專利名稱：一種體內超聲碎石儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于微創治療泌尿系統結石的醫療儀器，特別涉及一種體內超聲碎 石儀。
背景技術：
對于一般的腎結石、輸尿管結石和膀胱結石，可以采用體外沖擊波碎石法進行 碎石，或采用醫用鈥激光、醫用釹激光、氣壓彈道碎石等方法碎石。體外沖擊波碎 石、超聲碎石只對約15%的易碎的小結石有效。醫用鈥激光、醫用釹激光以及氣壓 彈道碎石可以解決約80%結石病人的治療難題。這些治療方法借助膀胱鏡、輸尿管 軟鏡進行，激光光纖或設備的治療端通過尿道抵達結石部位，然后由激光能量或氣 壓彈道碎石能量，將結石擊碎。以上這幾種方法都無需開刀，對人體無損傷或損傷 極小，是絕大多數結石如腎結石、輸尿管結石和膀胱結石病人都愿意接受的治療方 法。缺點是上述治療方法對部分腎結石，尤其是頑固堅硬的腎下盞結石和膀胱結石 常常無能為力，而且治療時只能碎石，不能當場清石，留下結石復發和碎石堵塞尿 路的隱患。超聲波體內碎石是一種較好的微創治療結石的技術， 一般采用中空的碎 石探針，配合真空負壓吸引設備，在用超聲波將結石擊碎的同時，利用負壓將結石 吸出體外，實現碎石清石的治療目的，這種方法的好處是去石徹底，治療后一般兩 天就可以康復，并且不容易復發。目前生產這種超聲碎石設備的公司不多，主要有 德國的R-Wolf公司和瑞士的EMS公司，這兩家公司的碎石設備又都存在有不足之 處。
其中，Wolf的設備的結構大致如圖1所示，該體內超聲碎石換能器，包括不 銹鋼針管l、連接頭2、連接頭0型密封環3、彈性管4、變幅桿5、變幅桿O型密 封環6、壓電陶瓷片7、配重9、壓緊螺栓IO、外殼ll、套筒0型密封環12、氣管 接頭0型密封環16、氣管接頭17、壓緊螺栓0型密封環19、吸石導管20、絕緣套 管21、電極片22、錐體帽23、導線24、導線接口帽25、導線接口座26。由于外殼 與配重、變幅桿等之間只是簡單的O型環壓接，變幅桿也是性能一般的銅合金材質， 所以其機械品質因數較低，振幅放大倍數也較小，使超聲碎石能力顯著減弱；加上 沒有配備氣壓彈道和鈥激光、釹激光等碎石設備的接口，當遇到體積較大、質地較 硬的結石就顯得無能為力。EMS的設備雖然經過了幾代的改進，實現了超聲和氣壓彈道的結合，但其術中
操作不是很方便，負壓強度只能在負壓吸引設備上調節，術者無法隨心所欲的控制 吸力的大小，而且當探針不小心觸到軟組織的時候，不能及時卸壓，既會造成針管 堵塞、換能器發熱，又容易對身體組織造成傷害。
另一方面，超聲換能器的性能是決定超聲碎石儀碎石能力的關鍵因素，典型的
超聲換能器具有很高的品質因數(Q值)，具有陡峭的諧振曲線，只有工作在其諧振 頻率點才具有大的機械振幅和高的電機轉換效率。因此，超聲換能器的驅動電路應 以其諧振頻率信號進行激勵。
然而，實際換能器的諧振頻率往往是離散的和變化的。這是因為(1)換能器 在制造過程中壓電陶瓷材料、制造工藝的差異；(2)換能器所匹配的負載特性的變 化；(3)換能器在使用過程中自身參數隨時間、溫度等發生改變。所以，換能器的 驅動電路應具有自動跟蹤其諧振頻率變化并始終保持以即時諧振頻率信號進行驅動 的能力。
以往典型的自動頻率跟蹤方案采用鎖相環電路實現， 一般包括相位比較器(模 擬或數字)和壓控振蕩器(模擬)或數控振蕩器(數字)組成。該傳統方案已經從 早期的全模擬電路發展為模擬、數字混合電路，如今已經有了全數字化的實現方式。 參考文獻有專利權人為宣浩、專利公告號為CN2248118Y的鎖相式頻率跟蹤超聲 波拋光機；和專利權人為溫有奎、專利公告號為CN2160473Y的帶自動頻率跟蹤的 換能器。其中，專利CN2248118Y采用壓控振蕩器產生換能器的激勵信號，并對換 能器的電流反饋信號進行采樣，與壓控振蕩器產生激勵信號作相位比較，檢測出兩 者的相位差，然后，通過控制電路反饋到壓控振蕩器以實現頻率跟蹤的目的。
該方案有四個顯著缺點 一是壓控振蕩器的壓頻曲線不是完全呈線性變化的， 而正弦信號的頻率則完全按線性關系計算的，這就導致壓控振蕩器輸出正弦信號頻 率與換能器的諧振頻率存在誤差；二是它的相位比較器采用的是異或門，這種相位 比較器對兩個輸入信號的占空比要求比較高，必須保證作為相位比較的電流反饋信 號和壓控振蕩器激勵信號的占空比嚴格相等才可實現精確的頻率跟蹤，而這通常很 難做到；三是由于鎖相環是模擬量控制的，不利于對相位差信號進行數字化處理以 利于自動頻率跟蹤；四是當換能器個體差異比較大時，很難用同一電參數的鎖相環 實現個體差異較大的不同換能器的自動頻率跟蹤，這非常不利于大規模工業化生產。
