一种体内超声碎石仪

摘要

本发明涉及一种体内超声碎石仪，由超声换能器和自动频率跟踪系统组成，其中的超声换能器具有两组以上的压电陶瓷片，通过中间空心的螺栓将配重、压电陶瓷片和变幅杆连接在一起后，装在耐高温树脂材料的外壳手柄中。在变幅杆前端连接有碎石探针，外壳手柄后端有螺纹连接的后盖，取下后盖后可以连接气压弹道碎石装置或激光碎石装置，外壳手柄后端侧面还安装有气压调节装置，可方便的调节手术时的吸附压力。整个换能器可以在125摄氏度条件下熏蒸消毒。自动频率跟踪系统采用DDS和大规模可编程器件，采用直接数字合成器产生超声换能器的驱动信号，还采用了先扫描搜索而后自动跟踪的策略，适应了换能器的离散性并克服了各种因素对谐振点的影响。

权利要求

1.一种体内超声碎石仪，包括超声换能器和超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，

所述超声换能器包括：不锈钢针管(1)、连接头(2)、连接头O型密封环(3)、弹性管(4)、变幅杆(5)、变幅杆O型密封环(6)、压电陶瓷片(7)、配重(9)、压紧螺栓(10)、外壳(11)、气管接头O型密封环(16)、气管接头(17)、压紧螺栓O型密封环(19)、吸石导管(20)、绝缘套管(21)、电极片(22)、锥体帽(23)、导线(24)、导线接口帽(25)和导线接口座(26)；

所述外壳(11)上部的导线接口座(26)及其上的导线接口帽(25)，设于偏离外壳(11)轴线的位置处；

所述外壳(11)内位于压紧螺栓(10)的上方还包括有转接器(18)，该转接器(18)对应于导线接口座(26)及其上的导线接口帽(25)、在偏离外壳(11)轴线的位置处沿平行于外壳(11)轴向设有周边通孔，其上端连通导线接口座(26)，用于容纳导线；所述的转接器(18)为四通结构，其轴向的中心通孔的前端连通吸石导管(20)，该中心通孔的后端固定连接在外壳(11)的顶端；所述转接器(18)偏离周边通孔沿径向开设有两个径向通孔，分别用于连通调压排气阀(13)和气管接头(17)，气管接头(17)和转接器(18)的连接处压有气管接头O型密封环(16)；

所述的超声换能器的自动频率跟踪系统，以直接数字合成器作为信号源，采用扫频一跟踪策略，实现全数字化的自动频率跟踪，包括：一直接数字合成器，用于产生频率可调的正弦波信号，并经功率放大器放大后，以匹配网络驱动超声换能器；

一取样回路，用于从超声换能器的功率输出端取得超声换能器的一组电压和电流反馈信号，该组信号分别经滤波整形电路送到相位比较电路、经幅度调整电路送到主控单片机；

一主控单片机，主控单片机根据预定的超声换能器本身的工作频率范围控制直接数字合成器的控制器的触发信号和频率字，并对直接数字合成器的控制器发出连续频率扫描指令，使直接数字合成器的控制器输出频率连续变化的正弦波；同时，所述主控单片机还实时监视超声换能器的取样电流反馈信号的幅值，当电流反馈信号的幅值大于超声换能器谐振时的电流幅值的一半时，表明主控单片机的频率字基本上在超声换能器的谐振频率点附近时，主控单片机就会让直接数字合成器的控制器停止扫频，发出自动跟踪指令；

一相位比较电路，用于对经滤波整形电路处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较，并把相差信号输入给相差累积电路以产生直接数字合成器芯片的频率字，由直接数字合成器控制器把该频率字传给直接数字合成器芯片以自动改变其输出信号的频率，从而使得超声换能器始终工作在谐振点附近，实现自动频率跟踪。

2.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的中心通孔的后端连接相应的气压弹道或激光碎石装置；或螺纹连接有后盖(15)，并在后端和后盖之间压有密封垫(14)。

3.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的调压排气阀(13)包括同轴设置的针阀阀体、针阀阀芯、排气阀杆、排气阀帽、压缩弹簧和O型橡胶圈；

所述针阀阀体呈圆管状，其外表面设有用于与外界的气体管路上的三通管连接的螺纹；该针阀阀体的下端套设有O型橡胶圈，通过压紧该O型橡胶圈保证针阀阀体和三通管之间的密封；

所述针阀阀芯大致呈T形，由上至下套设于所述针阀阀体内；所述的针阀阀芯上部的外表面和所述针阀阀体的上部内表面螺纹连接，所述针阀阀芯下部的外表面和所述针阀阀体的下部内表面之间留有间隙，所述针阀阀芯和所述针阀阀体下端口配合处为圆锥面；所述针阀阀芯是中空的，针阀阀芯下部的内表面设有凸缘，用于和排气阀杆滑动配合；所述针阀阀芯下部还开设有两个径向孔，该两个径向孔分别位于凸缘的上侧和下侧；

