CN113473922A - 用于驱动超声波装置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的系统(1)包括控制单元(6)、存储器单元(MEM)和用于将控制单元(6)和超声波装置的手持机(5)连接在一起的连接模块。方便地，控制单元(6)被配置为向手持机(5)发送信号(Sg1)，从手持机接收对发送的信号(Sg1)的响应(Sg2)，以及基于该响应(Sg2)检查超声波装置的操作状况。发送的信号(Sg1)是在频率范围内频率可变的信号，并且，基于所述响应(Sg2)，控制单元(6)被配置为计算至少一个表征超声波装置的频率响应的参数，所述参数是阻抗的变化并作为频率的函数提供表示超声波装置的频率响应的阻抗曲线。

Description

用于驱动超声波装置的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于驱动超声波装置的系统和对应的方法，用于例如去除骨接合剂或执行截骨术操作，并且仅仅为了简化说明的目的而参考了本应用领域进行以下描述。
背景技术
如本技术领域中众所周知的，在假体修复过程中，通常需要去除由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的骨接合剂。这是一个非常精细的过程，并且其不正确的执行存在对骨组织造成严重损伤的风险。
存在一些超声波装置，其能够通过超声波传输到的特殊工具来去除骨接合剂。因为超声波的作用使得保持植入物就位的接合剂软化，所以这简化了假体修复过程中骨接合剂的去除。因此，工具被定位成从宿主骨收集和去除软化的接合剂。这种技术减少了手动操作，并降低了骨折和穿孔的风险。
超声波装置也用于截骨术操作以切割骨骼部分，其中刀片借助超声波以预定方式移动。
已知的超声波系统通常会存在发生器，其连接至包含超声发生元件的手持机。该发生器能够为手持机供电并设置其操作参数。然后将在操作期间超声波传输到的工具连接至手持机，这些工具接触骨接合剂或骨骼。
根据一些已知方案，发生器包括用于两个单独的手持机的两个单独的连接元件。更具体地，一个连接元件用于旨在去除骨接合剂的第一手持机，不同的连接元件用于旨在用于截骨术操作的另一手持机。
此外，根据一些已知方案，发生器能够存储与不同类型的操作模式相关的多个操作参数，并且一旦操作者选择特定的期望操作模式—例如要执行的特定操作，就可以使用这些参数。
欧洲专利申请EP 1 199 042 A2公开了一种能够验证与手持机相关联的刀片是否存在的超声波系统。
然而，迄今为止可用的方案具有许多缺点，包括缺乏对操作者关于手持机和/或与其连接的工具的状况的有效反馈，以及缺乏用于帮助操作者正确设置操作参数的系统。因此，需要提供一种确保与操作者的交互得到改善的系统。
本发明的技术问题是提供一种用于具有结构和功能特征的超声波装置的驱动系统，以能够克服仍然影响已知方案的限制和缺点，特别是能够改善与操作者的交互，同时简化超声波装置的使用并限制其设置过程中出错的可能性。
发明内容
在本发明的基础上的方案构思在于提供一种具有驱动/控制系统的超声波装置，该驱动/控制系统被配置为向装置的手持机发送输入信号并测量手持机和/或与手持机相关联的工具对该输入信号的特征响应，将该响应与先前存储在驱动系统的存储器中的预期响应进行比较。以这种方式，本发明实现手持机和驱动系统之间的数据交换，为操作者提供有用的信息，诸如关于手持机的状态和与其相关联的工具的类型和/或其状态的反馈。
基于该方案构思，通过驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的系统来解决上述技术问题，该系统包括控制单元、存储器单元和用于将控制单元和超声波装置的手持机连接在一起的连接模块，其特征在于，该控制单元被配置为向手持机发送信号，从手持机接收对发送的信号的响应，以及根据该响应检查超声波装置的操作状况。
更具体地，本发明包括根据需要来单独或组合地使用的以下附加特征。
根据本发明的一个方面，通过控制单元检查的超声波装置的操作状况可以包括手持机的压电换能器的状态、与手持机相关联的工具的类型和/或该工具的状态中的至少一个。
在本发明的上下文中，术语“某类型的工具”用于标识单个工具和具有共同特征(例如共同形状和/或功能)的一类工具。
根据本发明的一个方面，发送的信号可以是在预定频率范围内频率可变的信号，并且基于响应，控制单元可以被配置为计算表征超声波装置的频率响应的至少一个参数。
具体地，该参数可以是作为频率函数的阻抗变化，从而提供表示超声波装置的频率响应的阻抗曲线。
根据本发明的一个方面，控制单元可以被配置为将接收的响应与存储在存储器单元中的数据进行比较，所述存储器单元包括与和手持机相关联的工具的预期频率响应相关的数据和/或与手持机的压电换能器的预期频率响应相关的数据。
根据本发明的一个方面，控制单元可以被配置为，当工具不与手持机相关联时，测量手持机的压电换能器在发送的信号的频率变化时的特征阻抗，所述控制单元还被配置为显示压电换能器的频率响应曲线和/或将其与预期值进行比较。
根据本发明的一个方面，控制单元可以被配置为，测量工具在发送的信号的频率变化时的特征阻抗，并将该特征阻抗与存储在存储器单元中的、针对所述工具所预期的值进行比较，所述控制单元被配置为至少将测量的谐振频率与预期频率进行比较。
