專利名稱：雙環(huán)路頻率與功率控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及晶狀體乳化器械，較具體地，涉及一種控制晶狀體乳化器械的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上使用超聲探頭進(jìn)行晶狀體乳化，即破碎眼睛中的白內(nèi)障并抽吸被破碎的組織碎片。為了得到恰當(dāng)?shù)牟僮?，必須小心地控制超聲探頭的功率。使超聲探頭工作在其諧振頻率處可以利用超聲換能器的諧振特性。諧振的定義是當(dāng)系統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)于或接近驅(qū)動(dòng)于它的一個(gè)自然模式時(shí)所出現(xiàn)的現(xiàn)象。
所以，以往技術(shù)著重于如何確定換能器的諧振頻率。這一問題在理論上已經(jīng)解決。確定超聲換能器的諧振頻率的一個(gè)典型方法是，比較施加給超聲換能器的電壓波形與流經(jīng)該換能器的電流波形之間的相位角。
當(dāng)給一個(gè)電路施加電壓時(shí)將會(huì)有電流流經(jīng)該電路。當(dāng)考慮某一特定電路的電壓波形和電流波形時(shí)，如果該電路是電感性的，則電流波形將落后于電壓波形，如果該電路是電容性的，則電壓波形將落后于電流波形。電流波形與電壓波形的過零點(diǎn)之間的時(shí)間差用三角學(xué)中的相位角Φ度量。對于純電阻性的電路，Φ等于零，這時(shí)稱電壓波形和電流波形是同相的。對于純電感性電路，φ=90°；對于純電容性電路，φ=90°；這時(shí)稱電壓波形與電流波形是不同相的。
由于只有電阻性元件才能實(shí)際消耗功率，所以在一個(gè)負(fù)載阻抗中若存在電感性或電容性阻抗的成份，則將降低向系統(tǒng)供給功率的效率。
對于含有電阻、電感和電容所有三種元件的電路，則雖然使電路含有各種電抗性的元件，即電阻元件加上由電感、電容元件造成的虛成份，也將存在某些頻率使電路的總阻抗表現(xiàn)為純電阻性的。這些頻率等于或接近于諧振頻率和/或反諧振頻率。
因此，從理論上說，確定某些類型的復(fù)雜電路的諧振頻率的一個(gè)方法可以是，給電路施加一個(gè)交流電壓并改變其頻率直到電壓與電流之間的相位角Φ變?yōu)榱?。滿足這個(gè)條件的頻率是該特定電路的實(shí)際諧振頻率。諧振頻率是當(dāng)電路響應(yīng)(即導(dǎo)納)為局部極大時(shí)所對應(yīng)的那個(gè)或那些頻率；反諧振頻率是當(dāng)響應(yīng)為局部極小時(shí)所對應(yīng)的那個(gè)或那些頻率。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)既含有電阻性又含有電抗性成份的電路時(shí)，需要的是要得知相位角Φ的值，這是因?yàn)橄蜇?fù)載提供的功率由下式?jīng)Q定功率=VIcos(Φ)其中V是負(fù)載阻抗兩端的電壓降；I是流經(jīng)負(fù)載阻抗的串連電流；而cos(Φ)是電路的功率因子。顯然，當(dāng)相位角為零時(shí)，cos(0)=1，于是從功率源向電路的功率轉(zhuǎn)移最大。對于純電阻性負(fù)載，將出現(xiàn)這一情況。
當(dāng)在實(shí)際中應(yīng)用這些理論原理時(shí)，將會(huì)遇到一些問題。具體地說，探頭的特性將隨諸如溫度、時(shí)間等等環(huán)境條件的改變而改變。這些改變將反映在

圖1超聲探頭電路模型中的各個(gè)電阻和電抗元件的值的變化。換言之，隨著環(huán)境因素的改變，超聲探頭的機(jī)械諧振頻率也將改變。為了解決這一問題，以往技術(shù)的一個(gè)方向是通過提供一個(gè)鎖相電路來保護(hù)系統(tǒng)的相位角Φ為零，其例子例如可見下述各美國專利No.5,446,416；No.5,210,509；No.5,097,219；No.5,072,195；No.4,973,876；No.4,484,154；和No.4,114,110。
不過，換能器上的負(fù)載將對換能器的振動(dòng)有阻尼作用。換言之，負(fù)載可能衰減換能器的振動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這一情況時(shí)，諧振頻率可能改變，從而相位角Φ不再為零，結(jié)果功率轉(zhuǎn)移將不再是最佳的。因此，除非在電路中作出了改變相位角Φ的準(zhǔn)備，否則，就不能夠達(dá)到最佳的功率轉(zhuǎn)移。
