CN115153761B - 超声切割止血刀控制***及其扫频、自动跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及手术切割器械技术领域，具体公开了一种超声切割止血刀控制***，包括控制处理单元、DC调压电路、H桥逆变放大器、换能器匹配电路、电压和电流信号检测电路、相位检测电路和触摸屏;所述控制处理单元包括处理器、高精度PWM频率发生器、高精度ECAP捕获模块和ADC转换模块；通过所述处理器控制高精度PWM频率发生器输出高精度、频率可变的PWM信号，以驱动H桥逆变放大器使超声换能器工作；通过所述高精度ECAP捕获单元捕获相位检测电路中输出的电压电流过零信号，并计算相位差值和超前/滞后关系；通过所述ADC转换模块检测电压和电流信号检测电路输出的有效值信号，并计算出相应的工作电压、工作电流和超声波等效阻抗的电参数。
Description
技术领域
本发明涉及手术切割器械技术领域，特别涉及超声切割止血刀控制***及其扫频、自动跟踪控制方法。
背景技术
同其他功率超声设备类似，超声刀工作时换能器在超声电源的驱动下产生高频机械振动，由高频交流电能转换为机械能，再经变幅杆的振幅放大，超声能量传递到刀头部分，进而通过接触作用于生物组织以实现组织切除和血管止血等功能。切割信号添加到换能器前，对超声***先进行扫频处理，确定谐振频率点，当电源电压的频率与手术刀振动***的固有频率一致时，超声手术刀工作在谐振频率，此时产生振动效果最佳.
现有超声刀主机在切割启动阶段，开始搜索谐振频率，即将达到谐振点时，如果扫频速度比较快,有一定概率会造成扫频失败，或者由于超声刀钳口压力过大，不易搜索到谐振点并导致输出电压过大，出现“压力过大”报警。这样会影响到医生的正常手术过程，并会延长手术时间，降低手术效率，对患者术后康复造成一定的影响。同时过快到达谐振状态，功率会迅速上升，会对刀芯和换能器造成一定的损伤，从而减少换能器的使用寿命。另外在扫到谐振点后的自动跟踪阶段，由于使用者对刀头的加紧力度在不断发生变化，所以会导致等效阻抗也在变化，阻抗的不断变化很可能会使谐振频率跟随着不断变化。此时如果超声刀***频率跟踪不及时，会出现刀头不能保持谐振状态、工作电流不稳定的情况，进而出现刀头抖动或输出幅值不稳定，无法保证手术安全有效的进行。
现有超声刀主机在超声刀切割过程中并不能根据等效阻抗调整超声波逆变初级侧母线电源，只能根据切割档位固定初级侧母线电压，这样对于超声刀切割时阻抗变化范围大的特性，并不能很好的跟踪其谐振频点并保持换能器工作电流恒定，从而不能保证超声刀振幅稳定。
同时现有超声刀主机大多为模拟信号驱动推挽逆变功放或采用模拟信号转换为PWM信号再驱动半桥逆变功放方案，模拟信号的漂移会使***工作一致性较差，可能导致控制精度偏差，采用推挽逆变功放效率低，发热大，功率管需要选用线性功放管，并且耐压值要求较高，而这增加了成本。采用半桥逆变功放方案对电源的利用率较低，驱动相同功率的超声换能器需要较高的初级侧母线电压。
发明内容
基于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种超声切割止血刀控制***及其扫频、自动跟踪控制方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超声切割止血刀控制***，包括控制处理单元、DC调压电路、H桥逆变放大器、换能器匹配电路、超声换能器、电压和电流信号检测电路、相位检测电路、触摸屏、DAC芯片和超声刀头；
所述控制处理单元包括处理器、高精度PWM频率发生器、ADC检测模块、高精度ECAP捕获模块和触摸显示屏数据收发模块；
