CN113633350A - 换能器用频率实时调节的电路、方法及超声切割止血刀*** - Google Patents

换能器用频率实时调节的电路、方法及超声切割止血刀*** Download PDF

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CN113633350A CN202110060338.6A CN202110060338A CN113633350A CN 113633350 A CN113633350 A CN 113633350A CN 202110060338 A CN202110060338 A CN 202110060338A CN 113633350 A CN113633350 A CN 113633350A
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陈广锞
陈伟彬
史英豪
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Abstract

一种换能器用频率实时调节的电路和方法，包括发出正弦波信号以驱动超声换能器的驱动电路模块、将正弦波信号转成电压和电流相位方波信号的信号采集处理电路模块、将电压和电流相位方波信号转换成电压电流的相位差方波信号的相位转换电路模块以及控制器。控制器根据电压电流相位差方波信号调节驱动电路模块发出的正弦波信号，直到超声换能器工作时的正弦波信号的电压与电流的相位相同，以使超声换能器工作在谐振频率，结构简单、调节速度快。一种具有频率实时调节电路的超声切割止血刀***，包括超声换能器和超声刀，调节频率的电路可自适应超声换能器与超声刀组合后的超声特性变化、也可自适应组织切割和止血时的负载变化，提高超声手术的有效性。

Description

换能器用频率实时调节的电路、方法及超声切割止血刀***
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及一种换能器用频率实时调节的电路；
还涉及一种换能器用频率实时调节的方法；
尤其涉及一种具有换能器用频率实时调节电路的超声切割止血刀***。
背景技术
在超声切割止血刀技术领域中，超声电源输出的频率和超声换能器的谐振频率保持一致或接近，才能使超声换能器在工作时效率最高。在实际手术过程中，超声换能器的负载常常随着手术过程中超声刀切割的活体阻值的阻抗大小而改变，造成超声换能器的工作频率发生偏移。为了使超声换能器始终工作在谐振频率附近，必须使电流、电压的相位相同。
现有技术中，根据超声换能器发生谐振时，阻抗最小。当输入电压不变时，通过超声换能器的电流最大，此时超声换能器振幅最大，通过检测电流的大小，即可进行频率追踪。
超声换能器在工作工程中，经常会产生多个电流峰值，进而要求在设计中增加区分谐振频率电流的电路，从而造成设计电路复杂，无法快速地使超声电源输出的超声信号频率与超声换能器的谐振频率保持一致，调节速度慢。当超声换能器的谐振频率偏移时，其电信号不能有效地转化成机械振动，超声刀不能获得足够的能量，振动幅度小，切割效率低。
而且超声换能器和超声刀在制造过程中均存在一定工艺误差，导致同一批次的超声换能器和超声刀的参数会有差异。因此，在工作时，二者的谐振频率会发生改变，影响组织切割或止血的有效性和安全性。
针对现有技术中存在的缺陷，亟需设计一种可将电流相位和电压相位调节一致的频率调节电路，以解决超声换能器与手术刀在制造或工作时参数不一致，造成谐振频率变化从而降低了组织切割或止血的有效性和安全性问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种换能器用频率实时调节的电路、方法及超声切割止血刀***，其结构简单、调节速度快，可使正弦波信号能够匹配谐振频率，有利于激励超声换能器以最大效率稳定工作，增大了超声刀的超声能量输出，可快速有效地进行超声外科切割和止血。
本发明是这样实现的一种换能器用频率实时调节的电路，包括：
驱动电路模块，用于发出驱动超声换能器的正弦波信号；
信号采集处理电路模块，用于将正弦波信号转成电压和电流的相位方波信号；
相位转换电路模块，用于将电压和电流的相位方波信号转换成电压电流相位差方波信号；
控制器，将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以调节驱动电路模块发出的正弦波信号，从而使超声换能器工作时的正弦波电信号的电压与电流的相位相同，进而使超声换能器工作在谐振频率。
具体地，所述信号采集处理电路模块包括：
电流信号采集模块，用于采集超声换能器的电流信号；