于是，探索了一些不是鎖定相位角Φ的方法，例如像美國專利No.4,970,656和No.4,954,960所公開的那樣，在一個(gè)控制系統(tǒng)中利用一個(gè)可調(diào)電感來抵消超聲換能器的負(fù)載阻抗中的容性電抗。另外，在美國專利No.5,431,664中還探討了把超聲換能器的導(dǎo)納而不是相位角作為可調(diào)參數(shù)的方法。
美國專利No.5,331,951還純粹從輸出功率的角度來處理這一問題，其中考慮了施加給驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際電功率，并在把所供電功率與所希望的換能器功率大小進(jìn)行比較之后去改變供應(yīng)電壓。該專利還略微涉及到了一種通過提供一個(gè)升壓穩(wěn)壓器來對功率放大器供應(yīng)電壓，以使該放大器的功耗基本上達(dá)到最小化的方法。
在例如美國專利No.4,849,872的另一種方法中，利用了調(diào)節(jié)相位的功率與頻率控制。其中，先確定超聲換能器的初始諧振頻率，然后導(dǎo)入一個(gè)電壓波形與電流波形之間的電容性相位角，并通過相位控制電路的相位控制，使該相位角保持在能使振蕩器工作頻率相對于換能器的串連諧振頻率減小的角度上。典型地，該相位角被保持在一個(gè)非零的恒定值上。類似地，在美國專利No.4,888,565中利用了一個(gè)監(jiān)視輸出信號(hào)的功率控制反饋環(huán)路和一個(gè)頻率控制反饋環(huán)路來提供最大的電流。該方法要求保持交流電源電流的恒定性。
圖1示出了超聲晶狀體乳化探頭在諧振頻率附近的電路模型。該模型含有一個(gè)電壓源1401，該電壓源連接在一個(gè)與一個(gè)串聯(lián)RLC(電阻一電感一電容)電路1403相并聯(lián)的1130pF電容1402上，該RLC電路中的電阻為220Ω，電感為1.708H，電容為18pF。
在考慮該電路模型的表觀功率時(shí)得到了圖2和3所示的曲線。從這兩個(gè)曲線圖可以盾出，表觀功率的峰值出現(xiàn)在28.661Khz處，這時(shí)相位角約為一42°。由于RLC電路1403中的并聯(lián)電容，這一結(jié)果是在預(yù)料之中的。
在考察該電路模型的真實(shí)功率時(shí)得到了圖4和5所示的曲線圖。從這兩個(gè)曲線圖可以看出，實(shí)際功率的峰值出現(xiàn)在28.7kHz處，但這時(shí)的相位角約為-24.5°。
當(dāng)在圖1的虛線框1404內(nèi)設(shè)置一個(gè)具有計(jì)算值27.21mH的補(bǔ)償電感以抵消圖1中的電抗成份時(shí)，可得到圖6和7所示的表觀功率和真實(shí)功率信息，現(xiàn)在它們的峰值都出現(xiàn)在28.7kHz處并且相位角約為-0.5°。這樣，可以看出，虛線框1404中的電感補(bǔ)償了并聯(lián)電容1402，并使電路在諧振時(shí)表現(xiàn)為電阻性(零相位)的。這些曲線圖清楚地表明，除非加上了接近造成諧振的補(bǔ)償電感，真實(shí)功率能更精確地反映諧振頻率的情況。因此，這里把諧振頻率定義為真實(shí)功率達(dá)到(局部)最大值時(shí)的頻率。不過，如果并聯(lián)電容被補(bǔ)償成諧振，則也可以用表觀功率來確定諧振頻率。如果補(bǔ)償電感把并聯(lián)電容1402補(bǔ)償成接近諧振，則表觀功率提供了諧振頻率(出現(xiàn)局部極大處的頻率)的近似值。
因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中需要使對超聲換能器的功率輸出最大化，而不受換能器特性隨環(huán)境和負(fù)載的改變而改變的影響，并且還不需要求一定有固定的相位角或恒定的電流。
本發(fā)明公開的內(nèi)容本發(fā)明是根據(jù)上述這些問題而開發(fā)的。本發(fā)明是一種改進(jìn)的用來向超聲換能器提供電功率的晶狀體乳化探頭驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路有一個(gè)功率控制環(huán)路和一個(gè)頻率控制環(huán)路。功率控制環(huán)路含有一個(gè)可變增益放大器，其輸出是對一個(gè)功率放大器的輸入。功率被該功率放大器放大之后被提供給一個(gè)變壓器，然后再提供給換能器。探測出施加給變壓器初級(jí)的電壓和電流以產(chǎn)生一個(gè)正比于功率(真實(shí)的或表觀的)的信號(hào)，并把結(jié)果與從一個(gè)踏板產(chǎn)生的功率命令相比較。比較后得到的結(jié)果被輸送給一個(gè)第一控制器，后者根據(jù)該信息向可變增益放大器發(fā)送一個(gè)校正信號(hào)。另外還用一個(gè)相位探測器探測施加給變壓器初級(jí)的電壓波形與電流波形的相位。然后推導(dǎo)出相位角，并將它與一個(gè)根據(jù)系統(tǒng)的初始標(biāo)定所確定的相位命令相比較。求和/求差塊把比較結(jié)果輸送給一個(gè)第二控制器，后者向一個(gè)壓控振蕩器(VCD)發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)。VCO接收該信號(hào)并向可變增益放大器發(fā)送一個(gè)具有固定電壓的特定頻率。