通过所述处理器控制高精度PWM频率发生器输出高精度、频率可变的PWM信号，以驱动H桥逆变放大器使超声换能器工作；通过所述高精度ECAP捕获单元捕获相位检测电路中输出的电压电流过零信号，并计算相位差值和超前/滞后关系；通过所述ADC转换模块检测电压和电流信号检测电路输出的有效值信号，并计算出相应的工作电压、工作电流和超声波等效阻抗的电参数；
所述处理器包括自动跟踪控制，所述自动跟踪控制包含直流驱动电压控制方法、电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法，其中电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法构成双闭环负反馈控制流程，使换能器工作电流和电流电压相位角在设定范围内。
作为本发明的进一步改进，所述处理器为DSP处理器,所述高精度PWM频率发生器为DSP处理器内部HRPWM模块或FPGA可编程逻辑控制器；通过软件编程对DSP处理器内部HRPWM模块寄存器进行配置、或对FPGA可编程逻辑控制器内建DDS直接数字频率合成模块，均可直接产生高精度PWM信号。
作为本发明的进一步改进，还包括外部DAC芯片，通过控制所述外部DAC芯片输出的模拟电压信号，用以控制DC调压电路输出的驱动电压，以供逆变放大器所需。
作为本发明的进一步改进，所述电压和电流信号检测电路对超声换能器工作电流、电压进行检测和信号调理，并转换成有效值电压信号给处理器采集和运算，经过平滑滤波运算得到换能器工作电流、电压的数值。
作为本发明的进一步改进，所述相位检测电路对所述电压和电流信号检测电路中运放电路输出的电压、电流信号分别进行过零检测，并输出两路过零方波信号，提供给所述高精度ECAP捕获模块进行捕获和运算，得到超声换能器工作电流与电压间的相位差值。
一种超声切割止血刀控制***的扫频控制方法，包括以下步骤：
S101：开始扫频，所述超声切割止血刀控制***在超声刀激发切割时，首先处理器控制高精度PWM频率发生器输出PWM超声波信号，以使H桥逆变放大器驱动超声换能器5和超声刀头，PWM初始频率设定为超声换能器设计谐振频率+2KHz；
S102:由于开始初始频率远离谐振频率，为了加快扫频速度，以较大步长由高频向低频方向扫频；
S103：在频率扫描的同时，采集超声换能器工作电流，并实时计算出电流与电压间的相位差；
S104:根据超声换能器的阻抗特性和频率特性，在谐振点附近由高频到低频扫描驱动超声换能器，电流会由大变小后由小变大，并在谐振点处电流较大，利用这个特性，通过检测电流大小和变化状态来判断电流是否处于下降趋势；若处于下降趋势则进行下一环节，反之继续按照原来的步长进行扫频；
S105：当超声换能器渐渐靠近谐振频率后，将PWM超声波频率检索步长降低，以通过增加检索频率的频次，一方面提高了检索到超声换能器谐振频率的成功率，这在超声刀刀头压力较大和等效阻抗较大时较为明显；另一方面避免因为超声换能器工作电流/功率升高太快导致超声换能器中的压电陶瓷被振裂的风险；
S106：判断超声换能器电流是否达到设定大小，且电流和电压间的相位差值是否在设定值范围内；若达到其设定范围内，则进行下一环节；反之继续扫频；
S107：扫描到换能器谐振点，转入超声刀自动跟踪控制，开始进行组织切割。
一种超声切割止血刀控制***的自动跟踪控制方法，包括以下步骤：
S201：扫频完成，进入自动跟踪控制阶段；
S202：控制器输出PWM频率信号，驱动超声波逆变电源；
S203：控制器获取电流和电压过零点脉冲信号的计数值；
S204：通过S203的计数值，计算电流电压间相位差以及超前/滞后关系；
S205：所述相位控制PID控制算法，以S211、S212流程计算出的目标相位差值为目标量，以当前工作电流和电压之间的相位差值和超前/滞后关系为输入量，采用PID增量式控制算法计算出新的频率控制增量，当目标相位差值增加/当前相位差值较小时，减小频率值，以增加电流和电压相位角，反之增加频率值；进一步的，新的频率控制子需要在限定范围内调整，以保证在正常工作频率范围内进行频率跟踪；
