一种医疗超声消融装置输出阻抗控制系统及方法与流程

本发明涉及医疗超声消融，尤其涉及一种医疗超声消融装置输出阻抗控制系统及方法。

背景技术：

1、超声介入消融治疗技术是一种通过体表(经皮)穿刺介入的利用高频超声波传送能量进行消融治疗方法，能量可以直接作用于目标组织，常用于肿瘤治疗、疼痛管理、血管疾病治疗等领域。换能器是超声介入消融治疗技术的核心部件之一，它是负责将电能转换为超声能并产生高强度超声波的装置，其电气特性在温度变化或加载大功率信号时会出现漂移，使原先在静态小信号时匹配良好的匹配电路出现失配，进而引发热、参数进一步变化、进一步失配和进一步发热形成恶性循环，严重时会导致换能器失效烧毁或者系统其他部分失效。所以在实际使用中需要实时调整换能器匹配电路的参数，使得换能器一直处在良好的匹配状态。

2、超声介入消融治疗技术中，设备的工作频率需要大于5mhz，因此对于负载电压信号、电流信号相位检测电路、低频功率放大器电路等的要求较高；同时，鉴于超声负载功率以及医疗环境对介入医疗器械的要求，其他如功率变压器信号隔离技术、信号幅度检测电路以及阻抗匹配和功率控制算法也变得不再适用。当前虽然可以采用可变电容器、变容二极管、可变电感器或者多组感容组合切换等方案实现阻抗匹配电路的参数调整，但这些传统方案中，可变电容器需机械旋转叶片，可变电感器需要机械调整其磁芯位置，这些一则体积大，二则调整速度慢，三则信号频率也有上限；变容二极管的问题则是其耐压不高，不适合大功率应用；而多组感容组合切换方式的缺点是组数有限，阻抗调节不能连续。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种医疗超声消融装置输出阻抗控制系统及方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种医疗超声消融装置输出阻抗控制系统，包括：

3、换能器，所述换能器用于将电能转换为高频的超声波后将传递到人体中；

4、超声波驱动器，所述超声波驱动器用于设定所述换能器的驱动功率和工作频率；

5、功率监测电路，所述功率监测电路用于采集负载电压信号和负载电流信号的相位差和比值信号；

6、主控模块，所述主控模块用于实时处理所述功率监测电路采集的数据后计算负载阻抗模值，判断当前负载阻抗与目标阻抗之间的失配程度后发出信号进行调节；

7、动态阻抗匹配电路，所述动态阻抗匹配电路接收所述主控模块的控制信号，调整可控电感的电感量匹配换能器的电气特性。

8、作为上述技术方案的进一步描述，所述换能器包括动态电感l1，所述动态电感l1依次连接有动态电容c1和动态电路r1，所述动态电感l1、动态电容c1和动态电路r1并联有静态电容c0，所述换能器还连接有串联匹配电感ls。

9、作为上述技术方案的进一步描述，所述动态阻抗匹配电路和所述超声波驱动器和所述动态阻抗匹配电路电性连接，所述动态阻抗匹配电路包括变压器t1和电容c2，所述变压器t1连接有直流信号源，所述电容c2和所述换能器并联。

10、作为上述技术方案的进一步描述，主控模块通过对磁芯外加直流偏置电流改变磁导率，调节耦合电感的电感量使阻抗匹配，耦合电感采用e型磁芯型式的变压器等效，耦合电感作为阻抗匹配电路的一部分，其初级线圈串联到信号传输线路中功率监测电路和换能器电路之间，其次级线圈连接到可调直流信号源电路。

11、一种医疗超声消融装置输出阻抗控制方法，具体步骤包括：

12、s1，根据用户或超声消融导管参数，设置换能器的初始驱动功率和工作频率；

13、s2，通过功率监测电路配合采样模块对负载电压信号和负载电流信号的相位差和比值信号进行采集；

14、s3，通过主控模块进行高速浮点运算实时计算出负载电压信号和负载电流信号的相位差变化值和负载阻抗模值，进而得出当前负载等效阻抗与目标阻抗的差值，判断当前负载阻抗的失配程度；

15、s4，若超过失配范围设定值eset，则进入s5，若仍在失配范围值内，则返回s2；

16、s5，主控模块发出控制信号，实时调整可控电感的直流偏置电流值，改变其电感量，促使阻抗匹配电路与漂移的换能器电气特性进行匹配，然后返回s2进行循环调控。

17、作为上述技术方案的进一步描述，超声换能器对外呈现容性阻抗。匹配电路作用是使得超声换能器的等效输入阻抗呈纯电阻性，降低或消除容性负载产生的无功功率，使得超声波驱动器的功率因数增高。换能器串联谐振时的等效阻抗为：

18、

19、换能器负载的电流与电压之间的相位角为：

20、

21、其中，c0为静态电容，c1为动态电容，r1为动态电阻，l1为动态电感，ωs为串联角频率，ls为串联匹配电感。

22、作为上述技术方案的进一步描述，串联角频率ωs为：

23、

24、在串联匹配电感ls为：

25、

26、换能器串联谐振时换能器和匹配电路的总等效阻抗zs为：

27、

28、当换能器负载的电流与电压之间的相位角为零时：

29、

30、其中，换能器的等效阻抗虚部为零时，换能器负载的电流与电压之间的相位角为零。

31、作为上述技术方案的进一步描述，换能器温度过高或负载特性突变时，其自身阻抗参数改变，电流与电压之间的相位角为非零值，谐振频率出现漂移，复阻抗z为：

32、

33、阻抗模值|z|为：

34、

35、相位角为：

36、

37、其中，r为换能器等效阻抗z的实部xl-xc为匹配电路和换能器等效阻抗的虚部

38、作为上述技术方案的进一步描述，阻抗失配的距离|xl-xc|为：

39、

40、其中，xl为串联匹配电感的阻抗ωsls，xc为换能器本体的等效阻抗的虚部相位角为阻抗失配的方向。

41、作为上述技术方案的进一步描述，功率监测电路采用增量式pid控制实现阻抗匹配的自动跟踪，通过比例环节加快调节减小偏差，通过积分环节消除静态误差，通过微分环节改善系统的动态性能，增量式pid算法方程为：

42、

43、其中，△u(n)为匹配电感阻抗偏差量，e(n)为相位角的偏差，kp为比例系数，ti为积分常数，td为微分常数；

44、当相位角偏差e(n)＞设定值eset，则通过主控模块启动pid控制器计算匹配电感阻抗偏差量△u(n)，输出系统修正后的匹配电感偏置电流。

45、本发明具有如下有益效果：

46、1、本发明，采用高速鉴相电路收集负载电压信号和负载电流信号之间的相位差和比例值，通过高速ad进行采样，系统根据采样所得的相位差和阻抗值，判别阻抗匹配失配程度，实时控制可控电感的直流偏置电流值调节电感量，使阻抗匹配电路与换能器构成的整体负载阻抗发生的变化体现到负载电压信号和负载电流信号上进而被系统探知，并让换能器继续保持谐振状态，提高驱动电源的工作效率，从而完成系统的连续动态匹配过程；

47、2、本发明，耦合电感采用e型磁芯型式的变压器等效，其初级线圈两个抽头串接到信号传输线路中，分别连接功率监测电路和换能器电路，其次级线圈用可控直流电压源驱动用于提供直流磁场，达到通过控制磁导率间接控制电感感值，整体体积小，调节速度快，适用功率范围大，可连续进行阻抗调节。