另外，以往對DDS (直接數字合成器，Dirrect Digital Synthesizer)的控制主要
通過單片機串口實現，由于單片機串口速率比較低，用它控制DDS做自動頻率跟蹤 存在通信瓶頸，效果很差。

發明內容
本發明的目的在于為克服單手同時操作調壓針閥和排氣闊的困難，已有的體 內超聲碎石換能器的超聲碎石機碎石能力差，對不同大小的結石吸引擊碎不容易操 作，以及由于吸到軟組織造成的針管堵塞的問題，同時，為解決用采用鎖相環電路 實現自動頻率跟蹤方案中存在的頻率跟蹤的精度不高造成的換能器無法充分釋放功
率和相位比較器對兩個輸入信號的占空比要求比較高的問題，從而提供一種體內超 聲碎石儀。
為實現上述目的，本發明提供的一種體內超聲碎石儀，包括超聲換能器和超聲 換能器的自動頻率跟蹤系統，其特征在于，
所述的換能器，包括不銹鋼針管l、連接頭2、連接頭0型密封環3、彈性管
4、變幅桿5、變幅桿0型密封環6、壓電陶瓷片7、配重9、壓緊螺栓IO、外殼ll、 氣管接頭0型密封環16、氣管接頭17、壓緊螺栓0型密封環19、吸石導管20、絕 緣套管21、電極片22、錐體帽23、導線24、導線接口帽25、導線接口座26;其特 征在于，所述外殼ll上部的導線接口座26及其上的導線接口帽25，設于偏離軸線 的位置處；所述外殼11內位于壓緊螺栓10的上方還包括有轉接器18，該轉換器18 為四通結構，其軸向的中心通孔的前端連通吸石導管20，該中心通孔的后端固定連 接在外殼ll的頂端；所述轉換器18對應于導線接口座26及其上的導線接口帽25、 在偏離軸線的位置處沿軸向設有周邊通孔，其上端連通導線接口座26，用于容納導 線；所述轉換器18偏離周邊通孔沿徑向開設有兩個徑向通孔，分別用于連通調壓排 氣閥13和氣管接頭17，氣管接頭17和轉換器18的連接處壓有氣管接頭O型密封 環16;
所述的超聲換能器的自動頻率跟蹤系統，以直接數字頻率合成器作為信號源，
采用掃頻一跟蹤策略，實現全數字化的自動頻率跟蹤，包括
一直接數字合成器，用于產生頻率可調的正弦波信號，并經功率放大器放大后， 以匹配網絡驅動超聲換能器；
一取樣回路，用于從超聲換能器的功率輸出端取得超聲換能器的一組電壓和電 流反饋信號，該組信號分別經濾波整形電路送到相位比較電路、經幅度調整電路送 到主控單片機；
一主控單片機，主控單片機根據預定的換能器本身的工作頻率范圍控制DDS控 制器的觸發信號和頻率字，并對DDS控制器發出連續頻率掃描指令，使DDS控制器輸出頻率連續變化的正弦波；同時，所述主控單片機還實時監視換能器的取樣電 流反饋信號的幅值，當電流反饋信號的幅值大于換能器諧振時的電流幅值的一半時， 表明主控制器的頻率字基本上在換能器的諧振頻率點附近時，主控制器就會讓DDS 控制器停止掃頻，發出自動跟蹤指令；換能器不在諧振點工作時，沒有電流信號， 電流幅值為零，只有換能器工作在諧振點附近才有電流反饋信號，電流幅值不為零， 工作頻率距離諧振點越近，電流幅值越大；
一相位比較電路，用于對經濾波整形電路處理后的電壓和電流反饋信號進行相 位比較，并把相差信號輸入給相差累積電路以產生DDS芯片的頻率字，由DDS控 制器把該頻率字傳給DDS芯片以自動改變其輸出信號的頻率，從而，使得超聲換能 器始終工作在諧振點附近，實現自動頻率跟蹤。
作為本發明的一種改進，所述中心通孔的后端可以連接相應的氣壓彈道或激光 碎石裝置；或螺紋連接有后蓋15，并在后端和后蓋之間壓有密封墊14。
作為本發明的另一種改進，所述調壓排氣閥13包括同軸設置的針閥閥體、針閥 閥芯、排氣閥桿、排氣閥帽、壓縮彈簧和O型橡膠圈；所述針閥閥體呈圓管狀，其 外表面設有用于與外界的氣體管路上的三通管連接的螺紋；該針閥閥體的下端套設 有O型橡膠圈，通過壓緊該O型橡膠圈保證針閥閥體和三通管之間的密封；所述針 閥閥芯大致呈T形，由上至下套設于所述針閥閥體內；所述針閥閥芯上部的外表面 和所述針閥閥體的上部內表面螺紋連接，所述針閩闊芯下部的外表面和所述針閥閥 體的下部內表面之間留有間隙，所述針閥闊芯和所述針閥閥體下端口配合處為圓錐 面；所述針閥閥芯是中空的，針閥閥芯下部的內表面設有凸緣，用于和排氣閥桿滑 動配合；所述針閥閥芯下部還開設有兩個徑向孔，該兩個徑向孔分別位于凸緣的上 側和下側；所述排氣閥桿呈倒T形，由下至上套設于所述針閥閥芯內，在針閥閥芯 和排氣閥桿上部之間的間隙處套設有壓縮彈簧，該壓縮彈簧的下端抵于凸緣所形成 的階梯孔上；該排氣閥桿下端的凸緣和針閥閥芯的下端接觸的限位端面間設有O型 橡膠圈；所述排氣閥帽通過螺紋連接在排氣閥桿的頂端，該排氣閥帽的下端面的中 心部位開設有用于套置壓縮彈簧的圓形凹槽，且該排氣閥帽的下端面徑向設有凹槽 與圓形凹槽連通。
