CN117982203A - 超声系统的振幅控制方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，公开了超声系统的振幅控制方法、装置、计算机设备及存储介质。该方法包括：获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；基于驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值；若相位差值大于预设差值，基于当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流；若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；基于对应时刻的各个数据，确定频率偏移量；基于频率偏移量对驱动频率进行调整，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

Description

超声系统的振幅控制方法、装置、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种超声系统的振幅控制方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

超声骨刀负载变化程度较只作用于软组织的超声刀（如超声止血刀，超声吸引刀等）要剧烈，在切骨过程中随着刀头的移动、操作者施加的压力、骨组织突然切透等均会引起负载不同程度的变化。

目前，通过调节电压大小来控制电流的方式，实时调整超声骨刀的输出功率和切割效果。具体地，根据切骨需求设定一个目标输出功率。这个目标功率可以根据手术的要求、切割的骨组织类型等因素来确定。使用传感器监测超声骨刀的实际输出功率。这些传感器可以测量刀头的振动幅度、切割力或实际输出电流等参数，从而间接反映当前的输出功率。将监测到的实际输出功率与设定的目标功率进行比较。如果实际功率与目标功率存在偏差，根据比较结果，控制系统自动调节电压，通过不断比较实际输出功率与目标功率，并相应地调节电压，形成一个反馈控制系统。这种闭环控制方式能够自动适应负载变化，确保超声骨刀在各种条件下都能保持稳定的切割效果。

但是，通过调节电压大小来控制电流的方式，当刀头移动到骨密度较小的部分、操作者施加压力减小或组织突然切透，电流瞬间上升，导致超声刀刀头振幅瞬间增大时，调压法调节电流，反应速度慢，而且超声骨刀正常工作时振幅大，可达二百多微米，瞬间增大的电流使输出振幅很容易超过刀头所能承受的应力极限，从而影响系统和超声刀头的寿命，甚至发生断刀情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超声系统的振幅控制方法、装置、计算机设备及存储介质，以解决调节电压大小来控制电流的方式，瞬间增大的电流使输出振幅很容易超过刀头所能承受的应力极限，从而影响系统和超声刀头的寿命，甚至发生断刀的问题。

第一方面，本发明提供了一种超声系统的振幅控制方法，该方法包括：获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；基于驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值；若相位差值大于预设差值，基于当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流；若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；基于对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量；基于频率偏移量对驱动频率进行调整，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，当任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值时，通过获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，并通过对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量，然后通过频率偏移量对驱动频率进行调整，相比于通过调节电压大小来控制电流的方式，本发明能够抑制大电流的同时维持输出振幅稳定。

第二方面，本发明提供了一种超声系统的振幅控制装置，该装置包括：第一获取模块，用于获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；第一确定模块，用于基于驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值；第二确定模块，用于若相位差值大于预设差值，基于当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流；第二获取模块，用于若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；第三确定模块，用于基于对应时刻的输出电流、驱动频率、当前阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量；调整模块，用于基于频率偏移量对驱动频率进行调整，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的超声系统的振幅控制方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的超声系统的振幅控制方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是根据本发明实施例的超声系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图3是根据本发明实施例的系统阻抗随频率变化的示意图；

图4是根据本发明实施例的超声换能器导纳圆的示意图；

图5是根据本发明实施例的超声系统的振幅控制方法的相位差值计算电路示意图；

图6是根据本发明实施例的输出电流以及输出电压的波形计算相位示意图；

图7是根据本发明实施例的另一超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图8是根据本发明实施例的又一超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图9是根据本发明实施例的超声系统的振幅控制方法的调节驱动占空比和电压的电路示意图；

图10是根据本发明实施例的再一超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图11是根据本发明实施例的再一超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图12是根据本发明实施例的再一超声系统的振幅控制方法的流程示意图；

图13是根据本发明实施例的超声系统的振幅控制装置的结构框图；

图14是本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

基于相关技术可知，超声骨刀负载变化程度较只作用于软组织的超声刀（如超声止血刀，超声吸引刀等）要剧烈，在切骨过程中随着刀头的移动、操作者施加的压力、骨组织突然切透等均会引起负载不同程度的变化。

目前，通过调节电压大小来控制电流的方式，实时调整超声骨刀的输出功率和切割效果。具体地，根据切骨需求设定一个目标输出功率。这个目标功率可以根据手术的要求、切割的骨组织类型等因素来确定。使用传感器监测超声骨刀的实际输出功率。这些传感器可以测量刀头的振动幅度、切割力或实际输出电流等参数，从而间接反映当前的输出功率。将监测到的实际输出功率与设定的目标功率进行比较。如果实际功率与目标功率存在偏差，根据比较结果，控制系统自动调节电压，通过不断比较实际输出功率与目标功率，并相应地调节电压，形成一个反馈控制系统。这种闭环控制方式能够自动适应负载变化，确保超声骨刀在各种条件下都能保持稳定的切割效果。

