超聲骨科手術(shù)儀的設(shè)計(jì)

1、92002 年第 2 期醫(yī)療設(shè)備信息超聲骨科手術(shù)儀的設(shè)計(jì)羅曉寧 , 周兆英 , 張毓笠 ,曹群( 清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系, 北京100084)摘要 儀器應(yīng)用于骨科臨床手術(shù)。采用嵌入式微機(jī)和c pl d 芯片作為控制核心,硬件結(jié)構(gòu)簡單 , 人機(jī)交互友好。 具有阻抗匹配和振幅檢測(cè)等多項(xiàng)功能, 電聲轉(zhuǎn)換效率高 , 發(fā)熱少 , 切割速度快。 關(guān)鍵詞 超聲 ; 嵌入式微機(jī) ;阻抗匹配 ; 振幅檢測(cè) 中圖分類號(hào) t h 781 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 a 文章編號(hào) 1007-7510(2002) 02- 0009- 02the design of ultrasonicskeletonsurgicalinstrum

2、entlu o xiao-ning ,zh ou zh an- ying,zhan g y u-li,cao q un(dept.of pr ecision in strum ents & m echanology,t singhu au niversit y, beijing100084, china)abstract:t h e inst rum ent is appliedto skeletonsurgery.em bedded m icrocom puterand cpldare used as it s controlkernel.t he hardw are st ruct

3、 ure is sim ple,and it s man -machinein teract ion is veryfr iendly.because it h as manyfu nct ions such as im pedan ce matching and amplit ude det ecting,t he system has hig h electroacoust ic transform ation efficiency,low heat and rapidcutting abilit y.key words:ultrason ic; embedd edm icrocom pu

4、t er; im pedance m atching;amp litu dedetect ing1引言超聲自 20世紀(jì) 30 年代用于醫(yī)療以來, 其研究開發(fā)一直相當(dāng)活躍。 超聲碎石機(jī)、 超聲潔牙機(jī)、超聲白內(nèi)障乳化儀以及超聲腫瘤吸引器等產(chǎn)品陸續(xù)問世, 為患者提供了更加先進(jìn)的治療手段。上世紀(jì) 80 年代后期 ,俄羅斯包曼工業(yè)大學(xué)致力開發(fā)基于磁致伸縮原理的超聲外科手術(shù)儀, 用于軟組織切割和鋸骨。但由于其電聲轉(zhuǎn)換效率低,發(fā)熱量大 ,一直未能得到推廣應(yīng)用。清華大學(xué)于1996 年承擔(dān)了國家九五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目超聲外科手術(shù)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)(96-905-02- 02)。經(jīng)過不斷攻關(guān)和改進(jìn), 在多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)

5、上取得了突破性進(jìn)展, 研制成功世界先進(jìn)的超聲骨科手術(shù)儀。本文主要介紹儀器主機(jī)部分的設(shè)計(jì), 對(duì)于超聲振動(dòng)體的原理和設(shè)計(jì)在其他文章中再詳細(xì)加以闡述和說明。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本原理為中央處理器單元( cpu ) 控制頻率發(fā)生器輸出超聲頻率信號(hào), 頻率信號(hào)經(jīng)功率放大后激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)工作。由于超聲振動(dòng)系統(tǒng)本身相當(dāng)復(fù)雜, 為便于理解和討論, 在諧振點(diǎn)附近將其簡化如圖1。 從圖 1可以看出系統(tǒng)不但有靜態(tài)電容c0,還有通過耦合元件產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)感生電容、動(dòng)態(tài)感生電阻和動(dòng)態(tài)感生電抗。 因此放大后的超聲頻率源信號(hào)必須經(jīng)過阻抗識(shí)別和匹配后才能送給振動(dòng)系統(tǒng), 不然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量利用不充分, 效率低下。此外為保證系統(tǒng)始終工作在

6、最佳諧振點(diǎn), 還采用了檢測(cè)振幅的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率自動(dòng)跟蹤。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2。以下分別討論其中的3 個(gè)主要環(huán)節(jié) : 控制核心、阻抗匹配和振幅檢測(cè)。2. 1控制核心系統(tǒng) 控制核心部分采用嵌入式微機(jī) ,cpu 為int el 的 80486。 采用嵌入式微機(jī)是因其容易實(shí)現(xiàn)良好 收稿日期 2001-11- 20 基金項(xiàng)目 國家 九五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目 ( 96- 905- 02- 02) 本文作者 羅曉寧博士生 。 周兆英 教授、 博士生導(dǎo)師 。張毓笠高級(jí)工程師 。 曹群博士生 。圖 1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)諧振點(diǎn)簡化示意圖研究論文102002 年第 2 期醫(yī)療設(shè)備信息采用振幅限制保護(hù)數(shù)百小時(shí)刀具壽命表 1刀具壽

