来历：电子技能使用，作者：杨 林，戴剑峰，赵虎成，高 瞻，陆 阳，孙学明
导言
超声刀又称超声切开止血刀，作业原理是经过超声换能器(压电陶瓷)将电能转化成机械能，经扩大、聚集后作用于人体方针安排，其作业频率一般为20～100 kHz。方针安排在短时间内温度可达70 ℃以上，致使安排细胞凝结坏死而又不损害聚集区域以外的正常安排[1-2]。超声刀具有止血、切开、抓持、别离等多种功用。与传统电刀或激光刀比较，超声刀具有最小的侧热损害，可作用于重要脏器；因为没有电流经过患者，有用防止对神经肌肉的影响，能够安全使用于已装置有心脏起搏器的患者；作业时只构成水汽，不发生烟雾，可削减安排焦化，在腔镜手术中确保手术视界明晰。伴跟着技能的不断老练，超声刀在外科手术中得到了越来越广泛的使用。
超声手术刀的中心便是怎么驱动换能器将电能转化成机械能。因为超声刀的换能器作业在谐振状况的时分，电能转化为机械能的功率最高，超声刀头的使用寿命也才会更久，因而需求关于刀头的换能器进行阻抗匹配，而且在负载以及外部条件发生改动的状况还能够使换能器一直作业在谐振点邻近。本文经过对超声换能器阻抗匹配的原理剖析，然后经过公式推导了超声手术刀的换能器的并联谐振匹配办法的电感核算办法，并提出了一种变频的频率盯梢办法，最终经过实践测验验证了该办法在频率盯梢时的作用作用。
1 、超声手术刀换能器静态阻抗匹配
在实践中，超声手术刀的压电换能器是容性负载，假如不进行阻抗匹配，直接驱动刀头会发生反射功率，许多的能量会耗费在换能器上，然后使换能器发热，严峻的时分会使换能器损坏，因而为了使换能器完成更好的能量转化，需求对换能器进行阻抗匹配[10-13]。超声手术刀换能器的一个等效电路图如图1所示。
在图1中C0为静态电容，R0为静态电阻，一般为无穷大，而Lc为动态电感，Cc为换能器的动态电容，Rc为换能器的负载电阻。因为R0能够疏忽，因而整个电路的阻抗为：
式中fS为谐振频率，在这个谐振频率点，超声手术刀的换能器的阻抗最小，而且其电能转化为机械能的转化功率最高，换能器发热最小。
本文所选用的超声手术刀的换能器的C0=3 300 pF，f0=55.5 kHz，因而经过公式核算以及实践测验作用，本文挑选超声手术刀的匹配电感为H0=2.4 mH。
2 、频率盯梢算法规划
前面剖析了怎么使用并联匹配办法消除超声换能器的容性负载，超声手术刀在实践使用中，会作用在不同的软安排伤，因而其负载特性是不一致的。而超声手术刀换能器的谐振频率会跟着温度的改动或许负载改动而发生改动，然后导致超声手术刀的整个功率电路不是出现纯电阻特性，因而能量没有彻底转化为机械能量，然后在刀头的换能器发生很多热量，严峻时甚至会焚毁超声换能器[。因而为了确保换能器输出功率以及能效最大，需求对频率进行盯梢，本文规划的超声手术刀添加了频率自适应盯梢算法。
经过超声换能器的谐振频率的核算公式可知，在换能器作业在谐振频率点时分，超声手术刀的换能器的输出电流最大，且阻抗最小，在文献[14]提出了一种经过丈量电流信号有用值的办法来检测谐振频率点，这种办法需求确保电压一直坚持一致。本文提出了一种依据最小电阻的办法，其框图如图2所示。
在图2中首要是经过电流互感器以及电压收集电路收集到换能器两头的电流和电压信号，并经过有用值核算，核算其有用值，然后使用核算得出阻抗。因而为了找到最小阻抗点，超声手术刀在开机的时分从55 kHz到56 kHz的范围内进行5 Hz步进的扫频。当找到最小阻抗的时分，则确认该频率为换能器的串联谐振频率fS。
当超声手术刀的换能器作业在失谐的状况时，其会出现感抗或许容抗特性，则电压信号与电流信号就会发生必定的相位差，经过对这个相位差进行实时盯梢，并依据必定参数核算，则能够推导出当时需求的频率，然后完成了谐振频率的实时盯梢。依据此原理，本文首要经过对电流信号以及电压信号进行收集，然后将信号送入FPGA进行信号处理核算然后得到相位差，经过对相位差的核算来操控换能器的输入信号的频率，然后到达频率主动盯梢的意图。其依据的首要原理便是电流信号扩大的电路，如图3所示，电流信号经过一个RC滤波之后送入扩大器进行信号扩大，然后经过比较器电路进行比较。经过比较之后的信号则送给FPGA进行相位差的盯梢与核算。
施加在换能器两头的电压经过一个10:1的改换之后，送入扩大器中进行信号扩大，其扩大倍数为3倍，与电流信号扩大相似，经过一个RC滤波器之后送入扩大器进行扩大，然后将信号送入到比较器进行比较，然后得到方波，然后将波形送入FPGA跟电流信号进行相位差的比较与核算，然后得到相位差信号。
在实践的作业中，超声刀刀头上的压力巨细(负载巨细)是常常改动的，负载的改动也会引起输出振幅的改动，导致体系输出功率的改动。为使超声手术刀作业安稳牢靠，要求超声刀刀头输出的功率安稳。另一方面，患者可接受的超声辐射剂量需求依据医治计划确认。因而，需求规划的超声医治头输出功率可调。
本文规划了一种变频的调频办法，该办法会依据当时收集到的相位差调理输出的频率差，然后到达频率盯梢的意图。其间频率盯梢公式为：
其详细的程序规划流程图如图4所示。
3、 试验验证
为了验证本文规划的频率盯梢作用，选用了激光位移传感器丈量了在负载改动时分的超声手术刀换能器的振幅，如图5所示。在图5(a)中，没有选用频率主动盯梢，当负载发生改动的时分，其振幅显着变小了。在图5(b)中选用了最小阻抗法的频率盯梢办法，能够发现当阻抗发生改动的时分，其振幅能够坚持根本安稳，因而本文规划的频率盯梢办法能适用于超声手术刀体系。
别的为了验证本文规划的频率主动盯梢体系关于不同负载下的响应速度以及精度，也对不同负载下的频率盯梢作用进行了测验，如表1所示。在阻抗逐渐添加的状况下，能够发现，电流和电压的相位差都能维持在0°，很好地完成了频率盯梢的作用。动态频率盯梢作用如图6所示，失谐的作用如图7所示。
4、 定论
本文规划了一种超声手术刀的阻抗匹配办法以及频率主动盯梢办法，经过阻抗匹配使换能器能够作业在纯阻抗状况，使输出功率最大，且削减了换能器的热损耗，增强了换能器的使用寿命。别的经过一种变频的频率盯梢办法，完成了不同负载下的频率主动盯梢，首要是经过对电压和电流的相位差进行检测，得到相位差信号，然后依据一个线性公式对输出频率进行调整。经过实践测验，本文规划的阻抗匹配和变频的频率盯梢办法能够满意超声手术刀的需求，能在实践中安稳且牢靠地运转。
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