對電外科儀器輸出的高壓和大電流參數進行準確檢測是研制反饋式電外科儀器的基礎。為此,本文研制基于PC機的輸出參數測量系統,對電外科儀器輸出的高壓和大電流信號進行隔離感應、放大、濾波、差分信號變單端信號、有效值轉換,最后通過DAQ采集卡進行模數轉換,數據送入PC機中使用Labview軟件進行過采樣、顯示和存儲等處理。實驗結果表明,該系統能夠對電外科儀器的輸出參數進行穩定測量,結果準確。因此,該系統的研制是成功的,在此基礎上開發嵌入式的輸出參數測量系統,能夠為智能式的電外科儀器開發提供準確的反饋信息。
引用本文： 周宇, 李殿立, 徐文棟, 宋成利. 一種新的電外科儀器輸出參數測量系統. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 421-425. doi: 10.7507/1001-5515.20140078 復制
引言
電外科儀器是一種高頻大功率儀器，功率可以達到300 W以上[1-2]。其工作原理是將電磁能量轉化為對生物組織的熱效應，在極短的時間內引起組織的大幅升溫，這種劇烈熱效應將引發組織水分汽化、電離、爆裂、蛋白質氫鍵斷裂、凝固變性以及組織壞死等多種現象[3-4]。相比于傳統的手術器械，電外科儀器可以通過調整輸出，實現切割與凝結的同步進行，減少了術中出血的情況，保證了手術視野的清晰。電外科儀器的發展與微創外科醫學密切相關。微創外科是通過微小創傷或自然腔道將醫療器械、物理能量輸送到人體內部，完成對病變部位的切除、吻合、修復等外科手術步驟，從而達到治療的目的[5-6]。與傳統手術相比，微創外科手術切口明顯減小，因此減少了各種并發癥，縮短了恢復期，是現代醫學科技發展的必然趨勢。然而在微創手術中，醫生進行手術的視野有限，手術器械的活動范圍和空間也受到限制，因此微創外科對醫療設備提出了更高的要求。為了滿足微創外科的需要，電外科儀器開始從實現簡單的切割和凝結功能向智能化發展，力求自動、準確地實現對生物體腔道的閉合與切割，減少人為干預[7]。
電外科儀器的智能化意味著儀器需要準確感知生物組織的變化，對各種變化進行及時的分析，并作出相應的調整。在大功率射頻電流作用于生物組織、引發熱效應的同時，隨著水分汽化，生物組織的阻抗將發生顯著變化，實驗研究表明，生物阻抗與生物組織狀態之間有著緊密的聯系，因此，生物阻抗可以成為電外科儀器實現智能化的反饋量[8-9]。對該反饋量的檢測，通常使用一些精密芯片或者電路來實現。但電外科儀器的輸出是大功率信號，會對其它同時連接在生物組織上的檢測電路產生破壞性影響，如果對檢測電路添加保護電路，則會在一定程度上影響測量精度，并且由于保護電路的恢復時間有限，還會影響檢測的實時性，因此，這種方法不可取。電外科儀器的輸出作用于生物組織時，實際上相當于一個射頻電源施加在一個可變電阻上，因此如果能夠對電源的輸出電壓和輸出電流分別進行檢測，則可以得到電阻的實時阻值，這樣可以避免使用額外的檢測電路所帶來的缺點。這種方法的難點在于對大功率信號的檢測需要隔離和精密校準。
根據上述思路，研制了基于PC機的電外科儀器輸出參數測量系統，對電外科輸出的高壓和大電流信號進行隔離檢測，解決了其中的難點，最終得到生物阻抗值。
1 系統描述
電外科儀器輸出參數檢測系統由隔離檢測與調理電路、基于DAQ數據采集卡和Labview的數據轉換與處理系統組成，如圖 1所示。
圖1
電外科儀器輸出參數檢測系統示意圖
Figure1.
