專利名稱：超聲波發(fā)生器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波發(fā)生器系統(tǒng)。更特別地，但并非專用地，本發(fā)明涉及一種發(fā)生器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲得并維持提供給波導(dǎo)管的諧振扭轉(zhuǎn)頻率。
背景技術(shù)：
扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)管具有很多固有頻率，但這些固有頻率中只有少數(shù)是有用的。共振條件中多數(shù)都處于撓曲型，這是不希望有的。
理想地，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路可以給細(xì)長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)波導(dǎo)管提供電力。但是，在希望利用唯一的扭轉(zhuǎn)模式諧振方面是很困難的，因?yàn)檫@樣就需要與用于傳統(tǒng)電路的任意一種可選擇的諧振模式間隔開(kāi)至少1.0kHz的頻率差，以滿足需要。實(shí)際上，這種波導(dǎo)管在所希望有的模式的幾百Hz內(nèi)顯示出可供選擇的幾種諧振模式。
公知的是，在歐洲專利申請(qǐng)No.1025806A中提供了一種超聲波手術(shù)裝置，在該裝置中，電路存儲(chǔ)了滿足共振條件的頻率，并在檢測(cè)到非共振條件的時(shí)候恢復(fù)該信號(hào)到該共振條件。
這種設(shè)置很不靈活，并且很不適合于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括智能頻率產(chǎn)生控制電路。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種產(chǎn)生超聲波信號(hào)的方法，該方法包括以下步驟在所產(chǎn)生信號(hào)的預(yù)定部分執(zhí)行對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)的第一次掃描；確定預(yù)定部分內(nèi)諧振模式的數(shù)量以及其頻率；并從所述的諧振模式中選擇處于中心頻率處的諧振模式或頻率與其最接近的諧振模式。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括在所選擇的諧振模式的每一側(cè)設(shè)定掃描界限。
有利地是，所述掃描界限覆蓋了基本上小于信號(hào)的所述預(yù)定部分的頻率范圍，可選地是不到其十分之一。
每次激勵(lì)發(fā)生器，系統(tǒng)都可以在所述掃描界限范圍內(nèi)執(zhí)行第二次掃描，以選擇在該范圍內(nèi)的最佳頻率。
在系統(tǒng)的使用過(guò)程中，可以在閉合(close)界限內(nèi)跟蹤所選擇的諧振模式。
這種跟蹤說(shuō)明了由于熱效應(yīng)或所提供負(fù)載的改變而產(chǎn)生的頻率漂移。
該方法可以包括響應(yīng)差錯(cuò)情況停止產(chǎn)生信號(hào)的步驟。
所述差錯(cuò)情況可以包括所選擇諧振模式的頻率的不連續(xù)變化。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種超聲波發(fā)生器系統(tǒng)，包括產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的裝置，以及適合于執(zhí)行如上面所述的方法的控制電路裝置。
優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括可操作地連接到所述產(chǎn)生裝置的用于所述超聲波振動(dòng)的波導(dǎo)管裝置。
有利地是，該系統(tǒng)包括警告裝置，以發(fā)出信號(hào)通知使用者在系統(tǒng)的操作中有差錯(cuò)。
可選擇地，警告裝置可以包括顯示裝置，如液晶顯示裝置。
可選擇地或另外，警告裝置可以包括音響警告裝置。
優(yōu)選地，所述超聲波振動(dòng)是在扭轉(zhuǎn)模式中的振動(dòng)。


