CN2461533Y - 智能化超声波控制装置 - Google Patents

Abstract

一种智能化超声波控制装置,至少包括电源及振荡器单元、换能器和传感器;该装置还包括主处理机、数/模转换单元、接口控制单元、监控单元和智能管理模块,该智能管理模块至少由数据处理模块、数据控制模块和监控报警及反馈模块构成;其中,主处理机同时与数/模转换单元、接口控制单元和智能管理模块连接,监控单元与所述的传感器连接,数/模转换单元及接口控制单元同时连至电源及振荡器单元,该数据控制模块数/模转换单元相连接。

Description

智能化超声波控制装置

本实用新型涉及一种控制装置，尤指一种用于超声波仪器的、智能化的超声波控制装置。

随着电子技术和医疗手段的飞速发展，许多先进的电子仪器都可以用于医疗方面，与医疗的处理手段相结合，使得解决及分析处理病症的方法更先进、方便、快捷，超声波就是其中一例。超声波作为一种高频机械波在媒介中传播，必然会对媒质产生影响。当生物组织作为一种媒质来介导超声波时，就会被超声波高频震荡，激起生物学效应。这些生物学效应主要可分为三种：机械效应、温热效应和理化效应。

首先，机械效应是超声波最基本的原发效应，它包括行波场的机械效应及驻波场的机械效应。行波场中的机械效应是由于超声波的推动使生物组织中各质点受到交替变化的压缩和伸张产生的正压和负压，以及由此而得到的巨大加速度。驻波场中的机械效应是指：由反射波和前进波的干涉而形成的驻波可影响生物组织张力、压力，使各质点获得更为巨大的加速度，使离解的的液体内不同质量的离子获得不同的运动速度。质点大的落后于质点小的，离子之间便发生相对运动，产生摩擦而形成能量。

基于上述机械效应，可引起组织细胞内物质运动，从而显示出一种微细的按摩作用；可产生细胞浆流动，细胞质颗粒振荡旋转、摩擦；可刺激细胞半透膜弥散过程，引起扩散速度和膜渗透性改变，促进新陈代谢，加强血液和淋巴循环，改善组织营养，改变蛋白合成率，提高再生机能等。经过临床应用显示超声具有镇痛作用，还可使致密、坚硬的结缔组织延伸、松软。

其次，温热效应是超声机械能转变成热能的能量转换过程，是内生热的一种。该温热效应具有下述特点：

①超声在组织内的产热是不均匀的，由于声阻抗不同导致在不同组织的界面上热生成的多少不同。如皮下组织与肌肉交界处；肌肉组织与骨组织交界处。因此，在肌腱、韧带附着处、关节的软骨面以及骨皮质等处产热较多；接近骨组织的软组织比靠近声头但远离骨组织的软组织产热要多。

②超声在组织内的产热约有80％经血液循环带走，因此超声作用不会使血循环旺盛的组织器官的温度有明显升高。

该温热效应可增强血液循环，加强代谢，改善局部组织营养，增强酶能力，降低肌肉和结缔组织张力，缓解痉挛、减轻疼痛，又可降低感觉神经兴奋性，也起到镇痛作用。

第三，超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化，实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。超声波可加强生物膜的弥散过程，提高局部组织的药物浓度；可使凝胶转化为溶胶状态，进一步对肌肉、肌腱的软化以及对一些与组织缺水有关的病理改变有显著的作用。超声还对酶的活性有影响，并可认为在超声作用下，水解酶的活性变化起了主导作用；超声对氢离子浓度也有影响，此特征可用于缓解急性炎症所伴有的局部酸中毒及疼痛症状。

综上所述，利用超声的三大生物效应，超声波可广泛应用于消毒、杀菌、除尘以及医疗方面。尤其将超声波应用于与骨-关节有关的一系列创伤及骨病的治疗是非常有效的，且经临床证明疗效是极为显著的。