所述排气阀杆呈倒T形，由下至上套设于所述针阀阀芯内，在针阀阀芯和排气阀杆上部之间的间隙处套设有压缩弹簧，该压缩弹簧的下端抵于凸缘所形成的阶梯孔上；该排气阀杆下端的凸缘和针阀阀芯的下端接触的限位端面间设有O型橡胶圈；

所述排气阀帽通过螺纹连接在排气阀杆的顶端，该排气阀帽的下端面的中心部位开设有用于套置压缩弹簧的圆形凹槽，且该排气阀帽的下端面径向设有凹槽与圆形凹槽连通。

4.根据权利要求3所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的针阀阀芯的上端部的纵切面呈H形，其上端面用作排气阀帽的台阶限位。

5.根据权利要求3或4所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述排气阀帽的下端面径向的凹槽呈十字形。

6.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述配重(9)的直径比压电陶瓷片的直径大1～3mm。

7.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述不锈钢针管(1)的长度为

380～440mm。

8.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的压电陶瓷片(7)是两片以上，每相邻两片压电陶瓷片之间夹有电极片(22)。

9.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述外壳(11)和配重(9)之间还套设有套筒(8)，该套筒为聚四氟乙烯树脂材料，其两端连接有O型密封环。

10.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述变幅杆采用钛合金材料。

11.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述变幅杆的外型为指数型bx

曲线，y＝a×e ，其中0≤x≤20。

12.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的直接数字合成器是独立的集成芯片；或者把直接数字合成器的数字部分集成于现场可编程逻辑器件内然后外加数模转换器实现。

13.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的相位比较电路利用触发器对上升沿信号的敏感特性给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿信号到来的时间差，并由Dirrect引脚给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿到来的先后顺序。

14.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的直接数字合成器控制器的输入信号为1位触发启动信号，32位的频率字信号，和16位的控制字信号，串口通信的内容主要是分三次发送，第一个16位发送直接数字合成器的控制字，第二个16位和第三个16位发送直接数字合成器的频率字，把48位频率字载入直接数字合成器以自动改变其输出频率；

所述的直接数字合成器控制器的输出信号采用高速的三线式串口通信，其串口由数据线、时钟线和同步线组成，空闲时，数据线、同步线、时钟线均为高电平；通信时，同步线置低电平，有效数据与时钟线的时钟下降沿对齐，发送16位数据后同步线、数据线和时钟线都置高电平。

15.根据权利要求14所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的串口通信的启动方式为下降沿触发但不可重触发，当系统空闲时，直接数字合成器控制器的触发输入端每遇到脉冲的下降沿就启动串口通信，直到串口通信完成后系统空闲时，再遇到脉冲下降沿才会再次重新启动串口通信，而在串口通信期间遇到脉冲下降沿时不会重新启动串口通信。

16.根据权利要求1所述的体内超声碎石仪，其特征在于，所述的相位比较电路输出的相差信号用于控制直接数字合成器控制器的触发启动信号，所述的相位比较电路的误差积分器用于输出控制直接数字合成器控制器的频率字信号。

说明书

一种体内超声碎石仪

技术领域

[0001] 本发明涉及用于微创治疗泌尿系统结石的医疗仪器，特别涉及一种体内超声碎石仪。

背景技术

[0002] 对于一般的肾结石、输尿管结石和膀胱结石，可以采用体外冲击波碎石法进行碎石，或采用医用钬激光、医用钕激光、气压弹道碎石等方法碎石。体外冲击波碎石、超声碎石只对约15％的易碎的小结石有效。医用钬激光、医用钕激光以及气压弹道碎石可以解决约80％结石病人的治疗难题。这些治疗方法借助膀胱镜、输尿管软镜进行，激光光纤或设备的治疗端通过尿道抵达结石部位，然后由激光能量或气压弹道碎石能量，将结石击碎。以上这几种方法都无需开刀，对人体无损伤或损伤极小，是绝大多数结石如肾结石、输尿管结石和膀胱结石病人都愿意接受的治疗方法。缺点是上述治疗方法对部分肾结石，尤其是顽固坚硬的肾下盏结石和膀胱结石常常无能为力，而且治疗时只能碎石，不能当场清石，留下结石复发和碎石堵塞尿路的隐患。超声波体内碎石是一种较好的微创治疗结石的技术，一般采用中空的碎石探针，配合真空负压吸引设备，在用超声波将结石击碎的同时，利用负压将结石吸出体外，实现碎石清石的治疗目的，这种方法的好处是去石彻底，治疗后一般两天就可以康复，并且不容易复发。目前生产这种超声碎石设备的公司不多，主要有德国的R-Wolf公司和瑞士的EMS公司，这两家公司的碎石设备又都存在有不足之处。

[0003] 其中，Wolf的设备的结构大致如图1所示，该体内超声碎石换能器，包括：不锈钢针管1、连接头2、连接头O型密封环3、弹性管4、变幅杆5、变幅杆O型密封环6、压电陶瓷片7、配重9、压紧螺栓10、外壳11、套筒O型密封环12、气管接头O型密封环16、气管接头17、压紧螺栓O型密封环19、吸石导管20、绝缘套管21、电极片22、锥体帽23、导线24、导线接口帽25、导线接口座26。由于外壳与配重、变幅杆等之间只是简单的O型环压接，变幅杆也是性能一般的铜合金材质，所以其机械品质因数较低，振幅放大倍数也较小，使超声碎石能力显著减弱；加上没有配备气压弹道和钬激光、钕激光等碎石设备的接口，当遇到体积较大、质地较硬的结石就显得无能为力。