現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中圖1示意性地示出了體現(xiàn)本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方框系統(tǒng)；圖2示意性地示出了該系統(tǒng)的流程圖；圖3示意性地示出了用于該系統(tǒng)的跟蹤圖；和圖4是體現(xiàn)了本發(fā)明的系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)方框圖。
具體實(shí)施例方式
該系統(tǒng)使用微處理器(未示出)，該微處理器具有各種接口A到D端口以監(jiān)控電流波形，利用這些電流波形可以檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)中任意的共振條件。波導(dǎo)管和由該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的緊密耦合換能器(transducer)組件都是完全可以再生產(chǎn)的，并且其每一個(gè)都在目標(biāo)扭轉(zhuǎn)模式諧振的任意一側(cè)顯示出200-400Hz內(nèi)所不希望有的諧振模式。幾乎在所有情況下，目標(biāo)模式在各系統(tǒng)之間在100-200Hz內(nèi)都是可再現(xiàn)的，并且在任意一側(cè)通常都具有可拒收的模式。
為了設(shè)置系統(tǒng)，處理器掃描預(yù)設(shè)的頻率范圍，注明在目標(biāo)頻率附近的三個(gè)諧振模式的位置。
然后選擇中心模式，或者如果只找到兩種模式，則選擇最接近目標(biāo)頻率的模式。然后系統(tǒng)在設(shè)定的目標(biāo)頻率的任意一側(cè)設(shè)定掃描界限，以使得能夠控制已選擇的諧振模式。由這些掃描界限所限定的范圍通常覆蓋了比用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的掃描所限定的范圍更小的頻率范圍。
在本實(shí)施例中，以短猝發(fā)(burst)的方式間歇使用波導(dǎo)管。通常利用腳踏開(kāi)關(guān)操作發(fā)生器，但也可以使用其它的方法。
這樣，在每次操作腳踏開(kāi)關(guān)并從而激勵(lì)發(fā)生器時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行第二次掃描，在由事先設(shè)定的掃描范圍所確定出的范圍內(nèi)僅檢查是否僅存在一諧振模式。稍微移動(dòng)一下該頻率，就將設(shè)定新的最佳頻率。
然后系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤階段，該跟蹤階段將持續(xù)與壓下腳踏開(kāi)關(guān)的時(shí)間一樣長(zhǎng)的時(shí)間，或者一直持續(xù)下去直到發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)不可挽回的差錯(cuò)。這樣能夠使系統(tǒng)注意到由于熱效應(yīng)或所提供的負(fù)載的改變而產(chǎn)生的頻率漂移。
系統(tǒng)包括LCD(液晶顯示器)，在該LCD上顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和差錯(cuò)信息。例如，如果可以作為手術(shù)器械的聽(tīng)筒(handset)的波導(dǎo)管在啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有被正確地連接到系統(tǒng)，則顯示信息“NO HANDSET(沒(méi)有聽(tīng)筒)”。
在某些情況下，如果手術(shù)器械的聽(tīng)筒接觸到骨骼而不是軟組織，則它們可受到表面損傷，可能改變波導(dǎo)管的諧振模式。如果這種改變影響很大，則這種改變應(yīng)該作為差錯(cuò)被第二次掃描或跟蹤階段檢測(cè)到。在這種情況下，將暫停發(fā)生器，并在LCD上顯示信息“REPLACEHANDSET(更換聽(tīng)筒)”。該系統(tǒng)還具有音響報(bào)警信號(hào)，如蜂鳴器，以對(duì)應(yīng)這些LCD信息。
