CN106725741B - 超声换能器的采样装置及超声手术系统 - Google Patents

超声换能器的采样装置及超声手术系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声换能器的采样装置，包括：采样模块，适于采集超声换能器的输出的电流信号，即采样信号；差分放大模块，适于对采样信号进行差分放大处理，输出第一交流信号；相位过滤模块，适于根据超声换能器的驱动信号获取超声换能器的电压相位信号；相位整流提取模块，适于根据超声换能器的电压相位信号对第一交流信号进行相位分解，得到与电压相位相同和相反的两路电流信号，将两路电流信号进行求和计算得到相位整流信号；电流提取模块，适于提取相位整流信号中的有效电流并输出所述有效电流。本发明还提供一种包含上述采样装置的超声换能器。提高了有效电流的测量精度，同时，可根据有效电流准确监测超声换能器的状态。

Description

超声换能器的采样装置及超声手术系统
技术领域
本发明涉及超声治疗技术，涉及一种一种超声换能器的采样装置及超声手术系统。
背景技术
在超声换能器中，为了使超声换能器能够进入谐振工作状态，或为了反应超声换能器的工作状态，需要对超声换能器输出回路的电流进行采样，然后根据采样得到的电流信号来判断其是否已经达到压电片在谐振工作状态下所需的电压值，或真实有效的反应当前超声换能器的工作状态。
现有技术中，有采用峰值检测法来检测电流，也有采用平均法来检测电流，不过这些方法都存在一个问题：采集并计算得到峰值或平均值在大多情况下都与超声换能器实际输出的电流存在误差，从而不利于对超声换能器的调谐工作及真实有效的反应当前超声换能器的工作状态，即根据现有技术侦测到的超声换能器输出电流值并不能准确地使换能器工作在其固有的谐振状态。
因此，如何使采集到的超声换能器输出的有效电流更为真实准确，还是一个未解决的技术问题。
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换能器的采样装置及超声手术系统，用于解决现有技术中超声换能器的有效电流采样值不准确的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超声换能器的采样装置，包括：
采样模块，适于采集超声换能器的输出的电流信号，即采样信号；
差分放大模块，适于对所述采样信号进行差分放大处理，输出第一交流信号；
相位过滤模块，适于根据超声换能器的驱动信号获取超声换能器的电压相位信号；
相位整流提取模块，适于根据超声换能器的电压相位信号对第一交流信号进行相位分解，得到与电压相位相同和相反的两路电流信号，将两路所述电流信号进行求和计算得到相位整流信号；
电流提取模块，适于提取所述相位整流信号中的有效电流并输出所述有效电流，其中，所述有效电流包括有效值电流、有功功率电流或平均值电流中的一种或多种。
本发明的另一目的在于提供一种超声手术系统，包括上述超声换能器的采样装置。
如上所述，本发明的超声换能器的采样装置及超声手术系统，具有以下有益效果：
本发明通过采样模块来感应获取的采样信号与超声换能器实际输出的电流信号是一致的，再由差分放大模块对所述采样信号进行差分放大处理，相位过滤模块根据超声换能器的驱动信号得到对应的电压相位信号，相位整流提取模块以电压相位信号为基础分解第一交流信号，最终计算得到相位整流信号，采用全波整流、半波整流、平均值方式分别提取到相位整流信号中对应超声换能器的有效值电流、有效功率电流、平均值电流，避免了现有技术中采集到的电信号与超声换能器实际输出的电流信号存在误差的情况，提高了有效电流的测量精度，同时，可根据有效电流准确监测超声换能器的状态。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置结构框图；
图2显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中相位整流提取模块第一实施例的结构框图；
图3显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中相位整流提取模块第二实施例的结构框图；
图4显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中相位整流提取模块的电路图；
图5显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第一实施例的结构框图；
图6显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第一实施对应的电路图；
图7显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第二实施例结构的框图；
图8显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第二实施对应的电路图；
图9显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第三实施例结构框图；