[0004] EMS的设备虽然经过了几代的改进，实现了超声和气压弹道的结合，但其术中操作不是很方便，负压强度只能在负压吸引设备上调节，术者无法随心所欲的控制吸力的大小，而且当探针不小心触到软组织的时候，不能及时卸压，既会造成针管堵塞、换能器发热，又容易对身体组织造成伤害。

[0005] 另一方面，超声换能器的性能是决定超声碎石仪碎石能力的关键因素，典型的超声换能器具有很高的品质因数(Q值)，具有陡峭的谐振曲线，只有工作在其谐振频率点才具有大的机械振幅和高的电机转换效率。因此，超声换能器的驱动电路应以其谐振频率信号进行激励。

[0006] 然而，实际换能器的谐振频率往往是离散的和变化的。这是因为：(1)换能器在制造过程中压电陶瓷材料、制造工艺的差异；(2)换能器所匹配的负载特性的变化；(3)换能器在使用过程中自身参数随时间、温度等发生改变。所以，换能器的驱动电路应具有自动跟踪其谐振频率变化并始终保持以即时谐振频率信号进行驱动的能力。

[0007] 以往典型的自动频率跟踪方案采用锁相环电路实现，一般包括：相位比较器(模拟或数字)和压控振荡器(模拟)或数控振荡器(数字)组成。该传统方案已经从早期的全模拟电路发展为模拟、数字混合电路，如今已经有了全数字化的实现方式。参考文献有：专利权人为宣浩、专利公告号为CN2248118Y的锁相式频率跟踪超声波抛光机；和专利权人为温有奎、专利公告号为CN2160473Y的带自动频率跟踪的换能器。其中，专利CN2248118Y采用压控振荡器产生换能器的激励信号，并对换能器的电流反馈信号进行采样，与压控振荡器产生激励信号作相位比较，检测出两者的相位差，然后，通过控制电路反馈到压控振荡器以实现频率跟踪的目的。

[0008] 该方案有四个显著缺点：一是压控振荡器的压频曲线不是完全呈线性变化的，而正弦信号的频率则完全按线性关系计算的，这就导致压控振荡器输出正弦信号频率与换能器的谐振频率存在误差；二是它的相位比较器采用的是异或门，这种相位比较器对两个输入信号的占空比要求比较高，必须保证作为相位比较的电流反馈信号和压控振荡器激励信号的占空比严格相等才可实现精确的频率跟踪，而这通常很难做到；三是由于锁相环是模拟量控制的，不利于对相位差信号进行数字化处理以利于自动频率跟踪；四是当换能器个体差异比较大时，很难用同一电参数的锁相环实现个体差异较大的不同换能器的自动频率跟踪，这非常不利于大规模工业化生产。

[0009] 另外，以往对DDS(直接数字合成器，Dirrect Digital Synthesizer)的控制主要通过单片机串口实现，由于单片机串口速率比较低，用它控制DDS做自动频率跟踪存在通信瓶颈，效果很差。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于：为克服单手同时操作调压针阀和排气阀的困难，已有的体内超声碎石换能器的超声碎石机碎石能力差，对不同大小的结石吸引击碎不容易操作，以及由于吸到软组织造成的针管堵塞的问题，同时，为解决用采用锁相环电路实现自动频率跟踪方案中存在的频率跟踪的精度不高造成的换能器无法充分释放功率和相位比较器对两个输入信号的占空比要求比较高的问题，从而提供一种体内超声碎石仪。

[0011] 为实现上述目的，本发明提供的一种体内超声碎石仪，包括超声换能器和超声换能器的自动频率跟踪系统，其特征在于，

[0012] 所述的换能器，包括：不锈钢针管1、连接头2、连接头O型密封环3、弹性管4、变幅杆5、变幅杆O型密封环6、压电陶瓷片7、配重9、压紧螺栓10、外壳11、气管接头O型密封环16、气管接头17、压紧螺栓O型密封环19、吸石导管20、绝缘套管21、电极片22、锥体帽23、导线24、导线接口帽25和导线接口座26；其特征在于，所述外壳11上部的导线接口座26及其上的导线接口帽25，设于偏离外壳11轴线的位置处；所述外壳11内位于压紧螺栓10的上方还包括有转接器18，所述转接器18对应于导线接口座26及其上的导线接口帽25、在偏离外壳11轴线的位置处沿平行于外壳11轴向设有周边通孔，其上端连通导线接口座26，用于容纳导线；所述的转接器18为四通结构，其轴向的中心通孔的前端连通吸石导管20，该中心通孔的后端固定连接在外壳11的顶端；所述转接器18偏离周边通孔沿径向开设有两个径向通孔，分别用于连通调压排气阀13和气管接头17，气管接头17和转接器
18的连接处压有气管接头O型密封环16；

