CN105929867B - 超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法 - Google Patents

超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法，其解决了现有超声刀刀杆的振幅随负载变化而导致切割效率低的技术问题，其包括FPGA模块、DAC模块、ADC模块、放大电路模块、电流监测模块、电源模块、时钟模块和输出接口模块，DAC模块与FPGA模块连接，ADC模块与FPGA模块连接，放大电路模块的输入端与DAC模块连接，输出接口模块与放大电路模块的输出端连接，电流监测模块的输入端与放大电路模块的输出端连接，电流监测模块的输出端与ADC模块连接，其可广泛应用于超声刀控制系统。

Description

超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制装置及控制方法，具体说是一种超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法。
背景技术
超声刀在外科手术中得到越来越广泛的应用，根据具体器械的构造和工作原理，超声刀可以在切割组织的同时进行凝血，其工作过程中没有电流通过人体，组织焦痂小，从而对患者的损伤小。超声刀可以被用于开放式外科手术、腹腔镜或内窥镜外科手术(包括机器人辅助的手术)。
超声刀一般包括超声刀主机、驱动柄、刀头以及控制开关，刀头由手柄、刀杆和刀尖组成。超声刀工作时，超声刀主机控制刀头的刀杆和刀尖进行高频率往复运动来产生止血和切割的效果。
在实际使用中，刀头随着负载的变化振幅也在不断的变化从而导致切割的效率降低，严重影响使用效果。
发明内容
本发明就是为了解决现有超声刀刀杆的振幅随负载变化而导致切割效率低的技术问题，提供一种能够精确控制超声刀刀杆恒定振幅振动的超声刀刀杆振幅控制装置及控制方法。
本发明的技术方案是，提供一种超声刀刀杆振幅控制装置，包括FPGA模块、DAC模块、ADC模块、放大电路模块、电流监测模块、电源模块、时钟模块和输出接口模块，DAC模块与FPGA模块连接，ADC模块与FPGA模块连接，放大电路模块的输入端与DAC模块连接，输出接口模块与放大电路模块的输出端连接，电流监测模块的输入端与放大电路模块的输出端连接，电流监测模块的输出端与ADC模块连接。
优选地，FPGA模块设有ADC数据接收单元、数据处理单元、双口RAM单元、FFT运算单元、电流有效值计算比较单元、信号幅值设定单元、采集控制单元、电流有效值计算单元、信号输出单元和电流预设值单元，数据处理单元与ADC数据接收单元连接，双口RAM单元与数据处理单元连接，FFT运算单元与双口RAM单元连接，电流有效值计算单元与FFT运算单元连接，电流有效值计算比较单元与电流有效值计算单元连接，信号幅值设定单元与电流有效值计算比较单元连接；信号输出单元与信号幅值设定单元连接，电流预设值单元与电流有效值计算比较单元连接；
ADC数据接收单元与ADC模块的输出端连接，信号输出单元的输出端与DAC模块的输入端连接。
本发明还提供一种超声刀刀杆振幅控制方法，包括以下步骤：
(1)上电初始化；
(2)预设电流输出额定值；
(3)电流监测模块采集放大电路模块输出的电流信号并送入数据处理单元进行噪音过滤，过滤后的电流信号被送入FFT运算单元进行快速傅立叶变换，经过傅立叶变换变换后的信号被送入电流有效值计算单元进行电流有效值计算，然后由有效值计算比较单元对经过电流有效值计算单元处理的电流信号与预设电流输出额定值进行大小比较计算；
(4)如果经过电流有效值计算单元处理的电流信号与预设电流输出额定值相等，则返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；
(5)当经过电流有效值计算单元处理的电流信号小于预设的电流输出额定值时由信号幅值设定单元提高输出信号的幅值，否则降低输出信号的幅值，并通过信号输出单元输出要求的信号。
优选地，控制方法包括以下步骤：
(1)上电初始化；
(2)由电流预设值单元预设电流额定值REF，由信号幅值设定单元设置信号的输出幅值并通过信号输出单元输送给DAC模块；
(3)电流监测模块采集所述放大电路模块输出的电流信号，并将该电流信号发送给所述ADC模块进行AD转换；
(4)定义ADC模块输出给数据处理单元的反馈电流信号为Ik，数据处理单元通过以下公式对ADC模块发送的电流反馈信号Ik进行噪音过滤，取得反馈电流信号I(t)；
公式(1)中，Ik为电流信号的第K次采样，N为采样次数，I(t)为经过噪音过滤之后的信号；
经过噪音过滤后的反馈电流信号I(t)被FFT运算单元通过以下公式进行快速傅立叶变换；
公式(2)中，Re(I(ω))为FFT变换之后的实部，Im(I(ω))为FFT变换之后的虚部；
由电流有效值计算单元通过以下公式计算出电流有效值RMS：