图10显示为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第三实施对应的电路图。
元件标号说明：
1 采样模块
2 差分放大模块
3 相位过滤模块
4 相位整流提取模块
5 电流提取模块
41 相位分解单元
42 反向放大单元
43 加法单元
44 第一跟随器
45 第二跟随器
50 第三跟随器
51 全波整流单元
52 第四跟随器
53 第一滤波单元
54 第五跟随器
55 半波整流单元
56 第六跟随器
57 第二滤波单元
58 第七跟随器
59 第三滤波单元
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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下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。
请参阅图1，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置结构框图，包括：
采样模块1，适于采集超声换能器的输出的电流信号，即采样信号；
差分放大模块2，适于对所述采样信号进行差分放大处理，输出第一交流信号；
相位过滤模块3，适于根据超声换能器的驱动信号获取超声换能器的电压相位信号；
相位整流提取模块4，适于根据超声换能器的电压相位信号对第一交流信号进行相位分解，得到与电压相位相同和相反的两路电流信号，将两路所述电流信号进行求和计算得到相位整流信号；
电流提取模块5，适于采用提取所述相位整流信号中的有效电流并输出所述有效电流，其中，所述有效电流包括有效值电流、有功功率电流或平均值电流中的一种或多种。
在本实施例中，超声换能器的采样装置可设置在超声系统的主机中，超声系统可包括用于治疗的超声手术系统、用于检测的超声测量系统、用于清洗的超声清洗系统等。采样模块1可为互感装置，采样信号为电流信号则用电流互感器，如果采样信号为电压信号则用电压互感器；其中，得到有效值电流则需要采用精密全波整流方式，得到有功功率电流则需要采用精密半波整流方式，而得到平均值电流只需要采用阻容滤波方式。采样装置将提取出来的有效电流输出至系统主机的主控制器中，通过计算超声换能器的有效电流值即可准确地了解其工作状态，相比其它测量的真有效值方式，提高了有效电流的测量精度。
请参阅图2，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中相位整流提取模块第一实施例的结构框图，所述相位整流提取模块4包括相位分解单元41、反向放大单元42、加法单元43，所述相位分解单元41分别与差分放大模块2、相位过滤模块3的输出端相连，用于根据电压相位信号对所述第一交流信号进行相位分解，分别输出与电压相位相同的第二交流信号、与电压相位相反的第三交流信号，所述反向放大单元42与输出第三交流信号的一端相连，用于对其进行反向放大，输出正向的第四交流信号；所述加法单元43分别与反向放大单元42的输出端、输出第二交流信号的一端相连，用于对第二交流信号与第四交流信号进行求和计算，得到相位整流信号。
请参阅图3，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中相位整流提取模块第二实施例的结构框图，所述相位分解单元41的两个输出端分别对应连接第一跟随器44、第二跟随器45，用于对正半周期、负半周期对应输出第二交流信号、第三交流信号进行跟随处理，输出与电压相位相同和相反的两路电流信号。
如电路图4所示，差分放大模块2为芯片U1，该芯片型号优选为AD620，其输入端连通采样模块1获取的采样信号，芯片U1对输入的采样信号进行差分放大，可抑制输出第一交流信号的零点漂移；相位过滤模块3为芯片U2，该芯片型号优选为74HC393D_Z，其输入端连接超声换能器的驱动信号PWM，使得对外输出的占空比稳定的脉冲信号(即，电压相位信号)；相位分解单元41为芯片U3，该芯片的型号优选为CD4052BM96，以电压相位信号为基础将第一交流信号分解成第二交流信号、第三交流信号，第一跟随器44由运算放大器U1A、电阻R8、电阻R10组成，第二跟随器45由运算放大器U1B、电阻R9、电阻R11组成，反向放大单元42由运算放大器U1C、电阻R14、电阻R13组成，其中，运算放大器U1C正向输入端连接电阻R13后接地，其反向输入端连接电阻R14一端，通过对负半周输出第三交流信号进行反向放大输出正向的第四交流信号，加法器43由运算放大器U1D和电阻R18组成，将正半周输出第二交流信号与反向变换的第四交流信号进行叠加求和运算，得到相位整流信号。
请参阅图5，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第一实施例的结构框图，