换言之，控制单元可以被配置为测量与手持机相关联的工具的阻抗，或者在工具不与手持机相关联的情况下，测量手持机的压电换能器在发送的信号的频率变化时的阻抗，并且存储器单元包括与和手持机相关联的工具的预期频率响应有关的数据和与手持机的压电换能器的预期频率响应有关的数据，控制单元还被配置为显示压电换能器的所述频率响应曲线和/或将其与存储在所述存储器单元中的预期值进行比较。然后，控制单元可以被配置为至少将测量的谐振频率与存储的预期频率进行比较。
更具体地，控制单元可以被配置为将测量的阻抗曲线的不同数学特征(包括最大值、最小值、一阶导数和二阶导数)与先前存储的已知阻抗曲线的特征进行比较；这样，间接地进行谐振频率之间的比较。
根据本发明的另一方面，控制单元可以被配置为在存储器单元中从存储的多个操作模式中选择操作模式，以及在从手持机接收的响应和与所选操作模式相关联的存储数据不对应的情况下报错，其中，所述存储数据至少包括超声波装置的特征频率。
根据本发明的另一方面，控制单元可以适于实施采用机器学习和/或人工智能技术的自动学习过程。
根据本发明的另一方面，该系统可以包括用户界面，该用户界面被配置为实现输入和/或显示操作参数和/或从操作参数已被预先存储在存储器单元中的多个操作模式中选择操作模式。
此外，控制单元可以被配置为与手持机中包括的电子单元通信并从其接收数据。具体地，这种数据可以至少包括手持机的序列号。
根据本发明的另一方面，控制单元可以包括彼此进行数据通信的控制板和包括存储器单元的计算机化单元。
根据本发明的又一方面，系统可以包括由致动器操作并与用于将冷却流体输送到手持机的控制单元通信的泵。
根据本发明的又一方面，驱动系统可以包括至少一个电源板，该电源板连接到控制单元并且适于向手持机发送适合生成超声波的高功率信号。
根据本发明的又一方面，连接模块可以包括可操作地连接到电源板和控制单元的电路部分，用于将数据和电力传输到手持机。
根据本发明的又一方面，中央单元可以被配置为基于操作模式设置频率范围。
本发明还涉及一种超声波装置，包括如上所示的驱动系统、连接到该驱动系统并与其进行操作通信的手持机以及连接到手持机的工具。
具体地，驱动系统和手持机可以被配置为将超声波传输到用于骨接合剂去除操作和截骨术操作两者的工具，并且控制单元可以被配置为在存储器单元中从存储的多个操作模式中选择操作模式，并且在从手持机接收的响应和与其相关联的工具的类型的预期响应不对应的情况下报错。
与手持机相关联的工具的控制通过上述频率扫描系统来执行，该频率扫描系统使得工具的类型能够被识别，并且因此使得能够在通过扫描(即通过评估阻抗曲线)识别的工具与所选操作模式不对应的情况下报错。
本发明还涉及一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的方法，该方法包括以下步骤：
--在超声波装置的控制单元和手持机之间至少建立数据连接；
--向手持机发送信号；
--从手持机接收对发送的信号的响应；以及
--根据该响应检查超声波装置的操作状况。
根据本发明的一方面，发送步骤可以包括以具有在频率范围内频率可变的信号的形式向手持机发送所述信号，并且检查步骤可以包括计算指示超声波装置的频率响应的至少一个参数，该检查步骤包括将频率响应与存储的数据进行比较的步骤。
根据本发明的一个方面，所述计算的参数可以是作为信号的频率函数的阻抗变化，从而提供表示超声波装置的频率响应的阻抗曲线。
此外，该方法可以包括通过中央单元检查手持机内部的温度是否高于阈值的步骤。
根据本发明的一个方面，该方法可以包括在接收的响应不同于预期响应的情况下生成和可选地显示报错信号的步骤。此外，显示报错信号的步骤还可以包括显示针对该报错的解决方案。
具体地，该方法可以包括从存储的多个操作模式中选择操作模式的步骤，其中，所述检查步骤(当工具与手持机相关联时)包括检查与手持机相关联的工具是否对应于所选操作模式，并且其中，检查步骤包括将测量的阻抗曲线的不同数学特征与存储的阻抗曲线的数学特征进行比较。
以此方式，操作者能够立即识别与手持机相关联的工具是否正确；因为根据本发明的系统实现仅使用单个手持机进行骨接合剂去除操作和截骨术操作两者，所以这尤其有用。
根据本发明的又一方面，该方法可以包括基于阻抗曲线的变化检查与手持机相关联的工具是否与不同材料接触的步骤。
最后，本发明涉及一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括适于根据上述方法控制系统的代码部分。
根据本发明的系统和方法的特征和优点将通过参考附图以非限制性示例的方式给出的其实施例的以下描述而变得显而易见。
附图说明
在这些附图中：
图1示出根据本发明的驱动系统的框图；
图2示意性地示出根据本发明的驱动系统和手持机之间的用于检查操作状况的信号交换；
图3示出根据本发明的驱动系统的用户界面的示例；以及
图4示出说明根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
参考这些图，特别是图1的示例，根据本发明的用于超声波装置的驱动系统整体地并且示意性地用附图标记1表示。
值得注意的是，附图表示示意性视图并且未按比例绘制，而是被绘制为用于强调本发明的重要特征。此外，在附图中，以示意图的方式示出了不同的元件，它们的形状根据期望的应用而变化。还应注意，在附图中，相同的附图标记指代形状或功能相同的元件。最后，关于在图中示出的实施例描述的特定特征也可应用于在其他图中示出的其他实施例。
