超声波发生器系统.pdf

该系统控制提供给波导管的超声波信号的频率，使得频率响应波导管优选的谐振模式，而不接近不希望的谐振模式。该系统通过执行对所产生信号的预定部分的第一次扫描，确定这个部分内波导管的谐振模式的数量，并从这些谐振模式中选择处于中心频率的谐振模式或最接近该频率的谐振模式，来进行工作。该系统也可以在所选择的谐振模式的每一侧设定界限，并在每次激励发生器时在这些界限范围内执行第二次扫描，以检查所选择的谐振模式是否发生了漂移。

1.  一种产生超声波信号的方法，该方法包括以下步骤：在所产生信号的预定部分执行对所产生信号的第一次扫描；确定预定部分内谐振模式的数量以及其频率，并从所述的谐振模式中选择处于中心频率处的谐振模式或频率与其最接近的谐振模式。

2.  如权利要求1所述的方法，进一步包括在所选择的谐振模式的每一侧设定扫描界限。

3.  如权利要求2所述的方法，其中所述扫描界限覆盖了基本上小于信号的所述预定部分的频率范围。

4.  如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述扫描界限覆盖了小于所述预定部分的频率范围的十分之一的范围。

5.  如权利要求2到4中任一个所述的方法，其中每次激励发生器，系统都在所述扫描界限内执行第二次扫描，以选择在该界限内的最佳频率。

6.  如前述权利要求中任一个所述的方法，其中在系统的使用过程中在闭合界限范围内跟踪所选择的谐振模式。

7.  如权利要求6所述的方法，其中这种跟踪说明了由于热效应而产生的频率漂移。

8.  如权利要求6所述的方法，其中这种跟踪说明了由于所提供负载的改变而产生的频率漂移。

9.  如前述权利要求中任一个所述的方法，包括以下步骤：响应差错情况停止产生信号。

10.  如权利要求9所述的方法，其中差错情况包括所选择谐振模式的频率的不连续变化。

11.  一种用于产生超声波信号的系统，包括产生超声波振动的装置，以及适合于执行如前述权利要求中任一个所述的方法的控制电路装置。

12.  如权利要求11所述的系统，进一步包括可操作地连接到所述产生装置的用于所述超声波振动的波导管装置。

13.  如权利要求11或权利要求12所述的系统，包括警告装置，以发出信号通知使用者在系统的操作中有差错。

14.  如权利要求11到13中任一个所述的系统，其中超声波振动是在扭转模式中的振动。

超声波发生器系统
技术领域
本发明涉及一种超声波发生器系统。更特别地，但并非专用地，本发明涉及一种发生器系统，该系统能够获得并维持提供给波导管的谐振扭转频率。
背景技术
扭转波导管具有很多固有频率，但这些固有频率中只有少数是有用的。共振条件中多数都处于挠曲型，这是不希望有的。
理想地，传统的驱动电路可以给细长的扭转振动波导管提供电力。但是，在希望利用唯一的扭转模式谐振方面是很困难的，因为这样就需要与用于传统电路的任意一种可选择的谐振模式间隔开至少1.0kHz的频率差，以满足需要。实际上，这种波导管在所希望有的模式的几百Hz内显示出可供选择的几种谐振模式。
公知的是，在欧洲专利申请No.1025806A中提供了一种超声波手术装置，在该装置中，电路存储了满足共振条件的频率，并在检测到非共振条件的时候恢复该信号到该共振条件。
这种设置很不灵活，并且很不适合于扭转振动模式。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种系统，该系统包括智能频率产生控制电路。
根据本发明的第一个方面，提供了一种产生超声波信号的方法，该方法包括以下步骤：在所产生信号的预定部分执行对所产生信号的第一次扫描；确定预定部分内谐振模式的数量以及其频率；并从所述的谐振模式中选择处于中心频率处的谐振模式或频率与其最接近的谐振模式。
优选地，该方法进一步包括在所选择的谐振模式的每一侧设定扫描界限。
有利地是，所述扫描界限覆盖了基本上小于信号的所述预定部分的频率范围，可选地是不到其十分之一。
每次激励发生器，系统都可以在所述扫描界限范围内执行第二次扫描，以选择在该范围内的最佳频率。
在系统的使用过程中，可以在闭合(close)界限内跟踪所选择的谐振模式。
这种跟踪说明了由于热效应或所提供负载的改变而产生的频率漂移。
该方法可以包括响应差错情况停止产生信号的步骤。
所述差错情况可以包括所选择谐振模式的频率的不连续变化。
