高效超声去脂减肥机 本发明属于整形外科医疗美容设备，涉及一种超声去脂减肥机的改进。
超声波(简称超声)医用设备可以分为超声诊断和超声治疗两大类，后者使用的超声能量比前者大得多，所以称为功率超声。超声去脂减肥机就是功率超声应用的一种实例。其原理是用功率超声信号源驱动超声换能器，将电能转换成高速微小振幅振动的机械能，再由变幅杆聚能并将振幅放大，对脂肪组织产生“空化效应”，使之乳化、破碎以后将其抽吸或挤压排除体外，从而达到去脂减肥整形美容的目的。国外已有意大利、法国制造销售的超声去脂减肥机，我国已有进口产品，而我国的研制开发尚属空白。
国外的超声去脂减肥机存在下列缺陷：首先，其关键部件功率超声换能器的电声转换效率低，容易发热并且使用寿命短；其次，是换能器的供电电源效率低，损耗大，需要加风扇冷却并带来噪声；再者，控制系统中没有超声功率上限限制保护，安全性不够完善；另外，整机的操作使用比较复杂。
本发明的目的是针对已有技术的缺点，提供一种改进的高效超声去脂减肥机，具有效率高、工作稳定可靠、寿命长、使用简便的特点。
本发明提供的高效超声去脂减肥机，整机采用单片微型计算机控制电路(简称单片微机控制电路)，包括电气机箱、治疗平台、控制面板、脚踏开关各部件和配件组合安装成一台可移动小车、有一只改进的高效功率超声换能器，一根安装在换能器前端可更换的三级阶梯变幅和双曲面过渡的变幅杆，电气线路中除了换能器电源调压采用常见的脉宽调节式可控硅调压电路之外，本发明设计了高效开关功率放大电路(简称开关功率电路)，一个包括所说的脚踏开关、压控振荡器电路、相位检测电路，复合型匹配网络、及所说的单片微机控制电路组成的频率自动跟踪电路；一个由所说的可控硅调压电路、所说的开关功率电路和所说地单片微机控制电路组成的功率上限限制保护电路。
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明高效功率超声换能器结构示意图。
图2是安装在本发明换能器前端可更换的变幅杆示意图。
图3是本发明换有器与变幅杆的连结结构示意图。
图4是本发明高效超声去脂减肥机电气原理简图。
图5是本发明高效开关功率电路。
图6是本发明压控振荡器电路。
图7是本发明复合型匹配网络。
图8是本发明相位检测电路。
如附图所示本发明高效超声去脂减肥机的实施例，包括一只改进的高效功率超声换能器10，一根安装在换能器10前端可更换的变幅杆20，一个单片微机控制电路30，一只脚踏开关35，一个可控硅调压电路51，一个高效开关功率电路55；一个压控振荡器电路65，一个相位检测电路63，一个复合型匹配网络61；由以上所说的脚踏开关35、压控振荡器电路65、相位检测电路63、复合型匹配网络61及所说的单片微机控制电路30组成频率自动跟踪电路60；由以上所说的可控硅调压电路51、开关功率电路55和单片微机电路30组成功率上限限制保护电路50；包括电气线路机箱、治疗平台、控制面板的主机部件和配件组合安装成一台可以移动的小车(附图中未画出)。
如图1所示，本发明高效功率超声换能器10的结构是这样的，前盖板110的后段117较中段的直径小，其上紧顶所述中段与后段的交界面115套装绝缘环140，绝缘环140上套装二块压电陶瓷130，二块压电陶瓷之间有极片150，该极片150与连接座173的中心电极155相连；二块压电陶瓷130的前后端面互相平行并且与前盖板110的纵轴线垂直，其前端面紧贴前述的交界面115，后端面紧贴极片151，并且后盖板120将极片151、150和压电陶瓷130一起向交界面115压紧固定，极片151与联连接座173的外接线片157相连；前盖板110中段的前部有凸肩113，该凸肩113的前后端面各有一软垫圈146和145，前盖板110的中段和后段之外套装手柄套160，只有前段112露在手柄套之外，凸肩113及其后端面的软垫圈145嵌装在手柄套160的前端口内，再用固定盖180经凸肩前端面的软垫圈146在手柄套的前端口锁紧凸肩113，从而将前盖板110与手柄套160连接成一体；前盖板110的前端111与变幅杆20连接(变幅杆20在图1中未画出)；联接盖170经软垫圈175封装手柄套160的后端口，联接盖170之上有连接座173，连接座173上有中心电极155和外接线片157。
