專利名稱：基于fpga的高頻電刀發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外科手術(shù)器械，特別涉及一種基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器。
背景技術(shù)：
高頻電刀應(yīng)用廣泛，不僅在直視手術(shù)中，如普通外科、胸外、腦外、五官科、頜面外科得到廣泛的應(yīng)用，而且越來越多地應(yīng)用在各種內(nèi)窺鏡手術(shù)中，如腹腔鏡、前列腺切鏡、胃鏡、膀胱鏡、宮腔鏡等手術(shù)中。高頻電刀發(fā)生器是其核心部件。目前，傳統(tǒng)的高頻電刀廣泛采用單片機(jī)對(duì)整機(jī)控制，來實(shí)施對(duì)各種功能下功率波形、電壓、電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及各種安全指標(biāo)的檢測(cè)。但是相對(duì)于數(shù)字控制也存在一些缺點(diǎn)控制電路組件多，型號(hào)復(fù)雜；模擬器 件容易老化；控制方法單一，較難實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于FPGA的數(shù)字電子系統(tǒng)對(duì)功率器件組成的電路系統(tǒng)進(jìn)行控制，為實(shí)現(xiàn)電外科的數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在高頻電刀控制電路組件多，型號(hào)復(fù)雜，模擬器件容易老化，控制方法單一的問題，提出了一種基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，利用FPGA可編程性，采用SPWM調(diào)制方法，通過諧振式半橋逆變電路方式控制射頻輸出信號(hào)的頻率、幅度和功率，使之適合生物組織體所需的切割和/或凝結(jié)。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，電源提供直流電壓信號(hào)給射頻發(fā)生模塊，直流電壓信號(hào)經(jīng)射頻發(fā)生模塊諧振放大和半橋電路整形，變成高壓交流射頻信號(hào)后輸出，輸出通過放射電極和返回通道發(fā)送到生物組織；阻抗檢測(cè)單元檢測(cè)生物組織的阻抗并把阻抗參數(shù)發(fā)送給FPGA主控單元，F(xiàn)PGA主控單元依據(jù)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM波的占空比，SPWM波輸出到射頻發(fā)生模塊。所述的射頻發(fā)生模塊由諧振電路與半橋開關(guān)式功放電路兩部分組成，諧振電路由串聯(lián)的電容和電感組成RC振蕩電路，其諧振頻率為I/
2L，半橋開關(guān)式功放電路由串聯(lián)的兩個(gè)MOS開關(guān)管和兩個(gè)串聯(lián)的電容并聯(lián)組成，諧振
電路串聯(lián)的電容和電感兩端一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的兩個(gè)MOS開關(guān)管中心點(diǎn)，另一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的兩個(gè)電容中心點(diǎn)，諧振電路的電容兩端為輸出端。所述FPGA主控單元包括電源電流電壓反饋與控制、阻抗檢測(cè)反饋與控制、SPWM調(diào)制，其外圍電路還包括晶振、人機(jī)界面和隔離電路；電源電流電壓反饋與控制接電源，處理電源信號(hào)，阻抗檢測(cè)反饋與控制輸入接阻抗檢測(cè)單元的輸出，輸出接SPWM調(diào)制；SPWM調(diào)制輸出連接射頻發(fā)生模塊的兩個(gè)MOS開關(guān)管；晶振為FPGA器件提供時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)；隔離電路對(duì)主控單元的輸入輸出隔離，人機(jī)界面可以設(shè)定參數(shù)給FPGA主控單元。所述SPWM調(diào)制主要包括正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、調(diào)制度M控制、比較器。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，控制器可以實(shí)現(xiàn)精確控制、響應(yīng)速度快、易修改、可現(xiàn)場(chǎng)編程；控制器通用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定；最重要的是，大規(guī)模的FPGA讓我們可以將微處理器、專用硬件算法單元、專用波形發(fā)生單元、信號(hào)采集處理單元都集成于單芯片上，使之成為一個(gè)完整的電子專用控制系統(tǒng)。


圖I為本發(fā)明基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器原理 圖2為本發(fā)明基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器中射頻發(fā)生模塊功能電路 圖3為本發(fā)明基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器中FPGA主控單元功能示意圖； 圖4為本發(fā)明基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器中SPWM調(diào)制算法示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器原理圖，200V直流電壓信號(hào)首先由電源101產(chǎn)生，提供給射頻發(fā)生模塊102 ;后經(jīng)射頻發(fā)生模塊102諧振放大和半橋電路整形，變成高壓交流射頻信號(hào)；最后通過放射電極和返回通道發(fā)送到生物組織103。阻抗檢測(cè)單元104用于檢測(cè)生物組織103的阻抗并把阻抗參數(shù)發(fā)送給FPGA主控單元105，F(xiàn)PGA主控單元105依據(jù)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM波的占空比，以控制射頻發(fā)生模塊102輸出信號(hào)的幅度使之適合生物所需的切割和/或凝結(jié)。如圖2所示射頻發(fā)生模塊功能電路圖，所述的射頻發(fā)生模塊102，由諧振電路與半橋開關(guān)式功放電路兩部分組成。諧振電路由串聯(lián)的電容203與電感202組成RC振蕩電路，