根据本发明的系统1能够通过实施给定方法来驱动能够生成用于医疗用途的超声波的手持机。具体地，系统1用于骨接合剂去除操作或者也用于截骨术操作。还指出，在本发明的上下文中，驱动系统1也将使用本领域已知的术语“发生器”来表示。
如图1示意性示出的，系统1包括壳体2，包围其所有主要组件。
具体地，系统1首先包括用于将输入电压转换为要提供给系统组件的DC电压的供电单元3(也指示为PSU)。因此，PSU 3连接到系统1的待供电组件(诸如控制单元、一对电源板等)的电源输入端。如本领域已知的，为了减少电磁干扰，在PSU 3的输入端布置EMI滤波器4。
在本发明的实施例中，PSU 3提供24V的DC电压以及特别用于生成超声波的48V的第二DC电压。
根据本发明的驱动系统1实际上旨在通过使用超声波来控制手持机5的操作，用于在假体修复过程期间去除骨接合剂以及在截骨术操作期间切割骨骼部分。方便地，如下面将详细描述的，系统1实现仅使用一种类型的手持机5来进行骨接合剂去除操作和截骨术操作两者。
更具体地，手持机5包括主体，该主体包围并用作超声波生成模块的保护元件，该超声波生成模块包括本领域已知的压电换能器和喇叭。手持机5通过电缆连接到驱动系统1，所述电缆通过优选地形成在手持机5的主体远端的合适的插座与手持机5相关联。压电换能器旨在将由发生器提供的电能转化为机械振动，频率约为28.350kHz。然而，根据本发明的系统1能够控制在宽频率范围内生成超声波，即从20kHz到100kHz，具有范围从0到350W的功率水平，该系统尤其通用并且能够用于各种应用。
手持机5的喇叭适于放大由压电换能器产生的振动并将其传递到与其连接的工具T(也称为“探针”)。
因此，手持机5包括连接模块，用于将其连接到工具T，其中生成的超声波传输到该工具T。优选地，连接模块的形式为喇叭的近端处的螺纹连接。
与手持机5相关联的工具T可以具有不同的形式和功能，在具体实施方式中将不再描述，这些工具的形式和功能(以及手持机5的内部结构)不构成本发明的一部分。对于具体实施方式的目的而言，重要的是，特定工具T旨在用于特定操作，它们的形式和尺寸根据所执行的操作而变化，并且方便起见，根据本发明的系统1能够驱动要在每个操作中使用的单个手持机5并识别与该手持机相关联的工具T，下面将进行进一步描述。
根据本发明的系统1包括中央控制单元6，旨在控制和管理其主要功能，诸如超声波的生成、系统1的各个组件之间的通信、与手持机5的通信以及其控制。
具体地，控制单元6包括控制板6'，该控制板在其输入端从PSU 3接收24伏电压并且设有其自己的集成CPU，该CPU执行用于控制超声波的特定指令。
例如，CPU被配置为从集成在控制板6'中并与其连接的模数转换器接收数据，特别是为了评估生成的超声波与标称频率的实际频率偏差、输出电流和输出电压的幅度及其时序关系。更具体地，输入到模数转换器的数据是例如来自手持机5或系统的其他组件的反馈数据。因此，CPU能够从手持机5接收电压和电流数据以跟踪其操作频率并因此检查超声波的正确生成。根据下面进一步描述的方法，该CPU被构造和配置为还检查压电换能器和与手持机5相关联的工具T的状态。作为本发明的非限制性示例，控制板6'的CPU可以是ARMCortex处理器。
此外，控制板6'的CPU可操作地连接到PWM控制器(图中未示出)，其也集成在控制板6'中并适于管理相移PWM信号，从该相移PWM信号生成激活信号，然后这些激活信号被电源板用于生成超声波，下面将进行进一步描述。
在本发明的实施例中，模数转换器和PWM控制器被集成在ARM Cortex处理器中并且形成用于管理超声波的相同控制回路的一部分，所述控制回路由如上所述的CPU管理。
控制板6'还包括适于从PSU 3接收DC电压(特别是24伏DC电压)的电源输入端。该电源输入端设有机械元件，确保防止控制板6'的潜在振动。此外，控制板6'的电源输入端还提供对高频干扰分量的过滤，以提高系统的性能。
控制板6'还包括用于与手持机5进行数据通信的部分，使得后者能够与系统1交互。具体地，控制板6'包括用于与手持机5通信的一系列I/O端口。与手持机5的通信通过使用RS485标准的通信缓冲器来管理，并且根据本发明的优选实施例，通过通信电路来执行，下面将进行描述。
根据本发明的系统1还包括作为输出产生用于生成超声波的高压信号的模块。具体地，根据本发明的系统1包括至少一个电源板7，该电源板连接到控制单元6并且适于从其接收一系列信号(例如四个PWM信号)并且基于这些信号生成具有适合发送到手持机5以生成超声波的功率的信号。
电源板7从PSU 3接收24伏和48伏供电并与控制单元6通信，如上所述。
因此，电源板7包括能够生成适合生成超声波的信号并将其发送到手持机5的压电换能器的模块。
此外，电源板7设有自己的CPU，能够独立管理其操作并控制超声波的生成。例如，该CPU适于生成用于驱动电源板7的那些特别为生成超声波而设计的组件的逻辑信号。
集成在电源板7中的CPU还从手持机5接收数据以进行识别，并且能够基于来自集成在电源板7中的温度传感器的数据来管理用于控制电源板的温度的系统。
优选地，系统1包括连接到两个对应输出通道的一对电源板7，其中，在系统1的操作期间，这些输出通道中只有一个被控制单元6激活。还指出，虽然根据本发明的系统优选地具有两个电源板7，但是根据要求和/或情况可以提供任意数量的电源板。因为第二附加电源板7在操作期间提供可用的第二输出，所以第二附加电源板的存在确保了系统更高的安全性和效率。
