高频手术设备实例结构分析

4．5　高频手术设备实例结构分析

本节将以GD350－B5型高频手术设备为例，介绍分析高频手术系统的具体结构。

4．5．1　高频手术设备的结构组成

现代高频手术设备往往是以高频电刀为核心，集成有氩气设备等综合性的高频手术系统。高频手术系统（HF Surgical system），由主机－高频手术设备和高频手术附件（HF Surgical accesories）及附属设备组成，见图4．24。“高频手术设备（主机）”部分包含中央控制器、高频功率发生器、手术输出端口（手控/脚控）、开关检测器（手控/脚控）、中性电极连续性检测器和接触质量监测器等。“高频手术附件”包含有效电极（手控刀/脚控刀/双极镊子）、中性电极（分散电极，双片式/单片式）、附属设备（氩气设备/内镜设备等）及脚踏开关。

图4．24　高频手术系统框图

1．主机

300Hz～5MHz的高频振荡器，切割时输出200～400W，凝固时输出100～200W。负载阻抗为200～1000Ω（500Ω最标准）。

2．脚踏开关或手动开关

脚踏开关简化了有效电极把手的结构，并减轻了有效电极的把手重量，使电缆更趋柔软，因此已广泛应用。它的缺点是可能因无意踩上而使发生器启动，给患者和护理人员带来危险。有些高频手术设备设置了可以同时闭合的两只脚踏开关，以获得混合输出（切割和凝结波形同步结合），但比较普及的是再通过主机面板上的选择开关实现选择控制。因为混合输出通常主要用来完成切割功能，当启动切割踏板时，混合输出为连续正弦波。

手动开关的有效电极装置适用于反复使用或一次使用两种形式。这类开关因控制是由操作者用手完成，故明显的优点是减少了无意启动，也不会像脚踏开关那样因疏忽而误踏。

因外科手术操作复杂，所以外科医生可能同时需要一个手动开关控制的有效把手和一个脚踏开关控制的把手，两种不同形式的电极同时接入设备。

3．电极板监测系统

现代高频手术设备都设有电极板监测系统，如图4．24所示，它主要起到三个作用：一是监测极板与机器间的电器连接，如果连接上出现故障，安全电路将中断单极高频发生器，亮红灯显示有故障，同时发出报警声；二是监测极板与皮肤的接触情况，极板如有脱落、翘起等情况，马上显示并报警，同时自动切断高频输出；三是监测电刀的高频泄漏状况，如果高频泄漏大于安全指数，主机马上切断高频输出。监测系统对保障患者安全，保障使用者的安全操作至关重要。

4．5．2　GD350－B 5型高频手术设备的性能及参数

GD350－B5型高频手术设备是一种大功率多功能高频手术设备，用微机实施双重输出控制，恒功率范围宽，切凝效果优，稳定性可靠性高，适用于各类外科手术，包括普通的敞开手术、胃肠内窥镜手术、腹腔镜手术等。

本机包含有9个不同工作模式，其不同性能参数的配置可供不同医生不同手术选用，具体见表4．1所列。

表4．1　各模式性能参数

4．5．3　GD350－B 5型高频手术设备的主要电路原理分析

1．主机原理框图

GD350－B5型高频手术设备主机（高频功率发生器）原理框图见图4．25。

交流220V市电（AC）经主电源缓冲整流滤波产生直流电压E₀（约300V），分供高、低压开关电源。低压开关电源产生固定的隔离±12V控制电源（E_c），供低压控制电路；高压开关电源产生隔离的可调直流电压E（0～200V），供高频功率放大器，高频功放产生隔离的各模式高频输出功率P₀，经输出回路整形、滤波、匹配分送各应用电极，供手术应用。S_P为单片极板（中性电极），D_P为双片极板，A_H1为第一把手控刀，A_H2为第二把手控刀，A_H2也可接脚控刀A_F。B为双极电极（镊子）。