所述电流提取模块包括第三跟随器50、全波整流单元51、第四跟随器52与第一滤波单元53，所述第三跟随器50与相位整流提取模块4的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号；所述全波整流单元51与所述第三跟随器50的输出端相连，对所述相位整流信号进行全波整流；所述第四跟随器52与全波整流单元51的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理，所述第一滤波单元53与所述第四跟随器53的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到有效值电流。
具体地，如图6所示，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第一实施对应的电路图，
其中，所述第一滤波单元53为RC滤波器，所述第三跟随器50、第四跟随器51均为电压跟随器，所述全波整流单元51为精密全波整流电路。
具体地，在本实施例中，所述相位整流信号输入由运算放大器U2A、U2B、U2C、U2D，以及电阻R19至电阻R30和二极管D1、D2、电容C1和C2构成的电流提取模块，其中，运算放大器U2A、电阻R19、电阻R20构成第三跟随器50，电阻R26、电阻R27与运算放大器U2D构成第四跟随器51，运算放大器U2B、电阻R22、电阻R23构成的第三跟随器50输出的第一反馈网络，当跟随处理输出相位整流信号大于零时，运算放大器U2B输出负极限，二极管D2导通，第一反馈网络工作；运算放大器U2C、电阻R21、电阻R25构成第三跟随器50输出的第二反馈网络，当跟随处理输出相位整流信号小于零时，运放U2B输出正极限，二极管D1导通，第二反馈网络工作，所述RC滤波器为电阻R28、电阻R30、电容C1和电容C2组成，输出直流的有效值电流。
请参阅图7，本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第二实施例的结构框图，所述电流提取模块包括第五跟随器54、半波整流单元55、第六跟随器56与第二滤波单元57，所述第五跟随器54与相位整流提取模块4的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号；所述半波整流单元55与所述第五跟随器54的输出端相连，对所述相位整流信号进行半波整流；所述第六跟随器56与半波整流单元54的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理，所述第二滤波单元57与所述第六跟随器56的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到有效功率电流。
具体地，如图8所示，本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第二实施对应的电路图，所述第二滤波单元57为RC滤波器，所述第五跟随器54、第六跟随器56均为电压跟随器，所述半波整流单元55包括精密半波整流电路。
具体地，在本实施例中，本申请中半波整流单元55与全波整流单元的电路相差第二十一电阻R21，在此不一一赘述，当输入到预算放大器U2B的负向输入端相位整流信号大于零时，运算放大器U2B输出负极限，二极管D2导通，第一反馈网络工作，而当相位整流信号小于0时，没有输出波形，最终，根据半波整流单元55通过跟随处理与阻容滤波生成有效功率电流。
请参阅图9，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第三实施例的结构框图，所述电流提取模块包括第七跟随器58与第三滤波单元59，所述第七跟随器58与相位整流提取模块的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号，所述第三滤波单元59与所述第七跟随器58的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到平均值电流。
具体地，如图10所示，为本发明提供的一种超声换能器的采样装置中电流提取模块第三实施对应的电路图，所第三滤波单元59为RC滤波器，所述第七跟随器58为电压跟随器。
具体地，在本实施例中，第七跟随器58由电阻R31、电阻R32和运算放大器U3A构成，RC滤波器由电阻R34、电阻R35、电容C3和电容C4构成，其中，对相位整流信号进行跟随处理与阻容滤波即可得到平均值电流。
本发明提供一种超声手术系统，包括上述超声换能器的采样装置。超声手术系统可以为超声骨刀系统、超声吸引刀系统、超声切割止血系统、超声清创系统等。超声手术系统包括主机、通过线缆与主机连接的应用端、通过有线或无线方式与主机连接的脚踏控制器等，其中应用端包括手柄和与手柄接口连接的刀具，超声换能器设置于手柄中，将主机输出的电能转换为机械能传递给刀具，超声换能器的采样装置则设置在主机中，通过线缆采样超声换能器输出的电流信号。
