应用于等离子消融手术的双频输出逆变器设计

严亚军，余厉阳，林 滑

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

应用于等离子消融手术的双频输出逆变器设计

严亚军，余厉阳，林 滑

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

针对传统消融设备主机只有一个工作频率的局限，在不增加硬件成本和体积的基础上，设计了具有两个频率输出的逆变器.两个输出频率能够应用在等离子消融和射频消融两种手术方式中.通过控制BUCK和推挽的驱动信号，实现了输出功率可调和工作模式可切换；通过增加过流保护电路，保障了手术过程的安全性.电学实验结果表明，系统的两个工作频率都有上升沿好、尖峰小的输出波形.生物实验结果表明，系统具有较好的手术消融效果，消融速度快，对正常组织的损伤小，有利于患者恢复.

等离子消融；BUCK电路；推挽；PWM驱动

0 引 言

电外科设备经历了“电刀”—“普通射频”—“等离子体射频”的发展，“等离子体射频”技术在临床治疗中的应用是未来医学发展的一个趋势[1].射频消融利用热效应，通过生物组织水分汽化，蛋白质变性来达到治疗效果；等离子消融手术利用输出功率电信号使周围生理盐水电离，产生高能量的等离子体攻击变异的细胞，使其坏死分解，达到治愈的效果.但是输出功率过高会杀死周围正常细胞，功率过低致使手术周期变长，效果不佳，目前，其输出功率一般在10 W～60 W.

近年来，低温等离子射频技术在医疗方面的应用成为研究热点[2].目前，国内还处在探索实验阶段.开关电源因其技术成熟、工作频率较高、效率高、设备轻便等优点被广泛应用于等离子手术设备的研发中.如今，消融手术设备主要朝设备功能多样化和设备体积小型化的方向发展.通常情况下，一台设备如要实现多个频率输出就需要多个逆变通路，但是，逆变器通过高频变压器来实现隔离输出，而高频变压器又存在如何确定中心频率的问题，所以，导致了设备的硬件成本和体积不断的增加.本文利用变压器的工作原理，只采用一个逆变通路，在不增加硬件成本和设备体积的基础上，设计了一套功率可调的双频等离子手术系统.

1 系统电路结构

本文设计的系统电路结构如图1所示.系统采用三级结构，首先工频220 V的交流电压经过AC-DC整流滤波电路，输出稳定的直流电压，再经DC-DC调压电路使输出的直流电压可调，从而实现了输出功率可调，最后由DC-AC逆变电路，将直流电压逆变成高频方波信号.同时，利用单片机实现对系统的整体控制，采用PWM控制芯片SG3526控制DC-DC调压电路的驱动，采用CPLD器件控制DC-AC逆变电路.

图1 功率可调逆变器原理框图

2 DC-DC调压电路

本系统的DC-DC调压电路采用BUCK结构，如图2所示.根据BUCK电路工作原理[3]，调压电路的输出电压为：

VDC=D×Vd

(1)

其中，VDC为调压电路的输出电压，Vd为调压电路的输入电压，D为由SG3526给出的PWM控制信号的占空比.

图2 BUCK电路结构

BUCK电路的PWM控制电路如图3所示，单片机内部数模转换模块(DAC)给出的模拟信号DAC1与BUCK输出端采集到的反馈电压进行比较形成一个反馈回路.当输出电压VDC由于某种原因而升高时，采样到的反馈电压值变大，与DAC1之间产生误差，经过内部误差放大器及比较器后，输出的信号使PWM波的占空比降低，从而将输出电压拉低；反之，当VDC降低时，芯片输出PWM波的占空比提高，从而将输出电压抬高.利用本设计的反馈回路，不仅能达到稳压的效果，还可以通过改变DAC1值来调节输出电压.本系统预设输出电压范围为80 V～150 V可调.

图3 BUCK电路结构及SG3526外围电路设计

图4 BUCK电路驱动电路设计

此外，由于人体组织的正常阻值范围为10 kΩ～2 kΩ，其变化幅度较大，为保障手术安全进行，必须采取相应的限流措施.对BUCK电路输入端的电流进行采样，利用SG3526的过流保护环来实现电路的安全性，同时其响应速度也较快.当电流反馈信号与基准信号DAC0的差值超过100 mV时，输出就会封锁一部分PWM波，降低BUCK的输出电压从而实现限流.因此即使手术刀误短路，系统也不会因为过流而炸机.

图2中，Q1的栅极为高电平，无法用SG3526进行直接驱动.并且本系统的驱动信号占空比变化较大不适合采用变压器隔离驱动.综合比较后，本文采用自举驱动方式，利用全桥驱动芯片IR2104S的高端输出HO来驱动Q1，输入高电平时，HO等于VB电压值；当输入为低电平时，HO等于VS电压值，具体电路如图4所示.

3 DC-AC逆变电路

图5 推挽逆变电路

逆变电路是本系统的核心，输出功率要求不是很高，可以采用推挽结构，推挽逆变电路如图5所示.用一对反相的PWM波来驱动Q2，Q3，利用隔离变压器实现隔离输出[4].当Q2导通时，Q3断开，变压器次级耦合输出正压；当Q2断开时，Q3导通，变压器次级耦合输出负压，整个过程输出电压VO输出的是与开关频率一致的方波信号.

