CN117379141A - 超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备 - Google Patents

超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备 Download PDF

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Abstract

本公开涉及超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备，所述系统包括：第一数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据；第一控制电路，用于：基于相位差数据生成相位差变化曲线，并检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，第一相位差突变特征表征相位差变化曲线出现突变；在相位差变化曲线出现第一相位差突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割。由此，能够高效地准确地检测出超声刀的切割完成状态，且硬件成本低、可靠性高、检测准确率高，有利于减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。

Description

超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备
技术领域
本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备。
背景技术
超声刀是一种用于手术的医疗设备，是一种常用于外科、微创手术的医疗器械。它是以空化效应和机械振动效应为主，刀头在超高的振动频率(55KHZ)下接触组织蛋白，组织内水分迅速汽化，蛋白氢键断裂，蛋白质变性凝结，从而达到切割、和止血的作用。超声刀在许多手术中都得到了广泛应用，如内窥镜手术、腹腔镜手术、心脏手术和神经外科手术等。它们在手术过程中提供了高效率和高精度切割，有利于缩短手术时间，改善病人的康复过程。
然而，超声刀在使用过程中，单纯依靠医生观察判断超声刀切割组织是否结束，这样会存在较大的误差：如果提前结束切割组织会造成切断失败，需要再次切割；切断后延迟结束切割则会导致钳口一直磨损垫片，降低超声刀寿命。
尽管现有的一些超声刀设备具有切割完成状态检测功能，但这些设备通常采用复杂的传感器系统进行检测，复杂的传感器系统则增加了设备的成本和复杂性，也可能会影响设备的可靠性；虽然也有些超声刀设备是通过软件算法依靠单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据进行组织切割完成状态检测，但由于切割负载的多样性，依靠单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据的检测准确率不高，会出现没有切断组织而发出提醒或者切断了组织而没有发出提醒的情况，从而影响手术过程。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了超声刀切割组织完成状态检测系统与超声刀设备，能够高效地准确地检测出超声刀的切割完成状态，且硬件成本低、可靠性高、检测准确率高，有利于减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。
根据本公开的第一方面，提供了一种超声刀切割组织完成状态检测系统，包括：第一数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据；第一控制电路，用于：基于所述相位差数据生成相位差变化曲线，并检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变；在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一相位差突变特征包括：所述相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且上升区间或下降区间的区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一数据采集电路包括：信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一数据采集电路还用于采集所述超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；所述第一控制电路还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一控制电路还用于：在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
根据本公开的第二方面，提供了一种超声刀切割组织完成状态检测系统，包括：第二数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据以及工作频率数据；第二控制电路，用于：基于所述相位差数据以及所述工作频率数据，分别生成相位差变化曲线以及工作频率变化曲线，并检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；所述第二相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变，所述频率突变特征包括：所述工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；在所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线在同一时段内分别产生所述第二相位差突变特征与所述频率突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第二相位差突变特征包括：所述相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间的区间长度达到第二长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第二斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第二幅度阈值；所述工作频率变化趋势包括：工作频率下降趋势；所述工作频率变化趋势发生改变包括：由下降趋势变为平台趋势，或，由下降趋势变为上升趋势；其中，由下降趋势变为平台趋势包括：所述工作频率变化曲线出现平台区间，所述平台区间内曲线斜率的绝对值小于第三斜率阈值、区间长度达到第三长度阈值且所述平台区间的前端点和/或后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值；所述由下降趋势变为上升趋势包括：所述工作频率变化曲线出现上升区间，所述工作频率变化曲线出现的上升区间的区间长度达到第四长度阈值且所述工作频率变化曲线出现的上升区间内的曲线斜率大于第五斜率阈值。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第二控制电路还用于：检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且上升区间或下降区间的区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值；所述第一相位差突变特征所表征的突变程度大于所述第二相位差突变特征所表征的突变程度；在所述相位差变化曲线未出现所述第一相位差突变特征的情况下，执行所述检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征；或，在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第二数据采集电路包括：信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差；频率计算单元，用于测量所述电流方波信号或所述电压方波信号的信号周期，对所述信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，所述工作频率数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的超声刀的工作频率。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第二数据采集电路还用于采集所述超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；所述第二控制电路还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第二控制电路还用于：在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