综上所述，本发明通过采样模块来感应获取的采样信号与超声换能器实际输出的电流信号是一致的，再由差分放大模块对所述采样信号进行差分放大处理，相位过滤模块根据超声换能器的驱动信号得到对应的电压相位信号，相位整流提取模块以电压相位信号为基础分解第一交流信号，最终通过计算得到相位整流信号，采用全波整流、半波整流、平均值方式分别提取到相位整流信号中对应超声换能器的有效值电流、有效功率电流、平均值电流，避免了现有技术中采集到的电信号与超声换能器实际输出的电流信号存在误差的情况，提高了有效电流的测量精度，同时，可根据有效电流准确监测超声换能器的状态。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 (10)

1.一种超声换能器的采样装置，其特征在于，包括：
采样模块，适于采集超声换能器的输出的电流信号，即采样信号；
差分放大模块，适于对所述采样信号进行差分放大处理，输出第一交流信号；
相位过滤模块，适于根据超声换能器的驱动信号获取超声换能器的电压相位信号；
相位整流提取模块，适于根据超声换能器的电压相位信号对第一交流信号进行相位分解，得到与电压相位相同和相反的两路电流信号，将两路所述电流信号进行求和计算得到相位整流信号；
电流提取模块，适于提取所述相位整流信号中的有效电流并输出所述有效电流，其中，所述有效电流包括有效值电流、有功功率电流或平均值电流中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述相位整流提取模块包括相位分解单元、反向放大单元、加法单元，所述相位分解单元分别与差分放大模块、相位过滤模块的输出端相连，用于根据电压相位信号对所述第一交流信号进行相位分解，分别输出与电压相位相同的第二交流信号、与电压相位相反的第三交流信号，所述反向放大单元与输出第三交流信号的一端相连，用于对其进行反向放大，输出正向的第四交流信号；所述加法单元分别与反向放大单元的输出端、输出第二交流信号的一端相连，用于对第二交流信号与第四交流信号进行求和计算，得到相位整流信号。
3.根据权利要求2所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述相位分解单元的两个输出端分别对应连接第一跟随器、第二跟随器，用于对正半周期、负半周期对应输出的第二交流信号、第三交流信号进行跟随处理，输出与电压相位相同和相反的两路电流信号。
4.根据权利要求1所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述电流提取模块包括第三跟随器、全波整流单元、第四跟随器与第一滤波单元，所述第三跟随器与相位整流提取模块的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号；所述全波整流单元与所述第三跟随器的输出端相连，对所述相位整流信号进行全波整流；所述第四跟随器与全波整流单元的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理，所述第一滤波单元与所述第四跟随器的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到有效值电流。
5.根据权利要求4所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述第一滤波单元为RC滤波器，所述第三跟随器、第四跟随器均为电压跟随器，所述全波整流单元为精密全波整流电路。
6.根据权利要求1所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述电流提取模块包括第五跟随器、半波整流单元、第六跟随器与第二滤波单元，所述第五跟随器与相位整流提取模块的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号；所述半波整流单元与所述第五跟随器的输出端相连，对所述相位整流信号进行半波整流；所述第六跟随器与半波整流单元的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理，所述第二滤波单元与所述第六跟随器的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到有效功率电流。
7.根据权利要求6所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述第二滤波单元为RC滤波器，所述第五跟随器、第六跟随器均为电压跟随器，所述半波整流单元包括精密半波整流电路。
8.根据权利要求1所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所述电流提取模块包括第七跟随器与第三滤波单元，所述第七跟随器与相位整流提取模块的输出端相连，将所述相位整流信号进行跟随处理输出相位整流信号，所述第三滤波单元与所述第七跟随器的输出端相连，将所述相位整流信号进行滤波得到平均值电流。
9.根据权利要求8所述的超声换能器的采样装置，其特征在于，所第三滤波单元为RC滤波器，所述第七跟随器为电压跟随器。
10.一种超声手术系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的超声换能器的采样装置。
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