作為本發明的另一種改進，所述針閥閥芯的上端部的縱切面呈H形，其上端面 用作排氣閥帽的臺階限位。所述排氣閥帽的下端面徑向的凹槽呈十字形。
作為本發明的另一種改進，所述配重9的直徑比壓電陶瓷片的直徑大l~3mm。
9所述不銹鋼針管1的長度為380~440mm。
作為本發明的另一種改進，所述的壓電陶瓷片7可以是兩片或兩片以上，每相 鄰兩片壓電陶瓷片之間夾有電極片22。
作為本發明的另一種改進，所述外殼11和配重9之間還套設有套筒8，該套筒 為聚四氟乙烯樹脂材料，其兩端連接有O型密封環。
作為本發明的另一種改進，所述變幅桿采用鈦合金材料；所述變幅桿的外型為 指數型曲線，y=axebx (0^^20)。
作為本發明的又一種改進，所述的直接數字合成器可以是獨立的集成芯片；也 可以把DDS的數字部分集成于現場可編程邏輯器件FPGA內然后外加數模轉換器實 現。其中，DDS控制器的目的主要是可以很高的通信速率改變DDS輸出的信號頻率， 以往對DDS (直接數字合成器，Dirrect Digital Synthesizer)的控制主要通過單片機 串口實現，由于單片機串口速率比較低，用它控制DDS做自動頻率跟蹤存在通信瓶 頸，效果很差。
作為本發明的又一種改進，所述的相位比較器，利用觸發器對上升沿信號的敏 感特性給出I_ph和V_ph兩個輸入信號的上升沿信號到來的時間差，并由Dirrect引 腳給出I_ph和V_ph兩個輸入信號的上升沿到來的先后順序，如圖5所示。
作為本發明的又一種改進，所述的DDS控制器的輸入信號為l位觸發啟動信號， 32位的頻率字信號，和16位的控制字信號，串口通信的內容主要是分三次發送，第 一個16位發送DDS的控制字，第二個16位和第三個16位發送DDS的頻率字，把 48位頻率字載入DDS以自動改變其輸出頻率；所述的DDS控制器的輸出信號采高 速的三線式串口通信，其串口由數據線、時鐘線和同步線組成，空閑時，數據線、 同步線、時鐘線均為高電平；通信時，同步線置低電平，有效數據與時鐘線的時鐘 下降沿對齊，發送16位數據后同步線、數據線和時鐘線都置高電平。
所述的串口通信的啟動方式為下降沿觸發但不可重觸發，當系統空閑時，DDS 控制器的觸發輸入端每遇到脈沖的下降沿就啟動串口通信，直到串口通信完成后系 統空閑時，再遇到脈沖下降沿才會再次重新啟動串口通信，而在串口通信期間遇到 脈沖下降沿時不會重新啟動串口通信。
所述的相位比較器輸出的相差信號，用于控制DDS控制器的觸發啟動信號，所 述的相位比較器的誤差積分器(即圖3所示的相差累積模塊)用于輸出控制DDS控
10制器的頻率字信號。
本發明提供的超聲換能器，由于采用了高性能的壓電陶瓷材料，合理的裝配工藝， 有效的降低了換能器的阻抗，使換能器的發熱量顯著降低，內部采用金屬的吸石導 管，可以更多的帶走壓電陶瓷產生的熱量，保證使用過程中換能器頻率阻抗等參數 的一致性。其中，
本發明的變幅桿采用鈦合金材料，其對超聲的傳導和對振幅的放大作用，遠高于 如銅合金等其他金屬材料。本發明中的變幅桿是使用精密數控機床加工的指數曲線 外形的變幅桿，這種外形的變幅桿既有很好的抗機械疲勞性能，又能有效的提高了 振幅的放大倍數。
本發明在外殼和由配重、陶瓷、變幅桿組成的芯體之間，加了聚四氟材料的套筒， 套筒兩端壓有O型環，這種結構可以有效減少超聲向外殼的傳導，并可以顯著降低內 部震動伴隨產生的低頻震動。其余芯體與外科及連接部分的觸部位也都采用硅橡膠 材質的O型環，使整個換能器具有較高的機械品質因數，可以有效地擊碎較硬的結石。
同時，該換能器也配備了彈道碎石接口，對超大超硬結石可以使用超聲和彈道相 結合的方式治療，并且該接口也適用于鈥激光和釹激光等激光碎石設備。
另外，本發明的另一個創新點是換能器手柄后端安裝了調壓排氣閥，解決術中 吸附壓力的調節和容易吸到軟組織堵塞針管、傷害人體器官的問題，使碎石手術操 作更為方便容易，也更加安全可靠。
本發明提供的超聲換能器自動頻率跟蹤系統，采用DDS和大規模可編程器件， 其特征是超聲換能器的激勵信號由直接數字合成器產生；直接數字合成器可以是獨 立的集成芯片，也可以把DDS的數字部分集成與現場可編程邏輯器件FPGA內然后 外加數模轉換器實現。以大規模可編程器件設計專用相位比較器，該相位比較器只 對信號的前沿敏感，而與信號的占空比無關，當給相位比較器輸入兩個頻率相同但 前沿有延時的信號后，該相位比較器會產生輸出信號指示相應的相位差及其方向。
