專利名稱：高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種手術(shù)用高頻電刀的輸出控制系統(tǒng)，特別是涉及一 種高頻電刀輸出的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景高頻電刀也稱高頻手術(shù)設(shè)備，是一種取代機(jī)械手術(shù)刀進(jìn)行切割和凝血 的電外科器械。它通過手術(shù)電極尖端產(chǎn)生的高頻高壓電流與肌體接觸時(shí)對 組織進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)對肌體組織的分離和凝固，從而起到切割和止血的目 的。目前對高頻電刀輸出的控制已從早期的無自動補(bǔ)償開環(huán)控制發(fā)展到可 自動調(diào)整和穩(wěn)定輸出的閉環(huán)控制，在正常狀態(tài)下，通過高頻功率放大器的 輸入驅(qū)動幅度單環(huán)控制或供電電源單環(huán)控制，可達(dá)到將輸出穩(wěn)定于設(shè)定值 的目的。但是隨著醫(yī)療手術(shù)對高頻電刀安全性、可靠性要求的不斷提高， 對于單一故障狀態(tài)下的輸出也必須加以控制或限制?，F(xiàn)有的一些高頻電刀 對單一故障狀態(tài)下的輸出超差實(shí)施報(bào)警和切斷輸出的方法來保證安全，這給實(shí)際的手術(shù)使用帶來了不便；也有一些高頻電刀對高頻功放的輸入驅(qū)動 幅度及其供電電源實(shí)施雙環(huán)控制，以限制單一故障狀態(tài)下的輸出，這在高 頻功放和輸出回路效率較低，特別是效率不恒定的情況下，實(shí)際輸出仍有 可能發(fā)生不穩(wěn)定和不可靠的情況。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有高頻電刀對單一故障狀態(tài)下輸出不穩(wěn)定控制不力的問題，本 實(shí)用新型提出了一種新型的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其采用同時(shí)對高頻 功放供電電源即輸入電壓、電流和功率采樣控制(內(nèi)環(huán))和高頻輸出電壓、 電流和功率采樣控制(外環(huán))，這樣一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來穩(wěn)定高頻電刀的輸出，這既消除了單一故障狀態(tài)(例如一閉環(huán)中任一部分出現(xiàn)故障)下 輸出超差的現(xiàn)象，又可保證醫(yī)療手術(shù)的正常進(jìn)行。同時(shí)，對輸出的直接采 樣控制還大大提高了輸出精度。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受來自微處理器的第一組設(shè)定信號 和第二組設(shè)定信號，其包括有開關(guān)電源、高頻功放電路、輸出回路、第一 誤差放大器和第二誤差放大器；所述開關(guān)電源在第一誤差放大器控制下產(chǎn) 生可調(diào)直流電壓以用作后續(xù)高頻功放電路的供電電源；所述高頻功放電路 將開關(guān)電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻輸出并送后續(xù)的輸出回路；所述輸 出回路對高頻功放電路的輸出進(jìn)行濾波整形，產(chǎn)生高頻電刀所需要的供醫(yī) 療手術(shù)用的高頻高壓電流輸出；所述第一誤差放大器對開關(guān)電源的采樣信 號與微處理器送來的第一組設(shè)定信號作比較和誤差放大，從而對高頻電刀 輸出進(jìn)行第一閉環(huán)控制，使之與第一組設(shè)定值相一致；所述第二誤差放大 器對輸出回路輸出的采樣變換信號與微處理器送來的第二組設(shè)定信號作比 較和誤差放大，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行第二閉環(huán)控制，使之與第二組設(shè) 定值相一致。本實(shí)用新型所述的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其開關(guān)電源是一種由脈 寬調(diào)節(jié)器控制、中功率MOS管推挽驅(qū)動、大功率MOS管作高頻開關(guān)、高 頻功率變壓器作隔離耦合的半橋開關(guān)電源，其含有整流、濾波及對輸出電 壓、電流和功率的采樣電路；所述高頻功放電路是一種可自動調(diào)整的大功 率MOS全橋D類放大器；所述輸出回路是一種高Q值雙LC諧振電路， 其含有高頻輸出電壓、電流和功率采樣變換電路；所述第一誤差放大器和 第二誤差放大器由高增益比較器和CMOS或非門組成。與現(xiàn)有的開環(huán)、單閉環(huán)或高頻功放雙環(huán)控制的高頻電刀輸出控制系統(tǒng) 相比較，本實(shí)用新型采用了高頻功放供電電源的電壓、電流及功率采樣控制(內(nèi)環(huán))和高頻輸出電壓、電流及功率采樣控制(外環(huán))的雙閉環(huán)控制 系統(tǒng)，其具有在單一故障狀態(tài)下和正常狀態(tài)下，輸出均能準(zhǔn)確地穩(wěn)定于設(shè) 定值的優(yōu)點(diǎn)，任一環(huán)中出現(xiàn)故障都不妨礙醫(yī)療手術(shù)的正常進(jìn)行，不會出現(xiàn) 因輸出不穩(wěn)定或嚴(yán)重超差而引起的安全問題。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