根据本公开的第三方面，提供了一种超声刀切割组织完成状态检测系统，包括：第三数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据；第三控制电路，用于：基于所述相位差数据、所述工作频率数据以及所述阻抗值数据，分别生成相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线；基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述第三控制电路还用于：检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值，M为正整数；其中，所述基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割，包括：在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均小于所述第六预设阈值的情况下，确定所述超声刀切割的组织为薄的软组织，并检测所述阻抗值变化曲线是否出现阻抗突变特征，所述阻抗突变特征包括：所述阻抗值变化曲线出现上升区间或下降区间，且所述阻抗值变化曲线出现的上升区间或下降区间内的阻抗值变化幅度大于第三幅度阈值；在所述阻抗值变化曲线出现所述阻抗突变特征，且所述相位差变化曲线在阻抗值突变时段内满足第一预设条件以及所述工作频率变化曲线在所述阻抗值突变时段内的满足第二预设条件的情况下，确定所述超声刀完成组织切割；其中，所述阻抗值突变时段包括所述阻抗值变化曲线出现所述阻抗突变特征时的上升区间或下降区间所对应的时段；所述第一预设条件包括：所述阻抗值突变时段内的相位差数据均小于第七预设阈值；所述第二预设条件包括：所述阻抗值突变时段内的工作频率变化幅度大于第四幅度阈值，和/或，所述阻抗值突变时段内的曲线斜率小于第六斜率阈值。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割，还包括：在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均大于或等于所述第六预设阈值的情况下，确定所述超声刀切割的组织为厚的软组织，并执行检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变；在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割；或者，执行检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；所述第二相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变，所述频率突变特征包括：所述工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；在所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线在同一时段内分别产生所述第二相位差突变特征与所述频率突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述第三控制电路还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述第三数据采集电路包括：信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差；频率计算单元，用于测量所述电流方波信号或所述电压方波信号的信号周期，对所述信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，所述工作频率数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的超声刀的工作频率；有效值计算单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号输入至有效值计算电路，得到电流输出信号以及电压输出信号；阻抗值计算单元，用于对所述电流输出信号与所述电压输出信号分别进行模数转换处理以及滤波处理，得到电流值与电压值，并将所述电压值除以所述电流值，得到阻抗值数据，所述阻抗值数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的阻抗值。
在第三方面的一种可能的实现方式中，所述第三控制电路还用于：在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
根据本公开的第四方面，提供了一种超声刀设备，包括：超声刀；以及，所述第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式的系统，或所述第二方面或第二方面的任一种可能的实现方式的系统，或所述第三方面或第三方面的任一种可能的实现方式的系统。
根据本公开的各个方面，能够利用相位差数据，或相位差数据和工作频率数据，或相位差数据、工作频率数据和阻抗值数据，实现检测超声刀切割组织完成状态，相较于现有利用传感器系统的检测方式，具有更低的硬件成本、更高的可靠性和准确率，且相较于利用单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据的检测方式，能够适应于更广泛的负载情况，从而有利于提高手术效率，减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。
图2示出根据本公开一实施例的一种组织切割过程中相位差变化曲线的示意图。
图3示出根据本公开一实施例的一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。
图4示出根据本公开一实施例的一种组织切割过程中相位差变化曲线与频率变化曲线的示意图。
图5示出根据本公开一实施例的一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。
图6示出根据本公开一实施例的一种组织切割过程中相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图。
图7示出根据本公开一实施例的一种薄的软组织切割过程中相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图。
图8示出根据本公开一实施例的一种厚的软组织切割过程中相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
可知晓，超声刀主要包括三个组成部分：超声刀主机、超声换能器和安装在超声换能器上的超声刀头。超声刀主机主要用于产生超声频率的电功率，在组织切割过程中，可以根据凝血速度和切割速度进行能量调节。超声换能器主要用于将高频电能转为机械能产生高频振动，驱动超声刀头向待切割的生物组织辐射超声波能量。
在超声刀工作过程中，超声刀头与生物组织直接接触，超声刀头辐射的超声波使生物组织产生弹性振动，当声强使生物组织的机械振动超过其弹性极限时，生物组织就会发生断裂或粉碎。其中，生物组织可以为软组织、骨骼、牙齿等，超声刀可用于软组织切割、骨组织切削、清创(眼科等)、牙齿打磨等各种外科手术器械领域，对应的，超声刀可以为超声止血刀、超声骨刀、超声清创刀(例如用于眼科)、超声吸引刀等。应理解，本公开实施例对超声刀的类型和应用领域、以及超声刀所切割的生物组织均不作具体限定。
图1示出根据本公开一实施例的一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。该系统可以应用于上述超声刀设备，如图1所示，该系统包括：
第一数据采集电路101，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据；
第一控制电路102，用于：基于相位差数据生成相位差变化曲线，并检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，第一相位差突变特征表征相位差变化曲线出现突变；在相位差变化曲线出现第一相位差突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割。
在实际应用中，第一控制电路102可以向超声刀中的超声换能器提供特定频率的输入电流和输入电压，以驱动超声换能器产生所需的超声波振动。第一数据采集电路101可以对超声换能器的输入电流和输入电压进行采样与信号放大处理，再将采样放大后的电流信号和电压信号输入过零比较电路，得到分别电流信号对应的电流方波信号以及电压信号对应的电压方波信号，进而可以通过测量电流方波信号和电压方波信号之间的延迟，得到相位差。由此，上述第一数据采集电路101可以包括：
信号采样单元，用于对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对采样电流信号与采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将放大电流信号与放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到采样电流信号对应的电流方波信号以及采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，相位差数据表征采样电流信号与采样电压信号之间的相位差。
在超声刀切割组织过程中，信号采样单元可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据。
应理解，本公开实施例对于第一数据采集电路101中各个单元的具体电路结构不作限制，只要能实现各自所需实现的功能即可。例如，信号放大单元可以采用本领域已知的信号放大器实现信号放大处理；过零比较单元可以采用本领域已知的过零比较电路；相位差计算单元可以采用本领域已知的滤波器实现滤波处理，对此本公开实施例不作限制。
可知晓，通过单次采样所得出采样电压信号、采样电流信号等采样数据会包含随机误差，因此可以通过滤波器对相位差进行滤波处理，从而减小相位差中的随机噪声干扰，同时能保留组织切割过程中相位差的变化特征，有利于提高利用相位差数据进行切割完成状态的检测准确度。在实际应用中，滤波器中可以采用本领域已知的平滑算法实现滤波处理。其中，平滑算法例如可以包括但不限于限幅滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波。例如，滤波器可以具体采用公式(1)示出的滑动平均滤波：
其中，T代表滤波器长度，x(t)代表当前时刻待滤波的原始数据(如上述相位差)，y(t)代表滤波后的数据，t代表当前时刻，y(t-1)代表上一时刻的滤波后的数据，x(t-T)代表当前时刻t之前的T个时刻的原始数据。
如上所述，在超声刀切割组织过程中，可以通过第一数据采集电路101实时采集到每个采样时刻下的相位差数据，由此，第一控制电路102可以以采样时刻(或者说时间序列)为横坐标，以实时采集的每个采样时刻下的相位差数据为纵坐标，生成相位差变化曲线。应理解，相位差变化曲线是随着超声刀切割组织中实时采集的相位差数据进行更新的。
在实际应用中，第一控制电路102可以实时检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，当然也可以是每间隔一定时长(例如每间隔5秒)执行一次检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，对此本公开实施例不作限制。
可理解，相位差变化曲线可以反映超声刀切割组织过程中产生相位差的变化情况，图2示出一种组织切割过程中的相位差变化曲线，如图2所示，当超声刀处于稳定切割状态，也即超声刀切割组织时的散热条件、负载保持不变或变换缓慢的情况下，相位差变化曲线的波形是稳定的，或者说没有显著变化的，而一旦超声刀完成组织切割(或者说切断组织)时，超声刀的负载将发生变化，可能由较大负载变为较小负载甚至没有负载，或也可能使负载变得更大(例如当超声刀切割软组织时，刀头与组织之间摩擦小，而一旦软组织切断时，软组织与刀头钳口的胶垫摩擦，此时可能产生较大摩擦，而使得负载变得更大)，此时相位差变化曲线会产生显著的突变，因此，第一控制电路102可以通过检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，来判断超声刀是否完成组织切割。