7、命比較表未采用振幅限制保護(hù)幾分鐘至上百小時(shí)圖 3 電壓電流檢測(cè)電路( 下轉(zhuǎn)第 27 頁)研究論文圖 2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖的界面交互功能,擴(kuò)展簡便 ,整機(jī)體積小,穩(wěn)定可靠。觸摸屏與腳踏開關(guān)利用串口與微機(jī)通訊, 液晶屏直接接在顯示接口上?？梢钥闯鲲@示功能和人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)非常簡單, 設(shè)計(jì)者可以將主要精力放在外圍電路的設(shè)計(jì)上。此外 ,對(duì)外圍器件( 如灌注閥 ,繼電器等 ) 的一些控制功能是通過a ltera 公司的復(fù)雜可編程邏輯器件( cpld) epm 7128stc100 實(shí)現(xiàn)的。使用cpld 以后, 具有兩大好處( 1) 邏輯控制電路明顯簡化,只需很少的器件就可以完成復(fù)雜的控制功能;( 2)

8、無需更改外部硬件,只要對(duì) cpld 內(nèi)部重新進(jìn)行編程,就可以實(shí)現(xiàn)控制方式的改變。這無疑可以加快開發(fā)進(jìn)度, 也更能發(fā)揮設(shè)計(jì)者的才能。2. 2阻抗匹配阻抗匹配是超聲系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)過程中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載變化大,如果不進(jìn)行阻抗匹配 ,大部分功率都無功消耗,振動(dòng)體真正獲得的能量很少,系統(tǒng)效率極低。要進(jìn)行阻抗匹配,就要先測(cè)出實(shí)際負(fù)載阻抗的幅值和相位。這是通過對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的,原理如圖3 。電壓取樣信號(hào)幅值與電流取樣信號(hào)幅值送除法器得到阻抗幅值 , 經(jīng) a / d 采樣后送cpu 。與此同時(shí) ,電壓取樣信號(hào)與電流取樣信號(hào)分別整形后送給相位比較器, 比較結(jié)果經(jīng)a /d 采樣后也送給c

9、pu 。系統(tǒng)匹配電路如圖4 。一方面 ,cpu 根據(jù)檢測(cè)到的幅值和相位控制繼電器的動(dòng)作。如果負(fù)載阻偏大,則增加變壓器匝數(shù)比;如果負(fù)載阻偏小,則減小變壓器匝數(shù)比。另一方面,cpu 會(huì)根據(jù)相位相應(yīng)選擇匹配電感的大小,匹配原則是盡可能保持電壓電流同相位。采用這種精確匹配方式后,系統(tǒng)效率比普通匹配要提高30 % 40 % 。2. 3振幅檢測(cè)振動(dòng)幅值的檢測(cè)是通過振動(dòng)體尾部的壓電元件實(shí)現(xiàn)的。由于壓電效應(yīng), 諧振時(shí)壓電元件兩端會(huì)產(chǎn)生電荷, 形成電壓。電壓大小與振動(dòng)強(qiáng)弱成正比,通過檢測(cè)電壓值就能知道振動(dòng)幅值的大小。振幅檢測(cè)有3 個(gè)目的 :( 1)搜尋初始工作點(diǎn);( 2) 頻率自動(dòng)跟蹤;( 3) 限制刀具振幅。

10、系統(tǒng)一開始會(huì)在空載的情況下對(duì)諧振頻率進(jìn)行一次自動(dòng)掃描,然后根據(jù)檢測(cè)到的振幅最大值決定初始工作頻率。工作期間 ,系統(tǒng)會(huì)不斷微調(diào)工作頻率,依據(jù)振幅反饋值搜索最佳工作頻率,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。這種方法簡便易行 ,跟蹤精確 ,效果非常好。此外,為確保刀具工作在安全的振幅內(nèi),系統(tǒng)會(huì)預(yù)先設(shè)定安全振動(dòng)幅 值 ,限 制輸 出功 率的 大小。 采用 這種 措施 以后,刀具的工作壽命得到明顯提高,見表 1 。這主要是因?yàn)榈毒叩洱X造成應(yīng)力高度集中,如不限制振幅,空載或輕載時(shí)刀具振幅過大, 應(yīng)力超過了安全許可界限 ,在超高周疲勞情況下很快就達(dá)到疲勞極限,引起刀具斷裂。3結(jié)束語經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn),儀器穩(wěn)定可靠,手柄溫升低,刀具

11、振幅大, 切割速度快,能充分滿足臨床需求。本超聲骨科手術(shù)儀的研制成功,不但可以減輕患者手術(shù)痛圖 4 匹配電路272002 年第 2 期醫(yī)療設(shè)備信息圖 1選擇大焦點(diǎn) 、小功率時(shí) , 發(fā)生器 cpu 中設(shè)定的ma s 在kv 與 ms 坐標(biāo)系中近似拋物線函數(shù)關(guān)系圖( 中軸線 70kv )123周兆英 , 史文勇 . 現(xiàn)代超聲治療儀器技術(shù) a . 中國儀器儀 表學(xué)會(huì)醫(yī)療 儀器 分會(huì) 學(xué)術(shù) 年會(huì) 論文 集c ,1998.44- 46.袁易全 . 近代超聲原理與應(yīng)用m . 南京 : 南京大學(xué)出版社 ,1996.鮑建東 . 換能器的阻抗匹配設(shè)計(jì)j . 應(yīng)用聲學(xué) , 1994,15(3) : 37- 39.

