CN205411229U - 一种超声手柄驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了超声手柄驱动系统：DDS输出正弦电信号，一级放大电路和二级放大电路对正弦电信号依次放大后输出至变压器，变压器输出的正弦电信号驱动超声手柄高频振动；DSP中的比较器比较输入变压器的正弦电信号的电流相位和所述电压相位的相位差，相位差为负时，驱动DDS增大输出正弦电信号的频率，相位差为正时，驱动DDS减小输出正弦电信号的频率。通过实时获取并检测正弦电信号的电流相位和电压相位，在所述电流相位和所述电压相位差不等于0时，动态调整DDS输出的正弦电信号的频率，使得变压器输出的正弦电信号与超声手柄的谐振频率相等，解决了超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移的问题，实现超声手柄在实际工作中高频谐振。

Description

一种超声手柄驱动系统

技术领域

本实用新型涉及电学技术领域，特别是涉及一种超声手柄驱动系统。

背景技术

频率自适应的超声驱动系统是一台超声手术设备的核心，所述超声驱动系统包括超声驱动电路以及超声手柄，所述超声驱动电路输出高频的超声驱动电压信号加载到超声手柄上，实现驱动所述超声手柄片的高频振动，进而实现驱动所述超声手柄前端的手术刀进行微创伤手术。

超声驱动电路与超声手柄构成的所述超声驱动系统的等效阻抗为电阻R与电抗X组成，电阻R与电抗X的关系如公式(1)所示：

Z＝R+jX(1)

当加载在所述超声手柄的驱动电压信号的频率与所述超声手柄的谐振频率相同时，所述超声手柄工作于谐振状态，则Z＝R，电抗X＝0，所述超声驱动电路输出的所有的电能都转化成所述超声手柄的机械能，不会产生大量的热损耗，浪费所述超声驱动系统的驱动功率。

由于手术刀在手术的过程中触碰的身体组织结构的硬度不同，深度也不同，导致所述超声手柄所受到的阻力不断发生变化，使得所述超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移。当所述超声手柄工作在非谐振频率下时，驱动所述超声手柄的部分电能会转化成热能损失，降低所述超声驱动系统的驱动效率，大量的热积累还会缩短所述超声驱动系统的使用寿命，导致所述超声手柄的机械损坏或驱动电路烧毁。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种超声手柄驱动系统，解决了现有技术中超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移的问题。

为此，本实用新型解决技术问题的技术方案是：

一种超声手柄驱动系统，所述系统包括：

直接数字式频率合成器DDS，一级放大电路，二级放大电路，变压器，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，数字信号处理器DSP以及超声手柄；

所述DDS的电信号输出端口与所述一级放大电路相连，所述一级放大电路与所述二级放大电路相连，所述二级放大电路与所述变压器的一个输入端口相连，所述变压器的另一个输入端口与所述第三电阻R3串联后接地，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联后与所述变压器并联，所述变压器的输出端与所述超声手柄串联后接地；

所述DDS的电信号输出端口将正弦电信号输出至所述一级放大电路，所述一级放大电路对所述正弦电信号进行一级放大，所述二级放大电路对一级放大后的正弦电信号放大进行二级放大，所述二级放大电路将二级放大后的正弦电信号输出至变压器，所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频振动；

所述DSP包括第一采集端口，第二采集端口，比较器以及控制信号输出端口，所述DSP每隔预设时间间隔从所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1，根据所述第二电阻R2的电压U1以及所述第一电阻R1获得所述变压器的输入电压Uin的电压相位；所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1的同时，所述DSP从所述第二采集端口采集所述第三电阻R3的电压U2，根据所述第三电阻R3的电压U2获得所述变压器的输入电流Iin的电流相位，所述DSP中的比较器比较所述电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率，直至所述电流相位和所述电压相位的相位差为0，使得所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频谐振。