但是，通过调节电压大小来控制电流的方式，当刀头移动到骨密度较小的部分、操作者施加压力减小或组织突然切透，电流瞬间上升，导致超声刀刀头振幅瞬间增大时，调压法调节电流，反应速度慢，而且超声骨刀正常工作时振幅大，可达二百多微米，瞬间增大的电流使输出振幅很容易超过刀头所能承受的应力极限，从而影响系统和超声刀头的寿命，甚至发生断刀情况。

基于此，本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，当任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值时，通过获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，并通过对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量，然后通过频率偏移量对驱动频率进行调整，相比于通过调节电压大小来控制电流的方式，本发明能够抑制大电流的同时维持输出振幅稳定。

图1示出了本发明实施例提供的超声系统的示意图。

结合图1所示， 超声系统包括：中央处理单元、输入模块、调压电路、功放电路、频率数字合成电路、功率变压器、换能器以及超声手术器械。

输入模块用于输入电源，调压电路用于将输入的电源调整为直流电压。功放电路用于信号放大；其中，功放电路能够放大信号，以提高信号的强度和质量，例如音频放大器、视频放大器和通信放大器等。信号处理：功放电路能够处理信号，例如滤波、调幅、调频和调相等。信号转换：功放电路能够将信号转换成不同的形式，例如模拟信号转换成数字信号和数字信号转换成模拟信号等。频率数字合成电路是一种用于产生数字控制信号的电子电路，用于生成具有预定频率的稳定信号。功率变压器用于将输入的电压升高或降低，以满足负载的需求。换能器用于将电能转换为机械能，从而驱动刀头产生高频震动，这种震动能够使刀头在组织表面产生微观的切削和磨削作用，从而达到切割和凝固组织的目的。

具体地工作原理为通过输入模块输入电源，然后通过调压电路将电源调整为系统需要的直流电压，再通过功率放大电路和功率变压器转换为高频正弦信号，驱动换能器产生高频震动，从而控制超声手术器械震动。

作为一个示例，中央处理单元可以为单片机，超声手术器械可以为超声手术刀。

根据本发明实施例，提供了一种超声系统的振幅控制方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中提供了一种超声系统的振幅控制方法，可用于上述的超声系统，图2是根据本发明实施例的超声系统的振幅控制方法的流程示意图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压。

驱动频率周期可以用于表征换能器或超声手术器械工作时所采用的驱动信号的频率周期。其中，驱动频率周期可以处于数千赫兹至数十兆赫兹的范围内，在此不做具体限定。

换能器端口的当前时刻的输出电流是指通过换能器的电流，它的大小决定了换能器的输出功率和能量转换效率。输出电流越大，换能器的输出功率和能量转换效率就越高，能够提供更大的超声波输出能量。其中，输出电流可以为X1，也可以为X2等，在此不做具体限定。

换能器端口的当前时刻的输出电压是指通过换能器的电压，它的大小决定了换能器的输出能量和电学性能。输出电压越高，换能器的输出能量就越大，能够提供更强的超声波输出。其中，输出电压可以为V1，也可以为V2等，在此不做具体限定。

具体地，中央处理单元可以直接采集换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；驱动频率周期可以为预先设定好的频率周期，中央处理单元直接获取即可。

步骤S102，基于驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值。

相位差值是指换能器在不同时刻的输出电流和输出电压之间的相位差。相位差值反映了换能器在不同时刻的工作状态，对于超声波输出的稳定性和效果具有重要影响。具体地，根据实时监测的输出电流和输出电压，以及已知的驱动频率周期，可以计算出相位差值。相位差值可以通过比较输出电流和输出电压在时间上的差异来计算，可以使用相关函数、相位分析方法或者直接的时间差计算等方法，在此不做具体限定。

步骤S103，若相位差值大于预设差值，基于当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流。

结合图3所示，横坐标为频率，纵坐标为阻抗，当超声驱动频率从谐振点增大到反谐振点，系统表现的阻抗会逐渐增大；系统在谐振点频率工作时阻抗最小，随着频率向反谐振点靠近，阻抗逐步增大。

预设差值可以用于表征相位误差值。其中，当相位差值大于预设差值时，例如当负载发生突变，组织切断瞬间，阻抗突然减小，由于输出驱动高压侧的能量存储，此时有比较大的输出电流存在，为了避免此时输出电流过大，引起振幅过大，从而减小刀具寿命甚至出现断刀的情况，需要对这个时刻的输出电流进行快速抑制，并且由于超声系统的谐振点阻抗最低，随着频率向反谐振点靠近，系统的阻抗会越来越大，本发明利用此特性通过频率偏移增大阻抗来抑制较大的输出电流。

其他时刻可以用于表征当前时刻的下一时刻，也可以为当前时刻接下来的第二个时刻等，在此不做具体限定。具体地，可以通过确定好的线性方程确定其他时刻的输出电流，也可以通过其他方式确定其他时刻的输出电流，在此不做具体限定。

