一种用于白内障超声乳化仪中超声手柄的调谐方法

技术领域

本发明涉及一种用于超声手术设备的调谐系统，尤其涉及一种白内障超声乳化仪 中超声手柄的调谐系统。

背景技术

白内障超声乳化仪是利用超声乳化手柄尖端的振动来破碎浑浊的晶状体组织，使 其乳化。在谐振状态下，超声乳化手柄尖端的振动最强、输出效率最高，因此，超声 乳化手柄的谐振是超声乳化功能实现的重要条件。超声乳化手柄的谐振频率会随着温 度、负载条件等因素的变化而变化，跟踪谐振频率并保持超声乳化手柄的谐振是超声 功率稳定输出的前提。

谐振网络的等效阻抗Z由等效的电阻R与电抗X组成，其表达式如式(1)

Z＝R+jX    (1)

当电路谐振时的电抗部分X为零时，则其等效阻抗Z表现为纯电阻R，其两端电 压与流经网络的电流为同相位。传统的调谐方法利用该相频特性，通过锁相环等技术 保持电压与电流同相，达到调谐与频率跟踪的目的。采用上述方法进行调谐与频率跟 踪，虽然其原理很明确，但实现需通过取样、滤波、鉴相、积分、压控震荡等过程， 除结构较复杂外，偶发的干扰就可能产生失谐现象，因此抗干扰能力较弱，其跟踪范 围和捕捉范围都受到限制。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种用于白内障超声乳化仪中超声手柄的调谐方 法。本发明可以有效地跟踪超声手柄的谐振频率，实现简单可靠，而且易于滤除干扰 信号，大大提高了抗干扰能力，且频率跟踪范围大。

为了解决上述技术问题，本发明用于白内障超声乳化仪中超声手柄的调谐方法予 以实现的技术方案是：该调谐方法利用谐振网络的幅频特性对白内障超声乳化仪中的 超声手柄进行调谐，所述谐振网络由第一开关管、第二开关管、非门、输出变压器、 匹配电感和超声手柄组成，由一CPU输出频率信号对所述谐振网络进行扫频，并通过 一A/D转换器监测所述谐振网络两端的直流电源，以所述直流电源的电压最小值对应 的频率为所述CPU输出的初始谐振频率；在所述超声手柄工作时，以跟踪所述直流电 源的电压最小值实现跟踪超声手柄的谐振频率。

本发明调谐方法，其中，所述CPU输出频率信号对所述谐振网络进行扫频的过程 是：所述CPU输出某一频率的方波控制第一开关管，同时，所述CPU经过所述非门控 制第二开关管，使第一开关管和第二开关管交替导通，在所述输出变压器原边产生交 变电流，进而在所述输出变压器副边感应出交流电压V_L，所述交流电压V_L作为谐振网 络的输入电压，以驱动所述超声手柄，所述CPU以步进Δf不断提高输出频率，同时通 过所述A/D转换器检测所述直流电源与每一频率相对应的输出电压V，取最小电压对 应的频率作为初始谐振频率。

本发明调谐方法，其中，跟踪所述超声手柄的谐振频率的过程是：乳化操作开始， 所述CPU首先输出初始谐振频率，并检测所述谐振网络两端的电压；然后所述CPU 以步进Δf提高输出频率，并检测此时所述谐振网络两端的电压，与前一电压值比较， 若后者小，则所述CPU继续以相同的步进Δf提高输出频率；若后者大，则所述CPU 以相同的步进Δf降低输出频率；重复此操作，始终跟踪所述谐振网络两端的电压最小 值，使所述超乳手柄时刻处于谐振状态，从而保证功率稳定输出，直至乳化操作结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用直接监测直流电源输出电压的方法，可有效跟踪超声手柄的谐振频率， 实现简单可靠，且由于直流电压的变化频率远低于干扰信号频率，易于滤除干扰信号， 对于偶发的尖锋干扰，仅可能引起瞬间微小的波动，而不会影响整体的趋势，因而大 大提高了抗干扰能力，且频率跟踪范围大。

通常，在超声乳化仪的工作中，干扰主要来自数字电路的高频噪声和大功率开关 电源工作时产生的尖峰干扰。由于本发明中是以直流电源的输出作为反馈量，其变化 频率范围在100Hz左右，而数字电路经常存在的干扰一般在1MHz以上。两者频率范围 相差很大，很容易滤除干扰信号；对于尖峰干扰，如果正好赶上干扰来时采样，则可 能造成CPU错误的判断而使输出频率向错误的方向调节，这一错误将在下一次采样时 予以纠正，不会造成错误累积，不会影响超声手柄的正常工作。对于现有技术中利用 相频特性的锁相环等技术方案中，一个尖峰干扰造成的毛刺，将可能造成错误的判断， 例如，事实上电流超前于电压，干扰使鉴相器做出相反的判断，使锁相环的输出频率 向错误的方向调节，并且会持续向该方向调节，直至失调。图3示意出了虽然电流始 终超前电压，一旦出现一个尖峰毛刺，将会误判为电流滞后电压，并且电路无法自动 纠正，会一直延续错误，直至失调。此外，传统的锁相环方法由于压控震荡器有工作 范围，因而输出频率有范围限制，而利用本发明的调谐电路实现调谐其输出频率不受 此限制；另外，谐振网络的相频特性具有如图4-1所示的曲线形式，当频率越过F_D， 将会向反方向追踪，导致失谐。而本发明调谐电路所产生的幅频特性曲线在很大范围 符合追踪条件，如图4-2所示，因此跟踪范围大。

