CN117883174A - 一种双能量输出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能量驱动电路技术领域，尤其涉及一种双能量输出系统，通过设置双能量变换模块、模式选择器和主控单元，其中双能量变换模块主要由半导体器件构成的三相驱动电路构成，模式选择器主要由继电器以及驱动电路构成，实现等离子和动力双能量输出，对于骨科、关节手术等，采用一台设备即可完成等离子和动力设备的需求，有效降低成本，将复杂的多设备进行有效整合，降低生产成本，提高手术效率。

Description

一种双能量输出系统
技术领域
本发明涉及能量驱动电路技术领域，尤其涉及一种双能量输出系统。
背景技术
在骨科和关节外科手术中，往往同时用到多种外科手术器械，如依赖于射频能量的等离子电极，依赖于动力驱动的钻头、磨头以及刨刀等手术器械，就需要采用相应的等离子能量设备和动力设备，而两种设备占据较大空间，术中切换较为繁琐，因此需要一种兼具等离子射频输出和驱动动力器械的双输出系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种双能量输出系统，以解决现有技术中缺少兼具等离子射频输出和驱动动力器械的双输出系统的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种双能量输出系统，包括电源模块、双能量变换模块和模式选择器，其中：
所述电源模块，用于给所述双能量变换模块提供直流电源；
所述双能量变换模块，包括至少三个相并联的能量输出支路，各所述能量输出支路均包括两个串联的N沟道MOSFET，被配置为可同时通过其中任意两个支路产生双极性射频能量，或同时通过三个能量输出支路输出三路时序不同的驱动能量；
模式选择器，与所述双能量变换模块的输出端连接，包括三个分别与各能量输出支路连接，被配置为输出驱动能量的第一选择电路，以及至少两个与不同的能量输出支路连接，被配置为输出射频能量的第二选择电路；
主控单元，用于驱动所述模式选择器，切换第一选择电路和第二选择电路的工作状态。
优选地，电源模块包括：
电源接口，被配置为连接市电；
网电源模块，用于将所述电源接口输入的电源整流得到直流电压；
DC-DC模块，用于将所述网电源模块输出的直流电压转换为目标直流电压。
优选地，还包括隔离升压单元和整形单元，所述隔离升压电路与所述第二选择电路的输出端连接，将低压射频能量变换为高压射频能量，所述整形电路用于校正高压射频能量的电压波形。
优选地，第一选择电路和第二选择电路均包括第一继电器，所述第一继电器的线圈通过三极管连接至驱动信号，所述第一继电器的触点被配置为线圈得电时，连通其连接的能量输出支路输出端与模式选择器的输出接口。
优选地，模式选择器还包括光电耦合器，所述第一继电器和所述第二继电器的线圈分别通过三极管连接至所述光电耦合器的输出端，所述光电耦合器的输入端连接至所述主控单元。
优选地，还包括等离子校正器，所述等离子校正器包括额定负载电路、空气电极负载模型电路、盐水电极负载模型电路、两组第一校正电路和两组第二校正电路；
所述第一校正电路包括第一单刀双掷继电器，所述第一单刀双掷继电器的静触点连接至所述主控单元，其动触点一端连接至所述额定负载电路，另一端连接至所述空气电极负载模型电路；
所述第二校正电路包括第二单刀双掷继电器，所述第二单刀双掷继电器的静触点连接至所述主控单元，其动触点一端连接至所述空气电极负载模型电路，另一端连接至所述盐水电极负载模型电路。
优选地，额定负载电路包括三个串联的负载电阻，所述空气电极负载模型电路包括相并联的负载支路、第一负载电容和第二负载电容，其中负载支路包括两个串联的负载电阻，所述盐水电极负载模型电路包括串联的第三负载电容和两个负载电阻。
优选地，还包括第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路包括分别设置在三个能量输出支路的输出端的第一高频互感器，所述高频互感器的输出端连接至所述主控单元，所述主控单元用于根据第一采样电路反馈的电流信号，调节三个能量输出支路的时序；
所述第二采样电路包括设置在所述双能量变换模块的输入端的第二高频互感器，所述第二高频互感器的输出端连接至所述主控单元。
本发明的有益效果：
1、通过设置双能量变换模块和模式选择器，实现等离子和动力双能量输出，对于骨科、关节手术等，采用一台设备即可完成等离子和动力设备的需求，有效降低成本，将复杂的多设备进行有效整合，降低生产成本，提高手术效率；
2、通过设置等离子校正器，有效保证等离子射频能量的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现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发明，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为本发明实施例的双能量输出系统框图；
图2为本发明实施例的双能量变换模块电路示意图；
