CN116473628A - 一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统及方法，所述超声刀系统包括直流供电模块、高频逆变模块、匹配滤波模块、换能器、能量输出模块、反馈模块、控制模块、信号输出模块、隔离模块、驱动模块、输入模块、显示模块；所述直流供电模块的电性输出端与所述高频逆变模块的电性输入端电性连接。本发明通过反馈模块检测换能器的电流和电压变化值，通过控制模块计算相位差，通过信号输出模块产生相应频率的SPWM波，通过匹配滤波模块完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，在切割不同的人体组织时，能够快速调整换能器的能量输出效率，避免超声刀头的工作状态以及组织切割效果受到影响，减少换能器的发热量变化，延长换能器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声刀系统及方法，特别涉及一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统及方法，属于超声刀系统技术领域。
背景技术
超声刀是利用超声原理能像真刀一样切割人体内部组织的超声波.它利用超声波极强的穿透力，通过超声发射器发射的数百束高能超声波(相当于5万台普通B超机)，像聚集太阳能一样使焦点汇集在肿瘤组织上，利用高能超声空化作用使肿瘤组织细胞膜破裂，同时高能超声波释放出巨大能量迅速转化为热能，瞬间焦点处肿瘤组织的温度达70℃－100℃。
超声刀系统在使用过程中，通过换能器将电能转换为机械能，利用高频振动刀头切割人体组织，但由于人体组织的软硬程度不同，在切割软组织和硬组织时的负载特性不同，因此超声刀换能器无法稳定在谐振状态下工作，导致换能器的能量输出效率降低，影响超声刀头的工作状态以及组织切割效果，同时换能器的发热量也会增加，不利于延长换能器的使用寿命，为此，提出一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统及方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，所述超声刀系统包括直流供电模块、高频逆变模块、匹配滤波模块、换能器、能量输出模块、反馈模块、控制模块、信号输出模块、隔离模块、驱动模块、输入模块、显示模块；
所述直流供电模块的电性输出端与所述高频逆变模块的电性输入端电性连接，所述高频逆变模块的电性输出端与所述匹配滤波模块的电性输入端电性连接，所述匹配滤波模块的电性输出端与所述换能器的电性输入端电性连接，所述能量输出模块安装于所述换能器上，所述反馈模块安装于所述换能器上，所述反馈模块的信号输出端与所述控制模块的信号输入端信号连接，所述控制模块的信号输出端与所述信号输出模块的信号输入端信号连接，所述信号输出模块的信号输出端与所述隔离模块的信号输入端信号连接，所述隔离模块的信号输出端与所述驱动模块的信号输入端信号连接，所述驱动模块的电性输出端与所述高频逆变模块的电性输入端电性连接，所述信号输出模块的信号输出端与所述显示模块的信号输入端信号连接，所述输入模块信号输出端与所述控制模块的信号输入端信号连接。
进一步优选的：所述直流供电模块与电网交流电市电连接，所述直流供电模块由变压、整流、滤波和稳压电路组成，所述直流供电模块为所述高频逆变模块提供直流工作电压。
进一步优选的：所述高频逆变模块为半桥逆变电路，所述高频逆变模块对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波。
进一步优选的：所述匹配滤波模块对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，所述换能器为磁致伸缩换能器，所述能量输出模块由手柄、刀头、刀杆和夹钳组成，所述反馈模块由霍尔电流传感器和电压传感器组成。
进一步优选的：所述控制模块由DSP数字信号处理器和FPGA芯片组成。
进一步优选的：所述信号输出模块根据控制模块的DSP信号产生相应频率的SPWM波。
进一步优选的：所述隔离模块将SPWM波进行电气隔离，所述驱动模块控制高频逆变模块的功率开关管工作状态。
进一步优选的：所述输入模块为操作面板，所述显示模块为显示屏或计算机终端。
另外，本发明还提供了一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统的调节方法，包括以下步骤：
S1、直流供电模块通过变压、整流、滤波和稳压电路将电网交流电转变为直流电，持续为高频逆变模块供电；
S2、换能器在输入模块预设参数下工作，当切割不同人体组织时，负载特性发生变化；
S3、反馈模块检测换能器的电流和电压变化值，控制模块计算相位差，信号输出模块根据控制模块的DSP信号产生相应频率的SPWM波；
S4、高频逆变模块对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波；
S5、匹配滤波模块对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作。
进一步优选的：在所述S5中，通过匹配滤波模块完成阻抗匹配并调整正弦波频率，从而使换能器达到最佳能量输出效率。