此外，根据本发明的系统1包括连接模块13，其能够连接到手持机5，特别是能够实现手持机5和控制单元6之间的连接，以及手持机5和电源板7之间的连接。因此，每个电源板7优选地布置在控制单元6和连接模块13之间。
连接模块13适于向手持机5传输数据和其操作所需的电力两者，并且包括使得该手持机5能够与系统1物理连接的插座。
手持机5通过电缆(图中未示出)连接到系统1的连接模块13，这实现了数据和电力两者的传输。该电缆包括具有四个极的连接器，其中两个用于传输用于生成超声波的信号(特别是两个高压信号，例如600V)，其中一个用于为手持机供电，以及一个用于数据传输，该电缆包含外部硅胶护套。还提供了两个屏蔽编织层，用于传输参考电位，包括接地保护和通信总线。
连接模块13包括连接到用于连接手持机5的插座的通信电路(或通信接口)。连接模块13的通信电路从电源板7接收用于生成超声波的高功率信号并将其传输到手持机5，并且其还连接到控制单元6，特别是连接到控制板6'，以便发送/接收数据和接收24V供电。通信电路还设有自己的CPU，用于管理与手持机5的数据通信，所述通信使用RS485标准来执行。
换言之，控制单元6能够通过连接模块13的通信电路与手持机5通信，例如以便识别手持机本身、接收其激活信号或检查超声波的频率，该通信电路设有自己的RS485收发器，用于与所述手持机5持续通信。
类似地，电源板7通过通信模块13的特殊电路向手持机5发送用于生成超声波的高压信号，所述电路例如布置在通信电路旁边并设有用于隔离高达600V的标称电压的模块，以便不干扰通信电路的通信总线，所述屏蔽与手持机的通信电路分离。
通信总线也可以仅用于数据通信，优选地通过RS485收发器进行，如上所述。
手持机5具有包括与连接模块13的通信电路类似并与之通信的电路的架构。具体地，手持机5还设有通信电路(例如包括微处理器)，该通信电路又包括包含对进行识别有用的所有信息的存储器单元(例如EEPROM存储器)。例如，手持机5的存储器单元可以包括其序列号，一旦该手持机5连接，该序列号就被传送到系统1的控制单元6，从而立即识别手持机。该电路还包括温度传感器、用于驱动指示系统的状态的LED的模块以及(在优选实施例中)用于进行激活的霍尔效应传感器，控制单元6被配置为从这些传感器接收数据。
控制单元6因此被配置为与集成在手持机5中的该通信电路通信并从其接收数据，所述通信经由连接模块13的通信电路进行，如上所述。本质上，驱动系统1为手持机5供电(经由连接模块13的电路)并且其特征在于与所述手持机进行双路(双向)数据交换。
此外，控制板6'在操作中耦合到适于存储系统1的数据的存储器单元MEM。具体地，存储器单元MEM包括在控制单元6中并且连接到控制板6'以保持存储针对不同类型操作的所有操作参数，诸如用于骨接合剂去除操作的操作参数或用于截骨术操作的操作参数。
甚至更具体地，存储器单元MEM包括在控制单元6的计算机化单元8中，该计算机化单元8与控制板6'进行数据和电力通信并且支持管理系统1的所有功能和逻辑的软件。控制板6'负责管理计算机化单元8和电源板7之间的通信。根据上述架构，计算机化单元8包括系统软件，而控制板6'包括固件。控制板6'和计算机化单元8通过RS485标准彼此通信。显然，如上所述，所描述的架构并不限制本发明的范围，并且可以根据特定要求和/或情况使用其他类型的架构。
存储器单元MEM包含数据矩阵，该数据矩阵包括与手持机和可以与手持机相关联的工具有关的所有信息，其中，所有操作参数和预期操作状况与可以选择的每个操作模式相关联。如下文将详细描述的，根据本发明的系统1使得操作者能够选择期望的操作模式并自动设置针对该模式存储的参数，由此连接到手持机的给定工具与所述模式相对应。
有利地，根据本发明，控制单元6被配置为向手持机5发送信号Sg1并从其接收对已发送的所述信号Sg1的响应Sg2。
具体地，当执行包含在存储器单元MEM中的软件的指令时，控制板6'向手持机5的压电换能器发送信号Sg1(该信号可以被限定为低功率激励信号)，并且测量响应Sg2，目的是基于从手持机5接收的所述响应Sg2来检查超声波装置的操作状况(或操作状态)。
发送到手持机5的信号Sg1具体为频率在给定频率范围内从最小频率fmin到最大频率fmax可变的信号，如图2所示。显然，所选频率范围可以根据应用而变化。
甚至更具体地，选择频率范围[fmin，fmax](因此其表示手持机5和与之相关联的任何工具T的扫描范围)，使得工具T的预期谐振和反谐振频率落入该扫描范围(例如可以在25到35kHz之间)内。通过工具T对可变频率信号Sg1的响应的数值模拟来预先确定谐振和反谐振频率。因此，信号Sg1是宽带、低功率激励信号(具有在相关频谱内可变的频率)，因此即使在手持机或电缆出现故障的情况下也不是破坏性的。此外，信号Sg1优选地为正弦电压信号，其幅度被限制在由最小幅度Vmin和最大幅度Vmax之间所限定的范围内，如图2所示。还指出，虽然手持机/工具系统具有多个谐振频率，但是扫描范围使得仅识别一个纵向谐振(和反谐振)频率。
更具体地，本发明的系统1使得通过控制单元6和前述信号Sg1，能够检查超声波系统的多个操作状况，包括以下中的至少一个：手持机5的压电换能器的状态、与手持机5相关联的工具T的类型和/或所述工具T的状态。在本发明的上下文中，特定操作模式例如是要执行的操作的类型，而“操作状况”被理解为意味着例如手持机的状态或与之相关联的工具的类型，所述操作状况借助于信号Sg1和响应Sg2来检查并与所选特定操作模式的预期值进行比较。尤其有趣的地方在于，因为根据本发明，单个手持机5用于所有类型的操作，所以针对操作者获得了最佳反馈。