可选的，

所述DDS和所述DSP通过串行外设接口SPI相连。

可选的，

所述第一电阻R1为所述第二电阻R2的10至15倍，第三电阻R3为大功率毫欧级电阻。

可选的，所述二级放大电路包括：

高功率放大器、绝缘栅双极型晶体管或场效应管。

通过上述技术方案可知，本实用新型有如下有益效果：

本实用新型实施例提供了一种超声手柄驱动系统，包括：DDS将正弦电信号输出至所述一级放大电路，所述一级放大电路对所述正弦电信号进行一级放大，所述二级放大电路对一级放大后的正弦电信号放大进行二级放大，所述二级放大电路将二级放大后的正弦电信号输出至变压器，所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频振动；DSP中的比较器比较正弦电信号的电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率，直至所述电流相位和所述电压相位的相位差为0，使得所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频谐振。通过实时获取并检测正弦电信号的电压相位和电流相位，在所述电流相位和所述电压相位差不等于0时，动态调整DDS输出的正弦电信号的频率，使得所述变压器输出的正弦电信号与所述超声手柄的谐振频率相等，解决了超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移的问题，驱动所述超声手柄在实际工作中高频谐振。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统空载谐振频率测量示意图；

图3为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统有负载时谐振频率测量示意图；图4为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统有负载时电压相位超前示意图；

图5为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统有负载时电流相位超前示意图；

图6为利用本实用新型实施例所提供的超声手柄驱动系统驱动步骤流程图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种超声手柄驱动系统，在所述电流相位和所述电压相位差不等于0时，动态调整DDS输出的正弦电信号的频率，驱动超声手柄在实际工作中高频谐振。

下面结合附图对本实用新型具体实施例进行详细说明。

图1为本实用新型实施例提供的超声手柄驱动系统结构示意图，所述系统包括：

直接数字式频率合成器DDS，一级放大电路，二级放大电路，变压器，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，数字信号处理器DSP以及超声手柄。

所述DDS的电信号输出端口与所述一级放大电路相连，所述一级放大电路与所述二级放大电路相连，所述二级放大电路与所述变压器的一个输入端口相连，所述变压器的另一个输入端口与所述第三电阻R3串联后接地，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联后与所述变压器并联，所述变压器的输出端与所述超声手柄串联后接地。

所述DDS的电信号输出端口将正弦电信号输出至所述一级放大电路，所述一级放大电路对所述正弦电信号进行一级放大，所述二级放大电路对一级放大后的正弦电信号放大进行二级放大，所述二级放大电路将二级放大后的正弦电信号输出至变压器，所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频振动。

DDS中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度，DDS输出的一般是数字化的正弦波，本实用新型实施例中采用DDS输出正弦电信号，所述正弦电信号的频率与超声手柄的谐振频率相同，该正弦电信号具有非常低的谐波分量，并且，所述正弦电信号的相位噪声非常小。

一级放大电路对DDS输出的正弦电信号进行一级放大，并进行滤波整形，输出最大峰值为2.5V的正弦电信号。

二级放大电路一级放大电路放大后的所述正弦电信号进行二级放大，输出峰值为十几V～60V的正弦电信号。所述二级放大电路可以为高功率放大器、场效应管或绝缘栅双极型晶体管。图1中，所述二级放大电路以放大器为例。

二级放大电路输出的正弦电信号作为变压器的输入电信号，变压器输出的正弦电信号峰值为300～700V，变压器输出的正弦电信号用于驱动超声手柄高频振动。

当超声手柄工作时，超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移，即超声手柄工作时，由于负载发生变化，导致谐振频率发生改变。此时，DDS输出的正弦电信号的频率与所述超声手柄实际工作时偏移后的谐振频率不同，即超声手柄无法工作在谐振状态，驱动所述超声手柄的部分电能会转化成热能损失，降低所述超声驱动系统的驱动效率。

