CN114024466B - 一种理疗用超声驱动方法和超声治疗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种理疗用超声驱动方法，包括以下步骤：S1通过恒流供电的扫频模块向超声换能器输出连续变化的频率波形，采集超声头回馈的电流I，判断电流I的峰值，记录在电流I出现峰值时，扫频模块的输出频率A；S2以输出频率A驱动超声头工作；本发明还涉及一种超声治疗仪，通过扫频模块产生连续变化的频率波形输出，然后通过反馈模块采集电流I给主控模块，主控模块判断电流I的峰值，存储在电流I出现峰值时，此时扫频电路的输出频率A，并以输出频率A驱动超声头；能够以实际的谐振频率来驱动超声头中的压电晶片，减少损耗、提高超声的转化率，减少发热，功率控制更加精准，同时避免治疗时烫伤患者。
Description
技术领域
本发明属于超声治疗仪技术领域，具体涉及一种理疗用超声驱动方法和超声治疗仪。
背景技术
超声波不仅用于治疗，还已广泛用于诊断、基础及实验医学。超声波的发出依赖于压电超声换能器，压电超声波换能器是一种既可以将电能转换为机械能，又可以将机械能转化为电能的集收发超声波为一体的器件。
现有的超声治疗设备主要包括设备主体和超声头(或超声换能器)，其中超声头是将电能转换为机械能，即可将医用超声物理治疗设备输出的电压/电流转化为超声，超声换能器主要基于压电晶片来制作。频率和超声头谐振频率相同的超声电信号作用于超声探头，超声探头将超声电信号的电能转换为超声波机械能输出，机械能透过耦合剂作用于治疗部位，并进入人体以取得治疗效果。目前的超声治疗的输出频率多采用1M或3M，但是在实际生产中，生产出的压电陶瓷晶片的谐振频率不一定精确的在3M或1M处，如可能在3.2M，这就导致用户使用时，驱动压电陶瓷晶片的频率与压电陶瓷晶片的实际谐振频率之间存在偏差，降低了超声输出机械能的转换率，造成一部分能量转换为热能，会引起超声头发热，有可能会在治疗时烫伤患者。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种可找到超声头真实的谐振频率的理疗用超声驱动方法和超声治疗仪。
本发明的技术方案如下：
一种理疗用超声驱动方法，包括以下步骤：
S1通过恒流供电的扫频模块向超声换能器输出连续变化的频率波形，采集超声头回馈的电流I，判断电流I的峰值，记录在电流I出现峰值时，扫频模块的输出频率A；
S2以输出频率A驱动超声头工作。
进一步的，在步骤S1中，连续变化的频率波形的频率扫描范围为两个，分别为0.80MHz-1.20MHz和2.70MHz-3.30MHz，扫描步进0.01MHz，分别记录在两个频率扫描范围内的电流I峰值对应的输出频率A；通常采用的治疗频率是3MHz和1MHz，即3MHz中心频率的扫描范围是2.70MHz-3.30MHz，1MHz中心频率的扫描范围是0.80MHz-1.20MHz。
进一步的，在每次超声头启动前以及在超声头工作过程中监测到电流I异常时，进行步骤S1以重新确定输出频率A’。
本发明还提出了一种超声治疗仪，包括主控模块、超声头、用于输出连续变化频率波形的扫频模块、用于根据扫频模块的频率驱动超声头振动的驱动模块、用于电流I的采集、转换并发送给主控模块的反馈模块；
通过扫频模块产生连续变化的频率波形输出，然后通过反馈模块采集电流I给主控模块，主控模块判断电流I的峰值，并记录在电流I出现峰值时，此时扫频电路的输出频率A，并以输出频率A驱动超声头。
进一步的，所述扫频模块内部包括数字频率合成单元和触发单元，数字频率合成单元根据主控单元的控制生成输出频率的波形，触发单元把数字频率合成单元输出的信号反馈给主控芯片，从而完成主控芯片对数字频率合成单元的监控。
进一步的，所述驱动模块为基于与非门的脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路内部包括与非门U14D、与非门U14C、与非门U14B、与非门U14A和门驱动器U13，与非门U14D与主控模块连接用于接收方波信号，与非门U14D经肖特基二极管U7和与非门U14B后连接至门驱动器的高电压逻辑输入引脚，与非门U14C的一个输入端连接在与非门U14D的输出端，且与非门U14C经肖特基二极管U7和与非门U14A后连接至门驱动器的低电压逻辑输入引脚，门驱动芯片的高压侧输出电压引脚和低压侧输出电压引脚连接至主控模块和超声头。
进一步的，所述超声治疗仪还包括用于连接超声头的连接器，所述主控模块、扫频模块、驱动模块和反馈模块均连接至所述连接器。