[0013] 所述的超声换能器的自动频率跟踪系统，以直接数字频率合成器作为信号源，采用扫频-跟踪策略，实现全数字化的自动频率跟踪，包括：

[0014] 一直接数字合成器，用于产生频率可调的正弦波信号，并经功率放大器放大后，以匹配网络驱动超声换能器；

[0015] 一取样回路，用于从超声换能器的功率输出端取得超声换能器的一组电压和电流反馈信号，该组信号分别经滤波整形电路送到相位比较电路、经幅度调整电路送到主控单片机；

[0016] 一主控单片机，主控单片机根据预定的换能器本身的工作频率范围控制DDS控制器的触发信号和频率字，并对DDS控制器发出连续频率扫描指令，使DDS控制器输出频率连续变化的正弦波；同时，所述主控单片机还实时监视换能器的取样电流反馈信号的幅值，当电流反馈信号的幅值大于超声换能器谐振时的电流幅值的一半时，表明主控单片机的频率字基本上在换能器的谐振频率点附近时，主控单片机就会让DDS控制器停止扫频，发出自动跟踪指令；超声换能器不在谐振点工作时，没有电流信号，电流幅值为零，只有超声换能器工作在谐振点附近才有电流反馈信号，电流幅值不为零，工作频率距离谐振点越近，电流幅值越大；

[0017] 一相位比较电路，用于对经滤波整形电路处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较，并把相差信号输入给相差累积电路以产生DDS芯片的频率字，由DDS控制器把该频率字传给DDS芯片以自动改变其输出信号的频率，从而，使得超声换能器始终工作在谐振点附近，实现自动频率跟踪。

[0018] 作为本发明的一种改进，所述中心通孔的后端可以连接相应的气压弹道或激光碎石装置；或螺纹连接有后盖15，并在后端和后盖之间压有密封垫14。

[0019] 作为本发明的另一种改进，所述调压排气阀13包括同轴设置的针阀阀体、针阀阀芯、排气阀杆、排气阀帽、压缩弹簧和O型橡胶圈；所述针阀阀体呈圆管状，其外表面设有用于与外界的气体管路上的三通管连接的螺纹；该针阀阀体的下端套设有O型橡胶圈，通过压紧该O型橡胶圈保证针阀阀体和三通管之间的密封；所述针阀阀芯大致呈T形，由上至下套设于所述针阀阀体内；所述针阀阀芯上部的外表面和所述针阀阀体的上部内表面螺纹连接，所述针阀阀芯下部的外表面和所述针阀阀体的下部内表面之间留有间隙，所述针阀阀芯和所述针阀阀体下端口配合处为圆锥面；所述针阀阀芯是中空的，针阀阀芯下部的内表面设有凸缘，用于和排气阀杆滑动配合；所述针阀阀芯下部还开设有两个径向孔，该两个径向孔分别位于凸缘的上侧和下侧；所述排气阀杆呈倒T形，由下至上套设于所述针阀阀芯内，在针阀阀芯和排气阀杆上部之间的间隙处套设有压缩弹簧，该压缩弹簧的下端抵于凸缘所形成的阶梯孔上；该排气阀杆下端的凸缘和针阀阀芯的下端接触的限位端面间设有O型橡胶圈；所述排气阀帽通过螺纹连接在排气阀杆的顶端，该排气阀帽的下端面的中心部位开设有用于套置压缩弹簧的圆形凹槽，且该排气阀帽的下端面径向设有凹槽与圆形凹槽连通。

[0020] 作为本发明的另一种改进，所述针阀阀芯的上端部的纵切面呈H形，其上端面用作排气阀帽的台阶限位。所述排气阀帽的下端面径向的凹槽呈十字形。

[0021] 作为本发明的另一种改进，所述配重9的直径比压电陶瓷片的直径大1～3mm。所述不锈钢针管1的长度为380～440mm。

[0022] 作为本发明的另一种改进，所述的压电陶瓷片7是两片以上，每相邻两片压电陶瓷片之间夹有电极片22。

[0023] 作为本发明的另一种改进，所述外壳11和配重9之间还套设有套筒8，该套筒为聚四氟乙烯树脂材料，其两端连接有O型密封环。

[0024] 作为本发明的另一种改进，所述变幅杆采用钛合金材料；所述变幅杆的外型为指bx数型曲线，y＝a×e ，其中，0≤x≤20。

[0025] 作为本发明的又一种改进，所述的直接数字合成器可以是独立的集成芯片；也可以把DDS的数字部分集成于现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现。其中，DDS控制器的目的主要是可以很高的通信速率改变DDS输出的信号频率，以往对DDS(直接数字合成器，Dirrect Digital Synthesizer)的控制主要通过单片机串口实现，由于单片机串口速率比较低，用它控制DDS做自动频率跟踪存在通信瓶颈，效果很差。

