CN212515446U - 一种超声换能器控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种超声换能器控制装置，包括超声换能器、用于在所述超声换能器两端电压超出预设阈值时进行电压和或电流采样的采样模块、用于根据所述采样模块采样结果调节输出电压的主机；所述采样模块的一端与所述主机的输出端连接，另一端连接所述主机的控制端；所述主机的输出端与所述超声换能器的输入端连接；所述超声换能器的输出端连接负载；本实用新型可有效控制超声换能器在工作时处于最优工作状态。

Description

一种超声换能器控制装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及一种超声换能器控制装置。

背景技术

超声切割止血刀是一种常见的外科手术刀，手术过程中创伤小、烟雾少、可凝血等特点，故能够在外科手术中广泛应用。超声切割止血刀由超声刀主机、超声换能器及超声刀头1组成，其工作原理是超声刀主机产生超声频率、有效值恒定的电流源给超声换能器，激励换能器产生超声频率的机械纵向振动，带动超声刀头1产生机械振动。因为频率高、振幅小，故能对小面积的人体组织产生切割作用。

超声换能器的等效电路如图1虚线框所示，L1为动态电感，C1为动态电容，R1为动态电阻，三者构成串联回路，也是机械回路，C0为静态电容,并联在电路中。在工作中，超声刀主机产生超声频率的电流源，这个频率需能够使机械回路达到最小阻抗才能实现最大的效率，并且产生最大的纵向振幅。根据串联谐振电路原理，频率需满足

此时换能器工作在串联谐振状态，串联回路等效于只有R1存在，阻抗最小，效率最高。

因为有静态电容C0的存在，换能器即使工作在串联谐振频率上，输入到换能器的电压和电流的相位差也不为0。而且这个相位差是根据负载和工作频率而变化的。因此不能通过电压和电流的相位差来跟踪换能器的谐振频率。

实用新型内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本实用新型提出一种超声换能器控制装置，主要解决传统医疗器械工作状态容易受换能器静态电容及负载影响的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本实用新型采用的技术方案如下。

一种超声换能器控制装置，包括超声换能器、用于在所述超声换能器两端电压超出预设阈值时进行电压和或电流采样的采样模块、用于根据所述采样模块采样结果调节输出电压的主机；

所述采样模块的一端与所述主机的输出端连接，另一端连接所述主机的控制端；所述主机的输出端与所述超声换能器的输入端连接；所述超声换能器的输出端连接负载。

可选地，还包括用于将所述主机输出端电压与所述超声换能器输入端电压隔离的隔离变压器，所述主机的输出端通过所述隔离变压器与所述超声换能器的输入端连接。

可选地，所述采样模块包括电压采样单元和电流采样单元，所述电压采样单元的输入端和所述电流采样单元的输入端分别与所述主机的控制端连接；所述电压采样单元的输出端和所述电流采样单元的输出端分别与所述主机的控制端连接。

可选地，所述主机包括处理器模块、功率放大模块和用于产生输出电压和频率的输出信号发生模块；所述处理器模块的输出端与所述输出信号发生模块的输入端连接；所述输出信号发生模块的输出端与所述功率放大模块的输入端连接；所述功率放大模块的输出端作为所述主机的输出端。

可选地，所述输出信号发生模块包括用于产生正弦波的直接频率合成器和用于产生偏置电压驱动所述功率放大模块的数模转换器；所述直接频率合成器输入端和所述数模转换器的输入端分别与所述处理器模块的输出端连接；所述直接频率合成器输出端和所述数模转换器的输出端分别与所述功率放大模块的输入端连接。

可选地，所述处理器模块包括以下至少之一：MCU、DSP、FPGA。

可选地，所述功率放大模块包括功率放大电路和用于为所述功率放大电路提供电源的开关电源单元；所述开关电源单元的输出端与所述功率放大电路连接。

可选地，所述处理器模块通过通讯模块与终端设备和/或服务器端连接。

可选地，还包括用于检测电压和/或电流是否过载的安全检测模块，所述安全检测模块的一端与所述处理器模块连接，另一端与所述主机的输出端连接。

如上所述，本实用新型一种超声换能器控制装置，具有以下有益效果。

通过采样模块采集主机输出端电压、电流，根据电压、电流的变化调节主机输出端电压，进而控制超声换能器两端的工作电压，保障超声换能器工作在串联谐振状态。

附图说明

图1为超声换能器等效电路图。

图2为超声换能器处于串联谐振状态的等效电路图。

图3为本实用新型一实施例中超声换能器控制装置的结构示意图。

图4为最小电压跟踪法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图3，本实用新型提供一种超声换能器控制装置，包括超声换能器2、主机3和采样模块。

