CN111609921B - 一种超声换能器频率跟踪的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声换能器频率跟踪的装置及方法，属于医疗器械技术领域，其通过测量电流和电压信号相位差的方式来检测谐振频率点，对超声换能器频率进行跟踪，以匹配换能器的固有频率变化，使换能器工作在谐振最佳状态，从而使换能器的输出功率最大，其包括DSP处理模块、DDS信号发生模块、推挽功率放大模块、相位采集模块、CPLD信号处理模块。本发明的频率跟踪的方法可以很好地实现在不同负载下的频率自动跟踪，并且运行可靠，本发明可广泛应用于超声刀。

Description

一种超声换能器频率跟踪的装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种超声换能器频率跟踪的装置及方法。

背景技术

20世纪七、八十年代出现的低频超声外科手术刀，采用超声能量粉碎、分离及切除人体的病变组织或器官，以达到手术治疗目的。它主要有两部分组成：超声功率源和超声振动***，其中，超声振动***有包含3个组成部分：超声换能器、聚能器和刀头。目前超声手术刀主要应用在白内障乳化、肝胆肿瘤吸收、吸脂美容、切骨、切割凝血等方面。其中，超声切割止血刀的应用范围较广，它利用超声换能器，使金属刀头以固定的频率进行机械振荡，导致与之接触的组织细胞内水汽化，蛋白氢键断裂，细胞崩解，组织被切开或凝固，进而封闭血管，达到止血的目的。与传统的手术刀相比，因其具有操作简便、创伤小、手术质量高等优点，得到了较为广泛的应用。近年来，许多学者从结构、材料、负载特性等方面对超声换能器的特性都做了一定的研究。

超声换能器又称超声波振子，是指在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换成电信号的能量转换器件，它是超声设备中的主要激励和控制元件，其特性直接影响到整个***的性能。超声刀在工作时温度上升，产生温漂效应，超声手术刀换能器的谐振频率会随着温度的变化或者负载改变而产生改变，因此能量没有完全转换为机械能量，从而在刀头的换能器产生大量热量，严重时甚至会烧毁超声换能器。超声换能器的种类也有很多，在实际应用中，超声刀一般采用夹心式压电换能器，由压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等组成，换能器机械品质因数较高，带宽较窄，由于超声刀的换能器工作在谐振状态的时候，电能转换为机械能的效率最高，超声刀头的使用寿命也才会更久。为此我们需要采用一种新型推挽激励换能器，拓展工作带宽，提高电声转换效率，延长使用寿命，对频率进行有效的跟踪，保证换能器输出功率以及能效最大。

超声刀工作中的自动频率跟踪问题深受国内外研究、应用者重视，特别是国外，由于起步早，应用广，形式也很多。所谓自动频率跟踪，是指在超声刀工作过程中，当由换能器、变幅杆、刀具组成的振动***在外界因素影响下，其固有振动频率发生变化时，控制***能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率和变化后的固有频率相同，是振动***始终工作在谐振状态，以维持振动***的最大振幅。自动频率跟踪的任务在于提取与换能器机械振动成比例的信号，并将电源的频率调谐到超声振动***的固有频率上，而能否准确地提取有效信号是自动频率跟踪是否能实现的关键。

发明内容

本发明的目的在于采用推挽式换能器结构，提供一种超声换能器频率跟踪的装置及方法，通过测量电流和电压信号相位差的方式来检测谐振频率点，对超声换能器频率进行跟踪，以匹配换能器的固有频率变化，使换能器工作在谐振最佳状态，从而使换能器的输出功率最大。

为实现上述目的，按照本发明提供的技术方案，所述一种超声换能器频率跟踪的装置，包括DSP处理模块、DDS信号发生模块、推挽功率放大模块、相位采集模块、CPLD信号处理模块。

所述DSP处理模块用于对DDS信号发生模块进行驱动配置，产生一个小功率的正弦信号，频率与换能器的固有频率相同，同时将CPLD信号处理模块采集过来的信号进行比对运算，调整频率；

所述DDS信号发生模块用于产生两路驱动换能器的原始的小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB，这两个信号相位差180º，为互补的正弦波信号；

