CN113768581A - 一种用于泌尿系统超声设备中的多频率超声发生系统 - Google Patents

Abstract

本公开内容公开了一种用于泌尿系统超声设备中的多频率超声发生系统，其包括一信号采集单元、一信号发生单元和一微处理单元，所述信号发生单元中包括一控制开关模块，所述控制开关模块接收所述微处理单元的指令；以及与所述控制开关模块电连接的N个并联的激励电路，且所述信号发生单元集成在单一的芯片上；所述N个并联的激励电路能生成N个频率，所述N为大等于2的整数；所述生成的频率中至少包含55‑70kHz的频率用于泌尿系统碎石。本公开内容实现了主机功能集成化，实现了高低频输出模式，减小设备体积，特别是实现了泌尿系统的高频碎石成功率，具有广阔的医疗应用前景。

Description

一种用于泌尿系统超声设备中的多频率超声发生系统

技术领域

本公开内容涉及一种多频率超声发生系统，更具体而言，涉及一种用于泌尿超声设备中的多频超声发生系统。

背景技术

近年来，治疗泌尿系结石的手术以介入式微创手术为主，在此类的微创手术中，碎石机中常用超声波作为能量源。现有采用超声波作为能量源的输尿管碎石机中，使用的超声波频率通常不高于 25kHz，而且现有的输尿管碎石中，一台超声发生器(主机)通常仅仅输出一个频率，并配置一个固定频率的手术器械。

针对输尿管超声碎石装置功能单一、频率单一的技术问题以及手术中对主机功能集成化的需求，本领域技术人员对其进行了多种尝试。

现有技术1中如CN112244939A公开了一种输尿管超声碎石装置，图1示出了在一个输尿管超声碎石装置中复合了探测和碎石及功率可变一体化的输尿管碎石机。

现有技术2中如CN207236840U公开了一种输尿管超声碎石装置，图2示出了所述碎石装置的所述碎石组件进一步包括气压弹道和超声换能器，能够针对结石的多样性，克服单一碎石方式的局限性，实现对所有成分结石的高效有效治疗，以一台设备满足不同结石的碎石要求。

现有技术中如提供了一种超声碎石装置，将两种超声频率发生模块集成在一台主机中。一种频率用于进行碎石，一种频率用于超声切割和止血。然而现有的技术中主机的各个频率模块通常分别设置且需要配置不同的启动开关，因此导致不同的频率对应不同的功能电路板，如此导致一方面需要较大的内部容置空间导致主机设备体积较大，一方面由于主机上存在多个插孔，会存在执行设备(如碎石设备)与插孔不匹配的情况，造成无效输出和破坏插孔的现象。

更突出的是目前输尿管碎石设备中使用的碎石频率较低，再辅以探针振幅大、探针直径大的特点，一方面会造成输尿管侧壁损伤；另一方面输尿管中的结石会基于探针过大的振幅而容易发生滑移现象，从而进一步导致超声碎石在输尿管结石手术中的碎石成功率较低。因此设计一种提高在输尿管结石手术中的碎石成功率以及具有复合功能和频率可调的输尿管超声碎石设备是期望的。

本公开内容针对上述技术问题，设计出了一种高效的超声碎石设备，一方面改变本领域中频率选择上的思维定式，协同探针振幅的设定，以及通过对超声碎石设备的部件的结构及参数的改进，极大提高了对输尿管中的结石进行碎石处理的成功率；另一方面，在设备中集成了多种功能，实现了高低频输出模式，可以根据不同碎石场景，选配最佳的碎石方案；再一方面，可以对手术设备进行自动识别，自动匹配输出频率，有效避免误操作的可能，提高了手术效率，具有广阔的医疗应用前景。

