CN109938803A - 基于有功功率调谐的超声手术设备及确定谐振频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于有功功率调谐的超声手术设备及确定谐振频率的方法，所述超声手术设备还包括电源转换电路、主控电路以及有功功率采样电路；所述电源转换电路，用于接收主控电路输入的PWM控制信号，并根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并将该交流电输出至超声换能器以驱动超声换能器工作；所述有功功率采样电路，用于采集超声换能器的有功功率信号并将有功功率信号输出至主控电路；所述主控电路，用于接收有功功率采样电路输出的有功功率信号，并从接收到的有功功率信号中找出最大有功功率值，并将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率，能够直观有效地找到超声手术设备的谐振点。

Description

基于有功功率调谐的超声手术设备及确定谐振频率的方法

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，尤其涉及一种基于有功功率调谐的超声手术设备及确定谐振频率的方法。

背景技术

超声手术设备是现代医疗设备中极为重要的设备之一，其通过超声换能器产生超声振动能量，并作用于人体的病灶部位，可以实现对组织的切割与凝闭，具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等优点，另外，还具有不会引起组织干燥、灼伤等副作用的优点。

超声换能器将电能转换为机械能，需要工作在谐振频率时才能保证转换效率最高。现有技术中，普遍采用基于最大电流的调谐方法，然而最大电流并不能准确的反映超声换能器在工作的频率点上的转换效率，从而不能准确找到谐振频率，调谐可行性差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于有功功率调谐的超声手术设备及确定谐振频率的方法，能够直观有效地找到超声手术设备的谐振点，确保超声手术设备的机械效率最大化。

本发明提供的一种基于有功功率调谐的超声手术设备，包括超声换能器以及连接于超声换能器的手术端，所述超声换能器用于产生高频振动并传递至手术端；所述超声手术设备还包括电源转换电路、主控电路以及有功功率采样电路；

所述电源转换电路，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输入的PWM控制信号，并根据PWM控制信向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；

所述有功功率采样电路，其采样输出端与主控电路连接，用于采集超声换能器的有功功率信号并将有功功率信号输出至主控电路；

所述主控电路，其信号输入端与有功功率采样电路的采样输出端连接，用于接收有功功率采样电路输出的有功功率信号，并从接收到的有功功率信号中找出最大有功功率值；将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率；向电源转换电路输出频率与谐振频率相等的PWM控制信号，以驱动超声换能器工作在谐振状态。

进一步，所述电源转换电路，具体用于根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作。

进一步，所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器；

所述BUCK电路，其输入端输入直流电，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器。

进一步，所述电源转换电路还包括电感调谐电路；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器。

进一步，所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路。

进一步，所述超声手术设备还包括整流电路，所述整流电路用于将市电转换成直流电并输出至电源转换电路。

相应地，本发明海通了一种基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，所述超声换能器连接于超声手术设备的手术端，用于产生高频振动并传递至手术端，所述方法包括：

主控电路向电源转换电路的控制端输出PWM控制信号，根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；

主控电路接收有功功率采样电路发送来的其对超声换能器的有功功率进行采样值；

主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值，并将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率。

进一步，所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电包括：

主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作。

进一步，所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器，所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电包括：

主控电路向BUCK电路输出占空比可调的PWM控制信号，控制BUCK电路根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

主控电路向逆变器输出占空比和频率均可调的PWM控制信号，控制逆变器将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器，该PWM控制信号的频率变化步长为Δf，该PWM控制信号的初始频率值f＝f1。

进一步，所述主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值包括：

主控电路将接收到的实时有功功率值与初始最大有功功率值比较，若实时有功功率值大于初始最大有功功率值，则将当前实时有功功率值保存为最大功率值P；

主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率；

主控电路将接收到的实时有功功率值与保存的最大功率值P进行比较，若实时有功功率值大于最大有功率值P，则将当前实时有功功率值保存为最大有功功率值P；

主控电路保存当前最大有功功率值P所对应的输入至逆变器的PWM信号的频率值F；

主控电路判断当前输入至逆变器的PWM控制信号的频率值是否大于上限频率值f2；若是，则主控电路将保存的当前最大有功功率值P确定为超声换能器单元的谐振频率；若否，则返回主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率的步骤。

本发明的有益效果：通过本发明，能够直观有效地找到超声手术设备的谐振点，且准确性高，从而使得超声换能器能够稳定地保持在谐振频率上工作，从而确保超声手术设备的机械效率最大化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的实施例一的结构示意图。