Schematic of parameters measurement system for electrosurgery output
電外科儀器輸出大功率射頻信號，經隔離檢測與調理電路后作用于生物組織。隔離檢測與調理電路對施加在生物組織上的高壓、大電流信號進行隔離感應、放大、濾波等處理，最后轉化為有效值信號，經DAQ數據卡送入PC機中，在PC機里使用Labview軟件進行分析、顯示和存儲等操作。
2 硬件設計
系統的硬件設計包含兩部分：隔離感應與調理。設計的要求是保證安全性和準確性，具體如下。
2.1 隔離感應
電外科儀器輸出的電壓峰值可達到1 kV 以上，電流峰值可達到5~6 A，對此類信號進行隔離感應，最好的方法是使用變壓器，為了提高線性度、保證準確性，變壓器磁芯選用適合在高頻情況下使用的鐵氧體磁環。隔離感應如圖 2所示。其中，變壓器及電阻網絡TX1將電外科儀器輸出的高壓信號隔離感應為一個低壓信號V1，而TX2將輸出的大電流信號感應為另一個低壓信號V2，這兩個低壓信號使用同樣的調理電路進行調理。
圖2
隔離感應示意圖
Figure2.
Schematic of isolated sensing circuit
2.2 調理電路
V1和V2最終將通過DAQ數據采集送入PC機內分析，為了提高轉換精度，需要對隔離感應輸出的低壓信號進行調理。首先對低壓信號進行跟隨，避免負載效應；其次進行低通濾波，濾除射頻信號上攜帶的高次諧波。由于低壓信號為變壓器輸出的信號，屬于差分信號，接下來需要將該差分信號轉換為單端信號；轉換通過AD8251進行，該芯片增益可調，在增益為4的情況下，帶通達到1 MHz以上，可以滿足系統的需求。最后，單端信號送入寬帶有效值轉換芯片AD637當中，將高頻信號轉換為其對應的有效值。
正確地使用AD637可以得到準確的有效值轉換結果，其關鍵點有兩個[10]。首先，AD637的帶寬雖然較寬，但有一定的限制，當輸入信號的有效值在1~2 V時，10%精度的帶寬可以達到2 MHz；當輸入信號的有效值降至100 mV時，這個指標下降到200 kHz。雖然無法保證輸入信號始終在1~2 V，但可以通過調整隔離感應與調理鏈路的增益，向這個目標靠近。調試中發現，這樣做確實有助于提高檢測結果的準確性。其次，AD637通過硬件實現有效值的檢測，檢測的主要過程都已內嵌在芯片中，有一個重要的元件需要在外部進行連接，即平均電容C：C的作用是和一個25 k的電阻R并聯，接在芯片內置運放的反饋回路中，實現電流-電壓轉換，同時濾除高頻成分。C的選擇由輸入信號的頻率決定，其原則是RC時間常數應遠大于輸入信號的周期，這樣可以提高轉換精度；但同時，芯片輸出的建立時間也會隨著時間常數的增加而增加。電外科設備輸出信號的典型頻率為500 kHz，對應的C應遠大于80 pF。經過實驗驗證，選取470 pF的平均電容可以達到比較好的精度，同時不會使建立時間過長。AD637輸出的有效值信號將送入DAQ卡中進行模數轉換，為了滿足采樣定理，利用AD637內置的緩沖器，外接電阻和電容，實現了一個低通濾波器，有效值信號經過該低通濾波器以后，送入下一級處理。
3 軟件設計
DAQ轉換的數據送入PC機中，通過Labview軟件對其進行處理，軟件功能包括過采樣處理、系數校準、顯示和存儲。具體如下。