其諧振頻率為I/ 掘。半橋開關(guān)式功放電路由串聯(lián)的MOS開關(guān)201、204和串聯(lián)的電容
205、電容206并聯(lián)組成。諧振電路串聯(lián)的電容和電感兩端一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的MOS開關(guān)201、204中心點(diǎn)，另一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的電容205、電容206中心點(diǎn)，電阻207為負(fù)載。如圖3所示FPGA主控單元功能示意圖，F(xiàn)PGA主控單元105包括電源電流電壓反饋與控制302、阻抗檢測(cè)反饋與控制305、SPWM調(diào)制304，其外圍結(jié)構(gòu)還包括晶振303、人機(jī)界面301和隔離電路306 ;電源電流電壓反饋與控制302用于控制設(shè)備電源101的反饋與輸出，阻抗檢測(cè)反饋與控制305根據(jù)阻抗檢測(cè)104的輸出結(jié)果調(diào)整SPWM調(diào)制304輸出的占空比；SPWM調(diào)制304輸出連接射頻發(fā)生模塊102的MOS開關(guān)201和204 ;晶振303為FPGA器件提供時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)；隔離電路306對(duì)主控單元的輸入輸出隔離，避免同源干擾，人機(jī)界面301可以設(shè)定參數(shù)給FPGA主控單元105。如圖4所示SPWM調(diào)制304算法示意圖，主要包括正弦波發(fā)生器401、三角波發(fā)生器404、調(diào)制度M控制402、比較器103 ;對(duì)正弦波發(fā)生器401與三角波發(fā)生器404產(chǎn)生的同一時(shí)刻正弦波和三角波幅值大小比較，正弦波大于三角波則輸出正脈沖，反之則輸出負(fù)脈沖或低電平。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，其特征在于，電源提供直流電壓信號(hào)給射頻發(fā)生模塊，直流電壓信號(hào)經(jīng)射頻發(fā)生模塊諧振放大和半橋電路整形，變成高壓交流射頻信號(hào)后輸出，輸出通過放射電極和返回通道發(fā)送到生物組織；阻抗檢測(cè)單元檢測(cè)生物組織的阻抗并把阻抗參數(shù)發(fā)送給FPGA主控單元，F(xiàn)PGA主控單元依據(jù)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM波的占空t匕，SPWM波輸出到射頻發(fā)生模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，其特征在于，所述的射頻發(fā)生模塊由諧振電路與半橋開關(guān)式功放電路兩部分組成，諧振電路由串聯(lián)的電容和電感組成RC振蕩電路，其諧振頻率為I/ 271'面，半橋開關(guān)式功放電路由串聯(lián)的兩個(gè)MOS開關(guān)管和兩個(gè)串聯(lián)的電容并聯(lián)組成，諧振電路串聯(lián)的電容和電感兩端一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的兩個(gè)MOS開關(guān)管中心點(diǎn)，另一端接半橋開關(guān)式放電電路的串聯(lián)的兩個(gè)電容中心點(diǎn)，諧振電路的電容兩端為輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，其特征在于，所述FPGA主控單元包括電源電流電壓反饋與控制、阻抗檢測(cè)反饋與控制、SPWM調(diào)制,其外圍電路還包括晶振、人機(jī)界面和隔離電路；電源電流電壓反饋與控制接電源，處理電源信號(hào)，阻抗檢測(cè)反饋與控制輸入接阻抗檢測(cè)單元的輸出，輸出接SPWM調(diào)制；SPWM調(diào)制輸出連接射頻發(fā)生模塊的兩個(gè)MOS開關(guān)管；晶振為FPGA器件提供時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)；隔離電路對(duì)主控單元的輸入輸出隔離，人機(jī)界面可以設(shè)定參數(shù)給FPGA主控單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，其特征在于，所述SPWM調(diào)制主要包括正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、調(diào)制度M控制、比較器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的高頻電刀發(fā)生器，電源提供直流電壓信號(hào)給射頻發(fā)生模塊，直流電壓信號(hào)經(jīng)射頻發(fā)生模塊諧振放大和半橋電路整形，變成高壓交流射頻信號(hào)后輸出，輸出通過放射電極和返回通道發(fā)送到生物組織；阻抗檢測(cè)單元檢測(cè)生物組織的阻抗并把阻抗參數(shù)發(fā)送給FPGA主控單元，F(xiàn)PGA主控單元依據(jù)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM波的占空比，SPWM波輸出到射頻發(fā)生模塊?？刂破骺梢詫?shí)現(xiàn)精確控制、響應(yīng)速度快、易修改、可現(xiàn)場(chǎng)編程；控制器通用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定；最重要的是，大規(guī)模的FPGA讓我們可以將微處理器、專用硬件算法單元、專用波形發(fā)生單元、信號(hào)采集處理單元都集成于單芯片上，使之成為一個(gè)完整的電子專用控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61B18/12GK102641152SQ20121015890
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者周宇, 宋成利, 張桂蘭, 徐文棟, 焉盛杰, 陳晟達(dá) 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)