图4．25　GD350－B5型主机原理框图

微机（CPU）控制电路使用模式功率设定按键选择模式（M）、功率（P），在单极脚踏开关产生的单极切/凝启动信号F_T/F_G或者手控开关1（AH1）或手控开关2（A_H2）送来隔离的手控切/凝启动信号H_T1/H_G1/H_T2/H_G2或者双极用脚踏开关送来的双极启动信号FB作用下，产生高压开关电源和高频功放驱动信号Φ₁、Φ2及Φ3～Φ₆，使两者工作而产生输出，控制电路同时对开关电源的输出电压、电流进行采样和变换（e₁、i₁、e₂、i₂），与CPU设定信号相比较，产生的误差信号对高压开关电源和高频输出同时实施闭环控制（双重），使输出稳定于设定值/要求值。

此外，Q_B为单、双极输出转换信号（功放变压器及输出回路转换），Q_H、Q_F为第一手控刀和第二手控刀（或脚控刀）选择信号，R_P为极板（中性电极）连续性（单片）/接触质量（双片）监测信号，正常时允许电刀启动工作，不正常则切断输出，并发出声光报警；iL为高频漏电流采样信号，送CPU控制高频功放驱动信号以限制高频漏电流。

由图4．25可知，本机采用了双重闭环控制，不仅输出精度高，而且在单一故障状态下仍然可稳定工作（输出），同时各个电路内部还设置了过压、过流/过热保护（限制），使电刀整体可靠性相当高。

2．高频功放电路原理

高频功率放大包括驱动电路简化地示于图4．26。其同名连接点①、②、③……⑧是相连接的。

驱动电路中，U₁、U₂组成推挽驱动的前级初放及输入电路；f₀为正向主频率，为反向主频率，D为调制频率及脉宽，均由CPU提供。中功率管Q₅、Q₆与驱动变压器T_D1，构成C类推挽驱动电路，由低压开关电源E_c供电，最大输出达10W。R₁₃、C₇为阻抗匹配和尖峰扼制元件。

功放电路中，大功率MOS管Q₁～Q₄构成高效全桥开关式功率放大器，由高压开关电源（E）供电，最大输出超过350W（＜400W）；各个功率MOS管中的体二级管速度较慢，无法扼制感性负载（单极变压器T_M/双极变压器T_B）产生的瞬态尖峰电压，故需加入阻断二极管D₁～D₄，反向放电二极管D₅～D₈，D₁～D₈均为超快速二极管，C₂～C₅、R₉～R₁₂为辅助尖峰吸收电路；R₁～R₈为驱动电压幅度和驱动速度调节电阻；J₁及J₁′为双联继电器，单极时接通TM，双极时接通T_B。

图4．26　驱动电路和功放

3．输出回路原理

（1）单极输出回路。单极输出回路包括谐振匹配电路、高频漏电流采样电路和高频输出电压、电流采样电路等，简化电路见图4．27。

图4．27　单极输出回路

图4．27中，T_M（输出变压器）、谐振电感电容L₁、C₁、L₂、C₂与极板耦合电容C₅、C₆及输出电缆等构成谐振和阻抗匹配电路，使在规定负载下输出要求功率并减小高频漏电流；差动电流互感器T_L采出高频漏电流信号i_L，经变换后送CPU及功放驱动电路，以限制单极高频泄漏；电流互感器Ti采出高频输出电流，经变换后送CPU，电流互感器Te将R₁、R₂、C₃、C₄降低后的高频输出电压采出，经变换后也送CPU，控制输出电压和功率以及短路电流；高压继电器J_H、J_F由CPU控制选择第一手控输出和第二手控输出/脚控输出。

（2）双极输出回路。双极负载阻抗低，输出电压也低，一般不加高频漏电流限制（靠波形正弦比保证），且仅有两个输出端口（B₁、B₂），因此双极输出回路只有谐振匹配电路和高频电压、电流采样电路，见图4．28。