在一种可能的实现方式中，第一相位差突变特征可以包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且上升区间或下降区间的区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值。通过该方式，可以实现较高精度的突变特征检测。
在实际应用中，可以通过计算曲线上任一点附近的斜率值是正数还是负数，得到该点附近的变化趋势，例如，可以利用曲线上任一点以及与该点相邻的下一点的横坐标和纵坐标，计算该点附近的斜率值，也就得到该点附近的斜率值是正数还是负数；还可以通过直接将该点的纵坐标与下一点的纵坐标进行比较，如果下一点的纵坐标大于该点的纵坐标，则该点对应的斜率值为正数，反之，则该点对应的斜率值为负数。如果某一点附近的斜率值为正数，则该点附近呈上升趋势；如果某一点附近的斜率值为负数，则该点附近呈下降趋势；如果某一点对应的斜率值为零，则该点附近为平坦趋势。应理解，在一个上升区间中的点的斜率值都为正数，在一个下降区间内点的斜率值都为负数，如果区间内存在个别的抖动点，则可以通过滤波处理进行过滤掉，由此，可以通过统计斜率值连续为正数的点，得到上升区间，以及统计斜率值连续为负数的点，得到下降区间。
在检测出相位差变化曲线出现上升区间或下降区间后，可以通过计算区间左右端点所对应的横坐标(也即时刻)之差，得到区间长度；可以通过计算区间内的最大相位差数据(也即最大纵坐标)与最小相位差数据(也即最小纵坐标)之间的差值，得到区间内相位差变化幅度；以及，可以采用本领域已知的斜率计算方式，例如两点式斜率计算方式、最小二乘法式斜率计算方式等，计算区间内曲线斜率以及计算曲线上任一点附近的斜率值，对此本公开实施例不作限制。
示例性地，公式(2)示出一种两点式斜率计算方式，利用公式(2)可以计算区间内曲线斜率以及计算曲线上任一点附近的斜率值。
k(m,n)＝[ym-yn]/[xm-xn] (2)
其中，n和m可以分别代表上升区间或下降区间的左端点和右端点，也可以分别代表曲线上任一点以及该点相邻的下一点，k(n,m)可以代表区间[n,m]内的曲线斜率或者点n对应的斜率值，xm和xn分别为点m和点n对应的横坐标，ym和yn分别为点m和点n对应的纵坐标。
示例性地，公式(3)示出一种最小二乘法式斜率计算方式，利用公式(3)可以计算区间内曲线斜率以及计算曲线上任一点附近的斜率值。
其中，xi代表区间[n,m]内第i个点的横坐标，yi代表区间[n,m]内第i个点的纵坐标，x′代表区间内各点的横坐标的均值，y′代表区间内各点的纵坐标的均值。
在计算出上升区间或下降区间的区间长度、区间内曲线斜率以及区间内相位差变化幅度后，可以分别判断区间长度是否达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值是否大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度是否大于第一幅度阈值，并在区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值且区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值的情况下，确定相位差变化曲线出现显著突变，此时代表超声刀负载发生变化，也即超声刀完成组织切割。
可选地，除了上述在区间长度、区间内曲线斜率的绝对值以及区间内相位差变化幅度分别满足各自对应阈值要求的情况下，确定超声刀完成组织切割，也可以在相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间满足区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值、区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值中的至少一种时，确定超声刀完成组织切割。也即，第一相位差突变特征也可以包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间满足以下至少一种条件：区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值、区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值。
应理解，本领域技术人员可以根据实际需求自定义第一长度阈值、第一斜率阈值与第一幅度阈值的具体数值，例如，第一长度阈值的取值范围可以是4～50，第一斜率阈值的取值范围可以是0.1～0.8，第一幅度阈值的取值范围可以是9～16°，本公开实施例对于第一长度阈值、第一斜率阈值与第一幅度阈值的具体数值不作限制。在实际应用中，如果原始的数据(如曲线斜率、区间长度或区间内相位差变化幅度)乘以了某个系数，则该数据对应的阈值(如第一斜率阈值、第一长度阈值或第一幅度阈值)的取值范围同样乘以该系数，下文中各个阈值也是如此，不再赘述。
考虑到，超声刀刚开始切割组织时的负载是不稳定的，此时可能出现上述第一相位差突变特征，因此若从超声刀刚开始切割组织时就检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，可能会出现误判，即出现当超声刀刚开始切割组织就确认超声刀完成组织切割的误判情况，为了避免出现上述误判情况对手术过程产生影响，在一种可能的实现方式中，第一控制电路102可以在超声刀开始切割组织后，先检测超声刀是否进入稳定切割状态，并在检测到超声刀进入稳定切割状态时，执行上述检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。通过该方式，可以避免出现由于超声刀刚开始切割组织时的负载不稳定所产生的误判情况，有利于精准地检测出超声刀切割组织完成状态。
其中，可以利用超声刀开始切割后所采集的相位差数据与阻抗值数据，实现检测超声刀是否进入稳定切割状态，具体地，在一种可能的实现方式中，第一数据采集电路101还用于采集超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；
第一控制电路102还用于：在超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，预设稳定条件包括：N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值且N个采样时刻的阻抗值数据满足预设稳定条件的情况下，确定超声刀进入稳定切割状态，并执行检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。
如上所述，第一数据采集电路101包括信号采集单元和信号放大单元，利用信号采集单元与信号放大单元可以得到采样电流信号对应的放大电流信号以及采样电压信号对应的放大电压信号。为了得到上述阻抗值数据，在一种可能的实现方式中，第一数据采集电路101还可以包括：
有效值计算单元，用于将放大电流信号与放大电压信号输入至有效值计算电路，得到电流输出信号以及电压输出信号；
阻抗值计算单元，用于对电流输出信号与电压输出信号分别进行模数转换处理以及滤波处理，得到电流值与电压值，并将电压值除以电流值，得到阻抗值数据，其中，阻抗值数据表征采样电流信号与采样电压信号下的阻抗值。
其中，将电压值U除以电流值I，得到阻抗值数据R可以表示为公式
应理解，本公开实施例对于上述有效值计算单元与阻抗值计算单元的具体电路结构不作限制，只要能实现各自所需实现的功能即可。例如，有效值计算单元可以采用本领域已知的有效值计算电路；阻抗值计算单元中可以采用本领域已知的模数转换器(即AD转换器)实现模数转换处理，以及采用本领域已知的滤波器实现滤波处理，对此本公开实施例不作限制。
如上所述，第一数据采集电路101可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据与阻抗值数据。进而第一控制电路102可以在超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，当连续N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值时可以认为是相位差稳定，当N个采样时刻的阻抗值数据满足上述预设稳定条件时可以认为是阻抗稳定，当相位差稳定且阻抗稳定时，可以认为超声刀进入稳定切割状态，并可以执行上述检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。
应理解，本领域技术人员可以根据实际需求自定义N、第一预设阈值、第二预设阈值与指定百分比的具体数值，例如，N的取值范围可以是5～100，第一预设阈值可以取4°，第二预设阈值的取值范围可以是9～100欧姆Ω、指定百分比的取值范围可以是0～20％，本公开实施例对于N、第一预设阈值、第二预设阈值与指定百分比的具体数值不作限制。
在实际应用中，当第一控制电路102确定超声刀完成组织切割时，可以提醒用户组织切割完成，例如可以通过提示灯、提示音等方式来提醒用户，还可以采取相关的措施来保护超声刀刀头，例如降低超声刀的输出功率等，其中，输出功率的降低范围可以根据组织剪切情况或者当前电流水平来决定，例如可以设置为降低50％的输出功率。也即，第一控制电路102还可以用于：在确定超声刀完成组织切割的情况下，降低超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示。其中，可以通过降低超声刀的输入电流(或者说控制电流)来降低超声刀的输出功率；提示装置例如可以是提示灯、发声装置(如喇叭)等，以向用户发出切割完成提示。通过该方式，能够在识别到组织切割完成时立即向用户发出提示，有利于保证手术的效果、减少病人的热损伤，又能保护超声刀、减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。
考虑到，实际应用中超声刀切割组织的负载情况多样，有可能出现检测出相位差变化曲线出现第一相位差突变特征后，用户仍在继续切割组织的情况，由此，在一种可能的实现方式中，第一控制电路102还可以用于：在提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复超声刀的输出功率。其中，可以通过恢复原本大小的输入电流来实现恢复超声刀的输出功率。通过该方式，可以即时纠正组织切割完成状态的误判情况，降低完成状态误判情况对手术过程的影响。