12、!(上接第 10 頁)質(zhì)控與計(jì)量苦,同時(shí)也將醫(yī)師從沉重的手術(shù)過程中解脫出來,提高了我國的醫(yī)療技術(shù)水平。以后進(jìn)一步的研究方向是為儀器設(shè)計(jì)多種手術(shù)刀具, 以適于不同手術(shù)部位需要 ,擴(kuò)展儀器的臨床應(yīng)用領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) 后, 要增加或減少曝光條件才能使監(jiān)視器亮度達(dá)到符合顯示器轉(zhuǎn)換的滿意度, 而 ci 時(shí)透視千伏最高只能到 125kv , 對(duì)于厚體位和高密度區(qū)調(diào)節(jié)有限。對(duì)于 pi 成像手動(dòng)調(diào)節(jié)曝光條件, 灰霧度、對(duì)比度的調(diào)節(jié)也可影響曝光條件,要增加或減少曝光條件,才能捕獲滿意的圖像, 對(duì)于一定的體位可調(diào)整較恰當(dāng)?shù)幕异F度和對(duì)比度。圖像后處理包括動(dòng)態(tài)對(duì)比度調(diào)節(jié)、圖像清晰化、邊緣提取、 圖像尖銳化 , 這些后

13、處理除動(dòng)態(tài)對(duì)比度調(diào)節(jié)有一定作用外, 其它處理不理想。 由此可以看出 , 優(yōu)質(zhì)的影像與曝光千伏關(guān)系密切, 而圖像后處理能起的作用很小 , 這也是該設(shè)備ms 需改進(jìn)的地方。4. 2. 3連續(xù)脈沖曝光時(shí)的圖像質(zhì)量連續(xù)曝光設(shè)定, 要把握脈沖曝光頻率與ccd 掃描頻率的和諧步調(diào)一致, 即每秒捕捉圖像數(shù)要與曝光時(shí)間 ms 相匹配。掃描時(shí)間超前或落后于曝光時(shí)間的脈沖 , 或掃描與曝光時(shí)間脈沖分離, 則會(huì)有光柵狀圖像( 隔行掃描 ) 和半幀圖像 (逐行掃描 ) , 或者沒有圖像黑屏 , 因此要調(diào)節(jié)曝光ms 恰到好處 , 否則會(huì)有曝光時(shí)間不足或掃描時(shí)間過長而引起的拖尾現(xiàn)象和掃描與曝光分離現(xiàn)象。4. 3圖像的選取

14、曝光時(shí)間小于20ms, 所有圖像均是光柵或者是半幀,大于 20ms 小于 40ms 大多有光柵或半幀 ,大于 40ms 小于 60ms有少許是有光柵或半幀, 大于 60ms 偶爾也會(huì)有光柵或半幀。這就與掃描時(shí)間是否充足、 曝光時(shí)間是否與掃描時(shí)間同步有關(guān), 因此單幅捕捉大于60ms, 連續(xù)掃描不僅大于60ms, 還應(yīng)選一恰當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間, 使得曝光時(shí)間與掃描時(shí)間基本一致 , 選取圖像時(shí)應(yīng)在3、 5(滿屏有 3? 3、 5? 5 幀圖像) 格式中選取 , 因計(jì)算機(jī)輸出圖像處理, 在 2、 4( 滿屏有 2? 2、4 ? 4 幀圖像 ) 格式中主要以隔行掃描開始20ms 的信息為主 , 因此圖像大多看不出柵條影, 在3. 5 格式中主要以彌補(bǔ)隔行掃描20ms 的信息為主,因此隔行掃描不足會(huì)有柵條影, 應(yīng)刪除 , 而后再在2、 4格式中檢查。 而曝光條件kv 、 ma 過大和不足以及空曝光所致圖像不佳在所有格式中均可刪除。 參考文獻(xiàn) 1 趙慶軍 .x 線機(jī)技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì) j. 醫(yī)療設(shè)備信息 ,2000,15( 1): 60- 61。 2 余世柏 , 趙漢英 . 曝光能量值的算法探討j . 中華放射學(xué)雜志 ,1999, 33( 8): 565-567. 3 燕桂新 , 李志光 ,劉永波 , 等 . x 線影像增強(qiáng)電視系統(tǒng)點(diǎn)片