工作之前，先通過給探頭施加一個(gè)恒定電壓并以一系列的頻率去掃描驅(qū)動(dòng)電路來標(biāo)定晶狀體乳化探頭。然后選擇另一個(gè)電壓并進(jìn)行另一次頻率掃描。這一過程在一個(gè)或多個(gè)電壓大小下重復(fù)，所得到的關(guān)于功率和相位隨頻率變化的信息被存入一個(gè)存儲(chǔ)器，使得在與某一功率要求相關(guān)連的諧振情況下的最佳相位角能被容易地確定，雖然在一定的功率大小范圍內(nèi)相位角可能是恒定的。此外，當(dāng)功率和相位信息被存入存儲(chǔ)器時(shí)，利用位于某一諧振頻率附近一個(gè)范圍內(nèi)的一些頻率去生成一個(gè)窗口，位于該窗口之外的頻率可以不使用。
工作時(shí)，踏下踏板提供一個(gè)功率命令，以與當(dāng)時(shí)已有的功率比較。這兩個(gè)功率大小的差值被傳送給功率環(huán)路控制器。功率環(huán)路控制器根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的信息選擇一個(gè)為校正當(dāng)時(shí)功率與功率命令之間的差值所需的適當(dāng)?shù)碾妷捍笮?，并把該信息輸送給可變增益放大器的控制輸入端?？勺冊鲆娣糯笃靼哑漭敵鲚斔徒o功率放大器。功率放大器的輸出被提供給變壓器，同時(shí)也被提供給功率監(jiān)視器和相位探測器。然后計(jì)算出功率并把它與從腳控裝置接收到的功率命令信號(hào)相比較，使功率環(huán)路再次開始工作。相位探測器將它的相位信息傳送給一個(gè)求和/求差模塊，后者將當(dāng)時(shí)相位與一個(gè)計(jì)算的相位命令相比較。然后相位命令與當(dāng)時(shí)相位之間的差值被輸送給頻率環(huán)路控制器，后者將向壓控振蕩器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，使它向作為頻率環(huán)路一端的可變增益放大器的輸入端發(fā)送某一頻率，相位命令是根據(jù)標(biāo)定時(shí)取得的信息和當(dāng)前的功率命令決定的。
下面將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的另一些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和工作。
附圖的簡單說明作為本說明書一個(gè)構(gòu)成部分的各個(gè)附圖示出了本發(fā)明的一些實(shí)施例，并與說明文字一起用于闡明本發(fā)明的原理。
圖1示出了工作于其諧振頻率附近的超聲晶狀體乳化探頭的電路模型的方框圖；圖2是根據(jù)圖1電路模型的表觀功率曲線圖；圖3是根據(jù)圖1電路模型的與圖2表觀功率曲線圖相關(guān)的電壓波形與電流波形之間的相位角的曲線圖；圖4是根據(jù)圖1電路模型的真實(shí)功率曲線圖；圖5是根據(jù)圖1電路模型的與圖4真實(shí)功率曲線圖相關(guān)的電壓波形與電流波形之間的相位角的曲線圖；圖6是在圖5電路模型中加上一個(gè)補(bǔ)償電感后的表觀功率和相位角的曲線圖；圖7是在圖5電路模型中加上一個(gè)補(bǔ)償電感后的真實(shí)功率和相位角的曲線圖；圖8示出本發(fā)明的晶狀體乳化探頭系統(tǒng)的方框圖；圖9示出圖8中功率監(jiān)視器模塊為表觀功率監(jiān)視器時(shí)的較詳細(xì)的方框圖；圖10示出圖8中功率監(jiān)視器模塊為真實(shí)功率監(jiān)視器時(shí)的較詳細(xì)的方框圖；圖11、12、13、14和15示出一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了一個(gè)協(xié)處理器和一個(gè)電可編程的邏輯器件；圖16、17、18和19示出一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了用于協(xié)處理器的存儲(chǔ)器和一個(gè)復(fù)原電路；圖20、21和22示出一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了一個(gè)發(fā)送接收機(jī)和一個(gè)神經(jīng)元集成電路芯片；圖23、24、25和26示出一