发明内容

在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开内容的一方面提供一种用于泌尿系统超声设备中的多频率超声发生系统，其包括一信号采集单元、一信号发生单元和一微处理单元，所述信号采集单元与所述信号发生单元各自与所述微处理单元电连接；所述信号发生单元中包括一控制开关模块，所述控制开关模块接收所述微处理单元的指令；以及与所述控制开关模块电连接的N个并联的激励电路，且所述信号发生单元集成在单一的芯片上；所述N个并联的激励电路能生成N个频率，所述N为大等于2 的整数；所述生成的频率中至少包含55-70kHz的频率用于泌尿系统碎石。

进一步的，其中所述生成的频率中至少包含25kHz和55kHz的频率。

进一步的，其中所述激励电路具有频率自适应调整子电路。

进一步的，其中所述信号发生单元中还具有一与所述N个激励电路并联的自动探测激励电路。

进一步的，其中所述信号采集模块中包括依次连接的信号通信模块、AD转换模块和调制模块。

进一步的，其中所述信号采集单元、信号发生单元和所述微处理单元集成在一个电路板上。

进一步的，其中所述信号采集单元收集所述泌尿系统超声设备中的执行单元的反馈信号。

进一步的，其中所述信号发生单元通过公用的多频率输出端口提供不同的工作频率。

根据本公开内容的一方面提供一种泌尿系统超声设备，具有主机模块、换能器模块和超声执行模块，所述主机模块具有如上所述的多频率超声发生系统。

进一步的，其中所述换能器模块是发射频率能切换的多频换能器。

进一步的，其中所述输出频率为50-70kHz，所述振幅范围为25- 50μm。

本公开内容的方案至少能有助于实现如下效果之一：极大提高了对输尿管中的结石进行碎石处理的成功率；在单机中复合多种功能，实现了高低频输出模式；能进行执行设备自动识别，自动匹配输出频率，有效避免误操作的可能，提高了手术效率。

附图说明

参照附图下面说明本公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。

图1示出了现有技术1中的输尿管超声碎石装置

图2示出了现有技术2中的输尿管超声碎石装置

图3示出了本公开超声设备的整体结构/外观示意图；

图4示出了本公开实施方案一中多频率发生系统的结构框架图

图5示出了本公开实施方案一中多频率发生系统的工作流程图

图6示出了本公开实施方案二中多频率发生系统的结构框架图

图7示出了本公开实施方案二中多频率发生系统的工作流程图

具体实施方式

在下文中将结合附图对本公开内容的示例性公开内容进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实现本公开内容的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实现本公开内容的过程中可以做出很多特定于本公开内容的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着本公开内容的不同而有所改变。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开内容，在附图中仅仅示出了与根据本公开内容的方案密切相关的器械结构，而省略了与本公开内容关系不大的其他细节。

应理解的是，本公开内容并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。本文中，在可行的情况下，特征可替换或借用、以及可省略一个或多个特征。

图3示出本公开内容输尿管超声设备的整体结构/外观。所述超声碎石设备包括主机模块1、换能器2(含超声换能单元和变幅杆(未示出))和超声探针3(作为超声外科执行器械)。其中主机模块1与所述换能器2电性连接，将电信号转换成高频振荡信号传递给超声碎石设备中的换能器模块2，所述换能器模块2中的超声换能单元引发所述变幅杆高频机械振动，且所述变幅杆与所述超声探针3物理连接，经过变幅杆的作用把所述机械振动的振幅放大，最后把放大的机械振动传递到探针部分，以实现碎石的目的。

进一步的，所述换能器是发射频率可切换的多频换能器，其频率模式由所述主机模块控制，示例性的，所述多频换能器中在设计时可将频率低的换能器环绕所述频率高的换能器设置。

所述换能器模块内部还设置有变幅杆，由于换能器的功能是将从主机模块输出的电功率转换成机械功率再传递出去，其工作时通过驱动电路对它施加交流高电压，换能器的压电陶瓷片在交变电池的作用下做同步伸缩变形，形成了换能器的纵向振动，从而带动所述变幅杆的振动。

