CN215503275U - 一种医用便携式超声波手术刀及其控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种医用便携式超声波手术刀，属于超声波手术刀技术领域，为解决现有超声波手术刀集成度不高、无法保证处于谐振状态以及无法及时反馈频率的问题；医用便携式超声波手术刀由超声换能器、阻抗匹配模块、微控制器、信号产生模块、光电隔离模块、功率放大模块、锁相环电路、电压电流采样反馈电路、直流电压变换模块、直流升压电路、人机交互模块和充电模块组成；本发明利用阻抗匹配网络电路整体呈纯阻态，并结合超声波换能器将电流、电压采样信息反馈至处理器，实现手术刀保持谐振状态，超声波手术刀采用模块化设计，因此刀身、刀头、换能器、电池为可分离式结构，需要时可以迅速组装拆卸，便于医务人员收纳与携带。

Description

一种医用便携式超声波手术刀及其控制***

技术领域

本实用新型涉及一种医用便携式超声波手术刀及其控制***，超声波手术刀技术领域。

背景技术

超声波手术刀是一种高频电外科设备，主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作。超声波手术刀具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点，其作用于人体组织以蛋白质凝固为效果终点，不会引起组织干燥、灼伤等副作用，刀头工作时也没有电流通过人体，在手术室中有着广泛的应用。

户外手术环境复杂，传统的超声波手术刀体积大，不方便携带，且需要稳定的220V交流电供电，难以做到快速部署，快速使用。为此，少数人提出了超声波手术刀便携的方法。

现有基于Boost拓扑的手持式超声刀驱动电源设计中仅提出一种小型化的Boost拓扑驱动电源，但是没有设计完备的频率自动跟踪电路，无法保证超声换能器始终处于谐振状态，最终会影响手术的效率。

现有基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪研制”中有一套完整的便携式超声波手术刀的设计，但是电路没有使用贴片电阻和贴片电容，也没有进行PCB分层处理，最终设备体积还是偏大，此外论文中没有设计显示模块，不能让医护人员直观地看到超声波手术刀目前的功率工作状态。

现有设计的超声手术刀仅能工作在一个固定的频率，没有设计调节功率的挡位开关，不能实现电凝以及电切两种不同的功能。作为两种手术中常用的工作模式，电切采用高密度高频电流对局部组织表面的集中加热，电凝采用较低频功率、较低电流密度对出血和潮湿组织加热。为此，亟需一种全新的医用便携式超声波手术刀，弥补了现有超声波手术刀的不足，做到了足够的便携化和小型化。

实用新型内容

为解决现有超声波手术刀集成度不高、无法保证处于谐振状态以及无法及时反馈频率的问题，本实用新型提出了一种医用便携式超声波手术刀及其控制***；本实用新型的技术方案如下：

方案一：一种医用便携式超声波手术刀控制***：包括微控制器、超声波换能器、信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配网络、频率跟踪模块、直流电源模块和人机交互模块；以微控制器为核心，通过电信号为与其连接的人机交互模块和信号产生模块下发指令；信号产生模块通过电性连接功率放大模块，阻抗匹配网络和超声波换能器，超声波换能器输出超声波，并将采样信息通过电信号反馈至频率跟踪模块，再由频率追踪模块反馈电信号至微控制器；直流电源模块负责为超声波手术刀供电。

进一步地，所述微控制器采用的是基于ARM Cortex-M4内核构架的32位微处理器MK60DN512VLQ10；MK60DN512VLQ10的供电电压为3.3V。

进一步地，所述信号产生模块使用AD9851频率合成器，控制功率MOS管的驱动芯片产生方波信号。

进一步地，所述直流电源模块，采用12V锂电池供电；所述直流电源模块内置充电模块和线性稳压模块，所述线性稳压模块包括AMS117-3.3稳压器和AMS117-5稳压器；所述充电模块采用BQ24040锂电池电源管理芯片。

进一步地，所述人机交互模块包括启动按键与显示设备，所述微处理器通过射频信号输出至显示设备。

方案二：一种医用便携式超声波手术刀，是根据上述控制***为基础而实现的，该手术刀使用PCB分层模式，在满足厚度要求的情况下，使整个电路集成在刀身中。

本实用新型有益效果体现在：

本实用新型利用阻抗匹配网络消除超声换能器等效电路中的容性成分，使电路整体呈纯阻态，并结合超声波换能器将电流、电压采样信息反馈至处理器，实现手术刀保持谐振状态，实现电凝以及电切两种不同的功能；

