对电外科仪器输出的高压和大电流参数进行准确检测是研制反馈式电外科仪器的基础。为此,本文研制基于PC机的输出参数测量系统,对电外科仪器输出的高压和大电流信号进行隔离感应、放大、滤波、差分信号变单端信号、有效值转换,最后通过DAQ采集卡进行模数转换,数据送入PC机中使用Labview软件进行过采样、显示和存储等处理。实验结果表明,该系统能够对电外科仪器的输出参数进行稳定测量,结果准确。因此,该系统的研制是成功的,在此基础上开发嵌入式的输出参数测量系统,能够为智能式的电外科仪器开发提供准确的反馈信息。
引用本文： 周宇, 李殿立, 徐文栋, 宋成利. 一种新的电外科仪器输出参数测量系统. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(2): 421-425. doi: 10.7507/1001-5515.20140078 复制
引言
电外科仪器是一种高频大功率仪器，功率可以达到300 W以上[1-2]。其工作原理是将电磁能量转化为对生物组织的热效应，在极短的时间内引起组织的大幅升温，这种剧烈热效应将引发组织水分汽化、电离、爆裂、蛋白质氢键断裂、凝固变性以及组织坏死等多种现象[3-4]。相比于传统的手术器械，电外科仪器可以通过调整输出，实现切割与凝结的同步进行，减少了术中出血的情况，保证了手术视野的清晰。电外科仪器的发展与微创外科医学密切相关。微创外科是通过微小创伤或自然腔道将医疗器械、物理能量输送到人体内部，完成对病变部位的切除、吻合、修复等外科手术步骤，从而达到治疗的目的[5-6]。与传统手术相比，微创外科手术切口明显减小，因此减少了各种并发症，缩短了恢复期，是现代医学科技发展的必然趋势。然而在微创手术中，医生进行手术的视野有限，手术器械的活动范围和空间也受到限制，因此微创外科对医疗设备提出了更高的要求。为了满足微创外科的需要，电外科仪器开始从实现简单的切割和凝结功能向智能化发展，力求自动、准确地实现对生物体腔道的闭合与切割，减少人为干预[7]。
电外科仪器的智能化意味着仪器需要准确感知生物组织的变化，对各种变化进行及时的分析，并作出相应的调整。在大功率射频电流作用于生物组织、引发热效应的同时，随着水分汽化，生物组织的阻抗将发生显著变化，实验研究表明，生物阻抗与生物组织状态之间有着紧密的联系，因此，生物阻抗可以成为电外科仪器实现智能化的反馈量[8-9]。对该反馈量的检测，通常使用一些精密芯片或者电路来实现。但电外科仪器的输出是大功率信号，会对其它同时连接在生物组织上的检测电路产生破坏性影响，如果对检测电路添加保护电路，则会在一定程度上影响测量精度，并且由于保护电路的恢复时间有限，还会影响检测的实时性，因此，这种方法不可取。电外科仪器的输出作用于生物组织时，实际上相当于一个射频电源施加在一个可变电阻上，因此如果能够对电源的输出电压和输出电流分别进行检测，则可以得到电阻的实时阻值，这样可以避免使用额外的检测电路所带来的缺点。这种方法的难点在于对大功率信号的检测需要隔离和精密校准。
根据上述思路，研制了基于PC机的电外科仪器输出参数测量系统，对电外科输出的高压和大电流信号进行隔离检测，解决了其中的难点，最终得到生物阻抗值。
1 系统描述
电外科仪器输出参数检测系统由隔离检测与调理电路、基于DAQ数据采集卡和Labview的数据转换与处理系统组成，如图 1所示。
图1
电外科仪器输出参数检测系统示意图
Figure1.
Schematic of parameters measurement system for electrosurgery output
电外科仪器输出大功率射频信号，经隔离检测与调理电路后作用于生物组织。隔离检测与调理电路对施加在生物组织上的高压、大电流信号进行隔离感应、放大、滤波等处理，最后转化为有效值信号，经DAQ数据卡送入PC机中，在PC机里使用Labview软件进行分析、显示和存储等操作。
2 硬件设计
系统的硬件设计包含两部分：隔离感应与调理。设计的要求是保证安全性和准确性，具体如下。
2.1 隔离感应
电外科仪器输出的电压峰值可达到1 kV 以上，电流峰值可达到5~6 A，对此类信号进行隔离感应，最好的方法是使用变压器，为了提高线性度、保证准确性，变压器磁芯选用适合在高频情况下使用的铁氧体磁环。隔离感应如图 2所示。其中，变压器及电阻网络TX1将电外科仪器输出的高压信号隔离感应为一个低压信号V1，而TX2将输出的大电流信号感应为另一个低压信号V2，这两个低压信号使用同样的调理电路进行调理。
图2
隔离感应示意图
Figure2.