(5)通过所述电流有效值计算比较单元将电流有效值RMS与预设电流输出额定值比较，如果两者相等，则返回步骤(4)，否则进入步骤(6)；
(6)当电流有效值RMS小于电流额定值REF时由信号幅值设定单元提高输出信号的幅值，否则降低输出信号的幅值，并通过信号输出单元输出要求的信号。
本发明的有益效果是，应用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的技术、数字信号处理技术、高精度ADC技术，本发明能够控制输出给驱动柄的电流信号恒定，确保超声刀刀头振幅恒定振动，从而提高了切割的精度和效率。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是FPGA模块的原理框图；
图3是超声刀等效电路模型；
图4是超声刀等效机电模型；
图5是控制过程流程图。
图中符号说明：
1.FPGA模块；2.DAC模块；3.ADC模块；4.放大电路模块；5.电流监测模块；6.电源模块；7.时钟模块；8.输出接口模块；9.ADC数据接收单元；10.数据处理单元；11.双口RAM单元；12.FFT运算单元；13.电流有效值计算比较单元；14.信号幅值设定单元；15.采集控制单元；16.电流有效值计算单元；17.信号输出单元；18.电流预设值单元。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，超声刀刀杆振幅控制装置包括FPGA模块1、DAC模块2、ADC模块3、放大电路模块4、电流监测模块5、电源模块6、时钟模块7和输出接口模块8，DAC模块2与FPGA模块1连接，ADC模块3与FPGA模块1连接。放大电路模块4的输入端与DAC模块2连接，放大电路模块4的输出端分两路，一路与输出接口模块8连接，另一路与电流监测模块5的输入端连接。电流监测模块5的输出端与ADC模块3连接。
电源模块6与FPGA模块1连接，时钟模块7与FPGA模块1连接。电源模块6同时也给时钟模块7、DAC模块2、ADC模块3、放大电路模块4、电流监测模块5、输出接口模块8供电。
FPGA模块1预设额定电流输出额定值，在FPGA模块1的控制下，放大电路模块4输出的电信号通过输出接口模块8发送给超声刀的驱动柄，从而使电能转换成机械能。电流监测模块5用于采集放大电路模块4输出的电流信号大小，采集到的电流信号经过ADC模块3转换成数字信号反馈给FPGA模块1。FPGA模块1根据反馈的电流大小与预设值进行比较，来调整放大电路模块4输出电信号的大小。
如图2所示，FPGA模块1设有ADC数据接收单元9、数据处理单元10、双口RAM单元11、FFT运算单元12、电流有效值计算比较单元13、信号幅值设定单元14、采集控制单元15、电流有效值计算单元16、信号输出单元17和电流预设值单元18，数据处理单元10与ADC数据接收单元9连接，双口RAM单元11与数据处理单元10连接，FFT运算单元12与双口RAM单元11连接，电流有效值计算单元16与FFT运算单元12连接，电流有效值计算比较单元13与电流有效值计算单元16连接，信号幅值设定单元14与电流有效值计算比较单元13连接，信号输出单元17与信号幅值设定单元14连接。电流预设值单元18与电流有效值计算比较单元13连接。采集控制单元15用于控制ADC数据接收单元9、数据处理单元10工作。
ADC数据接收单元9用于接收ADC模块3发送的电流信号。信号输出单元17的输出端与DAC模块2的输入端连接。
如图3和4所示，根据机电等效理论以及结合超声刀的等效电路模型，可以将超声刀等效成一个二端口网络模型，其中Ur、Ir表示超声刀的输入电压和电流，Uz、Iz表示机械端的振幅、振速的等效电压和电流，Rz为机械的等效阻抗。Z参数方程可表示为：
Uz＝Rz×Iz (2)
当超声刀处于谐振状态时，将上述公式(1)和(2)联合计算得：
公式(3)中的α为常数，与超声刀的固定参数有关。
超声刀在谐振时，振幅A定义为：
公式(4)中ωs为谐振角频率，由以上各式进而得到：
由公式(5)可知，当超声刀的电流有效值即恒定时，超声刀的工作振幅就恒定，因此只要控制超声刀的电流有效值为恒定值，就能控制超声刀刀头以恒定振幅振动。
如图5所示，控制放大电路模块4输出的电流大小的步骤如下：
(1)完成装置的各个功能单元的上电初始化。
(2)由电流预设值单元18预设电流额定值REF，由信号幅值设定单元14设置信号的输出幅值并通过信号输出单元17输送给DAC模块2。
(3)电流监测模块5采集放大电路模块4输出的电流信号，并将该电流信号发送给ADC模块3进行AD转换。
(4)定义ADC模块3输出给数据处理单元10的反馈电流信号为Ik，数据处理单元10对ADC模块3发送的电流反馈信号Ik进行噪音过滤，取得高质量的反馈电流信号I(t)。
噪音过滤算法通过以下公式完成：
公式(6)中，Ik为电流信号的第K次采样，N为采样次数，I(t)为经过噪音过滤之后的信号。
