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
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是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专利的具体信息内容。
1.一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，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；
主控MCU，用于向所述信号发生控制模块发送指令产生高精度频率的两路互补PWM信号,以及接收所述功率输出隔离模块采集的数据与系统的参考输入进行比较，分别通过PID控制算法和ADRC控制算法实现输出功率、工作频率的实时准确跟踪控制，并对控制指令进行相应的调整，最终实现系统的闭环自动控制；
交互模块，用于设置对功率、音量进行设置，以及输出设备运行时的相关状态信息；
医用开关电源，用于向各模块提供了相应电压的直流电源。
2.根据权利要求1所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述的信号发生控制模块包括：
信号发生电路，通过调节精度为0.1Hz的DDS芯片接收主控MCU发出的指令，生成占空比为50%的高精度目标频率的方波，通过门电路作用得到两路互补的PWM信号；
数控半桥功率调整电路，包括由数控电位器和数字时钟，通过主控MCU控制数控电位器接入数字时钟电路的电阻值，调节生成参考时钟信号的频率和占空比，经触发电路改变原两路互补的PWM的占空比，进而调整功率；
驱动功放电路，用于提高PWM信号幅值，以驱动推挽输出电路工作；
推挽MOSFET管，用于使+48V直流功率电源推挽导通，进而使变压器工作，将信号传递至功率驱动隔离模块。
3.根据权利要求1所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述的功率输出隔离模块包括：
功率电感，用于与超声换能器进行阻抗匹配，使换能器能在额定频率附近谐振工作；
反馈电路，通过串并联电阻网络分压，使用多级运放结构，对工作电路电流、电压进行连续采样，其中第一级输出直接传输至主控MCU，用于检测信号幅值，第二级输出至电压比较电路，所述比较电路将电流与电压信号与零电位比较，输出两路互补的PWM信号并传输至主控MCU实时检测电流、电压之间的相位差；
超声手术刀接口电路，用于向超声手术刀设备提供标准的电源接口，提供精准的电信号驱动超声换能器工作，进而使手术刀进入高频振动状态；
按键检测电路，用于检测超声刀具设备上触发开关的状态，将相应电平传递给主控MCU，进而控制超声波手术刀设备的工作状态。
4.根据权利要求3所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述主控MCU通过外设定时器实时检测电流、电压之间的相位差。
5.根据权利要求3所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述交互模块包括：
按键交互模块，使用按键检测芯片检测独立按键状态，并使用串口将按键按下信息传递至主控MCU；
数码管交互模块，使用数码管驱动芯片，接收主控MCU发来的显示指令，驱动相应数码管显示设备运行时的相关状态信息；
扬声器交互模块，使用扬声器驱动芯片，接收主控MCU发来的输出指令，从FLASH芯片中读取相应位置的音频文件，通过扬声器驱动芯片运放后驱动扬声器输出相应音频信号。
6.根据权利要求3所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，所述医用开关电源向各模块提供+48V、+12V、-12V、+5V的直流电源。
7.根据权利要求1所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统，其特征在于，通过PID控制算法来实现输出功率的实时准确跟踪控制时，将参考功率作为控制系统的输入，利用将采集到的电压、电流幅值计算出功率作为反馈信息，通过减小与参考输入比较后的偏差量来实现功率的准确控制；