步骤S104，若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度。

预设电流的预设范围的最大值用于表征引起振幅过大减小刀具寿命甚至出现断刀的电流最大值。其中，预设电流的预设范围的最大值可以为40％，也可以为50％等，在此不做具体限定。

驱动频率：指用来驱动换能器的交流电信号的频率。输出电流：换能器在工作时输出的电流大小。阻抗：表示换能器对于输入电流的阻碍作用的量，可以理解为电阻、电感和电容共同作用的结果。目标电流：期望达到的输出电流值。谐振频率：指换能器发生谐振现象时的频率，此时换能器的阻抗最小，效率最高。谐振点阻抗：换能器在谐振频率下的阻抗值。反谐振点阻抗：换能器在反谐振频率下的阻抗值，通常远远大于谐振点阻抗。相位裕度：描述系统稳定性的一个参数，表示系统在谐振点附近的相位与180度的差值；其中，无负载情况下，系统自检得到参数为对应时刻的谐振频率，谐振点阻抗，反谐振点阻抗，相位裕度；输出电流、驱动频率、阻抗可以直接获取。

步骤S105，基于对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量。

频率偏移量可以用于表征对当前的驱动频率进行调整的偏移量。具体地，可以通过公式，确定频率偏移量；其中，频率偏移量为△f，A为相位系数，B为阻抗放大系数，根据理论和实际测试得出A=3.5，B=0.8，当前阻抗为Z1、当前电流为I1、目标电流为I0，以及无负载情况下系统自检得到空载时的固有参数：谐振点阻抗Zs，反谐振点阻抗Zp，相位裕度Fm。

结合图4所示，上述确定频率偏移量的方式可以为通过频率对阻抗的影响拟合曲线和系统的导纳圆估算研判得出，从图4的换能器导纳圆可以看出，随着频率的增加（顺时针旋转），从谐振点Fs变化到反谐振点Fp过程中，电纳G处于持续减小的过程，阻抗会变大，导纳圆的方程结合系统自检得到空载时的固有参数和当前的实时频率可以得到上述公式。相位裕度Fm越大，谐振点和反谐振点离得越远，要增加相同阻抗所需增加的频率越多，即△f越大，反谐振点阻抗Zp则越大，并且较小的频率改变就能带来阻抗较大的变化，即△f越小。

步骤S106，基于频率偏移量对驱动频率进行调整，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

将当前的驱动频率增加频率偏移量，使得系统偏离谐振点。其中，当增大系统阻抗且输出电压还没改变的情况下，输出电流会快速下降至目标电流，从而只需一个频率调节周期即可抑制较大的输出电流，当阻抗改变后即可使输出电流变为正常目标电流。并且，当一段时间内持续判断到输出电流回归正常目标电流后，且在输出电流保持稳定前提下，将驱动频率慢慢从f+△f变回f，同时适配的逐渐减小驱动电压。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，当任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值时，通过获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，并通过对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量，然后通过频率偏移量对驱动频率进行调整，相比于通过调节电压大小来控制电流的方式，本发明能够抑制大电流的同时维持输出振幅稳定。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S102包括：

步骤a1，基于输出电流以及输出电压，确定输出电流对应的第一方波信号以及输出电压的第二方波信号。

结合图5所示以及图6所示，电流、电压通过传感器采样得到正弦信号再通过过零比较电路得到输出电流对应的第一方波信号以及输出电压的第二方波信号。

步骤a2，基于第一方波信号以及第二方波信号之间的延时以及驱动频率周期，确定相位差值。

结合图5所示，中央处理单元计算两路方波之间的延时N，结合当前的驱动频率周期M，计算相位差值（也即图5中的相角计算）。具体地计算方式为：

确定两路方波的边沿时间点：首先，需要确定两路方波信号的边沿时间点，即上升沿或下降沿的时间点。这些时间点可以通过信号检测电路或数字逻辑电路来获取。

测量两路方波信号的延时N：在确定了两个方波信号的边沿时间点后，可以计算它们之间的时间差，即延时N。这个时间差可以通过高精度计时器或数字逻辑电路来测量。

计算相位差值：一旦获得了延时N，结合当前的驱动频率周期M，可以计算相位差值。相位差值可以通过以下公式计算：相位差值 = (延时N / 驱动频率周期M) × 360度。其中，基于周期性方波信号的特点，将延时时间转换为相位差值。通过乘以360度，可以将时间差转换为角度差，以便更好地理解信号的相位关系。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，通过测量两路方波信号之间的延时时间，并结合驱动频率周期，可以更精确地计算相位差值。这种方法考虑了信号的实时特性和频率变化，能够更准确地反映信号的相位关系。