经过噪音过滤后的反馈电流信号I(t)被FFT运算单元12通过以下公式进行快速傅立叶变换。
公式(7)中，其中I(t)为原始信号经过噪音过滤之后的信号，Re(I(ω))为FFT变换之后的实部，Im(I(ω))为FFT变换之后的虚部。
电流有效值计算单元16通过以下公式计算出电流有效值RMS：
通过电流有效值计算比较单元13将计算的电流有效值RMS与电流预设值单元18设定的电流额定值REF比较，根据公式(5)中刀头振幅与电流的关系，当电流有效值RMS小于电流额定值REF时由信号幅值设定单元14提高输出信号的幅值，当电流有效值RMS大于电流额定值REF时由信号幅值设定单元14降低输出信号的幅值，并通过信号输出单元17输出要求的信号。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超声刀刀杆振幅控制装置，其特征是，包括FPGA模块、DAC模块、ADC模块、放大电路模块、电流监测模块、电源模块、时钟模块和输出接口模块，所述DAC模块与所述FPGA模块连接，所述ADC模块与所述FPGA模块连接，所述放大电路模块的输入端与所述DAC模块连接，所述输出接口模块与所述放大电路模块的输出端连接，所述电流监测模块的输入端与所述放大电路模块的输出端连接，所述电流监测模块的输出端与所述ADC模块连接。
2.根据权利要求1所述的超声刀刀杆振幅控制装置，其特征在于，所述FPGA模块设有ADC数据接收单元、数据处理单元、双口RAM单元、FFT运算单元、电流有效值计算比较单元、信号幅值设定单元、采集控制单元、电流有效值计算单元、信号输出单元和电流预设值单元，所述数据处理单元与所述ADC数据接收单元连接，所述双口RAM单元与所述数据处理单元连接，所述FFT运算单元与所述双口RAM单元连接，所述电流有效值计算单元与所述FFT运算单元连接，所述电流有效值计算比较单元与所述电流有效值计算单元连接，所述信号幅值设定单元与所述电流有效值计算比较单元连接；所述信号输出单元与信号幅值设定单元连接，所述电流预设值单元与电流有效值计算比较单元连接；
所述ADC数据接收单元与所述ADC模块的输出端连接，所述信号输出单元的输出端与所述DAC模块的输入端连接。
3.一种应用如权利要求2所述的超声刀刀杆振幅控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)上电初始化；
(2)预设电流输出额定值；
(3)所述电流监测模块采集放大电路模块输出的电流信号并送入数据处理单元进行噪音过滤，过滤后的电流信号被送入FFT运算单元进行快速傅立叶变换，经过傅立叶变换变换后的信号被送入电流有效值计算单元进行电流有效值计算，然后由有效值计算比较单元对经过电流有效值计算单元处理的电流信号与预设电流输出额定值进行大小比较计算；
(4)如果经过电流有效值计算单元处理的电流信号与预设电流输出额定值相等，则返回步骤(3)，否则进入步骤(5)；
(5)当经过电流有效值计算单元处理的电流信号小于预设的电流输出额定值时由信号幅值设定单元提高输出信号的幅值，否则降低输出信号的幅值，并通过信号输出单元输出要求的信号。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)上电初始化；
(2)由所述电流预设值单元预设电流额定值REF，由所述信号幅值设定单元设置信号的输出幅值并通过所述信号输出单元输送给DAC模块；
(3)所述电流监测模块采集所述放大电路模块输出的电流信号，并将该电流信号发送给所述ADC模块进行AD转换；
(4)定义ADC模块输出给数据处理单元的反馈电流信号为Ik，数据处理单元通过以下公式对ADC模块发送的电流反馈信号Ik进行噪音过滤，取得反馈电流信号I(t)；
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公式(1)中，Ik为电流信号的第K次采样，N为采样次数，I(t)为经过噪音过滤之后的信号；
经过噪音过滤后的反馈电流信号I(t)被FFT运算单元通过以下公式进行快速傅立叶变换；
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公式(2)中，Re(I(ω))为FFT变换之后的实部，Im(I(ω))为FFT变换之后的虚部；
由电流有效值计算单元通过以下公式计算出电流有效值RMS：
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(5)通过所述电流有效值计算比较单元将电流有效值RMS与预设电流输出额定值比较，如果两者相等，则返回步骤(4)，否则进入步骤(6)；
(6)当电流有效值RMS小于电流额定值REF时由信号幅值设定单元提高输出信号的幅值，否则降低输出信号的幅值，并通过信号输出单元输出要求的信号。
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