发送到手持机5的信号Sg1相同，用于评估压电换能器的状态(即用于评估未连接工具T的手持机5的响应)和用于评估连接工具T的手持机5，还用于检查连接质量。
在频率扫描期间，驱动系统1被配置为基于响应Sg2来连续测量吸收的电流和电势。在本发明的实施例中，分别已知电压V和电流I的时序变化V(t)和I(t)，驱动系统1被配置为通过中央单元6来计算作为系统时间的函数的阻抗(以本领域已知的方式)Z(t)。这样，已知作为时间的函数的信号的频率变化f(t)，能够创建曲线图[f(t)，Z(t)]，其表示所谓的系统的阻抗曲线。换言之，借助于响应信号Sg2，能够计算系统的阻抗曲线，即作为扫描频率的函数的阻抗，如图2所示，从而提供系统的频率响应。
例如，当扫描包括手持机5和工具T的系统时，如图2所示，由于纵向谐振和反谐振(即在机械系统中传播的纵向变形)，所以阻抗曲线显示出两个特征峰值：第一峰值标识谐振频率fr(其最小值)，而第二峰值标识反谐振频率fAR(其最大值)。除了上述值之外，还能够从一阶和二阶导数Z'(f)和Z”(f)的特定表现中获得表征信息。每个手持机-工具系统都有自己的特征阻抗曲线，使得不同的工具，由于它们的形状因数(通常它们窄且细长)，基本上修改了阻抗曲线，因此由它们自身的特定曲线表征，使得可以通过对所述阻抗曲线的分析来自动识别连接到手持机5的工具的类型或类别，下面将进行说明。
阻抗曲线的分析还使得能够确定压电系统的状态，尤其是能够检测手持机-工具系统的机械组件中的任何破损。
相反，手持机5本身不具有这样的特征阻抗曲线。
在由控制单元6检查的操作状况是手持机5的压电换能器的状态的情况下(也因此当工具T与手持机不相关联时)，信号Sg1如上限定，并且手持机5对该发送的信号Sg1的响应Sg2对应于压电换能器的频率响应曲线，即对应于在没有工具T的情况下单独评估的手持机的特征响应(再次为阻抗曲线的形式)，从而提供对该换能器的状态的指示。因此，在没有工具T与手持机5相关联时测量的压电换能器的频率响应曲线表示包括压电换能器以及整个机械放大和传输系统的超声波生成系统的基本模型。它在正常工作的压电换能器的发射频率(例如，约28.350kHz)处具有峰值。
因此，在本发明的上下文中，术语“频率响应”总是指示被可变频率电压施加应力的系统的阻抗的变化。显然，如果情况需要，则可以在激励之后计算等效于阻抗的其他物理参数。
存储器单元MEM包括与压电换能器的最佳频率响应曲线相关的数据，从而能够通过在测量的实际曲线和存储的预期曲线之间进行比较来检查该换能器的状态，下面将进行更详细地描述。
如上所述，在工具T与手持机5相关联的情况下(并因此在控制单元6检查与手持机5相关联的工具T的类型或该工具的状态的情况下)，手持机5对发送的信号Sg1的响应根据所连接的工具T的类型而变化，这是因为工具的不同形式导致不同的响应，尤其是不同的谐振。
具体地，响应于发送检查信号Sg1(与用于手持机5自己的信号相同)，控制单元6被配置为测量工具T在频率在如先前所限定的频率范围内变化时的特征阻抗曲线，所述阻抗曲线对于每个工具T或通常对于工具T的每个类别都是唯一的。
因此，驱动系统1被配置为通过执行与存储的数据的比较(尤其是比较谐振频率)来识别工具T。
在这种情况下，存储器单元MEM包括与阻抗曲线相关的数据，该阻抗曲线是可以与手持机5相关联的所有工具T的频率的函数，并且控制单元6被配置为将测量的响应曲线与针对给定工具存储的预期响应曲线进行比较，该给定工具与由操作者选择的操作模式相关联。
通常，由控制单元6进行的比较使得能够检查超声波系统的设置的正确性，并且在测量值与预期值不符的情况下生成报错信号，从而提高系统的效率、可靠性和安全性。
甚至更具体地，系统的响应信号Sg2的评估在整个扫描范围内进行，限定具有在0.1Hz和20Hz之间可变的频率步长的数据向量(并且因此限定针对频带的每个频率具有模数和相位的多维向量)。上述评估基于预期向量与根据响应Sg2限定的向量之间的距离的计算(因此不仅仅基于谐振频率的单维值)。
换言之，优选地，不仅通过比较谐振频率值与针对该工具的预期值，而且还通过比较(借助分类和聚类)工具T的整个阻抗曲线与存储的类似工具的参考曲线的集合(或“集群”)来执行对与手持机相关联的工具的检查。因此，控制单元6被配置为实现考虑到阻抗曲线的不同数学特征(形式、最大值、最小值、一阶导数、二阶导数等)的多维比较。显然，上述比较也至少间接地涉及谐振频率和反谐振频率之间的比较。因此，尤其是借助于机器学习或人工智能技术，利用表征特定于每个手持机-工具组合的预期表现的参考模型(先前分类的阻抗曲线的集合)，控制单元实施的算法使得能够比较整个阻抗曲线的数学特征(谐振频率和反谐振频率的值、一阶、二阶和三阶导数等)。
如果测量值与已存储的预期值不匹配，则控制单元6报错。
驱动系统1被配置为通过来自为手持机5供电的电压和电流向量的反馈来提供响应信号Sg2，其被适当地调节并与驱动系统1的输出电流隔离，这通过两个电流屏障(均用于电压反馈和电流反馈)将发送到模数转换器的信号与发送到压电换能器的信号电分离。隔离屏障使用磁场的传输将高压初级电路与次级测量电路分离，并且使得不改变所生成的相应电压和电流向量之间的相位关系。屏障的次级电路的电压和电流反馈经宽带、线性、差分放大器调节后应用于模拟电路，以提取原始参数的有效值和功率因数，然后应用于模数转换器的模拟采样电路。