[0026] 作为本发明的又一种改进，所述的相位比较电路，利用触发器对上升沿信号的敏感特性给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿信号到来的时间差，并由Dirrect引脚给出I_ph和V_ph两个输入信号的上升沿到来的先后顺序，如图5所示。

[0027] 作为本发明的又一种改进，所述的直接数字合成器的控制器的输入信号为1位触发启动信号，32位的频率字信号，和16位的控制字信号，串口通信的内容主要是分三次发送，第一个16位发送直接数字合成器的控制字，第二个16位和第三个16位发送DDS的频率字，把48位频率字载入直接数字合成器以自动改变其输出频率；所述的直接数字合成器的控制器的输出信号采高速的三线式串口通信，其串口由数据线、时钟线和同步线组成，空闲时，数据线、同步线、时钟线均为高电平；通信时，同步线置低电平，有效数据与时钟线的时钟下降沿对齐，发送16位数据后同步线、数据线和时钟线都置高电平。

[0028] 所述的串口通信的启动方式为下降沿触发但不可重触发，当系统空闲时，DDS控制器的触发输入端每遇到脉冲的下降沿就启动串口通信，直到串口通信完成后系统空闲时，再遇到脉冲下降沿才会再次重新启动串口通信，而在串口通信期间遇到脉冲下降沿时不会重新启动串口通信。

[0029] 所述的相位比较电路输出的相差信号用于控制DDS控制器的触发启动信号，所述的相位比较器的误差积分器(即图3所示的相差累积模块)用于输出控制DDS控制器的频率字信号。

[0030] 本发明提供的超声换能器，由于采用了高性能的压电陶瓷材料，合理的装配工艺，有效的降低了超声换能器的阻抗，使超声换能器的发热量显著降低，内部采用金属的吸石导管，可以更多的带走压电陶瓷产生的热量，保证使用过程中超声换能器频率阻抗等参数的一致性。其中，

[0031] 本发明的变幅杆采用钛合金材料，其对超声的传导和对振幅的放大作用，远高于如铜合金等其他金属材料。本发明中的变幅杆是使用精密数控机床加工的指数曲线外形的变幅杆，这种外形的变幅杆既有很好的抗机械疲劳性能，又能有效的提高了振幅的放大倍数。

[0032] 本发明在外壳和由配重、陶瓷、变幅杆组成的芯体之间，加了聚四氟材料的套筒，套筒两端压有O型环，这种结构可以有效减少超声向外壳的传导，并可以显著降低内部震动伴随产生的低频震动。其余芯体与外科及连接部分的触部位也都采用硅橡胶材质的O型环，使整个换能器具有较高的机械品质因数，可以有效地击碎较硬的结石。

[0033] 同时，该超声换能器也配备了弹道碎石接口，对超大超硬结石可以使用超声和弹道相结合的方式治疗，并且该接口也适用于钬激光和钕激光等激光碎石设备。

[0034] 另外，本发明的另一个创新点是超声换能器手柄后端安装了调压排气阀，解决术中吸附压力的调节和容易吸到软组织堵塞针管、伤害人体器官的问题，使碎石手术操作更为方便容易，也更加安全可靠。

[0035] 本发明提供的超声换能器自动频率跟踪系统，采用直接数字合成器(DDS)和大规模可编程器件，其特征是超声换能器的激励信号由直接数字合成器产生；直接数字合成器可以是独立的集成芯片，也可以把DDS的数字部分集成与现场可编程逻辑器件FPGA内然后外加数模转换器实现。以大规模可编程器件设计专用相位比较器，该相位比较器只对信号的前沿敏感，而与信号的占空比无关，当给相位比较器输入两个频率相同但前沿有延时的信号后，该相位比较器会产生输出信号指示相应的相位差及其方向。

[0036] 本发明采用先搜索后跟踪的自动频率跟踪的策略，先扫描搜索而后自动跟踪。在超声换能器每次启动激励之前，主控制单片机通过DDS控制器指令DDS在预定范围内进行扫频，同时实时监视换能器电流反馈的幅值，搜索谐振点。在搜索到谐振点附近时，停止频率搜索并转入自动跟踪状态，这时由DDS控制器根据相位比较器的输出结果自动调整DDS输出信号的频率以实现自动动态跟踪。

[0037] 和现有技术相比，本发明的用于驱动超声换能器的新颖的全数字化自动频率跟踪方法及其系统有如下特点：

[0038] 1.采用DDS和大规模可编程器件的自动频率跟踪系统设计。

[0039] (1)本发明中超声换能器的激励信号由直接数字合成器产生，不同于以往设计中采用传统的锁相环和压控振荡器的方案；本发明中直接数字合成器(DDS)可以是独立的芯片，也可以把DDS的数字部分集成在现场可编程逻辑器件FPGA内，然后外加数模转换器构成功能上的直接数字合成器(DDS)。这种实现方式可以参考图4。

[0040] (2)以大规模可编程器件设计专用相位比较器，并对相位差信号作数字化处理。相位比较电路特征在于只对信号的前沿敏感，而与信号的占空比无关，当给相位比较器输入两个频率相同但前沿有延时的信号后，该相位比较电路会产生输出信号指示相应的相位差及其方向。