-下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 首先請參閱圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖示高頻電刀雙閉環(huán)控制 系統(tǒng)，接受來自微處理器的第一組設(shè)定信號U1、 II、 Pl和第二組設(shè)定信號 U2、 12、 P2，該兩組設(shè)定信號為微處理器("C)送出的兩組電壓、電流 和功率設(shè)定信號。該高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)包括有開關(guān)電源3、高頻功放 電路4、輸出回路5、第一誤差放大器1和第二誤差放大器2;其中第一誤 差放大器1為內(nèi)環(huán)(第一閉環(huán))誤差放大器，第二誤差放大器2為外環(huán)(第 二閉環(huán))誤差放大器。所述開關(guān)電源3在第一誤差放大器1的控制下產(chǎn)生 可調(diào)直流電壓E以用作后續(xù)高頻功放電路4的供電電源。所述高頻功放電 路4的驅(qū)動信號為UD，其將開關(guān)電源3提供的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻功率信 號Up并輸出給后續(xù)的輸出回路5。所述輸出回路5對高頻功放電路4的輸 出Up進(jìn)行濾波整形，產(chǎn)生高頻電刀所需要的供醫(yī)療手術(shù)用的高頻高壓電流 輸出OUT (包括功率、電壓、電流)。所述第一誤差放大器1對來自開關(guān) 電源3的輸出電壓、電流和功率采樣信號ul、 il、 pl與微處理器送來的第 一組電壓、電流和功率設(shè)定信號U1、 II、 Pl作比較并產(chǎn)生誤差放大信號A 1，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行第一閉環(huán)控制，使之與第一組設(shè)定值U1、 II、 Pl相一致；所述第二誤差放大器2對輸出回路5輸出的采樣變換信號u2、i2、 p2與微處理器送來的第二組設(shè)定信號U2、 12、 P2作比較并產(chǎn)生誤差放 大信號A2，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行第二閉環(huán)控制，使之與第二組設(shè)定值 U2、 12、 P2相一致。再請參閱圖2本實(shí)用新型的電路原理圖。所述高頻電刀雙閉環(huán)控制系 統(tǒng)的開關(guān)電源3是一種由脈寬調(diào)節(jié)器(PWM)控制、雙中功率MOS管推 挽驅(qū)動、雙大功率MOS管作高頻開關(guān)、高頻功率變壓器作隔離耦合的半橋 開關(guān)電源，其含有整流、濾波及對輸出電壓、電流和功率的采樣電路。該 開關(guān)電源3由市電緩沖整流產(chǎn)生的直流電壓供電，其由一個(gè)脈寬調(diào)節(jié)器U4 控制，由兩只中功率MOS管Ql、 Q2和高頻變壓器T1 (分配信號)組成 的推挽電路驅(qū)動，由兩只大功率MOS管Q3和Q4、兩組均壓阻容R1、 Cl 和R2、 C2及高頻功率變壓器T2 (隔離耦合)組成的半橋開關(guān)，然后由四 只高速二極管Dl-D4整流，高頻扼流圈L1及電容C3、 C4、 C5濾波，產(chǎn) 生0-200V的直流可調(diào)電壓E用作后續(xù)高頻功放電路4的供電電源。該開關(guān) 電源3的脈寬調(diào)節(jié)器U4設(shè)定于較高的工作頻率(120KHZ左右)，加上優(yōu) 質(zhì)器件和線路，可獲得》85%的效率，輸出功率可達(dá)500W以上，足以為 產(chǎn)生400W高頻輸出的高頻功放電路4供電。該開關(guān)電源3所包含的輸出 電壓、電流采樣直接在電阻上取得(因是含脈動成分的直流信號)，功率采 樣信號由電壓、電流在一乘法器中取得，具體地說，采用R3、 R4兩電阻 分壓產(chǎn)生電壓采樣信號ul;采用大功率低值電阻R5取出其電流采樣信號 il;采用一乘法器U5將輸出電壓、電流采樣信號ul、 il變換為功率采樣 信號pl=ulxil。所述高頻功放電路4是一種可自動調(diào)整的大功率MOS全橋D類高效 高頻放大器，其由兩組兩兩同相、兩兩異相的高幅方波驅(qū)動(本實(shí)用新型 未詳述)，產(chǎn)生的高頻功率信號經(jīng)變壓器隔離送入后續(xù)的輸出回路5。