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
本发明通过反馈模块检测换能器的电流和电压变化值，通过控制模块计算相位差，通过信号输出模块产生相应频率的SPWM波，通过匹配滤波模块完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，在切割负载特性不同的人体组织时，能够快速调整换能器的能量输出效率，避免超声刀头的工作状态以及组织切割效果受到影响，减少换能器的发热量变化，延长换能器的使用寿命。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统图。
附图标记：10、直流供电模块；11、高频逆变模块；12、匹配滤波模块；13、换能器；14、能量输出模块；15、反馈模块；16、控制模块；17、信号输出模块；18、隔离模块；19、驱动模块；20、输入模块；21、显示模块。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，超声刀系统包括直流供电模块10、高频逆变模块11、匹配滤波模块12、换能器13、能量输出模块14、反馈模块15、控制模块16、信号输出模块17、隔离模块18、驱动模块19、输入模块20、显示模块21；
直流供电模块10的电性输出端与高频逆变模块11的电性输入端电性连接，高频逆变模块11的电性输出端与匹配滤波模块12的电性输入端电性连接，匹配滤波模块12的电性输出端与换能器13的电性输入端电性连接，能量输出模块14安装于换能器13上，反馈模块15安装于换能器13上，反馈模块15的信号输出端与控制模块16的信号输入端信号连接，控制模块16的信号输出端与信号输出模块17的信号输入端信号连接，信号输出模块17的信号输出端与隔离模块18的信号输入端信号连接，隔离模块18的信号输出端与驱动模块19的信号输入端信号连接，驱动模块19的电性输出端与高频逆变模块11的电性输入端电性连接，信号输出模块17的信号输出端与显示模块21的信号输入端信号连接，输入模块20信号输出端与控制模块16的信号输入端信号连接。
本实施例中，具体的：直流供电模块10与电网交流电市电连接，直流供电模块10由变压、整流、滤波和稳压电路组成，直流供电模块10为高频逆变模块11提供直流工作电压。
本实施例中，具体的：高频逆变模块11为半桥逆变电路，高频逆变模块11对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波。
本实施例中，具体的：匹配滤波模块12对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，换能器13为磁致伸缩换能器，能量输出模块14由手柄、刀头、刀杆和夹钳组成，反馈模块15由霍尔电流传感器和电压传感器组成，换能器13由绕制在超磁致伸缩棒周围线圈上的交变电流驱动，在交变电磁场的影响下，超磁致伸缩棒沿轴线方向做伸缩运动。
本实施例中，具体的：控制模块16由DSP数字信号处理器和FPGA芯片组成，FPGA芯片可通过编程的方式输入相位差算法，从而计算相位差数值。
本实施例中，具体的：信号输出模块17根据控制模块16的DSP信号产生相应频率的SPWM波，SPWM波的波形生成算法采用具有较高精度且计算量适中的直接面积等效法，调制方法采用优化的混合脉宽调制方式，从而达到较理想的正弦输出波形。
本实施例中，具体的：隔离模块18将SPWM波进行电气隔离，驱动模块19控制高频逆变模块11的功率开关管工作状态，高频逆变模块11采用光电隔离及独立电源供电来实现悬浮驱动，隔离模块18采用单通道的高速光耦合钽电容结构。
本实施例中，具体的：输入模块20为操作面板，显示模块21为显示屏或计算机终端。
另外，本发明还提供了一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统的调节方法，包括以下步骤：
S1、直流供电模块10通过变压、整流、滤波和稳压电路将电网交流电转变为直流电，持续为高频逆变模块11供电；
S2、换能器13在输入模块20预设参数下工作，当切割不同人体组织时，负载特性发生变化；
S3、反馈模块15检测换能器13的电流和电压变化值，控制模块16计算相位差，信号输出模块17根据控制模块16的DSP信号产生相应频率的SPWM波；
S4、高频逆变模块11对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波；
S5、匹配滤波模块12对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作。
本实施例中，具体的：在S5中，通过匹配滤波模块12完成阻抗匹配并调整正弦波频率，从而使换能器13达到最佳能量输出效率。