应理解，本领域技术人员可以根据实际需求自定义指定时长的具体数值，例如指定时长的取值范围可以是1～10秒，对此本公开实施例不作限制。在实际应用中，若在超出切割完成提示的指定时长外，医生仍未松开按压在超声刀主机的能量驱动电路的开关上的手指(也即能量驱动开关未断开)，则超声刀会一直处于工作状态从而会发生干切现状而导致超声刀头损坏，由此可以直接基于超声刀主机的能量驱动电路，通过识别能量驱动电路上的能量驱动开关是否断开，来判断超声刀是否仍未停止切割组织。
根据本公开实施例的上述检测系统，可以利用相位差数据自动高效地检测出超声刀完成组织切割时的切割完成状态，相较于现有利用传感器系统的检测方式，具有更低的硬件成本、更高的可靠性和准确率，且相较于利用单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据的检测方式，能够适应于更广泛的负载情况，具有更高的检测准确率，从而有利于提高手术效率，延迟超声刀使用寿命。
图3示出根据本公开一实施例的另一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。该系统可以应用于上述超声刀设备，如图3所示，该系统包括：
第二数据采集电路201，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据以及工作频率数据；
第二控制电路202，用于：基于相位差数据以及工作频率数据，分别生成相位差变化曲线以及工作频率变化曲线，并检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；第二相位差突变特征表征相位差变化曲线出现突变，频率突变特征包括：工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；在相位差变化曲线与工作频率变化曲线在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割。
在实际应用中，第二控制电路202可以向超声刀中的超声换能器提供特定频率的输入电流和输入电压，以驱动超声换能器产生所需的超声波振动。第二数据采集电路201可以对超声换能器的输入电流和输入电压进行采样与信号放大处理，再将采样放大后的电流信号和电压信号输入过零比较电路，得到分别电流信号对应的电流方波信号以及电压信号对应的电压方波信号，进而可以通过测量电流方波信号和电压方波信号之间的延迟，得到相位差，以及通过测量电流方波信号或电压方波信号的信号周期，得到工作频率。
由此，第二数据采集电路201可以包括：
信号采样单元，用于对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对采样电流信号与采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将放大电流信号与放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到采样电流信号对应的电流方波信号以及采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，相位差数据表征采样电流信号与采样电压信号之间的相位差；
频率计算单元，用于测量电流方波信号或电压方波信号的信号周期，对信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，工作频率数据表征采样电流信号与采样电压信号下的超声刀的工作频率。
在超声刀切割组织过程中，信号采样单元可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据和工作频率数据。
可知晓，电流方波信号与电压方波信号的信号周期通常是一致的，频率为周期的倒数，因此可以通过测量电流方波信号或电压方波信号的信号周期来计算工作频率。由于超声刀处于谐振频率下的电能转换成机械能的效率最高，因此超声刀通常工作在谐振频率下，工作频率可以包括谐振频率，谐振频率可以理解为相位差为0时的工作频率。
在实际应用中，由于超声刀切割组织过程中的负载可能会变化，因此超声刀的工作频率也会变化，为了使超声刀保持谐振频率，可以在组织切割过程中周期性(周期的取值范围例如可以是3～20ms)调整输入电流的频率，也即周期性进行追频操作，以使输入电流和输入电压的相位差保持为0，也即以使超声刀保持谐振频率。示例性地，公式(4)示出追频操作中的一种频率调整方式。
F＝FS+ Δ f (4)
其中，FS为上一时刻的谐振频率，F为当前时刻的谐振频率(也即调整后的谐振频率)，Δf为频率增量，Δf可以根据实际采集到的相位差数据经过PID算法来确定。
应理解，本公开实施例对于第二数据采集电路201中各个单元的具体电路结构不作限制，只要能实现各自所需实现的功能即可。其中，可以参照上述第一数据采集电路101，实现第二数据采集电路201中的信号采样单元、信号放大单元、过零比较单元以及相位差计算单元，在此不做赘述。对于频率计算单元可以采用本领域已知的滤波器实现对信号周期的滤波处理，对此本公开实施例不作限制。
可知晓，通过单次采样所得出采样电压信号、采样电流信号等采样数据会包含随机误差，因此可以通过滤波器对相位差与信号周期进行滤波处理，从而减小相位差与信号周期中的随机噪声干扰，同时能够保留组织切割过程中相位差与信号周期的变化特征，有利于提高利用相位差数据和工作频率数据进行切割完成状态的检测准确度。其中，本公开实施例中使用的滤波器可以采用本领域已知的平滑算法实现滤波处理，平滑算法例如可以包括但不限于限幅滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波等。
如上所述，在超声刀切割组织过程中，可以通过第二数据采集电路201实时采集到每个采样时刻下的相位差数据和工作频率数据，由此，第二控制电路202可以以采样时刻(或者说时间序列)为横坐标，以实时采集的每个采样时刻下的相位差数据为纵坐标，生成相位差变化曲线，以及以实时采集的每个采样时刻下的工作频率数据为纵坐标，生成频率变化曲线。应理解，相位差变化曲线与频率变化曲线分别是随着超声刀切割组织中实时采集的相位差数据和工作频率数据进行更新的。
在实际应用中，第二控制电路202可以实时检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，当然也可以是每间隔一定时长(例如每间隔5秒)执行一次检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，对此本公开实施例不作限制。
可理解，相位差变化曲线可以反映超声刀切割组织过程中产生相位差的变化情况，频率变化曲线可以反映超声刀切割组织过程中产生工作频率的变化情况。图4示出一种组织切割过程中的相位差变化曲线与工作频率变化曲线的示意图，如图4所示，当超声刀处于稳定切割状态，也即超声刀切割组织时的散热条件、负载保持不变或变换缓慢的情况下，相位差变化曲线的波形是稳定的，或者说没有显著变化的，工作频率变化曲线的波形也是平稳变化的或者说稳定地呈下降趋势，而一旦超声刀完成组织切割(或者说切断组织)时，超声刀的负载将发生变化，此时相位差变化曲线会产生明显突变，工作频率变化曲线的波形变化趋势发生改变，例如图4中工作频率变化曲线出现了一段平台趋势，因此，第二控制电路202可以通过检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，来判断超声刀是否完成组织切割。
在一种可能的实现方式中，第二相位差突变特征包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间的区间长度达到第二长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第二斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第二幅度阈值。通过该方式，可以实现较高精度的相位差突变特征检测。
可选地，第二相位差突变特征也可以包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间满足以下至少一种条件：区间长度达到第二长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第二斜率阈值、区间内相位差变化幅度大于第二幅度阈值。也即，还可以在相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间满足区间长度达到第二长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第二斜率阈值、区间内相位差变化幅度大于第二幅度阈值中的至少一种时，确定相位差变化曲线出现第二相位差突变特征。
其中，第二控制电路201可以参照上述第一控制电路101中提供的上升区间与下降区间的确定方式以及区间长度、区间内曲线斜率与区间内相位差变化幅度的计算方式，来实现检测相位差变化曲线是否出现第二相位差突变特征，在此不赘述。
应理解，第二相位差突变特征与上述第一相位差突变特征可以相同，也可以不同；本领域技术人员可以根据实际需求自定义第二相位差突变特征中的第二长度阈值、第二斜率阈值与第二幅度阈值的具体数值，例如，第二长度阈值的取值范围可以是4～50，第二斜率阈值的取值范围可以是0.1～0.8，第二幅度阈值的取值范围可以是5～9°，本公开实施例对于第二长度阈值、第二斜率阈值与第二幅度阈值的具体数值不作限制。
在实际应用中，超声刀在稳定切割状态下工作频率通常是整体呈平稳的下降趋势，当切割负载发生变化时，工作频率的变化趋势可能由下降趋势变为平台趋势，或由下降趋势变为上升趋势。由此，本公开实施例中的工作频率变化趋势可以包括：工作频率下降趋势；工作频率变化趋势发生改变可以包括：由下降趋势变为平台趋势，或，由下降趋势变为上升趋势。
其中，由下降趋势变为平台趋势包括：工作频率变化曲线出现平台区间，平台区间内曲线斜率的绝对值小于第三斜率阈值、区间长度达到第三长度阈值且平台区间的前端点和/或后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值；由下降趋势变为上升趋势包括：工作频率变化曲线出现上升区间，工作频率变化曲线出现的上升区间的区间长度达到第四长度阈值且工作频率变化曲线出现的上升区间内的曲线斜率大于第五斜率阈值。
其中，平台区间的前端点和/或后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值可以包括：平台区间的前端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值，或者，平台区间的后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值，或者，平台区间的前端点和后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值。其中，采用平台区间的前端点和后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值的方式来检测平台区间的检测精度更高。