所使用的DAQ6221的最高采樣率為250 kS/s，分辨率16 bit[11]。待轉換的模擬電壓為有效值信號，理想情況下為直流，考慮到信號波動和占空比模式的存在，其頻率會高于直流，但依然很低，根據采樣定理，采集該信號所需要的最低采樣率也很低。可以充分利用DAQ6221相對較高的采樣率，使用過采樣技術，盡可能提高采集信號的信噪比[12]。因此，設定DAQ6221的采樣率為125 kS/s，過采樣系數為1 024倍，等效采樣率為122 Hz，該采樣率可以滿足對有效值信號的采集。
采集的有效值信號和原始信號具有一一對應的關系。前述信號調理電路決定了該關系在理想情況下是一個線性關系，但由于變壓器的存在和器件頻率響應的不平坦，使得對應關系會有非線性的表現，因此，需要進行系數校準。本研究使用功率電阻進行校準，包括50、100和200 Ω以及它們之間的串并組合。使用電外科儀器對某一個功率電阻進行輸出，使用高壓探頭和大電流探頭、配合示波器，對電外科儀器輸出的電壓值和電流值直接進行測量，記錄其有效值Vo1、Io1，同時使用研發的檢測系統對輸出參數進行測量，相應的結果Vm1、Im1存儲在Labview中，這樣就得到一組對應關系。依次對每一個阻值進行測量，得到若干組對應關系Von、Ion和Vmn、Imn。相應的Von和Vmn之間存在一個對應的系數An，Ion和Imn之間存在一個對應的系數Bn，對所有的An和Bn進行線性平均，得到A和B，即為檢測系統的校準系數。檢測系統測量的結果乘以該系數，就可以得到真實的電壓和電流值。該過程中的線性平均并非最佳方案，因為對應關系會有非線性表現；但是，使用線性平均得到的校準結果具有較低的誤差，可以滿足測量的需要。實驗中也使用了二次擬合的方式得到校準系數，并未使誤差發生明顯改善，說明對應關系的非線性程度較低。
其它的操作包括顯示和存儲，整體程序框圖如圖 3所示。
圖3
Labview 圖形編程軟件程序
Figure3.
Labview graphical software program
4 實驗設計與結果
對上述研制的參數檢測系統進行實驗，驗證其檢測能力，使用到的電外科儀器為Valleylab的Ligasure，整個實驗裝置如圖 4所示，Ligasure的輸出通過阻抗檢測系統施加到作用目標上，阻抗檢測系統的檢測輸出通過DAQ數據采集卡送到PC機中，在Labview中進行處理，具體如下。
圖4
實驗裝置圖
Figure4.
Figure of experiment equipment
4.1 過采樣方法實驗
首先對過采樣方法進行實驗。使用功率電阻作為電外科儀器的輸出，測量輸出電流，過采樣前后的比較如圖 5所示。經過過采樣，信號的信噪比得到了顯著的提升。
圖5
過采樣前(下)后(上)信號的對比圖
Figure5.
Direct sample result (lower) vs. oversampling result (upper)
4.2 系數校準
按照3所述的方法進行系數校準，電外科儀器輸出共有3檔，使用1檔位輸出得到的數據如表 1所示，系數校準時還使用了其它兩個檔位的數據，由于空間有限，在此暫未列出。計算得到的校準系數分別為A=220.061 42和B=2.286 07。使用系數校準后的測量系統對所有功率電阻進行測量驗證，誤差為4.94%，滿足實際的測量要求。
表1
系數校準數據表格
Table1.
Data for correcting coefficient
4.3 電外科輸出參數及阻抗檢測
使用研制的檢測系統對電外科儀器輸出參數進行實際的測量，電外科輸出目標是豬血管，測量到的電壓、電流和阻抗值如圖 6所示。可以清楚地觀察到，在電外科儀器作用于血管期間，電壓開始上升并
圖6
電外科儀器輸出參數及阻抗檢測
Figure6.
