一种高频电刀背电极皮肤动态接触阻抗检测器的设计

黄瑞生佛山市禅城区南庄医院，广东省，佛山市，528061

一种高频电刀背电极皮肤动态接触阻抗检测器的设计

【作者】黄瑞生佛山市禅城区南庄医院，广东省，佛山市，528061

常规高频电刀的双回路背电极与皮肤粘合后，两电极接触电阻为（50～200）Ω，若双回路背电极接触电阻过大或过小则需报警。设计不仅可以检测高频电刀双回路背电极板与皮肤的静态贴合情况，还能对背电极的接触阻抗发生动态变化时做出相应的检测和报警，能有效防止高频电刀双回路电极在手术过程中发生移动而对医务人员可能造成的损伤，提高了高频电刀工作时的安全性。

高频电刀；双回路电极；动态阻抗检测，手术安全

0 引言

自1928年William T.Bovie发明射频电外科器械以来[1]，高频电刀逐步成了广泛用于临床的基本手术装置。高频电刀具有电切、电灼和电凝等功能[2]。高频电刀事实上是一个大功率的信号发生器。信号的宏观形态由函数发生器产生，经射频调制后，再经功率放大器放大输出到电极。电极有双极和单极之分[3]。长期以来，影响电刀的应用和发展的难题之一是敷极板(背电极)处机体组织的灼伤或烧伤。众所周知，高频电刀的作用原理实际上是一种高频电流在背电极和手术刀头之间形成的一个闭合回路，由电流的物理特性可知，一个闭合回路中电流处处相等，而回路中的功率则由回路中某节点的电阻(阻抗)大小决定。电刀头与机体组织的接触阻抗大，因此电刀的主要功率集中在刀头和组织的接触处，通电时刀头的高频电火花可以对机体进行组织切割或对组织进行烧灼止血。按理说背电极(无关电极)只是起一种电流的回路作用，接触阻抗应该很小，但实际操作中会因敷在背电极的导电胶导电性能变差或手术过程中医生在患者身上用劲后背电极发生移位而导致背电极和皮肤的接触电阻(阻抗)增大，产生的热量就会越来越多[4]。这样，就会在背电极和皮肤的接触处灼伤，甚至发生部分背电极移开病人的皮肤接触旁人发生医务人员的损伤。因此，需要引入一种监测装置来避免这种情况的发生，本设计就是基于这个目的而进行的。

1 设计原理与方法

1.1 设计原理

目前，背电极大多采用单回路电极板改成双回路电极板的形式。双回路电极板电路对高频电流来说仍相当于一个回路电极，但双回路电极中把原来的一块单电极分成两块电极，中间有5 mm左右的间隔。当这两个敷极板粘到皮肤上后，电刀中的回路检测系统会检查这两个电极间的接触电阻(阻抗)，双回路背电极与皮肤粘合后，两电极接触电阻正常值为(50～200)Ω。若接触面积不够或导电胶导电性能不佳，则电阻变大；如果双回路电极有短路现象，则起不到检测接触电阻的作用。如果这种双回路背电极在手术过程中发生电极的移位，电极与皮肤的接触电阻虽然仍在(50～200)Ω范围，但由于电极的位移或许已经有一部分电极移出患者的机体而与医务人员的身体相碰了，这样就会发生手术中医务人员的损伤。本设计一方面解决了双回路电极间接触电阻（阻抗）的静态检测，同时对回路背电极两电极之间的接触阻抗发生动态变化时，比如静态接触阻抗即使仍在(50～200) Ω之间，但较之初始电极和皮肤粘合时的阻抗增加20%抑或更多时，机器也能够做出相应的报警。

1.2 设计电路及分析

图1为该设计的电原理路。

图1 高频电刀背电极接触阻抗检测电路Fig.1 Circuit diagram of impedance detection of back electrode in HF surgical equipment

图1 中A2的LM385-1.2是稳压管，稳压值是1.2 V，U1A工作在负反馈状态，两个输入端2、3之间可以认为是虚短，而且R2两端无电流，因此R3两端的压降也是1.2 V，R3的值是2.4 K，流过R3的电流为1.2/2.4=0.5 mA，由于串联回路电流处处相等，流过R4的电流也是0.5 mA，此电流最终将流入自激振荡电路Q2、Q3回路。B1是N1: N2=7: 1的阻抗变换器。B2是1:1电气隔离变压器，它将电刀的工作电压(5000 V，300 KHz)和测量电路(12 V)实现电气隔离，由于电刀属于CF型仪器，患者漏电流必须小于10 μA[5]。而测量电路的输出端(Resistor DC)还要与主机(50 Hz的电源经变压后给元器件供电)连接，所以B2起一个将低频元件与高频元件实现电气隔离的作用。高频电流通过人体时，因为其周期时间过短，不会引起神经和肌肉的兴奋，而50 Hz的市电经过常规变压后即使给元器件供电的工作电压很低，比如5 V或12 V，元器件的任一节点也不能接触人体的任何部位，因为对人体存在着宏电流电击或微电流电击的危险，所以这两部分须进行隔离。

