CN107317484B - 通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种通用型有源手术器械功率发生器，包括处理器，DDS时钟电路，终端器械标识识别电路，信号产生电路，功率放大器，电压和电流反馈电路，直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器，在包括30KHz到500KHz频段的宽频域上感知外接终端器械的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器计算产生信号的相位，以及电压电流的RMS值，其模数转换的采样频率不超过终端器械工作频率。处理器根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路以控制信号的相位和频率，在较宽频带上实现对多种不同的终端器械的控制。一种通用型有源手术器械功率发生器的控制方法，实时计算并调节终端器械所需的功率发生器输出频率，将终端器械上的电压和电流相位差锁定到指定值。

Description

通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法

技术领域

本专利属于医疗器械技术领域，具体涉及一种通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法。

背景技术

目前的有源手术器械大多用于组织的切割、闭合或者消融，实现上均需要通过一个功率发生器将工频电源转换成高频电功率后施加于某一种终端器械，转换成机械功率、电磁波功率、或者热功率作用于人体，从而实现对人体组织的切割、闭合以及消融。终端器械包括高频电刀、各种射频消融针和电极、有源闭合钳、超声刀、超声吸引器等等。这些终端器械针对手术中某些具体应用设计，工作机理和性能各异。如尽管都有切割和闭合功能，但电刀更便于切割，有源闭合钳便于血管闭合，超声刀则介乎二者之间，它们的工作频率、呈现的负载特性、以及所需的控制方式均不相同。比如高频电刀和一些消融电极，它们的功率发生器需要在指定频率上精确反馈负载的幅度和相位并控制有效功率；而超声刀和超声吸引器则需要实时跟踪负载的相位并使之趋近指定值。因此厂家一般根据终端器械的负载特性，包括中心频率和阻抗特性等，设计不同的专用发生器。医生则根据手术情况选择器械。很多手术需要多种有源器械，也就需要更换多种功率发生器。

以上的机理决定了目前有源手术器械功率发生器的以下缺点：

1.硬件臃肿僵硬，价格昂贵。功率发生器针对专用负载的特性在硬件上做了很多针对性的固化设计，如窄带滤波器、寄生参数补偿、阻抗匹配等。这些设计不但需要配备更多硬件，同时要求对负载的这些特性有充分了解。通常这种了解是通过一定的标定测试过程获得，加重了设计和生产的成本。

2.发生器针对专一的中心频率，不能适用不同种类的器械。在设计时将终端器械专用中心频率以外的频率信号视为噪声，一般用硬件滤波器加以滤除以实现较可靠的反馈和闭环控制。因此专门针对某种特定终端器械设计的发生器仅用于该种器械，不能适用于多种器械。在设计上由功率放大器输出的信号，一般需要经过无源滤波器针对负载中心频率进行窄带滤波，在获得近似理想正弦波后施加于负载。负载的中心频率一旦改变则不可能驱动。

3.功率发生器针对专一的负载寄生参数，不能适用特性变化范围大的负载设备。例如超声刀类器械终端中的主动元件PZT陶瓷片所包含的寄生电容对控制效果有重要影响，能否精确补偿决定最终控制质量。目前大多数超声功率发生器仅在功率放大器输出端用硬件电路网络针对它们平均的寄生参数值进行近似补偿，在加工工艺引起寄生参数变化的情况下会降低控制效果，并导致次品率升高。

4.功率发生器不能实时识别终端设备的传递函数从而在线计算所需的控制参数，而需要离线测试终端设备，手工调节控制参数。对于生产工艺造成的传递函数参数分布较广的终端设备难以达到目标控制效果。