本發明采用先搜索后跟蹤的自動頻率跟蹤的策略，先掃描搜索而后自動跟蹤。 在換能器每次啟動激勵之前，主控制器通過DDS控制器指令DDS在預定范圍內進 行掃頻，同時實時監視換能器電流反饋的幅值，搜索諧振點。在搜索到諧振點附近 時，停止頻率搜索并轉入自動跟蹤狀態，這時由DDS控制器根據相位比較器的輸出 結果自動調整DDS輸出信號的頻率以實現自動動態跟蹤。
和現有技術相比，本發明的用于驅動超聲換能器的新穎的全數字化自動頻率跟蹤方法及其系統有如下特點
1. 采用DDS和大規模可編程器件的自動頻率跟蹤系統設計。
(1) 本發明中換能器的激勵信號由直接數字合成器產生，不同于以往設計中采用
傳統的鎖相環和壓控振蕩器的方案；本發明中直接數字合成器(DDS)可以是獨立 的芯片，也可以把DDS的數字部分集成在現場可編程邏輯器件FPGA內，然后外加 數模轉換器構成功能上的直接數字合成器(DDS)。這種實現方式可以參考圖4。
(2) 以大規模可編程器件設計專用相位比較器，并對相位差信號作數字化處理。 相位比較器特征在于只對信號的前沿敏感，而與信號的占空比無關，當給相位比較 器輸入兩個頻率相同但前沿有延時的信號后，該相位比較器會產生輸出信號指示相 應的相位差及其方向。
(3) 以大規模可編程器件設計專用高速DDS控制器，該控制器隨時根據相位比 較器的輸出結果控制DDS的輸出頻率從而實現換能器諧振點的實時自動跟蹤。
2. 先搜索后跟蹤的自動頻率跟蹤系統設計。
由于制造工藝的差異和各種內、外部因素的影響，換能器的起始諧振點具有一 定的離散性。為了保證啟動過程中的可靠、快速跟蹤，本系統設計采用先掃描搜索 而后自動跟蹤的策略。
(1) 在換能器每次啟動激勵之前，主控制器通過DDS控制器指令DDS在預定范 圍內進行掃頻，同時實時監視換能器電流反饋的幅值，搜索諧振點；
(2) 在搜索到諧振點附近時，停止頻率搜索并轉入自動跟蹤狀態，這時由DDS 控制器根據相位比較器的輸出結果自動調整DDS輸出信號的頻率從而實現自動動態
足艮E宗。
本發明優點在于
本發明提供的超聲換能器，由于采用了高性能的壓電陶瓷材料，合理的裝配工 藝，有效的降低了換能器的阻抗，使換能器的發熱量顯著降低，內部采用金屬的吸 石導管，可以更多的帶走壓電陶瓷產生的熱量，保證使用過程中換能器頻率阻抗等 參數的一致性。同時，采用精密數控機床加工的指數曲線外形的變幅桿，有效的提 高了振幅的放大倍數，節點及接觸部位的連接都采用硅橡膠材質的O型環，使整個 換能器具有較高的機械品質因數，可以有效地擊碎較硬的結石。
同時，該換能器也配備了彈道碎石接口，對超大超硬結石可以使用超聲和彈道 相結合的方式治療，并且該接口也適用于鈥激光和釹激光等激光碎石設備。另外， 換能器手柄后端安裝了調壓排氣閥，解決了吸附不同大小的結石和容易吸到軟組織 堵塞針管的問題，使碎石手術操作更為方便容易，也更加安全可靠。
12本發明提供的超聲換能器自動頻率跟蹤系統，以直接數字頻率合成器作為信號 源，取代了通常模擬壓控振蕩器，實現了數字控制。采用大規模可編程器件設計實 現的專門相位比較器和DDS控制器，高度集成化，工作速度快，穩定可靠。系統控 制精度高、跟蹤速度快，在DDS的分辨率和所采用的可編程器件的動態特性一定的 情況下，可以通過編程調整改變系統的頻率分辨率和控制精度。跟蹤反應速度取決 于系統工作時鐘，其上限取決于DDS和可編程器件的最高工作速度(時鐘)。同時, 由于采用了掃頻一跟蹤策略，可適應換能器及其負載等條件差異較大的情況，且一 旦發現跟蹤失誤時可自動恢復，使整個系統適應性好、跟蹤可靠。
總之，本發明的全數字化的自動頻率跟蹤解決方案，其輸出頻率與頻率字嚴格 呈線性變化關系，跟蹤精度完全可根據實際需要設定，并設計了專用的高速DDS控 制器和全新的相位比較器。以往對DDS的控制主要通過單片機串口實現，由于單片 機串口速率比較低，用它控制DDS做自動頻率跟蹤存在通信瓶頸，效果很差，而我 們設計的高速DDS控制器的串口通信速率最高可達40M，完全徹底地解決了通信瓶 頸問題，足以滿足自動頻率跟蹤的要求。另外，我們設計的全新相位比較器只對兩 個輸入信號的上升沿敏感而與占空比無關。此外我們還對相位比較器輸出的相位差 信號做了數字化處理，這就從根本上大大提高了頻率跟蹤的精度，從而使換能器的 電機轉換效率大大提高。另外通過先搜索后跟蹤的處理策略使得個體差異較大的不 同換能器可以用同一電參數的控制電路實現自動頻率跟蹤，這非常有利于大規模工 業化生產。