并且，通过实时监测第一方波信号以及第二方波信号之间的延时，可以快速地计算相位差值，并采取相应的控制措施。这对于需要快速响应的应用非常重要，能够提高系统的稳定性和可靠性。基于第一方波信号以及第二方波信号之间的延时以及驱动频率周期来确定相位差值的方法具有较高的灵活性。这种方法可以根据不同的应用场景和需求进行调整，以适应不同的系统参数和信号特性。由于这种方法基于测量和计算，具有较高的可重复性。在相同的条件下，相同的方法和参数可以用于多次测量和计算相位差值，以获得一致的结果。这种方法能够提供可靠的相位差值计算结果，这对于许多应用非常重要。通过精确地计算相位差值，可以更好地理解系统的工作状态、优化信号处理、减少误差和提高系统的稳定性和可靠性。

如图7所示，在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：

步骤S201，若任意时刻中存在输出电流处于预设电流的预设范围，基于目标电流以及对应时刻的输出电流，确定电流误差值。

若任意时刻中存在输出电流处于预设电流的预设范围，需要根据实时监测到的输出电流和设定的目标电流，计算电流误差值。电流误差值可以通过以下公式计算：电流误差值 = |目标电流 - 输出电流|。

步骤S202，基于电流误差值以及输出电流的相位值，确定占空比调节步距。

结合图8所示，当输出电流大于预设电流的预设范围最大值时，请参考上述步骤S103~步骤S106，在此不做过多赘述。当输出电流处于预设电流的预设范围，也即电流误差在10%-40%时，采用调整功放驱动电路占空比叠加电压方式，来调节输出电流保证响应迅速；电流误差＜10%，采用调压方式实现输出电流稳定控制。

结合图9所示，调占空比和电压的控制硬件实现方案为处理器（中央处理单元）采样输出电压、输出电流信号，并根据输出电压和输出电流信号计算相位角（也即相位差值）与电流误差值，根据电流误差值以及相位角确定驱动电路占空比。

可选的，占空比调节步距由此时的电流误差和输出电流的相位值共同决定，占空比调节步距S=I*Ph，其中，I为电流误差值，Ph为输出电流的相位值。

步骤S203，基于占空比调节步距调节驱动频率的占空比，并通过电流误差值调整输出电压，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

结合图8所示，通过上述占空比调节步距的公式可以得出，电流误差值I越大，占空比调节步距越大；此外，相位越大说明越远离谐振点，在同等驱动频率变化下，对应的阻抗变化较大，从而使得换能器的状态较不稳定，此时需要较快的占空比调节速度，因此，需要较大的占空比调节步距。

可选的，占空比调节步距需要<1%，因为太大的占空比调节步距会造成电流超调，为了避免换能器的较大波动，可以增大电流误差或减小驱动电压控制占空比调节步距。

步骤S204，若任意时刻中存在输出电流小于预设电流的预设范围的最小值，对对应时刻的输出电压进行PID调节，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

结合图8所示，根据采样的输出电流和目标电流的电流误差值，对输出电压进行PID调节。其中，当输出电流达到目标电流附近，且连续几次的电流误差都小于1%，则确认输出电流稳定，在电流稳定的情况下，逐步将占空比调节为50%，同时进行PID调节输出电压，使系统输出平衡。

可选的，对驱动电压进行PID调节的具体步骤可以为：

比例（P）调节：根据误差值的大小，调整驱动电压的比例系数。比例系数决定了系统对误差的敏感度。增加比例系数将使系统更快地响应误差，而减小比例系数则会降低响应速度。

积分（I）调节：除了误差的大小，积分调节还考虑了误差随时间的变化率。积分项有助于消除系统的稳态误差，提高控制精度。

微分（D）调节：微分调节考虑了误差的变化趋势。通过预测误差的变化，微分调节可以提前采取措施，提高系统的动态响应和稳定性。

计算新的驱动电压：根据比例、积分和微分调节的结果，计算出新的驱动电压值。这个新的驱动电压值将用于调整系统的输出，以减小采样电流与目标电流之间的误差。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，电流控制方式采用分段控制法，电流误差值>40%时采用移频法，使得阻抗反应很快，从而抑制大电流；当误差在10%~40%内，驱动占空比叠加电压双重调节方法，占空比调节步距通过S=I*Ph计算，比单纯的电压调节速度更快，减小电流波动； 当误差<10%，微调电压来稳定振幅，不易超调。本实施例通过不同阶段的判断和控制，抑制大电流的同时维持输出振幅稳定。

在一个可选的实施方式中，步骤S103包括：

步骤c1，获取多个历史时刻的输出电流；其中，多个历史时刻中最后时刻的输出电流的下一时刻为当前时刻的输出电流。

历史时刻可以用于表征当前时刻之前的时刻。历史时刻的输出电流可以用于表征已经测得的输出电流。其中，历史时刻的输出电流的数量可以为4个，也可以为5个等，可以由采样周期大小适当增多或减少，在此不做具体限定。