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了一個(gè)升壓穩(wěn)壓器、一個(gè)壓控振蕩器、一個(gè)多重?cái)?shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)可變增益放大器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)第一耦合電容、一個(gè)隔離變壓器、一個(gè)第二耦合電容、一個(gè)補(bǔ)償電感和一個(gè)超聲換能器；圖27和28示出一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了電壓和電流的RMS(均方根)/DC(直流)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)平均功率探測器；圖29和30示出了一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了各種輔助硬件電路；以及圖31和32示出了一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施例，其中畫出了各種輔助硬件電路。
實(shí)施本發(fā)明的模式參見各附圖，在這些圖中類似的元器件用類似的代號(hào)表示，圖8示出了本發(fā)明的晶狀體乳化探頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)總的用代號(hào)1411表示。晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411包括總的用1412表示的功率環(huán)路，總的用1413表示的頻率環(huán)路，以及總的用1414表示的隔離的換能器電路。
如圖8所示，功率環(huán)路1412包括功率環(huán)路控制器1415、可變增益放大器1416、功率放大器1417、第一耦合電容1418、變壓器1436、功率監(jiān)視器1419、第一求和/求差模塊1425、和功率命令信號(hào)輸入端1426。
功率環(huán)路控制器1415有一個(gè)向可變增益放大器1416的輸出。功率環(huán)路控制器1415有兩個(gè)功能(1)執(zhí)行求平方根操作(功率正比于電壓平方)；(2)保證環(huán)路的穩(wěn)定性和保證所希望的系統(tǒng)響應(yīng)特性。功率環(huán)路控制器1415也可以任選地在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)峰值功率信息，不過這一信息的存儲(chǔ)也可由協(xié)處理器及協(xié)處理器存儲(chǔ)器實(shí)行。功率放大器1417從可變增益放大器1416的輸出端接收輸入。功率放大器1417的輸出要通過耦合電容1418，該電容的作用是補(bǔ)償泄漏電感和阻擋來自功率放大器1417的直流成份。然后功率被輸送給變壓器1436的初級(jí)，由此輸送給隔離的換能器電路1414。此外，施加給隔離的換能器電路1414的電壓和電流由功率監(jiān)視器1419探測。功率監(jiān)視器1419產(chǎn)生一個(gè)正比于功率(真實(shí)的或表觀的)信號(hào)。
如圖9所示，功率監(jiān)視器1419可以是一個(gè)表觀功率監(jiān)視器，它包括一個(gè)電壓的RMS/DC(均方根/直流)轉(zhuǎn)換器1420，一個(gè)電流的RMS/DC轉(zhuǎn)換器1421和一個(gè)乘法器1422。它產(chǎn)生一個(gè)代表表觀功率值的直流信號(hào)，然后把該信號(hào)輸送給第一求和/求差模塊1425?；蛘?，功率監(jiān)視器1419也可以是一個(gè)真實(shí)功率監(jiān)視器，它包括一個(gè)連接在低通濾波器1424上的電壓、電流乘法器1423。這將產(chǎn)生一個(gè)真實(shí)功率值，然后該值被傳送給第一求和/求差模塊1425。
第一求和/求差模塊1425將由功率監(jiān)視器1419測得的功率與在功率命令信號(hào)輸入端1426處輸入的功率命令相比較。在硬件方面，這里所討論的任何求和/求差模塊都能用一個(gè)差分放大器來實(shí)現(xiàn)；在軟件方面，該模塊的功能通常稱為“減法”操作。比較的結(jié)果被傳送給功率環(huán)路控制器1415。在計(jì)算出所需校正的大小之后(功率環(huán)路控制器1415)根據(jù)計(jì)算結(jié)果向電壓增益放大器1416發(fā)送一個(gè)新的信號(hào)。這一計(jì)算可以由功率環(huán)路控制器1415執(zhí)行，或者由與功率環(huán)路控制器1415相連的任何其他單元，例如協(xié)處理器和協(xié)處理器存儲(chǔ)器單元來執(zhí)行。這樣就完成了功率環(huán)路1412的一次循環(huán)。