如上所述，根据本发明，系统1使得操作者能够从存储在存储器单元MEM中的多个操作模式中选择期望的操作模式，每个操作模式对应于与手持机5相关联的特定工具T。
就此而言，根据本发明的系统1包括用户界面9，其被配置为能够输入和显示操作参数或者从操作参数已被预先存储在存储器单元MEM中的多个操作模式中选择期望的操作模式，因此所述用户界面9实现与系统的直接交互。基于由操作者通过用户界面9输入的设置，控制单元6为电源板7设置最合适的输入/输出。
优选地，用户界面9是触摸屏界面，但是其他方案显然落入本发明的范围内。
用户界面9的操作由计算机化单元8控制，并且图3示出根据本发明的实施例的这种界面的示例。
具体地，用户界面9使得最初向操作者显示要选择的多个操作模式，并且一旦选择了期望的模式，对应的操作参数就被自动设置。此时，操作者能够选择激活(例如通过按下给定按钮)检查手持机5和/或与其相关联的工具T的状态的功能(即操作状况检查)，其中，控制单元6被配置为生成控制信号Sg1并且将接收的响应Sg2与存储在存储器单元MEM中的信息进行比较，如上所述。根据本发明的实施例，也可以在每次激活系统时自动执行对系统的状态的检查。以这种方式，可以手动或自动地或在用户界面9的确认请求之后，例如在工具T已经与手持机5相关联之后，执行检查。
如图3所示，在测量的响应与预期响应不同的情况下，中央单元6生成报错信号并转换为报错消息通过用户界面9显示。
再次参考图1，还提供声音信号模块12(诸如扬声器)，所述模块12能够通知操作者任何错误或危险情况。
此外，需要指出，当工具T与手持机5相关联时，手持机5对输入信号Sg1的响应Sg2由压电换能器带来的效果和工具T的存在带来的效果的组合决定，并且因此，压电换能器的任何劣化都会导致工具的特征响应偏离预期响应。
有利地，控制单元6还被配置为区分压电换能器引起的响应和所使用的工具T的类型引起的响应。
控制单元6实际上能够实施自动学习过程，其利用机器学习和/或人工智能技术。具体地，学习过程基于分类和聚类。以此方式，通过机器学习过程，控制单元6能够处理来自手持机5的响应Sg2，以确定响应在多大程度上是由压电换能器的劣化引起的。这是尤其有利的，因为压电换能器的响应的变化(例如由于老化)可能导致与手持机5相关联的工具T的错误识别。
以此方式，能够方便地以高效且可靠的方式确定安装在手持机5上的工具T是否有效地对应于所选择的操作模式。
控制单元6还能够通过对手持机5的频率响应的分析来检查工具T的状态，例如检查是否存在导致响应变化的任何裂缝。
此外，已知在超声波系统的操作期间，与手持机5相关联的工具T的温度以及处理区域的温度可以达到较高水平，这对器械和患者具有潜在危险。为此，根据本发明的手持机5包括用于冷却介质循环的管道，该冷却介质在工具处供应并且因此在患者的治疗区域处供应。
冷却介质(通常由生理溶液组成)的流动通过蠕动容积泵10来确保，其包括在驱动系统1的壳体2中并且能够控制和计量冷却介质的流速。
泵10由致动器11(诸如脚踏开关)操作，该致动器11连接到中央单元6，尤其是连接到控制板6'并且向所述控制板6'发送激活信号。响应于从致动器11接收的启动信号，控制板6'转而向泵10发送激活信号，因此泵10能够经由与手持机5的管道连接的管道14将冷却流体输送到手持机5。因此，泵10的操作由控制板6'控制，控制板能够与其通信。
通过一系列穿过泵10的导管，能够将冷却介质容器(其可以位于系统1的壳体2的外部)连接到系统1的管道14和手持机5，后者能够将正确量的冷却介质输送到处理区域。
再次，为了减少与处理区域的温度升高相关联的问题，控制单元6被配置为对手持机5的操作计时。更具体地，以预定间隔(例如每30秒)将压电换能器的激活中断预定的时间段(通常为几秒)，同时中断向超声波系统供电。该操作模式确保温度的间接控制，并且使操作者有时间清洁和检查工作区域。此外，这种功能特征能够克服与皮层骨钻孔有关的问题。
在任何情况下，如上所示，手持机5在内部设有温度传感器，并且控制单元6能够接收与手持机5内部达到的温度相关的数据。在装置损坏风险的情况下，控制单元6能够在给定时间段(例如几秒)内中断供电，并且因此中断由电源板7发射的高功率信号的生成。
此外，与手持机5通信的控制单元6能够通知外科医生在操作期间施加的任何过度压力和/或工具的弯曲。这种反馈确保仪器的最佳使用，同时保护压电换能器和工具T，从而提高操作者和患者的安全性。
此外，根据本发明的系统1能够在工具T接触具有不同密度的材料(诸如钢、钛等)时，警告操作者(例如通过用户界面9上显示的消息或声音信号模块12发出的声音信号)。为此，控制单元6被配置为实施反馈控制，例如基于对超声波谐振频率的测量，其可以根据工具T接触的材料而变化。
如上所述，根据本发明，方便地，驱动系统1使得相同的手持机5可以用于骨接合剂去除操作和截骨术操作；在这种情况下，只需要选择适合于要执行的操作的工具T和手持机5并将其相关联。因此，根据本发明的系统1能够针对不同类型的操作驱动同一压电换能器，从而提供不同的功率并管理不同的频率以便与两种应用兼容。压电换能器的功率的调节由控制单元6来管理，从而确保系统的极大灵活性。
因此，如上所述，通过频率扫描来检查与手持机5相关联的工具T的正确性的可能性是尤其有利的，这是因为用于骨接合剂去除的工具和用于执行截骨术操作的工具都可以与同一手持机相关联。
现在参考图4，本发明还涉及一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的方法，所述方法包括通过专门设计的连接模块13在超声波装置的控制单元6和手持机5之间建立连接的预备步骤。