[0041] (3)以大规模可编程器件设计专用高速DDS控制器，该控制器随时根据相位比较器的输出结果控制DDS的输出频率从而实现换能器谐振点的实时自动跟踪。

[0042] 2.先搜索后跟踪的自动频率跟踪系统设计。

[0043] 由于制造工艺的差异和各种内、外部因素的影响，换能器的起始谐振点具有一定的离散性。为了保证启动过程中的可靠、快速跟踪，本系统设计采用先扫描搜索而后自动跟踪的策略。

[0044] (1)在超声换能器每次启动激励之前，主控制器通过DDS控制器指令DDS在预定范围内进行扫频，同时实时监视换能器电流反馈的幅值，搜索谐振点；

[0045] (2)在搜索到谐振点附近时，停止频率搜索并转入自动跟踪状态，这时由DDS控制器根据相位比较电路的输出结果自动调整DDS输出信号的频率从而实现自动动态跟踪。

[0046] 本发明优点在于：

[0047] 本发明提供的超声换能器，由于采用了高性能的压电陶瓷材料，合理的装配工艺，有效的降低了换能器的阻抗，使换能器的发热量显著降低，内部采用金属的吸石导管，可以更多的带走压电陶瓷产生的热量，保证使用过程中换能器频率阻抗等参数的一致性。同时，采用精密数控机床加工的指数曲线外形的变幅杆，有效的提高了振幅的放大倍数，节点及接触部位的连接都采用硅橡胶材质的O型环，使整个换能器具有较高的机械品质因数，可以有效地击碎较硬的结石。

[0048] 同时，该超声换能器也配备了弹道碎石接口，对超大超硬结石可以使用超声和弹道相结合的方式治疗，并且该接口也适用于钬激光和钕激光等激光碎石设备。另外，换能器手柄后端安装了调压排气阀，解决了吸附不同大小的结石和容易吸到软组织堵塞针管的问题，使碎石手术操作更为方便容易，也更加安全可靠。

[0049] 本发明提供的超声换能器自动频率跟踪系统，以直接数字频率合成器作为信号源，取代了通常模拟压控振荡器，实现了数字控制。采用大规模可编程器件设计实现的专门相位比较器和DDS控制器，高度集成化，工作速度快，稳定可靠。系统控制精度高、跟踪速度快，在DDS的分辨率和所采用的可编程器件的动态特性一定的情况下，可以通过编程调整改变系统的频率分辨率和控制精度。跟踪反应速度取决于系统工作时钟，其上限取决于DDS和可编程器件的最高工作速度(时钟)。同时，由于采用了扫频-跟踪策略，可适应换能器及其负载等条件差异较大的情况，且一旦发现跟踪失误时可自动恢复，使整个系统适应性好、跟踪可靠。

[0050] 总之，本发明的全数字化的自动频率跟踪解决方案，其输出频率与频率字严格呈线性变化关系，跟踪精度完全可根据实际需要设定，并设计了专用的高速DDS控制器和全新的相位比较器。以往对DDS的控制主要通过单片机串口实现，由于单片机串口速率比较低，用它控制DDS做自动频率跟踪存在通信瓶颈，效果很差，而我们设计的高速DDS控制器的串口通信速率最高可达40M，完全彻底地解决了通信瓶颈问题，足以满足自动频率跟踪的要求。另外，我们设计的全新相位比较器只对两个输入信号的上升沿敏感而与占空比无关。此外我们还对相位比较器输出的相位差信号做了数字化处理，这就从根本上大大提高了频率跟踪的精度，从而使换能器的电机转换效率大大提高。另外通过先搜索后跟踪的处理策略使得个体差异较大的不同换能器可以用同一电参数的控制电路实现自动频率跟踪，这非常有利于大规模工业化生产。

[0051] 附图说明

[0052] 图1是现有技术中R-Wolf公司的体内超声碎石换能器结构示意图；

[0053] 图2是本发明的超声换能器结构示意图；

[0054] 图3是图2沿B-B线的换能器电缆引线部分的剖示图；

[0055] 图4是图2沿A-A线的换能器径向通孔的剖示图；

[0056] 图5是本发明的调压排气阀的结构剖示图；

[0057] 图6是本发明的调压排气阀的结构的立体分解图；

[0058] 图7a～d本发明的调压排气阀的针阀阀芯的结构示意图；

[0059] 图8a～d本发明的调压排气阀的排气阀帽的结构示意图；

[0060] 图9是本发明的基于CPLD器件的解决方案；

[0061] 图10是本发明的DDS控制器流程图；

[0062] 图11是本发明的相差累积模块示意图；

[0063] 图12是本发明的基于FPGA器件的解决方案；

[0064] 图13是本发明的相位比较器的逻辑图。

[0065] 附图标识

[0066] 1、不锈钢针管 2、连接头 3、连接头O型环[0067] 4、弹性管 5、变幅杆 6、变幅杆O型环[0068] 7、压电陶瓷片 8、套筒 9、配重

[0069] 10、压紧螺栓 11、外壳 12、套筒O型环

[0070] 13、调压排气阀 14、密封垫 15、后盖

[0071] 16、气管接头O型环 17、气管接头 18、转接器

[0072] 19、压紧螺栓O型环 20、吸石导管 21、绝缘套管

[0073] 22、电极片 23、锥体帽

[0074] 24、导线 25、导线接口帽 26、导线接口座[0075] 131、针阀阀芯 132、针阀阀体 133、三通管接头[0076] 134、排气阀帽 135、压缩弹簧 136、排气阀杆