图4．28　双极输出回路

双极输出变压器T_B、谐振电感电容L₁、C₁、L₂、C₂及（输出）手术电缆准确而对称地谐振于工作频率1．024MHZ，并产生良好的阻抗匹配，在规定的负载范围内输出要求的功率；高频输出电压、电流采样与单极类似，且单、双极电压、电流变压器T_e、T_i的原边分别绕在同一磁芯上，而副边采样信号分别取自同一绕组，这样，就可使用两个公用的变换电路，变换后的电压、电流信号（直流）送CPU实施输出控制。

4．高压开关电源电路原理

高压开关电源及其驱动部分的简化电路示意图4．29。其中同名连接点①、②、③、④是相连的。

大功率MOS管Q₁、Q₂与平衡阻容C₁、C₂、R1、R₂及变压器Ts构成一个半桥开关式放大器，变压器副边用四只快速二极管作全桥整流，经LC滤波产生0～200V、0～4A可调直流高压（E），为高频功放供电。输出端经R₈、R₉分压取出电压采样信号e₁，所串电阻R₁₀取出电流采样信号i₁，与CPU送来的设定信号E₁（max）、I1（max）在U₁两组误差放大器中比较而限定高压开关电源的最大输出电压和最大输出电流，e₁、i₁在一乘法电路（图中未示出）中得到功率采样信号P₁（∝e₁、i₁），连同电压采样信号e₁，与CPU送来的功率设定P_r1、电压设定E_r1在U1另两组误差放大器中比较，控制高压开关电源的输出功率和电压，以间接控制高频功放的输出功率和电压（第一闭环）。

U₂中三组误差放大器分别送入高频电压e₂、功率P₂（电压电流乘积）和电流i₂的采样（变换后的）信号及CPU送来的输出电压、输出功率和最大（短路）电流设定信号E_r2、P_r2和I₂（max），直接对输出进行控制（第二闭环）。

七组误差信号经U₃综合送U₄（TL494）两反相输入脚（1，16），进行PWM控制并产生两个互为反相的输出信号（9、10脚上），使中功率管Q₃、Q₄、变压器T_D1等器件构成的C类推挽驱动电路送出驱动信号，从而使高压开关电源工作。

图4．29　高压开关电源

U_4－5、6脚上所接C₇、R₁₁确定开关电源工作频率（100kHZ），4脚所接C₈、R₁₂控制最大占空比（＜45%）以防开关短接产生过大功耗，R₁₃、R₁₄、C₉产生基准电压（2．5V）经R₁₅送同相输入端（2，5脚），C₁₀、R₁₆控制U₄中误差放大器带宽（响应）。

此外，主开关Q₁、Q₂输入端所接电阻R₄～R₇控制驱动幅度和速度，功率变压器原边所接R₃、C₃为尖峰吸收回路（注：这是辅助性的，尖峰吸收主要依靠Q₁、Q₂中的体二极管）。

5．低压开关电源电路原理

低压开关电源（Ec）是一个单片反激式DC－DC变换器，见图4．30。

图4．30　低压开关电源

市售小型开关电源达不到医用标准（主要是爬电距离），故自行设计了电刀专用低压控制开关电源（Ec），＋12V供一般控制电路（降压后供CPU及周边电路），－12V主要供一些特殊电路，如高频采样变换电路及中性电极监测电路。

本开关电源主要器件是一个带控制电路的MOS开关TOP226，可在很宽的电源电压下提供约75W功率，工作频率100kHZ。

这是一个典型的反激式直流变换电路，反馈信号用高压光耦LC1传输，误差放大由U₂（TL431）实施，只对＋12V进行稳压控制，－12V由稳压块U₃（7912）保证。变压器T_c接成反激式，开关接通时，原边N₁充电（磁），开关关断时送出能量，副边N₂为驱动绕组，N₃提供＋12V，N₄提供－12V。瞬态尖峰电压抑制用D_W1、D₁；故障（过压过热）重启动用R₁、C₃；R₂为光耦限流供电用，R₃为误差放大器U₂限流供电用；R₄、R₅为反馈电压采样电阻；R₆为空载稳压假负载。