此外，多个历史时刻中最后时刻的输出电流的下一时刻为当前时刻的输出电流。例如：采样连续5次的输出电流I1、I2、I3、I4以及I5，当前时刻的输出电流为I5。

步骤c2，基于历史时刻的输出电流以及当前时刻的输出电流，利用最小二乘法确定拟合函数。

以上述采样连续5次的输出电流I1、I2、I3、I4以及I5，当前时刻的输出电流为I5为例，对输出电流的趋势作出判断，情况①：依次增大I5>I4>I3>I2>I1，情况②：抖动增大等多种情况，上升情况具有多样性，本发明采用最小二乘法拟合曲线，通过最小化误差的平方和来寻找拟合数据的最佳匹配函数，利用5次连续的电流数据，可得到电流和采样序号的曲线关系y=k*x+b(x代表采样序号，y代表电流值，k代表斜率，b代表截距)，得到输出电流变化情况。

步骤c3，基于拟合函数以及其他时刻，确定其他时刻对应的输出电流。

通过上述公式（y=k*x+b），当x取6时能预计出下一个时刻的输出电流值I6，此时根据电流误差区间进行分段控制。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，通过利用多个历史时刻的输出电流数据，可以更准确地预测未来的输出电流。最小二乘法是一种数学优化技术，可以最小化预测误差的平方和，从而提高预测的精度。

此外，基于拟合函数，可以根据需要预测不同时刻的输出电流。通过调整拟合函数，可以灵活地预测短期或长期内的输出电流，从而更好地应对系统的变化和不确定性。

另外，通过提前预测输出电流，可以在实际测量之前获得所需的电流值。这可以减少实时监测系统的负担，提高系统的运行效率和响应速度。

在一个可选的实施方式中，上述方法中确定相位裕度的方式可以包括：

步骤d1，若第一时刻的相位差值满足第一预设差值，确定第一时刻对应的谐振频率。

步骤d2，若第二时刻的相位差值满足第二预设差值，确定第二时刻对应的反谐振频率；其中，第二时刻大于第一时刻。

步骤d3，基于谐振频率以及反谐振频率，确定相位裕度。

结合图10所示，系统启动时，驱动频率由低到高进行频率增加，并时刻检测输出电流以及输出电压的相位差值。其中，当第一次检测到相位差值为0°时，记录此时的频率点为谐振点Fs；第二次检测到相位差为0°时，记录此时的频率点为反谐振频率Fp，通过W=Fp-Fs，确定相位裕度。其中，W为相位裕度。

在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：

步骤d4，基于相位差值、相位裕度、驱动频率周期以及预设校准系数，确定频率调整的步距。

通过扫频和能量输出期间计算的相位裕度以及频率衰减系数，能够计算频率调整的步距，使调节后步距能更好适应系统不同的工作状态。

可选地，结合图10所示，频率调整的步距S（单位：Hz）由相位差值和相位裕度决定，S=β×phase×W×T。其中S为求得的频率调整的步距，phase为当前相位差值，W为相位裕度；T为频率调节周期（单位s）；β为频率衰减系数，根据系统工作过程采集数据计算而来。其中，首先超声骨刀空载输出一段时间，采集此过程中初始和结束谐振频率，输出时间为t（单位s），初始和结束的谐振频率差为f（单位Hz），则β=f/t。

步骤d5，基于频率调整的步距以及相位差值，对谐振频率进行调整。

结合图10所示，起始工作频率为确定的谐振频率。具体地，在输出过程中，定时采样相位差值，根据相位差值的变化来调整谐振频率。其中，当相位差值变小，表征谐振频率调整方向正确，则继续增大或减小频率；当相位差值变大，表征频率调整方向错误，需要反方向减小或增大频率。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，通过确定系统当前的工作状态，通过扫频和能量输出期间计算的相位裕度，频率衰减系数，计算频率跟踪时步距使调节步距能更好适应系统不同的工作状态。

在一个可选的实施方式中，提出了一种空闲状态下小能量扫频方案的实施例，具体地，在空闲状态下，超声刀头受温度变化的影响，谐振点会发生偏移，为了保证下次输出时能很快达到目标振幅，激发输出的初始驱动频率尽量接近谐振点，在空闲状态下使用小能量输出短时间的超声信号，根据采样反馈实时跟踪谐振点，同时根据信号是否异常进行报警提醒。

其中，上述方法还包括：

步骤e1，获取结束时的谐振频率以及预设时间段内的扫频信号。

结合图11所示，结束时的谐振频率可以用于表征超声系统完成时的谐振频率。预设时间段内的扫频信号可以为空闲期间每200ms（不限于100ms~1s）定期输出小范围（f0-500）~(f0+500)以及小能量5V的扫频信号。具体地，可以通过中央处理单元直接获取结束时的谐振频率以及预设时间段内的扫频信号。