頻率環(huán)路1413包括頻率環(huán)路控制器1430，它向壓控振蕩器1431傳送一個(gè)信號(hào)。后者又給可變增益放大器1416提供輸入，其后再給功率放大器1417，然后通過耦合電容1418給到隔離的換能器電路1414。施加給隔離的換能器電路1414的電壓波形和電流波形由相位探測器1432探測，然后傳送給第二求和/求差模塊1433。在第二求和/求差模塊1433的相位命令輸入端1434處還輸入有一個(gè)相位命令，該命令是根據(jù)系統(tǒng)的初始標(biāo)定和可能的后續(xù)計(jì)算確定的。其后第二求和/求差模塊1433根據(jù)當(dāng)時(shí)相位與相位命令之間的相位差向頻率環(huán)路控制器1430發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)。在計(jì)算出所需的校正大小之后，頻率環(huán)路控制器1430將根據(jù)計(jì)算結(jié)果向壓控振蕩器1431發(fā)送一個(gè)新的信號(hào)。這一計(jì)算可以由頻率環(huán)路控制器1430執(zhí)行，也可以由與頻率環(huán)路控制器1430相連的任何其他單元，例如協(xié)處理器和協(xié)處理器存儲(chǔ)器單元來執(zhí)行。這樣就完成了頻率環(huán)路1413的一次循環(huán)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到隔離的換能器電路1414，該電路包括隔離變壓器1436的次級(jí)、第二耦合電容1437、補(bǔ)償電感1438和超聲換能器1439。較具體地說，超聲換能器1439和補(bǔ)償電感1438的并聯(lián)組合與變壓器1436的次級(jí)和耦合電容1437相串聯(lián)。第二耦合電容1437的作用是補(bǔ)償隔離變壓器1436可能泄漏的電感。
補(bǔ)償電感1438的值的選取使得其電抗大小等于超聲換能器1439的固有并聯(lián)電容的電抗大小(C)。如果用F代表超聲換能器的諧振頻率，則補(bǔ)償超聲傳感器的正確電感值應(yīng)該等于1除以[(2πF)2C]。眾所周知，超聲換能器1439的固有并聯(lián)電容值會(huì)有一定的變化，所以在計(jì)算補(bǔ)償電感1438的值時(shí)，可以先從超聲換能器1439的一些樣品導(dǎo)出它們的固有并聯(lián)電容的平均值，然后再計(jì)算補(bǔ)償電感1438的值。由于補(bǔ)償電感1438是一個(gè)固定值，所以該電路的設(shè)計(jì)只是為使晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1401的超聲換能器1439與補(bǔ)償電感1438的并聯(lián)組合表現(xiàn)為純電阻性而提供一個(gè)比較精確的電感值，而留下的小量誤差則利用功率環(huán)路1412和頻率環(huán)路1413的結(jié)合予以補(bǔ)償。
晶體乳化探頭系統(tǒng)1411有兩個(gè)分開的和不同的模式。一個(gè)是標(biāo)定模式，這時(shí)兩個(gè)控制環(huán)路是開環(huán)的，并且除去了兩個(gè)求和/求差模塊1425、1433；另一個(gè)是工作模式，這時(shí)控制環(huán)路是閉環(huán)的，使得能對來自踏板的功率命令作出響應(yīng)。
轉(zhuǎn)到晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411的工作，在用于實(shí)際手術(shù)之前，必須首先對整個(gè)系統(tǒng)1411進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定步驟的目的是對系統(tǒng)工作的電壓和頻率窗口初始化。
簡單地說，標(biāo)定的目的是通過在某一恒定電壓下相繼地循環(huán)一系列頻率(頻率掃描)，然后可能對各不同的電壓重復(fù)這一掃描以導(dǎo)出不同功率下的諧振頻率，來找到電壓和頻率的工作窗口。該信息被存入存儲(chǔ)器，然后在雙環(huán)路晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411的控制中被用來確定相位命令。