所述通过ADRC控制算法实现对工作频率的实时准确跟踪控制时，将手术刀工作在谐振点处的相位差作为系统的目标输入至ADRC控制系统的跟踪微分器中，利用扩张状态观测器实时观测工作点电压、电流的相位差、相位差变化率以及对扰动的实时观测，状态误差反馈控制律根据相位误差、相位变化率误差，进而进行控制和扰动补偿，最终实现工作频率的实时控制。
8.一种基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统控制方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、初始化硬件设备：
医用开关电源接入交流电后，硬件平台上电，初始化硬件功能；
步骤2、检测超声刀具的接入及其状态：
通过检测超声波刀具接入状态判断是否产生驱动电信号，通过功率输出隔离模块的反馈电路采集超声手术刀接口电路的电流，若电流在正常范围内，则刀具已接入且状态良好，并进行扫频检测超声刀具谐振点；若电流不在正常工作范围内，则系统未接入刀具或超声刀具状态不正常，提示相应信息并等待插入或更换超声刀具；
步骤3、扫频检测超声波刀具的工作谐振点：
通过扫频操作实现谐振工作点的捕捉，主控MCU使能所述信号发生控制模块的信号发生电路和数控半桥功率调整电路，通过向信号发生电路的DDS芯片不断发送调节指令，使输出信号在换能器工作频率范围内做步长为0.1Hz的扫频操作，同时主控MCU记录在每一频率下刀具接口电路中电流、电压的幅值和相位，选择相位差为零且电路功率最大时的频率点，即为当前超声波刀具的空载谐振频率，则扫频检测完毕，超声波刀具先以空载谐振频率进行工作，当接入负载时再进行谐振点的跟踪控制；
步骤4、进入工作状态：
相关硬件模块进行初始化输出，系统开始进入工作状态；扬声器和数码管显示设备进行相应初始化输出，提示用户可以开始使用超声波手术刀设备系统；主控MCU通过检测交互模块中按键以及超声刀具设备上按键的状态，实现对特定功率的显示或者实现对功率大小的语音播报；当检测到超声波刀具设备上有按键按下时，主控MCU通过控制生成以空载谐振频率，满足系统设定功率大小的驱动电信号，驱动超声波刀具开始进入工作状态，同时使用ADC电压、电流采集功能和定时器实时检测超声波刀具接口电路的电流、电压的幅值和相位；当超声波刀具负载变化或环境变化时，会使接口电路电压、电流的相位、幅值参数偏离参考值，当反馈系统检测到偏差时，通过PID控制算法控制信号发生电路实现输出功率的准确跟踪，同时通过ADRC控制算法控制直接数字频率合成器及时调整工作频率，使超声波刀具工作在谐振状态，保证了系统的闭环控制；
步骤5、关闭系统：当设备系统关闭时，通过断开医用电源开关将设备系统掉电，以关闭系统。
9.根据权利要求8所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统的控制方法，其特征在于，
步骤1中，所述初始化硬件功能时具体包括：初始化与信号发生电路、数控半桥功率调整电路、交互模块中电路的通信接口，与相关芯片通信将其复位，初始化ADC和定时器硬件以准备分别采集反馈测量电路传送来的电信号的幅值和相位。
10.根据权利要求8所述的基于频率及功率跟踪的超声手术刀系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括:
当触发按键松开后，主控MCU发送指令使DDS芯片进入睡眠状态，设备系统停止生成电信号；当触发按键再次按下时，主控MCU控制系统再次输出空载频率的驱动信号，重复上述过程。
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
技术领域
背景技术
发明内容
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；
主控MCU，用于向所述信号发生控制模块发送指令产生高精度频率的两路互补PWM信号,以及接收所述功率输出隔离模块采集的数据与系统的参考输入进行比较，分别通过PID控制算法和ADRC控制算法实现输出功率、工作频率的实时准确跟踪控制，并对控制指令进行相应的调整，最终实现系统的闭环自动控制；
