CN112075973B - 一种超声骨刀动态阻抗反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声骨刀动态阻抗反馈技术领域，公开了一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，其具体电路包括主电源、HMI人机交互模块、MCU、数控激励电源、匹配电感和匹配电容组成的匹配电路，阻容分压电路以及霍尔传感器组成的采样电路、增益放大电路、带通滤波电路、电平调整电路、入幅相检测及低通滤波电路、RMS真有效值电路。本发明采用阻容电路进行分压和霍尔传感器的采样，使其采样原始信号的干扰减少，没有额外元器件的串入匹配电路，故采集的原始信号更加的准确，保证了信号处理电路的信号精度、降低了漂移误差，并引入带通滤波电路，使得最终信号更准确、更干净，且修正谐振频率采用误差的PID算法计算，追频速度更快。

Description

一种超声骨刀动态阻抗反馈方法

技术领域

本发明涉及超声骨刀动态阻抗反馈技术领域，具体是一种超声骨刀动态阻抗反馈方法。

背景技术

当前随着超声波在医疗行业应用的范围越来越普及，在实际超声骨刀临床使用、治疗过程中，骨刀压电超声换能器如果出现调谐匹配失调的情况，会直接影响着临床诊断的准确性，还产生电能转机械能的转换效率降低、骨刀刀柄发热等问题，继而造成浪费电能和超声骨刀寿命缩短的诸多问题。

阻抗匹配是电能和机械能之间能量传输、转换的桥梁，具有调谐和变阻的作用，现在常用的阻抗匹配的方法:

1、调节调谐电感、调谐电容法，通过调整匹配电路中的调谐电感值和调谐电容值达到阻抗匹配，这种方法匹配速度反应慢、匹配精度不够，而且因为有机械传动机构体积比较大；

2、采用定电容值，调整调整匹配电路中的调谐电感气间隙，来达到调节阻抗匹配，这种方法虽然体积方面相对方法1会缩小，但依旧存在匹配速度反应慢、匹配精度不够的问题；

3、采用采样激励电源的反馈电压、电流的相位差，使用PD和PLL(可以是数字PLL)进行锁相控制，这种方法也是采用比较普遍的方法，这种方法相对方法1、方法2弃用了机械机构体积是最小的，匹配速度、匹配精度都有所提高，但是实际的激励电源输出和压电超声换能器的负载一直在变化，造成采样的电流信号、电压信号有较重杂波干扰，在匹配精度方面依旧不够，易出现锁频失败的情况，而且由于向电路中串入采样电阻，会引起实际的电路的原有参数变化，更会引起误差的变大。

所以如何对医用超声骨刀的压电超声换能器的阻抗匹配的状态，进行快速、精准的测量和评估，及调谐频率的定量调整，是目前所需要的解决的问题，因此，本领域技术人员提供了一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，以解决上述背景技术中提出如何对医用超声骨刀的压电超声换能器的阻抗匹配的状态，进行快速、精准的测量和评估，及调谐频率的定量调整的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，该超声骨刀动态阻抗反馈方法的具体电路包括主电源、HMI人机交互模块、MCU、数控激励电源、匹配电感和匹配电容组成的匹配电路，阻容分压电路以及霍尔传感器组成的采样电路、增益放大电路、带通滤波电路、电平调整电路、入幅相检测及低通滤波电路、RMS真有效值电路，其具体操作为以下步骤：

S1、主电源为各模块提供所需电源，上电完成初始化，MCU由骨刀频率带的最小频率至最大频率进行步进扫频，并控制数控激励电源输出；

S2、信号经由功率匹配电感、匹配电容组成的匹配电路，送至超声骨刀的换能器处，由换能器将激励电能转换为机械能；

S3、进一步的，霍尔传感器分别对阻容电路分压信号和流过换能器的电流信号进行采样，采样信号经增益放大电路、窄带宽带通滤波器以及电平调整电路；

S4、上述S3中电流信号的其中一路会经RMS真有效值电路转换电流信号的真有效值送入MCU的ADC，真有效值通过扫描得出谐振电流的最大值，来判断超声骨刀是否已联接和是否已经损坏；

S5、上述S3中电流信号的另一路送入幅相检测及低通滤波电路中，会转为电压、电流信号的幅度比值和相位差信号，经ADC转后进入MCU，在R-X坐标系由最小二乘拟合阻抗圆，继而得到谐振频率fs1；

S6、进一步的，比较计算当前测量的谐振频率和初始测量到的f_s0的差值，通过PID计算出控制输出量，再控制调整数控激励电源的输出，使其输出频率锁定谐振频率上。

作为本发明进一步的方案：所述S4中超声骨刀如果未联接或者已经损坏，其最大谐振电流会远远低于出厂预设值。

作为本发明再进一步的方案：该方法中压电超声换能器的R-X等效模型当谐振时，可以等效为谐振时等效模型，按阻抗公式可推导出：

可以得到圆心为

半径为

的理论阻抗圆，其中fs2即为机械调谐频率。

作为本发明再进一步的方案：当超声骨刀负载发生变化时，其阻抗圆会沿着R轴方向偏移，根据偏移量可以计算出谐振频率的变化量。

作为本发明再进一步的方案：设超声骨刀压电换能器的电压是V＝Ue^jωt、电流是

根据欧姆律:

即只要测量出超声骨刀的电压和流进超声骨刀的电流幅度比值以及其相位角，即可计算出超声骨刀换能器的阻抗值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，在实际操作时，由于采用阻容电路进行分压并使用霍尔传感器进行采样，使其采样原始信号的干扰减少，并且没有额外元器件的串入匹配电路，故采集的原始信号更加的准确，信号处理电路都采用数字集成电路保证了信号精度、降低了漂移误差，并引入带通滤波电路使得最终信号更准确、更干净，同时修正谐振频率采用误差的PID算法计算，而不是使用步进频率逐渐逼近方式，故追频速度更快。