步骤e2，基于扫频信号以及结束时的谐振频率，确定各个时间段的相位差值。

步骤e3，比对各个时间段的相位差值，确定各个时间段内相位差值最小的目标相位差值，并检测目标相位差值是否满足预设相位差范围。

结合图11所示，在确定各个时间段的相位差值之后，比对各个时间段的相位差值，并从各个时间段的相位差值中确定相位差值最小的目标相位差值。检测目标相位差值是否满足预设相位差范围。其中，包括三种情况。情况一：目标相位差值小于预设相位差范围的最小值；情况二：目标相位差值处于预设相位差范围；情况三：目标相位差值大于预设相位差范围的最大值。

步骤e4，若目标相位差值大于预设相位差值范围的最大值，则表征设备状态异常。

结合图11所示，预设相位差值范围的最大值可以为80°。其中，如果相位最小点>80°，说明此时的刀杆状态异常，进行报警，不限于声光报警，也可以为文字报警等。

步骤e5，若目标相位差值处于预设相位差值范围内，对扫频信号进行调整，得到目标扫频信号，并基于目标扫频信号确定新的相位差。

步骤e6，若目标扫频信号的扫频范围大于预设范围的最大值，则表征设备状态异常。

结合图11所示，预设范围可以为（10°~80°）。其中，如果10°<目标相位差值<80°，则下一次扩大扫频范围到（f0-1000）~(f0+1000)；如果仍然为10°<目标相位差值<80°，扩大扫频范围到Fmin~Fmax（Fmin为合格工作频率下限，Fmax为合格工作频率上限，在此不做具体限定，根据实际工作合格工作频率范围进行调整），如果仍然为10°<目标相位差值<80°，也说明此时的刀杆状态异常，进行报警，不限于声光报警。

步骤e7，若目标相位差值小于预设相位差值范围的最小值，将相位差最小的谐振频率更新为结束的谐振频率。

步骤e8，通过更新后的结束的谐振频率，重复执行基于扫频信号以及结束的谐振频率，确定各个时间段的相位差至确定各个时间段内相位差最小的目标相位差，并检测目标相位差是否满足预设相位差范围的步骤，直至相位差小于预设相位差范围的最小值的次数满足预设次数。

结合图11所示，如果满足目标相位差值<10°，说明此点为谐振点，更新该目标相位差值，重复执行基于扫频信号以及结束的谐振频率，确定各个时间段的相位差至确定各个时间段内相位差最小的目标相位差，并检测目标相位差是否满足预设相位差范围的步骤，不断重复此过程，当找到的谐振频率连续几次相差很小，说明此时的谐振状态比较稳定，停止该过程中。

可选的，预设次数可以为4次、也可以为5次等，在此不做具体限定。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，通过结合温度变化会造成谐振点偏移的问题，在超声不激发期间，增加输出短时间小能量的超声信号的操作，通过采样反馈，实时锁定系统的谐振频率，以便下次很快跟踪；同时判断刀杆状态，对异常情况作出报警提醒。

在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：

步骤f1，获取校准参数。

结合图12所示，由于换能器加工以及材料的误差，采用相同的电流驱动换能器时，换能器的振幅会有差异。因此，在换能器出厂过程中会进行振幅校准，并将校准参数写入到存储设备（如手柄存储芯片）中进行存储。具体地，中央处理单元可以直接获取校准参数。

步骤f2，检测输出电流对应的振幅是否满足预设振幅。

步骤f3，若输出电流对应的振幅不满足预设振幅，基于校准参数对输出电流进行调整，以使输出电流对应的振幅满足预设振幅。

结合图12所示，具体地校准方法为换能器连接标准的超声骨刀，输出电流驱动换能器震动，并检测振幅是否满足预设振幅（范围不限于0.1~0.5A），如果振幅不满足预设振幅（预设振幅根据刀具情况定义合适范围，在此不做具体限定），则增加输出电流，直至找到对应的输出电流，并将此该输出电流写入到手柄存储器中。其中，手柄存储器不限于EEPROM、FLASH等器件；同理，振幅大于预设振幅，则减小输出电流，直至找到对应的输出电流，并将此该输出电流写入到手柄存储器中。

本实施例提供的超声系统的振幅控制方法，由于换能器加工差异，在出厂时对手柄进行振幅校准，将校准信息写入到换能器存储芯片中，工作时系统根据此参数进行补偿，减小换能器参数差异带来的误差。具有减小电流波动使超声刀输出振幅稳定。通过综合考虑上述影响，能够使超声刀头在不同的工作情况下都维持稳定的振幅。

在本实施例中还提供了一种超声系统的振幅控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本实施例提供一种超声系统的振幅控制装置，如图13所示，包括：

第一获取模块1301，用于获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；

第一确定模块1302，用于基于驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值；

第二确定模块1303，用于若相位差值大于预设差值，基于当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流；

第二获取模块1304，用于若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；

第三确定模块1305，用于基于对应时刻的输出电流、驱动频率、当前阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量；

