CN115770089B - 一种高集成高频超声系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高集成高频超声系统及工作方法，它解决了超声切割与电凝器械交错使用不便等问题，其包括高频超声刀，高频超声刀与超声换能器连接，超声换能器配备有超声高频多频多模集成设备，高频超声刀包括超声波导杆，超声波导杆与复合手柄连接，超声高频多频多模集成设备与复合手柄之间的双极电路采用寄生电路结构与超声波导杆的超声电路连接。本发明具有使用灵活度高、超声切割与电凝止血效果好等优点。

Description

一种高集成高频超声系统及工作方法

技术领域

本发明属于手术器械技术领域，具体涉及一种高集成高频超声系统及工作方法。

背景技术

在外科手术过程中，通常会采用超声手术刀辅助手术，其中超声手术刀主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作，其作用于人体组织起到切割与凝闭的作用，主要包括主机、换能器、超声刀头、脚踏板等部件，其中换能器将高频振动能量传递中心杆过程中，需要超声换能器较高的振幅变比且应力分布均匀，还需要满足高振幅下的稳定输出，还满足市场多种超声电源的适配性。根据以上几点，换能器设计既要满足高频高振幅稳定输出要求还要具有较好的适配性需求。除此之外，在实际的外科手术操作过程中，还需要采用双极器械进行电凝止血等操作，但现有的双极器械和超声手术刀占据大量的手术空间，在实际使用过程中较为不便。

为了解决现有技术存在的不足，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种超声高频手术刀[201810962420.6]，其包括：刀具，设于手柄一端，包括开闭连接的第一部分和第二部分；超声换能器，设于手柄的另一端，具有与高频电源相连的第一端和与第二部分相连的第二端，第二端用于将接收的高频电源输出的一部分电能直接传输至刀具的第二部分；电能传输组件，设于手柄中，与超声换能器电连接，用于将高频电源输出的另一部分电能传输至刀具的第一部分，刀具的第一部分和第二部分在接收到相应的电能后放电工作。

上述方案在一定程度上解决了现有超声刀高频高振幅稳定输出的问题，但是该方案依然存在着诸多不足，例如超声切割以及凝血器械交错使用不便等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，方便交错进行超声切割以及凝血的高集成高频超声系统。

本发明的另一个目的是针对上述问题，提供一种实现切割以及凝血器械高度融合的高集成高频超声系统的工作方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种高集成高频超声系统，包括高频超声刀，高频超声刀与超声换能器连接，超声换能器配备有超声高频多频多模集成设备，高频超声刀包括超声波导杆，超声波导杆与复合手柄连接，超声高频多频多模集成设备与复合手柄之间的双极电路采用寄生电路结构与超声波导杆的超声电路连接。超声换能器设置在复合手柄内，利用寄生电路结构将双极电路与超声电路结合，使得同一高频超声刀满足超声切割以及电凝止血的平稳切换。

在上述的一种高集成高频超声系统中，超声电路包括第一MCU模块，第一MCU模块通过超声信号逆变电路以及第一电压电流采样电路与超声换能器连接且之间设置有变压机构，双极电路包括与第一MCU模块连接的第二MCU模块，第二MCU模块通过高频信号产生电路、高频信号逆变电路以及第二电压电流采样电路与超声波导杆连接且之间设置有变压机构，变压机构包括电流反馈变压器、电压反馈变压器以及信号隔离变压器，电流反馈变压器和电压反馈变压器与第一MCU模块之间连接有鉴相电路，第一MCU模块连接有触控屏。

在上述的一种高集成高频超声系统中，超声波导杆包括主刀杆，主刀杆外侧依次包覆有内管和外管，主刀杆与内管交接处之间设置有绝缘管，主刀杆与内管以及外管之间穿设有与复合手柄插接固定的销轴。主刀杆与绝缘销活动连接，保证超声波输出效果。

在上述的一种高集成高频超声系统中，双极电路的一极搭接在内管和外管上并与钳头连接，双极电路的另一极搭接在主刀杆上，双极电路配备有防短路结构。双极电路利用主刀杆以及内外管构建回路，实现超声切割与电凝止血功能的融合。

在上述的一种高集成高频超声系统中，双极电路与超声换能器的负极共用一极且通过超声换能器的导电环连接，其中超声换能器为纵向换能器。超声换能器的导电环与双极电路融合，从而方便高频超声刀与不同电路的转接。