进一步的，所述变幅杆中为二阶或三阶变幅杆，所述二阶或三阶变幅杆的各部分的形状中至少一部分可以是非圆柱体，示例性的，所述非圆柱体可以选自葫芦体、沙漏体或锥台体。将所述二/三阶变幅杆的各部分设置成复合形状的组合。例如将所述二阶变幅杆的所述第一、第二和第三部分的形状选自所述圆柱体、葫芦体或沙漏体，只要其中至少一部分与其他两部分的形状不同即可。具有复合形状的二/三阶变幅杆在变幅系数以及超声频率衰减方面都更均衡，优选的所述复合形状的二/三阶变幅杆中至少一部分为葫芦体，也就是说所述部分的变幅杆中具有输入端面和输出端面，以及所述部分的变幅杆中还具有小于所述输入端面和输出端面面积的一横截面，以及具有大于所述输入端面和输出端面面积的另一横截面。

超声探针3至少包括与所述换能器紧密配合连接的细长的探针主体部。所述探针主体部具有远离所述换能器的第一端和靠近所述换能器的第二端，示例性的，所述探针主体部可由长约50-70cm，直径为0.8-1.5mm的超声波传导材料构成，如不锈钢或者钛合金材质。其中所述探针主体的长度通常设置得比所述操作通道长约10cm 左右，以方便在操作中可以能方便的实现对近端和远端的操作。

应当指出的是，在本领域中通常泌尿系统超声碎石设备中的超声频率均为25kHz以下，而55kHz的工作频率则用于组织切割和止血目的，目前尚未发现有相关医疗设备采用50kHz以上的频率来进行输尿管的碎石。本公开内容中打破了本领域超声碎石时惯常选择的 25kHz频率，有目的地选择了50kHz以上的频率作为本公开内容的所述超声碎石设备的工作频率。本公开内容的超声碎石设备通过对频率参数的仔细研究，获得了预料不到的技术效果，并且在大量的体外碎石的试验中完成了碎石效果的验证。所述验证过程中将本领域超声碎石时惯常选择的25kHz频率作为与本公开内容的频率设定对比的参照频率。

首先，通过多组条件设置来验证本公开内容中所述超声碎石设备的碎石效果。不同频率下相同碎石效果所需的振幅设定列表如下：

表1：不同频率下相同碎石效果所需的振幅值

由表1中可知，在每一组中，不同的频率对应设定的振幅不同，随着频率的增加，所述振幅的数值逐渐减小，不同振幅和频率的设定推定达到的碎石效果相同。以第六组为例进行示意性说明，当采用超声频率为25kHz、振幅为80μm(下称比较例条件)时所达到的碎石效果，推定与频率为55kHz，振幅为16.53μm(下称条件一)时的碎石效果相同；以及推定与频率为70kHz，振幅为10.20μm(下称条件二)的碎石效果相同。

但在碎石效果验证中发现，上述各组高于参照频率25kHz的设定频率和对应设置的振幅大小在碎石验证中的效果还有待改进。以第六组为例，条件一和条件二的碎石效果并没有较比较例条件的碎石效果更优。具体体现在采用所述条件一和条件二进行碎石的过程中常常出现仅在结石的表面有部分粉末化的现象，而结石内部还依然没有任何变化的情形。由此可以认为采用条件一或条件二而进行碎石的过程中由于探针振幅小从而导致超声波的穿透力小，从而出现了仅仅在结石表面有部分粉末化的现象。

为进一步优化参数，在碎石过程中，发明人还尝试通过提高频率但不减少振幅的方式来改进碎石效果。具体而言，例如在条件一和条件二中在保持所述频率不变的情况下，将所述振幅都设置成比较例条件中所述的振幅大小，也就是说将条件一和条件二中的振幅都设置成80μm。在这种情况下发现碎石的速度会大大加快，但同时发现所述超声探针的所述探针主体部的折损率也大大增加，严重影响到所述超声碎石机的使用。上述的诸多条件及测试结果也许正是本领域中在超声碎石时不采用大于25kHz频率的原因所在。