現(xiàn)在參考附圖中的圖1，其示出了控制結(jié)構(gòu)，從階段1開(kāi)始，在階段1，設(shè)置這些口、LCD和UART的連接。在LCD上顯示一條信息以指示系統(tǒng)已準(zhǔn)備好。為了診斷目的，通過(guò)UART發(fā)送系統(tǒng)已準(zhǔn)備好的信息和硬件設(shè)置結(jié)果。如果檢測(cè)到很嚴(yán)重的硬件故障，則階段2終止整個(gè)程序，在LCD上顯示差錯(cuò)信息，并通過(guò)UART發(fā)送診斷數(shù)據(jù)。
如果沒(méi)有檢測(cè)到嚴(yán)重的硬件故障，則階段3啟動(dòng)掃描以在工作范圍內(nèi)檢測(cè)每一次傾斜(dip)，測(cè)量它的幅度。如果找到滿足最小幅度要求的傾斜，則階段3的掃描返回成功。在階段3掃描的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)必須壓下腳踏開(kāi)關(guān)，階段3的掃描設(shè)定了最佳工作頻率周圍的一范圍。
在階段3的掃描失敗的情況下，警告階段5進(jìn)行動(dòng)作以在LCD上顯示差錯(cuò)信息，并發(fā)出蜂鳴聲以警告使用者。
當(dāng)在階段4再一次壓下腳踏開(kāi)關(guān)時(shí)，顯微掃描階段6檢查到在由階段3的掃描確定的范圍內(nèi)僅有一次傾斜。在這種情況下，設(shè)定最佳頻率，在該最佳頻率處將開(kāi)始跟蹤(參看下面)。如果沒(méi)有，則另一個(gè)警告階段7在LCD上顯示另一個(gè)差錯(cuò)信息，并發(fā)出蜂鳴聲以警告使用者。
如果顯微掃描階段6指示成功，則接下來(lái)進(jìn)行到跟蹤階段8，在階段8緊隨有最佳頻率，同時(shí)使用換能器。當(dāng)釋放腳踏開(kāi)關(guān)(以終止換能器的操作)或者如果檢測(cè)到差錯(cuò)時(shí)跟蹤階段8終止。如在階段9所確定的如果有差錯(cuò)，則系統(tǒng)返回到階段4，并等候重新壓下腳踏開(kāi)關(guān)。如果沒(méi)有差錯(cuò)，則在階段10檢查停機(jī)時(shí)間，并且如果停機(jī)時(shí)間比預(yù)定時(shí)間如兩秒鐘短，則系統(tǒng)返回到跟蹤階段8。如果停機(jī)時(shí)間比預(yù)定時(shí)間長(zhǎng)，則暫停系統(tǒng)，等候重新壓下腳踏開(kāi)關(guān)。
現(xiàn)在參考圖2，示出從階段11開(kāi)始掃描系統(tǒng)的流程圖，其中較低頻率的標(biāo)記被設(shè)定為Fo。
在階段12延遲了約5ms使硬件啟動(dòng)后，在階段13利用微控制器ADC施加采樣載荷電流，并且在采樣緩沖器內(nèi)存儲(chǔ)它的值。
如果采樣緩沖器沒(méi)有存儲(chǔ)滿，則系統(tǒng)返回到階段13。如果滿了，則在階段14，對(duì)除中心值Y(n-8)以外的采樣值Y(n)到Y(jié)(n-16)取平均值。結(jié)果存儲(chǔ)在平均值緩沖器15內(nèi)。
如果平均值緩沖器15沒(méi)有存儲(chǔ)滿，則系統(tǒng)再次返回到階段13。但是，如果平均值緩沖器滿了，則在階段16，將Av(n-8)和Av(n-16)與Y(n-8)進(jìn)行比較。如果兩個(gè)平均值A(chǔ)v(n-8)和Av(n-16)都高于Y(n-8)，則得出結(jié)論已經(jīng)檢測(cè)到傾斜。
然后，在階段17，如果中心采樣值Y(n-8)低于事先記錄的值，則刪除事先記錄的值，并將Y(n-8)和它的頻率記錄在傾斜記錄中。
如果當(dāng)前的傾斜記錄條目是非空的，則表示已經(jīng)檢測(cè)到傾斜。在階段18，如果先于傾斜在100Hz以內(nèi)沒(méi)有傾斜的記錄，則確認(rèn)該條目是在記錄中。如果在100Hz內(nèi)有一個(gè)條目，則選擇產(chǎn)生最小電流的條目，刪除其它的條目。這被證實(shí)是有效的傾斜，并且增加傾斜記錄緩沖器。
如果在階段19沒(méi)有達(dá)到更高的頻率標(biāo)記，則在階段20系統(tǒng)增加F0，并在階段21經(jīng)過(guò)一延遲后，系統(tǒng)返回到階段13。當(dāng)在階段19達(dá)到更高的頻率標(biāo)記時(shí)，顯微掃描結(jié)束，并在階段22分析結(jié)果。
在這一點(diǎn)上，如果在階段23檢測(cè)到有三次傾斜，則得出結(jié)論，中間的頻率是最佳的。