附图说明

图1.是本发明中调谐电路的原理图；

图2是图1中电源及谐振网络的等效电路图；

图3是现有技术利用相频特性的锁相环由于尖峰干扰而出现误判的示意图；

图4-1是现有技术相频特性曲线；

图4-2是本发明中调谐电路所产生的幅频特性曲线；

图5是利用本发明中调谐电路实现频率跟踪的主流程图。

图中：

1——第一开关管    2——第二开关管                3——直流电源

4——输出变压器    5——匹配电感                  6——超声手柄

7——A/D转换器     8——CPU                       9——非门

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明用于白内障超声乳化仪中超声手柄的调谐方法，该调谐方法 利用谐振网络的幅频特性对白内障超声乳化仪中的超声手柄进行调谐，所述谐振网络 由第一开关管1、第二开关管2、非门9、输出变压器4、匹配电感5和超声手柄6组 成，所述第一开关管1和所述第二开关管2均采用大功率VMOS管，要求导通电阻很小， 其导通电阻＜0.1Ω，如所述第一开关管1和所述第二开关管2均可采用型号为IRF540 的开关管，所述第一开关管1连接在所述非门9的输入端，所述第二开关管2连接在所 述非门9的输出端，所述CPU8与所述第一开关管1、所述非门9和所述A/D转换器7 连接；由一CPU8输出频率信号对所述谐振网络进行扫频，并通过一A/D转换器7监 测所述谐振网络两端的直流电源3，以所述直流电源3的电压最小值对应的频率为所 述CPU8输出的初始谐振频率；在所述超声手柄6工作时，以跟踪所述直流电源3的 电压最小值实现跟踪超声手柄6的谐振频率。所述CPU8输出频率信号对所述谐振网 络进行扫频的过程是：所述CPU8输出某一频率的方波控制第一开关管1，同时，所述 CPU8经过所述非门9控制第二开关管2，使第一开关管1和第二开关管2交替导通， 在所述输出变压器4原边产生交变电流，进而在所述输出变压器4副边感应出交流电 压V_L，所述交流电压V_L作为谐振网络的输入电压，以驱动所述超声手柄6，所述CPU8 以步进Δf不断提高输出频率，同时通过所述A/D转换器7检测所述直流电源3与每 一频率相对应的输出电压V，取最小电压对应的频率作为初始谐振频率。其中的直流 电源3存在一定内阻，非理想直流电源3输出的电压V经过所述A/D转换器7送入CPU8 中，所述CPU8通过分析比较，取最小电压所对应的频率作为输出频率。

本发明电路中的所述匹配电感5是用于抵消超声手柄6的容抗成分的，而如何依 超声手柄6的参数来确定该匹配电感5的参数属于本领域技术人员所熟知的常识，在 此不再赘述。

本发明调谐方法的工作原理是：图1中，所述匹配电感5与所述超声手柄6组成 一谐振电路，经变换可等效为图2中所示的电阻11和电抗12的串联形式，其总阻抗 为Z。而输出变压器4及其前端电路可等效为非理想交流电压源13。此时有：

$\left|V_L\right|=\frac{\left|Z\right|}{R_0^{\prime }+\left|Z\right|}\times \left|\mathrm{Vi}\right|---\left(2\right)$

式(2)中：

$\left|Z\right|=\sqrt{R^2+X^2}---\left(3\right)$

|V_L|为V_L的模；

|Vi|为等效交流电源输出电压Vi的模；

R₀′为等效交流电源的内阻。

式2中可推导出当|Z|最小时，|V_L|最小。根据式3可知，当电抗为零时，也 就是网络谐振时|Z|最小。从而推导出当网络谐振时，|V_L|最小。

根据输出变压器4的特性，其原边电压与副边电压是正相关的，而原边电压幅度 由直流电源3的输出电压V决定。因此V与|V_L|具有相同的变化规律。

根据以上推导可知，利用谐振网络的幅频特性，同样能够得到网络的谐振频率。 将包括输出变压器、匹配电感和超声手柄在内的部分统一视作谐振网络，则可直接利 用检测直流电压的最小值，得到谐振网络的谐振频率。

如图5所示，本发明调谐方法中实现跟踪所述超声手柄6的谐振频率的过程是：

乳化操作开始时，所述CPU8首先将扫频得到电压最小值对应的频率f₀作为超声 手柄的初始谐振激给出，并检测所述谐振网络两端的电压V，同时令Vs＝V；然后所述 CPU8以步进Δf提高输出频率，并检测此时所述谐振网络两端的输出电压V，与前一 电压值比较，若后者小，即：V≤Vs，则令Vs＝V，所述CPU8继续以相同的步进Δf提 高输出频率；若后者大，即：V＞Vs，也令Vs＝V，则所述CPU8以相同的步进Δf降低 输出频率；重复此操作，始终跟踪所述谐振网络两端的电压最小值，使所述超乳手柄 6时刻处于谐振状态，从而保证功率稳定输出，直至乳化操作结束。

本发明采用直接监测直流电源输出电压的方法，可有效跟踪超声手柄的谐振频率， 实现简单可靠，且由于直流电压的变化频率远低于干扰信号频率，易于滤除干扰信号， 对于偶发的尖锋干扰，仅可能引起瞬间微小的波动，而不会影响整体的趋势，因而大 大提高了抗干扰能力，且频率跟踪范围大。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方 式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员 在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属 于本发明的保护之内。