为更好利用高频参数，发明人克服技术偏见，选择了大于25kHz 频率的工作频率，优化振幅参数，以及进一步配合前述分部件结构及其具体结构参数，尤其是配合设备中二阶和三阶变幅杆的设置，兼顾考虑超声探针的折损率以及碎石效果，设计出适合在所述输尿管中使用的超声碎石设备及其工作条件，突破了现有超声碎石的技术偏见。

具体而言，将所述工作频率设定为40-80kHz，优选为50-70kHz，以及将其振幅设置为25-50μm，优选为30-40μm。示例性的，在将频率调高至55kHz，超声探针的振幅为40μm时；或将频率调高至60kHz，超声探针的振幅为35μm时；或将频率调高至70kHz，超声探针的振幅为30μm时，一方面既可以保证超声碎石机的碎石速度较快，另一方面又能保证超声探针的折损率处于可以接受的范围内。

发明人分别采用频率25kHz/振幅80μm、频率55kHz/振幅40μm、频率60kHz/振幅35μm以及频率70kHz/振幅30μm的参数，以及针对直径为1.5mm、长度为600mm的超声探针进行多组耐久性测试，并根据多组测试的结果分别得到探针在不同参数下所对应的折损率，具体数据如表二所示：

表2：不同频率和振幅下超声探针的折损率

测试实验表明，使用频率55kHz/振幅40μm、频率60kHz/振幅 35μm以及频率70kHz/振幅30μm的参数进行碎石时，碎石速度都将快于使用频率25kHz/振幅80μm的参数进行碎石。同时，根据表2的数据可知，使用频率55kHz/振幅40μm、频率60kHz/振幅35μm 以及频率70kHz/振幅30μm的参数进行碎石时，超声探针的折损率相较于使用频率25kHz/振幅80μm的参数进行碎石时的折损率大大降低。

通过本公开内容中超声碎石设备的设置，在振幅减小的情况下，降低了超声探针对结石的作用力，从而有效避免了由于输尿管中的结石体积小，在使用频率25kHz/振幅80μm的现有超声碎石机进行碎石时经常会出现超声探针将结石推移的现象；以及本公开内容的超声碎石设备，也通过变幅杆的结构和参数的改进，结合所述超声频率的提高，使得所述超声频率被有效提高，导致超声探针的能量有效增大，从而在避免结石推移的情况下，具有足够的能量来击碎结石，同时还确保了探针的折损率，极大方便了超声碎石设备的使用。

为配合上述再输尿管超声碎石设备中选定的频率，本公开内容在所述主机模块中进行了相应的改进，以实现单机多功能。

所述主机模块1中包含具有多个并联激励电路的多频率发生系统，所述多频率发生系统至少具有一个激励电路用于产生40-80kHz 的频率输出。优选的，用于产生50-70kHz的频率输出。更优的，可以输出所述55kHz的固定频率。可以理解的是，所述多频率发生系统还可以提供不同的连接端口以实现将所述55kHz的固定频率用于实现输尿管内止血的功能，同时可以将所述55kHz固定频率适配于输尿管超声碎石探针3，用于输尿管结石的碎石。

进一步的，所述主机模块1中的所述多频率发生系统至少还具有一个激励电路用于产生小等于25kHz的频率输出，优选的输出包括25kHz的固定频率。所述25kHz固定频率可以适配不同的人体/ 动物体组织，以实现在同一超声碎石设备中能复合实现不同的碎石功能。示例性的，所述25kHz的固定频率适配于肾镜超声碎石探针，用于肾脏结石的碎石。

进一步的，所述主机模块1在提供连接超声器械的端口外，还可以配制其他的功能连接端口，所述功能连接端口可以是连接气弹碎石设备连接端口和/或高频电外科设备连接端口，从而实现多功能外科治疗设备一体化。