然后，该方法包括向手持机5发送信号Sg1的步骤和从手持机5接收对所述发送的信号Sg1的响应Sg2的后续步骤。
最后，有利地，基于从手持机5接收的响应，执行检查超声波装置的操作状况的步骤。
具体地，根据本发明的方法，检查步骤包括向手持机5发送如上限定的可变频率测试信号的步骤，所述步骤之后是比较压电换能器的频率响应曲线与先前存储的信息的步骤。以此方式，当没有工具与手持机5相关联时，能够检查压电换能器的状态并因此检查所述手持机5的状况。
方便地，该方法还包括经由合适的用户界面9从存储的多个操作模式中选择操作模式的步骤。例如，能够在骨接合剂去除模式和截骨术操作模式之间进行选择。一旦选择了期望的模式，所有操作参数都被自动设置，操作者能够进行操作。显然，有必要将用于所选模式的适当工具T与手持机5相关联，所述手持机5包括用于每种类型的工具的单螺纹连接，因此能够用于骨接合剂去除操作和截骨术操作。
更方便的是，该方法包括用于检查与手持机5相关联的工具T或工具的类别是否对应于所选操作模式的步骤。
更具体地，该检查首先包括向手持机5发送上面限定的信号Sg1，然后包括测量工具T响应于发送的信号在频率变化时的特征阻抗曲线的步骤。
此外，该方法包括在来自手持机5的响应不同于预期响应的情况下生成并显示报错信号的步骤。
具体地，如果测量的响应不同于先前存储的预期响应，则涉及生成和显示报错信号的步骤。具体地，至少执行测量的谐振频率和预期频率的比较(通常执行数据向量的比较，如上所述)，并且如果测量的频率在预期频率附近的预定范围之外，则生成报错信号。
此外，上述显示报错信号的步骤还包括指示对所述报错的解决方案，以尽可能最有效的方式帮助操作者。实际上，在设置期间和报错解决期间都为操作者提供帮助消息，从而显著改善系统与操作者之间的交互。
如果相反没有生成报错，则启动手持机5的操作，因此所述手持机5准备好例如在操作者按下给定控制按钮之后生成超声波。
还提供温度控制步骤：具体地能够检查手持机5内部的温度是否高于给定阈值。
此外，还提供检查与手持机5相关联的工具T是否与各种材料接触的步骤，这具体是基于对超声波谐振频率的变化的测量。
总之，本发明提供给超声波装置配备驱动/控制系统，该驱动/控制系统被配置为向装置的手持机发送输入信号并测量手持机和/或与手持机相关联的工具对该输入信号的特征响应，将该响应与先前存储在驱动系统的存储器中的预期响应进行比较。以这种方式，本发明实现手持机和驱动系统之间的数据交换，为操作者提供有用的信息，诸如关于手持机的状态和与其相关联的工具的类型和/或其状态的反馈。
有利地，根据本发明，所提出的系统被配置为与手持机双向交换数据，并且在适当的检查之后，向操作者提供多个反馈，从而提高效率并且同时提高超声波装置的安全性。
事实上，一旦选择了要执行的操作，首先指导操作者选择适合所选操作的工具，然后系统通过执行合适的计算机程序的指令来实现评估所选工具是否对应于所选模式，同时评估压电换能器的状态，从而对超声波系统进行全面诊断。通过利用根据本发明的系统的控制单元执行对手持机的频率扫描，实时且非常快速地执行该诊断。
因此，所提出的系统有效地解决了本发明的技术问题，显著改善了超声波系统与操作者之间的交互，提供了关于所述超声波系统的操作状况的即时反馈。
还能够针对每种类型的操作使用单个手持机，根据本发明的系统实现与所用工具的类型相关的反馈，因此能够指示与手持机相关联的工具是否正确。
最后，还涉及测量工具的状态的可能性，其目的也是提高超声波装置的性能和安全性。
显然，本领域的技术人员为了满足特定的需要和规格，可以对上述接触探针和测试头进行多种改变和修改，所有这些改变和修改都包括在由所附权利要求书限定的本发明的保护范围内。

Claims (22)

1.一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的系统(1)，包括：
控制单元(6)；
存储器单元(MEM)；以及
连接模块(13)，用于将所述控制单元(6)和所述超声波装置的手持机(5)连接在一起，
所述控制单元(6)被配置为：
向所述手持机(5)发送信号(Sg1)；
从所述手持机接收对发送的所述信号(Sg1)的响应(Sg2)；并且
基于所述响应(Sg2)检查所述超声波装置的操作状况，
其中，发送的所述信号(Sg1)是在频率范围内频率可变的信号，并且
其中，基于所述响应(Sg2)，控制单元(6)被配置为计算表征所述超声波装置的频率响应的至少一个参数，所述参数是作为频率函数的阻抗变化，提供表示所述超声波装置的频率响应的阻抗曲线。
2.如权利要求1所述的系统(1)，其中，由所述控制单元(6)检查的超声波装置的操作状况包括所述手持机(5)的压电换能器的状态、与所述手持机(5)相关联的工具(T)的类型和/或所述工具(T)的状态的至少之一。
3.如权利要求1或2所述的系统(1)，其中：
所述控制单元(6)被配置为测量与所述手持机(5)相关联的工具(T)的阻抗，或者在所述工具(T)不与所述手持机(5)相关联的情况下测量所述手持机(5)的压电换能器在频率变化时的阻抗，并且其中
所述存储器单元(MEM)包括与和所述手持机(5)相关联的工具(T)的预期频率响应相关的数据和/或与所述手持机(5)的压电换能器的预期频率响应相关的数据，
所述控制单元(6)还被配置为将测量的阻抗曲线与存储在所述存储器单元(MEM)中的预期值进行比较。