超声波手术刀采用模块化设计，因此集成度高，其中刀身、刀头、换能器、电池为可分离式结构，需要时可以迅速组装拆卸，术后可将各模块拆卸单独消毒。拆解后的超声波手术刀可以放入其特制的手提箱中，便于医务人员收纳与携带。

附图说明

图1为一种医用便携式超声波手术刀结构示意图；

图2为一种医用便携式超声波手术刀的微处理器示意图；

图3为复位电路示意图；

图4为JTAG下载仿真电路示意图；

图5为电压转换电路示意图；

图6为时钟源电路示意图；

图7为RTC时钟电路示意图；

图8为AD9851***电路示意图；

图9为椭圆低通滤波电路示意图；

图10为光电隔离电路示意图；

图11为半桥电路示意图；

图12为TR2104驱动芯片示意图；

图13为AD8302相位幅值测量电路示意图；

图14为电流采样电路示意图；

图15为电压采样电路示意图；

图16为5V电压获得电路示意图；

图17为3.3V电压获得电路示意图；

图18为boost电路示意图；

图19为按键控制模块电路示意图；

图20为显示模块示意图；

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型中记载的一些实施例，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。

具体实施方式

具体实施方式：一种医用便携式超声波手术刀及其控制***，由超声换能器、阻抗匹配模块、微控制器、信号产生模块、光电隔离模块、功率放大模块、锁相环电路、电压电流采样反馈电路、直流电压变换模块、直流升压电路、人机交互模块和充电模块组成；以下是详细实施过程：

(1)超声换能器，是将电能转换为机械振动，引起超声刀刀杆纵向振动，将能量传输出去。在这个能量转换的过程中，超声刀会产生机械冲击、空化效应和热效应。机械冲击会致使蛋白质氢键断裂，同时温度上升，使生物组织发生局部液化，呈匀浆化，将组织撕裂，从而达到切割的效果。在设计中可以等效为电容电感电阻的串联。

(2)阻抗匹配模块，在超声刀工作的过程中，由于容性特性的存在，超声电源的无功功率会增加，转化效率会变低。为解决这个问题，本申请采用新型T型匹配方式来消除等效电路中的容抗成分，使得电路整体呈纯阻态。

(3)微控制器，所述微控制器采用的是基于ARM Cortex-M4内核构架的飞思卡尔公司32位微处理器MK60DN512VLQ10。MK60DN512VLQ10的供电电压为3.3V；微处理器MK60DN512VLQ10最小***设计。

(4)信号产生模块及光电隔离模块，超声波发生器输出驱动信号的频率是由半桥驱动控制信号决定，且驱动控制信号为方波，而MK60DN512VLQ10微处理器的PWM模块输出的方波信号频率的分辨率远远达不到几赫兹的精度要求，因此本申请使用了专门的信号产生芯片AD9851来产生方波信号。

优选的，AD9851由于其具高度集成性，只需少量的***电路就可以构成信号发生器。***电路主要包括输出方波占空比调整电路和滤波电路。如图8所示，D0-D7分别和MK60DN512VLQ10的PTB0-PTB7引脚相连，RST、CLK、FQUD引脚分别和PTA8、PTA9、PTA10引脚相连，50KΩ滑动变阻器R52是用来调节输出方波信号的占空比，Y1是180M晶振电路，芯片供电电压VCC为3.3V。

具体地，AD9851的供电电压为3.3V，由AD9851产生的方波信号幅值是3.3V，该方波信号是用来控制功率MOS管的驱动芯片的，由于后者所需供电电压为12V，如若将两者直接连到一起，则很容易对控制电路造成不可恢复性的损害，因此本实施例采用了在两者之间加光电隔离的措施来避免控制电路损害的发生。

(5)功率放大模块，由AD9851产生的方波信号由于其电压和驱动电流都很小，功率远远达不到驱动超声换能器的要求，因此需要对方波信号的电压和电流都进行放大，即进行功率放大。本实施例选用半桥逆变电路，利用IR2104芯片对功率MOS管进行驱动。