进一步的，所述超声治疗仪还包括与主控模块电连接的基于与非门的串口电平转换电路，所述串口电平转换电路包括依次连的接口CN2、RC滤波电路、与非门U8B和与非门U8A，+3.3V电压和RC滤波电路的输出端分别连接与非门U8B的两个输入端，与非门U8B的输出端分成两路分别连接与非门U8A的两个出入端，与非门U8A的输出端连接至主控电路；所述串口电平转换电路用于将来自外部控制设备的串口信号转换为电平信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过能够通过扫频确定超声换能器的实际的谐振频率，在工作时以实际的谐振频率来驱动压电晶片，提高超声的转化率，提升超声输出的功率，降低损耗，延长超声换能器的使用寿命，功率控制更加精准；同时减少超声换能器发热，避免治疗时烫伤患者。
附图说明
图1为本发明实施例的方框示意图。
图2为本发明实施例的主控模块的电路原理图。
图3为本发明实施例的扫频模块的电路原理图。
图4为本发明实施例的驱动模块的电路原理图。
图5为本发明实施例的反馈模块的电路原理图。
图6为本发明实施例的连接器的电路原理图。
图7为本发明实施例的串口电平转换电路的电路原理图。
图8为本发明实施例的电源模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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。
一种理疗用超声驱动方法，包括以下步骤：
S1通过恒流供电的扫频模块向超声换能器输出连续变化的频率波形，采集超声头回馈的电流I，判断电流I的峰值，记录在电流I出现峰值时，扫频模块的输出频率A；
S2以输出频率A驱动超声头工作。
进一步的，在步骤S1中，连续变化的频率波形的频率扫描范围为两个，分别为0.80MHz-1.20MHz和2.70MHz-3.30MHz，扫描步进0.01MHz，分别记录在两个频率扫描范围内的电流I峰值对应的输出频率A；通常采用的治疗频率是3MHz和1MHz，即3MHz中心频率的扫描范围是2.70MHz-3.30MHz，1MHz中心频率的扫描范围是0.80MHz-1.20MHz。
进一步的，在每次超声头启动前以及在超声头工作过程中监测到电流I异常时，进行步骤S1以重新确定输出频率A’。
本发明的方法在超声开始输出时频率扫描一次，然后就是主控模块一直监测着电流I，当电流异常时再次扫描，更新新的中心频率，能够以实际的谐振频率来驱动超声头中的压电晶片，提高超声的转化率，减少发热，功率控制更加精准。
如图1至图8所示，本发明还提出了一种超声治疗仪，包括主控模块、超声头、用于输出连续变化频率波形的扫频模块、用于根据扫频模块的频率驱动超声头振动的驱动模块、用于电流I的采集、转换并发送给主控模块的反馈模块以及用于为超声头以及其他电路模块提供相应的工作电压的电源模块；
通过扫频模块产生连续变化的频率波形输出，然后通过反馈模块采集电流I给主控模块，主控模块判断电流I的峰值，存储在电流I出现峰值时，此时扫频电路的输出频率A，并控制扫频电路以输出频率A经驱动模块驱动超声头工作；如图2所示，主控电路内部采用GD32F103芯片作为主控芯片，GD32F103芯片连接有电压监控器MCP130T-270I，可在欠压情况下将主控芯片保持在重置状态，提升主控芯片工作稳定性。
进一步的，所述扫频模块内部包括数字频率合成单元和触发单元，数字频率合成单元根据主控单元的控制生成输出频率的波形，触发单元把数字频率合成单元输出的信号反馈给主控芯片，从而完成主控芯片对数字频率合成单元的监控；如图3所示，扫频模块的数字频率合成单元内部采用AD9834芯片，能够产生高性能正弦波和三角波输出，且功耗低；触发单元内部采用74LVC1G74DP触发器。
进一步的，所述驱动模块为基于与非门的脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路内部包括与非门U14D、与非门U14C、与非门U14B、与非门U14A和门驱动器U13，与非门U14D与主控模块连接用于接收方波信号，与非门U14D经肖特基二极管U7和与非门U14B后连接至门驱动器的高电压逻辑输入引脚，与非门U14C的一个输入端连接在与非门U14D的输出端，且与非门U14C经肖特基二极管U7和与非门U14A后连接至门驱动器的低电压逻辑输入引脚，门驱动芯片的高压侧输出电压引脚和低压侧输出电压引脚连接至主控模块和超声头；如图4所示，驱动模块采用基于与非门的脉冲驱动电路，门驱动器U13的型号为IR2011STRPBF，与非门的型号采用LVC132A，与非门U14D和与非门U14C用于产生反向信号，肖特基二极管U7的型号为BAV23，与非门U14B和与非门U14A用于增加驱动能力。
如图5所示，反馈模块内部采用AD7940BRJZ模数转换器，来自连接器的超声头回馈的电流I经双运算放大器U3放大并经型号为BSS138的MOS管Q6处理后输入AD7940BRJZ的VIN引脚，经AD7940BRJZ处理后送至主控芯片进行电流极值的判断以及相应的扫频模块的输出频率，作为超声陶瓷晶片实际的谐振频率，由于正常的超声陶瓷晶片有3M和1M两个工作频点，因此，在扫频的范围也是围绕这两个工作频点来找出真实的谐振频点，以便在超声头3M和1M处进行工作时，损耗低，发热低。具体来说，在超声头工作时，利用AD7940BRJZ芯片对超声头回馈的电流I使用运算放大器进行调理后高速采样，并利用GD32F103芯片内的浮点计算单元进行高速运算，实现对压电晶片谐振频率的实时追踪，若电流I异常则重新扫频更新中心频率，从而使压电晶片始终工作在谐振状态，提高了超声输出的能效比。