根据本发明的第二个方面，提供了一种超声波发生器系统，包括产生超声波振动的装置，以及适合于执行如上面所述的方法的控制电路装置。
优选地，该系统包括可操作地连接到所述产生装置的用于所述超声波振动的波导管装置。
有利地是，该系统包括警告装置，以发出信号通知使用者在系统的操作中有差错。
可选择地，警告装置可以包括显示装置，如液晶显示装置。
可选择地或另外，警告装置可以包括音响警告装置。
优选地，所述超声波振动是在扭转模式中的振动。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的一个实施例，其中：
图1示意性地示出了体现本发明的控制结构的结构方框系统；
图2示意性地示出了该系统的流程图；
图3示意性地示出了用于该系统的跟踪图；和
图4是体现了本发明的系统的示意性结构方框图。
具体实施方式
该系统使用微处理器(未示出)，该微处理器具有各种接口A到D端口以监控电流波形，利用这些电流波形可以检测机械系统中任意的共振条件。波导管和由该系统驱动的紧密耦合换能器(transducer)组件都是完全可以再生产的，并且其每一个都在目标扭转模式谐振的任意一侧显示出200-400Hz内所不希望有的谐振模式。几乎在所有情况下，目标模式在各系统之间在100-200Hz内都是可再现的，并且在任意一侧通常都具有可拒收的模式。
为了设置系统，处理器扫描预设的频率范围，注明在目标频率附近的三个谐振模式的位置。
然后选择中心模式，或者如果只找到两种模式，则选择最接近目标频率的模式。然后系统在设定的目标频率的任意一侧设定扫描界限，以使得能够控制已选择的谐振模式。由这些扫描界限所限定的范围通常覆盖了比用来设置系统的扫描所限定的范围更小的频率范围。
在本实施例中，以短猝发(burst)的方式间歇使用波导管。通常利用脚踏开关操作发生器，但也可以使用其它的方法。
这样，在每次操作脚踏开关并从而激励发生器时，系统将执行第二次扫描，在由事先设定的扫描范围所确定出地范围内仅检查是否仅存在一谐振模式。稍微移动一下该频率，就将设定新的最佳频率。
然后系统进入跟踪阶段，该跟踪阶段将持续与压下脚踏开关的时间一样长的时间，或者一直持续下去直到发现出现不可挽回的差错。这样能够使系统注意到由于热效应或所提供的负载的改变而产生的频率漂移。
系统包括LCD(液晶显示器)，在该LCD上显示系统的状态和差错信息。例如，如果可以作为手术器械的听筒(handset)的波导管在启动时没有被正确地连接到系统，则显示信息“NO HANDSET(没有听筒)”。
在某些情况下，如果手术器械的听筒接触到骨骼而不是软组织，则它们可受到表面损伤，可能改变波导管的谐振模式。如果这种改变影响很大，则这种改变应该作为差错被第二次扫描或跟踪阶段检测到。在这种情况下，将暂停发生器，并在LCD上显示信息“REPLACEHANDSET(更换听筒)”。该系统还具有音响报警信号，如蜂鸣器，以对应这些LCD信息。
现在参考附图中的图1，其示出了控制结构，从阶段1开始，在阶段1，设置这些口、LCD和UART的连接。在LCD上显示一条信息以指示系统已准备好。为了诊断目的，通过UART发送系统已准备好的信息和硬件设置结果。如果检测到很严重的硬件故障，则阶段2终止整个程序，在LCD上显示差错信息，并通过UART发送诊断数据。
如果没有检测到严重的硬件故障，则阶段3启动扫描以在工作范围内检测每一次倾斜(dip)，测量它的幅度。如果找到满足最小幅度要求的倾斜，则阶段3的扫描返回成功。在阶段3扫描的整个持续时间内必须压下脚踏开关，阶段3的扫描设定了最佳工作频率周围的一范围。
在阶段3的扫描失败的情况下，警告阶段5进行动作以在LCD上显示差错信息，并发出蜂鸣声以警告使用者。
当在阶段4再一次压下脚踏开关时，显微扫描阶段6检查到在由阶段3的扫描确定的范围内仅有一次倾斜。在这种情况下，设定最佳频率，在该最佳频率处将开始跟踪(参看下面)。如果没有，则另一个警告阶段7在LCD上显示另一个差错信息，并发出蜂鸣声以警告使用者。
如果显微扫描阶段6指示成功，则接下来进行到跟踪阶段8，在阶段8紧随有最佳频率，同时使用换能器。当释放脚踏开关(以终止换能器的操作)或者如果检测到差错时跟踪阶段8终止。如在阶段9所确定的如果有差错，则系统返回到阶段4，并等候重新压下脚踏开关。如果没有差错，则在阶段10检查停机时间，并且如果停机时间比预定时间如两秒钟短，则系统返回到跟踪阶段8。如果停机时间比预定时间长，则暂停系统，等候重新压下脚踏开关。