在上述的一种高集成高频超声系统中，防短路结构包括设置在内管、外管以及主刀杆之间的塑料卡扣。塑料卡扣具有较好的绝缘效果，避免内管、外管以及主刀杆发生接触短路。

在上述的一种高集成高频超声系统中，超声高频多频多模集成设备包括控制板，控制板连接有开关电源，控制板通过PWM模块与电压电流单元连接，其中电压电流单元的输出端通过AD采样单元与控制板连接，控制板连接有液晶屏显示控制单元，控制板连接有DDS单元、频率跟踪单元、喇叭以及按键/脚踏单元。超声高频多频多模集成设备满足能量供给以及调节需求，利用按键/脚踏单元调整输出功率。

一种高集成高频超声系统的工作方法，包括如下步骤：

S1：启动超声系统；

S2：选择工作模式；

S3：对高频超声刀进行接线；

S4：进行超声切割或者电凝止血。多种模式可供选择，操作者可根据实际需要调整手术操作方式。

在上述的一种高集成高频超声系统的工作方法中，步骤S2包括超声模式、超声双极模式、双极模式和共平台模式。

在上述的一种高集成高频超声系统的工作方法中，步骤S3中采用超声模式则将高频超声刀与超声电路连接；若采用双极模式则将高频超声刀与双极电路连接；若采用超声双极模式则将高频超声刀与超声电路和双极电路连接；若采用共平台模式则将超声电路和双极电路单独连接高频超声刀。通过调整高频超声刀与电路连接方式实现模式切换，可单独切割或止血，也可以联合使用。

在上述的一种高集成高频超声系统的工作方法中，步骤S4单独进行超声切割时，则双极模式无响应；在超声切割和双极电凝混用时，单独超声切割和双极电凝均无响应。引入互斥机制，保证使用安全性。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：将寄生电路结构将超声切割与电凝止血相结合，可灵活切换工作模式，满足复杂外科手术需求；超声高频多频多模集成设备可单独对接超声刀具或双极器械；将两种驱动信号作用于同一主刀杆，中心纵向振动不受高频双极信号干扰，可发射较为均匀的水平波束。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明的超声高频多频多模集成设备的结构示意图。

图3是本发明的高频超声刀的局部剖视图。

图4是本发明的高频超声刀的另一视角的结构示意图。

图5是本发明的高频超声刀的另一结构原理图。

图6是本发明的超声模式的接线示意图。

图7是本发明的双极模式的接线示意图。

图8是本发明的超声双极模式的接线示意图。

图9是本发明的共平台模式的接线示意图。

图10是本发明的双极电路和超声电路的结构示意图。

图中，高频超声刀1、超声换能器2、超声高频多频多模集成设备3、控制板31、开关电源32、PWM模块33、电压电流单元34、输出端35、AD采样单元36、液晶屏显示控制单元37、DDS单元38、频率跟踪单元39、超声波导杆4、主刀杆41、内管42、外管43、绝缘管44、销轴45、复合手柄5、双极电路6、第二MCU模块61、高频信号产生电路62、高频信号逆变电路63、第二电压电流采样电路64、超声电路7、第一MCU模块71、超声信号逆变电路72、第一电压电流采样电路73、按键/脚踏单元8、喇叭9、电流反馈变压器91、电压反馈变压器92、信号隔离变压器93、触控屏94、鉴相电路95。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种高集成高频超声系统，包括高频超声刀1，高频超声刀1与超声换能器2连接，高频超声刀1的电源采用振荡器产生高频信号，经功率放大后产生超声波，把超声换能器2视为电容性负载，不计超声换能器2在正常工作时压电陶瓷的伸缩产生的充放电过程以及其他动态特性对电源的不良影响。超声换能器2配备有超声高频多频多模集成设备3，高频超声刀1包括超声波导杆4，超声波导杆4与复合手柄5连接，超声高频多频多模集成设备3与复合手柄5之间的双极电路6采用寄生电路结构与超声波导杆4的超声电路7连接。复合手柄5将超声和高频双极采用寄生电路设计，由理论上的四路线改成三路，其中双极电路6寄生在超声波导杆4上，通过建立物理模型以及算法解决寄生带来的串扰问题。

晶体管工作在非线性区时，损耗大，频率较低且工作稳定性较差。其启动能力差，不能实现频率跟踪，不能适应负载发热、损耗能引起的变化，导致换能器不在处于谐振状态，不能实现大功率，效率和精度都较差。