如图2所示的本发明变幅杆20采用三级阶梯变幅，变幅杆直径由大到小分别为D1、D2、D3，而D1与D2，D2与D3之间两处过渡部分A和B分别为双曲面，也就是说，该二曲面通过轴线剖面的交线为双曲线。为适用于不同要求，变幅杆有两种规格，可以更换使用。三级阶梯变幅可以得以最大的放大倍数，使变幅杆顶端有足够的振幅，双曲面过渡提高了抗疲劳强度。换能器的前盖板110和变幅杆20采用同一种钛合金材料制成，其声阻抗相同，容易实现阻抗匹配，减少传输中的能量损耗。
本发明功率超声换能器10与变幅杆20用螺纹连接(参见图3)。变幅杆20的后端有平底螺孔，换能器前盖板110的前端111为平顶螺柱，将该平顶螺柱拧入所说的平底螺孔中，并且保证前盖板前端111的端面112和后环面114与变幅杆上相应的两平面紧密贴合不留空隙。这种连接结构消除了存在空气隙引起反射而产生的损耗。
为本发明功率超声换能器设计了高效供电电源，即如图5所示的高效开关功率电路55。该电路中主要有两只三极管BG1、BG2两只功率管T1、T2和一只高频变压器B。其中三极管BG1的发射极接地，基极分别通过电阻1R3和二极管1D1接地，该基极还接电阻1R1后再通过电容1C1与信号源+V1相连；与三极管BG1相似，三极管BG2的发射极接地，基极分别通过电阻1R4和二极管1D2接地，同时该基极又与电阻1R2相接后再通过电容1C2与信号源-V1相连；三极管BG1的集电极经电阻1R5与电源+V2相连，又，该集电极与CMOS功率管T1的G端相连，该G端又通过电阻1R7接地；同样，三极管BG2的集电极经电阻1R6与+V2相连，该集电极又通过电容1C4与CMOS功率管T2的G端相连，所说功率管T2的G端又通过电阻1R8接地；两功率管T1和T2的S端均接地，功率管T1的D端与电容1C5相连，电容1C5再通过电阻1R9接地；功率管T2的D端接电容1C6，电容1C6再通过电阻1R10接地；功率管T1和T2的D端分别连接高频变压器B初级的两端，所说高频变压器B初级的中间抽头接Vadj，该高频变压器B的次级作为功率输出端+V3、-V3。
本发明高效超声去脂减肥机中的频率自动跟踪电路60由脚踏开关35、单片微机控制电路30、压控振荡器电路65，相位检测电路63，复合型匹配网络61组成(参见图4)。操作者开启减肥机超声功率时，自脚路开关35发出信号FO进入单片微机控制电路30，单片微机控制电路30输出频率控制信号Vf进入压控振荡电路65，压控振荡器65输出的信号Vs进入开关功率电路55，开关功率电路发出的信号Vp再经复合型匹配网络61输入到功率超声换能器10，转化为变幅杆20上的超声波能量作用到脂肪上；复合型匹配网络61工作时，同时发出表征负载回路电压信号V61及电流信号I61并将其反馈输入到相位检测电路63，相检电路63测出的相位差大小信号Vo及相位关系信号Vg再送入单片微机控制电路30，经过单片微机控制电路30的处理，调节输出频率控制信号Vf使整个回路时时处于谐振状态，从而完成频率自动跟踪过程。
位于开关功率电路55之前的压控振荡器电路65如图6所示，主要由压控振荡器件F1(例如可以用CD4046)和两级反相器F2、F3组成。来自单片微机控制电路30的频率控制信号Vf接到压控振荡器件F1的9脚，F1的5脚接地，6-7脚之间接电容2C1，11脚通过电阻2R1接地，12脚通过电阻2R2接地，4脚输出经两级反相器F2、F3输出两路极性相反的方波信号+V1、-V1，作为信号源输入到开关功率电路55的输入端。
参见图7，本发明复合型匹配网络61兼有调谐和匹配双重功能，其输入端+V3、-V3与开关功率电路中高频变压器B的输出端相连，其正极输入端+V3接电感圈L1后直接接以换能器10的正极输入端，负极输入端-V3经电阻4R1接换能器10的负端输入端，换能器10的负端输入端接地，同时电感线圈L2与电容4C1并联后接到换能器10的两输入端上，如此构成本发明复合型匹配网络。