圖l是現有技術中R-Wolf公司的體內超聲碎石換能器結構示意圖2是本發明的超聲換能器結構示意圖3是圖2沿B—B線的換能器電纜引線部分的剖示圖4是圖2沿A—A線的換能器徑向通孔的剖示圖5是本發明的調壓排氣閥的結構剖示圖6是本發明的調壓排氣閥的結構的立體分解圖7a d本發明的調壓排氣閥的針閥閥芯的結構示意圖8a d本發明的調壓排氣閥的排氣閥帽的結構示意圖9是本發明的基于CPLD器件的解決方案；
圖IO是本發明的DDS控制器流程圖；圖ll是本發明的相差累積模塊示意圖； 圖12是本發明的基于FPGA器件的解決方案; 圖13是本發明的相位比較器的邏輯圖。 附圖標識
1、不銹鋼針管2、連接頭3、連接頭O型環
4、彈性管5、變幅桿6、變幅桿O型環
7、壓電陶瓷片8、套筒9、配重
10、壓緊螺栓11、外殼12、套筒O型環
13、調壓排氣閥14、密封墊15、后蓋
16、氣管接頭O型環17、氣管接頭18、轉接器
19、壓緊螺栓O型環20、吸石導管21、絕緣套管
22、電極片23、錐體帽
24、導線25、導線接口帽26、導線接口座
131、針閥閥芯132、針閥閥體133、三通管接頭
134、排氣閥帽135、壓縮彈簧136、排氣閥桿
137、排氣閥體138、密封0型圈
具體實施例方式
本發明的超聲換能器，如圖2 4所示，由不銹鋼針管l、連接頭2、連接頭O 型環3、彈性管4、變幅桿5、變幅桿0型環6、壓電陶瓷片7、套筒8、配重9、壓 緊螺栓IO、外殼ll、套筒0型環12、調壓排氣閥13、密封墊14、后蓋15、氣管接 頭0型環16、氣管接頭17、轉接器18、壓緊螺栓0型環19、吸石導管20、絕緣套 管21、電極片22、錐體帽23、導線24、導線接口帽25、導線接口座26構成。
其中，所述的不銹鋼針管l為中空的細長不銹鋼管，連接頭2為一端是圓錐形、 另一端是圓柱形、柱面有螺紋、整體軸向有一圓形通孔的結構，在圓錐端與不銹鋼 針管l同軸焊接在一起，通過圓柱端的外螺紋和變幅桿5錐端的內螺紋連接，彈性 管4在變幅桿5的內部，夾在連接頭2和吸石導管20之間，其中彈性管4為聚四氟 乙烯塑料管，吸石導管20為薄壁不銹鋼管；所述的壓電陶瓷片7可以是兩片或兩片 以上，每兩片之間夾有電極片22，變幅桿5和配重9將壓電陶瓷片7夾在中間，壓 緊螺栓10穿過配重9、壓電陶瓷片7和電極片22，與變幅桿5連接，壓緊螺栓10 軸向為一通孔，吸石導管20穿過其中，插入轉接器18軸向的通孔，壓緊螺栓10和轉接器18之間壓有壓緊螺栓0型環19，壓緊螺栓10穿過壓電陶瓷片7和電極片22 的部分套有絕緣套管21;所述的轉接器18為四通結構，徑向的兩個孔分別連接調壓 排氣閥13和氣管接頭17，其中和氣管接頭17的連接處壓有氣管接頭0型環16，軸 向前端連接吸石導管20，后端螺紋連接有后蓋15，兩者之間壓有密封墊14;外殼 11和錐體帽23為螺紋連接，錐體帽23錐端內部和變幅桿5錐端外部之間墊有連接 頭0型環3，錐體帽23較大直徑端內部和變幅桿5直徑較大端外部，也就是整個換 能器節點所在的位置，之間壓有變幅桿O型環6，套筒8套在外殼11和配重9之間， 與轉接器18之間壓有套筒O型環12，另一端與變幅桿O型環6壓力接觸。
在上述的技術方案中，所述的換能器的工作頻率為23 28kHz;所述的變幅桿的 放大倍數為10-16倍左右；所述的不銹鋼針管末端振幅為40 100um;外殼是耐高溫 樹脂材料，套筒為聚四氟乙烯樹脂材料，兩端的0型環為硅橡膠材料，三者保證其 內部的壓電陶瓷和電極片與外部殼體的絕緣和密封；整個裝置即可以在125攝氏度
條件下熏蒸消毒，也可以在常壓下消毒液中浸泡消毒。
本例中，壓電陶瓷片7是兩片，兩片之間夾有電極片22，變幅桿5和配重9將
壓電陶瓷片7和電極片22夾在中間，壓緊螺栓10穿過配重9、壓電陶瓷片7和電極
片22，與變幅桿5連接，并且變幅桿5、配重9、壓電陶瓷片7和電極片22等的接
觸面上，都涂有匹配膠，經壓緊螺栓10壓緊后可以得到較低的阻抗和合適的頻率。
壓緊螺栓10軸向為一通孔，吸石導管20穿過其中，插入轉接器18軸向的通孔，壓
緊螺栓10穿過壓電陶瓷片7和電極片22的部分套有絕緣套管21。轉接器18為四通
結構，徑向的兩個孔分別連接調壓排氣閥13和氣管接頭17，其中和氣管接頭17的
連接處壓有氣管接頭0型環16，后端螺紋連接有后蓋15，兩者之間壓有密封墊14;
后蓋15和密封墊14取下后，轉接器18可以連接相應的氣壓彈道或激光碎石裝置。
不銹鋼針管1和連接頭2同軸焊接在一起，通過連接頭2上的外螺紋和變幅桿5錐
端的內螺紋連接，彈性管4在變幅桿5的內部，夾在連接頭2和吸石導管20之間，
