恒功率高频电刀能量发生器：生物组织的切割与闭合

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.41.016

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (41): 7290-7296.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.41.016

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恒功率高频电刀能量发生器：生物组织的切割与闭合

欧孔武¹，周宇²，鄢盛杰²，李殿立²，严博文³，宋成利²

¹上海理工大学医疗器械与食品学院，教育部微创医疗器械工程中心，上海市 200093；²上海理工大学，上海市 200093；³重庆大学生物工程学院，重庆市 400030

收稿日期:2013-07-04 修回日期:2013-07-10 出版日期:2013-10-08 发布日期:2013-11-01
作者简介:欧孔武★，男，1988年生，安徽省宿州市人，汉族，上海理工大学医疗器械与食品学院在读硕士，主要从事生物医学电子学研究。 oukongwu@126.com
基金资助:
上海市科委资助项目(10441900900)*；上海市教委科研创新项目(12YZ102)*；上海市优秀青年教师科研专项基金资助项目(slgl0020)*

Constant power electrosurgical generator: Biological tissue cutting and sealing

Ou Kong-wu¹, Zhou Yu², Yan Sheng-jie², Li Dian-li², Yan Bo-wen³, Song Cheng-li²

¹School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Engineering Center for Minimally Invasive Medical Devices of Ministry of Education, Shanghai 200093, China; ²University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; ³Bioengineering College of Chongqing University, Chongqing 400030, China

Received:2013-07-04 Revised:2013-07-10 Online:2013-10-08 Published:2013-11-01
About author:Ou Kong-wu★, Studying for master’s degree, School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Engineering Center for Minimally Invasive Medical Devices of Ministry of Education, Shanghai 200093, China oukongwu@126.com
Supported by:
Project of Shanghai Science and Technology Commission, No. 10441900900*; Research and Innovation Project of Shanghai Education Committee, No. 12YZ102*; Specific Fund for Shanghai Outstanding Young Teachers, No. slgl0020*

摘要/Abstract

摘要：

背景：随着医疗器械的不断发展，越来越多的传统外科治疗被微创治疗所取代。在微创外科手术中，要经常进行组织切割和闭合，然而，由于空间与视野的限制，普通的方法并不适用微创治疗。
目的：研制能够恒功率输出具有组织切割和闭合功能的高频电刀能量发生器。
方法：为了提高外科治疗中对组织切割与闭合的效率，研制了一套用电能对组织进行切割与闭合的高频能量发生器。该装置包括：幅值可调开关电源、高频功率放大器、阻抗检测模块和微控制器。其中由开关电源和功率放大器组成的电能变换器将220 V 50 Hz的市电变换为一个450 kHz的高频能量并作用在组织上，同时阻抗检测模块将实时检测生物组织上的电参数，并将其作为反馈量提供给控制器，最后由控制器完成恒功率控制和生物阻抗判定。
结果与结论：实验结果表明，研制的仪器能够快速稳定地产生高频大功率电能，能实时检测生物阻抗信息，并通过反馈控制实现恒功率输出，可有效完成对生物组织的切割与闭合。

关键词: 组织构建, 组织构建基础实验, 高频能量发生器, 阻抗检测, 电能变换器, 组织切割, 组织闭合, 恒功率, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: With the development of medical instruments, more and more traditional surgical operations are replaced by minimally invasive surgeries. In minimally invasive surgery, cutting and sealing tissue is a conventional procedure; however, due to the limitation of space and vision, the ordinary methods are not suitable for minimally invasive surgery.
OBJECTIVE: To develop high frequency electrosurgical generator that has a constant power output and ability for tissue cutting and closing.
METHODS: In order to improve the efficiency of tissue cutting and sealing in surgical, a kind of high-frequency energy generator was developed for tissue cutting and sealing. The instrument consisted of switching power supply with adjustable amplitude, high-frequency power amplifier, impedance monitor and microcontroller. The energy converter composed of switching power supply and high-frequency power amplifier converted the 220 V, 50 Hz utility powers to a kind of high-frequency energy with 450 kHz and applied on tissues. Impedance monitor would real-timely detect the electrical parameter impacting on tissue that was provide the amount of feedback to microcontroller in order to complete constant power control and bioimpedance determination by the controller.
RESULTS AND CONCLUSION: The experimental results indicated that the instrument could rapidly and stably provide high-frequency energy, and could detect the biological impedance in real-time, achieve constant power output through feedback control, and could cut and close the biological tissue efficiently.