如图2和图3所示，当纵坐标所表示的正弦电信号的相位为0度时，所述超声手柄处于高频谐振状态，此时，谐振频率为43.1KHz，如图中箭头所指位置。当超声手柄上安装的前段手术刀触碰到身体组织结构时，超声手柄的谐振频率发生了漂移，谐振频率下降到了42.94KHz。从图2和图3的测量结果可以看出，在以谐振频率为中心的400Hz频率范围之内，驱动超声手柄的正弦电信号的相位的变化趋势呈单调性，所以超声手柄系统的扫描宽度就可以限制在400Hz以内。当正弦电信号的频率低于超声手柄的谐振频率时，超声手柄的阻抗呈现容性，当正弦电信号的频率高于超声手柄的谐振频率的时，超声手柄的阻抗呈现感性。对于驱动超声手柄的正弦电信号来说，超声手柄的阻抗呈现容性，如图4所示，此时正弦电信号的电流相位就会落后于电压相位，两个信号的相位差就是负值；如果超声手柄的阻抗呈现感性，如图5所示，此时驱动超声手柄的正弦电信号的电流相位会超前于电压相位，两个信号之间的相位差就是正值。

超声手柄驱动系统中超声手柄的谐振工作状态只会出现在一个频点上。现有技术中的超声手柄驱动系统大多采用MOS管输出驱动电信号，MOS管在扫频信号驱动下输出的驱动电信号不是正弦波，会带有很高的高频谐波分量。也就是说，MOS管输出的驱动电信号中只有基波能量会驱动超声手柄谐振，其他大部分高次谐波分量都使超声手柄工作在非谐振状态，大大浪费了超声手柄驱动系统的驱动功率。导致超声手柄驱动系统MOS管输出的驱动电信号中有一部分能量转化成了无用的热能，而长时间的热积累将会使超声手柄驱动系统的性能下降，最终可能导致超声手柄驱动系统热损坏。

所述DSP包括第一采集端口，第二采集端口，比较器以及控制信号输出端口，所述DSP每隔预设时间间隔从所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1，根据所述第二电阻R2的电压U1以及所述第一电阻R1获得所述变压器的输入电压Uin的电压相位；所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1的同时，所述DSP从所述第二采集端口采集所述第三电阻R3的电压U2，根据所述第三电阻R3的电压U2获得所述变压器的输入电流Iin的电流相位，所述DSP中的比较器比较所述电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率，直至所述电流相位和所述电压相位的相位差为0，使得所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频谐振。

DSP每隔预设时间间隔同时从所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1，从所述第二采集端口采集所述第三电阻R3的电压U2。

第一电阻R1和第二电阻R2组成一个分压电路，根据所述第二电阻R2的电压U1以及所述第一电阻R1利用公式(1)获得所述变压器的输入电压Uin的电压，进而获得所述变压器的输入电压Uin的电压相位。

$Uin=\frac{R1+R2}{R2}U1---\left(1\right)$

第三电阻R3的电压U2，根据所述第三电阻R3的电压U2利用公式(2)获得所述变压器的输入电流Iin，进而获得所述变压器的输入电流Iin的电流相位。

$Iin=\frac{U2}{R3}---\left(2\right)$

当超声手柄空载时，所述超声手柄进行高频谐振，此时驱动所述超声手柄电信号的所述电流相位和所述电压相位的相位差为0。当超声手柄工作时，所述超声手柄的谐振频率相交于空载时的谐振频率发生偏移，即所述超声手柄的谐振频率发生改变，则此时驱动所述超声手柄电信号的所述电流相位和所述电压相位的相位差不为0。

为了使所述超声手柄在工作时处于高频谐振状态，则需要动态调节驱动所述超声手柄的正弦电信号的所述电流相位和所述电压相位的相位差，直至所述电流和所述电压的相位差为0。所述DSP中的比较器比较所述电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率。