交互模块，用于设置对功率、音量进行设置，以及输出设备运行时的相关状态信息；
医用开关电源，用于向各模块提供了相应电压的直流电源。
数控半桥功率调整电路，包括由数控电位器和数字时钟，通过主控MCU控制数控电位器接入数字时钟电路的电阻值，调节生成参考时钟信号的频率和占空比，经触发电路改变原两路互补的PWM的占空比，进而调整功率；
驱动功放电路，用于提高PWM信号幅值，以驱动推挽输出电路工作；
推挽MOSFET管，用于使+48V直流功率电源推挽导通，进而使变压器工作，将信号传递至功率驱动隔离模块。
反馈电路，通过串并联电阻网络分压，使用多级运放结构，对工作电路电流、电压进行连续采样，其中第一级输出直接传输至主控MCU，用于检测信号幅值，第二级输出至电压比较电路，所述比较电路将电流与电压信号与零电位比较，输出两路互补的PWM信号并传输至主控MCU实时检测电流、电压之间的相位差；
超声手术刀接口电路，用于向超声手术刀设备提供标准的电源接口，提供精准的电信号驱动超声换能器工作，进而使手术刀进入高频振动状态；
按键检测电路，用于检测超声刀具设备上触发开关的状态，将相应电平传递给主控MCU，进而控制超声波手术刀设备的工作状态。
数码管交互模块，使用数码管驱动芯片，接收主控MCU发来的显示指令，驱动相应数码管显示设备运行时的相关状态信息；
扬声器交互模块，使用扬声器驱动芯片，接收主控MCU发来的输出指令，从FLASH芯片中读取相应位置的音频文件，通过扬声器驱动芯片运放后驱动扬声器输出相应音频信号。
医用开关电源接入交流电后，硬件平台上电，初始化硬件功能；
步骤2、检测超声刀具的接入及其状态：
通过检测超声波刀具接入状态判断是否产生驱动电信号，通过功率输出隔离模块的反馈电路采集超声手术刀接口电路的电流，若电流在正常范围内，则刀具已接入且状态良好，并进行扫频检测超声刀具谐振点；若电流不在正常工作范围内，则系统未接入刀具或超声刀具状态不正常，提示相应信息并等待插入或更换超声刀具；
步骤3、扫频检测超声波刀具的工作谐振点：
通过扫频操作实现谐振工作点的捕捉，主控MCU使能所述信号发生控制模块的信号发生电路和数控半桥功率调整电路，通过向信号发生电路的DDS芯片不断发送调节指令，使输出信号在换能器工作频率范围内做步长为0.1Hz的扫频操作，同时主控MCU记录在每一频率下刀具接口电路中电流、电压的幅值和相位，选择相位差为零且电路功率最大时的频率点，即为当前超声波刀具的空载谐振频率，则扫频检测完毕，超声波刀具先以空载谐振频率进行工作，当接入负载时再进行谐振点的跟踪控制；
步骤4、进入工作状态：
相关硬件模块进行初始化输出，系统开始进入工作状态；扬声器和数码管显示设备进行相应初始化输出，提示用户可以开始使用超声波手术刀设备系统；主控MCU通过检测交互模块中按键以及超声刀具设备上按键的状态，实现对特定功率的显示或者实现对功率大小的语音播报；当检测到超声波刀具设备上有按键按下时，主控MCU通过控制生成以空载谐振频率，满足系统设定功率大小的驱动电信号，驱动超声波刀具开始进入工作状态，同时使用ADC电压、电流采集功能和定时器实时检测超声波刀具接口电路的电流、电压的幅值和相位；当超声波刀具负载变化或环境变化时，会使接口电路电压、电流的相位、幅值参数偏离参考值，当反馈系统检测到偏差时，通过PID控制算法控制信号发生电路实现输出功率的准确跟踪，同时通过ADRC控制算法控制直接数字频率合成器及时调整工作频率，使超声波刀具工作在谐振状态，保证了系统的闭环控制；
步骤5、关闭系统：当设备系统关闭时，通过断开医用电源开关将设备系统掉电，以关闭系统。
具体实施方式
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；
主控MCU，基于的STM32F407，用于向所述信号发生控制模块发送指令产生高精度频率的两路互补PWM信号,以及接收所述功率输出隔离模块采集的数据与系统的参考输入进行比较，分别通过PID控制算法和ADRC控制算法实现输出功率、工作频率的实时准确跟踪控制，并对控制指令进行相应的调整，最终实现系统的闭环自动控制；