进一步的，所述超声治疗仪还包括用于连接超声头的连接器CN5，所述主控模块、扫频模块、驱动模块和反馈模块均连接至所述连接器CN5，如图6所示，连接器CN5用于连接线的连接，超声头经连接线连接至各个电路模块。
进一步的，所述超声治疗仪还包括与主控模块电连接的基于与非门的串口电平转换电路，所述串口电平转换电路包括依次连的接口CN2、RC滤波电路、与非门U8B和与非门U8A，+3.3V电压和RC滤波电路的输出端分别连接与非门U8B的两个输入端，与非门U8B的输出端分成两路分别连接与非门U8A的两个出入端，与非门U8A的输出端连接至主控电路；所述串口电平转换电路用于将来自外部控制设备的串口信号转换为电平信号；如图7所示，串口电平转换电路基于两个串联的与非门，而不是像常规的串口电平转换电路采用串口电平转换芯片，成本更低，且通过CN2接口可选择连接其他的外部控制设备，应用比较灵活。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种理疗用超声驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1通过恒流供电的扫频模块向超声换能器输出连续变化的频率波形，采集超声头回馈的电流I，判断电流I的峰值，记录在电流I出现峰值时，扫频模块的输出频率A；
S2以输出频率A驱动超声头工作；
还包括超声治疗仪，所述超声治疗仪包括主控模块、超声头、用于输出连续变化频率波形的扫频模块、用于根据扫频模块的频率驱动超声头振动的驱动模块，所述驱动模块为基于与非门的脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路内部包括与非门 U14D、与非门 U14C、与非门U14B、与非门 U14A 和门驱动器 U13，与非门 U14D 与主控模块连接用于接收 方波信号，与非门 U14D 经肖特基二极管 U7 和与非门 U14B 后连接至门驱动器的高电压逻 辑输入引脚，与非门 U14C 的一个输入端连接在与非门 U14D 的输出端，且与非门 U14C 经 肖特基二极管 U7 和与非门 U14A 后连接至门驱动器的低电压逻辑输入引脚，门驱动芯片的高压侧输出电压引脚和低压侧输出电压引脚连接至主控模块和超声头。
2.根据权利要求1所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：在步骤S1中，连续变化的频率波形的频率扫描范围为两个，分别为0.80MHz—1.20MHz和2.70MHz—3.30MHz，扫描步进0.01MHz，分别记录在两个频率扫描范围内的电流I峰值对应的输出频率A。
3.根据权利要求1所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：在每次超声头启动前以及在超声头工作过程中监测到电流I异常时，进行步骤S1以重新确定输出频率A’。
4.根据权利要求1所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：包括用于电流I的采集、转换并发送给主控模块的反馈模块；
通过扫频模块产生连续变化的频率波形输出，然后通过反馈模块采集超声头回馈的电流I给主控模块，主控模块判断电流I的峰值，并记录在电流I出现峰值时，此时扫频电路的输出频率A，并以输出频率A驱动超声头。
5.根据权利要求4所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：所述扫频模块内部包括数字频率合成单元和触发单元，数字频率合成单元根据主控单元的控制生成输出频率的波形，触发单元把数字频率合成单元输出的信号反馈给主控芯片，从而完成主控芯片对数字频率合成单元的监控。
6.根据权利要求4所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：还包括用于连接超声头的连接器，所述主控模块、扫频模块、驱动模块和反馈模块均连接至所述连接器。
7.根据权利要求6所述的理疗用超声驱动方法，其特征在于：还包括与主控模块电连接的基于与非门的串口电平转换电路，所述串口电平转换电路包括依次连的接口CN2、RC滤波电路、与非门U8B和与非门U8A，+3.3V电压和RC滤波电路的输出端分别连接与非门U8B的两个输入端，与非门U8B的输出端分成两路分别连接与非门U8A的两个出入端，与非门U8A的输出端连接至主控电路；所述串口电平转换电路用于将来自外部控制设备的串口信号转换为电平信号。
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