通用型有源手术器械功率发生器的制作方法

文档编号:14478058
研发日期:2018/5/19

本实用新型属于医疗器械技术领域,具体涉及一种通用型有源手术器械功率发生器。



背景技术:

目前的有源手术器械大多用于组织的切割、闭合或者消融,实现上均需要通过一个功率发生器将工频电源转换成高频电功率后施加于某一种终端器械,转换成机械功率、电磁波功率、或者热功率作用于人体,从而实现对人体组织的切割、闭合以及消融。终端器械包括高频电刀、各种射频消融针和电极、有源闭合钳、超声刀、超声吸引器等等。这些终端器械针对手术中某些具体应用设计,工作机理和性能各异。如尽管都有切割和闭合功能,但电刀更便于切割,有源闭合钳便于血管闭合,超声刀则介乎二者之间,它们的工作频率、呈现的负载特性、以及所需的控制方式均不相同。比如高频电刀和一些消融电极,它们的功率发生器需要在指定频率上精确反馈负载的幅度和相位并控制有效功率;而超声刀和超声吸引器则需要实时跟踪负载的相位并使之趋近指定值。因此厂家一般根据终端器械的负载特性,包括中心频率和阻抗特性等,设计不同的专用发生器。医生则根据手术情况选择器械。很多手术需要多种有源器械,也就需要更换多种功率发生器。

以上的机理决定了目前有源手术器械功率发生器的以下缺点:

1.硬件臃肿僵硬,价格昂贵。功率发生器针对专用负载的特性在硬件上做了很多针对性的固化设计,如窄带滤波器、寄生参数补偿、阻抗匹配等。这些设计不但需要配备更多硬件,同时要求对负载的这些特性有充分了解。通常这种了解是通过一定的标定测试过程获得,加重了设计和生产的成本。

2.发生器针对专一的中心频率,不能适用不同种类的器械。在设计时将终端器械专用中心频率以外的频率信号视为噪声,一般用硬件滤波器加以滤除以实现较可靠的反馈和闭环控制。因此专门针对某种特定终端器械设计的发生器仅用于该种器械,不能适用于多种器械。在设计上由功率放大器输出的信号,一般需要经过无源滤波器针对负载中心频率进行窄带滤波,在获得近似理想正弦波后施加于负载。负载的中心频率一旦改变则不可能驱动。

3.功率发生器针对专一的负载寄生参数,不能适用特性变化范围大的负载设备。例如超声刀类器械终端中的主动元件PZT陶瓷片所包含的寄生电容对控制效果有重要影响,能否精确补偿决定最终控制质量。目前大多数超声功率发生器仅在功率放大器输出端用硬件电路网络针对它们平均的寄生参数值进行近似补偿,在加工工艺引起寄生参数变化的情况下会降低控制效果,并导致次品率升高。

4.功率发生器不能实时识别终端设备的传递函数从而在线计算所需的控制参数,而需要离线测试终端设备,手工调节控制参数。对于生产工艺造成的传递函数参数分布较广的终端设备难以达到目标控制效果。

以上问题限制了有源手术器械的应用,降低了手术效率,并影响了手术的治疗效果。



技术实现要素:

本实用新型提供了一种通用型有源手术器械功率发生器及其控制方法,用于控制一台功率发生器而适用于高频电刀、射频消融电极、有源闭合钳、超声刀、和超声吸引器几种不同的终端器械,同时解决它们在使用中硬件电路复杂、终端器械频率带宽太窄、以及反馈信号不精确技术问题。

为实现上述目的,本实用新型提供如下技术方案:

