基于AVR单片机的微创智能切凝刀系统的设计

尹 婉， 叶 兵， 张静雅， 余海东， 王立伟

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

微创手术不同于传统的外科手术之处在于具有创伤程度低、疼痛轻和恢复快的优点，深受患者的欢迎，因此微创手术技术和微创手术器械的研制成为新的发展方向［1－2］。在微创手术中，肌体组织的热融合技术和切割技术的应用已较成熟，常用的切割器械有电刀、超声刀、微波刀和激光刀等。但是上述技术存在着一些缺陷，有些甚至是技术原理层面的缺陷。电热切凝刀便是为了改善上述手术器械的功能应运而生的，其原理是利用电阻体的欧姆热实施手术治疗。欧姆热的优点在于电热交换体的电流构成自封闭系统，进行电热转换时不会产生手术局部肌体中微弱的电流发散，也不会产生电流对肌体组织的刺激。目前，国内尚未见采用欧姆热换能技术的便携式切凝刀产品销售，国外也只有MicroLine公司生产类似的医疗器械。本文设计的锂电池供电的便携式微创切凝刀最大优点在于微型化、便携化。将大功率运行的医疗设备微型化，需要将控制盒直接微型化装进切凝刀手柄，以实现传统仪器所有的功能，它可以在医师手里360°随意旋转，摆脱了电缆对医师手腕的缠绕和牵绊，使手术过程更加方便快捷。

1 系统的设计原理

热切凝刀系统包括操作结构和智能化控制系统2个部分。操作结构主要为机械结构，控制系统是以嵌入式系统为核心的电气结构。器械头部的电阻加热体刀头为可开合的钳形结构，通过手持器控制其开合，同时利用自身结构形成加载电流的传导。电阻加热体刀头的温度由控制器加载的电流决定，控制系统根据设置条件自动控制电流大小。控制端主要实现控制、手术参数设置和查询界面的操作。主刀医师通过操作热切凝刀手持式终端的机械结构，配合按键，对病人进行治疗。控制系统主要包含微控制器、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块、A／D 采样模块、液晶显示模块、按键模块、功率驱动模块等部分组成，如图1所示。

图1 微创切凝刀控制系统

2 系统的硬件设计

2.1 功率驱动模块

功率驱动电路如图2所示。

图2 功率驱动电路图

为实现温度的精确控制，采用了脉冲宽度调制（PWM）技术［3－6］，即通过占空比不同的方波电压产生不同的平均电流。由微控制器产生PWM信号，PWM信号经过功率放大后形成的脉冲电流通过刀头电热丝，产生高热。通过对脉宽调制信号占空比（脉冲宽度）的调节，实现对刀头功率的实时控制。

由于在电热器件工作过程中，电热主回路的工作电流较大，大功率运行时，瞬时电流可能会达到9A［7］。为了避免电流过大引起的器件烧毁以及短路对微控制器的影响，在功率驱动电路中增加了4个并联的双N沟道增强型场效应晶体管AO8810作为高速开关，扩大电流容量以执行保护动作。传统的大功率运行的设备都要装散热片，而由于本文便携式切凝刀对空间尺寸的严格限制，不可能安装散热片，通过安装4个并联的AO8810场效应管完美地解决了这个问题。

由于MOS管导通后有导通损耗，导通损耗与漏极电流强度的平方成比例关系，那么电流越大的产品，就越是需要具有低的导通阻抗。AO8810场效应管导通电阻稳定，导通电阻只有20mΩ左右。而且电阻越小时，产生的热量越小，这样4个并联的AO8810场效应管并结合PCB板便可完成散热，不需要外接散热片。

PWM输出高电平信号时，MOS管导通，输出低电平信号时，MOS管关断。如图2所示，10Ω是驱动电阻，要使电阻尽量地靠近 MOSFET管的栅极，这样可以消除寄生振荡。由于MOSFET管输入阻抗很高，驱动阻抗必须很低，才能防止电路发生反馈自振荡。

2.2 液晶显示模块

本文设计的便携式切凝刀系统选用点阵式液晶屏，为了能够同时实现图形、数字以及字母等丰富直观的信息内容并且兼顾外观宽度的限制，选用了64×32点阵单色OLED显示模块，其大小仅有14.5×11.6mm2，不仅小巧便携而且能够完全满足系统需要。其接口电路图如图3所示。

图3 液晶屏接口电路图

3 系统的软件设计

选用ATMEL公司所研发的精简指令集高速8位AVR系列单片机作为微控制器。

3.1 切凝刀控制系统软件主流程图

控制系统上电启动完成软件系统的初始化后，软件对整个软硬件系统进行自检；当自检正常后，接收来自外围设备的切割和凝血相关的参数设置或读取已经存储在系统内部的设置参数，等待操作者的操作动作；当伴随操作动作的按键事件激励时，通过PWM控制输出来驱动电热器件工作。切凝刀控制系统流程图如图5所示。

图4 切凝刀控制系统软件主流程图

3.2 A／D采样模块

A／D模块程序流程如图5所示，首先将ADC控制和状态寄存器（ADCSRA）的ADEN（7bit）置位来启动ADC，当检测到该位为逻辑0之后则表示ADC转换完成，正常的转换过程一般需要13个ADC时钟周期［8－9］。由于ADC的精度是10位，所以当ADC转换完成后将转换结果存放在ADCL和ADCH 2个数据寄存器中，默认情况是右对齐，需要先读取ADCL寄存器再读取ADCH寄存器中的数据。进行下一次转换时再将ADSC标志位置位来再次启动ADC转换。读取数据后将转换结果换算成电压与标定电压对比，通过算法将电量显示在OLED液晶显示屏上。

图5 A／D模块程序流程图

3.3 PWM控制模块

系统采用基于T／C0的不分频快速PWM模式，在此模式下，计数器从BOTTOM计到TOP，而TOP值可以为0x01FF等固定值，也可以由输出比较寄存器OCR1A或输入捕捉寄存器ICR1指定［10］。这样，输 出 比较 寄 存 器 OCR1A 和OCR1B则可用于保存匹配值，用于改变PWM的占空比。工作于快速脉冲宽度调制模式时，在OCO引脚上输出PWM波形。设置COM01：0为2并且将OCO的数据方向设置为输出，这样就可以产生普通的脉冲宽度调制信号。PWM控制任务流程图如图6所示。

图6 PWM控制任务流程图

4 结束语

本文设计的基于AVR单片机的便携式微创热切凝刀，克服或改善了传统类似器械的若干缺陷与不足，有更高的安全性和效率。经过试验测试，当脉冲频率在4.3kHz时，对电热器件的功率调节即可保证温度以℃／s的速度改变。该热切凝刀系统采用数字可调节控制方式的刀头温度控制，温度设置范围为50～200℃，温度控制的相对精度在±6%，温度上升时间控制在3～5s。综合测试结果表明，本文研制的便携式切凝刀运行良好，同时切割组织和封闭血管，电热传导损伤小（平均烫伤宽度小于1mm），设计精巧，便携性强，并且手术视野清晰。

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