標(biāo)定由用戶的請求起動(dòng)。粗略地說，標(biāo)定由一次或多次頻率掃描組成。頻率環(huán)路控制器1430從一個(gè)較低的開始頻率出發(fā)進(jìn)行頻率掃描，直到一個(gè)較高的結(jié)束頻率。在該頻率掃描中，功率環(huán)路控制器1415和頻率環(huán)路控制器1430接收標(biāo)定命令信號(hào)。然后功率環(huán)路控制器1415向可變增益放大器1416發(fā)送一個(gè)命令信號(hào)，使后者能輸出一個(gè)固定的電壓。類似地，頻率環(huán)路控制器1430向壓控振蕩器1431發(fā)送一個(gè)信號(hào)。壓控振蕩器1431在接收到該信號(hào)后將給可變增益放大器1416提供頻率掃描?？勺冊鲆娣糯笃?416給頻率掃描電壓以一個(gè)電壓增益，產(chǎn)生輸出電壓。該輸出電壓作為輸入電壓傳送功率放大器1417。功率放大器1417放大該功率，并通過耦合電容1418(其作用前面已討論)傳送給隔離變壓器1436。功率監(jiān)視器1419確定峰值功率達(dá)到局部極大值時(shí)的頻率，相位探測器1432確定相位過零時(shí)的頻率。然后在該臨界頻率周圍確定個(gè)工作頻率窗口。該窗口的后端是這樣確定的首先確定達(dá)到局部極大峰值功率處的頻率和相位角過零頻率的一個(gè)鄰近區(qū)。然后從該區(qū)域出發(fā)，在較低頻率下審查頻率掃描，以確定發(fā)生前一次相位角過零的頻率。再在該前一次相位角過零的頻率上加上一個(gè)固定的頻率量，以建立工作頻率窗口的后端。工作頻率窗口的前端可以用類似方法建立?；蛘?，也可以通過在臨界頻率的前后建立一個(gè)固定的例如1kHz的頻帶。建立工作頻率窗口的目的是保證諧振頻率將出現(xiàn)在該窗口內(nèi)，同時(shí)不會(huì)遇到其他的相位過零點(diǎn)。關(guān)于峰值功率，峰值功率相位、工作功率大小、和頻率窗口的信息可以存入存儲(chǔ)器。
應(yīng)該指出，較好的做法可能是，先進(jìn)行粗略的頻率掃描來確定一些感興趣的一般區(qū)域，然后再針對感興趣的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的頻率掃描。這樣能使對存儲(chǔ)器的要求最小化，這是因?yàn)榇鎯?chǔ)在存儲(chǔ)器中的掃描信息是比較多的，但這些信息只需要暫時(shí)存到能導(dǎo)出窗口信息為止；另一方面，窗口信息是比較永久性的，但只需要較少的存儲(chǔ)空間。
經(jīng)一次頻率掃描之后，功率環(huán)路控制器1415將改變電壓增益，從而將以一個(gè)不同的電壓(功率/激勵(lì)電平)進(jìn)行頻率掃描，由此得到的相位和功率信息被存入存儲(chǔ)器。這一在標(biāo)定時(shí)所取得的數(shù)據(jù)使得可以確定相位角的改變，從而可以在以后工作時(shí)，根據(jù)晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411在工作中從第一和第二求和/求差模塊1425和1433導(dǎo)出的誤差信號(hào)來確定相位命令。
完成了對晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411的標(biāo)定(該處理約需4至6秒鐘)之后，就可以開始該系統(tǒng)1411的實(shí)際工作。在工作中，外科醫(yī)生踏下一個(gè)踏板(未示出)，后者將向第一求和/求差模塊1425的功率命令信號(hào)輸入端1426發(fā)送一個(gè)功率命令。第一求和/求差模塊1425根據(jù)該新功率命令與系統(tǒng)的當(dāng)時(shí)功率大小之間的差值，向功率環(huán)路控制器1415發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)。
功率環(huán)路控制器1415計(jì)算出新的電壓要求，并向可變增益放大器1416發(fā)送一個(gè)信號(hào)。類似地，向第二求和/求差模塊1433的相位命令信號(hào)輸入端1434輸入一個(gè)相位命令信號(hào)，該信號(hào)是由功率命令和標(biāo)定時(shí)存入的信息來確定的。第二求和/求差模塊1433產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)并把它傳送給壓控振蕩器1431。壓控振蕩器1431向可變增益放大器1416的一個(gè)輸入端輸出一個(gè)改變了的頻率。在兩個(gè)輸入的作用下，可變增益放大器1416將向功率放大器1417輸出一個(gè)電壓，然后后者將把功率傳送給隔離變壓器1436的次級(jí)。隔離變壓器1436的次級(jí)通過第二耦合電容1437和補(bǔ)償電感1438把功率傳送給超聲換能器1439。
