CN104207825B - 超声外科系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声外科系统，包括：超声工作单元；波形发生单元用于向所述超声工作单元提供预设功率和频率的电信号；以及包含采集模块和电信号处理模块的控制单元，其中，采集模块在所述超声工作单元运行时采集所述输出端的电信号；电信号处理模块用于从所述采集模块当前采集的电信号中取得相应的电参数，并根据所取得的电参数生成供所述波形发生单元调整电信号的输出功率和/或频率的指令，并将所述指令输至所述波形发生单元，以使所述波形发生单元逐步调整所输出的电信号。本发明能够根据所取得的电参数对波形发生单元同时进行功率和频率的调整，有效减少硬件成本。

Description

超声外科系统
技术领域
本发明涉及一种超声外科系统。
背景技术
超声外科系统通过将电能转换成机械能使工作头产生机械运动，而对人体进行外科诊断和治疗。为了满足超声外科系统在医疗领域工作的要求，超声外科系统需要能够受控的进行机械运动。为了实现上述目的，超声外科系统中包括：供电单元、波形发生单元和超声工作单元和控制单元。目前的超声外科系统中的控制单元14，如图1所示，其包括：与供电单元连接的分析处理模块141，以及与波形发生单元连接的硬件锁相环142，所述分析处理模块141根据预设的电参数来调整供电单元输出的直流电流，波形发生单元根据所述直流电流的变化改变波形变化，所述硬件锁相环142根据所述波形变化对波形的频率进行调整，由此来改变超声工作单元输入的电能，使得超声工作单元根据变化的电能来调整机械能的转化，并提供不同程度的机械运动。
然而，目前的超声外科系统由于使用了独立的硬件锁相环及其外围的电阻电容等模拟器件，容易受到环境老化等因素影响，同时，调功信号和调频信号是分开产生，结构较为复杂，调节速度和效率受到限制。因此，需要对现有的超声外科系统进行改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声外科系统，用于解决现有技术中控制单元的硬件结构复杂的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超声外科系统，其至少包括：超声工作单元，用于将电信号所携带的电能转换成机械能，并作用在外科处置上；与所述超声工作单元连接的波形发生单元，用于向所述超声工作单元提供电信号；与所述波形发生单元连接的控制单元，其包括：与所述波形发生单元的输出端连接的采集模块，用于在所述超声工作单元运行时采集所述输出端的电信号；与所述采集模块连接的电信号处理模块，用于从所述采集模块当前采集的电信号中取得相应的电参数，并根据所取得的电参数来生成供所述波形发生单元调整电信号的输出功率和/或频率的指令，并将所述指令输至所述波形发生单元，以供所述波形发生单元根据所述指令逐步调整所输出的电信号的输出功率和/或频率。
优选地，所述波形发生单元包括：桥式电路、与所述桥式电路连接的滤波器、以及与所述滤波器连接的变压器。
优选地，所述电信号处理模块用于将所述指令输至所述桥式电路。
优选地，所述电信号处理模块用于基于所生成的指令来逐步调整PWM信号的频率、相位、脉宽中的至少一个，并将调整后的PWM信号输至所述波形发生单元，以供对应调整所述波形发生单元所输出的输出功率和/或频率。
优选地，所述电参数包括：电流相位、电压相位、电流有效值、和电压有效值。
优选地，所述电信号处理模块用于基于所取得的电流有效值和电压有效值来确定输出功率，并将所得到的输出功率和预设的功率进行比较，当所取得的输出功率小于预设的功率，生成包含按照预设的单位增大PWM信号的相位或脉宽的指令，反之，当功率的运算结果大于预设值时，生成包含按照预设的单位减小PWM信号的相位或脉宽的指令。
优选地，所述电信号处理模块用于将所取得的电流相位与电压相位进行比较，当电流相位超前电压相位时，生成包含按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令，当电流相位滞后电压相位时，生成包含按照预设的频率单位增加PWM信号的频率的指令。
优选地，所述超声外科系统还包括：人机交互单元，用于在所述超声工作单元运行前输入预设的功率，并在所述超声工作单元运行过程中显示所取得的电参数。