应理解，本领域技术人员可以根据实际需求自定义第三斜率阈值、第三长度阈值、第四斜率阈值、第四长度阈值以及第五斜率阈值的具体数值，例如，第三斜率阈值的取值范围可以是0～0.18、第三长度阈值的取值范围可以是4～50、第四斜率阈值的取值范围可以是0.4～10、第四长度阈值的取值范围可以是4～50、第五斜率阈值的取值范围可以是0.2～10，对此本公开实施例不作限制。
其中，平台区间内曲线斜率的绝对值小于第三斜率阈值可以理解为平台区间内连续多个点的斜率值为某个预设斜率值(例如该预设斜率值的取值范围可以是-0.1～0.1)；区间长度达到第三长度阈值可以理解为平台区间的区间跨度长，区间跨度长可以是区间内点的个数大于某个数量阈值(例如该数量阈值的取值范围可以是10～100)，也就是说，可以通过判断区间内连续多个点的斜率值是否为预设斜率值、区间内点的个数是否大于数量阈值以及区间的前端点和/或后端点对应的斜率值的绝对值是否大于第四斜率阈值，来检测工作频率变化曲线是否出现上述平台区间，若出现上述平台区间则认为频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变。
如上所述，一个上升区间中的点的斜率值都为正数，由此，可以通过计算曲线上各个点的斜率值来检测工作频率变化曲线是否出现上升区间，在检测到工作频率变化曲线出现上升区间后，可以检测上升区间的区间长度是否达到第四长度阈值且检测上升区间内的曲线斜率是否大于第五斜率阈值，并在上升区间的区间长度达到第四长度阈值且上升区间内的曲线斜率大于第五斜率阈值的情况下，确定频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变。
其中，在相位差变化曲线与工作频率变化曲线在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割，可以理解为是在第二相位差突变特征与频率突变特征出现在同一时段的情况下，确定超声刀完成组织切割，也就是说，若第二相位差突变特征与频率突变特征出现在不同时段，则认为超声刀未完成组织切割。通过该方式，能够综合利用相位差数据与工作频率数据，实现更精准地检测出超声刀的切割完成状态，相较于依靠单一的工作频率数据的检测方式，可以适用更广泛的负载情况，从而有更高的检测准确率。
其中，同一时段可以是第二相位差突变特征所在区间与频率突变特征所在区间在横坐标上存在重叠或者接近。其中，接近可以是以先出现的区间的终点(也即区间的后端点)与后出现的区间的起点(也即区间的前端点)的横坐标之间差值的绝对值小于第八预设阈值，该第八预设阈值的取值范围例如可以为0～20。示例性地，假设第二相位差突变特征先出现，频率突变特征后出现，则可以在第二相位差突变特征所在区间的后端点的横坐标与频率突变特征所在区间的前端点的横坐标之间差值的绝对值小于第八预设阈值时，认为第二相位差突变特征与频率突变特征出现在同一时段；当然，也可以在第二相位差突变特征所在区间与频率突变特征所在区间在横坐标上存在重叠时，认为第二相位差突变特征与频率突变特征出现在同一时段。例如，图4中示出的相位差变化曲线与频率变化曲线在同一时段分别出现了第二相位差突变特征与频率突变特征，此时认为超声刀完成组织切割。
如上所述，第二相位差突变特征与第一相位差突变特征可以不同，以及在上图1示出的检测系统中可以仅通过检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，来决定超声刀是否完成组织切割，由此，可以设置第一相位差突变特征所表征的突变程度大于第二相位差突变特征所表征的突变程度，并可以先执行检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，若已出现第一相位差变化特征，则可以直接判定超声刀完成组织切割，若未出现第一相位差变化特征，则执行上述检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。由此，在一种可能的实现方式中，第二控制电路202还可以用于：
检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征；在相位差变化曲线未出现第一相位差突变特征的情况下，执行检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征；或，在相位差变化曲线出现第一相位差突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割。
如上所述，一旦超声刀完成组织切割时，由于切割负载的突变，会使得相位差变化曲线产生突变，但由于负载情况的多样，可能出现相位差变化曲线的突变程度不符合第一相位差突变特征的情况，但此时超时刀可能确实已完成组织切割，由此，为了提高切割完成状态的检测准确率，可以再结合频率变化曲线与相位差变化曲线检测切割完成状态，以更准确地实现切割完成状态检测；如果相位差突变的程度已符合第一相位差突变特征，则可以直接确定超声刀完成组织切割，这样可以提高了切割完成状态的检测效率。
应理解，第二控制电路202可以参照上述第一控制电路102中检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征的实现方式，实现检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，在此不做赘述。
如上所述，超声刀刚开始切割组织时的负载是不稳定的，此时可能在同一时段内出现上述第二相位差突变特征与频率突变特征，因此若从超声刀刚开始切割组织时就检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，可能会出现误判，即出现当超声刀刚开始切割组织就确认超声刀完成组织切割的误判情况，为了避免出现上述误判情况对手术过程产生影响，在一种可能的实现方式中，第二控制电路202可以在超声刀开始切割组织后，先检测超声刀是否进入稳定切割状态，并在检测到超声刀进入稳定切割状态时，执行上述检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。通过该方式，可以避免出现上述由于超声刀刚开始切割组织时的负载不稳定所产生的误判情况，有利于精准地检测出超声刀切割组织完成状态。
其中，可以利用超声刀开始切割后所采集的相位差数据与阻抗值数据，实现检测超声刀是否进入稳定切割状态，具体地，在一种可能的实现方式中，第二数据采集电路201还用于采集超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；
第二控制电路202还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，预设稳定条件包括：N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足预设稳定条件的情况下，确定超声刀进入稳定切割状态，并执行检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。
如上所述，第二数据采集电路201包括信号采集单元和信号放大单元，利用信号采集单元与信号放大单元可以得到采样电流信号对应的放大电流信号以及采样电压信号对应的放大电压信号。为了得到上述阻抗值数据，在一种可能的实现方式中，第二数据采集电路201还可以包括：
有效值计算单元，用于将放大电流信号与放大电压信号输入至有效值计算电路，得到电流输出信号以及电压输出信号；
阻抗值计算单元，用于对电流输出信号与电压输出信号分别进行模数转换处理以及滤波处理，得到电流值与电压值，并将电压值除以电流值，得到阻抗值数据，其中，阻抗值数据表征采样电流信号与采样电压信号下的阻抗值。
如上所述，第二数据采集电路201可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据与阻抗值数据。进而第二控制电路202可以在超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，当连续N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值可以认为是相位差稳定，当N个采样时刻的阻抗值数据满足上述预设稳定条件可以认为是阻抗稳定，当相位差稳定且阻抗稳定时，可以认为超声刀进入稳定切割状态，并可以执行上述检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。
如上所述，第二控制电路202还可以先检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，并在相位差变化曲线未出现第一相位差突变特征的情况下，执行检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征。由此，第二控制电路202还可以在确定超声刀进入稳定切割状态时，执行上述检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，也即可以在N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足预设稳定条件的情况下，确定超声刀进入稳定切割状态，并执行检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。
在实际应用中，当第二控制电路202确定超声刀完成组织切割时，可以提醒用户组织切割完成，例如可以通过提示灯、提示音等方式来提醒用户，还可以采取相关的措施来保护超声刀刀头，例如降低超声刀的输出功率等，其中，输出功率的降低范围可以根据组织剪切情况或者当前电流水平来决定，例如可以设置为降低50％的输出功率。也即，第二控制电路202还可以用于：在确定超声刀完成组织切割的情况下，降低超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示。其中，可以通过降低超声刀的输入电流(或者说控制电流)来降低超声刀的输出功率；提示装置例如可以是提示灯、发声装置(如喇叭)等，以向用户发出切割完成提示。通过该方式，能够在识别到组织切割完成时立即向用户发出提示，有利于保证手术的效果、减少病人的热损伤，又能保护超声刀、减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。
