外科手术器械设计 超声刀设计思路和原理 - 01

Struggle

换能器设计和控制是超声刀设计最重要的环节之一，内容也比较庞大，打算分几个章节慢慢的写，顺便在回顾一下之前的设计测试过程。比较喜欢挑战难度从高到低，本人硬件EE背景比较薄弱，所以我可以先从电路设计与仿真开始说起，如有大神发现错误请纠正。
 整个放大驱动和反馈电路，从功能出发分为以下几个方面：交流电整理和逆变（根据压点陶瓷和系统的谐振频率调整驱动电流的评率），但是实际使用的过程中，前端会根据夹持和力度和组织厚度（超声刀），阻抗会发生剧烈的抖动，所以需要对驱动电流进行整流；另外根据前端，协整频率也发发生变化，所以需要对协整评率进行检测和锁定，也就是锁相环电路。这是我设计电路前的基本思路。
[6]分享一个自动谐振频率跟踪电路的思路，该电路是由校企联合，有医疗器械公司参与共同研发的电路，试验验证为上市的超声刀平台，有很高的参考价值，但是个人观点，因为测试环境不涉及血管爆破压和大血管凝闭的情况 （更大的前端负载），试验结果显示质量因子已经在现有情况上出现饱和，所以全试验场景的效果还有待考核。而且众所周知，企业的核心科技都是用专利进行保护，如果用论文形式发出来，可能的原因可想而知。但是参考价值依然还是在的。
如果后面有需要会做一下换能器的仿真和电路控制的仿真。下面是基本的思路：

 
Figure.3 在谐振频率附件，PT压电陶瓷元器件可以用Butterworth-Van Dyke模型来表示（figure 2），Cp表示电极的电容，在此应用中，Cp远大于Cm，阻抗可以用下面公式来表示，进而求得谐振和反谐振频率，在谐振频率下，可以简化为Rm和Cp的并联电路，最大化电能和机械能的转化效率。

我们想要获得PT的寄生参数，但是有部分电流会流经Cp，所以需要Motional Bridge Sensing电路，通过获取Vmfb来得到Im动态电流。
 

为了尽可能使系统保持稳定，降低Z（外部阻抗）的影响，可以平衡R3C3 和 R2Cp，使得alpha（s）~ -R2。下面就是自动谐振频率跟踪电路，也是一个BFP oscillator电路。在稳定的闭环谐振电路中，必须满足Barkhausen criteria。

A是BPF的转化方程 （HBP（s）），beta是比较器comparator的放大增益。根据公式（4）元器件参数的配比，消除了Cp和Z的影响，所以Vmfb可以真实反映Im的值。

对于高质量因子Q的PT来说，Q~（谐振频率）/（half power BandWidth），Q = sqrt(Lm/Cm)/Rm ranging from (72-718), 所以对于55.4kHz模式下，谐振评率在任何阻抗变化下都在55.1~55.8kHz波动。（闭环反馈电路如图6）
 

对于BPF oscillator的闭环增益，根据Barkhausen criteria的稳定条件可知，|LG（s）|=1，所以分母趋近于零，可以达到足够的振幅去保证PT振动。所以比较器comparator必须满足如下条件进行选型。因为增益和角度差360的整数倍，所以可以避免跟踪到反谐振频率，就实现了谐振评率的跟踪。

 
下面是一块超声刀设计的知识点网图：

 

Reference:
[1] Li, J., Dong, X., Zhang, G., Guo, Z., Zhang, G. and Shi, C., 2021. An Enhanced Hemostatic Ultrasonic Scalpel Based on the Longitudinal-Torsional Vibration Mode. IEEE Access, 9, pp.10951-10961.
[2] Liu, X., Colli-Menchi, A. I., & Sánchez-Sinencio, E. (2017). Ultrasonic Electric Scalpels Based on a Sliding-Mode Controller With an Auxiliary PLL Frequency Discriminator. IEEE transactions on biomedical circuits and systems, 11(6), 1226-1235.
[3] Kim, J., Kim, K., Choe, S. H., & Choi, H. (2020). Development of an accurate resonant frequency controlled wire ultrasound surgical instrument. Sensors, 20(11), 3059.
[4] Kim, J., You, K., Choe, S. H., & Choi, H. (2020). Wireless ultrasound surgical system with enhanced power and amplitude performances. Sensors, 20(15), 4165.
[5] A PROJECT REPORT ON “MEASUREMENT OF PHASE ANGLE USING PLL”
power generation circuit:
[6] X. Liu, A. I. Colli-Menchi, J. Gilbert, D. A. Friedrichs, K. Malang and E. Sánchez-Sinencio, "An Automatic Resonance Tracking Scheme With Maximum Power Transfer for Piezoelectric Transducers," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 11, pp. 7136-7145, Nov. 2015, doi: 10.1109/TIE.2015.2436874.

来源：https://blog.csdn.net/weixin_43904073/article/details/121607749
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