基于LPC1768芯片的新型微创智能切凝刀研究

张静雅 罗昱文 符茂胜

摘要：根据微创手术技术和微创手术器械的发展趋势，设计了一款微创切凝刀控制系统，并在系统中移植实时嵌入式系统μC/OS-II对其进行控制.选用LPC1768处理器芯片，使用较为先进的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制方式来实现改变刀头电热丝部分通过的平均电流大小，改变刀头的发热量.该控制方式区别于现有产品直接改变刀头电热丝电压的方式，具有更为节能、灵敏、精确的优点.并选用可触摸的LCD将手术过程中所涉及的温度与时间等相关信息以图形化的方式直观地反馈给主刀医师，同时在系统发现违规操作或系统本身发生故障时报警.实验证明，设计的切凝刀在临床上的应用拥有更高的安全性和更高的效率.

关键词：微创切凝刀；嵌入式系统；PWM；μC/OS-II；LCD

中圖分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）03-0061-04

微创手术与传统外科手术相比，大大减少手术创口面积，从而减小人体组织感染的可能性，且具有损伤小、疼痛轻、恢复迅速等优点，因此微创手术器械的研发以及利用此器械进行的微创手术技术发展迅猛[1-2].腹腔镜手术可采用微创切凝手术刀进行操作，微创切凝手术刀的刀头为极小的剪刀状结构，并在刀头内植入电发热装置，电发热装置的热功率可以通过微处理器进行精确控制，从而可以精确控制刀头的温度.该手术器械可以应用于多种手术中且止血迅速、手术恢复周期短、病人痛苦轻，因此利用此种器械进行的手术质量非常高.微创切凝手术刀的工作原理与普通电刀、射频刀和超声刀均不同，它可以把电能直接高效率的转换为热能，对组织和血管的加热是通过刀头的加热阻丝直接完成的，因此人体中无电流流过，且止血和切割过程中不会因为热传导对组织、血管产生损伤，减小了产生并发症的可能性；微创切凝手术刀使用简单、操作简便、止血效果好、手术风险低.

1 系统的设计原理

本系统主要包括两个部分：智能化控制端以及手持式终端.通过智能化控制端可以对整个系统进行控制，并对手术参数进行预设、查询界面进行操作.手术医师通过手持式终端的机械部分并结合不同病患使用不同的按键进行治疗.控制系统由多个模块构成，包括传感器探头、电源模块、处理器模块以及输入输出设备等.通过处理器可以对刀头电热器件主回路以及电源进行精准的控制，从而实现对刀头功率供给以及刀头温度的智能控制.这两项的控制是本控制系统中对功能要求的重点.系统整体的设计思路如下图1所示.分析系统的工作方式和原理，进行了系统的硬件设计，再把操作系统移植到硬件平台上，并编写了各个子任务程序，设计了人机交互界面，最后对整个系统进行调试，并验证了系统的稳定可行性.微创切凝刀控制系统的总体设计基本完成.

2 系统的硬件设计

智能化控制端采用ARM Cortex-M3为主控制器，Cortex-M3核心是一个专为工业控制领域而开发的32位核心，其采用的Tail-Chaining终端技术完全基于硬件处理，最多能减少12个时钟周期数，实际减少应用中70%的中断数，能够大幅度提高系统的中断响应速度，再加以对ARM V7-M指令集的完全兼容，使得大量现有代码可以快速完成移植.

2.1 可触摸显示屏模块

人机交互界面主要用于手术参数的初始化设置和利用图形界面反馈微创切凝刀整体的工作状态，出错时针对不同情况的报警等.人机交互任务借助串口通信任务向工业串口屏发送数据和指令，使其显示需要的信息；同时也通过串口通信任务接受触摸屏信号，转化为有效的激励指令，反馈给处理器.在使用过程中，将需要用于显示的元素预先存放于串口屏的flash存贮结构中.当需要显示某条信息时，主控制系统将该信息所对应元素的存放地址与显示方式通过串口发送给串口屏，串口屏在接收数据之后，从闪存中提取显示元素，按照要求的坐标与形状将元素转换成图像信号在LCD上显示出来[3-4]；当有触摸控制时间发生时，串口屏会将触摸位置，触摸时间等信号按照约定好的方式通过串口传回控制系统，系统接收后进行判读、处理，即可完成对触摸激励的响应.

2.2 电源模块

该结构的功能是当开关电源因供电中断而停止工作时，自动转换到锂蓄电池供电；当供电恢复，开关电源工作时，自动化转换到开关电源供电[5]，并同时给蓄电池充电.其中电源结构的电路图如下图3所示.图中的三端器件VD是一个电压检测器，当电源电压为5V时，电压检测器输出高电平，通过Q2控制Q3保持开路，Q1导通，整个系统由5V电源供电，Vout为5V，此时锂电池通过R4进行涓流充电；当电源电压5V下降低于4V时，电压监测器输出低电平，则Q2断开，使得Q3导通，Q1断开，这时电路通过锂电池供电，供电电压为4.2V，通过后端稳压器件稳定为3.3V后，仍能维持控制系统本身工作一段时间，使有时间恢复电源供应.这样，即可保证在供电中断时，目标系统仍保持工作状态，保存相关设置参数，在恢复供电时能够第一时间投入手术，保证手术安全.