(6)锁相环电路，超声压电换能器工作时其串联支路动态等效参数会随着负载、温度等参数的变化而发生变化，这就导致了串联支路谐振频率会发生变化，为了让换能器始终工作在串联谐振状态，超声波发生器必须要能实时检测换能器串联支路谐振频率，然后调整输出信号的频率和检测到的换能器串联支路谐振频率一致，即实现频率动态跟踪。实际通常采用锁相环(PLL)控制技术来实现频率控制。

优选的，使用相位比较芯片AD8302，比较完相位后直接把比较结果送给微控制器进行处理，然后由微控制器控制直接数字式频率合成器的输出信号的频率，使换能器重新工作在串联谐振状态。

(7)电压电流采样反馈电路，采样电路是对换能器两端的电压信号和流过换能器的电流信号进行采样，然后送给相位检测电路进行相位比较。电流采样电路采用的是电流互感器采集流过换能器的电流，电压采样电路采用的是分压电路。

(8)直流电压变换模块，采用12V锂电池供电，为了转换成各个芯片能使用的3.3V和5V电压，需要设计线性稳压模块，这里3V电压通过AMS117-3.3获得，5V电压通过AMS117-5获得。

(9)直流升压电路，直流升压电路是超声刀驱动电源电路的重要组成部分。根据超声刀驱动电压提高升压比的需要，采用Boost电路，将电压抬高后提供给半桥电路。

(10)人机交互模块，按键模块需要具备调节谐振频率的功能，设定两种档位频率档位：一种是低频率档，完成电凝功能，使组织液体成份(主要是水分)挥发，而未达到组织爆裂的程度；另一种是高频率档位，完成电切功能，使组织的组织成份快速膨胀爆裂而分开，从而实现切割，并且产生高温形成止血效果。此外还要设定开关用来控制电源输出的启停。显示模块采用1602液晶显示屏，设备开机时有“POWER ON”字样，设备关机时有“POWEROFF”字样；

优选的，人机交互模块也可通过微处理器发出的射频信号给显示设备进行显示手术刀工作状态，显示设备可以为手机、平板电脑、显示屏等支持无线连接的设备。

(11)充电模块，考虑到设计小型化的要求我们选用简单可靠的BQ24040，它是一款应用于面积受限的便携式锂离子和锂聚合物电池线性充电芯片，该芯片的供电部分可以来自于现在主流的USB供电或AC电源适配器供电，无需携带特殊的充电器，非常的方便。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种医用便携式超声波手术刀控制***，其特征在于：包括微控制器、超声波换能器、信号产生模块、功率放大模块、阻抗匹配网络、频率跟踪模块、直流电源模块和人机交互模块；以微控制器为核心，通过电信号为与其连接的人机交互模块和信号产生模块下发指令；信号产生模块通过电性连接功率放大模块，阻抗匹配网络和超声波换能器，超声波换能器输出超声波，并将采样信息通过电信号反馈至频率跟踪模块，再由频率追踪模块反馈电信号至微控制器；直流电源模块负责为超声波手术刀供电。

2.根据权利要求1所述的一种医用便携式超声波手术刀控制***，其特征在于：所述微控制器采用的是基于ARM Cortex-M4内核构架的32位微处理器MK60DN512VLQ10；MK60DN512VLQ10的供电电压为3.3V。

3.根据权利要求2所述的一种医用便携式超声波手术刀控制***，其特征在于：所述信号产生模块使用AD9851频率合成器，控制功率MOS管的驱动芯片产生方波信号。

4.根据权利要求3所述的一种医用便携式超声波手术刀控制***，其特征在于：所述直流电源模块，采用12V锂电池供电；所述直流电源模块内置充电模块和线性稳压模块，所述线性稳压模块包括AMS117-3.3稳压器和AMS117-5稳压器；所述充电模块采用BQ24040锂电池电源管理芯片。

5.根据权利要求1所述的一种医用便携式超声波手术刀控制***，其特征在于：所述人机交互模块包括启动按键与显示设备，所述微处理器通过射频信号输出至显示设备。

6.一种医用便携式超声波手术刀，是根据权利要求1-5任一一项所述控制***为基础而实现的，其特征在于：该手术刀使用PCB分层模式，在满足厚度要求的情况下，使整个电路集成在刀身中。

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