基于數(shù)字信號處理的超聲手術(shù)刀電源控制電路設(shè)計與實現(xiàn)

葛 琴 續(xù)大偉 董昊堃

超聲手術(shù)刀采用超聲能量來切除和分離身體內(nèi)病變組織和器官，從而達到手術(shù)治療的效果。該設(shè)備通常由電源、振動系統(tǒng)以及其他的設(shè)備組成。由于超聲手術(shù)刀的工作頻率會隨著乳化組織的變化而發(fā)生改變，因此如果超聲手術(shù)刀不能一直在諧振頻率上工作，其內(nèi)部的發(fā)熱就會消耗大部分的能量，甚至因內(nèi)部過高的溫度而損壞手術(shù)刀[1]。超聲電源提供電壓來驅(qū)動超聲手術(shù)刀，故系統(tǒng)需要保持工作在諧振狀態(tài)，只有及時調(diào)整超聲電源的頻率，才能產(chǎn)生最好的效果。為此，本研究基于數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)的超聲手術(shù)刀的硬件控制系統(tǒng)，自主設(shè)計一款超聲手術(shù)刀電源控制系統(tǒng)，及時調(diào)整電源的頻率，使超聲手術(shù)刀在諧振狀態(tài)上工作，減少能量的消耗，維持手術(shù)刀的溫度。

1 超聲手術(shù)刀電源控制電路系統(tǒng)分析

超聲手術(shù)刀主要由超聲功率源和超聲振動系統(tǒng)兩個部分組成，工作頻率為20～30 kHz，超聲振動系統(tǒng)包含超聲換能器、變幅桿和治療頭3部分[2]。

1.1 超聲換能器的諧振頻率特性

超聲換能器采用壓電陶瓷制作，其工作頻率在20 kHz左右。為了更好的確定超聲刀的電路參數(shù)，需要研究超聲手術(shù)刀換能器在諧振頻率附近的工作特性。在諧振頻率的附近，壓電元件的電特性如圖1所示。

圖1 壓電元件等效電路圖

中心頻率可表示為公式1：

式中Z為壓電元件等效電路的中心頻率，R1為阻抗，L1為感抗，C0為并聯(lián)諧振的容抗C1為串聯(lián)諧振的容抗。

一般情況下，R1很小，假設(shè)逼近0，其計算為公式2：

1.2 頻率自動跟蹤的依據(jù)

超聲換能器自動跟蹤目前有兩種方案，即電流反饋方案和相位差反饋。電流反饋法進行頻率跟蹤，采用的是檢測諧振電流的方法，換能器電路可以具體等效成RLC串聯(lián)電路，如果檢測到電路當中的電流幅值處于最大值時，其電路系統(tǒng)在諧振狀態(tài)工作。因此，通過檢測電路當中電流的幅度能夠在一定頻率范圍內(nèi)判斷電路是否工作在諧振狀態(tài)。但是在很多的情況下，換能器當中的反饋電流諧波分量會干擾博興，檢測儀器很難僅僅通過檢測電路的電流的峰值來判斷電流大小，因此還需要結(jié)合電流的相位計算出電流的有效值，從而能夠更加準確的判斷出頻率的諧振點的位置[3]。設(shè)計的電源控制電路采用了串聯(lián)回路電流的有效值作為諧振點的主要判斷依據(jù)。

1.3 調(diào)整輸出功率的方法

在實際的醫(yī)療手術(shù)當中，超聲手術(shù)刀刀頭上的壓力大小經(jīng)常改變，其壓力的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率的改變。為了使超聲手術(shù)刀在穩(wěn)定可靠的環(huán)境下工作，就要求超聲手術(shù)刀的刀頭具有恒定的輸出功率。此外，還需要根據(jù)治療方案確定患者超聲輻射的計量，因此，就要求能夠調(diào)整手術(shù)刀的輸出功率[4]。采用數(shù)控半橋脈沖輸出調(diào)整電路來控制超聲電源輸出信號的占空比，從而實現(xiàn)調(diào)整功率的功能。

2 基于DSP的控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

超聲電刀電源系統(tǒng)的設(shè)計是以DSP作為核心的控制芯片設(shè)計，作為實現(xiàn)超聲手術(shù)刀電源控制的基礎(chǔ)，DSP需要充分發(fā)揮其具有的高速度的運算優(yōu)勢以及集成化的功能模塊，需要按照合理的設(shè)計方案設(shè)計硬件電路[5]。超聲電刀電源系統(tǒng)硬件電路主要包含：①電源電路模塊；②超聲信號發(fā)生電路；③DSP最小系統(tǒng)；④功放電路；⑤外圍接口電路。超聲電源系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 超聲電源系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