本发明在工作时：直流供电模块10通过变压、整流、滤波和稳压电路将电网交流电转变为直流电，持续为高频逆变模块11供电，换能器13在输入模块20预设参数下工作，当切割不同人体组织时，负载特性发生变化，反馈模块15检测换能器13的电流和电压变化值，控制模块16FPGA芯片计算相位差，信号输出模块17根据控制模块16的DSP信号产生相应频率的SPWM波，高频逆变模块11对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波，匹配滤波模块12对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，在切割负载特性不同的人体组织时，能够快速调整换能器13的能量输出效率，避免超声刀头的工作状态以及组织切割效果受到影响，减少换能器13的发热量变化，延长换能器13的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述超声刀系统包括直流供电模块(10)、高频逆变模块(11)、匹配滤波模块(12)、换能器(13)、能量输出模块(14)、反馈模块(15)、控制模块(16)、信号输出模块(17)、隔离模块(18)、驱动模块(19)、输入模块(20)、显示模块(21)；
所述直流供电模块(10)的电性输出端与所述高频逆变模块(11)的电性输入端电性连接，所述高频逆变模块(11)的电性输出端与所述匹配滤波模块(12)的电性输入端电性连接，所述匹配滤波模块(12)的电性输出端与所述换能器(13)的电性输入端电性连接，所述能量输出模块(14)安装于所述换能器(13)上，所述反馈模块(15)安装于所述换能器(13)上，所述反馈模块(15)的信号输出端与所述控制模块(16)的信号输入端信号连接，所述控制模块(16)的信号输出端与所述信号输出模块(17)的信号输入端信号连接，所述信号输出模块(17)的信号输出端与所述隔离模块(18)的信号输入端信号连接，所述隔离模块(18)的信号输出端与所述驱动模块(19)的信号输入端信号连接，所述驱动模块(19)的电性输出端与所述高频逆变模块(11)的电性输入端电性连接，所述信号输出模块(17)的信号输出端与所述显示模块(21)的信号输入端信号连接，所述输入模块(20)信号输出端与所述控制模块(16)的信号输入端信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述直流供电模块(10)与电网交流电市电连接，所述直流供电模块(10)由变压、整流、滤波和稳压电路组成，所述直流供电模块(10)为所述高频逆变模块(11)提供直流工作电压。
3.根据权利要求2所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述高频逆变模块(11)为半桥逆变电路，所述高频逆变模块(11)对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波。
4.根据权利要求1所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述匹配滤波模块(12)对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作，所述换能器(13)为磁致伸缩换能器，所述能量输出模块(14)由手柄、刀头、刀杆和夹钳组成，所述反馈模块(15)由霍尔电流传感器和电压传感器组成。
5.根据权利要求1所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述控制模块(16)由DSP数字信号处理器和FPGA芯片组成。
6.根据权利要求5所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述信号输出模块(17)根据控制模块(16)的DSP信号产生相应频率的SPWM波。
7.根据权利要求1所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述隔离模块(18)将SPWM波进行电气隔离，所述驱动模块(19)控制高频逆变模块(11)的功率开关管工作状态。
8.根据权利要求1所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统，其特征在于：所述输入模块(20)为操作面板，所述显示模块(21)为显示屏或计算机终端。
9.根据权利要求1－8任一项所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、直流供电模块(10)通过变压、整流、滤波和稳压电路将电网交流电转变为直流电，持续为高频逆变模块(11)供电；
S2、换能器(13)在输入模块(20)预设参数下工作，当切割不同人体组织时，负载特性发生变化；
S3、反馈模块(15)检测换能器(13)的电流和电压变化值，控制模块(16)计算相位差，信号输出模块(17)根据控制模块(16)的DSP信号产生相应频率的SPWM波；
S4、高频逆变模块(11)对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波；
S5、匹配滤波模块(12)对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调节谐振频率工作。
10.根据权利要求9所述的一种根据组织自动调节能量输出的超声刀系统的调节方法，其特征在于：在所述S5中，通过匹配滤波模块(12)完成阻抗匹配并调整正弦波频率，从而使换能器(13)达到最佳能量输出效率。
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