如上所述，本发明的超声外科系统，具有以下有益效果：能够根据所取得的电参数对波形发生单元同时进行功率和频率的调整，具体地，通过调整PWM的脉宽或相位来控制桥式电路改变输出电信号的功率，通过调整PWM信号的频率来控制桥式电路改变输出电信号的频率，如此仅仅控制桥式电路就能实时调整超声工作单元的机械运动，能够取缔原有超声外科系统的受控交流直流变换器和硬件锁相环，而使用成本更低且寿命更长的硬件设备。
附图说明
图1显示为现有技术的超声外科系统的结构示意图。
图2显示为本发明的超声外科系统的结构示意图。
元件标号说明
141 分析处理模块
142 硬件锁相环
21 供电单元
22 波形发生单元
23 超声工作单元
24 控制单元
241 采集模块
242 电信号处理模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供一种超声外科系统。所述超声外科系统包括：供电单元21、波形发生单元22、超声工作单元23、及控制单元24。
所述供电单元21包括：电源和交流直流变换器。
所述超声工作单元23用于将电信号所携带的电能转换成机械能。其包括：换能器和工作头。
具体地，所述换能器将所接收的电信号所携带的电能转换成具有一定频率的机械能，并由所述工作头产生超声波振动，运行时，所述工作头可进行外科手术（或外科检查），例如，切割肌肉组织、骨骼等。
在运行时，由于所述超声工作单元23所接触的部位不同，会导致超声波的振动频率和功率发生变化。因此，所述超声工作单元23的频率、功率的变化会反作用给与之相连的波形发生单元22，因此，需要所述波形发生单元22能够及时调整输出频率和功率。
所述波形发生单元22与所述超声工作单元连接，用于向所述超声工作单元提供电信号。本实施例中，其包括：桥式电路、与所述桥式电路连接的滤波器、以及与所述滤波器连接的变压器。
具体地，所述电源将网电电压（220v交流电压）提供给所述交流直流变换器，以进行交直流转换后再输至所述桥式电路，所述桥式电路基于所接收的指令对直流电源进行整形处理，并经由滤波器进行滤波，以去除噪声，再由变压器转换成预设电压的电信号，以供所述超声工作单元23进行电能-机械能转换。其中，所述桥式电路包括但不限于：全桥电路、或半桥电路等。
所述控制单元24与所述波形发生单元22连接，用于向所述波形发生单元22输出供所述波形发生单元22调整电信号的指令。其包括：采集模块241和电信号处理模块242。
所述采集模块241与所述波形发生单元22的输出端连接，用于在所述超声工作单元23运行时采集所述波形发生单元22的输出端的电信号。其中，所述采集模块241可以是包含采样电阻的电路。例如，所述采样模块包括采样电阻，以及与所述采样电阻连接的电流采样电路，所述电流采样电路采集所述采样电阻的电流，并根据所采集的电流和所述采样电阻的阻值来计算所述输出端的电压，并将所采样的电流和电压信号予以输出。
所述电信号处理模块242用于从所述采集模块241当前采集的电信号中取得相应的电参数，并根据所取得的电参数来生成供所述波形发生单元22调整电信号的指令，并将所述指令输至所述波形发生单元22，以供所述波形发生单元22根据所述指令逐步调整所输出的电信号的输出功率和/或频率，其中，所述电参数包括：电流相位、电压相位、电流有效值、电压有效值、和电流/电压幅值等。
其中，所述电信号处理模块242通过对电流相位和电压相位的比较，来生成控制所述波形发生单元22的频率的指令，并将所述指令直接输至所述波形发生单元22，所述波形发生单元22根据所述指令来逐步调整自身所输出的电信号的频率；同时，所述电信号处理模块242将所得到的电流有效值、电压有效值等电参数带入预设的功率公式，以得到所述波形发生单元22当前的输出功率，并将所述输出功率与预设的功率进行比较，来生成控制波形发生单元22的功率的指令，并将所述指令直接输至所述波形发生单元22，所述波形发生单元22根据所述指令来逐步调整所输出的电信号的功率。
优选地，所述电信号处理模块242基于所生成的指令来逐步调整PWM信号（脉宽调制信号）的频率、及相位或脉宽，并将调整后的PWM信号输至所述波形发生单元22，以供对应调整所述波形发生单元22所输出的输出功率和/或频率。