电压信号采集模块，用于采集超声换能器的电压信号；
电流信号处理模块，与所述电流信号采集模块连接，用于处理所述电流信号采集模块采集的电流信号数据；
电压信号处理模块，与所述电压信号采集模块连接，用于处理所述电压信号采集模块采集的电压信号数据。
具体地，所述电流信号处理模块和所述电压信号处理模块分别包括：
比较单元，每个所述比较单元包括比较芯片，用于将正弦波信号转换成方波信号。
具体地，所述相位转换电路模块包括：
异或门，输入两个电平，当输入的两个电平相异，则输出高电平1，当输入的两个电平相同，则输出低电平0；
限流稳压单元，与所述异或门连接，所述限流稳压单元用于对异或门输出的电平限流稳压以使所述控制器能接收处理。
具体地，所述电流信号处理模块和所述电压信号处理模块还分别包括：
电平转换单元，所述电平转换单元的输入端与所述比较单元的比较芯片的输出端连接，所述电平转换单元的输出端与所述相位转换电路模块连接，用于输出所述相位转换电路模块可接收的电平；
放大单元，所述放大单元与所述比较单元的输入端连接，用于增强传输信号的驱动能力；
滤波单元，与所述放大单元输入端连接，用于将输入至放大单元的电压信号或电流信号滤波。
本发明还提供了一种换能器用频率实时调节的方法，包括如下步骤：
S1.获取电压电流相位差方波信号；
S2.将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以生成调频控制指令；
S3.根据调频控制指令输出电压与电流的相位相同的正弦波信号。
本发明提供的一种换能器用频率实时调节的电路和方法，包括发出正弦波信号以驱动超声换能器的驱动电路模块、将正弦波信号转成电压和电流的相位方波信号的信号采集处理电路模块、将电压和电流的相位方波信号转换成电压电流相位差方波信号的相位转换电路模块以及控制器。控制器根据电压电流相位差方波信号不断调节驱动电路模块发出的正弦波信号，直到超声换能器工作时的正弦波信号的电压与电流的相位相同，以使超声换能器工作在谐振频率，结构简单、调节速度快。
本发明还提供了一种超声切割止血刀***，包括：
超声换能器，用于将电能转化为机械能；
驱动电路模块，用于产生驱动超声换能器的正弦波信号；
超声刀，由所述超声换能器驱动以切割活体组织；
其中，驱动电路模块包括：
发生器，用于输出正弦波信号；
变压器，用于放大发生器输出的正弦波信号并驱动所述超声换能器；
还包括以上所述的驱动超声换能器的换能器用频率实时调节的电路，以适应组织切割和止血时的负载变化。
本发明提供的一种具有频率实时调节电路的超声切割止血刀***，包括超声换能器和超声刀，调节频率的电路可自适应超声换能器与超声刀组合后的超声特性变化、也可自适应组织切割和止血时的负载变化，提高超声手术的有效性，使***始终工作在谐振状态，降低了超声换能器和超声刀制造一致性的高要求，节约了成本，保障了组织切割或止血时的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的换能器用频率实时调节的电路的电路图。
图2是本发明实施例提供的换能器用频率实时调节的电路中电流信号采集模块与电压信号采集模块的电路图。
图3是本发明实施例提供的换能器用频率实时调节的方法的流程图。
图4是图3中换能器用频率实时调节的方法中平均值算法的流程图。
图5是图3中换能器用频率实时调节的方法中加权平均数算法的流程图。
图6是图3中换能器用频率实时调节的方法中分段算法的流程图。
图7是本发明实施例提供的超声切割止血刀***的框图。
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。
如图1和图7所示，本发明实施例提供的一种换能器用频率实时调节的电路，包括：
驱动电路模块1，用于发出驱动超声换能器2的正弦波信号；
信号采集处理电路模块3，与驱动电路模块1，用于将正弦波信号转成电压和电流的相位方波信号；
相位转换电路模块4，与信号采集处理电路模块3，用于将电压和电流的相位方波信号转换成电压电流相位差方波信号；
控制器5，将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以调节驱动电路模块1发出的正弦波信号，从而使超声换能器2工作时的正弦波电信号的电压与电流的相位相同，进而使超声换能器2 工作在谐振频率。
具体地，所述信号采集处理电路模块3包括：
电流信号采集模块31，用于采集超声换能器2的电流信号；
电压信号采集模块32，用于采集超声换能器2的电压信号；
电流信号处理模块33，与电流信号采集模块31连接，用于处理电流信号采集模块31采集的电流信号数据，并将驱动电路模块1输出的正弦波信号转换成方波信号；
