浅析QA-ES高频电刀分析仪功率测量采集电路设计

2013-11-19黄华刘亚军

中国医疗设备 2013年1期

黄华，刘亚军

中国人民解放军第309医院医学工程科，北京 100091

0 前言

高频电刀，即高频电外科设备（Electro-Surgical Unit，ESU），主要用在手术中对组织进行切割和凝血，其切割速度快、止血效果好、操作简单、安全方便，可以大大缩短手术时间，减少患者失血量，从而降低并发症的发生率，在临床上得到了广泛应用。高频电刀是一种对安全性要求较高的医疗设备，其输出功率必须准确可靠，才能达到预期的手术效果，在输出功率超标的情况下会产生灼伤患者的医疗事故，因此必须定期对高频电刀的输出功率进行质控检测[1-2]。

高频电刀分析仪是用于检定高频电刀输出功率和漏电流的有效设备，国外已有多种该类产品，如FLUKE的QAES II，国内目前尚无自主知识产权的相应产品供给市场。

近期解放军总医院医学保障部开发设计了一款高频电刀分析仪系统，由采集模块和控制模块两大部分组成。采集模块包括负载箱、能量转换电路、放大器、模数（A/D）转换器、负载控制器、单片机，主要完成高频信号的能量转换、放大、采集等功能。能量转换电路以宽带RMS-DC转换芯片LT1088为核心，利用热转换原理，当高频电刀对分析仪内的电阻负载箱放电时，对分压后的信号进行电压有效值-直流转换，把输入的高频模拟信号首先转换成热能，再通过外部电路，将热能信号以直流电压的形式输出。此电压输出信号经过放大和A/D转换后，进入采集模块的单片机进行运算。该设计采用热转换原理，具有非常广的输入信号频率范围和良好的频响特性[3-4]。

下面以METRON的QA-ES高频电刀分析仪为参考，探讨其功率测量采集的电路设计与实现。

1 电源供电单元

QA-ES背面板上变压器输出的12V AC（交流电压）经D9桥式整流后，得到+12 V电压（测试点TP2），该+12 V电压经CMOS（互补金属氧化物半导体）电压转换器U9（ICL7662）后，得到-12 V电压。±12 V分别经正、负压三端可调稳压器U17（LM317）和U19（LM337）得到+6 V（测试点TP16）、-6 V（测试点TP17）输出。电源供电单元原理，见图1。

2 可变负载单元

QA-ES的负载箱（可变阻值10～5200 Ω）包括可变负载电阻、测量电阻以及可变衰减器。高压继电器K1控制可变负载连接到ESU。可变负载电阻R3～R16（分别由对应继电器K2～K10控制）与测量电阻R1（电阻值为2 Ω）串联。测量电阻R1上的高频电压信号经可变衰减器后输出到功率测量单元。该可变衰减器由10 dB衰减器（R20～R22、K12）和20 dB衰减器（R26～R30、K13）组成，串联后可得到共30 dB衰减的测量高频电压信号输出。可变负载单元原理，见图2。

3 功率测量单元

QA-ES的功率测量单元以宽带（直流至500 MHz）四象限乘法器U15（AD834）与BiFET高速运放U25（AD711）组成的均方（Mean Square）电路为核心，注意这里并不是均方根（Root Mean Square）。来自可变负载测量电阻的衰减高频电压信号经5阶无源巴特沃斯低通滤波器（L1、L2、C5、C6、C7组成，f3dB≈10 MHz，测试点TP1）滤波后连接到AD834的X、Y输入端。AD834的输出电流，注意这里X=Y。使用AD834的主要难度在于其电流模式输出级，为了尽可能维持最高带宽，其输出采用开路集电极的差分电流对形式。因此，为了得到传统的单端接地基准电压输出，AD834的输出端先由决定整个均方电路时间常数的滤波器（C8、C9、R35、R36组成，f3dB≈16 kHz）滤波后，再连接到差分运放AD711的输入端，注意该时间常数对应AD711的输出电压信号幅度。AD711完成滤波（R32、C11、R85、C10组成，f3dB ≈ 340 Hz）与放大（差分放大器，差分增益Gd=4.7，测试点TP4）功能。后继的两个运放U13（AD711）、U14（AD711）分别提供20 dB的放大（均为正相放大器，正相增益G=11，测试点TP5、TP6），以保证输出到A/D转换采集单元的最优动态范围。功率测量单元原理，见图3。