6．高频信号变换电路原理

CPU只能接受变化缓慢的直流真有效值（Rms）信号，因此高频输出电压（e₂）、电流（i₂）及高频漏电流（i_L）均要预先进行Rms－DC变换，对于1MHZ以下的频率信号，真有效值变换器AD637是可用的器件之一，其外围元件的连接见图4．31。

图4．31　Rms－DC变换器

U₁－AD637就是Rms－DC变换器，11脚、10脚接正、负电源，5脚接片选信号（高选中），3脚接公共地，4脚接输出偏置（这里接地），13脚为信号输入端，9脚为真有效值（Rms）输出端，1脚为内部缓冲器输入端，14脚为内部缓冲器输出端，6、9脚之间接外部电阻R2调整放大倍数，8、9脚之间电容为平均电容（根据信号带宽确定），R1、C₁为输入信号滤波电路，D_W1、D_W2为正负限幅器，R3、C₃为9脚Rms输出接入缓冲器（1脚）的滤波电路，R₄、C₄为输出滤波电路，运放U₂及电阻R₅、R6构成U₁输出的放大器，使输出信号放大到要求幅度（α_ee₂/αii₂/α2 i_L）。

7．开关检测器电路原理

任何控制（启动）开关（手控切/凝，脚控切/凝和双极），因处于高频高压输出端（手控开关）或者处于外部可触及部分，启动信号必须隔离并传输到CPU控制电路，且保证开关电阻大于1kΩ时不允许送出启动信号，我们规定500Ω以上不允许启动，300Ω以下允许启动。简化电路见图4．32。

图4．32　开关检测器

一个低功率MOS管Q₁与变压器T_sw、二极管D₁、稳压管D_W1等器件构成一个斩波隔离电源E_sw（＝5～12V），其驱动方波（约100kHZ）可由任何振荡电路产生。U₁是双比较器，H₀/F₀为手控开关/脚踏开关公共端，H₁/F₁为切开关，H2/F₂为凝开关，LC₁、LC₂为高压光耦。

R1＝R₂，产生E_sw二分之一电压送比较器反相输入端作为基准电压，当开关电阻R_sw＞400Ω时，由R3（1．8k）＋R_sw与R₄/R₅（2．2K）产生的分压电平送比较器同相输入端，比较器将无法反转（输出低电平），光耦不通，送不出启动信号，当开关电阻R_sw＜400Ω时，比较器将翻转为高电平（光耦接通），送出启动信号。这就保证开关电阻＞500Ω时肯定不能启动电刀，＜300Ω肯定可启动电刀。

各开关检测器电路、元件、参数均相同，只是手控开关处于高压高频输出（应用）部分，隔离要求（耐压、爬电距离、电气间隙等）要高于脚踏开关。

8．极板监测器电路原理

中性电极（极板），无论是单片式还是双片式，其监测器实际上均是一个隔离的阻抗变换电路，只是阻抗范围不一样，如双片极板（接触质量）阻抗范围在15Ω～150Ω之间，单片极板（电缆连续性）阻抗范围在10Ω以下。使用同一变换电路，都能检测这些电阻，当然CPU应能判断其正常与否。

一个通用的极板阻抗监测器电路框图见图4．33。

图4．33　中性电极监测器框图

恒流（Ip）供电的全桥开关（低压低功率小型MOS管），在可调频率（fp）方波振荡器驱动下，使极板隔离耦合变压器Tp与电容C谐振于70kHZ左右，可近线性地将极板阻抗（Rp1p2）变换成电压信号Ep，经滤波和变换后产生CPU可处理的极板信号Rp，逻辑处理后用于单片极板断线保护（应≤10Ω），双片极板接触质量（应在15～150Ω）监视。

电压信号Ep近似地与极板阻抗Rp1p2成正比例/正相关关系，而反应电气连续性（单片极板）和接触质量（双片）的极板信号Rp应与极板阻抗Rp1p2近似地成反比例/反相关关系，故要求预先经过变换（简单的反相放大器）。

此外，双片极板接触质量监测要求当Rp1p2因接触面积或接触紧密程度下降近1/3而变大时，CPU应能产生声光报警并切断输出，保证手术安全。