电压信号处理模块34，与电压信号采集模块32连接，用于处理电压信号采集模块32采集的电压信号数据，并将驱动电路模块1输出的正弦波信号转换成方波信号。
具体地，所述电流信号处理模块33和电压信号处理模块34分别包括：
比较单元331，每个比较单元331包括比较芯片U1，比较芯片U1用于将正弦波信号转换成方波信号。
具体地，所述比较单元331还包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻 R2和第二电容C2；
其中，每个所述比较芯片U1包括：
Output2端，通过第一电阻R1用于与12V电源的正极连接，第一电阻R1 为上拉电阻，将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平,第一电阻R1同时起限流作用。
VCC端，分别与12V电源的正极和第一电容C1的一端连接，第一电容C1 的另一端接地，第一电容C1起到滤波作用；
-Input2端，通过第二电阻R2接地；
+Input2端，用于电流信号或电压信号输入；
GND端，分别与12V电源的负极和第二电容C2的一端连接，第二电容C2 的另一端接地，第二电容C2起到滤波作用。
具体地，所述相位转换电路模块4包括：
异或门U2，输入两个电平，当输入的两个电平相异，则输出高电平1，当输入的两个电平相同，则输出低电平0；
限流稳压单元，与异或门U2连接，限流稳压单元用于对异或门输出的电平限流稳压以使控制器5能接收处理。
具体地，所述限流稳压单元包括第七电阻R7、第八电阻R8和第二二极管 D2，采用该电路结构可使异或门U2输出控制器可接收的稳定信号；
其中，异或门U2包括：
第一输入端，分别与处理电流信号的比较芯片U1的输出端连接；
第二输入端，分别与处理电压信号的比较芯片U1的输出端连接；
正极端，用于与5V电源的正极连接；
负极端，用于接地；
输出端，与第七电阻R7的一端连接；
第七电阻R7另一端分别与第八电阻R8一端、第二二极管D2一端和控制器5连接，第八电阻R8另一端和第二二极管D2另一端分别接地。
具体地，所述电流信号处理模块33和电压信号处理模块34还分别包括：
电平转换单元330，电平转换单元330的输入端与比较单元331的比较芯片 U1的输出端连接，电平转换单元330的输出端与相位转换电路模块4连接，用于输出相位转换电路模块4可接收的电平；
放大单元332，放大单元332与比较单元331的输入端连接，用于增强传输信号的驱动能力；
滤波单元333，与放大单元332输入端连接，用于将输入至放大单元332的电压信号或电流信号滤波。
具体地，所述电平转换单元330包括：第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11，各电阻均起到分压的作用，用于使电平转换单元330输出异或门 U2可接收的电平；
第九电阻R9一端与Output2端连接，第九电阻R9另一端分别与第十电阻 R10和第十一电阻R11连接，第十电阻R10的另一端接地，比较单元330中的第十一电阻R11的另一端与异或门U2的第一输入端连接；
所述电压信号处理模块34中比较单元330的第十一电阻R11的另一端与异或门U2的第二输入端连接。
具体地，所述放大单元332包括：第一跟随器U3、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十五电阻R15，其中，第十三电阻R13和第十四电阻R14设置放大倍数，用于使第一跟随器U3按比例放大电压信号的倍数；
第一跟随器U3包括：
第一同相输入端，第一同相输入端通过第十二电阻R12接地，第十二电阻 R12为平衡电阻，减少输入偏置电流对输出的影响；
第一反相输入端，第一反相输入端分别与第十三电阻R13的一端和第十四电阻R14的一端连接以设置放大倍数；
第一输出端，分别与第十四电阻R14的另一端和第十五电阻R15的一端连接，第十五电阻R15的另一端与+Input2端连接；
正极端，与12V电源的正极连接；
负极端，与12V电源的负极连接。
具体地，所述滤波单元333由第二跟随器U4和多阶滤波器组成；本实施例中，多阶滤波器为两个，包括一阶滤波器和二阶滤波器，其中，第四电容C4和第十六电阻R16组成一阶滤波器，第十七电阻R17和第五电容C5组成二阶滤波器，一阶滤波器和二阶滤波器用于设置第二跟随器U4的滤波参数，滤波效果好；
第二跟随器U4包括：
第二同相输入端，分别与第四电容C4的一端和第十六电阻R16的一端连接，第四电容C4的另一端接地，第十六电阻R16的另一端分别与第十七电阻R17 的一端和第五电容C5的一端连接，滤波单元333中的第十七电阻R17的另一端与电流信号采集模块31连接；