Key words: surgical procedures, minimally invasive, wound closure techniques, tissues, electric impedance

中图分类号:

R318

欧孔武，周宇，鄢盛杰，李殿立，严博文，宋成利. 恒功率高频电刀能量发生器：生物组织的切割与闭合[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(41): 7290-7296.

Ou Kong-wu, Zhou Yu, Yan Sheng-jie, Li Dian-li, Yan Bo-wen, Song Cheng-li. Constant power electrosurgical generator: Biological tissue cutting and sealing[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(41): 7290-7296.

图/表（结果） 5

3.1 开关电源调试结果 开关电源设计为一个0- 120 V可调直流电源，表1显示了控制信号从0.5-4 V给定，负载为100 Ω无感电阻时，开关电源输出电压、响应时间和纹波峰值。

实验结果表明，开关电源平均响应时间为4.5 ms，平均纹波率为5%。

3.2 高频能量发生器快速响应实验 在电外科手术中，完成一次血管闭合需要2.0-3.0 s^[18]，所以整个系统需要有快速响应的能力。实验中，高频能量发生器负载接100 Ω无感电阻，控制器输出一个阶跃信号使整个系统开始工作，用示波器检测高频输出能量的响应过程，整个过程如图7所示，其中黄色为电压波形，蓝色为电流波形，响应时间 4.5 ms，频率为450 kHz。

3.3 生物阻抗检测实验 实验中，实验材料选取为离体的鸡肠，带占空比的高频能量通过LigaSure Atlas双极闭合器输出^[19]。阻抗检测模块将实时检测作用在鸡肠上的电参数信息，并将其送入PC机中由Labview程序做校准处理，最终在显示器上显示实时电压有效值、电流有效值和生物阻值信息。实验结果如图8所示。

实验中，控制器设定输出110 W，负载从30 Ω到 200 Ω变化，用高压差分探头和大电流探头检测每个阻值下的高频电压和电流，在示波器中将检测到的电压值和电流值做乘积运算，最终得到每种负载情况下的功率值，功率曲线如图9所示。

3.5 生物组织实验 为了验证能量发生器的切割能力，选取离体猪肝作为实验材料，能量发生器设定80W输出。高频能量通过电刀笔引出，作用在离体的猪肝后，通过猪肝底部的极板回到能量发生器。实验中，电刀笔、底部极板和猪肝构成高频能量输出回路，猪肝作为负载被高频能量产生的热效应所切割。

实验效果如图10所示，实验表明研制的仪器能够有效地对生物组织进行切割。

为了验证研制仪器对组织的闭合效果，实验材料选取离体鸡肠，直径约为5 mm，高频能量输出器械选择美国Covidien公司的LigaSure Atlas大血管闭合器，能量发生器设定60 W输出，工作占空比为50%，周期为 0.5 s。研究表明生物腔道闭合口必须承受3倍正常收缩压和舒张压的反复冲击而不破裂才算安全闭合。所以文章中将闭合完成后的鸡肠做了相关爆破压实验，爆破压实验系统由以下仪器组成：恒流泵(保定齐力恒流泵有限公司产品)、烨立工控压力传感器(WMB-HS)、医用三通管、数据采集卡和PC机。经过爆破压实验系统检测，测得闭合口能承受106.4 kPa的爆破压，大于3倍的正常收缩压，即有效地完成闭合，实验效果如图11所示。