如果不是，且在階段24僅檢測(cè)到兩次傾斜，則在階段25計(jì)算這兩個(gè)頻率的平均值。如果平均值高于中心頻率標(biāo)記，則得出結(jié)論，最佳頻率是檢測(cè)到的兩次傾斜中較低的那個(gè)。如果平均值低于中心頻率標(biāo)記，則得出結(jié)論，最佳頻率是檢測(cè)到的兩次傾斜中較高的那個(gè)。
如果在階段26檢測(cè)到僅有一次傾斜，則可以得出結(jié)論，這個(gè)就是最佳頻率。
如果沒(méi)有檢測(cè)到傾斜，則掃描一定已經(jīng)失敗了。
現(xiàn)在參考圖3，圖3示出了系統(tǒng)的跟蹤圖，從階段27開(kāi)始跟蹤，其中將VCO設(shè)定為如由上述的顯微掃描所選擇的最佳頻率。在階段28經(jīng)過(guò)如5ms的延遲以使負(fù)載達(dá)到穩(wěn)定后，系統(tǒng)在階段29進(jìn)入循環(huán)，該循環(huán)30一直持續(xù)到變量i變?yōu)榇笥诨虻扔谡{(diào)制陣列的長(zhǎng)度l為止，其中該變量i從零開(kāi)始，并在循環(huán)30的每個(gè)周期內(nèi)加1。
在循環(huán)30中，當(dāng)i＜l時(shí)，根據(jù)下面的等式設(shè)定VCO頻率F0＝Fc+Ma(i)等候大約1ms時(shí)間使硬件穩(wěn)定后，采樣負(fù)載電流，并與頻率(F0)一起將采樣值存儲(chǔ)在采樣緩沖器中。然后系統(tǒng)再循環(huán)到階段29，使i加1，并再次比較i和l。
當(dāng)i增加到≥l時(shí)，在階段31得出的結(jié)論就是，產(chǎn)生最小負(fù)載電流的頻率就是最佳的(從對(duì)采樣緩沖器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到)。然后將Fc設(shè)定為這個(gè)頻率。
在階段32，如果工作的腳踏開(kāi)關(guān)仍保持壓下?tīng)顟B(tài)，則系統(tǒng)再循環(huán)到階段29。如果不是，則結(jié)束跟蹤。
現(xiàn)在參考圖4，圖4示出了控制電路的各元件。
交流反饋電流輸入到第一級(jí)低通濾波器和衰減器40，然后輸入到精密整流器41和第二級(jí)低通濾波器42。然后得到的信號(hào)通過(guò)微控制器43的AN/IP1端傳到微控制器43。
微控制器43的第一組輸出端46發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)形成用于DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)47的數(shù)字輸入。DAC47的輸出電壓Vout形成連接到其上的VCO48的輸入電壓Vin。VCO48的輸出信號(hào)Fou與來(lái)自于微控制器43的第二輸出端49的頻率計(jì)數(shù)信號(hào)相組合，并且組合后的信號(hào)被傳到控制門51的第一輸入端50?？刂崎T51具有連接到微控制器43第三(EN)輸出端56的第二輸入端52、連接到放大器過(guò)熱溫度監(jiān)控器的第三輸入端53、和連接到工作的腳踏開(kāi)關(guān)的第四輸入端54。門51的輸出端55響應(yīng)提供的信號(hào)，并連接到D類放大器57，來(lái)自于門51的輸出信號(hào)變?yōu)橛糜诜糯笃?7的輸入信號(hào)Fin。通過(guò)HT穩(wěn)壓器58給放大器57供電。放大器57的輸出信號(hào)被傳到匹配網(wǎng)絡(luò)59，該匹配網(wǎng)絡(luò)59具有+ve和-ve負(fù)載輸出端60，并且還發(fā)出電流反饋(AC)61。
微控制器43具有用于顯示差錯(cuò)信息的LCD44，并優(yōu)選地具有蜂鳴器45，以在出現(xiàn)差錯(cuò)的情況下警告使用者。微控制器43經(jīng)由它的第四(UART)輸出端62連接到CMOS到RS332的轉(zhuǎn)換器63，63具有用于診斷信號(hào)的RS232端口64。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生超聲波信號(hào)的方法，該方法包括以下步驟在所產(chǎn)生信號(hào)的預(yù)定部分執(zhí)行對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)的第一次掃描；確定預(yù)定部分內(nèi)諧振模式的數(shù)量以及其頻率，并從所述的諧振模式中選擇處于中心頻率處的諧振模式或頻率與其最接近的諧振模式。