《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于阻抗匹配的超聲手術(shù)刀頻率跟蹤方法研究
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
楊 林1，戴劍峰1，趙虎成2，高 瞻2，陸 陽(yáng)1，孫學(xué)明2
1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 蘇州215006；2.常州柯柏電子科技有限公司，江蘇 常州213005
摘要： 隨著科技的發(fā)展，超聲手術(shù)刀在醫(yī)療上的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，為了讓超聲手術(shù)刀的換能器能盡可能高效率地將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，利用并聯(lián)阻抗匹配實(shí)現(xiàn)了超聲手術(shù)刀的阻抗匹配，讓超聲手術(shù)刀的換能器呈現(xiàn)純阻抗，從而使換能器的輸出功率最大，并且減少了換能器的發(fā)熱，延長(zhǎng)了使用壽命。另外超聲手術(shù)刀的換能器在使用過(guò)程中，換能器的各項(xiàng)參數(shù)會(huì)隨著溫度以及環(huán)境等發(fā)生改變，因此設(shè)計(jì)了一種針對(duì)換能器的諧振頻率進(jìn)行變頻的頻率跟蹤方法，通過(guò)對(duì)電流和電壓的相位差進(jìn)行跟蹤，然后送入到FPGA進(jìn)行運(yùn)算，得到一個(gè)相位差，當(dāng)相位發(fā)生偏差的時(shí)候，則采用一個(gè)變頻公式調(diào)整輸出頻率，從而達(dá)到頻率跟蹤的效果。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的超聲手術(shù)刀阻抗匹配和頻率跟蹤方法可以很好地實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載下的頻率自動(dòng)跟蹤，并且運(yùn)行可靠。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN710
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190661
中文引用格式： 楊林，戴劍峰，趙虎成，等. 基于阻抗匹配的超聲手術(shù)刀頻率跟蹤方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(10)：105-108，111.
英文引用格式： Yang Lin，Dai Jianfeng，Zhao Hucheng，et al. Study on frequency tracking method of ultrasonic scalpel based on impedance matching[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(10)：105-108，111.
Study on frequency tracking method of ultrasonic scalpel based on impedance matching
Yang Lin1，Dai Jianfeng1，Zhao Hucheng2，Gao Zhan2，Lu Yang1，Sun Xueming2
1.Department of Biomedical Engineering，The First Affiliated Hospital of Soochow University，Suzhou 215006，China； 2.Changzhou Kebo Electronic Technology Co.，LTD.，Changzhou 213005，China
Abstract： With the development of science and technology, ultrasonic scalpel is widely used in medical treatment. In practical application, in order to make the transducer of the ultrasonic scalpel convert electrical energy into mechanical energy as much as possible, this paper uses parallel impedance matching to realize the impedance matching of the ultrasonic scalpel, which makes the transducer of the ultrasonic scalpel present pure impedance, thus maximizing the output power of the transducer and reducing the transmission of the transducer. Heat has increased the service life. In addition, the parameters of the transducer of the ultrasonic scalpel will change with temperature and environment in the course of using. Therefore, this paper designs a frequency tracking method for the resonant frequency of the transducer, which tracks the phase difference between current and voltage, and then sends it to the FPGA for calculation. A phase difference is obtained. When the phase deviation occurs, a frequency conversion formula is used to adjust the output frequency, so as to achieve the effect of frequency tracking. Through practical verification, the impedance matching and frequency tracking method of the ultrasonic scalpel designed in this paper can achieve the automatic frequency tracking under different loads, and run reliably.
Key words : ultrasonic scalpel；frequency tracking；impedance matching

0 引言

    超聲刀又稱(chēng)超聲切割止血刀，工作原理是通過(guò)超聲換能器(壓電陶瓷)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，經(jīng)放大、聚焦后作用于人體目標(biāo)組織，其工作頻率一般為20～100 kHz。目標(biāo)組織在短時(shí)間內(nèi)溫度可達(dá)70 ℃以上，致使組織細(xì)胞凝固壞死而又不損傷聚焦區(qū)域以外的正常組織[1-2]。超聲刀具有止血、切割、抓持、分離等多種功能。與傳統(tǒng)電刀或激光刀相比，超聲刀具有最小的側(cè)熱損傷，可作用于重要臟器；由于沒(méi)有電流通過(guò)病人，有效避免對(duì)神經(jīng)肌肉的刺激，可以安全使用于已安裝有心臟起搏器的病人；工作時(shí)只形成水汽，不產(chǎn)生煙霧，可減少組織焦化，在腔鏡手術(shù)中保證手術(shù)視野清晰。伴隨著技術(shù)的不斷成熟，超聲刀在外科手術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3-6]。

