精确校准超声手术刀谐振频率的电路研究与设计

摘要

伴随着生物医学电子学的迅速兴起,手术刀已经从单纯的金属刀片发展为融合现代高科技的手术器具:电凝刀、氩气刀、高频电刀、超声手术刀等。
　　 所谓超声手术刀,是指采用超声能对软组织进行止血切开和凝固的一种外科手术装置,用来代替普通的手术刀来切除人体的病变组织或器官,以达到手术治疗的目的。超声手术刀适用于需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开的场合,因此被广泛地应用于外科手术。如今,超声外科手术刀及其衍生的手术器具几乎已进入外科手术的各个专科领域,并成为了外科技术进步的标志之一。
　　 但是,现有的超声手持治疗头因其加工中的选材、装配及工艺要求甚高,稍有误差就不能满足其谐振频率的设计要求而报废;已合格的超声手持治疗头在储存和使用过程中因时效老化、磨损等也易造成该超声手持治疗头偏离其谐振频率而失效或缩短使用时间。
　　 为了避免以上的不足,本文设计了一种精确校准超声手术刀谐振频率的电路装置,该电路通过电反馈自动扫频使超声手持治疗刀头总是工作在谐振状态。而且,对于不同频率段的超声手持治疗头,该电路也能自适应匹配使用。
　　 论文共分为六章。其中第一章为绪论;第二章介绍了超声电源总体解决方案;第三章介绍了系统硬件电路设计;第四章介绍了系统的主板系统电路软件设计与开发;第五章是上位机软件设计和数据分析;第六章是总结与展望。
　　 本文主要内容包括:
　　 1.介绍了超声手术刀的研究背景和其相关技术的国内外发展的状况,简要阐明了超声治疗的原理,超声手术刀的组成结构以及工作原理。
　　 2.设计并制作了基于STC单片机为微控制器的系统硬件电路平台。系统利用单片机控制DDS芯片产生可调频率的电压信号。比起一般的可编程计数器或是定时器电路,DDS芯片输出信号的频率切换变化反应快,精度高;系统以刀头电流信号的大小来检测电路是否到达谐振状态,电路结构简单,对超声刀正常工作影响小;系统通过控制数控工作电源调节电路输出级的工作电压,实现在一定范围内的超声刀电功率输出的任意调节。
　　 3.设计了系统硬件电路平台的控制软件以及上位机人机对话软件。电路平台的控制软件包括变步长谐振频率自动搜索、谐振频率跟踪、超声功率调整、数据上传等功能模块。上位机软件为VB交互界面软件,目的是通过PC机的串口来控制并实时反映超声手术刀的工作状态。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超声手术刀的介绍

1.2.1 超声手术刀的工作原理

1.2.2 超声手术刀的特点和相关应用

1.2.3 超声手术刀的组成

1.3 超声电源的发展历程

1.3.1 早期的功率发生器

1.3.2 集成化功率超声发生器

1.3.3 智能化功率超声电源

1.4 论文的主要内容

第2章 超声电源总体解决方案

2.1 系统控制核心

2.2 频率跟踪电路的选择

2.3 超声功率检测方法

2.4 本章小结

第3章 系统硬件电路设计与开发

3.1 硬件电路总体结构

3.2 超声信号产生电路

3.2.1 超声信号产生芯片的选择

3.2.2 AD9833简介

3.2.3 AD9833与MCU接口电路

3.3 超声信号驱动和功放电路

3.3.1 超声信号驱动电路

3.3.2 超声信号功放电路

3.4 超声信号频率跟踪电路

3.5 超声信号功率可控电路

3.5.1 超声信号功率检测电路

3.5.2 超声信号功率可控电路

3.6 存储电路

3.7 串口通信电路

3.8 电源电路

3.9 本章小结

第4章 主板系统电路软件设计与开发

4.1 控制软件总体设计

4.2 主板系统软件功能模块

4.2.1 系统初始化

4.2.2 超声刀头按指定频率工作

4.2.3 全程谐振频率搜索模块

4.2.4 自动跟踪治疗程序

4.2.5 上传数据给上位机程序

4.2.6 调整超声功率程序

4.2.7 记录相关数据

4.2.8 停机

4.3 本章小结

第5章 上位机软件设计与数据分析

5.1 上位机VB程序设计

5.2 MATLAB数据绘图

5.3 谐振频率分析

5.4 本章总结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