2.3 PWM驱动模块

PWM技术是采用脉宽调制方式，即占空比不同的方波电压所产生的平均电流也不同[6-7].为了避免电流过大可能引起的期间烧毁，短路对处理器的影响，在处理器的PWM输出端口与驱动放大电路之间增加了光耦进行隔离，以保证主电热回路在可能的故障下不会影响到控制系统的核心.

该系统选用两枚采样电阻作为传感器，其中一枚温敏电阻是作为温度传感器使用，将温度反馈给处理器进行比例积分微分控制（Proportion Integration Differentiation，PID），调节PWM脉冲宽度.另一枚则作为PWM状态监测传感器.当状态监测传感器返回的模拟量信号与温度传感器的模拟量信号一致时，则证明系统的工作状态良好；当状态监测传感器传回信号与温度传感器不一致时，则表示PWM的驱动模块或者电热器件没有正常工作，通过对信号的对比分析，当判断为PWM驱动模块故障时，处理器会自动关闭默认的PWM0通道，改用PWM1通道输出，启动备份PWM驱动模块继续工作，同时提示在手术完成后检修系统.当判断为电热器件工作故障时，则主动断开电热主回路电源并报警停止手术.

PWM驱动模块电路如下图4所示.

3 系统软件结构

3.1 μC/OS-Ⅱ系统下的软件结构

μC/OS-Ⅱ有着极其精简有效且免费开放的源码，小巧的内核结构容易被移植到各种硬件平台，系统本身是直接运行于处理器之上，结构精简高效.在移植时，用户仅需修改OS_CPU_C.C、OS_CPU. H、OS_CPU_A. ASM三个源文件中的寄存器地址等内容即可完成系统的移植工作[8-9].运行在处理器相关代码之上的系统的相关任务，这些任务包含了用户程序对系统资源调度的相关接口，例如：时钟、任务处理、任务调度、任务间通信等.在系统层之上运行的则是用户编写设定的任务程序，例如：报警处理、驱动PWM、模数转换器（Analog/Digital，A/D）数据的读取等.

3.2 PWM控制任务流程图

PWM控制任务的主要工作是依据温敏采样电阻通过A/D通道反馈给处理器的数据，实时通过PID控制技术[10-12]，调整PWM端口脉冲输出的宽度，实现最终对电热器件热功率的控制.从图中可以看出，为保证PWM脉冲输出的正确性，PWM控制模块使用了由A/D模块提供的两路A/D数据，一路A/D数据反馈表示电热器件的工作温度，另一路表示PWM输出的脉冲的占空比.通过实验得到占空比和工作温度比值的范围后，在控制任务中，会将这两个反馈值进行比较运算.若得到的结果保持在规定范围内，则证明PWM模块工作正常；反之，控制任务会判定当前驱动模式为不正常，然后通过软件关闭PWM0端口的输出，改用PWM1端口输出，启用备份的PWM驱动电路.启动备份电路后，若工作正常，控制任务会通过人机交互界面发出警告，提示手术完成后检修系统；若仍不能正常工作，则PWM控制任务会给系统巡逻监控任务发出灾难信号，由巡逻监控任务报警，并断开电热主回路，停止手术.

5 实验结果与分析

本系统在临床试验之前先使用鸭肠模拟病变组织进行切割试验.首先将鸭肠洗净，用镊子截取出适当长度，做切割前准备，如图7所示，图示左下方为切凝刀刀头.

按下电源开关使系统上电，并按下切割键，使夹持区域温度升高，快速达到要求温度，使得软组织和血管凝固封闭，以达到手术效果.切割试验过程图如图8所示，通过显示屏可得出实时功率以及刀头温度等参数.

试验结果表明：此系统运行良好，能有效切割病变组织和凝血功能，且烫伤区域小，下一步将在临床进行试验.

5 总结

本文设计的基于ARM Cortex-M3的热能刀系统，传统器械所带来的问题基本得到了解决，且热能刀在临床上具有非常高的安全性和效率.对此款热能刀加以不同频率的脉冲进行测试，发现当脉冲频率为200Hz时，对电热器件的功率调节能满足临床要求，此时温度以摄氏度每秒的速度改变.

该热凝刀系统完成了数字可调节控制方式的刀头温度控制，实现了温度设置范围为50～300℃的技术性能指标，并使温度控制相对精度控制在 ±6%，温度上升时间控制在3-5s.在对整个系统测试优化结果下，主刀医师通过切凝刀手柄部分的机械结构配合按键，能实现温度的精确控制，且手术过程中刀头温度的稳定能够得到保证，整体工作性能的稳定性增强，同时也保证了技术参数等各方面指标符合相关医用参数标准.

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