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引言

电外科仪器是一种大功率高频能量发生器，其输出能量的频率在200 kHz-3.3 MHz之间，功率从几十瓦到几百瓦^[1-2]。现代生物医学的发展揭示了电流与人体的关系，研究表明，电流通过人体时主要产生热效应、刺激效应和化学效应^[3]。当电流的频率大于200 kHz时，刺激效应基本消失而只有热效应，电外科仪器就是利用这种高频能量产生的热效应使生物组织水分汽化、蛋白质变性来达到治疗效果的^[4-5]。

与传统手术器械相比，电外科仪器可以实现切割与凝结的同步进行，减少术中出血，使手术视野清晰，并缩短手术时间，但是其输出能量的大小和时间，都由医生主观经验判断，从而带来了一些不良作用，例如释放能量过多造成热损伤或者能量释放不够造成组织未能闭合。为了减少这种人为因素来带的影响，电外科仪器正从单一的切割与凝结功能向智能化发展，力求实现对组织状态的实时监控，从而到达一种优质的闭合与切割的效果。

根据以上思路，研制了一套智能型射频能量发生器，该仪器能够实时判定生物组织状态以及实现恒功率输出，以减少人为因素带来的影响，同时采用了响应速度快、稳压效果佳的大功率开关电源代替可控硅电源和线性电源，采用了推挽式E类功率放大器代替全桥开关式功率放大电路和D类功放，以此来进一步提高输出功率大小和输出能量效率^[6]，采用了微控制器代替一般的数字模拟集成电路作为控制单元，使控制系统拥有处理更复杂算法的能力。

文章从射频能量发生器中包含的主要硬件电路展开研究，提出具体的优化指标，并设计出合适的电路拓扑结构。调试结果表明：①开关电源可实现幅值数字化调节并具有对输出功率、电流、电压的限制功能以保护仪器和用户的安全。②推挽式E类功率放大器可产生低谐波含量的高频能量且具有高工作效率。③阻抗检测模块与微控制器配合工作能够完成对生物阻抗的实时判定和恒功率控制。最后，在以上仪器研制的基础上，还做了相关体外生物组织实验，以验证所研制仪器的实际工作效果。

材料方法

高频能量发生器系统描述

高频能量发生器结构框图如图1所示。其包括：幅值可调开关电源、高频功率放大器、阻抗检测模块和微控制器。

其工作过程为：开关电源将220 V 50 Hz的市电做整流处理后，得到一个幅值受控制器调节的直流电压，该直流电压将注入高频功率放大器，通过谐振的方式产生一个450 kHz的高频电压，并经过隔离后作用到生物组织上；阻抗检测模块将实时检测作用在生物组织上的电参数信息并将其作为反馈量提供给控制器，最后控制器通过控制开关电源的幅值实现恒功率输出；设计中，控制器还将输出两路反相的高频方波用以驱动高频功率放大器的开关MOS管。

高频能量发生器硬件设计

系统的硬件设计主要包含3个部分：幅值可调开关电源、高频功率放大器和阻抗检测模块。具体设计如下。

幅值可调开关电源 控制器通过调整开关电源输出电压，来调节高频输出电能大小。开关电源设计为：输出电压V₀=0-120 V 可调；开关频率f=50 k，MOS开关管的最大工作占空比为0.4；输入电压V_dc=308 V；最大输出功率P₀=500 W；最大输出电流i₀=4A。开关电源结构如图2所示，主要包括以下几个部分：误差放大器、PWM控制器、全桥电路、隔离变压器、LC滤波输出电路和反馈电路。

根据开关电源设计目标和拓扑结构，可以确定出主要的电路设计参数。误差放大器设计为一个低通滤波器，其截至频率为500 kHz，低频段增益为26 dB；PWM控制芯片选择UC3825，其两路输出驱动分别控制一对桥臂；在全桥结构中，考虑电网±10%的波动和变压器30%V_dc的漏感尖峰，开关MOS管承受的最大电压应力为：