    超聲手術(shù)刀的核心就是如何驅(qū)動(dòng)換能器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。由于超聲刀的換能器工作在諧振狀態(tài)的時(shí)候，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率最高，超聲刀頭的使用壽命也才會(huì)更久，因此需要對(duì)于刀頭的換能器進(jìn)行阻抗匹配，并且在負(fù)載以及外部條件發(fā)生變化的情況還能夠使換能器始終工作在諧振點(diǎn)附近[7-9]。本文通過(guò)對(duì)超聲換能器阻抗匹配的原理分析，然后通過(guò)公式推導(dǎo)了超聲手術(shù)刀的換能器的并聯(lián)諧振匹配方法的電感計(jì)算方式，并提出了一種變頻的頻率跟蹤方法，最后通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法在頻率跟蹤時(shí)的作用效果。

1 超聲手術(shù)刀換能器靜態(tài)阻抗匹配

    在實(shí)際中，超聲手術(shù)刀的壓電換能器是容性負(fù)載，如果不進(jìn)行阻抗匹配，直接驅(qū)動(dòng)刀頭會(huì)產(chǎn)生反射功率，很多的能量會(huì)消耗在換能器上，從而使換能器發(fā)熱，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)使換能器損壞，因此為了使換能器實(shí)現(xiàn)更好的能量轉(zhuǎn)換，需要對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配[10-13]。超聲手術(shù)刀換能器的一個(gè)等效電路圖如圖1所示。

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    在圖1中C0為靜態(tài)電容，R0為靜態(tài)電阻，一般為無(wú)窮大，而Lc為動(dòng)態(tài)電感，Cc為換能器的動(dòng)態(tài)電容，Rc為換能器的負(fù)載電阻。由于R0可以忽略，因此整個(gè)電路的阻抗為：

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式中fS為諧振頻率，在這個(gè)諧振頻率點(diǎn)，超聲手術(shù)刀的換能器的阻抗最小，并且其電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率最高，換能器發(fā)熱最小。

    本文所選用的超聲手術(shù)刀的換能器的C0=3 300 pF，f0=55.5 kHz，因此通過(guò)公式計(jì)算以及實(shí)際測(cè)試效果，本文選擇超聲手術(shù)刀的匹配電感為H0=2.4 mH。

2 頻率跟蹤算法設(shè)計(jì)

    前面分析了如何利用并聯(lián)匹配方法消除超聲換能器的容性負(fù)載，超聲手術(shù)刀在實(shí)際使用中，會(huì)作用在不同的軟組織傷，因此其負(fù)載特性是不一致的。而超聲手術(shù)刀換能器的諧振頻率會(huì)隨著溫度的變化或者負(fù)載改變而產(chǎn)生改變，從而導(dǎo)致超聲手術(shù)刀的整個(gè)功率電路不是呈現(xiàn)純電阻特性，因此能量沒(méi)有完全轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量，從而在刀頭的換能器產(chǎn)生大量熱量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤С晸Q能器[12]。因此為了保證換能器輸出功率以及能效最大，需要對(duì)頻率進(jìn)行跟蹤，本文設(shè)計(jì)的超聲手術(shù)刀增加了頻率自適應(yīng)跟蹤算法。

    通過(guò)超聲換能器的諧振頻率的計(jì)算公式可知，在換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)候，超聲手術(shù)刀的換能器的輸出電流最大，且阻抗最小，在文獻(xiàn)[14]提出了一種通過(guò)測(cè)量電流信號(hào)有效值的方式來(lái)檢測(cè)諧振頻率點(diǎn)，這種方法需要保證電壓始終保持一致。本文提出了一種基于最小電阻的方法，其框圖如圖2所示。

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    在圖2中主要是通過(guò)電流互感器以及電壓采集電路采集到換能器兩端的電流和電壓信號(hào)，并通過(guò)有效值計(jì)算，計(jì)算其有效值，然后利用dzyj2-t2-x1.gif計(jì)算得出阻抗。因此為了找到最小阻抗點(diǎn)，超聲手術(shù)刀在開(kāi)機(jī)的時(shí)候從55 kHz到56 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行5 Hz步進(jìn)的掃頻。當(dāng)找到最小阻抗的時(shí)候，則確定該頻率為換能器的串聯(lián)諧振頻率fS。