Schematic of isolated sensing circuit
2.2 调理电路
V1和V2最终将通过DAQ数据采集送入PC机内分析，为了提高转换精度，需要对隔离感应输出的低压信号进行调理。首先对低压信号进行跟随，避免负载效应；其次进行低通滤波，滤除射频信号上携带的高次谐波。由于低压信号为变压器输出的信号，属于差分信号，接下来需要将该差分信号转换为单端信号；转换通过AD8251进行，该芯片增益可调，在增益为4的情况下，带通达到1 MHz以上，可以满足系统的需求。最后，单端信号送入宽带有效值转换芯片AD637当中，将高频信号转换为其对应的有效值。
正确地使用AD637可以得到准确的有效值转换结果，其关键点有两个[10]。首先，AD637的带宽虽然较宽，但有一定的限制，当输入信号的有效值在1~2 V时，10%精度的带宽可以达到2 MHz；当输入信号的有效值降至100 mV时，这个指标下降到200 kHz。虽然无法保证输入信号始终在1~2 V，但可以通过调整隔离感应与调理链路的增益，向这个目标靠近。调试中发现，这样做确实有助于提高检测结果的准确性。其次，AD637通过硬件实现有效值的检测，检测的主要过程都已内嵌在芯片中，有一个重要的元件需要在外部进行连接，即平均电容C：C的作用是和一个25 k的电阻R并联，接在芯片内置运放的反馈回路中，实现电流-电压转换，同时滤除高频成分。C的选择由输入信号的频率决定，其原则是RC时间常数应远大于输入信号的周期，这样可以提高转换精度；但同时，芯片输出的建立时间也会随着时间常数的增加而增加。电外科设备输出信号的典型频率为500 kHz，对应的C应远大于80 pF。经过实验验证，选取470 pF的平均电容可以达到比较好的精度，同时不会使建立时间过长。AD637输出的有效值信号将送入DAQ卡中进行模数转换，为了满足采样定理，利用AD637内置的缓冲器，外接电阻和电容，实现了一个低通滤波器，有效值信号经过该低通滤波器以后，送入下一级处理。
3 软件设计
DAQ转换的数据送入PC机中，通过Labview软件对其进行处理，软件功能包括过采样处理、系数校准、显示和存储。具体如下。
所使用的DAQ6221的最高采样率为250 kS/s，分辨率16 bit[11]。待转换的模拟电压为有效值信号，理想情况下为直流，考虑到信号波动和占空比模式的存在，其频率会高于直流，但依然很低，根据采样定理，采集该信号所需要的最低采样率也很低。可以充分利用DAQ6221相对较高的采样率，使用过采样技术，尽可能提高采集信号的信噪比[12]。因此，设定DAQ6221的采样率为125 kS/s，过采样系数为1 024倍，等效采样率为122 Hz，该采样率可以满足对有效值信号的采集。
采集的有效值信号和原始信号具有一一对应的关系。前述信号调理电路决定了该关系在理想情况下是一个线性关系，但由于变压器的存在和器件频率响应的不平坦，使得对应关系会有非线性的表现，因此，需要进行系数校准。本研究使用功率电阻进行校准，包括50、100和200 Ω以及它们之间的串并组合。使用电外科仪器对某一个功率电阻进行输出，使用高压探头和大电流探头、配合示波器，对电外科仪器输出的电压值和电流值直接进行测量，记录其有效值Vo1、Io1，同时使用研发的检测系统对输出参数进行测量，相应的结果Vm1、Im1存储在Labview中，这样就得到一组对应关系。依次对每一个阻值进行测量，得到若干组对应关系Von、Ion和Vmn、Imn。相应的Von和Vmn之间存在一个对应的系数An，Ion和Imn之间存在一个对应的系数Bn，对所有的An和Bn进行线性平均，得到A和B，即为检测系统的校准系数。检测系统测量的结果乘以该系数，就可以得到真实的电压和电流值。该过程中的线性平均并非最佳方案，因为对应关系会有非线性表现；但是，使用线性平均得到的校准结果具有较低的误差，可以满足测量的需要。实验中也使用了二次拟合的方式得到校准系数，并未使误差发生明显改善，说明对应关系的非线性程度较低。
其它的操作包括显示和存储，整体程序框图如图 3所示。
图3
Labview 图形编程软件程序
Figure3.