以上问题限制了有源手术器械的应用，降低了手术效率，并影响了手术的治疗效果。

发明内容

本发明提供了一种通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法，用于控制一台功率发生器而适用于高频电刀、射频消融电极、有源闭合钳、超声刀、和超声吸引器几种不同的终端器械，同时解决它们在使用中硬件电路复杂、终端器械频率带宽太窄、以及反馈信号不精确技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种通用型有源手术器械功率发生器，包括处理器，对系统时钟进行配置并且对功率发生器其它部分的工作进行控制。DDS时钟电路，与处理器和信号产生电路相连，在处理器控制下产生相位和频率连续可调的时钟信号供给信号产生电路。终端器械标识识别电路，读取终端器械中的识别号，判断终端器械类型和工作频段。信号产生电路，和DDS时钟电路和处理器相连，根据处理器指令产生指定相位和频率的信号供给功率放大器。功率放大器，与处理器和信号产生电路相连，根据信号产生电路产生的弱信号保持相位和频率，并产生电压幅度可控的功率信号接仪器输出端，以驱动多种外接终端器械。电压和电流反馈电路，直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器，在包括30KHz到500KHz频段的宽频域上感知外接终端器械的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器计算产生信号的相位，以及电压电流的RMS值，其模数转换的采样频率由处理器根据终端器械频率配置为同步过采样或者欠采样，采样频率不超过终端器械工作频率。处理器根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路以控制信号的相位和频率，在较宽频带上实现对多种不同的终端器械的控制。

一种通用型有源手术器械功率发生器的控制方法，包括：

一，在该通用型有源手术器械功率发生器所适用的终端手术器械中放置标识，如RFID和识别电阻，通过终端手术器械所带的标识确定终端手术器械所工作的频率范围，所述终端器械包括高频电刀、射频消融电极、有源闭合钳、超声刀、和超声吸引器；

二，在终端手术器械所工作的频率范围内控制功率并以覆盖工作频率的宽带信号驱动终端手术器械；

三，在驱动终端手术器械的同时接收作用于终端器械上的电流和电压信号，将所述终端器械上的电流和电压信号做傅立叶变换，提取终端手术器械工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位；

四，采用固定负载标定有源手术器械的功率发生器的电压和电流的幅度和相位关系并在有源手术器械的功率发生器上储存该关系；

五，根据以上信息在有源手术器械的功率发生器接终端器械时计算出终端器械的负载特性，所述负载特性包括谐振频率、寄生电容、寄生电阻、寄生电感、工作的频率范围上的复阻抗特性和传递函数；

六，根据终端器械的传递函数计算使得闭环反馈控制器稳定并能达到所需时域响应的PID参数；

七，根据计算出的终端器械的负载特性控制功率发生器的输出频率和输出电压从而抵消寄生电容、寄生电阻、和寄生电感上的功率，并用以上PID参数控制终端器械的有效输出功率按指定时间关系趋近目标功率；

八，对于带指定标识的终端器械根据终端手术器械工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位实时计算并调节所需的功率发生器输出频率，将终端器械上的电压和电流相位差锁定到指定值。

优选地，还包括：

根据终端器械的复阻抗特性判断人体组织的手术状态，如是否牢靠闭合，是否消融彻底等，用于设置目标功率和终端器械的工作时间。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法，在所述通用型有源手术器械功率发生器中不包括窄带滤波器，从而简化了硬件电路，降低了成本。所述控制方法中用宽带信号而不是固定频率的窄带信号驱动功率发生器，同时从宽带反馈信号中用频谱分析算法提取各个频率成分的幅度和相位，根据宽频响应识别终端手术器械在宽频带上的负载参数，及由此实现控制器，得以根据实际终端手术器械的具体情况优化控制效果，而不是企图用一种固定参数控制器适应性能参数有差异的终端手术器械，最终使得同一台功率发生器可以驱动多种终端手术器械，提高有源手术器械的效用，提高手术效率和手术的治疗效果。

附图说明

图1是传统射频消融功率发生器的示意

图2是通用型有源手术器械功率发生器示意

图3通用型有源手术器械功率发生器控制射频消融电极功能块示意

图4利用总时钟产生同步的驱动信号的原理图

图5是同步低频采样射频消融信号相位重组产生等价信号示意图

图6是通用型有源手术器械功率发生器控制超声刀方法功能块示意

图7是超声刀用PZT陶瓷器件负载特性示意图

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明终端实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是供对比的传统射频功率发生器示意，该功率发生器及控制方法如下：

由信号产生电路3产生固定频率的信号发送到功率放大器4，在功率放大器4的输出端进一步用窄带滤波器，例如电感和电容组成的滤波网络对功率放大器4输出的功率信号进行滤波，以获得近似正弦波的单一频率信号，将该信号施加于终端器械射频消融电极6以及其作用的人体组织；