滤波单元333中的第十七电阻R17的另一端与电压信号采集模块32连接；
第二反相输入端，与第五电容C5的另一端连接；
第二输出端，分别与第二反相输入端和第十三电阻R13的另一端连接。
本实施例中，电流信号处理模块33和电压信号处理模块34分别包括电平转换单元330、比较单元331、放大单元332和滤波单元333，可以批量生产，降低加工成本。
如图2所示，具体地，电压信号采集模块31和电流信号采集模块32分别包括采样单元311、第一放大单元312、隔离单元313、滤波单元314和第二放大单元315，可为电流信号处理模块33和电压信号处理模块34提供实时准确的电压和电流信号，以处理电压信号和电流信号之间的相位差，为超声换能器2 的谐振调节和功率调节提供依据。
本实施例中，变压器经信号采集电路驱动超声换能器2。
优选地，本实施例中，两个采样单元311的结构不同，两个第一放大单元 312、两个隔离单元313、两个滤波单元314和两个第二放大单元315结构相同、原理类似。
具体地，其中一个采样单元311由串联电阻组成(串联电阻为多个串联设置的电阻)，用于对输出至超声换能器正极的高电压降压；
其中另一个采样单元311由串联电阻组成(串联电阻为多个串联设置的电阻)，用于将超声换能器中的回路电流信号转换为可供采集的电压信号。
第一放大单元312，用于将信号按比例放大；
隔离单元313为互感器，与所述第一电压放大单元112连接，所述互感器用于将所述第一放大单元312输出的的电压信号和电流信号隔离转换后传递给后级滤波单元；
滤波单元314，与所述互感器连接，用于滤除所述互感器输出的电压信号或电流信号中的杂波；
第二放大单元315，与所述滤波单元314连接，所述第二放大单元315用于将输入的电压或电流按比例放大，从而避免电压信号或电流信号在传输过程中损耗。
具体地，其中一个所述采样单元311包括：
多个串联设置的第十八电阻R18和多个串联设置的第十九电阻R19，所述第十八电阻R18与所述第十九电阻R19之间并联设置，其中，第一个所述第十八电阻R18和第一个所述第十九电阻R19的一端分别与变压器次级的一端和超声换能器的正极连接，最后一个所述第十八电阻R18和最后一个第十九电阻R19 的另一端分别接地。
设置多个第十八电阻R18和第十九电阻R19起到分流的作用。
优选地，所述第十八电阻R18和所述第十九电阻R19均为三个，其中，第二个所述第十八电阻R18和第二个所述第十九电阻R19的两端分别并联连接。
具体地，另外一个所述采样单元311包括：
多个串联设置的第二十电阻R20，本实施例中第二十电阻R20优选为两个，其中，第一个所述第二十电阻R20一端与变压器次级的另一端连接，最后一个所述第二十电阻R20的另一端分别与所述第十八电阻R18、第十九电阻R19和超声换能器的负极端连接，所述第二十电阻R20的另一端还接地。
具体地，所述第一放大单元312包括：
第一放大器U5、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26和第二十七电阻R27，其中，所述第二十一电阻R21和第五电阻第二十二电阻R22之间通过串联连接从而设置放大倍数，第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26和第二十七电阻R27起到分压的作用；
所述第一放大器包括Vout-端、Vout+端、VIN-端、VCC-端、VCC+端、PD 端和Vocm端；
所述Vout-端分别与所述第二十一电阻R21的一端和第二十三电阻R23的一端连接，所述第二十三电阻R23的另一端与所述互感器113的初级的一端连接；
所述Vout+端分别与所述第二十四电阻R24的一端和所述第二十五电阻R25 的一端连接，所述第二十四电阻R24的另一端分别与所述VIN-端和所述第二十六电阻R26一端连接，所述第二十六电阻R26另一端与所述Vocm端连接并接地，所述第二十五电阻R25与所述互感器113的初级的另一端连接；
所述VCC-端用于与5V电源的负极端连接；
所述VCC+端用于与5V电源的正极端连接；
所述PD端通过所述第二十七电阻R27与用于与5V电源的正极端连接；
所述VIN+端与所述第二十一电阻R21和第二十二电阻R22之间的节点连接。
具体地，其中一所述第一放大单元312中的所述第二十二电阻R22分别与所述第十八电阻R18和所述第十九电阻R19连接，另一所述第一放大单元312 中的所述第二十二电阻R22与变压器和第二十电阻R20之间的节点连接。
具体地，所述滤波单元314包括：
第二十八电阻R28，其一端与互感器113的初级另一端连接；
