基于功率闭环控制的射频刀手术系统的设计与实现
为了更好地满足人民日益增长的医疗卫生健康需求，我国医疗装备产业也朝着高质量发展。射频刀作为一种用于外科手术的新兴设备，具有切割速度快、凝血效果好、对组织造成的热损伤小等特点，被广泛应用于各种微创手术中。手术过程中组织部位或环境温湿度发生变化时，系统需输出恒定功率以保证手术质量，基于功率闭环提升系统控制性能具有重要的工程应用价值。为此本文设计了射频刀手术系统硬件，并实现了功率闭环控制，具备4MHz单极输出和1.71MHz双极输出。本文主要完成了以下内容： 首先进行了射频信号放大电路的研究与设计：使用面积乘积法（AP法）进行射频变压器设计，为了避免趋肤效应对导体交流电阻的影响，本文选择0.05mm2×250股规格的利兹线作为变压器的绕线线材；采用丙类推挽电路将直流信号逆变为4MHz和1.71MHz的射频信号，并在逆变电路负载端设计了六阶LC谐振电路进行选频滤波；通过对比LC谐振电路的传递函数以及预设谐振频率点获得的传递函数得到谐振电路中各元件的参数，并对其进行仿真验证，确定该电路的谐振频率点在4MHz后使用阻抗分析仪对实际谐振电路进行测试，结果表明使用该方法得到的LC谐振电路能够实现选频滤波作用。 然后对射频刀手术系统的软硬件进行设计：根据射频刀手术系统的性能指标以及功能需求制定整体方案；该系统利用采样率最高可达18MHz的单片机STM32F303VCT6，并配合双ADC交替采样方法对射频输出信号进行采集；在设计的硬件平台基础上进行软件设计，使该系统能够进行单双极输出切换，并且可以通过控制输出射频信号的波峰因子以实现不同的切割或凝血效果；使用DFT算法对采样信号进行频域分析得到射频输出功率，并使用PID控制器对功率进行控制，使实际输出功率快速跟踪用户设定功率。 最后对射频刀手术系统进行性能指标测试并通过切割、凝血和血管闭合实验验证了该系统的实用性：根据国家标准GB9706.202-2021测试该系统的功率精度，测试结果表明输出功率误差小于11%，优于国家标准规定的20%；对设计的功率控制器进行测试，实验结果表明控制器能够使该手术系统在500ms内将功率调整到设定值，控制过程基本无超调且稳定后功率波动范围在±1W内，并在负载变化时能实现功率跟踪；测试各种模式输出波形波峰因子，结果均满足《军队卫生装备质量控制检测技术规范》规定的波峰因子范围；进行切割和凝血实验，分析了不同输出功率和波峰因子对切割及凝血效果的影响；选用3.5mm的鸡血血管进行血管闭合实验，利用数显压力表对闭合后的血管进行涨开压测试，测试结果表明，当设定的功率为25W~40W时，闭合后的鸡心血管的涨开压均能达到150mmHg以上，形成有效闭合。
射频刀手术系统;功率闭环控制;逆变电路;LC谐振电路;射频采样
华南理工大学
硕士
控制科学与工程
刘富春
2022
中文
TH777;TH702
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）