Output parameters of electrosurgery and impedance measurement
保持，血管阻抗開始增加，電流在經歷了初始的較大輸出的階段后開始下降，在特定的情況下，電外科儀器停止了輸出。
5 結論
實驗結果表明，研制的輸出參數檢測系統能夠對電外科儀器輸出的高壓和大電流進行準確檢測；過采樣技術可以明顯提高采集信號的信噪比；經過系數校準后，測量誤差在可接受范圍內；使用豬血管、豬腸等實驗材料進行實驗，能夠觀察到目標阻抗的變化趨勢，并進行定量測量。因此，系統研制是成功的。在此基礎上，可以開發嵌入式的輸出參數檢測模塊，以嵌入式系統代替PC機對目標阻抗進行分析，為智能式電外科儀器提供準確的反饋信息。
引言
電外科儀器是一種高頻大功率儀器，功率可以達到300 W以上[1-2]。其工作原理是將電磁能量轉化為對生物組織的熱效應，在極短的時間內引起組織的大幅升溫，這種劇烈熱效應將引發組織水分汽化、電離、爆裂、蛋白質氫鍵斷裂、凝固變性以及組織壞死等多種現象[3-4]。相比于傳統的手術器械，電外科儀器可以通過調整輸出，實現切割與凝結的同步進行，減少了術中出血的情況，保證了手術視野的清晰。電外科儀器的發展與微創外科醫學密切相關。微創外科是通過微小創傷或自然腔道將醫療器械、物理能量輸送到人體內部，完成對病變部位的切除、吻合、修復等外科手術步驟，從而達到治療的目的[5-6]。與傳統手術相比，微創外科手術切口明顯減小，因此減少了各種并發癥，縮短了恢復期，是現代醫學科技發展的必然趨勢。然而在微創手術中，醫生進行手術的視野有限，手術器械的活動范圍和空間也受到限制，因此微創外科對醫療設備提出了更高的要求。為了滿足微創外科的需要，電外科儀器開始從實現簡單的切割和凝結功能向智能化發展，力求自動、準確地實現對生物體腔道的閉合與切割，減少人為干預[7]。
電外科儀器的智能化意味著儀器需要準確感知生物組織的變化，對各種變化進行及時的分析，并作出相應的調整。在大功率射頻電流作用于生物組織、引發熱效應的同時，隨著水分汽化，生物組織的阻抗將發生顯著變化，實驗研究表明，生物阻抗與生物組織狀態之間有著緊密的聯系，因此，生物阻抗可以成為電外科儀器實現智能化的反饋量[8-9]。對該反饋量的檢測，通常使用一些精密芯片或者電路來實現。但電外科儀器的輸出是大功率信號，會對其它同時連接在生物組織上的檢測電路產生破壞性影響，如果對檢測電路添加保護電路，則會在一定程度上影響測量精度，并且由于保護電路的恢復時間有限，還會影響檢測的實時性，因此，這種方法不可取。電外科儀器的輸出作用于生物組織時，實際上相當于一個射頻電源施加在一個可變電阻上，因此如果能夠對電源的輸出電壓和輸出電流分別進行檢測，則可以得到電阻的實時阻值，這樣可以避免使用額外的檢測電路所帶來的缺點。這種方法的難點在于對大功率信號的檢測需要隔離和精密校準。
根據上述思路，研制了基于PC機的電外科儀器輸出參數測量系統，對電外科輸出的高壓和大電流信號進行隔離檢測，解決了其中的難點，最終得到生物阻抗值。
1 系統描述
電外科儀器輸出參數檢測系統由隔離檢測與調理電路、基于DAQ數據采集卡和Labview的數據轉換與處理系統組成，如圖 1所示。
圖1
電外科儀器輸出參數檢測系統示意圖
Figure1.