具体地，所述电信号处理模块242基于所取得的电流有效值和电压有效值来确定输出功率，并将所得到的输出功率和预设的功率进行比较，当所取得的输出功率小于预设的功率，输出包含按照预设的单位增大PWM信号的相位或脉宽的指令，反之，当功率的运算结果大于预设值时，输出包含按照预设的单位逐步减小PWM信号的相位或脉宽的指令。其中，预设的单位可以是1°的相位或0.1°的相位，也可以是1ms脉宽或0.1ms脉宽等。
本实施例中，所述电信号处理模块242将所取得的电流有效值和电压有效值代入预设的功率计算公式得到当前的输出功率，并将所述输出功率跟预设的功率进行比较，当所取得的输出功率小于预设的功率，生成包含按照预设的单位增大PWM信号的相位或脉宽的指令，反之，当功率的运算结果大于预设值时，生成包含按照预设的单位减小PWM信号的相位或脉宽的指令。其中，所述电信号处理模块242根据比较结果调整PWM信号的相位或脉宽是根据所述波形发生单元22中的桥式电路的结构而定。例如，所述桥式电路为全桥电路，则所述电信号处理模块242输出包含调整PWM信号的相位的指令。又如，所述桥式电路为半桥电路，则所述电信号处理模块242输出包含调整PWM信号的脉宽的指令。
另外，所述电信号处理模块242还将所取得的电流相位与电压相位进行比较，当电流相位超前电压相位时，输出包含按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令，当电流相位滞后电压相位时，输出包含按照预设的频率单位增加PWM信号的频率的指令。其中，预设的频率单位可以是1Hz、或0.1Hz。
例如，所述电信号处理模块242通过计算得到当前的输出功率等于预设的功率，且电流相位滞后电压相位，则生成仅包含按照预设的频率单位增加PWM信号的频率的指令。
又如，所述电信号处理模块242通过计算得到当前的输出功率大于预设的功率，且电流相位超前电压相位，则生成包含按照预设的相位单位减小PWM信号的相位和按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令。
所述电信号处理模块242用于基于所生成的指令来调整PWM信号的频率、相位或脉宽，并将调整后的PWM信号输至所述波形发生单元。
具体地，所述电信号处理模块242从所述指令中确定所要调整的是相位、脉宽、还是频率，再按照所述指令所提供的相应单位调整所生成的PWM信号。
其中，所述电信号处理模块242调整PWM信号的方式包括但不限于：1）根据所接收的指令分次调整预设单位的PWM信号的相位（或脉宽）、及频率；2）根据所接收的指令一次性调整预设单位的PWM信号的相位（或脉宽）、及频率。
优选地，所述超声外科系统还包括：人机交互单元（未予图示）。
所述人机交互单元用于在所述超声工作单元运行前输入预设的功率，并在所述超声工作单元运行过程中显示所取得的电参数。其中，所述人机交互单元包括但不限于：键盘、鼠标、触摸屏、触摸笔、显示屏等。
具体地，所述人机交互单元在所述超声工作单元运行前，显示所需输入的电参数的表格，并接收用户输入的电参数值（如，功率等），同时，在所述超声工作单元运行过程中，将所述控制单元所实时取得的电参数予以显示，以供用户参考。
所述超声外科系统的工作过程举例如下：
用户利用人机交互单元输入欲调整的功率，并开始运行超声工作单元，在运行过程中，所述控制单元24中的所述电信号处理模块242根据所述采样模块241实时采样的所述波形发生单元22输出端的电流信号和电压信号，并计算当前所述输出端的电流相位、电压相位、电流有效值、电压有效值、电流幅值、电压幅值等电参数，其中，一方面，所述电信号处理模块242将电流/电压幅值通过人机交互单元提供给所述用户，以供用户参考当前超声工作单元的运行情况，另一方面，所述电信号处理模块242比较电流相位和电压相位，当电流相位超前电压相位时，生成包含按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令，当电流相位滞后电压相位时，生成包含按照预设的频率单位增加PWM信号的频率的指令，同时，所述电信号处理模块242还通过电流有效值和电压有效值确定当前的输出功率，并比较所述输出功率和人机交互单元所提供的功率，当所取得的输出功率小于预设的功率，生成包含按照预设的单位增大PWM信号的相位的指令，反之，当功率的运算结果大于预设值时，生成包含按照预设的单位减小PWM信号的相位的指令，再根据所生成的所有指令调整PWM信号的一个单位的相位及频率，并将调整后的PWM信号输至所述波形发生单元22中的全桥式电路，所述全桥电路根据PWM信号来调整一个单位的供电单元所提供的电信号的相位及频率，并输出至所述波形发生单元22的输出端。