該高 頻功放電路4由開關(guān)電源3供電，由四只大功率MOS管Q5-Q8組成的全橋作開關(guān)式高效功率放大器，由高頻變壓器T3送來的兩組兩兩同相、兩兩 異相的高幅驅(qū)動信號UD (本實(shí)用新型未詳述)驅(qū)動，由高頻功率變壓器 T4隔離耦合，將高頻功放電路4輸出的功率信號Up送入輸出回路5中。 之所以采用全橋D類開關(guān)式放大，是為了提高高頻功放電路4的效率(可 達(dá)80%以上)，電路設(shè)計(jì)和器件選擇應(yīng)是嚴(yán)格的，特別是必須滿足其對稱性 要求。所述輸出回路5是一種高Q值雙LC濾波的諧振電路，其含有高頻輸 出電壓、電流和功率采樣變換電路，所產(chǎn)生的輸出送高頻電刀供醫(yī)療手術(shù) 使用。該輸出回路5由L2、 C9禾t1L3、 C10構(gòu)成的雙高Q值LC諧振電路 整形、濾波，產(chǎn)生較純凈的正弦波(降低高頻泄漏)，輸出端所接電容Cll、 C12是高頻電刀標(biāo)準(zhǔn)要求防低頻刺激所必需的(其取值有限制，同時(shí)應(yīng)考 慮不得影響輸出波形和功率)。在本實(shí)用新型中，輸出回路5的一個(gè)關(guān)鍵部 分為高頻輸出電壓、電流的采樣和變換電路，其所包含的輸出電壓采樣信 號u2由高壓高頻電容和大功率無感電阻降壓后由高頻變壓器T5耦合取得，并經(jīng)真有效值變換器變換為真有效值輸出電壓(直流)；其所包含的輸出電 流采樣信號i2由高頻電流互感器T6取得，并經(jīng)真有效值變換器變換為真 有效值輸出電流(直流)；其所包含的輸出功率采樣信號p2由上述輸出電 壓、電流采樣變換信號u2和i2在一乘法器中相乘后取得。具體地說，所 述輸出回路5用跨接于兩輸出端上高頻電容C13、 C14和無感電阻R8、 R9 降壓，以及高頻變壓器T5隔離耦合，在高頻變壓器T5付邊電阻R10上產(chǎn) 生輸出電壓采樣信號，送入一個(gè)頻響高于8MHz的真有效值變換器U7，變 換為真有效值輸出電壓(直流)u2;用串于輸出回路一端的高頻電流互感 器T6及其付邊電阻R11，將高頻輸出電流采出并轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入與 U7相同的真有效值變換器U8，變換為真有效值輸出電流信號(直流)i2; 而輸出功率的真有效值信號p2則由以上電壓、電流采樣變換信號u2、 i2在一個(gè)乘法器U6中產(chǎn)生(P2=i2xu2)。所述第一誤差放大器1由高增益比較器U1 (A-C)和CMOS三或非門 U3A組成，所述第二誤差放大器2由高增益比較器U2 (A-C)和CMOS 三或非門U3B組成。前述開關(guān)電源3的電壓釆樣信號ul經(jīng)R6、 C6濾波送 第一誤差放大器1的誤差放大器U1A，電流采樣信號il經(jīng)R7、 C7濾波送 第一誤差放大器1的誤差放大器U1B，功率采樣信號pl送第一誤差放大器 1的送誤差放大器U1C;該電壓、電流和功率采樣信號ul、 il、 pl分別在 第一誤差放大器l的誤差放大器U1A、 U1B、 U1C中與微處理器(yC ) 送來的第一組電壓、電流和功率設(shè)定信號U1、 II、 Pl作比較，并進(jìn)行誤差 放大，經(jīng)三或非門U3A綜合，產(chǎn)生第一個(gè)誤差信號A1 (實(shí)際上是高、低 電平信號)，送入開關(guān)電源3的脈寬調(diào)節(jié)器(PWM) U4的一個(gè)輸入端， 控制開關(guān)電源3工作，從而控制高頻功放電路4的供電及高頻輸出。由于 Ul (A-C)采用高增益比較器(》80db)，控制精度很高，所以開關(guān)電源3 的功率、電壓、電流輸出精度和穩(wěn)定性就很高，響應(yīng)速度也很快，因此高 頻輸出電壓、電流和功率與設(shè)定值偏差將很小。前述輸出回路5的高頻輸 出電壓、電流和功率采樣變換信號u2、i2和p2分別在第二誤差放大器2的 誤差放大器U2A、 U2B、 U2C中與微處理器(u C )送來的第二組電壓、 電流和功率設(shè)定信號U2、 12、 P2作比較，并進(jìn)行誤差放大，經(jīng)另一個(gè)三或 非門U3B綜合，產(chǎn)生第二個(gè)誤差信號A2 (也為高、低電平信號)，送入開 關(guān)電源3的脈寬調(diào)節(jié)器(PWM) U4的另一個(gè)輸入端，控制開關(guān)電源3工 作，從而控制高頻輸出。由于該閉環(huán)(外環(huán))所用采樣信號是從輸出回路5 中取得，加上增益同樣很高，高頻輸出電壓、電流和功率幾乎完全與輸入 設(shè)定值相同，因此盡管開關(guān)電源3、高頻功放電路4及輸出電路5可能出現(xiàn) 偏差，在該閉環(huán)不失效的情況下，輸出精度將非常之高?？傊?，由于兩閉 環(huán)增益高、響應(yīng)快，特別是高頻功放電路4和輸出回路5的高效和高穩(wěn)定性，最終的高頻輸出電壓、電流和功率與設(shè)定值偏差將很小。