考虑到，实际应用中超声刀切割组织的负载情况多样，有可能出现检测出相位差变化曲线与频率变化曲线在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，但用户仍在继续切割组织的情况，由此，在一种可能的实现方式中，第二控制电路202还可以用于：在提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复超声刀的输出功率。其中，可以通过恢复原本大小的输入电流来实现恢复超声刀的输出功率。通过该方式，可以即时纠正组织切割完成状态的误判情况，降低完成状态误判情况对手术过程的影响。
根据本公开实施例的上述检测系统，可以综合利用相位差数据与工作频率数据自动高效地检测出超声刀完成组织切割时的切割完成状态，相较于现有利用传感器系统的检测方式，具有更低的硬件成本、更高的可靠性和准确率，且相较于利用单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据的检测方式，能够适应于更广泛的负载情况，具有更高的检测准确率，从而有利于提高手术效率，延迟超声刀使用寿命。
图5示出根据本公开一实施例的又一种超声刀切割组织完成状态检测系统的框图。该系统可以应用于上述超声刀设备，如图5所示，该系统包括：
第三数据采集电路301，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据；
第三控制电路302，用于：基于相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据，分别生成相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线；基于相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线，检测超声刀是否完成组织切割。
在实际应用中，第三控制电路302可以向超声刀中的超声换能器提供特定频率的输入电流和输入电压，以驱动超声换能器产生所需的超声波振动。第三数据采集电路301可以对超声换能器的输入电流和输入电压进行采样与信号放大处理，再将采样放大后的电流信号和电压信号输入过零比较电路，得到分别电流信号对应的电流方波信号以及电压信号对应的电压方波信号，进而可以通过测量电流方波信号和电压方波信号之间的延迟，得到相位差，以及通过测量电流方波信号或电压方波信号的信号周期，得到工作频率，以及通过采样放大后的电流信号和电压信号输入有效值计算电路，并进行模数转换以及滤波处理，得到电压值和电流值，进而用电压值除以电流值来得到阻抗值数据。由此，第三数据采集电路301可以包括：
信号采样单元，用于对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对采样电流信号与采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将放大电流信号与放大电压信号输入至过零比较电路，得到采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差；
频率计算单元，用于测量电流方波信号或电压方波信号的信号周期，对信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，工作频率数据表征采样电流信号与采样电压信号下的超声刀的工作频率；
有效值计算单元，用于将放大电流信号与放大电压信号输入至有效值计算电路，得到电流输出信号以及电压输出信号；
阻抗值计算单元，用于对电流输出信号与电压输出信号分别进行模数转换处理以及滤波处理，得到电流值与电压值，并将电压值除以电流值，得到阻抗值数据，阻抗值数据表征所述采样电流信号与采样电压信号下的阻抗值。
在超声刀切割组织过程中，信号采样单元可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据。
应理解，本公开实施例对于第三数据采集电路301中各个单元的具体电路结构不作限制，只要能实现各自所需实现的功能即可。其中，可以参照上述第二数据采集电路201，实现第三数据采集电路301中信号采样单元、信号放大单元、过零比较单元、相位差计算单元、有效值计算单元以及阻抗值计算单元，在此不赘述。
可知晓，通过单次采样所得出采样电压信号、采样电流信号等采样数据会包含随机误差，因此可以通过滤波器对相位差、信号周期以及电流输出信号与电压输出信号进行滤波处理，从而减小随机噪声干扰，同时能够保留组织切割过程中相位差、信号周期以及阻抗值的变化特征，有利于提高利用相位差数据、工作频率数据和阻抗值数据进行切割完成状态的检测准确度。其中，本公开实施例中使用的滤波器可以采用本领域已知的平滑算法实现滤波处理，平滑算法例如可以包括但不限于限幅滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波等。
如上所述，在超声刀切割组织过程中，可以通过第三数据采集电路301实时采集到每个采样时刻下的相位差数据、工作频率数据与阻抗值数据，由此，第三控制电路302可以以采样时刻(或者说时间序列)为横坐标，以实时采集的每个采样时刻下的相位差数据为纵坐标生成相位差变化曲线，以实时采集的每个采样时刻下的工作频率数据为纵坐标生成频率变化曲线，以及以实时采集的每个采样时刻的阻抗值数据为纵坐标生成阻抗值变化曲线。应理解，相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线分别是随着超声刀切割组织中实时采集的相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据进行更新的。
在实际应用中，第三控制电路302可以实时基于相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线，检测超声刀是否完成组织切割，当然也可以是每间隔一定时长(例如每间隔5秒)执行一次基于相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线，判断超声刀是否完成组织切割，对此本公开实施例不作限制。
可理解，相位差变化曲线可以反映超声刀切割组织过程中产生相位差的变化情况，频率变化曲线可以反映超声刀切割组织过程中产生工作频率的变化情况，阻抗值变化曲线可以反映超声刀切割组件过程中产生的阻抗值数据的变化情况。图6示出一种组织切割过程中的相位差变化曲线、工作频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图，如图6所示，当超声刀处于稳定切割状态，也即超声刀切割组织时的散热条件、负载保持不变或变换缓慢的情况下，相位差变化曲线的波形是稳定的，工作频率变化曲线的波形也是平稳变化或者说稳定地呈下降趋势，而一旦超声刀完成组织切割(或者说切断组织)时，超声刀的负载将发生变化，此时阻抗值变化曲线、相位差变化曲线以及频率变化曲线分别会产生明显突变，例如，图6中频率变化曲线出现明显的上升区间、相位差变化曲线也出现明显的上升区间以及阻抗值变化曲线出现明显的下降区间，因此，第三控制电路302可以通过检测相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线是否分别出现突变特征，来判断超声刀是否完成组织切割。
考虑到，当超声刀切割薄的软组织(例如猪大肠)时，由于薄的软组织产生的负载较小，稳定切割状态和切割完成状态时的负载差异不够明显，使得超声刀切断薄的软组织时相位变化曲线、工作频率变化曲线无明显变化，而当超声刀切割的是厚的软组织(如猪肚)时，由于厚的软组织产生的负载较大，使得超声刀切断厚的软组织时相位变化曲线、工作频率变化曲线会产生突变，例如，图7示出一种薄的软组织切割过程中相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图，图8示出一种厚的软组织切割过程中相位差变化曲线、频率变化曲线与阻抗值变化曲线的示意图，如图7和图8所示，超声刀切断薄的软组织时的相位差变化曲线和工作频率变化曲线相较于切断厚的软组织来说的突变不够明显，因此可以在利用相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线检测超声刀是否完成组织切割之前，先检测超声刀所切割的组织是薄的软组织还是厚的软组织，再针对薄的软组织与厚的软组织采取不同的切割完成状态检测方式。
由此，在一种可能的实现方式中，第三控制电路302还可以用于：检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值，M为正整数；在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均小于第六预设阈值的情况下，可以确定超声刀切割的组织为薄的软组织；在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均大于或等于第六预设阈值的情况下，可以确定超声刀切割的组织为厚的软组织。应理解，本领域技术人员可以自定义M和第六预设阈值的具体数值，例如，M的取值范围可以是10～40，第六预设阈值的取值范围可以是100～180Ω，对此本公开实施例不作限制。
基于此，在一种可能的实现方式中，第三控制电路302基于相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线，检测超声刀是否完成组织切割，可以包括：
在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均小于第六预设阈值的情况下，确定超声刀切割的组织为薄的软组织，并检测阻抗值变化曲线是否出现阻抗突变特征，阻抗突变特征包括：阻抗值变化曲线出现上升区间或下降区间，且阻抗值变化曲线出现的上升区间或下降区间内的阻抗值变化幅度大于第三幅度阈值；
在阻抗值变化曲线出现阻抗突变特征，且相位差变化曲线在阻抗值突变时段内满足第一预设条件以及工作频率变化曲线在阻抗值突变时段内的满足第二预设条件的情况下，确定超声刀完成组织切割；
其中，阻抗值突变时段包括阻抗值变化曲线出现阻抗突变特征时的上升区间或下降区间所对应的时段；第一预设条件包括：阻抗值突变时段内的相位差数据均小于第七预设阈值；第二预设条件包括：阻抗值突变时段内的工作频率变化幅度大于第四幅度阈值，和/或，阻抗值突变时段内的曲线斜率小于第六斜率阈值。
其中，上升区间或下降区间内的阻抗值变化幅度可以理解为区间内最大阻抗值与最小阻抗值之间的差值；阻抗值突变时段内的工作频率变化幅度可以理解为阻抗值突变时段内最大工作频率与最小工作频率之间的差值。
应理解，本领域技术人员可以根据实际需求自定义第三幅度阈值、第七预设阈值、第四幅度阈值以及第六斜率阈值的具体数值，例如，第三幅度阈值的取值范围可以是20～50Ω，第七预设阈值的取值范围可以是-7～-15°，第四幅度阈值的取值范围可以是40～100赫兹Hz，第六斜率阈值的取值范围可以是-10～-0.4，对此本公开实施例不作限制。