在功率放大器1417向隔離的換能器電路1414傳送功率的同時(shí)，電壓和電流波形也被傳送(與隔離變壓器1436的次級(jí)并行地)給功率監(jiān)視器1419和相位探測器1432。平均功率的直流信號(hào)被第一求和/求差模塊1425接收，并與功率命令信號(hào)輸入端1426處的原有功率命令相比較。然后第一求和/求差模塊1425向功率環(huán)路控制器1415發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)。類似地，相位探測器1432測得的相位角被傳送給第二求和/求差模塊1433，并與相位命令信號(hào)輸入端1434處的信號(hào)比較，比較結(jié)果被傳送給頻率環(huán)路控制器1430。其后，如前所述，功率環(huán)路控制器1415和頻率環(huán)路控制器1430分別把校正信號(hào)輸送給可變增益放大器1416和壓控振蕩器1431。
應(yīng)該指出，由于晶狀體乳化探頭系統(tǒng)1411最終很可能不是一個(gè)精確的純電阻性電路，所以相位命令信號(hào)更可能是一個(gè)非零的相位命令。系統(tǒng)1411很可能不是純電阻性電路的原因在于以下幾個(gè)方面補(bǔ)償電感1438的值是固定的，但不同電感的值有一個(gè)小的容差；對于不同器械，換能器1439的固有并聯(lián)電容可能不同；以及，環(huán)境因素可能引起超聲換能器1439的諧振頻率的改變。因此，對于某一特定功率值，最佳相位角Φ為零時(shí)，電路將是純電阻性的。如果電路中存在不平衡，則由于電路不是純電阻性的從而相位角不能為零。不過，平均來說可以預(yù)計(jì)，最佳相位角一般位在零附近至少20°的范圍內(nèi)。
給出圖11-32的目的首先只是讓讀者能看到圖8方框圖的詳細(xì)電路概貌，其次才是給出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式。功率環(huán)路控制器1415和頻率環(huán)路控制器1430的功能在物理硬件上被結(jié)合成一個(gè)協(xié)處理器1441，如圖11和12所示。圖11和12的協(xié)處理器1441被連接到圖23所示的壓控振蕩器1431，即一個(gè)符號(hào)波發(fā)生器上，后者將其信號(hào)傳送給可變增益放大器1416，該放大器標(biāo)號(hào)為LF412，與多重?cái)?shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC，由代號(hào)1444表示)相連接。MDAC1444是一個(gè)雙通道DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，它向圖24所示的升壓穩(wěn)壓器電路提供一個(gè)信號(hào)，后者給圖25中所示的含有運(yùn)算放大器模塊LM12的功率放大器1417提供電源和偏置電壓。應(yīng)該指出，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明不一定需要升壓穩(wěn)壓電路。升壓穩(wěn)壓電路只是向功率放大器1417提供電源電壓的另一種手段，并且使用該電路需要有另一個(gè)控制器來計(jì)算所需的提升電壓輸出，并把升壓命令輸送給升壓穩(wěn)壓器。
功率放大器1417的輸出通過耦合電容1418傳送給隔離變壓器1436。如圖25右端所示，設(shè)置了電流監(jiān)視器引線1446和電壓監(jiān)視器引線1447，以探測輸送給隔離變壓器1436的電流和電壓。兩條監(jiān)視器引線1446和1447分別從圖25通向圖27，在那里兩個(gè)監(jiān)視器信號(hào)被代號(hào)為1448和1449的兩個(gè)LF412運(yùn)算放大器模塊規(guī)化。
規(guī)化后，功率監(jiān)視器1419探測遞送給第一變壓器(變壓器初級(jí))1436的功率。具體地說，模塊AD36示出了電壓RMS/DC轉(zhuǎn)換器1420，類似地，另一個(gè)模塊AD536示出了電流RMS/DC轉(zhuǎn)換器1421。其后，兩個(gè)輸出被傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊MAX182(代號(hào)1450)，后者把正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)再傳送給圖11中的協(xié)處理器1441。
在圖27中，當(dāng)電壓和電流監(jiān)視器1446，1447的輸出被規(guī)化后，它們也被傳送給相位探測器1432，后者包括兩個(gè)部分(1)圖27中的過零探測運(yùn)算放大器LM319(代號(hào)1451和1452)，以及(2)然后是圖13的電可編程邏輯器件(EPLD)PLSI1032(代號(hào)1453)。當(dāng)離開圖13的EPLD1453之后，輸出被傳送到圖27中的引線滯后低通濾波器模塊LF412，再后到模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊MAX182(代號(hào)1450)，然后到圖11中的協(xié)處理器1441。