Schematic of parameters measurement system for electrosurgery output
電外科儀器輸出大功率射頻信號，經隔離檢測與調理電路后作用于生物組織。隔離檢測與調理電路對施加在生物組織上的高壓、大電流信號進行隔離感應、放大、濾波等處理，最后轉化為有效值信號，經DAQ數據卡送入PC機中，在PC機里使用Labview軟件進行分析、顯示和存儲等操作。
2 硬件設計
系統的硬件設計包含兩部分：隔離感應與調理。設計的要求是保證安全性和準確性，具體如下。
2.1 隔離感應
電外科儀器輸出的電壓峰值可達到1 kV 以上，電流峰值可達到5~6 A，對此類信號進行隔離感應，最好的方法是使用變壓器，為了提高線性度、保證準確性，變壓器磁芯選用適合在高頻情況下使用的鐵氧體磁環。隔離感應如圖 2所示。其中，變壓器及電阻網絡TX1將電外科儀器輸出的高壓信號隔離感應為一個低壓信號V1，而TX2將輸出的大電流信號感應為另一個低壓信號V2，這兩個低壓信號使用同樣的調理電路進行調理。
圖2
隔離感應示意圖
Figure2.
Schematic of isolated sensing circuit
2.2 調理電路
V1和V2最終將通過DAQ數據采集送入PC機內分析，為了提高轉換精度，需要對隔離感應輸出的低壓信號進行調理。首先對低壓信號進行跟隨，避免負載效應；其次進行低通濾波，濾除射頻信號上攜帶的高次諧波。由于低壓信號為變壓器輸出的信號，屬于差分信號，接下來需要將該差分信號轉換為單端信號；轉換通過AD8251進行，該芯片增益可調，在增益為4的情況下，帶通達到1 MHz以上，可以滿足系統的需求。最后，單端信號送入寬帶有效值轉換芯片AD637當中，將高頻信號轉換為其對應的有效值。
正確地使用AD637可以得到準確的有效值轉換結果，其關鍵點有兩個[10]。首先，AD637的帶寬雖然較寬，但有一定的限制，當輸入信號的有效值在1~2 V時，10%精度的帶寬可以達到2 MHz；當輸入信號的有效值降至100 mV時，這個指標下降到200 kHz。雖然無法保證輸入信號始終在1~2 V，但可以通過調整隔離感應與調理鏈路的增益，向這個目標靠近。調試中發現，這樣做確實有助于提高檢測結果的準確性。其次，AD637通過硬件實現有效值的檢測，檢測的主要過程都已內嵌在芯片中，有一個重要的元件需要在外部進行連接，即平均電容C：C的作用是和一個25 k的電阻R并聯，接在芯片內置運放的反饋回路中，實現電流-電壓轉換，同時濾除高頻成分。C的選擇由輸入信號的頻率決定，其原則是RC時間常數應遠大于輸入信號的周期，這樣可以提高轉換精度；但同時，芯片輸出的建立時間也會隨著時間常數的增加而增加。電外科設備輸出信號的典型頻率為500 kHz，對應的C應遠大于80 pF。經過實驗驗證，選取470 pF的平均電容可以達到比較好的精度，同時不會使建立時間過長。AD637輸出的有效值信號將送入DAQ卡中進行模數轉換，為了滿足采樣定理，利用AD637內置的緩沖器，外接電阻和電容，實現了一個低通濾波器，有效值信號經過該低通濾波器以后，送入下一級處理。
3 軟件設計
DAQ轉換的數據送入PC機中，通過Labview軟件對其進行處理，軟件功能包括過采樣處理、系數校準、顯示和存儲。具體如下。
所使用的DAQ6221的最高采樣率為250 kS/s，分辨率16 bit[11]。待轉換的模擬電壓為有效值信號，理想情況下為直流，考慮到信號波動和占空比模式的存在，其頻率會高于直流，但依然很低，根據采樣定理，采集該信號所需要的最低采樣率也很低。可以充分利用DAQ6221相對較高的采樣率，使用過采樣技術，盡可能提高采集信號的信噪比[12]。因此，設定DAQ6221的采樣率為125 kS/s，過采樣系數為1 024倍，等效采樣率為122 Hz，該采樣率可以滿足對有效值信號的采集。