下面对具有多个并联激励电路的多频率发生系统做进一步的详细说明。

实施方案一

如图4所示，所述多频率发生系统包括一信号采集单元101、一信号发生单元102和一微处理单元103，其中采用单芯片集成结构，至少将所述信号发生单元102集成在一个芯片上。进一步的，将所述信号采集单元101、一信号发生单元102和一微处理单元103 集成在一个电路板上。

具体而言，所述微处理单元103示例性的可为FPGA控制芯片，其用于对各个单元进行控制。示例性的，所述微处理单元103对信号采集单元101、信号发生单元102进行控制，进而通过所述信号发生单元102生成多种频率信号。

所述信号采集单元101中包括信号通信模块，AD转换模块和调制模块。所述信号采集单元101用于接收反馈信号(回波信号)，经过滤波、模数信号转换、信号放大后再发送回处理后的信号。

所述信号发生单元102内包括一控制开关模块，所述控制开关模块接受指令以及控制N个并联的激励电路以产生特定的频率，N 为大等于2的整数，实际中可以根据需要增加至3个以上的并联激励电路，从而大大提升针对不同结石类型、碎石环境的适应性。所述激励电路各自具有频率自适应调整子电路。示例性的所述频率至少包括小等于25kHz,约50kHz和约55kHz的3种频率。

进一步可以理解的是，所述多频率发生系统还可以进一步具有存储模块、显示模块、供电模块和报警模块等。

所述多频发生系统的工作流程大致如图5如下:工作时，启动系统电源，将超声外科执行单元200(包括超声器械和换能器)连接到主机的频率输出端口上，人工选择/输入超声器械的类型、或功率等参数，所述微处理单元103接收到所述超声器械的类型后，根据连接到主机上的所述超声器械的类型，所述微处理单元103输出一控制指令到所述信号发生单元102。

所述信号发生单元102中的控制开关模块根据所述控制指令，选择与连接到主机上的所述超声器械适配的工作频率，再由对应的激励电路输出相应的频率到所述超声外科执行单元200，使得所述超声外科执行单元200开始工作。

所述超声外科执行单元200在开始工作的同时，将回波信号(例如机械信号)反馈到所述信号采集单元101中的调制模块，将所述机械信号调制为电模拟信号后，再对调制后的电模拟信号通过AD 转换模块进行滤波，模数转换和信号放大，再将处理得到的数字信号发送到所述信号通信模块，然后再从所述信号通信模块将处理后的数字信号发送到所述微处理单元103，实现对所述超声外科执行单元200工作模式的实时监测。

在存在偏差时所述微处理单元103通过指令信号指示信号发生单元102中的控制开关模块对所述激励电路启动频率自适应调整对所述激励电路信号进行对应的微调，从而确保所述超声外科执行单元200能在稳定、正确的频率下工作。

在存在错误时，所述微处理单元103通过指令信号指示报警模块发出如蜂鸣等提示信号，指示系统出错，以避免手术中错误操作。

可以理解的是，基于所述并联的N个激励电路和所述控制开关模块的选择作用，特别是将所述55kHz固定频率适配于输尿管超声碎石的设置，与现有所述主机上设置的单一的25kHz以下的输尿管碎石频率不同，所述多功能超声器械，能有效提高输尿管碎石的成功率。

进一步可以理解的是，在本公开内容的主机上可以仅仅设置一个多频率输出端口，与现有的具有不高于33kHz的N个不同的频率的复合超声设备不同，所述多功能超声器械，能实现设备的小型化，提高空间的利用率。

进一步的，所述一个多频率输出端口可以与本公开内容中的具有发射频率可切换的所述多频换能器配合，克服了现有的不同频率的需要配置多个换能器的模式，使得设备的体积进一步小型化。

实施方案二

实施方案二与所述实施方案一的区别仅在于：在所述实施技术方案一的基础上，如图2所示，在所述信号发生单元102中增加了自动探测激励电路，其用于自动识别接入的超声外科执行单元200 的超声谐振频率，以及自动适配对应的激励电路以输出超声激励信号，进而驱动所述外科执行单元。所述自动探测激励电路都自动识别功能有助于避免如实施方案一中所述的采用人工输入/选择接入的超声外科执行单元200类型时，输入或选择出错，进而导致后续的频率选择输出错误，影响设备的正常工作。