第二十九电阻R29，与第二十八电阻R28并联设置，第二十九电阻R29的一端与互感器113的次级另一端连接；
第六电容C6，连接于第二十八电阻R28和第二十九电阻R29的另一端。
具体地，第二放大单元315包括第二放大器U6，第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第三十二电阻R32、第三十三电阻R33和双向二极管D2；
第二放大器U6包括两RG端、IN-端、VS+端、IN+端、OUT端、VS-端和 REF端；
两RG端之间连接第三十电阻R30，IN-端分别与第二十八电阻R28的另一端、第三十一电阻R31的一端和第三十二电阻R32的一端，第三十一电阻R31 的另一端接地；
IN+端分别与第三十二电阻R32的另一端、第三十三电阻R33的一端、双向二极管D2的一端连接，第三十三电阻R33的另一端与第二十九电阻R29的另一端连接，双向二极管D2的另一端接地；
VS+端连接12V电源的正极端；
VS-端连接12V电源的负极端；
REF端接地。
电流信号采集模块31中第二放大单元315的OUT端用于与电流信号处理电路模块33连接；
电压信号采集模块32中第二放大单元315的OUT端用于与电压信号处理电路模块34连接。
本实施例中，电压信号采集模块31和电流信号采集模块32中的第一放大单元312、隔离单元313、滤波单元314和第二放大单元315一致，可以批量生产，降低加工成本。
电压信号采集模块31和电流信号采集模块32，分别包括采集超声换能器2 的电压信号和电流信号的采样单元311以及与采样单元311连接的第一放大单元312、对第一放大单元312输出的高电压信号或高电流信号进行隔离的隔离单元313、滤除隔离后的电压信号或电流信号中的杂波的滤波单元314、对滤波后的电压信号或电流信号按比例放大的第二放大单元315，从而提供了可供接收且稳定的电压信号和电流信号；以便后级的控制器5检测电压信号和电流信号是否同相位，为谐振调节提供依据，从而使超声换能器处于正常的谐振状态。
如图3～图6所示，本发明还提供了一种换能器用频率实时调节的方法，包括如下步骤：
S1.获取电压电流相位差方波信号；
S2.将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以生成调频控制指令；
S3.根据调频控制指令输出电压与电流的相位相同的正弦波信号。
步骤S1中具体包括：
控制器控制驱动电路模块中的发生器以预设的起始频率输出正弦波信号，并连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值。
步骤S2中具体包括：
a.判断当前相位差值是否在预设的扫频范围内，该预设的扫频范围＜360，其中，360由公式y＝9*X转换而来，y是扫频范围，X是相位差，定义域为0°～90°，当X为40°时，扫频范围为360；
b.当相位差值不在预设的范围内，判断是否有最小相位差值的频率，该频率为接近超声换能器与超声刀的谐振频率，若否，控制器驱动发生器增加输出频率；
c.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
d.当相位差值在预设的范围内时，控制器检测当前相位差值是否比最小相位差值小；
e.当控制器检测的当前相位差值比最小相位差值大，控制器驱动发生器增加输出频率；
f.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
g.当控制器检测的当前相位差值比最小相位差值小，控制器保存当前频率值和相位差值；同时，控制器驱动发生器增加输出频率；
h.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
i.当相位差值不在预设的范围内，判断是否有最小相位差值的频率，若是，该频率为超声换能器与超声刀的谐振频率；
j.当获得最小相位差值的频率时，控制器驱动发生器以该频率输出正弦波信号；
k.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得多次低电平脉宽的平均值，以获得当前电流与电压之间的相位差值。
步骤S3中具体包括：
控制器根据当前检测的相位差值与上一次调频的相位差值并通过加权平均算法获得两次相位差值的平均值，再通过分段算法获得频率调整值，以驱动发生器输出让超声换能器与超声刀工作在谐振状态的正弦波信号。
具体地，平均值算法包括以下步骤：
a.通过公式
Figure RE-GDA0002977378440000121
获取相邻两侧捕捉的相位转换电路模块4的低电平脉宽的平均值；