图3为本发明实施例的模式选择器电路示意图；
图4为本发明实施例的等离子校正器电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1、图2所示，本说明书实施例提供一种双能量输出系统，包括电源模块、双能量变换模块和模式选择器，其中：
电源模块用于给双能量变换模块提供直流电源；
双能量变换模块，包括三个相并联的能量输出支路，各能量输出支路均包括两个串联的N沟道MOSFET（金属氧化物半导体器件），被配置为可同时通过其中任意两个支路产生双极性射频能量，或同时通过三个能量输出支路输出三路时序不同的驱动能量，
模式选择器，与所述双能量变换模块的输出端连接，包括三个分别与各能量输出支路连接，被配置为输出驱动能量的第一选择电路，以及至少两个与不同的能量输出支路连接，被配置为输出射频能量的第二选择电路；
主控单元，用于驱动所述模式选择器，切换第一选择电路和第二选择电路的工作状态。
通过上述设置，本系统能够在动力模式和等离子模式两种工作模式间切换，兼具等离子射频输出和驱动动力器械双输出。
作为一种实施方式，双能量变换模块如图2所示，Q4A、Q5B、Q4B、Q6A、Q5A、Q6B均为N沟道MOSFET，当需要输出三路时序不同的驱动能量时，Q4A、Q5B、Q4B、Q6A、Q5A、Q6B一起协同工作，能够通过“三角形”方法连接电机的驱动绕组，Q4A、Q5B构成“三角形”驱动的第一端，Q4B、Q6A构成“三角形”驱动的第二端，Q5A、Q6B构成“三角形”驱动的第三端。
还可以通过设置第一采样电路，包括三个第一高频互感器T4、T3、T2用于采样三个端的电流信号，再经过信号整形电路反馈至主控单元，主控单元根据三个端的反馈的电流信号调节三个绕组驱动能量的时序，进而控制电机的工作状态，从而实现机械能输出。
当需要输出双极性射频能量时，只需要Q4A、Q5B、Q4B、Q6A一起协同工作，或Q4B、Q6A、Q5A、Q6B一起协同工作，或Q4A、Q5B、Q5A、Q6B一起协同工作，即可产生低电压的双极性射频能量。第一高频互感器T4、T3、T2用于采样三个端的电流信号，再经过信号整形电路反馈至主控单元。主控单元通过对电流监控，保护MOSFET工作在额定电流范围内，减少其偶然过流损坏的故障。
作为一种实施方式，模式选择器电路如图3所示，包括三组第一选择电路和四组第二选择电路，其中，第一选择电路包括第一继电器U1、U4、U7，以U1所在电路为例，Q1为NPN型三极管，D1为肖特基二极管，R1、C1为驱动滤波，当驱动信号Driver_CH3为高电平，则该继电器U1工作，能量输出支路输出端Q3_M和模式选择器的输出接口CH3连接，其他同理。
第二选择电路包括第二继电器U2、U3、U5、U6，当需要输出双极性射频能量时，[U2,U3] 或[U2, U6]或[U5, U3]或[U5, U6]处于有效工作状态，将输出至接口RF-A、RF-B。
通过模式选择器电路的设计，实现本系统输出能量形态的控制。
作为一种实施方式，本系统还包括隔离升压单元和整形单元，所述隔离升压电路与所述第二选择电路的输出端连接，将低压射频能量变换为高压射频能量，整形电路用于校正高压射频能量的电压波形，使其峰值电压满足需求。
作为一种实施方式，电源模块包括：
电源接口，被配置为连接市电（交流220V）；
网电源模块，用于将电源接口输入的电源整流得到直流电压，并实现电磁兼容；
DC-DC模块，用于将网电源模块输出的直流电压转换为最高100V的可控的目标直流电压，电源输入中，还可以设置如图2中的有机玻璃电容E1、E2和电容C4，对电源输入进行不同频率的滤波。
上述隔离升压单元、整形单元、网电源模块和DC-DC模块在现有技术中已有广泛应用，其具体电路不在本说明书中进行赘述。
作为一种实施方式，模式选择器还包括光电耦合器，第一继电器和第二继电器的线圈分别通过三极管连接至所述光电耦合器的输出端，所述光电耦合器的输入端连接至所述主控单元，如图3中示出U1所在的第一选择电路与光电耦合器的连接电路，光电耦合器U8的输入端分别通过R7连接至3V3_S1即电源，通过三极管Q11和电阻R10连接至CH1，并设置有电容C8、C13进行滤波，其输出端一侧连接5V电源，一侧连接至Drive_CH1，其中U8可选用CNY64型光电耦合器。
作为一种实施方式，本系统还包括等离子校正器，如图4所示，该等离子校正器包括额定负载电路、空气电极负载模型电路、盐水电极负载模型电路、两组第一校正电路和两组第二校正电路；
额定负载电路包括三个串联的负载电阻R13、R19、R21，空气电极负载模型电路包括相并联的负载支路、第一负载电容C16和第二负载电容C17，其中负载支路包括两个串联的负载电阻R17、R20，盐水电极负载模型电路包括串联的第三负载电容C18和两个负载电阻R14、R18。
第一校正电路包括第一单刀双掷继电器U9、U10，所述第一单刀双掷继电器的静触点连接至主控单元，具体来说是通过RF-A和RF-B连接主控单元，其动触点一端连接至所述额定负载电路LOR1、LOR2，另一端连接至空气电极负载模型电路LOZ01、LOZ02；