但是，在现有超声波仪器的实际应用中，其尚无智能化的控制装置，使得超声波装置的正确使用和操作受到很大限制。而控制超声波正常工作并达到最佳效果的关键在于控制超声波发生的三要素，即超声波的发生功率、作用时间及其作用方式。目前所用的超声波仪器中，其控制部分的三大参数一般都是预先由人为设定的，或由特定电路产生的固定参数，操作起来非常麻烦，比如：使用现有超声波仪器选择输出频率时，其频率起始值为0；步进值为0.5，若需输出的频率为2，则需按选择频率的按键4次才行。由于目前所用的超声波仪器没有一种智能化的控制装置，因此不能按用户需求调整参数，比如超声波的发射采用连续方式，还是脉冲方式；是连续固定方式，还是连续移动方式；其通断比应为多少合适；脉冲频率范围为多少赫兹等等，都不能随时调整，给超声波的操作者造成诸多不便，也不能控制超声波仪器达到最佳的工作状态。而且，该类超声波仪器大都由于工艺或硬件精度的问题，不能准确地输出使用者所需的参数值，同时该类超声波仪器采用开放式控制，并无信息反馈，故不知道最后的作用值是否与所选值一致，有多少误差，因此，不能保证设备使用的安全性、可靠性和准确度。尤其在医学治疗方面，对设备安全性、可靠性和准确度的要求更高，稍有偏差可能会导致严重的后果。

另外，现有的超声波仪器并不具备对病理资料、病历档案等进行管理与分析的功能，也不能实现人/机方式的交互性对话，对于操作控制者而言很不方便。

有鉴于此，本实用新型的目的就在于提供一种智能化超声波控制装置，使其可随意的控制超声波发生的能量、调制频率以及作用方式，并采用闭环方式实现自动控制和锁定超声的发生状态，进而控制超声波仪器按照使用需求达到最佳的工作状态，同时提高了设备的安全性、可靠性和准确度，为用户提供了方便。

本实用新型进一步的目的在于提供一种智能化超声波控制装置，其可对病历档案、病理资料进行分析、管理、评价与统计，给操作控制人员提供了很多便利条件，使其可方便的查阅资料，或根据评价统计结果积累更多的经验，使操作更简单。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种智能化超声波控制装置，至少包括电源及振荡器单元、换能器和传感器，该电源及振荡器单元通过线缆同时与换能器和传感器相连，换能器与传感器连接；该装置还进一步包括主处理机、数/模转换单元、接口控制单元、监控单元和智能管理模块，该智能管理模块至少由数据处理模块、数据控制模块和监控报警及反馈模块构成；其中，主处理机可为计算机或微处理器，该主处理机同时与数/模转换单元、接口控制单元和智能管理模块连接，监控单元与所述的传感器连接，数/模转换单元及接口控制单元同时通过线缆连至电源及振荡器单元，该数据控制模块数/模转换单元相连接。

所述的监控单元至少包括功率监视单元、时域监视单元和接触监视单元，该三个单元同时与所述的接口控制单元、数据控制模块以及监控报警及反馈模块相连。所述的数据处理单元至少包括档案管理模块、资料统计模块以及效果评价模块；其中，档案管理模块同时连至所述的数/模转换单元和接口控制单元。

本实用新型还可包括一用户输入装置，该用户输入装置与所述的效果评价模块相连，该用户输入装置可为键盘或鼠标。

所述的数/模转换单元可为一独立插卡，插设于主处理机中，其可包括一个以上的输出通道。所述的接口控制单元包括一个以上的输入、输出端。所述连接线缆可为扁平电缆。

本实用新型所提供的智能化超声波控制装置，由于该装置包括计算机或微处理器系统，因此可实现自动控制相关参数的输入或生成，从而可自由控制超声波发生的功率、调制频率以及作用方式，并可自动控制和锁定超声的发生状态，使得超声波仪器处于最佳工作状态，进而方便了用户的使用。

本发明采用了闭环方式进行监控，其可随时监控功率输出值是否合适，不合适可及时通知监控报警及反馈模块和数据控制模块，再通过数/模转换单元作相应的应急处理；同时监视作用时间，以防超时而导致故障发生；并监视目标物的接触状态，防止仪器与其操作目标断开而作无用功。从而，提供了设备的安全性、可靠性和准确度。

由于该控制装置加入了计算机系统，因此它可以对大量资料进行处理，比如对病历档案的分析、管理、评价与统计，使得操作控制人员可以通过该计算机系统查阅各类病理、病历资料，非常方便快捷，同时通过对上述资料以及评价统计结果的研究，可使操作人员累计更多的实践经验。该计算机系统还可监测该装置的运行状态，以避免出现故障。