附图说明

图1为一种超声骨刀动态阻抗反馈方法的整体电路拓扑框图；

图2为一种超声骨刀动态阻抗反馈方法的流程图；

图3为一种超声骨刀动态阻抗反馈方法中当谐振时R-X等效模型等效为谐振时等效模型的示意图；

图4为一种超声骨刀动态阻抗反馈方法中理论阻抗圆的示意图；

图5为一种超声骨刀动态阻抗反馈方法中匹配谐振时，电压、电流信号的波形图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。

本发明实施例中，一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，该超声骨刀动态阻抗反馈方法的具体电路包括主电源、HMI人机交互模块、MCU(微控制单元)、数控激励电源、匹配电感和匹配电容组成的匹配电路，阻容分压电路以及霍尔传感器组成的采样电路、增益放大电路、带通滤波电路、电平调整电路、入幅相检测及低通滤波电路、RMS真有效值电路(如图1所示)，其具体操作为以下步骤：

首先，主电源为各模块提供所需电源，上电完成初始化，MCU由骨刀频率带的最小频率至最大频率进行步进扫频，并控制数控激励电源输出，信号经由功率匹配电感、匹配电容组成的匹配电路，送至超声骨刀的换能器处，由换能器将激励电能转换为机械能；

进一步的，霍尔传感器分别对阻容电路分压信号和流过换能器的电流信号进行采样，采样信号经增益放大电路、窄带宽带通滤波器以及电平调整电路，电流信号的其中一路会经RMS真有效值电路转换电流信号的真有效值送入MCU的ADC(模拟/数字转换器)，真有效值通过扫描得出谐振电流的最大值，来判断超声骨刀是否已联接和是否已经损坏，如果未联接或者已经损坏，其最大谐振电流会远远低于出厂预设值，电流信号的另一路送入幅相检测及低通滤波电路中，会转为电压、电流信号的幅度比值和相位差信号，经ADC转后进入MCU，在R-X坐标系由最小二乘拟合阻抗圆，继而得到谐振频率fs1；

最后，比较计算当前测量的谐振频率和初始测量到的f_s0的差值，通过PID计算出控制输出量，再控制调整数控激励电源的输出，使其输出频率锁定谐振频率上(如图2所示)，当匹配谐振时，其电压、电流信号的波形如图5所示；

该方法中压电超声换能器的R-X等效模型当谐振时，可以等效为谐振时等效模型(如图3所示)，按阻抗公式可推导出：

可以得到圆心为：

半径为：

的理论阻抗圆(如图4所示)，其中f_s即为机械调谐频率；

进一步的，当超声骨刀负载发生变化时，其阻抗圆会沿着R轴方向偏移，根据偏移量可以计算出谐振频率的变化量；

设超声骨刀压电换能器的电压是V＝Ue^jωt、电流是

根据欧姆律：

即只要测量出超声骨刀的电压和流进超声骨刀的电流幅度比值以及其相位角，即可计算出超声骨刀换能器的阻抗值。

综上所述，本发明设计的一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，是对医用超声骨刀的压电超声换能器的阻抗匹配的状态，进行快速、精准的测量和评估，及调谐频率的定量调整。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种超声骨刀动态阻抗反馈方法，其特征在于，该超声骨刀动态阻抗反馈方法的具体电路包括主电源、HMI人机交互模块、MCU、数控激励电源、匹配电感和匹配电容组成的匹配电路，阻容分压电路以及霍尔传感器组成的采样电路、增益放大电路、带通滤波电路、电平调整电路、入幅相检测及低通滤波电路、RMS真有效值电路，其具体操作为以下步骤：

S1、主电源为各模块提供所需电源，上电完成初始化，MCU由骨刀频率带的最小频率至最大频率进行步进扫频，并控制数控激励电源输出；

S2、信号经由功率匹配电感、匹配电容组成的匹配电路，送至超声骨刀的换能器处，由换能器将激励电能转换为机械能，设超声骨刀压电换能器的电压是V＝Ue^jωt、电流是

根据欧姆律:

即只要测量出超声骨刀的电压和流进超声骨刀的电流幅度比值以及其相位角，即可计算出超声骨刀换能器的阻抗值；

S3、进一步的，霍尔传感器分别对阻容电路分压信号和流过换能器的电流信号进行采样，采样信号经增益放大电路、窄带宽带通滤波器以及电平调整电路；

S4、上述S3中电流信号的其中一路会经RMS真有效值电路转换电流信号的真有效值送入MCU的ADC，真有效值通过扫描得出谐振电流的最大值，来判断超声骨刀是否已联接和是否已经损坏，超声骨刀如果未联接或者已经损坏，其最大谐振电流会远远低于出厂预设值；

S5、上述S3中电流信号的另一路送入幅相检测及低通滤波电路中，会转为电压、电流信号的幅度比值和相位差信号，经ADC转后进入MCU，在R-X坐标系由最小二乘拟合阻抗圆，继而得到谐振频率，该方法中压电超声换能器的R-X等效模型当谐振时，可以等效为谐振时等效模型，按阻抗公式可推导出

可以得到圆心为

半径为

的理论阻抗圆，当超声骨刀负载发生变化时，其阻抗圆会沿着R轴方向偏移，根据偏移量可以计算出谐振频率的变化量；

S6、进一步的，比较计算当前测量的谐振频率和初始测量到的f_s0的差值，通过PID计算出控制输出量，再控制调整数控激励电源的输出，使其输出频率锁定谐振频率上。

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