一种通用型有源手术器械功率发生器,包括处理器,对系统时钟进行配置并且对功率发生器其它部分的工作进行控制。DDS时钟电路,与处理器和信号产生电路相连,在处理器控制下产生相位和频率连续可调的时钟信号供给信号产生电路。终端器械标识识别电路,读取终端器械中的识别号,判断终端器械类型和工作频段。信号产生电路,和DDS时钟电路和处理器相连,根据处理器指令产生指定相位和频率的信号供给功率放大器。功率放大器,与处理器和信号产生电路相连,根据信号产生电路产生的弱信号保持相位和频率,并产生电压幅度可控的功率信号接仪器输出端,以驱动多种外接终端器械。电压和电流反馈电路,直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器,在包括30KHz到500KHz频段的宽频域上感知外接终端器械的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器计算产生信号的相位,以及电压电流的RMS值,其模数转换的采样频率由处理器根据终端器械频率配置为同步过采样或者欠采样,采样频率不超过终端器械工作频率。处理器根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路以控制信号的相位和频率,在较宽频带上实现对多种不同的终端器械的控制。

经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本实用新型提供了一种通用型有源手术器械功率发生器,在所述通用型有源手术器械功率发生器中不包括窄带滤波器,从而简化了硬件电路,降低了成本。所述控制方法中用宽带信号而不是固定频率的窄带信号驱动功率发生器,同时从宽带反馈信号中用频谱分析算法提取各个频率成分的幅度和相位,根据宽频响应识别终端手术器械在宽频带上的负载参数,及由此实现控制器,得以根据实际终端手术器械的具体情况优化控制效果,而不是企图用一种固定参数控制器适应性能参数有差异的终端手术器械,最终使得同一台功率发生器可以驱动多种终端手术器械,提高有源手术器械的效用,提高手术效率和手术的治疗效果。

附图说明

图1是传统射频消融功率发生器的示意

图2是通用型有源手术器械功率发生器示意

具体实施方式

下面结合本实用新型的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行详细描述,显然所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型终端实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。

图1是供对比的传统射频功率发生器示意,该功率发生器及控制方法如下:

由信号产生电路3产生固定频率的信号发送到功率放大器4,在功率放大器4的输出端进一步用窄带滤波器,例如电感和电容组成的滤波网络对功率放大器4输出的功率信号进行滤波,以获得近似正弦波的单一频率信号,将该信号施加于终端器械射频消融电极6以及其作用的人体组织;

由电压和电流反馈电路5采集作用于终端器械射频消融电极6上的电压和电流,为提高采集信号的信噪比用继续窄带带通滤波器对采集的电压和电流信号进行滤波,以获得单一频率上的电压和电流波形,用处理器1计算电压和电流的幅度和相位差,因此推算出终端器械和人体组织的复阻抗,以及通过终端器械射频消融电极作用于人体的有效功率;

调节功率放大器4的电压以控制以上得到的有效功率使其达到目标值,离线调节工作较好的PID控制参数用于所有情况,或者针对推算到的单一频率上的复阻抗选择PID参数,构成功率控制闭环。

图2是通用型有源手术器械功率发生器示意。如图2所示,该通用型有源手术器械功率发生器包括:处理器1,用于对系统时钟进行配置并且对功率发生器9其它部分的工作进行控制。DDS时钟电路8,与处理器1和信号产生电路3相连,用于在处理器1控制下产生相位和频率精密可调的时钟信号供给信号产生电路3。终端器械识别电路23,读取终端器械中的识别号,判断终端器械类型和工作频段。信号产生电路3,和DDS时钟电路8和处理器1相连,用于根据处理器1指令产生指定相位和频率的信号供给功率放大器4。功率放大器4与处理器1和信号产生电路3相连,用于根据信号产生电路3产生的弱信号保持相位和频率,并产生电压幅度可控的功率信号接仪器输出端,以驱动多种外接终端器械10。电压和电流反馈电路5,直接连仪器输出端而不经过任何限频滤波器,用于在宽频域上感知外接终端器械10的电压电流波形并进行模数转换后供给处理器1计算产生信号的相位,以及电压电流的RMS值,其模数转换的采样频率由处理器1根据终端器械10频率配置为同步过采样或者欠采样,采样频率不超过终端器械10的工作频率。处理器1根据计算得到的信号相位和RMS值实时调节DDS时钟电路8以控制信号的相位和频率,在包括30KHz到500KHz频段上实现对多种不同的终端器械的控制。

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