所述控制单元24继续采集所述输出端的电流信号及电压信号，并按照上述方式进行比较，若生成包含按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令及包含按照预设的单位增大PWM信号的相位的指令，则继续减少一个单位的PWM信号的频率、增加一个单位的PWM信号的相位，再由所述全桥电路根据调整后的PWM信号调整所输出的电信号，直至输出功率与预设功率、电流相位及电压相位相平衡。
综上所述，本发明的超声外科系统，通过调整PWM的脉宽或相位来控制桥式电路改变输出电信号的功率，通过调整PWM信号的频率来控制桥式电路改变输出电信号的频率，如此仅仅控制桥式电路就能实时调整超声工作单元的机械运动，能够取缔原有超声外科系统的受控交流直流变换器和硬件锁相环，而使用成本更低且寿命更长的硬件设备；另外，超声工作单元在运行时由于会接触不同的组织部位，超声工作单元的负载会实时的发生变化，这导致波形发生单元所输出的电信号的功率和频率都会发生变化，所述控制单元采用逐步调整PWM信号的方式，能够以最小的PWM信号的步进代价适应不断变化的负载；此外，采用软件来控制波形发生单元更便于维护和升级。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种超声外科系统，其特征在于，至少包括：
超声工作单元，用于将电信号所携带的电能转换成机械能；
与所述超声工作单元连接的波形发生单元，用于向所述超声工作单元提供电信号；所述波形发生单元包括：桥式电路、与所述桥式电路连接的滤波器、以及与所述滤波器连接的变压器；
与所述波形发生单元连接的控制单元，其包括：
与所述波形发生单元的输出端连接的采集模块，用于在所述超声工作单元运行时采集所述输出端的电信号；
与所述采集模块连接的电信号处理模块，用于从所述采集模块当前采集的电信号中取得相应的电参数，并根据所取得的电参数来生成供所述波形发生单元调整电信号的指令，并将所述指令输至所述波形发生单元，以供所述波形发生单元根据所述指令逐步调整所输出的电信号的输出功率和/或频率。
2.根据权利要求1所述的超声外科系统，其特征在于，所述电信号处理模块用于将所述指令输至所述桥式电路。
3.根据权利要求1所述的超声外科系统，其特征在于，所述电信号处理模块用于基于所生成的指令来逐步调整PWM信号的频率、相位、脉宽中的至少一个，并将调整后的PWM信号输至所述波形发生单元，以供对应调整所述波形发生单元所输出的输出功率和/或频率。
4.根据权利要求1所述的超声外科系统，其特征在于，所述电参数包括：电流相位、电压相位、电流有效值、和电压有效值。
5.根据权利要求4所述的超声外科系统，其特征在于，所述电信号处理模块用于基于所取得的电流有效值和电压有效值来确定输出功率，并将所得到的输出功率和预设的功率进行比较，当所取得的输出功率小于预设的功率，生成包含按照预设的单位增大PWM信号的相位或脉宽的指令，反之，当功率的运算结果大于预设值时，生成包含按照预设的单位减小PWM信号的相位或脉宽的指令。
6.根据权利要求4所述的超声外科系统，其特征在于，所述电信号处理模块用于将所取得的电流相位与电压相位进行比较，当电流相位超前电压相位时，生成包含按照预设的频率单位减少PWM信号的频率的指令，当电流相位滞后电压相位时，生成包含按照预设的频率单位增加PWM信号的频率的指令。
7.根据权利要求4所述的超声外科系统，其特征在于，所述超声外科系统还包括：人机交互单元，用于在所述超声工作单元运行前输入预设的功率，并在所述超声工作单元运行过程中显示所取得的电参数。
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