另外，该控制装置结构简单、连接方便，可连接于任何超声波发生装置或超声波设备之上，以控制这些设备更好的工作，更好的完成杀菌、消毒、除尘或医疗功能。

下面结合附图及具体实施例对本实用新型再作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型直流可控电源的电路原理图；

图3为本实用新型超声振荡器的电路原理图。

参见图1所示可以看出，本实用新型主要由主处理机11、数/模转换单元12、接口控制单元13、监控单元18、智能管理模块17、电源及振荡器单元14、换能器15和传感器16几部分构成。该智能管理模块17至少包括数据处理模块171、数据控制模块172和监控报警及反馈模块173；该监控单元18至少包括功率监视单元181、时域监视单元182和接触监视单元183；所述的数据处理单元171至少包括档案管理模块1711、资料统计模块1712以及效果评价模块1713。本实用新型还可进一步包括一用户输入装置19，该用户输入装置19可为键盘或鼠标。

其中，主处理机11可以有两种实现方法：一种是采用计算机，另一种是利用微处理器系统。这两种方法均是通过数/模(D/A))转换单元12实现对输出能量的控制，通过接口(I/O)控制单元13控制输出频率，并通过I/O控制单元13对整个装置的运行状态进行监测和控制，以实现故障防范。

当使用计算机为主处理机时，D/A转换单元12及I/O控制单元13作为计算机配件直接插入计算机的标准PSI插槽中。在本实施例中，D/A转换单元12是采用现有IPC 5476B数/模转换板；I/O控制单元13是采用IPC5375接口控制板。其中，D/A转换单元12包含有独立8通道输出，可同时控制8路电压输出，即可控制最多8路的超声输出，并通过D/AOUTPUT点的电平(如图2所示)，对其中任意一路实时控制其输出功率。D/A电路的精度为12bit，电路对输出功率的调控可达4096级，因此配合仪器本身的精密度，可保证仪器的调控达到100级。I/O控制单元13共有16路输入、输出点，通过F-CTRL点的电平(如图3所示)，可控制超声的输出功率及启停。

另外，采用计算机作为主处理机，除了实现对电路的实时控制，还具有对病历档案的输入、存储、查询；治疗方案、处方的选择及修正；医学档案的分析、统计、评价等诸多功能。这些功能的具体实现是通过计算机内部特有的智能管理模块17来实现所有的数据管理，智能管理模块17接收到主处理机11所输入的数据信息及指令后，可送到数据处理单元171中分类处理：或由档案管理模块1711完成数据存储以及病历库、处方库的管理、检索及修正；或由资料统计模块1712进行统计、分析，并提供医学统计的直方图、疗效曲线，以备日后使用；也可以对某个病案进行跟踪；或对某类病种进行资料统计。数据控制模块172用于控制数/模转换单元12的电平输出。监控报警及反馈模块173用于接收由监视单元过来的功率、时间周期、接触状态等信号，并加以处理。用户可通过键盘或鼠标等用户输入装置19输入信息至效果评价模块1713，使得该模块可由输入信息进行效果评估。同时，效果评价模块1713可将该输入信息存储至资料统计模块1712或档案管理模块1711，以备查找。

如果是利用微处理器系统作为主处理机，可直接提供D/A及I/O控制电路控制，其硬件的控制方式与计算机中相同。同时，该微处理器系统也具有实时控制、治疗方案(处方)的选择及修正、效果评价等功能。

超声系统由超声换能器和超声发生器组成。超声换能器是压控器件，它可将施加在其上的电压振荡信号转变为机械振动能量向外辐射。当超声发生器产生的电信号施加在压电晶体的两极时，压电晶体的厚度会随电信号的频率发生同频的周期性变化。压电晶体厚度的周期性变化经谐振器放大，将机械振动能量向外辐射。