由电压和电流反馈电路5采集作用于终端器械射频消融电极6上的电压和电流，为提高采集信号的信噪比用继续窄带带通滤波器对采集的电压和电流信号进行滤波，以获得单一频率上的电压和电流波形，用处理器1计算电压和电流的幅度和相位差，因此推算出终端器械和人体组织的复阻抗，以及通过终端器械射频消融电极作用于人体的有效功率；

调节功率放大器4的电压以控制以上得到的有效功率使其达到目标值，离线调节工作较好的PID控制参数用于所有情况，或者针对推算到的单一频率上的复阻抗选择PID参数，构成功率控制闭环。

图2是通用型有源手术器械功率发生器示意。如图2所示，该通用型有源手术器械功率发生器包括：处理器1，用于对系统时钟进行配置并且对功率发生器9其它部分的工作进行控制。DDS时钟电路8，与处理器1和信号产生电路3相连，用于在处理器1控制下产生相位和频率精密可调的时钟信号供给信号产生电路3。终端器械识别电路23，读取终端器械中的识别号，判断终端器械类型和工作频段。信号产生电路3，和DDS时钟电路8和处理器1相连，用于根据处理器1指令产生指定相位和频率的信号供给功率放大器4。功率放大器4与处理器1和信号产生电路3相连，用于根据信号产生电路3产生的弱信号保持相位和频率，并产生电压幅度可控的功率信号接仪器输出端，以驱动多种外接终端器械10。电压和电流反馈电路5，直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器，用于在宽频域上感知外接终端器械10的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器1计算产生信号的相位，以及电压电流的RMS值，其模数转换的采样频率由处理器1根据终端器械10频率配置为同步过采样或者欠采样，采样频率不超过终端器械10的工作频率。处理器1根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路8以控制信号的相位和频率，在包括30KHz到500KHz频段上实现对多种不同的终端器械的控制。

一种通用型有源手术器械功率发生器的控制方法，包括：

一，在该通用型有源手术器械功率发生器9所适用的终端器械10中放置标识，如RFID或识别电阻，通过终端手术器械所带的标识确定终端手术器械所工作的频率范围，所述终端器械10包括高频电刀、射频消融电极、有源闭合钳、超声刀、和超声吸引器；

二，在终端器械10所工作的频率范围内控制功率并以覆盖工作频率的宽带信号驱动终端手术器械；

三，在驱动终端器械10的同时接收作用于终端器械10上的电流和电压信号，将所述终端器械10上的电流和电压信号做傅立叶变换，提取终端手术器械10工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位；

四，采用固定负载13标定有源手术器械的功率发生器9的电压和电流的幅度和相位关系并在有源手术器械的功率发生器9上储存该关系；

五，根据以上信息在有源手术器械的功率发生器9接终端器械10时计算出终端器械10的负载特性，所述负载特性包括谐振频率、寄生电容、寄生电阻、寄生电感、工作的频率范围上的复阻抗特性和传递函数；

六，根据终端器械的传递函数计算使得闭环反馈控制器稳定并能达到所需时域响应的PID参数；

七，根据计算出的终端器械的负载特性控制功率发生器的输出频率和输出电压从而抵消寄生电容、寄生电阻、和寄生电感上的功率，并用以上PID参数控制终端器械的有效输出功率按指定时间关系趋近目标功率；

八，对于带指定标识的终端器械根据终端手术器械工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位实时计算并调节所需的功率发生器输出频率，将终端器械上的电压和电流相位差锁定到指定值。

优选地，还包括：

根据终端器械的复阻抗特性判断人体组织的手术状态，如是否牢靠闭合，是否消融彻底等，用于设置目标功率和终端器械的工作时间。

具体地，当终端器械为射频消融电极时，控制该通用型有源手术器械功率发生器驱动射频消融电极的方法如下：

一、在生产中将通用型有源手术器械功率发生器9接某一固定阻值的标定负载15，用覆盖射频消融电极工作频段但具有主频的宽带信号，例如主频为460KHz的方波，驱动通用型有源手术器械功率发生器9中的功率放大器4，使之产生相同主频的宽带功率信号施加于标定负载15，获取并保存其在工作频段上的电压幅度19和相位20和电流的幅度21和相位22；