[0077] 137、排气阀体 138、密封O型圈

[0078] 具体实施方式

[0079] 本发明的超声换能器，如图2～4所示，由不锈钢针管1、连接头2、连接头O型环3、弹性管4、变幅杆5、变幅杆O型环6、压电陶瓷片7、套筒8、配重9、压紧螺栓10、外壳11、套筒O型环12、调压排气阀13、密封垫14、后盖15、气管接头O型环16、气管接头17、转接器18、压紧螺栓O型环19、吸石导管20、绝缘套管21、电极片22、锥体帽23、导线24、导线接口帽25和导线接口座26构成。

[0080] 其中，所述的不锈钢针管1为中空的细长不锈钢管，连接头2为一端是圆锥形、另一端是圆柱形、柱面有螺纹、整体轴向有一圆形通孔的结构，在圆锥端与不锈钢针管1同轴焊接在一起，通过圆柱端的外螺纹和变幅杆5锥端的内螺纹连接，弹性管4在变幅杆5的内部，夹在连接头2和吸石导管20之间，其中弹性管4为聚四氟乙烯塑料管，吸石导管20为薄壁不锈钢管；所述的压电陶瓷片7可以是两片或两片以上，每两片之间夹有电极片22，变幅杆5和配重9将压电陶瓷片7夹在中间，压紧螺栓10穿过配重9、压电陶瓷片7和电极片22，与变幅杆5连接，压紧螺栓10轴向为一通孔，吸石导管20穿过其中，插入转接器18轴向的通孔，压紧螺栓10和转接器18之间压有压紧螺栓O型环19，压紧螺栓10穿过压电陶瓷片7和电极片22的部分套有绝缘套管21；所述的转接器18为四通结构，径向的两个孔分别连接调压排气阀13和气管接头17，其中和气管接头17的连接处压有气管接头O型环
16，轴向前端连接吸石导管20，后端螺纹连接有后盖15，两者之间压有密封垫14；外壳11和锥体帽23为螺纹连接，锥体帽23锥端内部和变幅杆5锥端外部之间垫有连接头O型环
3，锥体帽23较大直径端内部和变幅杆5直径较大端外部，也就是整个换能器节点所在的位置，之间压有变幅杆O型环6，套筒8套在外壳11和配重9之间，与转接器18之间压有套筒O型环12，另一端与变幅杆O型环6压力接触。

[0081] 在上述的技术方案中，所述的换能器的工作频率为23～28kHz；所述的变幅杆的放大倍数为10～16倍左右；所述的不锈钢针管末端振幅为40～100um；外壳是耐高温树脂材料，套筒为聚四氟乙烯树脂材料，两端的O型环为硅橡胶材料，三者保证其内部的压电陶瓷和电极片与外部壳体的绝缘和密封；整个装置即可以在125摄氏度条件下熏蒸消毒，也可以在常压下消毒液中浸泡消毒。

[0082] 本例中，压电陶瓷片7是两片，两片之间夹有电极片22，变幅杆5和配重9将压电陶瓷片7和电极片22夹在中间，压紧螺栓10穿过配重9、压电陶瓷片7和电极片22，与变幅杆5连接，并且变幅杆5、配重9、压电陶瓷片7和电极片22等的接触面上，都涂有匹配胶，经压紧螺栓10压紧后可以得到较低的阻抗和合适的频率。压紧螺栓10轴向为一通孔，吸石导管20穿过其中，插入转接器18轴向的通孔，压紧螺栓10穿过压电陶瓷片7和电极片22的部分套有绝缘套管21。转接器18为四通结构，径向的两个孔分别连接调压排气阀13和气管接头17，其中和气管接头17的连接处压有气管接头O型环16，后端螺纹连接有后盖15，两者之间压有密封垫14；后盖15和密封垫14取下后，转接器18可以连接相应的气压弹道或激光碎石装置。不锈钢针管1和连接头2同轴焊接在一起，通过连接头2上的外螺纹和变幅杆5锥端的内螺纹连接，弹性管4在变幅杆5的内部，夹在连接头2和吸石导管
20之间，外壳11和锥体帽23为螺纹连接，锥体帽23锥端内部和变幅杆5锥端外部之间垫有连接头O型环3，锥体帽23较大直径端内部和变幅杆5直径较大端外部，也就是整个换能器节点所在的位置，之间压有变幅杆O型环6，套筒8套在外壳11和配重9之间，与转接器
18之间压有套筒O型环12，另一端与变幅杆O型环6压力接触。