高频和超声组合工作，不论是超声刀融合还是主机融合，都不能达到整体的融合性。由于没有整体融合的系统架构，现有的超声刀均存在高性能输出不足的核心问题，针对这一缺陷若是试图通过加大采集或者改变输出特性进行改善，收效甚微且代价巨大。

如图10所示，超声电路7包括第一MCU模块71，第一MCU模块71通过超声信号逆变电路72以及第一电压电流采样电路73与超声换能器2连接且之间设置有变压机构，双极电路6包括与第一MCU模块71连接的第二MCU模块61，第二MCU模块61通过高频信号产生电路62、高频信号逆变电路63以及第二电压电流采样电路64与超声波导杆4连接且之间设置有变压机构。其中变压机构包括电流反馈变压器91、电压反馈变压器92以及信号隔离变压器93，第一MCU模块71连接有触控屏94，电流反馈变压器91和电压反馈变压器92与第一MCU模块71之间连接有鉴相电路95。通过触控屏94调整超声电路7以及双极电路6功率。其中超声信号逆变电路72连接的DDS电路接收第一MCU模块71控制信号产生频率实时可变的正弦信号，鉴相电路95处理来自电压及电流的反馈信号，产生电流及电压的相位关系信号。

为了解决上述问题，超声波导杆4采用多种抛物线结构，包含悬梁、指数、阶梯、高斯等数学模型，组成一种能抵抗多种频率和多种模态下的有效输出。超声波导杆4包括主刀杆41，主刀杆41外侧依次包覆有内管42和外管43，主刀杆41与内管42交接处之间设置有绝缘管44，主刀杆41与内管42以及外管43之间穿设有与复合手柄5插接固定的销轴45。

如图3-4所示，双极电路6的一极搭接在内管42和外管43上并与钳头连接，双极电路6的另一极搭接在主刀杆41上，双极电路6配备有防短路结构。当夹住组织闭合钳头时，钳头组织与刀杆相连接，形成回路且双极电路6进行工作，同时引入防短路结构解决二者融合过程中电路干扰的问题。

从图5中可以看到，双极电路6与超声换能器2的负极共用一极且通过超声换能器2的导电环连接，其中超声换能器2为纵向换能器。双极电路6从复合手柄5中引出，通过设置在复合手柄5一侧的按钮调整输出功率。

更进一步地，防短路结构包括设置在内管42、外管43以及主刀杆41之间的塑料卡扣，塑料卡扣设置在复合手柄5内，实现绝缘阻断的同时实现超声波导杆4与复合手柄5的转接。

如图2所示，超声高频多频多模集成设备3包括控制板31，控制板31连接有开关电源32，控制板31通过PWM模块33与电压电流单元34连接，其中电压电流单元34的输出端35通过AD采样单元36与控制板31连接，控制板31连接有液晶屏显示控制单元37，控制板31连接有DDS单元38、频率跟踪单元39、喇叭9以及按键/脚踏单元8。超声高频多频多模集成设备3的控制板31工作原理是建立各部分结构运动方程，建立等效电路，通过各部分连接处速度、应力连续、边界条件的施加等条件，推导处整体结构的机电等效图。分析机电等效图，推导出与超声高频多频多模集成设备3连接的超声换能器2的频率方程并得到换能器其他的声学性能参数。

超声高频多频多模集成设备3融合超声和高频双极输出融合，大大减少了手术室设备的应用。其突破了两种驱动信号，作用在同一中心杆多频多模态的工作模式，选取的高频双极驱动信号能和超声刀驱动信号完美寄生且作用在同一超声波导杆4上，中心纵向振动不受高频双极信号干扰，发射水平波束均匀性良好，满足使用要求。

一种高集成高频超声系统的工作方法，包括如下步骤：

S1：启动超声系统；

S2：选择工作模式；

S3：对高频超声刀1进行接线；

S4：进行超声切割或者电凝止血。

同时，步骤S2包括超声模式、超声双极模式、双极模式和共平台模式。

可见地，如图6所示，步骤S3中采用超声模式则将高频超声刀1与超声电路7连接；如图7所示，若采用双极模式则将高频超声刀1与双极电路6连接；如图8所示，若采用超声双极模式则将高频超声刀1与超声电路7和双极电路6连接；如图9所示，若采用共平台模式则将超声电路7和双极电路6单独连接高频超声刀1。