二，在终端器械射频消融电极8接到通用型有源手术器械功率发生器9后，读取终端器械射频消融电极8内安置的标识，该标识可以为一定阻值的电阻，或者是RFID，使得通用型有源手术器械功率发生器9能识别是哪种终端器械并判断出其工作频段；

三，确认终端器械为射频消融器械后，可以设定DDS时钟电路8的输出频率为14.7456MHz的时钟15，再由图4的分频方法产生带死区19的互补方波驱动信号16和17，驱动功率放大器4产生主频460.8KHz的宽带信号，例如主频为460.8KHz的近似方波，施加于射频消融电极12以及其工作的人体组织；

通过隔离电路以同步欠采样方式采集射频消融电极14上的电流和电压的波形；图5是在7个周期的射频消融信号中将以上460.8KHz 射频信号通过同步低频采样转换为同相位低频等价信号的过程，每隔7 个总时钟周期产生一个采样脉冲，因此每7个射频消融信号周期采满32个不同相位的点。

原460.8KHz 的射频消融正弦信号24 被该2106.5KHz 的信号23 采样后产生根据相位位置重组产生的低频信号，每个周期的32个点对应于原射频信号的相位序列0，7，14，21，28，3，10，17，24，31，6，13，20，27，2，9，16，23，30，5，12，19，26，1，8，15，22，29，4，11，18，25。将这32个点重组后得到的32个点对应于原射频信号一个周期中用过采样得到的32个点，重组的信号在幅度和相位上完全等同于原来的射频信号。这里由于数字圆整这些频率似乎不能整除，但实际上由于这些信号均由14.7456MHz 的总时钟整数分配而来，结果低频信号频率和采样频率之间也是整数倍关系。

由主控制器1对同步欠采样得到的电流和电压的信号作离散傅立叶变换，获得它们在工作频段上电压RMS和相位、及电流RMS和相位；

四，根据以上信息结合标定负载13上采集和存储的各频率上的电压幅度和相位，和电流的幅度和相位计算出终端器械射频消融电极14的寄生电容，寄生电阻，寄生电感、以及工作的频率范围上射频消融电极14所连接的人体组织的复阻抗和传递函数；

五，根据射频消融电极14所连接的人体组织的复阻抗和传递函数计算使得闭环反馈控制器稳定并能达到所需时域响应的PID参数；

根据计算出的射频消融电极14及所连接的人体组织的负载特性控制功率发生器的输出频率和输出电压从而抵消寄生电容、寄生电阻、和寄生电感上的功率，并用以上PID参数控制射频消融电极14及所连接的人体组织的有效输出功率按指定时间关系趋近目标功率；

根据射频消融电极14所连接的人体组织的复阻抗进一步估算人体组织被消融的程度，从而判断应该施加的有效功率以及消融时间。

具体地，当终端器械为基于PZT驱动元件的超声手术器械时，控制该通用型有源手术器械功率发生器驱动超声手术器械的方法如下：

图6是通用型有源手术器械功率发生器控制超声刀方法流程示意，图7是超声刀用PZT陶瓷器件负载特性示意，控制器需要实时跟踪PZT器件的负载特性，将控制点保持在共振点31，以确保效率最大。控制该通用型有源手术器械功率发生器跟踪驱动PZT器件的方法如下：

一、如图6将通用型有源手术器械功率发生器9接某一固定阻值的标定负载13，用覆盖超声刀工作频段但具有主频的宽带信号，例如主频为55KHz的方波，驱动通用型有源手术器械功率发生器9中的功率放大器4，使之产生相同主频的宽带功率信号施加于标定负载13，获取并保存其在工作频段上的电压幅度和相位，以及电流的幅度和相位；

二、在超声刀40接到通用型有源手术器械功率发生器9后，读取终端器械超声刀40内安置的标识，该标识可以为一定阻值的电阻，或者是RFID，使得通用型有源手术器械功率发生器9能识别是超声刀并判断出其工作频段，例如50KHz到60KHz；