DSP通过数字控制接口(SPI)输出第一驱动信号或第二驱动信号，驱动DDS输出的正弦电信号的频率与所述超声驱动手柄的实际工作时所需的谐振频率相同。所述DDS的输出的正弦电信号的频率可以从1Hz到1MHz之间变化，输出频率的分辨率为0.018Hz，可以实现精确的调节正弦电信号的输出频率，以适应所述超声手柄实际工作时谐振频率的变化。

由上述内容可知，本实用新型实施例具有以下有益效果：

通过实时获取并检测正弦电信号的电压相位和电流相位，在所述电流相位和所述电压相位差不等于0时，动态调整DDS输出的正弦电信号的频率，使得所述变压器输出的正弦电信号与所述超声手柄的谐振频率相等，解决了超声手柄的实际工作频率相较于空载状态下的谐振频率发生偏移的问题，驱动所述超声手柄在实际工作中高频谐振。

图6为利用本实用新型实施例所提供的超声手柄驱动系统驱动步骤流程图：

601：直接数字式频率合成器DDS输出正弦电信号。

602：一级放大电路对所述正弦电信号进行一级放大。

603：二级放大电路对一级放大后的正弦电信号进行二级放大，并将二级放大后的正弦电信号输出至变压器。

604：所述变压器输出的正弦电信号驱动超声手柄高频振动。

605：数字信号处理器DSP每隔预设时间间隔同时采集第二电阻R2的电压U1以及第三电阻R3的电压U2，根据所述第二电阻R2的电压U1以及所述第一电阻R1获得所述变压器的输入电压Uin的电压相位，根据所述第三电阻R3的电压U2获得所述变压器的输入电流Iin的电流相位。

606：所述DSP比较所述电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率，直至所述电流相位和所述电压相位的相位差为0，所述变压器输出的正弦电信号的频率与所述超声手柄的谐振频率相同，使得所述超声手柄高频谐振。

初始化时，所述超声手柄处于空载状态，所述超声手柄的谐振频率为43.1KHz。DSP通过与DDS互连的SPI接口，向DDS发送43.1KHz频率对应的控制字，控制所述DDS输出频率为43.1KHz的正弦电信号。DDS输出的正弦电信号通过一级放大电路进行放大，整形和滤波后，输出至二级放大电路。二级放大电路对一级放大电路输出的正弦电信号进行放大，放大后输出的正弦电信号的电压峰值最高可达60V，电功率最高可达50W。二级放大电路将放大后的正弦电信号输出至变压器的输入端口。所述变压器将正弦电信号进行进一步放大，放大后的正弦电信号的电压峰值最高可达700V，所述变压器输出放大后的正弦电信号，驱动所述超声手柄高频振动。

二级放大器的输出的正弦电信号将会通过第一电阻R1和第二电阻R2构成的分压电路，DSP采集第二电阻R2的电压U1，根据第二电阻R2的电压U1以及第一电阻R1可以获得所述变压器输入电信号的电压相位。二级放大器输出的正弦电信号流经第三电阻R3后接地，采集第二电阻R2的电压同时，采集第三电阻R3的电压U2，获得所述变压器输入电信号的电流相位。

DSP通过内部集成的模数转换ADC通道同时采集第二电阻R2的电压U1以及第三电阻R3的电压U2。为了能够精确的检测出Uin和Iin的相位差，DSP的采样频率为15MSa/s。对于43KHz左右的正弦电信号来说，相位分辨率可以达到(43000/15000000)*360＝1.03度。本实用新型中将接收到的电流信号Iin与电压信号Uin的相位差小于等于10度作为所述超声手柄谐振的标志。

DSP中的定时器每个预设时间间隔触发ADC通道采集第二电阻的电压U1和第三电阻的电压U2，从而获得Uin和Iin信号，每次采样获得300个Uin，300个Iin，保证采样所得的多个Uin和多个Iin能够描述频率为43KHz的正弦电信号一整个周期的电压波形和电流波形。DSP将对所获得的300个Uin以及300个Iin，以每3个相邻的点做平均的方式对波形进行平滑运算，分别得到两个300深度的数组，第一个数组是处理后的Uin，第二个数组是处理后的Iin。