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所選擇的諧振模式的每一側(cè)設(shè)定掃描界限。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述掃描界限覆蓋了基本上小于信號(hào)的所述預(yù)定部分的頻率范圍。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其中所述掃描界限覆蓋了小于所述預(yù)定部分的頻率范圍的十分之一的范圍。
5.如權(quán)利要求2到4中任一個(gè)所述的方法，其中每次激勵(lì)發(fā)生器，系統(tǒng)都在所述掃描界限內(nèi)執(zhí)行第二次掃描，以選擇在該界限內(nèi)的最佳頻率。
6.如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的方法，其中在系統(tǒng)的使用過(guò)程中在閉合界限范圍內(nèi)跟蹤所選擇的諧振模式。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中這種跟蹤說(shuō)明了由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的頻率漂移。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中這種跟蹤說(shuō)明了由于所提供負(fù)載的改變而產(chǎn)生的頻率漂移。
9.如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的方法，包括以下步驟響應(yīng)差錯(cuò)情況停止產(chǎn)生信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中差錯(cuò)情況包括所選擇諧振模式的頻率的不連續(xù)變化。
11.一種用于產(chǎn)生超聲波信號(hào)的系統(tǒng)，包括產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的裝置，以及適合于執(zhí)行如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的方法的控制電路裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括可操作地連接到所述產(chǎn)生裝置的用于所述超聲波振動(dòng)的波導(dǎo)管裝置。
13.如權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，包括警告裝置，以發(fā)出信號(hào)通知使用者在系統(tǒng)的操作中有差錯(cuò)。
14.如權(quán)利要求11到13中任一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中超聲波振動(dòng)是在扭轉(zhuǎn)模式中的振動(dòng)。
全文摘要
該系統(tǒng)控制提供給波導(dǎo)管的超聲波信號(hào)的頻率，使得頻率響應(yīng)波導(dǎo)管優(yōu)選的諧振模式，而不接近不希望的諧振模式。該系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)的預(yù)定部分的第一次掃描，確定這個(gè)部分內(nèi)波導(dǎo)管的諧振模式的數(shù)量，并從這些諧振模式中選擇處于中心頻率的諧振模式或最接近該頻率的諧振模式，來(lái)進(jìn)行工作。該系統(tǒng)也可以在所選擇的諧振模式的每一側(cè)設(shè)定界限，并在每次激勵(lì)發(fā)生器時(shí)在這些界限范圍內(nèi)執(zhí)行第二次掃描，以檢查所選擇的諧振模式是否發(fā)生了漂移。
文檔編號(hào)B06B1/02GK1617773SQ02827849
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月5日
發(fā)明者邁克爾·約翰·拉德利·揚(yáng), 斯蒂芬·邁克爾·拉德利·揚(yáng), 尼爾·克里斯托弗·皮爾斯 申請(qǐng)人:Sra發(fā)展公司