推动超声换能器工作的电信号由超声波控制装置控制产生，该电路分为两大部分：直流可控电源和超声振荡器。

请参见图2所示，图2为直流可控电源的电路原理图，该部分电路以运放U1、U2、U3及定时器U4为核心组成。该电路加电后，由UP1、UP2集成电路产生±12V电压，供给电路电源。同时，交流信号经D1、D2整流后，提供100Hz的脉动信号，送至U1的反向输入端，与U1正向输入端比较，由U1产生直流脉冲电流，对由U2构成的积分电路充电。充电电平在AA点与计算机中由数/模(D/A)转换单元构成的D/A板所输出的直流信号端(D/AOUTPUT)进行比较，当D/AOUTPUT端电平较高时，AA点充电时间较长，才能触发U3翻转至高电平；反之，U3经较短时间即可翻转至高电平。U3翻转至高电平后，禁止U4产生振荡，从而控制振荡电路(如图3所示)50Hz工频的导通角。

因此，计算机通过D/A板控制D/AOUTPUT点的电平，达到控制U4起振时刻的目的，U4的振荡经T1耦合，控制超声振荡器的起振导通角，实现对超声能量，即超声发生功率的控制。

如图3所示，图3为超声振荡器的电路原理图。超声振荡器的起振由A、B、C、D四点的电平决定，这四点受直流可控电源电路控制，当图2中U4振荡时，A、B、C、D点之间有电压产生，S1、S2相应导通，220V电压经T2耦合加在D1、D2两端，由压电晶体C5为核心组成的振荡电路产生固定频率的振荡，其振荡频率依赖于C5的参数特性。C5上的电振荡引起C5的厚度变化，该机械变化经谐振腔放大后产生超声振荡输出，而超声换能器产生能量输出。

同时，计算机通过接口(I/O)控制单元的I/O输出口控制F-CTRL点的电平值；当F-CTRL点为高电平时，M1导通，振荡电路停止工作，超声换能器无能量输出；当该点为低电平时，M2截止，C3、P1参与振荡电路工作，电路起振，超声换能器产生能量输出。因此，控制F-CTRL的电平，即可控制C5上有无振荡产生，从而达到控制超声的输出频率的目的。

在实际应用中，操作者首先通过主处理机11输入用户数据，该数据经过智能管理模块17、数据处理模块171送入档案管理模块1711，根据所输入的数据从档案管理模块1711中找出所需的信息，并将此信息传至数/模转换单元12和接口控制单元13中，数/模转换单元12会根据该信息产生相应的D/AOUTPUT点电平；同时接口控制单元13产生F-CTRL点电平送入电流及振荡器单元14，经过电流及振荡器单元14比较、翻转，控制振荡器的导通，进而控制换能器15输出功率，以及控制超声的输出频率。所输出的频率、功率还通过传感器16同时由监控单元18实时监测，如果发现问题或出现故障，监控单元18会立即将故障信息反馈给监控报警及反馈模块173和数据控制模块172，数据控制模块172将控制数/模转换单元12作相应的应急处理，决定是关闭或调整电平参数重新生成新的功率、频率，使整个控制装置处于一闭环控制。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限制本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种智能化超声波控制装置，至少包括电源及振荡器单元、换能器和传感器，该电源及振荡器单元通过线缆同时与换能器和传感器相连，换能器与传感器连接；其特征在于：还包括主处理机、数/模转换单元、接口控制单元、监控单元和智能管理模块，该智能管理模块至少由数据处理模块、数据控制模块和监控报警及反馈模块构成；其中，主处理机同时与数/模转换单元、接口控制单元和智能管理模块连接，监控单元与所述的传感器连接，数/模转换单元及接口控制单元同时通过线缆连至电源及振荡器单元，该数据控制模块与数/模转换单元相连接。

2、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的监控单元至少包括功率监视单元、时域监视单元和接触监视单元，该三个单元同时与所述的接口控制单元、数据控制模块以及监控报警及反馈模块相连。

3、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的数据处理单元至少包括档案管理模块、资料统计模块以及效果评价模块；其中，档案管理模块同时连至所述的数/模转换单元和接口控制单元。

4、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的主处理机可为计算机或微处理器。

5、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：还可进一步包括一用户输入装置，该用户输入装置与所述的效果评价模块相连。

6、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的数/模转换单元可为一独立插卡，插设于主处理机中。

7、根据权利要求1或6所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的数/模转换单元包括一个以上的输出通道。

8、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的接口控制单元包括一个以上的输入、输出端。

9、根据权利要求5所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的用户输入装置可为键盘或鼠标。

10、根据权利要求1所述的智能化超声波控制装置，其特征在于：所述的连接线缆可为扁平电缆。

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