为了能够得到电流相位和电压相位的相位差，DSP将两个数组Uin和Iin的相邻的两个数据点做减法运算，并找到两个差值最小的点，也就是电信号斜率最小点，如图4和图5所示。如果两个电信号斜率最小点的时间差小于9个采样点(如上所述，每个采样点的相位分辨率为1.03度)实际相位相差10度以内，就认为系统位于谐振状态。

如果两个电信号斜率最小点的时间间隔相差超过10个采样点，则说明所述超声手柄的谐振频率已经偏离的原谐振频率，需要调整DDS输出的电信号的频率。如果发现输入电信号的电压Uin的最小斜率点比输入电信号的电流Iin的最小斜率点出现的时刻早，则根据图2和图3所示，就说明当前谐振频率比原谐振频率低，需要提高DDS输出的正弦电信号的频率。此时DSP将通过SPI总线将携带有频率控制字的第一驱动信号发送给DDS，使DDS输出的正弦电信号的频率提高10Hz。DSP再次获得Uin的相位和Iin的相位，并重新计算所述电流相位和电压相位的相位差，查看所述超声手柄是否工作在谐振状态。如果发现输入电信号的电压Uin的最小斜率点比输入电信号的电流Iin的最小斜率点出现的时刻晚，则根据图2和图3所示，就说明当前谐振频率比原谐振频率高，需要降低DDS输出的正弦电信号的频率。此时，DSP将通过SPI总线将携带有频率控制字的第二驱动信号发送给DDS，使得DDS输出的正弦电信号的频率下降10Hz。随后DSP再一次获得Uin和Iin，反复多次，直至所述电流和所述电压的相位差为0，使得所述超声手柄工作在谐振状态。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种超声手柄驱动系统，其特征在于，所述系统包括：

直接数字式频率合成器DDS，一级放大电路，二级放大电路，变压器，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，数字信号处理器DSP以及超声手柄；

所述DDS的电信号输出端口与所述一级放大电路相连，所述一级放大电路与所述二级放大电路相连，所述二级放大电路与所述变压器的一个输入端口相连，所述变压器的另一个输入端口与所述第三电阻R3串联后接地，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2串联后与所述变压器并联，所述变压器的输出端与所述超声手柄串联后接地；

所述DDS的电信号输出端口将正弦电信号输出至所述一级放大电路，所述一级放大电路对所述正弦电信号进行一级放大，所述二级放大电路对一级放大后的正弦电信号放大进行二级放大，所述二级放大电路将二级放大后的正弦电信号输出至变压器，所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频振动；

所述DSP包括第一采集端口，第二采集端口，比较器以及控制信号输出端口，所述DSP每隔预设时间间隔从所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1，根据所述第二电阻R2的电压U1以及所述第一电阻R1获得所述变压器的输入电压Uin的电压相位；所述第一采集端口采集所述第二电阻R2的电压U1的同时，所述DSP从所述第二采集端口采集所述第三电阻R3的电压U2，根据所述第三电阻R3的电压U2获得所述变压器的输入电流Iin的电流相位，所述DSP中的比较器比较所述电流相位和所述电压相位的相位差是否为0，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为负时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述DDS增大输出正弦电信号的频率，当所述电流相位和所述电压相位的相位差为正时，所述DSP通过控制信号输出端口向所述DDS发送第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述DDS减小输出正弦电信号的频率，直至所述电流相位和所述电压相位的相位差为0，使得所述变压器输出的正弦电信号驱动所述超声手柄高频谐振。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述DDS和所述DSP通过串行外设接口SPI相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述第一电阻R1为所述第二电阻R2的10至15倍，第三电阻R3为大功率毫欧级电阻。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，所述二级放大电路包括：

高功率放大器、绝缘栅双极型晶体管或场效应管。