S206：判断新的频率控制字是否超过限定范围内，该限定范围为超声换能器的谐振频宽；若超过限定范围则判定为频率跟踪失败，并根据阻抗、电流、电压、频率和相位等参数识别出故障类型并提示报警，反之继续频率跟踪；
S207:当超出S206指定的范围时，根据当前***的阻抗、电压、电流和相位等参数区分出故障类型，输出报警提示，并停止超声能量输出；
S208：通过ADC采集电流和电压实时值，经过平滑滤波算法，得到电流和电压的RMS值（有效值）；
S209：根据电压、电流有效值和工作电流和工作电压之间的相位差值和超前/滞后关系，计算出超声换能器有功电流和等效阻抗，有功电流采用公式I=IRMS*cosΦ运算，而IRMS值为DSP处理器采集到的工作电流值，相位角Φ由工作电流与电压间的相位差值进行转换；同时计算出超声换能器有功功率P,超声波有功功率由公式 P=URMS*IRMS* cosΦ计算出；
S210：判断有功功率和电压有效值是否在限定范围内；若在限定范围内则进行下一环节，反之则降低电流设定值；
S211：所述电流控制PID控制算法，以设定电流为目标值，以当前换能器有功电流作为输入量，采用PID增量式控制算法计算出新的目标相位差值，当需求的电流增加/当前有功电流较小时，增加目标相位差值需求，反之减小目标相位差值需求；进一步的，目标相位差值需要限定在设定范围内，以保证频率跟踪正常和提升超声换能器驱动效率；
S212：判断目标相位差是否超出限定范围。若超出则判定为频率跟踪失败，并根据阻抗、电流、电压、频率和相位等参数识别出故障类型并提示报警，反之则继续进行频率跟踪；
S213：根据超声换能器等效阻抗大小，动态调节DC调压电路输出电压，通过动态调整H桥直流电源驱动电压，这在超声刀头阻抗/压力变大时能有效提升超声换能器的带载电流/功率，并使超声刀在切割时阻抗和谐振频率的变化的过程中工作电流和电压相位差控制在设定范围内，提升超声刀切割效果；
S214：比较判断有功功率和工作电压有效值是否大于额定功率和最高限定电压，如果超出限定值，则降低设定电流以使功率和电压在限定范围内。
本发明的有益效果是：
1.通过超声刀扫频控制在不同频率阶段，采用不同检索步长一方面提高了检索到超声换能器谐振频率的成功率，这在超声刀刀头压力较大和等效阻抗较大时较为明显，另一方面避免因为超声换能器工作电流/功率升高太快而导致超声换能器中压电陶瓷被振裂的风险，延长超声换能器使用寿命。
2.通过超声刀自动跟踪控制，采用双闭环PID控制算法，当超声刀在切割过程中遇到阻抗、温度等因数变化而导致谐振频率变化时，能更快速有效得进行频率跟踪，防止因频率跟踪不及时引起的刀头抖动等问题，进而影响手术正常进行。并且电流控制精度高，能适应不同负载的变化，振幅输出稳定。同时可根据超声波等效阻抗大小和电流电压相位差值引入直流驱动电压控制算法实现动态调整H桥直流电源驱动电压，拓宽了超声刀工作阻抗范围，相对现有产品能提升大负载生物组织的切割能力和切割效果。
3.采用处DSP处理器/FPGA可编程逻辑控制器；并通过软件编程对DSP处理器HRPWM模块寄存器进行配置、对FPGA可编程逻辑控制器内建DDS直接数字频率合成模块，均可直接产生高精度PWM信号。相比于现有技术采用单片机控制DDS芯片和电路产生高精度PWM信号的方案，本专利申请的方案更加方便可靠，不需要另外建立信号转换电路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。
附图1为超声切割止血刀控制***图。
附图2为超声切割止血刀控制***控制处理单元图。
附图3为超声刀扫频控制方法流程图。
附图4为超声刀自动跟踪控制方法流程图。