根据MOS管承受的最大电压应力和最大电流应力，选择开关管型号为IRFPS40N50L。变压器选取为飞磁公司的E55铁氧体磁芯^[7]，采用EE结构，气隙1 mm，变比为10∶8。输出电感L的设计原则为^[8]，电感值的选取能使直流输出电流I₀不出现断续，计算得到L=1 000 μH；电容类型选择电解电容，要求满足输出电压纹波率最大5%，计算得到C=10 U；反馈电路由串联分压电阻R₁和 R组成，其中R₁为78 K, R₂为2 K。根据以上设计参数，

高频功率放大器 高频功率放大器是能量发生器的核心部件，要求其输出功率0-200 W范围内可调，输出频率为450 kHz。为了实现对高频信号的高效放大，采用了一种对称式E类功率放大器，其结构如图4所示。对称式E类功率放大器的开关MOS管工作于软开关模式，理想情况下其交流开关损耗为零^[11-12]。当两个开关管交替开关时，在谐振电路L₃L₁两端会产生一个近似的正弦电压，该电压经过串联谐振电路L₃L₁的选频后，变为一个450 kHz的高频电压，最后通过变压器隔离输出到人体组织上。

工作时，控制器产生两路反相的450 kHz方波分别驱动Q₁和Q₂。Q₁和Q₂型号选择APT8014L2FLL，其最大可承受52 A的导通电流和800 V的关断电压，具有快速开关的特性。对于功率放大器中的无源元件，按照Sokal等^[13]提出的经典分析方法，要实现上述软开关过程，需要根据功放输出功率、输入直流电压、开关频率和负载情况设计需要的电容值(C₁C₂C₃)和电感值(L₁L₂L₃)。研究表明人体组织在高频电流作用下的电阻为300 Ω^[14]；功率放大器最大输出功率P=200 W；最大输入电压V_in=120 V；驱动频率f=450 kHz；参考Siu-Chung Wong关于对称式E类功放的简化设计，可计算得到各无源元件取值：L₁=L₂=90 μH，C₂=C₃=10 nf，C₁=16 nf，L₃=12 μH。

在仿真实验中，负载电阻R=300 Ω，无源元件按照设计值设置，输入电压V_in=50 V。得到MOS管开关过程中的电压电流波形，其中绿色为电压波形，红色为电流波形，如图5所示。从仿真波形可知，开关在关断时刻，电流瞬间降低到零，电压从零开始上升，实现零电流关断。开关在开启时刻，电流从零开始上升，电压由于谐振网络的原因，基本下降到零电压，从而实现零电压开启。仿真结果表明，由于谐振网络使MOS开关管工作于软开关模式，这使得高频功率放大器的效率在95%以上。

阻抗检测模块与微控制器 实验研究表明，生物阻抗与生物组织状态之间有着紧密的联系^[15]，所以可选取作用在生物组织上的电压、电流参数作为反馈量，控制器据此来实时监测生物组织状态以及决定能量输出大小^[16-17]。该反馈量是在高频大功率环境下检测的，所以如何保证检测电路不被这种大功率能量破坏以及精确检测高频信号是设计的关键。

文章根据上述思路，设计了一套阻抗检测模块，其结构如图6所示。其中，两个感应器变压器起着电气隔离的作用，并将高频电压和电流分别经过60倍和10倍衰减；缓冲放大电路将电压、电流检测信号做电压跟随以减小负载效应；低通滤波电路将滤除信号上的高次谐波，其截至频率为1 MHz；差分放大电路将两路差分检测信号转换为单端信号；最后，由有效值转换电路将其转换为直流有效值，并将其作为反馈量提供给控制器。

微控制器选用飞思卡尔公司的MC9s12XS128MAL单片机。控制器采用反馈控制，以一个0-5 V的小信号调整开关电源输出幅值，以实现系统的恒功率输出。同时，控制器内置的PWM模块，将产生两路450 kHz的反相方波去驱动高频功率放大器中的MOS开关管，其中方波输出占空比为0.5，周期为2 s。同时控制器通过外围的128*64液晶，显示实时输出功率值和设定值。

恒功率高频电刀能量发生器：生物组织的切割与闭合

Constant power electrosurgical generator: Biological tissue cutting and sealing

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