4.如权利要求3所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)被配置为将测量的阻抗曲线的包括最大值、最小值、一阶导数和二阶导数的不同数学特征与先前已被存储的已知阻抗曲线的数学特征进行比较。
5.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)被配置为：
在所述存储器单元(MEM)中从存储的多个操作模式中选择操作模式；并且
在从所述手持机(5)接收的响应(Sg2)与和所选操作模式相关联的存储数据不对应的情况下报错。
6.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)适于实施采用机器学习和/或人工智能技术的自动学习过程。
7.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，包括用户界面(9)，所述用户界面被配置为实现以下至少之一：输入操作参数、显示操作参数、从操作参数先前已被存储在所述存储器单元(MEM)中的多个操作模式中选择操作模式。
8.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)被配置为与包括在所述手持机(5)中的电子单元通信并从所述电子单元接收数据。
9.如权利要求8所述的系统(1)，其中，所述数据至少包括所述手持机(5)的序列号。
10.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)包括彼此数据通信的控制板(6')和计算机化单元(8)，所述计算机化单元包括所述存储器单元(MEM)。
11.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，包括由致动器(11)操作并与所述控制单元(6)通信的泵(10)，用于将冷却流体输送到所述手持机(5)。
12.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，包括至少一个电源板(7)，所述电源板连接到所述控制单元(6)并且适于向所述手持机(5)发送适合于生成超声波的高功率信号。
13.如权利要求12所述的系统(1)，其中，所述连接模块(13)包括可操作地连接到所述电源板(7)和所述控制单元(6)的电路部分，用于将数据和电力传输到所述手持机(5)。
14.如前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述控制单元(6)被配置为基于操作模式设置所述频率范围。
15.一种超声波装置，包括：
如前述权利要求中任一项所述的用于驱动超声波装置的系统(1)；
连接到所述驱动系统(1)并与其进行操作通信的手持机(5)；以及
连接到所述手持机(5)的工具(T)。
16.如权利要求15所述的超声波装置，其中，所述驱动系统(1)和所述手持机(5)被配置为将超声波传输到工具(T)，以用于骨接合剂去除操作和截骨术操作两者，并且其中，所述控制单元(6)被配置为：
在存储器单元(MEM)中从存储的多个操作模式中选择操作模式；并且
在从所述手持机(5)接收的响应(Sg2)与和所述手持机相关联的工具(T)的预期响应不对应的情况下报错。
17.一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的方法，包括以下步骤：
至少建立所述超声波装置的控制单元(6)和手持机(5)之间的数据连接；
向所述手持机(5)发送信号(Sg1)；
从所述手持机接收对发送的所述信号(Sg1)的响应(Sg2)；以及
基于所述响应(Sg2)检查所述超声波装置的操作状况，
其中，所述发送步骤包括以在频率范围内频率可变的信号的形式向所述手持机(5)发送所述信号(Sg1)，并且其中，所述检查步骤包括计算指示所述超声波装置的频率响应的至少一个参数，所述检查步骤还包括将所述频率响应与存储的数据进行比较的步骤，并且其中，所述计算的参数是作为所述信号(Sg1)的频率函数的阻抗变化，提供表示所述超声波装置的频率响应的阻抗曲线。
18.如权利要求17所述的方法，包括在测量的频率响应不同于存储的预期响应的情况下生成报错信号的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中，生成报错信号的步骤还包括显示针对所述报错的解决方案。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，包括从存储的多个操作模式中选择操作模式的步骤，其中，所述检查步骤包括检查与所述手持机(5)相关联的工具(T)是否对应于所选操作模式，并且其中，所述检查步骤包括将测量的阻抗曲线的不同数学特征与存储的阻抗曲线的数学特征进行比较。
21.如权利要求17至20中任一项所述的方法，包括通过所述控制单元(6)检查所述手持机(5)内部的温度是否高于阈值的步骤。
22.一种驱动用于骨接合剂去除操作和/或截骨术操作的超声波装置的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括适于根据权利要求17至21中任一项所述的方法控制所述超声波装置的代码部分。
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