图中：控制处理单元1、H桥逆变放大器2、DC调压电路3、换能器匹配电路4、超声换能器5、电压和电流信号检测电路6、相位检测电路7、触摸显示屏8、DAC芯片9、超声刀头10、处理器1-1、高精度PWM频率发生器1-2、ADC检测模块1-3、高精度ECAP捕获模块1-4、触摸显示屏数据收发模块1-5。
具体实施方式
下面将结合附图，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。
1. 如图1、图2所示，一种超声切割止血刀控制***，包括一种超声切割止血刀控制***，其特征在于，包括控制处理单元1、DC调压电路3、H桥逆变放大器2、换能器匹配电路4、超声换能器5、电压和电流信号检测电路6、相位检测电路7、触摸屏8、DAC芯片9和超声刀头10。
所述控制处理单元1包括处理器1-1、高精度PWM频率发生器1-2、ADC检测模块1-3、高精度ECAP捕获模块1-4和触摸显示屏数据收发模块1-5。
通过所述处理器1-1控制高精度PWM频率发生器1-2输出高精度、频率可变的PWM信号，以驱动H桥逆变放大器2使超声换能器工作；通过所述高精度ECAP捕获单元1-4捕获相位检测电路7中输出的电压电流过零信号，并计算相位差值和超前/滞后关系；通过所述ADC检测模块1-3检测电压和电流信号检测电路输出的有效值信号，并计算出相应的工作电压、工作电流和超声波等效阻抗的电参数；
所述处理器1-1包括自动跟踪控制，包含直流驱动电压控制方法、电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法，其中电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法构成双闭环负反馈控制流程，使换能器工作电流和电流电压相位角在设定范围内。
在一个具体的实施例中，进一步的，所述处理器1-1为DSP处理器或FPGA可编程逻辑控制器；通过软件编程对DSP处理器HRPWM模块寄存器进行配置、对FPGA可编程逻辑控制器内建DDS直接数字频率合成模块，均可直接产生高精度PWM信号。
在一个具体的实施例中，进一步的，还包括外部DAC芯片9，通过控制所述外部DAC芯片9输出的模拟电压信号，用以控制DC调压电路3输出的驱动电压，以供逆变放大器所需。
在一个具体的实施例中，进一步的，所述电压和电流信号检测电路6采用电流互感器、高速运放电路和有效值检测芯片AD637对超声换能器工作电流进行检测和信号调理，采用电容分压、高频变压器、运放电路和有效值检测芯片AD637对超声换能器工作电压进行检测和信号调理；并将上述检测信号转换成有效值电压信号给处理器采集和运算，经过平滑滤波运算得到换能器工作电流和电压的数值。
在一个具体的实施例中，进一步的，所述相位检测电路7采用高速差分比较器LM361对所述电压和电流信号检测电路6中运放电路输出的电压、电流信号分别进行过零检测，并输出两路过零方波信号，提供给所述高精度ECAP捕获模块12进行捕获和运算，得到超声换能器工作电流与电压间的相位差值。
如图3所示，一种超声切割止血刀控制***的扫频控制方法，包括以下步骤：
S101：开始扫频，所述超声切割止血刀控制***在超声刀激发切割时，首先处理器1-1控制高精度PWM频率发生器1-2输出PWM超声波信号，以使H桥逆变放大器2驱动超声换能器5和超声刀头10，PWM初始频率设定为超声换能器设计谐振频率+2KHz；
S102:由于开始初始频率远离谐振频率，为了加快扫频速度，以较大步长由高频向低频方向扫频；
S103：在频率扫描的同时，采集超声换能器工作电流，并实时计算出电流与电压间的相位差；
S104:根据超声换能器的阻抗特性和频率特性，在谐振点附近由高频到低频扫描驱动超声换能器，电流会由大变小后由小变大，并在谐振点处电流较大，利用这个特性，通过检测电流大小和变化状态来判断电流是否处于下降趋势；若处于下降趋势则进行下一环节，反之继续按照原来的步长进行扫频；