图3为本发明的实施例二的结构示意图。

图4为本发明的实施例三的结构示意图。

图5为本发明的实施例四的结构示意图。

图6为本发明的方法流程图。

图7为本发明的方法实施例一的流程图。

图8为本发明的方法实施例二的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明：

如图1所示：本发明提供的一种基于有功功率调谐的超声手术设备，包括超声换能器以及连接于超声换能器的手术端，所述超声换能器用于产生高频振动并传递至手术端；所述超声手术设备还包括电源转换电路、主控电路以及有功功率采样电路；

所述电源转换电路，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输入的PWM控制信号，并根据PWM控制信向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；具体地，所述电源转换电路，用于根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作；

所述有功功率采样电路，用于采集超声换能器的有功功率信号并将有功功率信号输出至主控电路；其中，有功功率采样电路采用模拟乘法器获取超声换能器工作的电压、电流，并通过电压和电流的乘积获取瞬时功率，再通过积分算法获取有功功率；

所述主控电路，其信号输入端与有功功率采样电路的采样输出端连接，用于接收有功功率采样电路输出的有功功率信号，并从接收到的有功功率信号中找出最大有功功率值；将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率；向电源转换电路输出频率与谐振频率相等的PWM控制信号，控制电源转换电路输出相应的交流电至超声换能器以驱动超声换能器工作在谐振状态，通过本发明，能够直观有效地找到超声手术设备的谐振点，且准确性高，从而使得超声换能器能够稳定地保持在谐振频率上工作，从而确保超声手术设备的机械效率最大化。

如图2所示：本实施例中，所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器；

所述BUCK电路，其输入端输入直流电，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；其中，BUCK电路用于根据PWM控制信号对输入的直流电进行降压或者升压处理，以提升输入至逆变器中的直流电的稳定性，确保整个电源转换电路的工作稳定性；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器，其中，逆变器采用全桥式高频逆变器，比如IGBT组成的全桥式逆变器。

如图3所示：本实施例中，所述电源转换电路还包括电感调谐电路；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器，其中，电感调谐电路用于稳定逆变器输出的交流电的频率，使输出至超声换能器的交流电的频率与主控电路的PWM控制信号的频率保持一致，从而能有有效匹配超声换能器的谐振频率点，保证超声换能器稳定地工作在谐振频率点上。

如图4所示：本实施例中，所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路；其中，变压器采用高频变压器，用于对逆变器输出的交流电进行变压处理，如果逆变器输出的电压较高，超出电感调谐电路以及超声换能器的额定工作电压，则采用降压变压器，如果逆变器输出的电压较低，则采用升压变压器，从而提升整个电源转换电路的稳定性。

如图5所示：本实施例中，所述超声手术设备还包括整流电路，所述整流电路用于将市电转换成直流电并输出至电源转换电路，其中，整流电路采用全桥式整流电路，从而为BUCK电路提供持续稳定的直流电。

相应地，如图6所示：本发明还提供了一种基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，所述超声换能器连接于超声手术设备的手术端，用于产生高频振动并传递至手术端，所述方法包括：

S1.主控电路向电源转换电路的控制端输出PWM控制信号，并控制电源转换电路根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；其中，所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电包括：

主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作；

S2.主控电路接收有功功率采样电路发送来的其对超声换能器的有功功率的采样值；

S3.主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值，并将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率，通过上述方法，能够直观有效地找到超声手术设备的谐振点，且准确性高，从而使得超声换能器能够稳定地保持在谐振频率上工作，从而确保超声手术设备的机械效率最大化。

本实施例中，如图7所示：步骤S1中，所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器，所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电包括：

S11.主控电路向BUCK电路输出占空比可调的PWM控制信号，控制BUCK电路根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

S12.主控电路向逆变器输出占空比和频率均可调的PWM控制信号，控制逆变器将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器，该PWM控制信号的频率变化步长为Δf，该PWM控制信号的初始频率值f＝f1。

本实施例中，如图8所示：步骤S3中，所述主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值包括：

S31.主控电路将接收到的实时有功功率值与初始最大有功功率值比较，若实时有功功率值大于初始最大有功功率值，则将当前实时有功功率值保存为最大功率值P；

S32.主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率；

S33.主控电路将接收到的实时有功功率值与保存的最大功率值P进行比较，若实时有功功率值大于最大有功率值P，则将当前实时有功功率值保存为最大有功功率值P；

S34.主控电路保存当前最大有功功率值P所对应的输入至逆变器的PWM信号的频率值F；

S35.主控电路判断当前输入至逆变器的PWM控制信号的频率值是否大于上限频率值f2；若否，则返回主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率的步骤；

