为低电平，切断能量输出电路的能量。

由上文，反相器U3.1、U3.2、U3.3和电阻R17、R18，电容C5组成环形振荡器，产生脉冲的频率为f。经过D触发器U4.1，输出两个相位相差180°的脉冲波，两脉冲波分别经过反相器U3.4和U3.5，输出的波形依旧是两个相位相差180°的脉冲波，经过反相器可以滤除波形中的毛刺。

当C处为正脉冲，D处为负脉冲，U1的2通道和4通道导通。当C处为负脉冲，D处为正脉冲，U1的1通道和3通道导通。在振荡电路振荡的整个周期内，U2.2的正输入端的电位始终大于负输入端的电位。电压信号从U2.2输出后，经过电阻R7和电容C1组成的低通滤波器后，再经过电压跟随器给单片机，并控制电压在0～3.3 V范围内。低通滤波器对线路上的高频毛刺有抑制作用，电压跟随器可使高压负极板间电阻浮空采集电路和后级电路实现高阻抗隔离，保证电压信号不受后级电路影响。

2.2.3软件设计

2.2.3. 1粘贴面积标定

上文提到，REM-AD的值随着负极板的脱落而增大（随着负极板之间的阻抗增大而增大）。理论上，REM-AD和R成线性关系，但是存在变压器磁饱和等因素，REM-AD和R只能成正相关的关系，实际为曲线。通过标定的方法，将整个区间分成若干个小段，每个小段可近似认为是线性的，再通过计算的方法，使得实际曲线和理论曲线相一致。

负极板完全贴在人体皮肤上的阻抗大概为5欧，负极板脱落到濒临危险状态下的阻抗为135欧。当检测到5欧以下时，判定为负极板的极板1和极板2粘贴在了一起。

将5～135分为10个等份，[5,18),[18,31),[31,44),[44,57),[57,70),[70,83),[83,96),[96,109),[109,122),[122,135）。单片机的数字量是12位的，数字量的值范围为0～4095。用变阻箱模拟负极板贴在皮肤的阻抗，将变阻箱的电阻依次调到5欧姆、18欧姆、31欧姆、44欧姆、57欧姆、70欧姆、83欧姆、96欧姆、109欧姆、122欧姆、135欧姆，用串口助手显示单片机读取到的数字量值，并将其记录到表1中。经过标定后，通过单片机读到的电压数字量值可定量判断负极板的粘贴状态。

表1粘贴阻抗标定

2.2.3. 2电压值采集滤波算法

由于本产品为高频电刀，高频电刀在使用过程中会产生很强的周期性干扰。由于负极板脱落是一个物理过程，其变化的量是连续性的，有一定的趋势。而且采样的速率很高，采样到的数据不会有突变。针对此干扰，本设计采用异常值剔除和一阶低通滤波算法相结合的方法，可有效抑制高频电刀产生的周期性干扰。

异常值剔除是剔除和变化趋势相差很大的采样数据，由于负极板脱落是一个物理过程，并且采样数率极高，两次采样的值不可能相差太大。本设计允许的范围为0.5～2倍之间，超过此范围的值被提出，并被重新赋值，赋的值为上一次输出值的0.8或者1.2倍。

异常值剔除后进行一阶低通滤波算法，一阶低通滤波算法的功能和硬件电路的RC滤波器一样，可以有效抑制电路产生的尖峰干扰信号。

一阶低通滤波算法是将本次的采样值和上次经过滤波的输出值进行加权，得到本次的输出值，本次的输出值再反馈到输入。此算法的公式为Yn=a*Xn+b*Yn-1，式中：Yn为本次滤波输出值，a为滤波系数，a+b=1,Xn为本次采样值，Yn-1为上次滤波输出值。

2.2.3. 3粘贴故障报警

由上文，单片机识别的数字量和粘贴程度成负线性关系，采样值越小，负极板粘贴的越好。粘贴程度可以由单片机读到的数字量值来体现，当读到的值在62～470范围内，代表粘贴很好，10位反应负极板粘贴状态的LED灯全亮；随着读到的值增大，LED逐渐熄灭。当读到的值超过3983，灯全灭，并报警。当读到的值小于62，代表两块负极板粘到一起了，红灯全量，并闪烁报警。

负极板贴合好后，系统会根据检测到的数据判断是否在范围内，如果初始数字量值在62～3983之间，即电阻值在5～135欧姆之间，代表贴合好。在手术过程中，负极板还可能会滑落，系统会根据采到的实时阻抗值来判断，当数字量值和上一次测得的值之间的差值大于百分之二十，即可判断负极板已经滑落。

3、测试结果

图5粘贴面积显示

粘贴面积显示如图5所示，用猪肝模拟负极板粘贴在患者皮肤上。猪肝全贴在负极板上，负极板粘贴面积指示灯6个灯亮，猪肝一半贴在负极板上，负极板粘贴面积指示灯3个灯亮，和理论数据一样，达到预期设计的效果。

4、结束语

本设计的硬件设计有效地检测出高压测得负极板的贴合状态，同时加载了此电路并没有影响整体设备的CF性能，漏电流和耐高压没有任何影响。故而能够安全的反应高压侧的状态，也保证了高压端和低压端悬浮隔离，最终也守护了手术过程中病人的安全。而且本设计的滤波算法和滤波电路结合，可有效抑制高频电刀的高频干扰，保证读到的信号的准确性、可靠性。本设计的软件可显示贴合状态而且针对在粘贴不良好或者负极板滑动地情况下软硬件立刻停止能量输出，并发出报警信号，保证病人的生命安全。

参考文献:

[1]闫技英,曹金辉.高频电刀负极板的使用及安全护理[J].中国卫生标准管理,2015(25):213-214.

[2]陈佳佳,俞建珍.曹舜(通讯作者).1例高频电刀负极板灼伤原因分析与预防对策[J].医药前沿,2019,9(32):163-164.

[3]李雪原,杜心才,李铁玲.高频电刀与负极板[J].医疗卫生装备,2003,24(9):41-42.

[4]杜心才,姚劲松.高频电刀与负极板的工作原理和注意事项[J].中国医疗设备,2010,25(9):15+46-47.

文章来源:裴中才.一种高频电刀负极板贴合度监控方法[J].科学技术创新,2024(10):224-228.