正常情況下這兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)并不同時(shí)工作，由于外環(huán)直接對高頻輸出采樣和控制，穩(wěn)定性和精度優(yōu)于內(nèi)環(huán)，因此通常使外環(huán)優(yōu)先工作；只有當(dāng) 外環(huán)完全失效使輸出有超差傾向時(shí)內(nèi)環(huán)才起作用，以保證輸出穩(wěn)定于設(shè)定 范圍內(nèi)，當(dāng)然，內(nèi)環(huán)失效將不會影響輸出。此外，必須隨時(shí)或定時(shí)地檢測 內(nèi)外環(huán)的工作情況， 一旦某一環(huán)出現(xiàn)失效，微處理器(UC)應(yīng)發(fā)出警告信 號，并在不影響正常使用的情況下，對失效環(huán)進(jìn)行必要的維護(hù)、調(diào)整或修 理。
權(quán)利要求1、一種高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受來自微處理器的第一組設(shè)定信號和第二組設(shè)定信號，其特征在于它包括有開關(guān)電源(3)、高頻功放(4)、輸出回路(5)、第一誤差放大器(1)和第二誤差放大器(2)；所述開關(guān)電源(3)在第一誤差放大器(1)控制下產(chǎn)生可調(diào)直流電壓以用作后續(xù)高頻功放電路(4)的供電電源；所述高頻功放電路(4)將開關(guān)電源(3)提供的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻輸出并送后續(xù)的輸出回路(5)；所述輸出回路(5)對高頻功放電路(4)的輸出進(jìn)行濾波整形，產(chǎn)生高頻電刀所需要的供醫(yī)療手術(shù)用的高頻高壓電流輸出；所述第一誤差放大器(1)對開關(guān)電源(3)的采樣信號與微處理器送來的第一組設(shè)定信號作比較和誤差放大，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行第一閉環(huán)控制，使之與第一組設(shè)定值相一致；所述第二誤差放大器(2)對輸出回路(5)輸出的采樣變換信號與微處理器送來的第二組設(shè)定信號作比較和誤差放大，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行第二閉環(huán)控制，使之與第二組設(shè)定值相一致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述開關(guān)電源(3)是一種由脈寬調(diào)節(jié)器控制、中功率MOS管推挽驅(qū)動、 大功率MOS管作高頻開關(guān)、高頻功率變壓器作隔離耦合的半橋開關(guān)電 源，其含有整流、濾波及對輸出電壓、電流和功率的采樣電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述高頻功放電路(4)是一種可自動調(diào)整的大功率MOS全橋D類放大 器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述輸出回路(5)是一種高Q值雙LC諧振電路，其含有高頻輸出電 壓、電流和功率采樣變換電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述第一誤差放大器(1)和第二誤差放大器(2)由高增益比較器和CMOS或非門組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高頻電刀雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，接受來自微處理器的兩組設(shè)定信號，其包括有開關(guān)電源、高頻功放、輸出回路、第一誤差放大器和第二誤差放大器，該兩誤差放大器分別對開關(guān)電源和輸出回路的采樣信號與微處理器送來的兩組設(shè)定信號作比較和誤差放大，從而對高頻電刀輸出進(jìn)行雙閉環(huán)控制，使之與兩組設(shè)定信號值相一致。由于本實(shí)用新型采用了同時(shí)對高頻功放供電電源(內(nèi)環(huán))采樣和高頻輸出(外環(huán))采樣的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此其具有在單一故障狀態(tài)下和正常狀態(tài)下，輸出均能準(zhǔn)確地穩(wěn)定于設(shè)定值的優(yōu)點(diǎn)，任一環(huán)出現(xiàn)故障都不妨礙醫(yī)療手術(shù)的正常進(jìn)行，不會出現(xiàn)因輸出不穩(wěn)定或嚴(yán)重超差而引起的安全問題，可用于高頻電刀的控制電路中。
文檔編號A61B18/12GK201088625SQ200720076569
公開日2008年7月23日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者丁紅雪, 朱忠明 申請人:上海滬通電子有限公司