在一实施例中，超声换能器2的输出端可连接超声刀头1等负载，为负载提供振动源，进行手术作业。

在一实施例中，超声换能器2由压电陶瓷堆、变幅杆、质量块组成，超声换能器2的输入端与主机3的输出端之间设置有一个隔离变压器7，隔离变压器7的一端连接主机3的输出端，另一端连接超声换能器2的输入端。通过隔离变压器7可将主机3输出电压与应用于患者的设备部分进行隔离，以保障患者不会受到主机3输出电压的影响，保证手术作业的安全性。

在一实施例中，主机3可包括处理器模块、功率放大模块和输出信号发生模块。处理器模块可包括FPGA处理器4、MCU处理器6、DSP处理器5等中的一种或多种的组合。如可通过FPGA处理器4连接采样模块，向采样模块发送控制命令，控制采样模块的启动和关断，并接收采样模块反馈的采样数据。

在一实施例中，采样模块可包括电压采样单元9和电流采样单元10，电压采样单元9和电流采样单元10的一端分别连接主机3的输出端，另一端分别与FPGA处理器4连接。FPGA处理器4根据采样的电压和电流波形，计算相位、电压值、电流值、功率值、阻抗值等，并通过数据通信协议(如I2C协议、SPI协议等)与DSP处理器5进行通讯。

在一实施例中，输出信号发生模块可包括直接频率合成器DDS13和数模转换器DAC14，DSP处理器5分别连接DDS13和输入端和DAC14的输入端。DSP处理器5通过通信协议与FPGA处理器4进行数据交换后，根据FPGA处理器4的计算结果，产生控制超声波幅度的信号输入DDS13，以及产生控制功率电压输出幅度的信号输入DAC14。

在一实施例中，功率放大模块包括功率放大电路8和开关电源单元12。DDS13的输出端、DAC14的输出端以及开关电源单元12的输出端分别连接功率放大电路8，DSP处理器5与直接频率合成器DDS13通讯，产生超声频率的正弦波信号，同时直接频率合成器DDS13产生一个模拟电压，两者输入到功率放大电路8，并通过开关电源模块，产生超声换能器2所需要的电流源，在超声换能器2上产生机械振动，从而传送到超声刀头1上切割人体组织。数模转换器DAC14用于产生偏置电压，输入功率放大电路8，保证功率放大电路8工作在放大状态。

在一实施例中，处理器模块可设置MCU处理器6通过通讯模块16与外部设备(如终端设备、服务器、LCD显示器17、输入设备18等)建立连接。可将超声换能器2的工作状态、工作参数(如震动频率等)通过终端设备显示器进行显示。外部设备也可通过MCU发送控制命令，控制超声换能器2的启动关断等。

在一实施例中，还可设置安全检测模块11，安全检测模块11的一端接主机3的输出端，另一端可与FPGA处理器4连接，安全检测模块11可采用常规的过流检测电路，当超声刀头1工作过程中，主机3输出端电流超出额定电流时，将检测结果反馈给FPGA处理器4，FPGA处理器4将数据传输至DSP进而生成控制命令，启动警示信息，如通过外设显示界面显示异常，或通过蜂鸣器等进行警示。

超声换能器2控制原理为：在超声刀头1切割过程中会产生一定的负载产生，负载通过超声换能器2的等效电路和匹配电路传递到功率输出回路(即主机3输出端)，在这里设置一个电压和电流采样，输送到FPGA，计算电流大小、电压大小，两者的相位，也通过电压和电流计算阻抗，通过计算的结果，传递到DSP模块，通过直接频率合成器DDS13调整输出频率，通过DAC14调整输出功率大小，因此形成一个反馈系统。在超声刀的工作过程中，就是这样不断地输出并反馈，使换能器工作在串联谐振状态。

由于超声刀在切割组织时，负载是变化的；超声换能器2的静态电容C₀并不是固定值，不同批次的超声换能器2静态电容C₀并不相同，超声刀系统在工作过程中换能器静态电容C₀随着换能器的温升而变化，因此在超声刀系统切割组织过程中，主机3需要实时调整谐振电流的频率，使换能器时刻工作在谐振状态。