第二校正电路包括第二单刀双掷继电器U11、U12，第二单刀双掷继电器的静触点连接至所述主控单元，具体来说是通过RF-A和RF-B连接主控单元，其动触点一端连接至空气电极负载模型电路LOZ01、LOZ02，另一端连接至盐水电极负载模型电路LOZ11、LOZ12。
设置等离子校正器，可以解决系统老化带来的等离子效率降低的问题，通过额定负载电路、空气电极负载模型电路即等离子电极在空气中的电极负载模型、盐水电极负载模型电路即等离子电极在盐水中的电极负载模型，主控单元记录在各负载模型状态下得到的标准输出，再与输出的双极性射频能量进行比对，用于进行动态参数校正，可以有效保证等离子射频能量的稳定性。
作为一种实施方式，本系统还设置有第一采样电路和第二采样电路，其中第一采样电路包括分别设置在三个能量输出支路的输出端的第一高频互感器T2、T3、T4，第一高频互感器的输出端连接至所述主控单元，主控单元用于根据第一采样电路反馈的电流信号，调节三个能量输出支路的时序；
第二采样电路包括设置在所述双能量变换模块的输入端的第二高频互感器T1，第二高频互感器的输出端T1A、T1B通过并联电阻R8和电容C10进行滤波，再通过IS1连接至主控单元，用以实现整个等离子工作模式的额定电流。
进一步的，作为本系统的应用，本系统输出三路时序不同的驱动能量是用于驱动电机，并通过电机和刀具接口外接执行端刀具，进行机械能输出。主控单元可通过控制蠕动单元，为动力输出刀具泵送生理盐水，以降低执行端刀具输出机械能时在摩擦中产生的温升，而双极性射频能量通过等离子射频手术电极接口外接执行端电极。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (8)

1.一种双能量输出系统，其特征在于，包括电源模块、双能量变换模块和模式选择器，其中：
所述电源模块，用于给所述双能量变换模块提供直流电源；
所述双能量变换模块，包括至少三个相并联的能量输出支路，各所述能量输出支路均包括两个串联的N沟道MOSFET，被配置为可同时通过其中任意两个支路产生双极性射频能量，或同时通过三个能量输出支路输出三路时序不同的驱动能量；
模式选择器，与所述双能量变换模块的输出端连接，包括三个分别与各能量输出支路连接，被配置为输出驱动能量的第一选择电路，以及至少两个与不同的能量输出支路连接，被配置为输出射频能量的第二选择电路；
主控单元，用于驱动所述模式选择器，切换第一选择电路和第二选择电路的工作状态。
2.根据权利要求1所述的双能量输出系统，其特征在于，所述电源模块包括：
电源接口，被配置为连接市电；
网电源模块，用于将所述电源接口输入的电源整流得到直流电压；
DC-DC模块，用于将所述网电源模块输出的直流电压转换为目标直流电压。
3.根据权利要求1所述的双能量输出系统，其特征在于，还包括隔离升压单元和整形单元，所述隔离升压电路与所述第二选择电路的输出端连接，将低压射频能量变换为高压射频能量，所述整形电路用于校正高压射频能量的电压波形。
4.根据权利要求1所述的双能量输出系统，其特征在于，所述第一选择电路和第二选择电路均包括第一继电器，所述第一继电器的线圈通过三极管连接至驱动信号，所述第一继电器的触点被配置为线圈得电时，连通其连接的能量输出支路输出端与模式选择器的输出接口。
5.根据权利要求4所述的双能量输出系统，其特征在于，所述模式选择器还包括光电耦合器，所述第一继电器和所述第二继电器的线圈分别通过三极管连接至所述光电耦合器的输出端，所述光电耦合器的输入端连接至所述主控单元。
6.根据权利要求1所述的双能量输出系统，其特征在于，还包括等离子校正器，所述等离子校正器包括额定负载电路、空气电极负载模型电路、盐水电极负载模型电路、两组第一校正电路和两组第二校正电路；
所述第一校正电路包括第一单刀双掷继电器，所述第一单刀双掷继电器的静触点连接至所述主控单元，其动触点一端连接至所述额定负载电路，另一端连接至所述空气电极负载模型电路；
所述第二校正电路包括第二单刀双掷继电器，所述第二单刀双掷继电器的静触点连接至所述主控单元，其动触点一端连接至所述空气电极负载模型电路，另一端连接至所述盐水电极负载模型电路。
7.根据权利要求6所述的双能量输出系统，其特征在于，所述额定负载电路包括三个串联的负载电阻，所述空气电极负载模型电路包括相并联的负载支路、第一负载电容和第二负载电容，其中负载支路包括两个串联的负载电阻，所述盐水电极负载模型电路包括串联的第三负载电容和两个负载电阻。
8.根据权利要求1所述的双能量输出系统，其特征在于，还包括第一采样电路和第二采样电路，所述第一采样电路包括分别设置在三个能量输出支路的输出端的第一高频互感器，所述高频互感器的输出端连接至所述主控单元，所述主控单元用于根据第一采样电路反馈的电流信号，调节三个能量输出支路的时序；
所述第二采样电路包括设置在所述双能量变换模块的输入端的第二高频互感器，所述第二高频互感器的输出端连接至所述主控单元。
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