现在参考图2，示出从阶段11开始扫描系统的流程图，其中较低频率的标记被设定为F_o。
在阶段12延迟了约5ms使硬件启动后，在阶段13利用微控制器ADC施加采样载荷电流，并且在采样缓冲器内存储它的值。
如果采样缓冲器没有存储满，则系统返回到阶段13。如果满了，则在阶段14，对除中心值Y(n-8)以外的采样值Y(n)到Y(n-16)取平均值。结果存储在平均值缓冲器15内。
如果平均值缓冲器15没有存储满，则系统再次返回到阶段13。但是，如果平均值缓冲器满了，则在阶段16，将Av(n-8)和Av(n-16)与Y(n-8)进行比较。如果两个平均值Av(n-8)和Av(n-16)都高于Y(n-8)，则得出结论：已经检测到倾斜。
然后，在阶段17，如果中心采样值Y(n-8)低于事先记录的值，则删除事先记录的值，并将Y(n-8)和它的频率记录在倾斜记录中。
如果当前的倾斜记录条目是非空的，则表示已经检测到倾斜。在阶段18，如果先于倾斜在100Hz以内没有倾斜的记录，则确认该条目是在记录中。如果在100Hz内有一个条目，则选择产生最小电流的条目，删除其它的条目。这被证实是有效的倾斜，并且增加倾斜记录缓冲器。
如果在阶段19没有达到更高的频率标记，则在阶段20系统增加F₀，并在阶段21经过一延迟后，系统返回到阶段13。当在阶段19达到更高的频率标记时，显微扫描结束，并在阶段22分析结果。
在这一点上，如果在阶段23检测到有三次倾斜，则得出结论，中间的频率是最佳的。
如果不是，且在阶段24仅检测到两次倾斜，则在阶段25计算这两个频率的平均值。如果平均值高于中心频率标记，则得出结论，最佳频率是检测到的两次倾斜中较低的那个。如果平均值低于中心频率标记，则得出结论，最佳频率是检测到的两次倾斜中较高的那个。
如果在阶段26检测到仅有一次倾斜，则可以得出结论，这个就是最佳频率。
如果没有检测到倾斜，则扫描一定已经失败了。
现在参考图3，图3示出了系统的跟踪图，从阶段27开始跟踪，其中将VCO设定为如由上述的显微扫描所选择的最佳频率。在阶段28经过如5ms的延迟以使负载达到稳定后，系统在阶段29进入循环，该循环30一直持续到变量i变为大于或等于调制阵列的长度l为止，其中该变量i从零开始，并在循环30的每个周期内加1。
在循环30中，当i＜l时，根据下面的等式设定VCO频率：
F₀＝F_c+M_a(i)
等候大约1ms时间使硬件稳定后，采样负载电流，并与频率(F₀)一起将采样值存储在采样缓冲器中。然后系统再循环到阶段29，使i加1，并再次比较i和l。
当i增加到≥l时，在阶段31得出的结论就是，产生最小负载电流的频率就是最佳的(从对采样缓冲器中的数据进行分析得到)。然后将F_c设定为这个频率。
在阶段32，如果工作的脚踏开关仍保持压下状态，则系统再循环到阶段29。如果不是，则结束跟踪。
现在参考图4，图4示出了控制电路的各元件。
交流反馈电流输入到第一级低通滤波器和衰减器40，然后输入到精密整流器41和第二级低通滤波器42。然后得到的信号通过微控制器43的AN/IP1端传到微控制器43。
微控制器43的第一组输出端46发出信号，该信号形成用于DAC(数模转换器)47的数字输入。DAC47的输出电压V_out形成连接到其上的VCO48的输入电压V_in。VCO48的输出信号F_ou与来自于微控制器43的第二输出端49的频率计数信号相组合，并且组合后的信号被传到控制门51的第一输入端50。控制门51具有连接到微控制器43第三(EN)输出端56的第二输入端52、连接到放大器过热温度监控器的第三输入端53、和连接到工作的脚踏开关的第四输入端54。门51的输出端55响应提供的信号，并连接到D类放大器57，来自于门51的输出信号变为用于放大器57的输入信号F_in。通过HT稳压器58给放大器57供电。放大器57的输出信号被传到匹配网络59，该匹配网络59具有+ve和-ve负载输出端60，并且还发出电流反馈(AC)61。
微控制器43具有用于显示差错信息的LCD44，并优选地具有蜂鸣器45，以在出现差错的情况下警告使用者。微控制器43经由它的第四(UART)输出端62连接到CMOS到RS332的转换器63，63具有用于诊断信号的RS232端口64。