这个算法的工作原理是：当换能器处于串联谐振状态时，等效电路变成图2所示，负载与静态电容C0并联，阻抗最小，换能器两端分压也会达到最小值，即在发生串联谐振时，超声换能器2两端的电压是最小的。可采用最小电压跟踪法调节超声换能器2的工作频率。

最小电压跟踪法计算流程如图4所示。电压采样单元9检测超声换能器2两端的电压值，并输出至FPGA处理器4；FPGA处理器4将采样的电压值与之前的电压值进行比较，确定新的工作频率；进而通过DSP处理器5改变DDS13的输出频率，DDS13输出的正弦信号输出给功率放大器，从而改变换能器的工作频率。直到找到最小电压对应的频率即为超声换能器2串联谐振频率。

换能器工作过程中的谐振频率漂移范围在54.5KHz-56.5KHz左右，换能器的初始频率设定为54.5KHz。超声刀系统开始工作前，设定一个谐振电压变化范围的阈值为ΔU,当换能器两端的谐振电压不超过U+ΔU时，不启动频率跟踪，当换能器两端的谐振电压超过U+ΔU时，启动频率跟踪。首先进行频率粗调，此时，频率向增大方向变化，且频率变化步长为100Hz；当扫描频率超出56.5KHz时，改变扫描频率为54.5KHz，继续扫频。找到电压取值满足关系U₁>U₂且U₂<U₃对应的频率f₁,f₃，则谐振频率必然满足f₁<f₂<f₃。然后继续频率细调，在f₁～f₃范围内，以步长5Hz改变频率，直到找到电压取值满足关系U′₁>U′₂且U′₂<U′₃，则电压U′₂对应的频率即为换能器串联谐振频率。

综上所述，本实用新型一种超声换能器控制装置，通过反馈调节保证超声换能器工作在串联谐振状态；不受超声换能器静态电容和负载的影响，可自动跟踪超声换能器的谐振频率。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种超声换能器控制装置，其特征在于，包括超声换能器、用于在所述超声换能器两端电压超出预设阈值时进行电压和/或电流采样的采样模块、用于根据所述采样模块采样结果调节输出电压的主机；

所述采样模块的一端与所述主机的输出端连接，另一端连接所述主机的控制端；所述主机的输出端与所述超声换能器的输入端连接；所述超声换能器的输出端连接负载。

2.根据权利要求1所述的超声换能器控制装置，其特征在于，还包括用于将所述主机输出端电压与所述超声换能器输入端电压隔离的隔离变压器，所述主机的输出端通过所述隔离变压器与所述超声换能器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述采样模块包括电压采样单元和电流采样单元，所述电压采样单元的输入端和所述电流采样单元的输入端分别与所述主机的控制端连接；所述电压采样单元的输出端和所述电流采样单元的输出端分别与所述主机的控制端连接。

4.根据权利要求1所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述主机包括处理器模块、功率放大模块和用于产生输出电压和频率的输出信号发生模块；所述处理器模块的输出端与所述输出信号发生模块的输入端连接；所述输出信号发生模块的输出端与所述功率放大模块的输入端连接；所述功率放大模块的输出端作为所述主机的输出端。

5.根据权利要求4所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述输出信号发生模块包括用于产生正弦波的直接频率合成器和用于产生偏置电压驱动所述功率放大模块的数模转换器；所述直接频率合成器输入端和所述数模转换器的输入端分别与所述处理器模块的输出端连接；所述直接频率合成器输出端和所述数模转换器的输出端分别与所述功率放大模块的输入端连接。

6.根据权利要求4所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述处理器模块包括以下至少之一：MCU处理器、DSP处理器、FPGA处理器。

7.根据权利要求4所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述功率放大模块包括功率放大电路和用于为所述功率放大电路提供电源的开关电源单元；所述开关电源单元的输出端与所述功率放大电路连接。

8.根据权利要求4所述的超声换能器控制装置，其特征在于，所述处理器模块通过通讯模块与终端设备和/或服务器端连接。

9.根据权利要求4所述的超声换能器控制装置，其特征在于，还包括用于检测电压和/或电流是否过载的安全检测模块，所述安全检测模块的一端与所述处理器模块连接，另一端与所述主机的输出端连接。

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