    當(dāng)超聲手術(shù)刀的換能器工作在失諧的狀態(tài)時(shí)，其會(huì)呈現(xiàn)感抗或者容抗特性，則電壓信號(hào)與電流信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的相位差，通過(guò)對(duì)這個(gè)相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并根據(jù)一定參數(shù)計(jì)算，則可以推導(dǎo)出當(dāng)前需要的頻率，從而實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。依據(jù)此原理，本文主要通過(guò)對(duì)電流信號(hào)以及電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后將信號(hào)送入FPGA進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算從而得到相位差，通過(guò)對(duì)相位差的計(jì)算來(lái)控制換能器的輸入信號(hào)的頻率，從而達(dá)到頻率自動(dòng)跟蹤的目的。其依據(jù)的主要原理就是電流信號(hào)放大的電路，如圖3所示，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波之后送入放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后通過(guò)比較器電路進(jìn)行比較。通過(guò)比較之后的信號(hào)則送給FPGA進(jìn)行相位差的跟蹤與計(jì)算。

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    施加在換能器兩端的電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)10:1的變換之后，送入放大器中進(jìn)行信號(hào)放大，其放大倍數(shù)為3倍，與電流信號(hào)放大類(lèi)似，經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波器之后送入放大器進(jìn)行放大，然后將信號(hào)送入到比較器進(jìn)行比較，從而得到方波，然后將波形送入FPGA跟電流信號(hào)進(jìn)行相位差的比較與計(jì)算，從而得到相位差信號(hào)。

    在實(shí)際的工作中，超聲刀刀頭上的壓力大小(負(fù)載大小)是經(jīng)常變化的，負(fù)載的變化也會(huì)引起輸出振幅的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率的變化。為使超聲手術(shù)刀工作穩(wěn)定可靠，要求超聲刀刀頭輸出的功率恒定。另一方面，病人可接受的超聲輻射劑量需要根據(jù)治療方案確定。因此，需要設(shè)計(jì)的超聲治療頭輸出功率可調(diào)[2，8]。

    本文設(shè)計(jì)了一種變頻的調(diào)頻方法，該方法會(huì)根據(jù)當(dāng)前采集到的相位差調(diào)節(jié)輸出的頻率差，從而達(dá)到頻率跟蹤的目的。其中頻率跟蹤公式為：

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其中fn+1表示當(dāng)前的頻率輸出，而fn表示上一次的頻率輸出。其中：

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其中k表示變頻系數(shù)，而Δθ表示當(dāng)前施加在超聲換能器上的電壓和電流的相位差。

    通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，當(dāng)k=0.083 9的時(shí)候，在超聲手術(shù)刀換能器上的頻率跟蹤效果最好，因此本文設(shè)計(jì)的變頻頻率跟蹤的公式為：

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    其具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

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3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的頻率跟蹤效果，采用了激光位移傳感器測(cè)量了在負(fù)載變化時(shí)候的超聲手術(shù)刀換能器的振幅，如圖5所示。在圖5(a)中，沒(méi)有采用頻率自動(dòng)跟蹤，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候，其振幅明顯變小了。在圖5(b)中采用了最小阻抗法的頻率跟蹤方法，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)阻抗發(fā)生變化的時(shí)候，其振幅能夠保持基本恒定，因此本文設(shè)計(jì)的頻率跟蹤方法能適用于超聲手術(shù)刀系統(tǒng)。

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    另外為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)于不同負(fù)載下的響應(yīng)速度以及精度，也對(duì)不同負(fù)載下的頻率跟蹤效果進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示。在阻抗逐步增加的情況下，可以發(fā)現(xiàn)，電流和電壓的相位差都能維持在0°，很好地實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤的效果。動(dòng)態(tài)頻率跟蹤效果如圖6所示，失諧的效果如圖7所示。

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4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種超聲手術(shù)刀的阻抗匹配方法以及頻率自動(dòng)跟蹤方法，通過(guò)阻抗匹配使換能器可以工作在純阻抗?fàn)顟B(tài)，使輸出功率最大，且減少了換能器的熱損耗，增強(qiáng)了換能器的使用壽命。另外通過(guò)一種變頻的頻率跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)了不同負(fù)載下的頻率自動(dòng)跟蹤，主要是通過(guò)對(duì)電壓和電流的相位差進(jìn)行檢測(cè)，得到相位差信號(hào)，然后根據(jù)一個(gè)線性公式對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的阻抗匹配和變頻的頻率跟蹤方法可以滿(mǎn)足超聲手術(shù)刀的需求，能在實(shí)際中穩(wěn)定且可靠地運(yùn)行。

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作者信息：

楊  林1，戴劍峰1，趙虎成2，高  瞻2，陸  陽(yáng)1，孫學(xué)明2

(1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 蘇州215006；2.常州柯柏電子科技有限公司，江蘇 常州213005)

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