需要测量的是两个back pole(双回路背电极)之间的电阻，阻抗经过B2和B1两个变压器，映射到Q2、Q3集电极和发射极之间，而以+12 V为起点，经过R3、Q1、 R4、Q2、 Q3的集电极和发射极最后接地，组成了一个完整的通路。该通路为0.5 mA的恒流源(前面已述)，R4下端的节点分别通过R5及N1的中心抽头接Q2和Q3的集电极，由于R5与U1B同相输入端相连，U1B是一个电压跟随器，输入电阻接近无穷大，故R5几乎没有电流流过。因此，流经R4的电流即是Q2、Q3的振荡电流，回路的电压会随着Q2、Q3负载阻抗(通过B1、B2阻抗映射)的变化而变化，因此，在R4的下端会产生一个随阻抗而变的Δ电压，经U1B电压跟随器的5脚输入，最终由Resistor DC端输出。通过测量Resistor DC的直流电压值就可以得到Q2、Q3的负载阻值。由于Q2、Q3的负载阻值变化是两个back pole(双回路背电板)之间阻值变化的函数值，因此，测量Resistor DC端输出的直流电压就能达到测量双回路背电板电阻(阻抗)的目的。

2 实验结果

改变恒流源和R4的大小或B1的阻抗比的值，让双电极皮肤接触阻抗在(20～250)Ω变化时使Resistor DC检测端直流电压在(1.5-4.5) V之间变化(CPU或A/ D转换最佳电压范围)，最后经过实验把恒流源定为0.5 mA，R4定为2.2 K，N1的阻抗比为7:1。

用无感电阻接在两个back pole电极之间，在Resistor DC端对地之间测得对应的阻抗-直流电压。阻抗和直流电压的对照见表1所示。

表1 双回路背电极接触阻抗和检测电压的对照Tab.1 Contact impedance and detection voltage of Double-loop back electrode

根据检测到的直流电压可以求得相应的皮肤与电极的静态接触阻抗。通过一个窗口（2.99～3.77）V比较器，让机器允许双电极与皮肤的接触阻抗在（50～200）Ω之间属于安全范围。通过相应的计算，还可以得到电极与皮肤之间的动态接触阻抗，再根据动态阻抗的变化率限制值设置报警的参数。

[1] David Prutchi, Michael Norris. 医疗电子仪器设计与开发-医疗仪器设计, 制作和测试的实用技术[M]. 封洲燕, 译. 北京: 机械工业出版社, 2011

[2] 余学飞, 吴建刚, 邱力军, 卢广文.现代医学电子仪器原理与设计[M]. 第二版. 广州: 华南理工大学出版社, 2007

[3] 邓亲恺. 现代医学仪器设计原理[M]. 北京: 科学出版社, 2004

[4] John G. Webster. 医学仪器应用和设计[M].马立业译. 北京: 新时代出版社1982

[5] 邹任玲, 胡秀枋. 医用电气安全工程[M]. 南京: 东南大学出版社, 2008

Design of Dynamic Skin lmpedance Detector for the Back Electrode of High Frequency Surgical Equipment

【Writers 】Huang Ruisheng
Chancheng District Nanzhuang Hospital. Foshan,Guangdong. 528061 China

high frequency surgical equipment, double-loop electrode, dynamic impedance detection, operation safety

R612

B

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.05.009

1671-7104(2012)05-0345-02

2012-05-10

黄瑞生，E-mail: hrs2989@163.com

王永国，E-mail: wyguo@126.com

【 Abstract 】For the conventional high frequency(HF) surgical equipment, the contact impedance between the two back electrodes when they are gluing with skin is 50-200Ω. If the contact impedance between the two electrodes is either too large or too small, an alarm is needed. This detector is designed not only to detect the contact condition between skin and the back electrodes, but also to monitor and alarm the dynamic change of the contact impedance. It effectively prevents the potential damage to medical staff when the back electrodes of the double-loop HF surgical equipment is moved during operation. Thus, this design enhances the safety of HF surgical equipment in clinical use.