调整模块1306，用于基于频率偏移量对驱动频率进行调整，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

在一些可选的实施方式中，第一确定模块1302包括：第一确定单元，用于基于输出电流以及输出电压，确定输出电流对应的第一方波信号以及输出电压的第二方波信号；第二确定单元，用于基于第一方波信号以及第二方波信号之间的延时以及驱动频率周期，确定相位差值。

在一些可选的实施方式中，上述装置还包括：第四确定模块，用于若任意时刻中存在输出电流处于预设电流的预设范围，基于目标电流以及对应时刻的输出电流，确定电流误差值；第五确定模块，用于基于电流误差值以及输出电流的相位值，确定占空比调节步距；占空比调节模块，用于基于占空比调节步距调节驱动频率的占空比，并通过电流误差值调整输出电压，以使对应时刻的输出电流满足目标电流；PID调节模块，用于若任意时刻中存在输出电流小于预设电流的预设范围的最小值，对对应时刻的输出电压进行PID调节，以使对应时刻的输出电流满足目标电流。

在一些可选的实施方式中，第二确定模块1303包括：第一获取单元，用于获取多个历史时刻的输出电流；其中，多个历史时刻中最后时刻的输出电流的下一时刻为当前时刻的输出电流；第三确定单元，用于基于历史时刻的输出电流以及当前时刻的输出电流，利用最小二乘法确定拟合函数；第四确定单元，用于基于拟合函数以及其他时刻，确定其他时刻对应的输出电流。

在一些可选的实施方式中，上述装置还包括：第六确定模块，用于若第一时刻的相位差值满足第一预设差值，确定第一时刻对应的谐振频率；第七确定模块，用于若第二时刻的相位差值满足第二预设差值，确定第二时刻对应的反谐振频率；其中，第二时刻大于第一时刻；第八确定模块，用于基于谐振频率以及反谐振频率，确定相位裕度；第九确定模块，用于基于相位差值、相位裕度、驱动频率周期以及预设校准系数，确定频率调整的步距；谐振频率调整模块，用于基于频率调整的步距以及相位差值，对谐振频率进行调整。

在一些可选的实施方式中，上述装置还包括：第三获取模块，用于获取结束时的谐振频率以及预设时间段内的扫频信号；第十确定模块，用于基于扫频信号以及结束时的谐振频率，确定各个时间段的相位差值；比对确定模块，用于比对各个时间段的相位差值，确定各个时间段内相位差值最小的目标相位差值，并检测目标相位差值是否满足预设相位差范围；第一表征模块，用于若目标相位差值大于预设相位差值范围的最大值，则表征设备状态异常；扫频信号调整模块，用于若目标相位差值处于预设相位差值范围内，对扫频信号进行调整，得到目标扫频信号，并基于目标扫频信号确定新的相位差；第二表征模块，用于若目标扫频信号的扫频范围大于预设范围的最大值，则表征设备状态异常；更新模块，用于若目标相位差值小于预设相位差值范围的最小值，将相位差最小的谐振频率更新为结束的谐振频率；重复执行模块，用于通过更新后的结束的谐振频率，重复执行基于扫频信号以及结束的谐振频率，确定各个时间段的相位差至确定各个时间段内相位差最小的目标相位差，并检测目标相位差是否满足预设相位差范围的步骤，直至相位差小于预设相位差范围的最小值的次数满足预设次数。

在一些可选的实施方式中，上述装置还包括：校准参数获取模块，用于获取校准参数；检测模块，用于检测输出电流对应的振幅是否满足预设振幅；输出电流调整模块，用于若输出电流对应的振幅不满足预设振幅，基于校准参数对输出电流进行调整，以使输出电流对应的振幅满足预设振幅。

上述各个模块和单元的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。

本实施例中的超声系统的振幅控制装置是以功能单元的形式来呈现，这里的功能单元是指ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。

本实施例提供的超声系统的振幅控制装置，当任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值时，通过获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，并通过对应时刻的输出电流、驱动频率、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量，然后通过频率偏移量对驱动频率进行调整，相比于通过调节电压大小来控制电流的方式，本发明能够抑制大电流的同时维持输出振幅稳定。

本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图13所示的超声系统的振幅控制装置。

请参阅图14，图14是本发明可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图14所示，该计算机设备包括：一个或多个处理器10、存储器20，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图14中以一个处理器10为例。

处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。

其中，所述存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使所述至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。

存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。

该计算机设备还包括通信接口30，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种超声系统的振幅控制方法，其特征在于，包括：