上述针对薄的软组织的切割完成状态检测过程，可以理解为，在检测到超声刀正在切割薄的软组织后，如果阻抗值变化曲线出现明显的上升区间或者下降区间，且上升区间或下降区间内的阻抗值变化幅度大于第三幅度阈值，且相位差数据连续小于第七预设阈值，且工作频率数据的最大值与最小值之间的差值大于第四幅度阈值和/或工作频率数据对应的斜率值小于第六斜率阈值时，则确定超声刀完成组织切割。通过该方式，能够综合利用相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据实现对薄的软组织的切割完成状态检测，相较于仅适用单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据，针对薄的软组织具有更高的检测准确率。
如上所述，超声刀还可能在切割厚的软组织，由于厚的软组织在切断时，相位差变化曲线与工作频率变化曲线会有突变，因此可以参照上述第一控制电路102或第二控制电路202执行的检测方式，实现对厚的软组织的切割完成状态检测，也即，上述第三控制电路302基于相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线，判断超声刀是否完成组织切割，还可以包括：
在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均大于或等于第六预设阈值的情况下，确定超声刀切割的组织为厚的软组织，并执行检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，第一相位差突变特征表征相位差变化曲线出现突变；在相位差变化曲线出现第一相位差突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割；或者，
执行检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；第二相位差突变特征表征相位差变化曲线出现突变，频率突变特征包括：工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；在相位差变化曲线与工作频率变化曲线在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征的情况下，确定超声刀完成组织切割。
应理解，第三控制电路302可以参照上述第一控制电路102中检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征的实现方式，实现检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征；以及，第三控制电路302还可以参照上述第二控制电路202中检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征的实现方式，实现检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，在此不做赘述。
上述针对厚的软组织的切割完成状态检测过程，可以理解为，在检测出超声刀切割的是厚的软组织的情况下，可以通过检测相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征或检测相位差变化曲线与工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征，判断超声刀是否完成组织切割，通过该方式，可以针对厚的软组织高效准确地检测出切割完成状态。
考虑到，超声刀刚开始切割组织时的负载是不稳定的，若从超声刀刚开始切割组织时就检测超声刀切割的组织是薄的软组织还是厚的软组织，可能会出现软组织类型的误判，从对后续组织切割完成状态的检测产生影响，由此，在一种可能的实现方式中，第三控制电路302可以在超声刀开始切割组织后，先检测超声刀是否进入稳定切割状态，并在检测到超声刀进入稳定切割状态时，执行上述检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值。通过该方式，可以避免出现由于超声刀刚开始切割组织时的负载不稳定所产生的软组织类型的误判情况，从而有利于精准地检测出超声刀切割组织完成状态。
其中，可以利用超声刀开始切割后所采集的相位差数据与阻抗值数据，实现检测超声刀是否进入稳定切割状态，具体地，第三控制电路302还可以用于：
在超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，预设稳定条件包括：N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值且N个采样时刻的阻抗值数据满足预设稳定条件的情况下，确定超声刀进入稳定切割状态，并执行检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值。
如上所述，第三数据采集电路301可以按照一定时间间隔(例如每1秒)实时对超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到实时的每个采样时刻下的采样电流信号与采样电压信号，由此可以得到实时的每个采样时刻下的相位差数据与阻抗值数据。进而第三控制电路302可以在超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，当连续N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于第一预设阈值可以认为是相位差稳定，当N个采样时刻的阻抗值数据满足上述预设稳定条件可以认为是阻抗稳定，当相位差稳定且阻抗稳定时，可以认为超声刀进入稳定切割状态，并可以执行上述检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值，也即执行检测超声刀切割的组织是薄的软组织还是厚的软组织，从而有利于精准地检测出超声刀切割组织完成状态。
在实际应用中，当第三控制电路302确定超声刀完成组织切割时，可以提醒用户组织切割完成，例如可以通过提示灯、提示音等方式来提醒用户，以提醒用户及时停止切割操作，还可以采取相关的措施来保护超声刀刀头，例如降低超声刀的输出功率等，其中，输出功率的降低范围可以根据组织剪切情况或者当前电流水平来决定，例如可以设置为降低50％的输出功率。也即，第三控制电路302还可以用于：在确定超声刀完成组织切割的情况下，降低超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示。其中，可以通过降低超声刀的输入电流(或者说控制电流)来降低超声刀的输出功率；提示装置例如可以是提示灯、发声装置(如喇叭)等，以向用户发出切割完成提示。通过该方式，能够在识别到组织切割完成时立即向用户发出提示，有利于保证手术的效果、减少病人的热损伤，又能保护超声刀、减少超声刀磨损并延长超声刀使用寿命。
考虑到，实际应用中超声刀切割组织的负载情况多样，有可能出现检测到相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值数据变化曲线出现突变，但用户仍在继续切割组织的情况，由此，在一种可能的实现方式中，第三控制电路302还可以用于：在提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复超声刀的输出功率。其中，可以通过恢复原本大小的输入电流来实现恢复超声刀的输出功率。通过该方式，可以即时纠正组织切割完成状态的误判情况，降低完成状态误判情况对手术过程的影响。
根据本公开实施例的上述检测系统，可以综合利用相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据自动高效准确地检测出超声刀完成组织切割时的切割完成状态，相较于现有利用传感器系统的检测方式，具有更低的硬件成本、更高的可靠性和准确率，且相较于利用单一的工作频率数据或单一的阻抗值数据，能够适应于更广泛的负载情况，具有更高的检测准确率，从而有利于提高手术效率，延迟超声刀使用寿命。
基于上述本公开的各实施例提供的超声刀切割组织完成状态检测系统，本公开实施例还提出一种超声刀设备，包括：超声刀；以及，图1示出的检测系统，或图3示出的检测系统，或图5示出的检测系统。其中，超声刀包括：超声刀主机、超声换能器和安装在超声换能器上的超声刀头。
本公开描述的上述各实施例中的控制电路与数据采集电路可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。其中，对于硬件实现，控制电路可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器等。
附图中的框图显示了根据本公开的多个实施例的检测系统可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。也要注意的是，框图中的每个方框可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (18)

1.一种超声刀切割组织完成状态检测系统，其特征在于，包括：
第一数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据；
第一控制电路，用于：基于所述相位差数据生成相位差变化曲线，并检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变；在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一相位差突变特征包括：所述相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且上升区间或下降区间的区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一数据采集电路包括：
信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一数据采集电路还用于采集所述超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；
所述第一控制电路还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一控制电路还用于：
在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，
在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