S105：当超声换能器渐渐靠近谐振频率后，将PWM超声波频率检索步长降低，以通过增加检索频率的频次，一方面提高了检索到超声换能器谐振频率的成功率，这在超声刀刀头压力较大和等效阻抗较大时较为明显；另一方面避免因为超声换能器工作电流/功率升高太快导致超声换能器中的压电陶瓷被振裂的风险；
S106：判断超声换能器电流是否达到设定大小，且电流和电压间的相位差值是否在设定值范围内；若达到其设定范围内，则进行下一环节；反之继续扫频；
S107：扫描到换能器谐振点，转入超声刀自动跟踪控制，开始进行组织切割。
如图4所示，一种超声切割止血刀控制***的自动跟踪控制方法，包括以下步骤：
S201：扫频完成，进入自动跟踪控制阶段；
S202：控制器输出PWM频率信号，驱动超声波逆变电源；
S203：控制器获取电流和电压过零点脉冲信号的计数值；
S204：通过S203的计数值，计算电流电压间相位差以及超前/滞后关系；
S205：所述相位控制PID控制算法，以S211、S212流程计算出的目标相位差值为目标量，以当前工作电流和电压之间的相位差值和超前/滞后关系为输入量，采用PID增量式控制算法计算出新的频率控制增量，当目标相位差值增加/当前相位差值较小时，减小频率值，以增加电流和电压相位角，反之增加频率值；进一步的，新的频率控制子需要在限定范围内调整，以保证在正常工作频率范围内进行频率跟踪；
S206：判断新的频率控制字是否超过限定范围内，该限定范围为超声换能器的谐振频宽；若超过限定范围则判定为频率跟踪失败，并根据阻抗、电流、电压、频率和相位等参数识别出故障类型并提示报警，反之继续频率跟踪；
S207:当超出S206指定的范围时，根据当前***的阻抗、电压、电流和相位等参数区分出故障类型，输出报警提示，并停止超声能量输出；
S208：通过ADC采集电流和电压实时值，经过平滑滤波算法，得到电流和电压的RMS值（有效值）；
S209：根据电压、电流有效值和工作电流和工作电压之间的相位差值和超前/滞后关系，计算出超声换能器有功电流和等效阻抗，有功电流采用公式I=IRMS*cosΦ运算，而IRMS值为DSP处理器采集到的工作电流值，相位角Φ由工作电流与电压间的相位差值进行转换。同时计算出超声换能器有功功率P,超声波有功功率由公式 P=URMS*IRMS* cosΦ计算出；
S210：判断有功功率和电压有效值是否在限定范围内；若在限定范围内则进行下一环节，反之则降低电流设定值；
S211：所述电流控制PID控制算法，以设定电流为目标值，以当前换能器有功电流作为输入量，采用PID增量式控制算法计算出新的目标相位差值，当需求的电流增加/当前有功电流较小时，增加目标相位差值需求，反之减小目标相位差值需求。进一步的，目标相位差值需要限定在设定范围内，以保证频率跟踪正常和提升超声换能器驱动效率；
S212：判断目标相位差是否超出限定范围。若超出则判定为频率跟踪失败，并根据阻抗、电流、电压、频率和相位等参数识别出故障类型并提示报警，反之则继续进行频率跟踪；
S213：根据超声换能器等效阻抗大小，动态调节DC调压电路输出电压，通过动态调整H桥直流电源驱动电压，这在超声刀头阻抗/压力变大时能有效提升超声换能器的带载电流/功率，并使超声刀在切割时阻抗和谐振频率的变化的过程中工作电流和电压相位差控制在设定范围内，提升超声刀切割效果；
S214：比较判断有功功率和工作电压有效值是否大于额定功率和最高限定电压，如果超出限定值，则降低设定电流以使功率和电压在限定范围内。