2.1 電源電路

供電的電源電路是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在本系統(tǒng)當中，采用了±5 V、±12 V和32 V的電壓，其中5 V的電壓用來給芯片和DSP的電源轉(zhuǎn)換芯片供電，±12 V電壓作為運算放大器的輸入電壓，32 V電壓是功放電路的工作電壓[6]。電源電路的核心是LM78/79XX系列固定輸出的三端穩(wěn)壓器件(美國國家半導(dǎo)體公司)，采用LM78/79XX系列三端穩(wěn)壓器件設(shè)計的穩(wěn)壓源，具有比較少的外圍電路結(jié)構(gòu)，僅需要2個外部電阻即可設(shè)定外部電壓[7]。電源電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)圖

穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓可表示為公式3：

電源電路系統(tǒng)當中外部電阻分別為：R1=254 Ω，R2=5.9 kΩ，根據(jù)公式(3)能夠計算得到公式4：

2.2 DSP最小系統(tǒng)

目前，世面上尚無一款處理器能夠適用在絕大數(shù)的電源管理系統(tǒng)的應(yīng)用上，因此需要綜合的考慮本系統(tǒng)的核心芯片[8]。要計算出采樣電路當中電流的相位和有效值之間的關(guān)系的數(shù)字/模擬接口，要能夠計算采樣電流有效值和相位差之間具體關(guān)系的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換口；要有一個定時器能夠很好的執(zhí)行控制程序。本系統(tǒng)設(shè)計的超聲手術(shù)刀工作頻率設(shè)定為20 GHz，對于芯片的工作速度提出了很高的要求。基于上述的考慮，本系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320F2812作為系統(tǒng)的核心芯片。TMS320F2812兼顧了外圍接口以及內(nèi)部運算處理兩方面的能力，采用了高性能的靜態(tài)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)元件技術(shù)，主頻能夠達到150 MHz，并且具有比較低的功耗[9]。片內(nèi)具有豐富的存儲器，有高達128 K×16的閃存和只讀存儲器，以及1 K×16的一次性可編程存儲器；片上外設(shè)也相當?shù)呢S富，主要有2×8通道12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)化器，2路的串行通信接口以及1路的串行外設(shè)接口[10]。

2.3 超聲信號產(chǎn)生電路

初始的設(shè)計方案僅采用了DSP來直接產(chǎn)生頻率為20 kHz的超聲信號，然后通過功率放大器給超聲手術(shù)刀提供具有相同頻率的機械振動，在提供信號的過程中需要用到鎖相結(jié)合以及掃頻的方法，掃頻過程當中的步進精度關(guān)系到頻率調(diào)整的精度，按照直接合成信號的方案，如果假設(shè)DSP事件管理器的時鐘頻率為75 MHz，那么定時器周期寄存器為75 M/20 K才能產(chǎn)生20 kHz的方波頻率[11-12]。如果需要減小方波的頻率，其周期值就需要增大，設(shè)最小的步長為1，即f=19.994 kHz，也就是調(diào)整頻率的步長至少為6 Hz，掃描步長則需要精確到1 Hz，如果直接采用DSP產(chǎn)生頻率信號將達不到這樣的精度需求，因此改為采用DSP控制DDS芯片產(chǎn)生方波信號[13-14]。

3 超聲手術(shù)刀電源控制電路測試分析

通過設(shè)計制作基于DSP的超聲電源控制系統(tǒng)，為了使電路的性能達到要求，需要對電路控制功能以及系統(tǒng)的工作性能進行測試，在測試的過程當中需要用到數(shù)字萬用表、60 MHz的示波器以及代碼調(diào)試器(code composer studio，CCS)平臺。對電路以10 Hz的步長從20 kHz掃頻到21 kHz，觀察電流和電壓的有效值等參數(shù)的變化趨勢[15]。如圖4所示。

圖4 超聲電源控制系統(tǒng)測試結(jié)果圖

圖中A顯示，在諧振頻率之前，電流的有效值緩慢的上升，在諧振點處處于最大值，然后迅速的減小到最低點，然后再緩慢的上升，在20.67 kHz處電流達到最大值，為686.7 mA，同時圖中B和C顯示，此時其電壓和電路的相位差接近為0，圖中D顯示為有功率最大為3.69 W。在諧振點處，每個參數(shù)的變化速度很快，如果采用單一的量來進行追蹤，在掃描步長過大的情況下會直接跳過諧振點，從而造成諧振點的缺失。反饋信號采用相位和電流有效值，頻率的自動跟蹤結(jié)合步長，能夠在縮短跟蹤時間的情況下提高掃描的精度[16]。

4 結(jié)語

本研究在理論分析的基礎(chǔ)上，以DSP為核心設(shè)計了一套超聲手術(shù)刀電源控制系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用中DSP的工作頻率以及系統(tǒng)對于準確度提出的要求，采用了DDS芯片作為超聲頻率信號的信號源，反饋信號采用電路當中電流的有效值和電壓電流相位差，頻率的自動跟蹤結(jié)合步長掃頻法。對系統(tǒng)的功能進行驗證后的結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計指標均能夠達到預(yù)期的功能，能夠使系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下工作。