获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；

基于所述驱动频率周期、所述换能器端口的当前时刻的所述输出电流以及当前时刻的所述输出电压，确定相位差值；

若所述相位差值大于预设差值，基于所述当前时刻的所述输出电流，确定其他时刻的输出电流；

若任意时刻中存在所述输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；

基于对应时刻的所述输出电流、所述驱动频率、所述阻抗、所述目标电流、所述谐振频率、所述谐振点阻抗、所述反谐振点阻抗以及所述相位裕度，确定频率偏移量；

基于所述频率偏移量对所述驱动频率进行调整，以使所述对应时刻的所述输出电流满足所述目标电流。

2.根据权利要求1所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，所述基于所述驱动频率周期、所述换能器端口的当前时刻的所述输出电流以及当前时刻的所述输出电压，确定相位差值，包括：

基于所述输出电流以及所述输出电压，确定所述输出电流对应的第一方波信号以及所述输出电压的第二方波信号；

基于所述第一方波信号以及第二方波信号之间的延时以及所述驱动频率周期，确定相位差值。

3.根据权利要求1所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，还包括：

若任意时刻中存在输出电流处于预设电流的预设范围，基于所述目标电流以及对应时刻的所述输出电流，确定电流误差值；

基于所述电流误差值以及所述输出电流的相位值，确定占空比调节步距；

基于所述占空比调节步距调节驱动频率的占空比，并通过所述电流误差值调整输出电压，以使所述对应时刻的输出电流满足所述目标电流；

若任意时刻中存在输出电流小于预设电流的预设范围的最小值，对所述对应时刻的所述输出电压进行PID调节，以使所述对应时刻的所述输出电流满足所述目标电流。

4.根据权利要求1所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，所述基于所述当前时刻的所述输出电流，确定其他时刻的输出电流，包括：

获取多个历史时刻的输出电流；其中，多个历史时刻中最后时刻的所述输出电流的下一时刻为所述当前时刻的所述输出电流；

基于所述历史时刻的所述输出电流以及所述当前时刻的所述输出电流，利用最小二乘法确定拟合函数；

基于所述拟合函数以及其他时刻，确定所述其他时刻对应的所述输出电流。

5.根据权利要求1所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，确定所述相位裕度的方式，包括：

若第一时刻的所述相位差值满足第一预设差值，确定所述第一时刻对应的谐振频率；

若第二时刻的所述相位差值满足第二预设差值，确定第二时刻对应的反谐振频率；其中，所述第二时刻大于所述第一时刻；

基于所述谐振频率以及所述反谐振频率，确定所述相位裕度；

方法还包括：

基于所述相位差值、所述相位裕度、所述驱动频率周期以及预设校准系数，确定频率调整的步距；

基于所述频率调整的步距以及所述相位差值，对所述谐振频率进行调整。

6.根据权利要求5所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，还包括：

获取结束时的所述谐振频率以及预设时间段内的扫频信号；

基于所述扫频信号以及所述结束时的所述谐振频率，确定各个时间段的相位差值；

比对各个时间段的相位差值，确定各个时间段内相位差值最小的目标相位差值，并检测所述目标相位差值是否满足预设相位差范围；

若所述目标相位差值大于预设相位差值范围的最大值，则表征设备状态异常；

若所述目标相位差值处于所述预设相位差值范围内，对所述扫频信号进行调整，得到目标扫频信号，并基于所述目标扫频信号确定新的相位差；

若所述目标扫频信号的扫频范围大于预设范围的最大值，则表征设备状态异常；

若所述目标相位差值小于预设相位差值范围的最小值，将相位差最小的谐振频率更新为结束的谐振频率；

通过更新后的结束的谐振频率，重复执行基于所述扫频信号以及结束的谐振频率，确定各个时间段的相位差至确定各个时间段内相位差最小的目标相位差，并检测所述目标相位差是否满足预设相位差范围的步骤，直至相位差小于预设相位差范围的最小值的次数满足预设次数。

7.根据权利要求1所述的超声系统的振幅控制方法，其特征在于，还包括：

获取校准参数；

检测所述输出电流对应的振幅是否满足预设振幅；

若所述输出电流对应的振幅不满足所述预设振幅，基于所述校准参数对所述输出电流进行调整，以使所述输出电流对应的振幅满足预设振幅。

8.一种超声系统的振幅控制装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压；

第一确定模块，用于基于所述驱动频率周期、换能器端口的当前时刻的输出电流以及当前时刻的输出电压，确定相位差值；

第二确定模块，用于若所述相位差值大于预设差值，基于所述当前时刻的输出电流，确定其他时刻的输出电流；

第二获取模块，用于若任意时刻中存在输出电流超过预设电流的预设范围的最大值，获取对应时刻的驱动频率、输出电流、阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度；

第三确定模块，用于基于对应时刻的输出电流、驱动频率、当前阻抗、目标电流、谐振频率、谐振点阻抗、反谐振点阻抗以及相位裕度，确定频率偏移量；

调整模块，用于基于所述频率偏移量对所述驱动频率进行调整，以使所述对应时刻的输出电流满足所述目标电流。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1至7中任一项所述的超声系统的振幅控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7中任一项所述的超声系统的振幅控制方法。