Labview graphical software program
4 实验设计与结果
对上述研制的参数检测系统进行实验，验证其检测能力，使用到的电外科仪器为Valleylab的Ligasure，整个实验装置如图 4所示，Ligasure的输出通过阻抗检测系统施加到作用目标上，阻抗检测系统的检测输出通过DAQ数据采集卡送到PC机中，在Labview中进行处理，具体如下。
图4
实验装置图
Figure4.
Figure of experiment equipment
4.1 过采样方法实验
首先对过采样方法进行实验。使用功率电阻作为电外科仪器的输出，测量输出电流，过采样前后的比较如图 5所示。经过过采样，信号的信噪比得到了显著的提升。
图5
过采样前(下)后(上)信号的对比图
Figure5.
Direct sample result (lower) vs. oversampling result (upper)
4.2 系数校准
按照3所述的方法进行系数校准，电外科仪器输出共有3档，使用1档位输出得到的数据如表 1所示，系数校准时还使用了其它两个档位的数据，由于空间有限，在此暂未列出。计算得到的校准系数分别为A=220.061 42和B=2.286 07。使用系数校准后的测量系统对所有功率电阻进行测量验证，误差为4.94%，满足实际的测量要求。
表1
系数校准数据表格
Table1.
Data for correcting coefficient
4.3 电外科输出参数及阻抗检测
使用研制的检测系统对电外科仪器输出参数进行实际的测量，电外科输出目标是猪血管，测量到的电压、电流和阻抗值如图 6所示。可以清楚地观察到，在电外科仪器作用于血管期间，电压开始上升并
图6
电外科仪器输出参数及阻抗检测
Figure6.
Output parameters of electrosurgery and impedance measurement
保持，血管阻抗开始增加，电流在经历了初始的较大输出的阶段后开始下降，在特定的情况下，电外科仪器停止了输出。
5 结论
实验结果表明，研制的输出参数检测系统能够对电外科仪器输出的高压和大电流进行准确检测；过采样技术可以明显提高采集信号的信噪比；经过系数校准后，测量误差在可接受范围内；使用猪血管、猪肠等实验材料进行实验，能够观察到目标阻抗的变化趋势，并进行定量测量。因此，系统研制是成功的。在此基础上，可以开发嵌入式的输出参数检测模块，以嵌入式系统代替PC机对目标阻抗进行分析，为智能式电外科仪器提供准确的反馈信息。
引言
电外科仪器是一种高频大功率仪器，功率可以达到300 W以上[1-2]。其工作原理是将电磁能量转化为对生物组织的热效应，在极短的时间内引起组织的大幅升温，这种剧烈热效应将引发组织水分汽化、电离、爆裂、蛋白质氢键断裂、凝固变性以及组织坏死等多种现象[3-4]。相比于传统的手术器械，电外科仪器可以通过调整输出，实现切割与凝结的同步进行，减少了术中出血的情况，保证了手术视野的清晰。电外科仪器的发展与微创外科医学密切相关。微创外科是通过微小创伤或自然腔道将医疗器械、物理能量输送到人体内部，完成对病变部位的切除、吻合、修复等外科手术步骤，从而达到治疗的目的[5-6]。与传统手术相比，微创外科手术切口明显减小，因此减少了各种并发症，缩短了恢复期，是现代医学科技发展的必然趋势。然而在微创手术中，医生进行手术的视野有限，手术器械的活动范围和空间也受到限制，因此微创外科对医疗设备提出了更高的要求。为了满足微创外科的需要，电外科仪器开始从实现简单的切割和凝结功能向智能化发展，力求自动、准确地实现对生物体腔道的闭合与切割，减少人为干预[7]。
电外科仪器的智能化意味着仪器需要准确感知生物组织的变化，对各种变化进行及时的分析，并作出相应的调整。在大功率射频电流作用于生物组织、引发热效应的同时，随着水分汽化，生物组织的阻抗将发生显著变化，实验研究表明，生物阻抗与生物组织状态之间有着紧密的联系，因此，生物阻抗可以成为电外科仪器实现智能化的反馈量[8-9]。对该反馈量的检测，通常使用一些精密芯片或者电路来实现。但电外科仪器的输出是大功率信号，会对其它同时连接在生物组织上的检测电路产生破坏性影响，如果对检测电路添加保护电路，则会在一定程度上影响测量精度，并且由于保护电路的恢复时间有限，还会影响检测的实时性，因此，这种方法不可取。电外科仪器的输出作用于生物组织时，实际上相当于一个射频电源施加在一个可变电阻上，因此如果能够对电源的输出电压和输出电流分别进行检测，则可以得到电阻的实时阻值，这样可以避免使用额外的检测电路所带来的缺点。这种方法的难点在于对大功率信号的检测需要隔离和精密校准。
根据上述思路，研制了基于PC机的电外科仪器输出参数测量系统，对电外科输出的高压和大电流信号进行隔离检测，解决了其中的难点，最终得到生物阻抗值。
1 系统描述
电外科仪器输出参数检测系统由隔离检测与调理电路、基于DAQ数据采集卡和Labview的数据转换与处理系统组成，如图 1所示。
图1
电外科仪器输出参数检测系统示意图
Figure1.
