DDS技术在高频手术器驱动中的应用

何 磊 孔令成

(常州大学信息科学与工程学院1，江苏 常州 213164;常州先进制造技术研究所2，江苏 常州 213164)

0 引言

直接数字合成［1］(direct digital synthesis，DDS)技术是一种新型的频率合成技术。该技术具有较高的频率分辨率，它既能快速实现频率切换，又能在频率改变时保证相位的连续。

在传统的外科手术中，手术刀和止血钳是人们非常熟悉的医疗工具。随着现代医疗技术水平的不断提高和高频手术器技术的进一步完善，智能型医用多功能高频手术器已经逐渐取代了手术刀、止血钳和其他一些医疗器械，成为现代外科手术中常用的医疗设备。高频手术器是高频段工作中最常见的高能量医疗仪器。随着计算机技术的普及、应用和发展，高性能的单片机已广泛应用在高频手术器的整机控制中，实现了各种功能下功率波形、电压、电流的自动调节，以及各种安全指标、程序化控制和故障的检测及指示。这就大大提高了设备本身的安全性和可靠性，简化了医生的操作过程。

1 高频手术器

1.1 手术器原理

高频手术器是基于“集肤效应”原理设计的［2］。“集肤效应”原理具体是指电流在人体这段“导体”的表面流动，而不流经人体内脏组织。因此，这种高频电流不会对脏器造成伤害，且患者自己基本上没有明显不适感。

高频手术器主要由高频手术器主机以及手术器手柄、负极板、双极镊子等附件组成。通常的高频手术器都具有单极电切、单极电凝以及双极电凝的功能。

由于低频电流可以产生明显的电击和电刺激作用，因此选择手术器的工作频率具有重要的意义。在选择过程中，要求所选频率不能引起电击，同时还要求具有较小的电刺激，一般交流电频率应大于300 kHz。有关资料表明，当交流电频率在500 kHz左右时，电流对人体的电刺激己经很小;当交流电频率大于1 MHz时，电流对人体的电刺激会完全消失，这时高频电流只会对人体产生热效应。由于涉及高频辐射和国家标准的限制等问题，现有高频手术器工作频率一般在0.4～3 MHz之间。本课题所设计的手术器的工作频率约为500 kHz。

1.2 手术器硬件结构

高频手术器的硬件基本结构如图1所示。

图1 高频手术器基本硬件结构Fig.1 Basic hardware structure of electrotome

人机界面主要负责整个设备的参数设定和数据显示;可编程逻辑器件在微控制器的控制下进行参数配置，然后输出所需频率和波形的高频信号;高频信号经隔离电路后被送入后续的MOSFET驱动电路中，用以控制MOSFET的通断和继电器的开关;继电器的开关控制高频变压器的不同输入端，并在输出端产生不同的信号。

1.3 驱动电路

MOSFET驱动电路如图2所示。图2中，T_ON为FPGA产生的高频信号，F1为大功率 MOSFET管。T_ON控制F1的导通以及控制继电器开关K2A的通断。继电器开关的通断控制高频变压器T4的不同输入端，并在输出端产生不同的信号。这就实现了高频信号T_ON对高压直流信号HVDC的调制，实现了功率放大，最终得到高频高压信号，即手术所需的高频高压信号。

图2 MOSFET驱动电路Fig.2 MOSFET driving circuit

在单极电切、单极电凝、双极电凝三种工作模式下的信号频率如表1所示。

表1 信号频率参照表Tab.1 Reference table of the signal frequency

2 驱动脉冲发生器设计

高频手术器期望的频率控制信号如图3所示，T0为基波周期，基波的频率变化范围为200～1000 kHz［3］;T1为调制波周期，调制频率的变化范围为0～39 kHz。考虑到高频手术器不同型号的要求，本系统的基波频率变化范围应为200 kHz～1 MHz;鉴于对手术器输出功率的控制，要求调制波的脉宽可调。

图3 期望的驱动脉冲信号Fig.3 Expected driving pulse signal

本系统采用FPGA设计了一个频率和脉宽都可调［4］的调制波，并得到相应的脉冲信号。调制波的周期为b个脉冲周期长，其高电平时间为a个脉冲周期长，然后将基波和调制波进行与操作。

2.1 脉冲发生器接口

采用FPGA实现基波信号和调制波信号频率和脉宽的调整，由FPGA控制产生PWM信号［5］，这就可以保证信号的可靠性和稳定性。FPGA与微控制器的接口连接如图4所示。

图4 微处理器与FPGA的接口示意图Fig.4 Interface between microprocessor and FPGA

2.2 发生器内部结构

图5 驱动脉冲发生器的内部结构框图Fig.5 Internal block diagram of driving pulse generator

基波数据寄存器值和调制波数据寄存器值计算方法［6］如下:

式中:Vbp为基波数据寄存器值;Vmp为调制波数据寄存器值;Fosc为外部时钟的频率;Fbp和Fmp分别为基波和调制波的脉冲频率。

由Fout输出的控制脉冲波形如图6所示。

图6 控制脉冲波形Fig.6 Waveform of the control pulse

采用Verilog语言［7］，可实现占空比调节前后调制脉冲发生器的仿真［8-9］。当占空比数据寄存器值为0x0016、0x000A和0x0020时，out输出波形的占空比分别为1∶1、4∶1 和16∶25。

3 结束语

由于高频手术器的应用对象是病人，所以对可靠性和控制精度的要求很高。经实际验证，基于FPGA的MOSFET驱动电路和MOSFET驱动脉冲发生器，具有很高的可靠性。MOSFET的驱动脉冲频率可以在一个很宽的频率范围内进行选择，因此，MOSFET驱动电路具有很大的通用性。

［1］潘松，黄继业.EDA技术使用教程［M］.北京:北京科学出版社，2006.

［2］周殿凤，康素成，王俊华.基于FPGA的任意数值分频器的设计［J］.信息化研究，2010，36(2):59-61.

［3］段亚辉，梅涛.基于80C552的高频手术器功率控制系统设计［J］.仪表技术，2009(10):12-14.

［4］王峰，赵又新.基于FPGA新型压电化学传感器的设计与实现［J］.自动化仪表，2011，32(3):68-71.

［5］田艳军，武剑.KYKY YT300C高频电刀的研制开发［J］.医疗卫生装备，2000(6):6-8.

［6］袁广超，田旭东，陈恩，等.基于CPLD的振弦式传感器的频率测量技术［J］.自动化仪表，2009，30(11):63-66.

［7］邓先荣，杨景常，庞利会，等.GPIB接口控制者功能的FPGA实现［J］.自动化仪表，2010，31(10):76-78.

［8］诸红娟，隋国荣.基于SCCB通信的FPGA视频采集模块［J］.自动化仪表，2010，31(11):68-74.

［9］白雪皎.基于CPLD半整数分频器的设计［J］.长春大学学报:自然科学版，2006，16(1):13-15.