基于多MCU的高頻電刀研制
摘要:針對醫(yī)用高頻電刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要采集和控制的信息量大的難點,提出了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀設(shè)計及其與之配套的自動測試系統(tǒng)。主控制、射頻控制、數(shù)據(jù)采集、用戶界面分別采用獨立的MCU控制。MCU之間分工協(xié)同工作,通過串行接口USART和SPI,并根據(jù)約定的通信協(xié)議進行通信;射頻產(chǎn)生電路由負責射頻控制的MCU控制復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD),從而產(chǎn)生控制功率驅(qū)動電路的方波。經(jīng)測試,該系統(tǒng)輸出頻率穩(wěn)定,系統(tǒng)參數(shù)靈活可調(diào),且提高了高頻電刀的實時性和安全性。
關(guān)鍵詞:高頻電刀;多MCU;USART;SPI;CPLD
0 引言
高頻電刀是一種利用高頻電壓電流的熱效應(yīng)進行手術(shù)切割的電外科器械,一般具有電切和電凝的功能;相對于機械手術(shù)刀具有準確快捷、微創(chuàng)治療的優(yōu)點;其基本原理是通過在手術(shù)電極產(chǎn)生0.3~1 MHz頻段內(nèi)的高壓射頻信號對人體組織進行加熱,從而實現(xiàn)組織切割和凝固。本文設(shè)計了一種基于多MCU結(jié)構(gòu)的醫(yī)用高頻電刀,主要介紹系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)、各MCU的分工、MCU之間的通信方式和協(xié)議、射頻產(chǎn)生電路、功率電路及其測試系統(tǒng)的設(shè)計。
1 高頻電刀的工作原理和設(shè)計原則
1.1 高頻電刀工作原理
因為生物組織是導(dǎo)電體,當有電流通過人體組織時,可同時產(chǎn)生熱效應(yīng)、電離效應(yīng)和法拉第效應(yīng);低于100 kHz的交流電會產(chǎn)生有限的如肌肉痙攣、疼痛、心室纖維顫動等(法拉第效應(yīng));當電流頻率達到100 kHz以上時,法拉第效應(yīng)明顯減少;當高于300 kHz時可忽略不計;而當頻率達到1.5 MHz以上的電流通過人體時,對肌體的刺激作用已非常微弱,高頻電流雖對人體已經(jīng)沒有刺激作用,但會使具有一定阻抗的人體組織產(chǎn)生熱效應(yīng);高頻電刀就是利用高頻電流的只產(chǎn)生熱效應(yīng)而不產(chǎn)生電離和法拉第效應(yīng)這一特性制成的。它將高頻電流聚集于電刀電極的尖端,由于尖端與人體接觸面積小、電流密度大,會產(chǎn)生較高能量如果電流是持續(xù)的高頻電流,細胞受到的熱量會逐漸增加,當熱量達到一定程度時,接觸處的細胞會受熱破裂,細胞破裂后其水份成為水汽,帶走細胞上的熱量,利用手術(shù)電極上高密度的高頻電流使人體組織切除或分開,這就是電切;如果電流是間斷的高頻電流,產(chǎn)生的熱效應(yīng)也是間斷的,細胞內(nèi)部水份得不到足夠的高溫,細胞就不會破裂,但會慢慢脫水,細胞就會干枯凝固,這就是電凝;電切和電凝是高頻電刀的2種基本工作模式。
1.2 高頻電刀的設(shè)計原則
從高頻電刀的工作原理可知,其安全性至關(guān)重要。高頻電刀的輸出還應(yīng)有頻譜要求,在工作時要求輸出高頻電流的頻譜越窄越好,最好是一單根譜線,故要求電刀輸出波形為純凈的正弦波。另外,為在不同人體組織上得到好的作用效果,對輸出功率要進行控制,并且在工作時應(yīng)根據(jù)工作點人體電阻的變化輸出不同的功率,即按照預(yù)定的功率輸出曲線輸出功率,好的電刀功率曲線寬而平坦,而差的電刀則是尖峰狀功率曲線。
2 基于多MCU的系統(tǒng)設(shè)計
2.1 設(shè)計原理和電路拓撲圖
由于醫(yī)用高頻電刀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要采集和控制的信息量大,同時為了提高系統(tǒng)的安全性和實時性,本系統(tǒng)采用多MCU控制的設(shè)計。MCU選用基于RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗AVR單片機ATmega128。其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾;而且具有包括USART、SPI串行通信接口以及8通道10位AD轉(zhuǎn)換等在內(nèi)的豐富外設(shè)。MCU之間分工協(xié)同工作,通過ATmega128自帶的USA RT和SPI接口通信。各個MCU的連接拓撲圖如圖1所示,其中:負責數(shù)據(jù)采集和電刺激輸出的MCU定義為M0,負責射頻與控溫的MCU定義為M1,負責顯示界面與整體控制的MCU定義為M2,負責用戶輸入和PC通信的MCU定義為M3?;诙郙CU的設(shè)計使數(shù)據(jù)采集、射頻控制、人機界面分開,保證了高頻電刀控制的安全性和實時性,并且人機交互更加順暢。
2.2 通信方式和協(xié)議
本系統(tǒng)采用多MCU分工協(xié)同工作,工作過程中MCU之間需要實時和大量的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)的通信是基于串行通信SPI和USART的。SPI接口是Motorola首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口,采用主從模式(Master Slave)架構(gòu)。UART定義了數(shù)據(jù)傳輸過程中如何打包解包以及如何做可靠性處理,屬于通信協(xié)議層,可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收;包括了RS 232,RS 423,RS 422和RS 485等接口標準規(guī)范和總線規(guī)范。 SPI和USART都可以實現(xiàn)全雙工通信。
在本系統(tǒng)中,UART通信使用RS 232接口標準,與TTL電平相比,可以有效地增加通信距離。握手方式采用硬件握手,DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒,而RTS/CTS用于單個數(shù)據(jù)包的傳輸。M0使用2個UART異步串行口,均帶有DTS(輸入)和DTR(輸出)檢測。M1使用2個均帶有DTS和DTR的異步串行口,另加一個SPI同步串行口。M2使用一個UART口與M0進行通信,當顯示設(shè)備為LCD屏時,使用第2個UART口;另外,M2使用固定的軟SPI口與M3進行通信。M3使用2個UART串行口與外部進行通信,使用一個軟SPI口與M2進行通信,另外加一個軟SPI口進行聲音控制,阻抗不同則聲音的頻率不同,醫(yī)生通過聲音即可判斷電極進入組織的深度。定義所有的異步串行口均為:8位數(shù)據(jù)位,無校驗位,1位停止位。系統(tǒng)各MCU之間通信機制如下:
握手過程:
(1)開機,M0~M3均進行自檢,MCU板子獲取數(shù)據(jù)后,進入等待模式;
(2)M2進入初界面后,對每個MCU依次發(fā)送獲取軟件版本的命令,如果每個MCU都在1 s時間內(nèi)返回回應(yīng)幀則認為連接無問題,自檢通過;
(3)M2向M0獲取各種電極信息,存入全局變量中,握手成功。
通信過程:
(1)定義M2任何時候均為主機,相對于M2,M0、M1和M3均為從機。發(fā)送查詢楨后,從機均以中斷方式返回查詢數(shù)據(jù),主機應(yīng)檢驗該數(shù)據(jù)楨是否為所需要的,數(shù)據(jù)是否正確;
(2)M0和M1之間,M1是主機,M0是從機,以中斷方式響應(yīng)。
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