Schematic of parameters measurement system for electrosurgery output
电外科仪器输出大功率射频信号，经隔离检测与调理电路后作用于生物组织。隔离检测与调理电路对施加在生物组织上的高压、大电流信号进行隔离感应、放大、滤波等处理，最后转化为有效值信号，经DAQ数据卡送入PC机中，在PC机里使用Labview软件进行分析、显示和存储等操作。
2 硬件设计
系统的硬件设计包含两部分：隔离感应与调理。设计的要求是保证安全性和准确性，具体如下。
2.1 隔离感应
电外科仪器输出的电压峰值可达到1 kV 以上，电流峰值可达到5~6 A，对此类信号进行隔离感应，最好的方法是使用变压器，为了提高线性度、保证准确性，变压器磁芯选用适合在高频情况下使用的铁氧体磁环。隔离感应如图 2所示。其中，变压器及电阻网络TX1将电外科仪器输出的高压信号隔离感应为一个低压信号V1，而TX2将输出的大电流信号感应为另一个低压信号V2，这两个低压信号使用同样的调理电路进行调理。
图2
隔离感应示意图
Figure2.
Schematic of isolated sensing circuit
2.2 调理电路
V1和V2最终将通过DAQ数据采集送入PC机内分析，为了提高转换精度，需要对隔离感应输出的低压信号进行调理。首先对低压信号进行跟随，避免负载效应；其次进行低通滤波，滤除射频信号上携带的高次谐波。由于低压信号为变压器输出的信号，属于差分信号，接下来需要将该差分信号转换为单端信号；转换通过AD8251进行，该芯片增益可调，在增益为4的情况下，带通达到1 MHz以上，可以满足系统的需求。最后，单端信号送入宽带有效值转换芯片AD637当中，将高频信号转换为其对应的有效值。
正确地使用AD637可以得到准确的有效值转换结果，其关键点有两个[10]。首先，AD637的带宽虽然较宽，但有一定的限制，当输入信号的有效值在1~2 V时，10%精度的带宽可以达到2 MHz；当输入信号的有效值降至100 mV时，这个指标下降到200 kHz。虽然无法保证输入信号始终在1~2 V，但可以通过调整隔离感应与调理链路的增益，向这个目标靠近。调试中发现，这样做确实有助于提高检测结果的准确性。其次，AD637通过硬件实现有效值的检测，检测的主要过程都已内嵌在芯片中，有一个重要的元件需要在外部进行连接，即平均电容C：C的作用是和一个25 k的电阻R并联，接在芯片内置运放的反馈回路中，实现电流-电压转换，同时滤除高频成分。C的选择由输入信号的频率决定，其原则是RC时间常数应远大于输入信号的周期，这样可以提高转换精度；但同时，芯片输出的建立时间也会随着时间常数的增加而增加。电外科设备输出信号的典型频率为500 kHz，对应的C应远大于80 pF。经过实验验证，选取470 pF的平均电容可以达到比较好的精度，同时不会使建立时间过长。AD637输出的有效值信号将送入DAQ卡中进行模数转换，为了满足采样定理，利用AD637内置的缓冲器，外接电阻和电容，实现了一个低通滤波器，有效值信号经过该低通滤波器以后，送入下一级处理。
3 软件设计
DAQ转换的数据送入PC机中，通过Labview软件对其进行处理，软件功能包括过采样处理、系数校准、显示和存储。具体如下。
所使用的DAQ6221的最高采样率为250 kS/s，分辨率16 bit[11]。待转换的模拟电压为有效值信号，理想情况下为直流，考虑到信号波动和占空比模式的存在，其频率会高于直流，但依然很低，根据采样定理，采集该信号所需要的最低采样率也很低。可以充分利用DAQ6221相对较高的采样率，使用过采样技术，尽可能提高采集信号的信噪比[12]。因此，设定DAQ6221的采样率为125 kS/s，过采样系数为1 024倍，等效采样率为122 Hz，该采样率可以满足对有效值信号的采集。