6.一种超声刀切割组织完成状态检测系统，其特征在于，包括：
第二数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据以及工作频率数据；
第二控制电路，用于：基于所述相位差数据以及所述工作频率数据，分别生成相位差变化曲线以及工作频率变化曲线，并检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；所述第二相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变，所述频率突变特征包括：所述工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；
在所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线在同一时段内分别产生所述第二相位差突变特征与所述频率突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二相位差突变特征包括：所述相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且相位差变化曲线出现的上升区间或下降区间的区间长度达到第二长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第二斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第二幅度阈值；
所述工作频率变化趋势包括：工作频率下降趋势；所述工作频率变化趋势发生改变包括：由下降趋势变为平台趋势，或，由下降趋势变为上升趋势；
其中，由下降趋势变为平台趋势包括：所述工作频率变化曲线出现平台区间，所述平台区间内曲线斜率的绝对值小于第三斜率阈值、区间长度达到第三长度阈值且所述平台区间的前端点和/或后端点对应的斜率值的绝对值大于第四斜率阈值；
所述由下降趋势变为上升趋势包括：所述工作频率变化曲线出现上升区间，所述工作频率变化曲线出现的上升区间的区间长度达到第四长度阈值且所述工作频率变化曲线出现的上升区间内的曲线斜率大于第五斜率阈值。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二控制电路还用于：
检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征包括：相位差变化曲线出现上升区间或下降区间，且上升区间或下降区间的区间长度达到第一长度阈值、区间内曲线斜率的绝对值大于第一斜率阈值以及区间内相位差变化幅度大于第一幅度阈值；所述第一相位差突变特征所表征的突变程度大于所述第二相位差突变特征所表征的突变程度；
在所述相位差变化曲线未出现所述第一相位差突变特征的情况下，执行所述检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别产生第二相位差突变特征与频率突变特征；或，
在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二数据采集电路包括：
信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号分别输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差；
频率计算单元，用于测量所述电流方波信号或所述电压方波信号的信号周期，对所述信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，所述工作频率数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的超声刀的工作频率。
10.根据权利要求6至9任一项所述的系统，其特征在于，所述第二数据采集电路还用于采集所述超声刀在组织切割过程中实时的阻抗值数据；
所述第二控制电路还用于：在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征。
11.根据权利要求6至9任一项所述的系统，其特征在于，所述第二控制电路还用于：
在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，
在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
12.一种超声刀切割组织完成状态检测系统，其特征在于，包括：
第三数据采集电路，用于采集超声刀在组织切割过程中实时的相位差数据、工作频率数据以及阻抗值数据；
第三控制电路，用于：基于所述相位差数据、所述工作频率数据以及所述阻抗值数据，分别生成相位差变化曲线、工作频率变化曲线以及阻抗值变化曲线；基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第三控制电路还用于：
检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值，M为正整数；
其中，所述基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割，包括：
在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均小于所述第六预设阈值的情况下，确定所述超声刀切割的组织为薄的软组织，并检测所述阻抗值变化曲线是否出现阻抗突变特征，所述阻抗突变特征包括：所述阻抗值变化曲线出现上升区间或下降区间，且所述阻抗值变化曲线出现的上升区间或下降区间内的阻抗值变化幅度大于第三幅度阈值；
在所述阻抗值变化曲线出现所述阻抗突变特征，且所述相位差变化曲线在阻抗值突变时段内满足第一预设条件以及所述工作频率变化曲线在所述阻抗值突变时段内的满足第二预设条件的情况下，确定所述超声刀完成组织切割；
其中，所述阻抗值突变时段包括所述阻抗值变化曲线出现所述阻抗突变特征时的上升区间或下降区间所对应的时段；所述第一预设条件包括：所述阻抗值突变时段内的相位差数据均小于第七预设阈值；所述第二预设条件包括：所述阻抗值突变时段内的工作频率变化幅度大于第四幅度阈值，和/或，所述阻抗值突变时段内的曲线斜率小于第六斜率阈值。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述基于所述相位差变化曲线、所述工作频率变化曲线以及所述阻抗值变化曲线，检测所述超声刀是否完成组织切割，还包括：
在连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据均大于或等于所述第六预设阈值的情况下，确定所述超声刀切割的组织为厚的软组织，并执行检测所述相位差变化曲线是否出现第一相位差突变特征，所述第一相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变；在所述相位差变化曲线出现所述第一相位差突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割；或者，
执行检测所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线是否在同一时段内分别出现第二相位差突变特征与频率突变特征；所述第二相位差突变特征表征所述相位差变化曲线出现突变，所述频率突变特征包括：所述工作频率变化曲线所表征的工作频率变化趋势发生改变；在所述相位差变化曲线与所述工作频率变化曲线在同一时段内分别产生所述第二相位差突变特征与所述频率突变特征的情况下，确定所述超声刀完成组织切割。
15.根据权利要求13或14所述的系统，其特征在于，所述第三控制电路还用于：
在所述超声刀开始切割组织后，检测连续采集的N个采样时刻的相位差数据的绝对值是否小于第一预设阈值以及检测所述N个采样时刻的阻抗值数据是否满足预设稳定条件，其中，所述预设稳定条件包括：所述N个采样时刻的阻抗值数据的方差小于第二预设阈值，或，所述N个采样时刻的阻抗值数据的标准差小于所述N个采样时刻的阻抗值数据的均值的指定百分比，N为正整数；
在所述N个采样时刻的相位差数据的绝对值小于所述第一预设阈值且所述N个采样时刻的阻抗值数据满足所述预设稳定条件的情况下，确定所述超声刀进入稳定切割状态，并执行所述检测连续采集的M个采样时刻的阻抗值数据是否小于第六预设阈值。
16.根据权利要求12至15任一项所述的系统，其特征在于，所述第三数据采集电路包括：
信号采样单元，用于对所述超声刀中超声换能器的输入电流和输入电压分别进行采样，得到采样电流信号与采样电压信号；
信号放大单元，用于对所述采样电流信号与所述采样电压信号进行信号放大处理，得到放大电流信号与放大电压信号；
过零比较单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号输入至过零比较电路，得到所述采样电流信号对应的电流方波信号以及所述采样电压信号对应的电压方波信号；
相位差计算单元，用于计算所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差，并对所述电流方波信号与电压方波信号之间的相位差进行滤波处理，得到相位差数据，所述相位差数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号之间的相位差；
频率计算单元，用于测量所述电流方波信号或所述电压方波信号的信号周期，对所述信号周期进行滤波处理，得到滤波后的信号周期，并基于滤波后的信号周期，确定工作频率数据，所述工作频率数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的超声刀的工作频率；
有效值计算单元，用于将所述放大电流信号与所述放大电压信号输入至有效值计算电路，得到电流输出信号以及电压输出信号；
阻抗值计算单元，用于对所述电流输出信号与所述电压输出信号分别进行模数转换处理以及滤波处理，得到电流值与电压值，并将所述电压值除以所述电流值，得到阻抗值数据，所述阻抗值数据表征所述采样电流信号与所述采样电压信号下的阻抗值。
17.根据权利要求12至15任一项所述的系统，其特征在于，所述第三控制电路还用于：
在确定所述超声刀完成组织切割的情况下，降低所述超声刀的输出功率，并控制提示装置发出切割完成提示；或，
在所述提示装置发出切割完成提示后的指定时长内，所述超声刀仍未停止切割组织的情况下，恢复所述超声刀的输出功率。
18.一种超声刀设备，其特征在于，包括：超声刀；以及，如权利要求1至5任一项所述的系统，或如权利要求6至11任一项所述的系统，或如权利要求12至17任一项所述的系统。
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