所述信号发生单元102内所述自动探测激励电路与多少N个激励电路并联连接且各自连接到所述控制开关模块。

所述多频发生系统的工作流程大致如下:工作时，启动系统电源，将超声外科执行单元200(包括超声器械和换能器)连接到主机的频率输出端口上，实现与所述自动探测激励电路的电连接。所述自动探测激励电路识别连接到主机的所述外科执行单元的超声谐振频率后，通过控制开关模块向所述微处理单元103发送对应的识别信号。所述微处理单元103接收到所述超声器械的类型的识别信号后，根据连接到主机上的所述超声器械的类型，发出一控制指令到所述信号发生单元102。

所述信号发生单元102中的控制开关模块根据所述控制指令，选择与连接到主机上的所述超声器械适配的工作频率，再由对应的激励电路输出相应的频率到所述超声外科执行单元200，使得所述超声外科执行单元200开始工作。

所述超声外科执行单元200在开始工作的同时，将回波信号(例如机械信号)反馈到所述信号采集单元101中的调制模块，将所述机械信号调制为电模拟信号后，再对调制后的电模拟信号通过AD 转换模块进行滤波，模数转换和信号放大，再将处理得到的数字信号发送到所述信号通信模块，然后再从所述信号通信模块将处理后的数字信号发送到所述微处理单元103，实现对所述超声外科执行单元200工作模式的实时监测。

在存在偏差时所述微处理单元103通过指令信号指示信号发生单元102中的控制开关模块对所述激励电路启动频率自适应调整对所述激励电路信号进行对应的微调，从而确保所述超声外科执行单元200能在稳定、正确的频率下工作。

在存在错误时，所述微处理单元103通过指令信号指示报警模块发出如蜂鸣等提示信号，指示系统出错，以避免手术中错误操作。

以上结合具体的设备结果和参数对本公开内容进行了详细描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (10)

1.一种用于泌尿系统超声设备中的多频率超声发生系统，其特征在于：所述多频率超声发生系统包括一信号采集单元、一信号发生单元和一微处理单元，所述信号采集单元与所述信号发生单元各自与所述微处理单元电连接；

所述信号发生单元中包括一控制开关模块，所述控制开关模块接收所述微处理单元的指令；

以及与所述控制开关模块电连接的N个并联的激励电路，且所述信号发生单元集成在单一的芯片上；

所述N个并联的激励电路能生成N个频率，所述N为大等于2的整数；所述生成的频率中至少包含55-70kHz的频率用于泌尿系统碎石。

2.如权利要求1所述的多频率超声发生系统，其中所述生成的频率中至少包含25kHz和55kHz的频率。

3.如权利要求1所述的多频率超声发生系统，其中所述激励电路具有频率自适应调整子电路。

4.如权利要求1-3中任一个所述的多频率超声发生系统，其中所述信号发生单元中还具有一与所述N个激励电路并联的自动探测激励电路。

5.如权利要求1-4中任一个所述的多频率超声发生系统，其中所述信号采集模块中包括依次连接的信号通信模块、AD转换模块和调制模块。

6.如权利要求1-5中任一个所述的多频率超声发生系统，其中所述信号采集单元、信号发生单元和所述微处理单元集成在一个电路板上。

7.如权利要求1-6中任一个所述的多频率超声发生系统，其中所述信号发生单元通过公用的多频率输出端口提供不同的工作频率。

8.一种泌尿系统超声设备，具有主机模块、换能器模块和超声执行模块，所述主机模块具有如权利要求1-7中所述的多频率超声发生系统。

9.如权利要求8所述的泌尿系统超声设备，其中所述换能器模块是发射频率能切换的多频换能器。

10.如权利要求8或9所述的泌尿系统超声设备，其中所述输出频率为50-70kHz，所述振幅范围为25-50μm。

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