很明显，步骤S4单独进行超声切割时，则双极模式无响应；在超声切割和双极电凝混用时，单独超声切割和双极电凝均无响应。超声高频多频多模集成设备3通常搭载自检模块，其中在线自检与超声双极模式、超声模式和双极模式同时工作，离线自检检测高频超声刀1接口是否故障。

综上所述，本实施例的原理在于：利用寄生电路结构将双极电路6与超声电路7结合，其中高频超声刀1通过超声换能器2与超声高频多频多模集成设备3实现声电转化，通过切换高频超声刀1的接线方式实现电路切换，实现超声切割与双极电凝的结合。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了高频超声刀1、超声换能器2、超声高频多频多模集成设备3、控制板31、开关电源32、PWM模块33、电压电流单元34、输出端35、AD采样单元36、液晶屏显示控制单元37、DDS单元38、频率跟踪单元39、超声波导杆4、主刀杆41、内管42、外管43、绝缘管44、销轴45、复合手柄5、双极电路6、第二MCU模块61、高频信号产生电路62、高频信号逆变电路63、第二电压电流采样电路64、超声电路7、第一MCU模块71、超声信号逆变电路72、第一电压电流采样电路73、按键/脚踏单元8、喇叭9、电流反馈变压器91、电压反馈变压器92、信号隔离变压器93、触控屏94、鉴相电路95等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种高集成高频超声系统，包括高频超声刀（1），所述的高频超声刀（1）与超声换能器（2）连接，所述的超声换能器（2）配备有超声高频多频多模集成设备（3），其特征在于，所述的高频超声刀（1）包括超声波导杆（4），所述的超声波导杆（4）与复合手柄（5）连接，所述的超声高频多频多模集成设备（3）与复合手柄（5）之间的双极电路（6）采用寄生电路结构与超声波导杆（4）的超声电路（7）连接；所述的超声电路（7）包括第一MCU模块（71），所述的第一MCU模块（71）通过超声信号逆变电路（72）以及第一电压电流采样电路（73）与超声换能器（2）连接且之间设置有变压机构，所述的双极电路（6）包括与第一MCU模块（71）连接的第二MCU模块（61），所述的第二MCU模块（61）通过高频信号产生电路（62）、高频信号逆变电路（63）以及第二电压电流采样电路（64）与超声波导杆（4）连接且之间设置有变压机构，所述的变压机构包括电流反馈变压器（91）、电压反馈变压器（92）以及信号隔离变压器（93），所述的电流反馈变压器（91）和电压反馈变压器（92）与第一MCU模块（71）之间连接有鉴相电路（95），所述的第一MCU模块（71）连接有触控屏（94）。

2.根据权利要求1所述的一种高集成高频超声系统，其特征在于，所述的超声波导杆（4）包括主刀杆（41），所述的主刀杆（41）外侧依次包覆有内管（42）和外管（43），所述的主刀杆（41）与内管（42）交接处之间设置有绝缘管（44），所述的主刀杆（41）与内管（42）以及外管（43）之间穿设有与复合手柄（5）插接固定的销轴（45）。

3.根据权利要求2所述的一种高集成高频超声系统，其特征在于，所述的双极电路（6）的一极搭接在内管（42）和外管（43）上并与钳头连接，所述的双极电路（6）的另一极搭接在主刀杆（41）上，所述的双极电路（6）配备有防短路结构；所述的防短路结构包括设置在内管（42）、外管（43）以及主刀杆（41）之间的塑料卡扣。

4.根据权利要求3所述的一种高集成高频超声系统，其特征在于，所述的双极电路（6）与超声换能器（2）的负极共用一极且通过超声换能器（2）的导电环连接，其中超声换能器（2）为纵向换能器。

5.根据权利要求1所述的一种高集成高频超声系统，其特征在于，所述的超声高频多频多模集成设备（3）包括控制板（31），所述的控制板（31）连接有开关电源（32），所述的控制板（31）通过PWM模块（33）与电压电流单元（34）连接，其中电压电流单元（34）的输出端（35）通过AD采样单元（36）与控制板（31）连接，所述的控制板（31）连接有液晶屏显示控制单元（37），所述的控制板（31）连接有DDS单元（38）、频率跟踪单元（39）、喇叭（9）以及按键/脚踏单元（8）。

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