参见图8，上述频率自动跟踪电路中的相位检测电路63主要由比较器U1、U2，D触发器U3，异或门U4，以及4只运算放大器U5-U8组成。相位检测电路63的输入端接受来自匹配网络61表征负载回路电压信号V61及电流信号I61，比较器U1和U2的负端接地，U1的正端通过电阻3R1与输入端V61相连，U2的正端通过电阻3R3与输入端I61相连，U1的输出通过电阻3R2与电源+V4相连，U2的输出通过电阻3R4与电源+V4相连，U2的输出通过电阻3R4与电源+V4相连，U1的输出连接到D触发器U3的clk端，U2的输出送进U3的D端，D触发器U3的输出Q作为表征电压信号V61和电流信号I61相位关系的信号Vg输入到单片微机控制电路30；比较器U1与U2的输出同时又送入异或门U4的输入端，U4的输出经电阻3R5和电容3C1接地，电阻3R5又与电阻3R6相连，电阻3R6经电容3C2接地，电阻3R6与电容3C2相连的一端与电阻3R7和3R8的一端相连，电阻3R8的另一端接运算放大器U5的正端，电阻3R7的另一端接运算放大器U5的负端，所说U5的负端与输出端之间接有反馈电阻3R9，运算放大器U6的正端接地，U5的输出端经电阻3R10与U6的负端相连，U6的负端经电阻3R11与U6的输出端相连，运算放大器U7的正端接地，U6的输出端经电阻3R12与U7的负端相连，U7的负端经电阻3R13与U7的输出端相连；U7的输出端接运算放大器U8的正端，U8的负端与输出端相连，U8的输出端将电压信号V61和电流信号I61的相位差信号Vo输入到单片微机控制电路30中。
本发明超声去脂减肥机中的功率上限限制保护电路50由可控硅调压电路51，开关功率电路55和单片微机控制电路30组成，请参见图4。其中的可控硅调压电路51为常见的脉宽调节式可控硅调压电路，开关功率电路55如图5所示，前面已经说明。由可控硅调压电路51输出的可控电压Vadj作为开关功率电路55的电源，用以控制其输出功率Vp的大小，单片微机控制电路30响应来自开关功率电路中表征输入功率的电压V55及电流I55，并输出控制信号Vc至可控硅调压电路51，以控制该调压电路51的输出电压Vadj的大小，当单片微机控制电路30根据反馈的电压信号V55和电流信号I55计算得出超声功率大于上限功率(例如45瓦)时，则发出控制信号Vc，调压电路51的输出电压Vadj随之降低，进而使开关功率电路55的输出功率降低，从而实现超声功率上限限制与保护功能。
本发明超声去脂减肥机工作时，压控振荡器电路65产生27kHz高频信号，经开关功率电路55功率放大后输出进入匹配网络61，再经调谐及阻抗变换后用来激励换能器10中的压电陶瓷130，将电能转换成机械能，最后经变幅杆20将微弱的机械振动放大成一定振幅的超声波作用于被治疗区域，使脂肪破碎雾化变成液体状后，挤压或抽吸排出体外，从而达到去脂减肥美容的目的。整个电路功能完善，频率自动跟踪电路60保证机器始终处于调谐工作状态，以确保高的电声转换效率；功率上限限制保护电路50调节控制输出功率，使最大输出电功率不超过允许值，以确保手术时的人身和设备安全。
本发明超声去脂减肥机的特点和技术进步可以归纳为如下几点：
(1)功率超声换能器及连接于前端的变幅杆，结构设计合理，保证高效率电一声能量转换和传递，长时间工作不发热，并且由于有频率自动跟踪电路和完善的复合型匹配网络的有效运行，保证换能器性能和运行稳定可靠；
(2)换能器供电电源采用开关功率电路，效率高，损耗小，不需要风扇或冷却水冷却；
(3)本发明功率上限限制保护电路，不仅保证输出功率的精确、稳定和可靠，提高了手术的安全性，而且可以防止变幅杆疲劳损坏，有效地提高了变幅杆和换能器的使用寿命；
(4)整机采用单片微机控制电路，提高了控制功能和性能水平，使操作使用简单方便，并且主机各部件和配件组合安装成一台可移动小车，结构紧凑体积小，灵活方便。
按本发明实施例制成的两台超声去脂减肥机，其中的压电陶瓷采用PZT8，它们的主要技术指标如下：
电源：220V，50Hz，150VA，
工作频率：27.0kHz±3％，
频率自动跟踪范围：Δf＝1.2kHz，
输出电功率：0-45W可调，
自动保护：输出电功率超过45W自动下调，
电声转换效率：
(1)输入电功率25W，输入超声功率17W，电声转换效率为68％；
(2)输入电功率33W，输出超声功率24W，电声转换效率约为72％。
本发明超声去脂减肥机完全符合超声破碎脂肪，去脂减肥美容的要求，效率高，手术快，时间短，不发热，可以连续工作。例如，一次手术破碎排除脂肪达1000-3000毫升，换能器连续工作二小时手柄无明显发热。
本发明高效超声换能器还可以用于超声吸引器，超声手术刀，白内障超声乳化仪等外科手术器械中。