外殼11和錐體帽23為螺紋連接，錐體帽23錐端內部和變幅桿5錐端外部之間墊有
連接頭0型環3，錐體帽23較大直徑端內部和變幅桿5直徑較大端外部，也就是整
個換能器節點所在的位置，之間壓有變幅桿0型環6，套筒8套在外殼11和配重9
之間，與轉接器18之間壓有套筒0型環12，另一端與變幅桿0型環6壓力接觸。
本發明還提供了一種用于氣體管路上的氣壓調節裝置一調壓排氣閥，通過一種 調壓針閥和快速排氣閥的組合結構，克服單手同時操作調壓針閥和排氣閥的困難，用于負壓吸引管路的調壓和快速排氣。
如圖5 8所示，所述調壓排氣閥由O型橡膠圈138、排氣閥桿136、針閥閥芯 131、針閥閥體132、排氣閥帽134和壓縮彈簧135組成，排氣閥桿136和排氣閥帽 134通過螺紋連接，壓縮彈簧135套在排氣閥桿136上，穿過針閥閥芯131的內孔， 排氣閥桿136和針閥閥芯131之間有0型橡膠圈，針閥閥芯131和針閥閥體132直 接通過螺紋連接，下端配合處為圓錐面，針閥閥體132外表面有用于與外界安裝的 螺紋，針閥閥體132的一端套有O型橡膠圈138。針閥閥芯131上有一個軸向的階 梯孔，兩個徑向孔。并具有下述特征1、排氣閥桿136和針閥閥芯131之間用0型 橡膠圈保持密封，針閥閥體132與外界管路通過螺紋連接，通過壓緊O型橡膠圈138 保證密封。針閥閥芯131與排氣閥桿136接觸的限位端面間通過O型橡膠圈138保 持密封。2、所有零件裝配在同一軸線上。3、針閥閥芯1軸向有一階梯孔，排氣閥 桿136通過這個階梯孔，在孔徑較小的地方兩者徑向滑動配合，并在端面有臺階限 位。4、針閥閥芯131有兩個徑向孔，系統正壓調節時氣體從針閥閥芯131與針閥閥 體132之間的間隙，經針閥閥芯131上的徑向孔，再通過針閥閥芯131上軸向的階 梯孔流出，系統負壓調節時氣體流向與正壓時相反。
本發明的針閥閥體和針閥閥芯的上部是螺紋連接，使用的時候逆時針旋動針閥 閥芯，兩者之間在軸向上會相對分開，下端的錐面處形成環形的間隙，間隙的大小 由兩者軸向分開的距離決定，這樣就實現的壓力的調節；針閥閥芯同時充當快速排 氣閥體的作用。其優點在于，氣壓調節裝置的整個結構通過針閥閥體上的螺紋安裝 到負壓吸引管路上，用O型橡膠圈保證密封。當需要調節管路氣壓時，旋動針閥閥 芯，針閥打開，外界氣體經由經針閥閥芯上的兩個徑向孔進入管路；當需要快速排 氣時，按下排氣閥帽，帶動排氣閥桿，使O型橡膠圈離開針閥閥芯的下端面，實現 快速排氣，松開排氣閥帽，在壓縮彈簧的作用下，排氣閥帽帶動排氣閥桿復位；且 本發明結構簡單、緊湊，易于加工，方便拆卸清洗，調壓排氣動作單手就可以實現。
本發明的設計基于超聲換能器的激勵電壓和電流在其諧振頻率點具有相同相位 的原理，采用當代最先進的直接數字合成(DDS)和大規模可編程器件，實現了一 種新穎的全數字化自動頻率跟蹤方案。
具體的全數字化特性主要表現在
①作為換能器激勵源的DDS采用全數字的串行通信方式控制。 相位比較器給出的相差信號作數字化運算處理后反饋給了 DDS以實現頻率跟 蹤，如圖ll所示。本發明的核心技術主要是DDS控制器F和只對信號邊沿敏感的相位比較器E的 設計。DDS控制器F的程序流程圖，如圖10所示。
本發明的總體框圖，如圖9所示，具體工作過程如下
(1) 直接數字合成器(DDS) A產生某一頻率的正弦波信號，功率放大器B將其 放大后經匹配網絡驅動超聲換能器I;
(2) 取樣回路C從功率輸出端取得換能器I的一組電壓和電流反饋信號，該組信 號分別經濾波整形電路D送到相位比較電路E和經幅度調整電路H送到主控單片機
G;
(3) 主控單片機G對DDS控制器F發出連續頻率掃描指令，令DDSA在預定的 頻率范圍內輸出不同頻率的正弦波進行掃描，同時主控單片機G對取樣電流反饋信 號進行監視，直到搜索接近到換能器的諧振頻率點；
(4) 當搜索頻率接近到換能器的諧振點后，停止搜索，主控單片機G向DDS控
制器F發出自動跟蹤指令，DDS控制器F從該頻率點開始自動跟蹤換能器的諧振頻 率；
(5) 相位比較電路E對來自換能器I并經濾波整形電路D處理后的電壓和電流反 饋信號進行相位比較，然后把相差信號輸入給相差累積電路L以產生DDS的頻率字， DDS控制器F會把頻率字以40M的速率傳給DDS芯片A以改變直其輸出信號的頻 率，從而使得超聲換能器I始終工作在諧振點附近。
如圖12所示，本發明的一種變形形式，即采用FPGA器件實現自動頻率跟蹤。 它與前面所述方法的主要區別如下
(1) DDS的數字部分集成在FPGA芯片內，而模擬部分通過一個外加的數模轉 換器實現。