采集的有效值信号和原始信号具有一一对应的关系。前述信号调理电路决定了该关系在理想情况下是一个线性关系，但由于变压器的存在和器件频率响应的不平坦，使得对应关系会有非线性的表现，因此，需要进行系数校准。本研究使用功率电阻进行校准，包括50、100和200 Ω以及它们之间的串并组合。使用电外科仪器对某一个功率电阻进行输出，使用高压探头和大电流探头、配合示波器，对电外科仪器输出的电压值和电流值直接进行测量，记录其有效值Vo1、Io1，同时使用研发的检测系统对输出参数进行测量，相应的结果Vm1、Im1存储在Labview中，这样就得到一组对应关系。依次对每一个阻值进行测量，得到若干组对应关系Von、Ion和Vmn、Imn。相应的Von和Vmn之间存在一个对应的系数An，Ion和Imn之间存在一个对应的系数Bn，对所有的An和Bn进行线性平均，得到A和B，即为检测系统的校准系数。检测系统测量的结果乘以该系数，就可以得到真实的电压和电流值。该过程中的线性平均并非最佳方案，因为对应关系会有非线性表现；但是，使用线性平均得到的校准结果具有较低的误差，可以满足测量的需要。实验中也使用了二次拟合的方式得到校准系数，并未使误差发生明显改善，说明对应关系的非线性程度较低。
其它的操作包括显示和存储，整体程序框图如图 3所示。
图3
Labview 图形编程软件程序
Figure3.
Labview graphical software program
4 实验设计与结果
对上述研制的参数检测系统进行实验，验证其检测能力，使用到的电外科仪器为Valleylab的Ligasure，整个实验装置如图 4所示，Ligasure的输出通过阻抗检测系统施加到作用目标上，阻抗检测系统的检测输出通过DAQ数据采集卡送到PC机中，在Labview中进行处理，具体如下。
图4
实验装置图
Figure4.
Figure of experiment equipment
4.1 过采样方法实验
首先对过采样方法进行实验。使用功率电阻作为电外科仪器的输出，测量输出电流，过采样前后的比较如图 5所示。经过过采样，信号的信噪比得到了显著的提升。
图5
过采样前(下)后(上)信号的对比图
Figure5.
Direct sample result (lower) vs. oversampling result (upper)
4.2 系数校准
按照3所述的方法进行系数校准，电外科仪器输出共有3档，使用1档位输出得到的数据如表 1所示，系数校准时还使用了其它两个档位的数据，由于空间有限，在此暂未列出。计算得到的校准系数分别为A=220.061 42和B=2.286 07。使用系数校准后的测量系统对所有功率电阻进行测量验证，误差为4.94%，满足实际的测量要求。
表1
系数校准数据表格
Table1.
Data for correcting coefficient
4.3 电外科输出参数及阻抗检测
使用研制的检测系统对电外科仪器输出参数进行实际的测量，电外科输出目标是猪血管，测量到的电压、电流和阻抗值如图 6所示。可以清楚地观察到，在电外科仪器作用于血管期间，电压开始上升并
图6
电外科仪器输出参数及阻抗检测
Figure6.
Output parameters of electrosurgery and impedance measurement
保持，血管阻抗开始增加，电流在经历了初始的较大输出的阶段后开始下降，在特定的情况下，电外科仪器停止了输出。
5 结论
实验结果表明，研制的输出参数检测系统能够对电外科仪器输出的高压和大电流进行准确检测；过采样技术可以明显提高采集信号的信噪比；经过系数校准后，测量误差在可接受范围内；使用猪血管、猪肠等实验材料进行实验，能够观察到目标阻抗的变化趋势，并进行定量测量。因此，系统研制是成功的。在此基础上，可以开发嵌入式的输出参数检测模块，以嵌入式系统代替PC机对目标阻抗进行分析，为智能式电外科仪器提供准确的反馈信息。