交互模块，用于设置对功率、音量进行设置，以及输出设备运行时的相关状态信息；
医用开关电源，用于向各模块提供了相应电压的直流电源，向各模块提供+48V、+12V、-
12V、+5V的直流电源，提高系统的实用性。
数控半桥功率调整电路，包括由数控电位器和数字时钟，通过主控MCU控制数控电位器接入数字时钟电路的电阻值，调节生成参考时钟信号的频率和占空比，经触发电路改变原两路互补的PWM的占空比，进而调整功率，波形如图5所示；
驱动功放电路，用于提高PWM信号幅值，以驱动推挽输出电路工作；
推挽MOSFET管，用于使+48V直流功率电源推挽导通，进而使变压器工作，将信号传递至功率驱动隔离模块。
反馈电路，通过串并联电阻网络分压，使用多级运放结构，对工作电路电流、电压进行连续采样，其中第一级输出直接传输至主控MCU，用于检测信号幅值，第二级输出至电压比较电路，所述比较电路将电流与电压信号与零电位比较，输出两路互补的PWM信号并传输至主控MCU，所述主控MCU通过外设定时器实时检测电流、电压之间的相位差；
超声手术刀接口电路，用于向超声手术刀设备提供标准的电源接口，提供精准的电信号驱动超声换能器工作，进而使手术刀进入高频振动状态；
按键检测电路，用于检测超声刀具设备上触发开关的状态，将相应电平传递给主控MCU，进而控制超声波手术刀设备的工作状态。
数码管交互模块，使用数码管驱动芯片，接收主控MCU发来的显示指令，驱动相应数码管显示设备运行时的相关状态信息；
扬声器交互模块，使用扬声器驱动芯片，接收主控MCU发来的输出指令，从FLASH芯片中读取相应位置的音频文件，通过扬声器驱动芯片运放后驱动扬声器输出相应音频信号。
医用开关电源接入220V交流电后，硬件平台上电，初始化硬件功能，具体包括：初始化与信号发生电路、数控半桥功率调整电路、交互模块中电路的通信接口，与相关芯片通信将其复位，初始化ADC和定时器硬件以准备分别采集反馈测量电路传送来的电信号的幅值和相位；
步骤2、检测超声刀具的接入及其状态：
通过检测超声波刀具接入状态判断是否产生驱动电信号，通过功率输出隔离模块的反馈电路采集超声手术刀接口电路的电流，若电流在正常范围内，则刀具已接入且状态良好，并进行扫频检测超声刀具谐振点；若电流不在正常工作范围内，则系统未接入刀具或超声刀具状态不正常，提示相应信息并等待插入或更换超声刀具；
步骤3、扫频检测超声波刀具的工作谐振点：
通过扫频操作实现谐振工作点的捕捉，主控MCU使能所述信号发生控制模块的信号发生电路和数控半桥功率调整电路，通过向信号发生电路的DDS芯片不断发送调节指令，使输出信号在换能器工作频率范围内做步长为0.1Hz的扫频操作，同时主控MCU记录在每一频率下刀具接口电路中电流、电压的幅值和相位，选择相位差为零且电路功率最大时的频率点，即为当前超声波刀具的空载谐振频率，则扫频检测完毕，超声波刀具先以空载谐振频率进行工作，当接入负载时再进行谐振点的跟踪控制；
步骤4、进入工作状态：
相关硬件模块进行初始化输出，系统开始进入工作状态；扬声器和数码管显示设备进行相应初始化输出，提示用户可以开始使用超声波手术刀设备系统；主控MCU通过检测交互模块中按键以及超声刀具设备上按键的状态，实现对特定功率的显示或者实现对功率大小的语音播报；当检测到超声波刀具设备上有按键按下时，主控MCU通过控制生成以空载谐振频率，满足系统设定功率大小的驱动电信号，驱动超声波刀具开始进入工作状态，同时使用ADC电压、电流采集功能和定时器实时检测超声波刀具接口电路的电流、电压的幅值和相位；当超声波刀具负载变化或环境变化时，会使接口电路电压、电流的相位、幅值参数偏离参考值，当反馈系统检测到偏差时，通过PID控制算法控制信号发生电路实现输出功率的准确跟踪，同时通过ADRC控制算法控制直接数字频率合成器及时调整工作频率，使超声波刀具工作在谐振状态，保证了系统的闭环控制；当触发按键松开后，主控MCU发送指令使DDS芯片进入睡眠状态，设备系统停止生成电信号；当触发按键再次按下时，主控MCU控制系统再次输出空载频率的驱动信号，重复上述过程。
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