采集的有效值信號和原始信號具有一一對應的關系。前述信號調理電路決定了該關系在理想情況下是一個線性關系，但由于變壓器的存在和器件頻率響應的不平坦，使得對應關系會有非線性的表現，因此，需要進行系數校準。本研究使用功率電阻進行校準，包括50、100和200 Ω以及它們之間的串并組合。使用電外科儀器對某一個功率電阻進行輸出，使用高壓探頭和大電流探頭、配合示波器，對電外科儀器輸出的電壓值和電流值直接進行測量，記錄其有效值Vo1、Io1，同時使用研發的檢測系統對輸出參數進行測量，相應的結果Vm1、Im1存儲在Labview中，這樣就得到一組對應關系。依次對每一個阻值進行測量，得到若干組對應關系Von、Ion和Vmn、Imn。相應的Von和Vmn之間存在一個對應的系數An，Ion和Imn之間存在一個對應的系數Bn，對所有的An和Bn進行線性平均，得到A和B，即為檢測系統的校準系數。檢測系統測量的結果乘以該系數，就可以得到真實的電壓和電流值。該過程中的線性平均并非最佳方案，因為對應關系會有非線性表現；但是，使用線性平均得到的校準結果具有較低的誤差，可以滿足測量的需要。實驗中也使用了二次擬合的方式得到校準系數，并未使誤差發生明顯改善，說明對應關系的非線性程度較低。
其它的操作包括顯示和存儲，整體程序框圖如圖 3所示。
圖3
Labview 圖形編程軟件程序
Figure3.
Labview graphical software program
4 實驗設計與結果
對上述研制的參數檢測系統進行實驗，驗證其檢測能力，使用到的電外科儀器為Valleylab的Ligasure，整個實驗裝置如圖 4所示，Ligasure的輸出通過阻抗檢測系統施加到作用目標上，阻抗檢測系統的檢測輸出通過DAQ數據采集卡送到PC機中，在Labview中進行處理，具體如下。
圖4
實驗裝置圖
Figure4.
Figure of experiment equipment
4.1 過采樣方法實驗
首先對過采樣方法進行實驗。使用功率電阻作為電外科儀器的輸出，測量輸出電流，過采樣前后的比較如圖 5所示。經過過采樣，信號的信噪比得到了顯著的提升。
圖5
過采樣前(下)后(上)信號的對比圖
Figure5.
Direct sample result (lower) vs. oversampling result (upper)
4.2 系數校準
按照3所述的方法進行系數校準，電外科儀器輸出共有3檔，使用1檔位輸出得到的數據如表 1所示，系數校準時還使用了其它兩個檔位的數據，由于空間有限，在此暫未列出。計算得到的校準系數分別為A=220.061 42和B=2.286 07。使用系數校準后的測量系統對所有功率電阻進行測量驗證，誤差為4.94%，滿足實際的測量要求。
表1
系數校準數據表格
Table1.
Data for correcting coefficient
4.3 電外科輸出參數及阻抗檢測
使用研制的檢測系統對電外科儀器輸出參數進行實際的測量，電外科輸出目標是豬血管，測量到的電壓、電流和阻抗值如圖 6所示。可以清楚地觀察到，在電外科儀器作用于血管期間，電壓開始上升并
圖6
電外科儀器輸出參數及阻抗檢測
Figure6.
Output parameters of electrosurgery and impedance measurement
保持，血管阻抗開始增加，電流在經歷了初始的較大輸出的階段后開始下降，在特定的情況下，電外科儀器停止了輸出。
5 結論
實驗結果表明，研制的輸出參數檢測系統能夠對電外科儀器輸出的高壓和大電流進行準確檢測；過采樣技術可以明顯提高采集信號的信噪比；經過系數校準后，測量誤差在可接受范圍內；使用豬血管、豬腸等實驗材料進行實驗，能夠觀察到目標阻抗的變化趨勢，并進行定量測量。因此，系統研制是成功的。在此基礎上，可以開發嵌入式的輸出參數檢測模塊，以嵌入式系統代替PC機對目標阻抗進行分析，為智能式電外科儀器提供準確的反饋信息。