S36.若是，则主控电路将保存的当前最大有功功率值P确定为超声换能器单元的谐振频率；具体地：当主控电路按照初始频率f1输出PWM控制信号后，在第二次检测时，输出至逆变器的PWM控制信号的频率f＝f1+Δf，第三次时输出至逆变器的PWM控制信号的频率f＝f+Δf＝f1+2Δf，以此类推，直至f大于f2，在每一次检测时，都会产生一个有功功率值，如果当次的有功功率值大于前次，则将当次的有功功率值确定为最大有功功率，如否，则将前次的有功功率值确定为最大有功功率值，并返回步骤S32；直至f大于f2时，找到所有有功功率值中最大的有功功率值P。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于有功功率调谐的超声手术设备，包括超声换能器以及连接于超声换能器的手术端，所述超声换能器用于产生高频振动并传递至手术端；其特征在于：所述超声手术设备还包括电源转换电路、主控电路以及有功功率采样电路；

所述电源转换电路，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输入的PWM控制信号，并根据PWM控制信向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；

所述有功功率采样电路，其采样输出端与主控电路连接，用于采集超声换能器的有功功率信号并将有功功率信号输出至主控电路；

所述主控电路，其信号输入端与有功功率采样电路的采样输出端连接，用于接收有功功率采样电路输出的有功功率信号，并从接收到的有功功率信号中找出最大有功功率值；将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率；向电源转换电路输出频率与谐振频率相等的PWM控制信号，以驱动超声换能器工作在谐振状态。

2.根据权利要求1所述基于有功功率调谐的超声手术设备，其特征在于：所述电源转换电路，具体用于根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作。

3.根据权利要求2所述基于有功功率调谐的超声手术设备，其特征在于：所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器；

所述BUCK电路，其输入端输入直流电，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器。

4.根据权利要求3所述基于有功功率调谐的超声手术设备，其特征在于：所述电源转换电路还包括电感调谐电路；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器。

5.根据权利要求4所述基于有功功率调谐的超声手术设备，其特征在于：所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路。

6.根据权利要求1所述基于有功功率调谐的超声手术设备，其特征在于：所述超声手术设备还包括整流电路，所述整流电路用于将市电转换成直流电并输出至电源转换电路。

7.一种基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，所述超声换能器连接于超声手术设备的手术端，用于产生高频振动并传递至手术端，其特征在于：所述方法包括：

主控电路向电源转换电路的控制端输出PWM控制信号，根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电以驱动超声换能器工作；

主控电路接收有功功率采样电路发送来的其对超声换能器的有功功率进行采样值；

主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值，并将最大有功功率值所对应PWM控制信号的频率作为超声换能器的谐振频率。

8.根据权利要求7所述基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，其特征在于：所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号向超声换能器输出对应的交流电包括：

主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电，并向超声换能器输出交流电以驱动超声换能器工作。

9.根据权利要求8所述基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，其特征在于：所述电源转换电路包括BUCK电路和逆变器，所述主控电路控制电源转换电路根据PWM控制信号将输入至电源转换电路的直流电转换成交流电包括：

主控电路向BUCK电路输出占空比可调的PWM控制信号，控制BUCK电路根据该PWM控制信号将输入的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

主控电路向逆变器输出占空比和频率均可调的PWM控制信号，控制逆变器将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至超声换能器，该PWM控制信号的频率变化步长为Δf，该PWM控制信号的初始频率值f＝f1。

10.根据权利要求9所述基于有功功率确定超声换能器谐振频率的方法，其特征在于：所述主控电路从接收到的有功功率的采样值中找出最大有功功率值包括：

主控电路将接收到的实时有功功率值与初始最大有功功率值比较，若实时有功功率值大于初始最大有功功率值，则将当前实时有功功率值保存为最大功率值P；

主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率；

主控电路将接收到的实时有功功率值与保存的最大功率值P进行比较，若实时有功功率值大于最大有功率值P，则将当前实时有功功率值保存为最大有功功率值P；

主控电路保存当前最大有功功率值P所对应的输入至逆变器的PWM信号的频率值F；

主控电路判断当前输入至逆变器的PWM控制信号的频率值是否大于上限频率值f2；若是，则主控电路将保存的当前最大有功功率值P确定为超声换能器单元的谐振频率；若否，则返回主控电路根据频率变化步长Δf调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率的步骤。