[0083] 本发明还提供了一种用于气体管路上的气压调节装置—调压排气阀，通过一种调压针阀和快速排气阀的组合结构，克服单手同时操作调压针阀和排气阀的困难，用于负压吸引管路的调压和快速排气。

[0084] 如图5～8所示，所述调压排气阀由O型橡胶圈138、排气阀杆136、针阀阀芯131、针阀阀体132、排气阀帽134和压缩弹簧135组成，排气阀杆136和排气阀帽134通过螺纹连接，压缩弹簧135套在排气阀杆136上，穿过针阀阀芯131的内孔，排气阀杆136和针阀阀芯131之间有O型橡胶圈，针阀阀芯131和针阀阀体132直接通过螺纹连接，下端配合处为圆锥面，针阀阀体132外表面有用于与外界安装的螺纹，针阀阀体132的一端套有O型橡胶圈138。针阀阀芯131上有一个轴向的阶梯孔，两个径向孔。并具有下述特征：1、排气阀杆136和针阀阀芯131之间用O型橡胶圈保持密封，针阀阀体132与外界管路通过螺纹连接，通过压紧O型橡胶圈138保证密封。针阀阀芯131与排气阀杆136接触的限位端面间通过O型橡胶圈138保持密封。2、所有零件装配在同一轴线上。3、针阀阀芯1轴向有一阶梯孔，排气阀杆136通过这个阶梯孔，在孔径较小的地方两者径向滑动配合，并在端面有台阶限位。4、针阀阀芯131有两个径向孔，系统正压调节时气体从针阀阀芯131与针阀阀体132之间的间隙，经针阀阀芯131上的径向孔，再通过针阀阀芯131上轴向的阶梯孔流出，系统负压调节时气体流向与正压时相反。

[0085] 本发明的针阀阀体和针阀阀芯的上部是螺纹连接，使用的时候逆时针旋动针阀阀芯，两者之间在轴向上会相对分开，下端的锥面处形成环形的间隙，间隙的大小由两者轴向分开的距离决定，这样就实现的压力的调节；针阀阀芯同时充当快速排气阀体的作用。其优点在于，气压调节装置的整个结构通过针阀阀体上的螺纹安装到负压吸引管路上，用O型橡胶圈保证密封。当需要调节管路气压时，旋动针阀阀芯，针阀打开，外界气体经由经针阀阀芯上的两个径向孔进入管路；当需要快速排气时，按下排气阀帽，带动排气阀杆，使O型橡胶圈离开针阀阀芯的下端面，实现快速排气，松开排气阀帽，在压缩弹簧的作用下，排气阀帽带动排气阀杆复位；且本发明结构简单、紧凑，易于加工，方便拆卸清洗，调压排气动作单手就可以实现。

[0086] 本发明的设计基于超声换能器的激励电压和电流在其谐振频率点具有相同相位的原理，采用当代最先进的直接数字合成(DDS)和大规模可编程器件，实现了一种新颖的全数字化自动频率跟踪方案。

[0087] 具体的全数字化特性主要表现在：

[0088] ①作为换能器激励源的DDS采用全数字的串行通信方式控制。

[0089] 相位比较器给出的相差信号作数字化运算处理后反馈给了DDS以实现频率跟踪，如图11所示。

[0090] 本发明的核心技术主要是DDS控制器F和只对信号边沿敏感的相位比较器E的设计。DDS控制器F的程序流程图，如图10所示。

[0091] 本发明的总体框图，如图9所示，具体工作过程如下：

[0092] (1)直接数字合成器(DDS)A产生某一频率的正弦波信号，功率放大器B将其放大后经匹配网络驱动超声换能器I；

[0093] (2)取样回路C从功率输出端取得换能器I的一组电压和电流反馈信号，该组信号分别经滤波整形电路D送到相位比较电路E和经幅度调整电路H送到主控单片机G；

[0094] (3)主控单片机G对DDS控制器F发出连续频率扫描指令，令DDS A在预定的频率范围内输出不同频率的正弦波进行扫描，同时主控单片机G对取样电流反馈信号进行监视，直到搜索接近到换能器的谐振频率点；

[0095] (4)当搜索频率接近到换能器的谐振点后，停止搜索，主控单片机G向DDS控制器F发出自动跟踪指令，DDS控制器F从该频率点开始自动跟踪换能器的谐振频率；

[0096] (5)相位比较电路E对来自换能器I并经滤波整形电路D处理后的电压和电流反馈信号进行相位比较，然后把相差信号输入给相差累积电路L以产生DDS的频率字，DDS控制器F会把频率字以40M的速率传给DDS芯片A以改变直其输出信号的频率，从而使得超声换能器I始终工作在谐振点附近。

[0097] 如图12所示，本发明的一种变形形式，即采用FPGA器件实现自动频率跟踪。它与前面所述方法的主要区别如下：

[0098] (1)DDS的数字部分集成在FPGA芯片内，而模拟部分通过一个外加的数模转换器实现。

[0099] (2)DDS控制逻辑F和前面所说的DDS控制器也是有区别的，这里的DDS控制逻辑主要由编程者设计的DDS控制接口决定。