(2) DDS控制邏輯F和前面所說的DDS控制器也是有區別的，這里的DDS 控制邏輯主要由編程者設計的DDS控制接口決定。
1權利要求
1、一種體內超聲碎石儀，包括超聲換能器和超聲換能器的自動頻率跟蹤系統，其特征在于，所述超聲換能器包括不銹鋼針管(1)、連接頭(2)、連接頭O型密封環(3)、彈性管(4)、變幅桿(5)、變幅桿O型密封環(6)、壓電陶瓷片(7)、配重(9)、壓緊螺栓(10)、外殼(11)、氣管接頭O型密封環(16)、氣管接頭(17)、壓緊螺栓O型密封環(19)、吸石導管(20)、絕緣套管(21)、電極片(22)、錐體帽(23)、導線(24)、導線接口帽(25)、導線接口座(26)；所述外殼(11)上部的導線接口座(26)及其上的導線接口帽(25)，設于偏離軸線的位置處；所述外殼(11)內位于壓緊螺栓(10)的上方還包括有轉接器(18)，該轉換器(18)為四通結構，其軸向的中心通孔的前端連通吸石導管(20)，該中心通孔的后端固定連接在外殼(11)的頂端；所述轉換器(18)對應于導線接口座(26)及其上的導線接口帽(25)、在偏離軸線的位置處沿軸向設有周邊通孔，其上端連通導線接口座(26)，用于容納導線；所述轉換器(18)偏離周邊通孔沿徑向開設有兩個徑向通孔，分別用于連通調壓排氣閥(13)和氣管接頭(17)，氣管接頭(17)和轉換器(18)的連接處壓有氣管接頭O型密封環(16)；所述的超聲換能器的自動頻率跟蹤系統，以直接數字頻率合成器作為信號源，采用掃頻—跟蹤策略，實現全數字化的自動頻率跟蹤，包括一直接數字合成器，用于產生頻率可調的正弦波信號，并經功率放大器放大后，以匹配網絡驅動超聲換能器；一取樣回路，用于從超聲換能器的功率輸出端取得超聲換能器的一組電壓和電流反饋信號，該組信號分別經濾波整形電路送到相位比較電路、經幅度調整電路送到主控單片機；一主控單片機，主控單片機根據預定的換能器本身的工作頻率范圍控制DDS控制器的觸發信號和頻率字，并對DDS控制器發出連續頻率掃描指令，使DDS控制器輸出頻率連續變化的正弦波；同時，所述主控單片機還實時監視換能器的取樣電流反饋信號的幅值，當電流反饋信號的幅值大于換能器諧振時的電流幅值的一半時，表明主控制器的頻率字基本上在換能器的諧振頻率點附近時，主控制器就會讓DDS控制器停止掃頻，發出自動跟蹤指令；一相位比較電路，用于對經濾波整形電路處理后的電壓和電流反饋信號進行相位比較，并把相差信號輸入給相差累積電路以產生DDS芯片的頻率字，由DDS控制器把該頻率字傳給DDS芯片以自動改變其輸出信號的頻率，從而使得超聲換能器始終工作在諧振點附近，實現自動頻率跟蹤。
2、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的中心通孔的后 端可以連接相應的氣壓彈道或激光碎石裝置；或螺紋連接有后蓋(15)，并在后端和 后蓋之間壓有密封墊(14)。
3、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的調壓排氣閥(13) 包括同軸設置的針閥閥體、針閥閥芯、排氣閥桿、排氣閥帽、壓縮彈簧和O型橡膠 圈；所述針閥閥體呈圓管狀，其外表面設有用于與外界的氣體管路上的三通管連接 的螺紋；該針閥閥體的下端套設有O型橡膠圈，通過壓緊該O型橡膠圈保證針閥閥 體和三通管之間的密封；所述針閥閥芯大致呈T形，由上至下套設于所述針閥閥體內；所述的針閥閥芯 上部的外表面和所述針閥閥體的上部內表面螺紋連接，所述針閥閥芯下部的外表面 和所述針閥閥體的下部內表面之間留有間隙，所述針閥閥芯和所述針閥閥體下端口 配合處為圓錐面；所述針閥閥芯是中空的，針閥閥芯下部的內表面設有凸緣，用于 和排氣閥桿滑動配合；所述針閥閥芯下部還開設有兩個徑向孔，該兩個徑向孔分別 位于凸緣的上側和下側；所述排氣閥桿呈倒T形，由下至上套設于所述針閥閥芯內，在針閥閥芯和排氣 閥桿上部之間的間隙處套設有壓縮彈簧，該壓縮彈簧的下端抵于凸緣所形成的階梯 孔上；該排氣閥桿下端的凸緣和針閥閥芯的下端接觸的限位端面間設有O型橡膠圈；所述排氣閥帽通過螺紋連接在排氣閥桿的頂端，該排氣閥帽的下端面的中心部 位開設有用于套置壓縮彈簧的圓形凹槽，且該排氣閥帽的下端面徑向設有凹槽與圓 形凹槽連通。
4、 根據權利要求3所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的針閥閥芯的上 端部的縱切面呈H形，其上端面用作排氣閥帽的臺階限位。
