[发明专利]一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统及其控制方法有效
申请号: | 201910689356.3 | 申请日: | 2019-07-29 |
公开(公告)号: | CN110537958B | 公开(公告)日: | 2022-03-29 |
发明(设计)人: | 刘富春;王松波 | 申请(专利权)人: | 华南理工大学 |
主分类号: | A61B17/32 | 分类号: | A61B17/32 |
代理公司: | 广州粤高专利商标代理有限公司 44102 | 代理人: | 何淑珍;黄海波 |
地址: | 510640 广*** | 国省代码: | 广东;44 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 频率 功率 跟踪 超声 手术刀 系统 及其 控制 方法 | ||
本发明公开了一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统及其控制方法,该超声手术刀系统包括主控MCU、基于DDS的信号发生控制模块、功率输出隔离模块、交互模块、医用开关电源,所述信号发生控制模块使用DDS芯片生成两路高精度、特定频率的PWM信号,通过基于时钟电路的数控半桥功率调整电路对功率进行控制;所述功率隔模块通过串联功率电感使感抗匹配,为超声刀具提供接口,并分别使用PID算法和ADRC算法实时控制功率输出和超声手术刀工作频率,达到对功率的实时控制和对谐振点频率的跟随控制。本发明具有控制精度高、响应速度块、手术效果好、能量利用率高、便于操作等优点,适用于在常见超声外科手术中驱动超声外科手术刀设备。
技术领域
本发明涉及超声手术刀系统,尤其涉及一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统及其控制方法,用于驱动手术刀刀头在谐振点处稳定工作。
背景技术
超声技术,是一门综合性极强的学科,涉及电子、声学、材料、机械、医疗等众多领域。超声波手术刀,作为一种外科手术中常用的医疗器械之一,其工作原理是通过驱动超声换能器将电能转换为机械能,进而驱动手术刀在谐振频率点上进行高频振动,使组织内的水汽化,蛋白质氢键断裂、变性,细胞崩解,使组织被切开或凝固,在组织分离和组织切割的同时凝血止血。因其术中出血少、术后恢复快且不留痕的效果,在医疗领域中取得了较好的反响和较为广泛的应用。
超声波手术刀设备是通过超声波电源发生装置和超声波手术刀组合而成的。其中,超声波手术刀主要由超声换能器、刀头、触发电路组成,通过连接线和插头连接至超声波电源发生装置以获得驱动刀头工作的驱动信号。作为超声波手术刀设备的核心组成部分,超声波电源发生装置在触发按键被按下时,输出在额定频率范围内的交流电信号,驱动换能器将电能转换为机械能,使刀头发生高频振动。
由于超声波换能器的接入阻抗特性会随着换能器所加机械负载的变化而变化,当超声波手术刀在装载不同刀头、作用不同对象或者不同部位时,其谐振频率也会发生变化,若不及时调整电源发生装置输出电信号的频率使换能器工作在谐振状态,久之将会损坏刀头,影响手术的质量和效果。
目前许多超声波手术刀设备的电源发生装置在频率和功率的输出均采用开环控制,因此无法对手术刀的工作频率和设备的输出功率进行有效的跟踪控制,部分超声波手术刀设备能够实现频率跟踪控制,但普遍采用的是PID控制算法,其难以同时兼顾系统调节的超调量和调节速度,对干扰量的输入也无法及时响应并进行补偿。当超声波手术刀装载不同的刀头,或者超声波电源发生装置电路结构不同时,系统的最佳调节参数也会相应发生改变,使用PID控制算法无法有效解决频率跟踪控制的调节速度不够快、超调量较大、调节精度不高的诸多问题。以上问题均对超声波手术刀电源驱动系统的频率跟踪性能造成不利影响,大大减少了超声波手术刀的使用寿命和减低手术的医疗效果。
因此,对超声波手术刀电源驱动系统输出的频率和功率进行有效跟踪并实现精确控制,成为相关研究领域的关键问题之一。
发明内容
基于上述提出的现状和所在问题,本发明提出了一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统及其控制方法,能够对对超声波手术刀电源驱动系统输出的频率和功率进行有效跟踪并实现精确控制,提高超声波手术刀的使用寿命和手术的医疗效果。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现:
一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统,包括:
信号发生控制模块,用于通过接收所述主控MCU的指令产生高精度频率的两路互补PWM信号,依据目标频率减小PWM信号的占空比,接着将信号进行功率放大后驱动推挽电路交替导通,使直流信号推挽导通,经高频变压器将信号传递至功率驱动隔离模块;
功率输出隔离模块,用于使换能器在工作频率范围内谐振;同时采集电流、电压的幅值和相位,经处理后传输至所述主控MCU;
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