所述推挽功率放大模块，用于将小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB进行放大，形成换能器驱动信号；

所述相位采集模块通过电流互感器和电压采集电路采集到换能器两端的电流和电压信号，然后输入CPLD信号处理模块进行相位触发点检测，电流相位触发时间点位T0，电压相位触发时间点位T1；

所述CPLD信号处理模块将相位采集模块的电压和电流进行相位关系进行比较，判断其工作状态，当谐振时，其回路电流电压同相位，相位差为0，即T0等于T1；当电压超前电流时，工作电源频率高于换能器的固有振动频率,即T1大于T0；反之，当电压滞后电流时，工作电源频率低于换能器的固有振动频率，,即T1小于T0；判断完成后，将电压和电流的相位关系通过总线方式传输给所述DSP处理模块，所述DSP处理模块根据电压和电流相位关系来调整原始驱动信号的频率，使电压和电流的相位一致。

本发明还提供一种超声换能器频率跟踪的方法，通过以下步骤进行实现：

S1:针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，建立所述超声换能器的电学等效网络，设定扫频给定输出；

S2:根据所述超声换能器的电学等效网络，在有限元后处理器中，进行电学参数的输出和计算，读取电压和电流的相位差；

S3:通过对电压和电流的相位差进行实时跟踪，并根据一定参数计算，读取T1电压和T0电流的相位差，则可以推导出当前需要的频率，并计算出频率差；

S4: CPLD信号处理模块根据计算的频率差更新频率，从而实现了频率的实时跟踪的目的；

其中频率跟踪公式为：

ƒ_n+1= ƒ_n+Δƒ

其中ƒ_n+1表示当前的频率输出，而ƒ_n表示上一次的频率输出。其中：

Δƒ=kΔθ

其中k表示变频系数，而Δθ表示当前施加在超声换能器上的电压和电流的相位差。

相较与现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用DSP+CPLD方式，运算速度和采样时间都有保障，方便控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，通过程序软件，可以实现多种参数控制方式，简化硬件结构，能够提高***的可靠性。

2、本发明的频率跟踪的方法可以很好地实现在不同负载下的频率自动跟踪，并且运行可靠。

附图说明

图1为本发明一种超声换能器频率跟踪的装置的结构框图。

图2为本发明一种超声换能器频率跟踪的方法的逻辑控制框图。

图3为没有采用频率自动跟踪效果图。

图4为本发明采用频率跟踪效果图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

本发明实施例提供一种超声换能器频率跟踪的装置，如图1所示，所述装置包括DSP处理模块、DDS信号发生模块、推挽功率放大模块、相位采集模块、CPLD信号处理模块。

所述DSP处理模块用于对DDS信号发生模块进行驱动配置，产生一个小功率的正弦信号，频率与换能器的固有频率相同，同时将CPLD信号处理模块采集过来的信号进行比对运算，调整频率；

在超声刀工作期间，根据不同频点情况下换能器两端的电流和电压的变化，利用极值判断方法找出换能器的谐振点频率，然后控制DDS信号发生模块，调节信号的频率；

所述DDS信号发生模块用于产生两路驱动换能器的原始的小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB，这两个信号相位差180º，为互补的正弦波信号；

所述推挽功率放大模块，用于将小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB进行放大，形成换能器驱动信号；

所述相位采集模块通过电流互感器和电压采集电路采集到换能器两端的电流和电压信号，然后输入CPLD信号处理模块进行相位触发点检测，电流相位触发时间点位T0，电压相位触发时间点位T1；

所述CPLD信号处理模块将相位采集模块的电压和电流进行相位关系进行比较，判断其工作状态，当谐振时，其回路电流电压同相位，相位差为0，即T0等于T1；当电压超前电流时，工作电源频率高于换能器的固有振动频率,即T1大于T0；反之，当电压滞后电流时，工作电源频率低于换能器的固有振动频率，,即T1小于T0；判断完成后，将电压和电流的相位关系通过总线方式传输给所述DSP处理模块，所述DSP处理模块根据电压和电流相位关系来调整原始驱动信号的频率，使电压和电流的相位一致。