5、 根據權利要求3或4所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述排氣閥帽的 下端面徑向的凹槽呈十字形。
6、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述配重(9)的直 徑比壓電陶瓷片的直徑大1 3rnm。
7、 根據權利要求l所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述不銹鋼針管(1) 的長度為380 440rnm。
8、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的壓電陶瓷片(7) 可以是兩片或兩片以上，每相鄰兩片壓電陶瓷片之間夾有電極片(22)。
9、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述外殼(11)和配 重(9)之間還套設有套筒(8)，該套筒為聚四氟乙烯樹脂材料，其兩端連接有O型 密封環。
10、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述變幅桿采用鈦 合金材料。
11、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述變幅桿的外型 為指數型曲線，y=axebx (0^x520)。
12、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的直接數字合 成器可以是獨立的集成芯片；也可以把DDS的數字部分集成于現場可編程邏輯器件 FPGA內然后外加數模轉換器實現。
13、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的相位比較器， 利用觸發器對上升沿信號的敏感特性給出I_ph和V jh兩個輸入信號的上升沿信號 到來的時間差，并由Dirrect引腳給出I_ph和V_ph兩個輸入信號的上升沿到來的先 后順序。
14、 根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的DDS控制器 的輸入信號為l位觸發啟動信號，32位的頻率字信號，和16位的控制字信號，串口 通信的內容主要是分三次發送，第一個16位發送DDS的控制字，第二個16位和第 三個16位發送DDS的頻率字，把48位頻率字載入DDS以自動改變其輸出頻率；所述的DDS控制器的輸出信號采高速的三線式串口通信，其串口由數據線、時 鐘線和同步線組成，空閑時，數據線、同步線、時鐘線均為高電平；通信時，同步 線置低電平，有效數據與時鐘線的時鐘下降沿對齊，發送16位數據后同步線、數據 線和時鐘線都置高電平。
15、 根據權利要求14所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的串口通信的 啟動方式為下降沿觸發但不可重觸發，當系統空閑時，DDS控制器的觸發輸入端每 遇到脈沖的下降沿就啟動串口通信，直到串口通信完成后系統空閑時，再遇到脈沖下降沿才會再次重新啟動串口通信，而在串口通信期間遇到脈沖下降沿時不會重新 啟動串口通信。
16、根據權利要求1所述的體內超聲碎石儀，其特征在于，所述的相位比較器 輸出的相差信號，用于控制DDS控制器的觸發啟動信號，所述的相位比較器的誤差 積分器用于輸出控制DDS控制器的頻率字信號。
全文摘要
本發明涉及一種體內超聲碎石儀，由超聲換能器和自動頻率跟蹤系統組成，其中的超聲換能器具有兩組以上的壓電陶瓷片，通過中間空心的螺栓將配重、壓電陶瓷片和變幅桿連接在一起后，裝在耐高溫樹脂材料的外殼手柄中。在變幅桿前端連接有碎石探針，外殼手柄后端有螺紋連接的后蓋，取下后蓋后可以連接氣壓彈道碎石裝置或激光碎石裝置，外殼手柄后端側面還安裝有氣壓調節裝置，可方便的調節手術時的吸附壓力。整個換能器可以在125攝氏度條件下熏蒸消毒。自動頻率跟蹤系統采用DDS和大規模可編程器件，采用直接數字合成器產生超聲換能器的驅動信號，還采用了先掃描搜索而后自動跟蹤的策略，適應了換能器的離散性并克服了各種因素對諧振點的影響。
文檔編號A61B17/22GK101467910SQ20081008516
公開日2009年7月1日 申請日期2008年3月24日 優先權日2007年12月28日
發明者于晉生, 杰 崔, 平 李, 春 李, 李小雪, 梁希庭, 東 汪, 熊六林, 王君琳, 石長亮, 靈 肖, 費興波, 雒自清 申請人:北京奧麥特科技有限公司