b.取上一步中连续n次的数据：X1、X2、X3、X4、X5、X6……Xn；
c.去除n次数据中最大值和最小值；
d.根据平均值公式
Figure RE-GDA0002977378440000122
获得当前电流与电压之间的相位差。
具体地，加权平均数算法包括以下步骤：
a.根据加权平均数公式：
Figure RE-GDA0002977378440000123
其中，W是各数的权数，X为各数的相位差；
b.获得相位差值的加权平均数。
具体地，分段算法包括以下步骤：
a.根据电流相位与电压相位的相位差的加权平均数所在的定义域以使用对应f(x)函数；
b.根据公式：
f(x)＝f1+k1*x，其中x＜50；
f(x)＝f1+k2*x，其中50＜x＜150；
f(x)＝f1+k3*x，其中150＜x＜300；
f(x)＝f1+k4*x，其中300＜x＜500；
获得频率调整值f，其中f1是上一次调整的频率值，k1、k2、k3、k4是各分段函数的比例系数。
本发明提供的一种换能器用频率实时调节的电路和方法，包括发出正弦波信号以驱动超声换能器的驱动电路模块1、将正弦波信号转成电压和电流的相位方波信号的信号采集处理电路模块3、将电压和电流的相位方波信号转换成电压电流相位差方波信号的相位转换电路模块4以及控制器5。控制器5根据电压电流相位差方波信号不断调节驱动电路模块1发出的正弦波信号，直到超声换能器2工作时的正弦波信号的电压与电流的相位相同，以使超声换能器2工作在谐振频率，结构简单、调节速度快。
如图7所示，本发明还提供了一种超声切割止血刀***，包括：
超声换能器2，用于将电能转化为机械能；
驱动电路模块，用于产生驱动超声换能器2的正弦波信号；
超声刀6，由超声换能器2驱动以切割活体组织；
其中，所述驱动电路模块包括：
发生器21，用于输出正弦波信号；
变压器22，用于放大发生器21输出的正弦波信号并驱动超声换能器2，还包括如上所述的驱动所述超声换能器2的换能器用频率实时调节的电路，换能器用频率实时调节的电路驱动超声换能器2，以使超声换能器2适应组织切割和止血时的负载变化。
本实施例中，电压相位接近或等于电流相位，由超声换能器2驱动的超声刀6的振幅最大，切割效率最高。
本发明还提供了一种具有频率实时调节电路的超声切割止血刀***，包括超声换能器2和超声刀6，换能器用频率实时调节的电路可自适应超声换能器2 与超声刀6组合后的超声特性变化、也可自适应组织切割和止血时的负载变化，提高了超声手术的有效性，使超声***始终工作在谐振状态，降低了超声换能器2和超声刀6制造一致性的高要求，节约了成本，保障了组织切割或止血时的安全性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种换能器用频率实时调节的电路，其特征在于，包括：
驱动电路模块，用于发出驱动超声换能器的正弦波信号；
信号采集处理电路模块，用于将正弦波信号转成电压和电流的相位方波信号；
相位转换电路模块，用于将电压和电流的相位方波信号转换成电压电流相位差方波信号；
控制器，将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以调节驱动电路模块发出的正弦波信号，从而使超声换能器工作时的正弦波电信号的电压与电流的相位相同，进而使超声换能器工作在谐振频率。
2.根据权利要求1所述的换能器用频率实时调节的电路，其特征在于，所述信号采集处理电路模块包括：
电流信号采集模块，用于采集超声换能器的电流信号；
电压信号采集模块，用于采集超声换能器的电压信号；
电流信号处理模块，用于处理所述电流信号采集模块采集的电流信号数据，并将驱动电路模块输出的正弦波信号转换成方波信号；
电压信号处理模块，用于处理所述电压信号采集模块采集的电压信号数据，并将驱动电路模块输出的正弦波信号转换成方波信号。
3.根据权利要求2所述的换能器用频率实时调节的电路，其特征在于，
所述电流信号处理模块和所述电压信号处理模块分别包括：
比较单元，每个所述比较单元包括比较芯片，所述比较芯片用于将正弦波信号转换成方波信号。
4.根据权利要求3所述的换能器用频率实时调节的电路，其特征在于，所述相位转换电路模块包括：
异或门，可输入两个电平，当输入的两个电平相异，则输出高电平1，当输入的两个电平相同，则输出低电平0；
限流稳压单元，与所述异或门连接，所述限流稳压单元用于对所述异或门U2输出的电平限流稳压以使所述控制器能够接收处理。
5.根据权利要求4所述的换能器用频率实时调节的电路，其特征在于，所述电流信号处理模块和所述电压信号处理模块还分别包括：
电平转换单元，所述电平转换单元的输入端与所述比较单元的比较芯片的输出端连接，所述电平转换单元的输出端与所述相位转换电路模块连接，用于输出所述相位转换电路模块能够接收的电平；