当超声手术刀的换能器工作在失谐的状态时，即T0不等于T1时，其会呈现感抗或者容抗特性，则电压信号与电流信号就会产生一定的相位差，通过对这个相位差进行实时跟踪，从而实现了谐振频率的实时跟踪。依据此原理，本发明主要通过对电流信号以及电压信号进行采集，然后将信号送入CPLD信号处理模块进行信号处理计算从而得到相位差，通过对相位差的计算来控制换能器的输入信号频率，从而达到频率自动跟踪的目的。

实施例二

本发明还提供一种超声换能器频率跟踪的方法，如图2所示，通过以下步骤进行实现：

S1:针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，建立所述超声换能器的电学等效网络，设定扫频给定输出；

S2:根据所述超声换能器的电学等效网络，在所述装置的处理器中，进行电学参数的输出和计算，读取电压和电流的相位差；

S3:通过对电压和电流的相位差进行实时跟踪，并根据一定参数计算，读取T1电压和T0电流的相位差，则可以推导出当前需要的频率，并计算出频率差；

S4: CPLD信号处理模块根据计算的频率差更新频率，从而实现了频率的实时跟踪的目的；

其中频率跟踪公式为：

ƒ_n+1= ƒ_n+Δƒ

其中ƒ_n+1表示当前的频率输出，而ƒ_n表示上一次的频率输出。

图3中可以看出没有采用频率自动跟踪，当负载发生变化的时候，其振幅明显变小了。

图4中采用了频率跟踪的方法，可以发现当负载阻抗发生变化的时候，其振幅能够保持基本恒定，因此本发明设计的频率跟踪方法能适应于超声刀手术***。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明专利的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种超声换能器频率跟踪的装置，其特征在于：包括DSP处理模块、DDS信号发生模块、推挽功率放大模块、相位采集模块、CPLD信号处理模块；

所述DSP处理模块用于对DDS信号发生模块进行驱动配置，产生一个小功率的正弦信号，频率与换能器的固有频率相同，同时将CPLD信号处理模块采集过来的信号进行比对运算，调整频率；

所述DDS信号发生模块用于产生两路驱动换能器的原始的小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB，这两个信号相位差180º，为互补的正弦波信号；

所述推挽功率放大模块，用于将小信号DDS_IOUT和DDS_IOUTB进行放大，形成换能器驱动信号；

所述相位采集模块通过电流互感器和电压采集电路采集到换能器两端的电流和电压信号，然后输入CPLD信号处理模块进行相位触发点检测，电流相位触发时间点位T0，电压相位触发时间点位T1；

所述CPLD信号处理模块将相位采集模块的电压和电流进行相位关系进行比较，判断其工作状态，当谐振时，其回路电流电压同相位，相位差为0，即T0等于T1；当电压超前电流时，工作电源频率高于换能器的固有振动频率,即T1大于T0；反之，当电压滞后电流时，工作电源频率低于换能器的固有振动频率，即T1小于T0；判断完成后，将电压和电流的相位关系通过总线方式传输给所述DSP处理模块，所述DSP处理模块根据电压和电流相位关系来调整原始驱动信号的频率，使电压和电流的相位一致。

2.一种利用权利要求1所述的装置进行超声换能器频率跟踪的方法，其特征在于：通过以下步骤进行实现：

S1:针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，建立所述超声换能器的电学等效网络，设定扫频给定输出；

S2:根据所述超声换能器的电学等效网络，在所述装置的处理器中，进行电学参数的输出和计算，读取T1电压和T0电流的相位差；

S3:通过对电压和电流的相位差进行实时跟踪，并根据一定参数计算，读取电压和电流的相位差，则推导出当前需要的频率，并计算出频率差；

S4: CPLD信号处理模块根据计算的频率差更新频率，从而实现了频率的实时跟踪的目的；

其中频率跟踪公式为：

ƒ_n+1= ƒ_n+Δƒ

其中ƒ_n+1表示当前的频率输出，而ƒ_n表示上一次的频率输出；其中：

Δƒ=kΔθ

其中k表示变频系数，而Δθ表示当前施加在超声换能器上的电压和电流的相位差。

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