由于等离子手术设备要求的交流信号频率较高，因此采用CPLD来产生推挽的驱动信号[5-6]，利用高速光耦对输入输出进行隔离，提高了电路可靠性，并采用专用的MOS驱动芯片MIC4452来进行驱动，推挽电路驱动电路如图6所示.

图6 推挽电路驱动电路

推挽逆变电路结构简单，其关键在于变压器的设计.根据变压器的一般原理[7]，在忽略线圈电压压降和漏感压降的情况下，当幅度为Vo、宽度为τ的矩形波加在变压器原边时，

(2)

其中，S为变压器铁芯的有效截面积，B为铁芯磁通密度，φ为铁芯磁通量，φ=BS.

由式(2)变形可得

(3)

假设，铁芯的初始磁通密度B(0)=B0，有

(4)

且t=τ时，磁通密度达到最大值

(5)

图5中，当开关Q2导通时，Q3断开时，直流电压VDC施加在变压器初级的“ab”线圈上；当开关Q2断开时，Q3导通时，直流电压VDC施加在变压器初级的“ac”线圈上.由于2个线圈是对称的，对磁芯的磁化方向相反，可等效为一组线圈先后被施加上正、负电压.因此，对于正电压来说，其初始磁通密度B0=-Bm，则可得

(6)

假设逆变器的驱动频率为f，驱动信号占空比为D，则τ=D/f，得到变压器线圈的计算公式：

(7)

其中，VDCD/f=VDCτ表示伏秒乘积，并由式(6)可知，当变压器铁芯选定时，线圈匝数与伏秒乘积有关.又因为电压VDC相同，因此要用同一路逆变回路输出2个频率的逆变信号，只要将2个工作频率的驱动信号的脉冲宽度控制在一个合理的范围内即可.

4 实验结果与分析

4.1 电学实验结果

图7 实际硬件电路图

本系统要求输出100 kHz和310 kHz的方波，采用磁芯PQ35，Bm=0.15 T，S=1.96×10-4m2，VDC为80 V～150 V.对于100 kHz的逆变电路，当驱动信号占空比为38%时，理想匝数为10匝，根据经验留0.5倍的余量，则匝数应为15匝；同理，对于310 kHz的逆变电路，当驱动信号占空比为48%，理想匝数为5匝，经验值为10匝.这里通过实验对比取其中间值.

实验结果表明，当线圈匝数N=12时，2个工作频率都有相对较好的方波输出.输出波形如图8所示.同一路逆变回路输出的100 kHz和310 kHz方波上升沿陡，振铃较小、电压尖峰也在可接受范围内.

图8 实测逆变器输出波形

4.2 生物实验结果

图9 系统手术消融效果

在同一档位相同时间下，用手术刀在猪肉上进行消融实验，消融效果如图9所示.实验表明，本文设计的系统消融速度快，消融点集中且不发散，提高了手术效率，又将对正常组织的损伤降到最低，减轻了病人的痛苦.此外，根据两个频率下的消融效果可以发现，300 kHz的消融效果优于100 kHz的消融效果，在相同条件下消去更多的组织.

5 结束语

本文采用开关电源原理和逆变技术，设计了双频输出等离子消融手术逆变器系统，系统能够产生输出功率可调的高频方波信号.电学实验输出结果表明，同一个变压器实现两个高频输出是可行的；动物实验结果表明，两个模式下的消融效果都达到了预估的效果.但是，本文设计方案的输出波形都存在振铃现象，用RC吸收电路只能在一定程度上起到抑制作用，并不能有完美的抑制效果.本系统已完成基本调试，准备应用于临床测试.接下来将通过改善单片机的控制算法来改善控制系统的稳定性，通过软开关技术的改进来降低功率开关管的开关损耗.

[1]宋涛.高频电外科设备中开关电源的研究与设计[D].北京:北京工业大学,2014.

[2]ROY S, REYES S, SMITH L P. Bipolar radiofrequency plasma ablation (Coblation) of lymphatic malformations of the tongue[J]. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology, 2009,73(2):289-293.

[3]INOU K, YASUI H, HAYASHI S. Switching power supply: US 5349523[P].1994-09-20.

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The Design of a Dual-frequency Inverter Applied to Plasma Ablation

YAN Yajun, YU Liyang, LIN Hua

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Nowadays, electrosurgical ablation operation is more and more widely used in clinical medicine. But the traditional ablation device host has only one operating frequency, and the surgical function is single. A new dual-frequency inverter is designed in this paper, the system provides two output frequencies based on no additional hardware cost and volume, and is used in two ablation procedures: plasma ablation and radiofrequency ablation. The control circuit mainly controls the driving signals of the BUCK and the push-pull so as to achieve the adjustable output power and the working mode switching. Increasing over-current protection circuit ensures the safety of surgical procedures. Electrical experimental results show that the two operating frequencies of the system have a good rising edge and a small peak output waveform. At the same time, biological experiment results show that the system has a good effect of surgical ablation, ablation speed, tiny damage to normal tissue, is conducive to the recovery of patients.

plasma ablation; BUCK circuit; push-pull; PWM drive

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.003

2016-12-28

浙江省重大科技专项资助项目(2014C03017)

严亚军(1993-)，男，浙江江山人，硕士研究生，系统电路设计及控制.通信作者：余厉阳副教授，E-mail:yuliyang@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2017)04-0010-05