放大单元，所述放大单元与所述比较单元的输入端连接，用于增强传输信号的驱动能力；
滤波单元，与所述放大单元输入端连接，用于将输入至放大单元的电压信号或电流信号滤波。
6.一种换能器用频率实时调节的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取电压电流相位差方波信号；
S2.将获取的电压电流相位差方波信号转换成相位差值并与预存的相位差值进行比较分析以生成调频控制指令；
S3.根据调频控制指令输出电压与电流的相位相同的正弦波信号。
7.根据权利要求6所述的频率调节方法，其特征在于，步骤S1中具体包括：
控制器控制驱动电路模块中的发生器以预设的起始频率输出正弦波信号，并连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值。
8.根据权利要求7所述的频率调节方法，其特征在于，步骤S2中具体包括：
a.判断当前相位差值是否在预设的扫频范围内，该预设的扫频范围＜360，其中，360由公式y＝9*X转换而来，y是扫频范围，X是相位差，定义域为0°～90°，当X为40°时，扫频范围为360；
b.当相位差值不在预设的范围内，判断是否有最小相位差值的频率，该频率为接近超声换能器与超声刀的谐振频率，若否，控制器驱动发生器增加输出频率；
c.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
d.当相位差值在预设的范围内时，控制器检测当前相位差值是否比最小相位差值小；
e.当控制器检测的当前相位差值比最小相位差值大，控制器驱动发生器增加输出频率；
f.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
g.当控制器检测的当前相位差值比最小相位差值小，控制器保存当前频率值和相位差值；同时，控制器驱动发生器增加输出频率；
h.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得连续低电平脉宽的平均值，以获得当前相位差值，并返回a步重新开始；
i.当相位差值不在预设的范围内，判断是否有最小相位差值的频率，若是，该频率为超声换能器与超声刀的谐振频率；
j.当获得最小相位差值的频率时，控制器驱动发生器以该频率输出正弦波信号；
k.控制器连续捕捉相位转换电路模块输入的低电平脉宽，并通过平均值算法求得多次低电平脉宽的平均值，以获得当前电流与电压之间的相位差值。
9.根据权利要求8所述的频率调节方法，其特征在于，步骤S3中具体包括：
控制器根据当前检测的相位差值与上一次调频的相位差值并通过加权平均算法获得两次相位差值的平均值，再通过分段算法获得频率调整值，以驱动发生器输出让超声换能器与超声刀工作在谐振状态的正弦波信号。
10.一种超声切割止血刀***，包括：
超声换能器，用于将电能转化为机械能；
超声刀，由所述超声换能器驱动以切割活体组织；
其中，所述驱动电路模块包括：
发生器，用于输出正弦波信号；
变压器，用于放大发生器输出的正弦波信号并驱动所述超声换能器；
其特征在于，还包括如权利要求1至5中任一项所述的驱动所述超声换能器的换能器用频率实时调节的电路，以适应组织切割和止血时的负载变化。
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CN116687518A (zh) * 2022-10-28 2023-09-05 江西远赛医疗科技有限公司 一种谐振频率跟踪方法及装置、电子设备和存储介质

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114305600A (zh) * 2022-03-15 2022-04-12 厚凯(北京)医疗科技有限公司 超声手术器械的控制方法及装置、手术设备及存储介质
CN114305600B (zh) * 2022-03-15 2022-06-03 厚凯(北京)医疗科技有限公司 超声手术器械的控制方法及装置、手术设备及存储介质
WO2023174136A1 (zh) * 2022-03-15 2023-09-21 厚凯(北京)医疗科技有限公司 超声手术器械的控制方法及装置、手术设备及存储介质
CN116687518A (zh) * 2022-10-28 2023-09-05 江西远赛医疗科技有限公司 一种谐振频率跟踪方法及装置、电子设备和存储介质
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