三、确定终端器械为超声刀后，处理器1控制DDS时钟电路以类似图4的分频方法产生频率可变的驱动信号，对PZT器件如图7的频率特性进行扫频跟踪，定位到共振点31，同时用覆盖以上工作频段但具有主频的宽带信号，例如主频为55KHz的方波，驱动通用型有源手术器械功率发生器9中的功率放大器4，使之产生相同主频的宽带功率信号施加于超声刀40；

四、通过隔离电路采集超声刀40上的电流和电压的波形，利用图5的欠采样机理用较低的频率采样重组恢复波形，然后由主控制器1对电流和电压的信号作离散傅立叶变换，获得它们在工作频段上电压幅度和相位，以及电流的幅度和相位，再根据相位差按图7的特性曲线动态调整频率，继续锁定到工作点31。

五、根据超声刀40及所连接的人体组织的复阻抗和传递函数计算使得闭环反馈控制器稳定并能达到所需时域响应的PID参数；

六、根据计算出PID参数控制超声刀40及所连接的人体组织的有效输出功率按指定时间关系趋近目标功率。

Claims (3)

1.一种通用型有源手术器械功率发生器，其特征在于，包括:

处理器，对系统时钟进行配置并且对功率发生器的DDS时钟电路、终端器械标识识别电路、信号产生电路、功率放大器的工作进行控制；

DDS时钟电路，与处理器和信号产生电路相连，在处理器控制下产生相位和频率连续可调的时钟信号供给信号产生电路；

终端器械标识识别电路，读取终端器械中的识别号，判断终端器械类型和工作频段；

信号产生电路，和DDS时钟电路和处理器相连，根据处理器指令产生指定相位和频率的信号供给功率放大器；

功率放大器，与处理器和信号产生电路相连，根据信号产生电路产生的弱信号保持相位和频率，并产生电压幅度可控的功率信号接仪器输出端，以驱动多种外接终端器械；

电压和电流反馈电路，直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器，在包括30KHz到500KHz频段的宽频域上感知外接终端器械的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器计算产生信号的相位，以及电压电流的RMS值，其模数转换的采样频率由处理器根据终端器械频率配置为同步过采样或者欠采样，采样频率不超过终端器械工作频率；

处理器根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路控制信号的相位和频率，在包括30KHz到500KHz频段的宽频域上实现对多种不同的终端器械的控制。

2.一种通用型有源手术器械功率发生器的控制方法，其特征在于:用于权利要求1所述的通用型有源手术器械功率发生器，所述方法包括：

步骤一，在所述通用型有源手术器械功率发生器所适用的终端器械中放置标识，通过终端器械所带的标识确定终端器械所工作的频率范围，所述终端器械包括高频电刀、射频消融电极、有源闭合钳、超声刀、和超声吸引器；

步骤二，在所述终端器械工作频段内控制功率并以覆盖工作频率的宽带信号驱动终端器械；

步骤三，在驱动终端器械的同时接收作用于终端器械上的电流和电压信号，将所述终端器械上的电流和电压信号做傅立叶变换，提取终端器械工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位；

步骤四，采用固定负载标定所述通用型有源手术器械功率发生器的电压和电流的幅度和相位关系并在所述通用型有源手术器械功率发生器上储存该关系；

步骤五，根据所述标定后的电压和电流的幅度和相位关系信息在所述通用型有源手术器械功率发生器接终端器械时计算出终端器械的负载特性，所述负载特性包括谐振频率、寄生电容、寄生电阻、寄生电感、工作的频率范围上的复阻抗特性和传递函数；

步骤六，根据终端器械的传递函数计算使得闭环反馈控制器稳定并能达到所需时域响应的PID参数；

步骤七，根据计算出的终端器械的负载特性控制功率发生器的输出频率和输出电压从而抵消寄生电容、寄生电阻、和寄生电感上的功率，并用以上PID参数控制终端器械的有效输出功率按指定时间关系趋近目标功率；

步骤八，对于带指定标识的终端器械根据终端器械工作的频率范围上电压和电流信号的幅度和相位实时计算并调节所需的功率发生器输出频率，将终端器械上的电压和电流相位差锁定到指定值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括:

根据作用在所述终端器械上的电压和电流计算复阻抗特性，并判断人体组织的手术状态。