进一步的，所述扫频控制方法与自动跟踪控制方法的步骤按照附图3、图4流程指示箭头顺序进行。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超声切割止血刀控制***，其特征在于，包括控制处理单元、DC调压电路、H桥逆变放大器、换能器匹配电路、超声换能器、电压和电流信号检测电路、相位检测电路、触摸屏、DAC芯片和超声刀头；所述控制处理单元包括处理器、高精度PWM频率发生器、ADC检测模块、高精度ECAP捕获模块和触摸显示屏数据收发模块；通过所述处理器控制高精度PWM频率发生器输出高精度、频率可变的PWM信号，以驱动H桥逆变放大器使超声换能器工作；通过所述高精度ECAP捕获单元捕获相位检测电路中输出的电压电流过零信号，并计算相位差值和超前/滞后关系；通过所述ADC检测模块检测电压和电流信号检测电路输出的有效值信号，并计算出相应的工作电压、工作电流和超声波等效阻抗的电参数；
所述处理器采用自动跟踪控制，所述自动跟踪控制采用直流驱动电压控制方法、电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法，其中电流控制PID控制算法和相位控制PID控制算法构成双闭环负反馈控制流程，使换能器工作电流和电流电压相位角在设定范围内；所述处理器为DSP处理器,所述高精度PWM频率发生器为DSP处理器内部HRPWM模块或FPGA可编程逻辑控制器；通过软件编程对DSP处理器内部HRPWM模块寄存器进行配置、或对FPGA可编程逻辑控制器内建DDS直接数字频率合成模块，均可直接产生高精度PWM信号；
所述处理器输出PWM频率信号，驱动超声波逆变电源；根据电压、电流有效值和工作电流和工作电压之间的相位差值和超前/滞后关系，计算出超声换能器有功电流和等效阻抗，有功电流采用公式I=IRMS*cosΦ运算，而IRMS值为DSP处理器采集到的工作电流值，相位角Φ由工作电流与电压间的相位差值进行转换；同时计算出超声换能器有功功率P,超声波有功功率由公式 P=URMS*IRMS* cosΦ计算出；并根据超声换能器等效阻抗大小，动态调节DC调压电路输出电压；
所述电流控制PID控制算法，以设定电流为目标值，以当前换能器有功电流作为输入量，采用PID增量式控制算法计算新的目标相位差值，当需求的电流增加/当前有功电流较小时，增加目标相位差值需求，反之减小目标相位差值需求；其中，目标相位差值限定在设定范围内；所述相位控制PID控制算法，由以上得出的目标相位差值为目标量，以当前工作电流和电压之间的相位差值和超前/滞后关系为输入量，采用PID增量式控制算法计算出新的频率控制增量，当目标相位差值增加/当前相位差值较小时，减小频率值，以增加电流和电压相位角，反之增加频率值。
2.根据权利要求1所述的超声切割止血刀控制***，其特征在于，所述DAC芯片为外部DAC芯片，通过控制所述外部DAC芯片输出的模拟电压信号，用以控制DC调压电路输出的驱动电压，以供逆变放大器所需。
3.根据权利要求1所述的超声切割止血刀控制***，其特征在于，所述电压和电流信号检测电路对超声换能器工作电流、电压进行检测和信号调理，并转换成有效值电压信号给处理器采集和运算，经过平滑滤波运算得到换能器工作电流、电压的数值。
4.根据权利要求1所述的超声切割止血刀控制***，其特征在于，所述相位检测电路对所述电压和电流信号检测电路中运放电路输出的电压、电流信号分别进行过零检测，并输出两路过零方波信号，提供给所述高精度ECAP捕获模块进行捕获和运算，得到超声换能器工作电流与电压间的相位差值。
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN206097107U (zh) * | 2016-07-08 | 2017-04-12 | 山东威瑞外科医用制品有限公司 | 一种超声刀频率跟踪装置 |
| CN210990592U (zh) * | 2019-11-05 | 2020-07-14 | 重庆迈科唯医疗科技有限公司 | 一种超声刀主机及超声刀*** |
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