轉(zhuǎn)到圖20，其中模塊25是一個(gè)NEURON(神經(jīng)元)芯片1454(“NEUROR”是注冊商標(biāo))。該芯片有下述功能。當(dāng)外科醫(yī)生踏下腳控裝置時(shí)將有一個(gè)功率命令傳送給圖22的發(fā)送接收機(jī)模塊U23(代號(hào)1455)。當(dāng)發(fā)送接收機(jī)1455接收到該功率命令時(shí)，它將向NEURON芯片U251454發(fā)送該命令，然后再傳送給圖11的協(xié)處理器1441。
從上述討論可見，本發(fā)明的幾個(gè)目的和其他優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到。所選擇的各個(gè)實(shí)施例是為了能最好地闡明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，由此使其他熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們能在各種實(shí)現(xiàn)中最好地利用本發(fā)明并作出適合于他們具體應(yīng)用的各種修改。由于在不偏離本發(fā)明范圍的情況下可以對這里所說明和示出的結(jié)構(gòu)和方法作出各種修改，所以希望把前面的說明和附圖中所示的全部內(nèi)容都看成是說明性的而不是限制性的。例如，本發(fā)明的硬件實(shí)施可以通過與其他硬件的合并或擴(kuò)展而加以改變，或者可以用軟件來替代。在另一個(gè)例子中，功率放大器可以從一個(gè)能提供電源和偏置電壓的升壓穩(wěn)壓器獲得附加的輸入而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神。具體地說，功率環(huán)路控制器在接收到關(guān)于被比較功率值的誤差信號(hào)時(shí)，它可以向第三個(gè)控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，后者將向升壓穩(wěn)壓器提供輸入，而其輸出又變成功率放大器的一個(gè)輸入。所以，本發(fā)明的廣度和范疇不應(yīng)受到上述任何示例性實(shí)施例的限制，而應(yīng)僅僅由后附權(quán)利要求及其等效內(nèi)容來確定。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)晶狀體乳化器械的方法，它包括以下步驟(a)接收一個(gè)關(guān)于功率的命令信號(hào)；(b)用一個(gè)求和器將該命令信號(hào)與當(dāng)時(shí)已有的功率信號(hào)相比較；(c)從上述求和器向一個(gè)功率環(huán)路控制器發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)；(d)計(jì)算新的電壓要求；(e)根據(jù)該新電壓要求從上述功率環(huán)路控制器向一個(gè)可變增益放大器發(fā)送一個(gè)信號(hào)；(f)上述可變增益放大器對一個(gè)輸入電壓作用以由來自上述功率環(huán)路控制器的信號(hào)所控制的電壓增益，以產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓；(g)把來自上述可變增益放大器的輸出電壓作為輸入電壓提供給一個(gè)功率放大器；(h)利用功率放大器的輸入電壓來輸出增大的功率；(I)把上述功率提供給一個(gè)變壓器；(j)用一個(gè)功率監(jiān)視器探測提供給上述變壓器的功率；(k)用一個(gè)相位探測器探測提供給上述變壓器的電壓與電流之間的相位差；(l)從上述相位探測器向一個(gè)相位差求和器輸送一個(gè)代表相位差的信號(hào)；(m)用上述相位差求和器將該代表相位差的信號(hào)與一個(gè)相位命令信號(hào)相比較；(n)從上述相位差求和器向一個(gè)頻率環(huán)路控制器發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)；(o)計(jì)算新的頻率要求；(p)根據(jù)新頻率要求從上述頻率環(huán)路控制器向一個(gè)壓控振蕩器發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)；(q)從上述壓控振蕩器向上述可變增益放大器的輸入端發(fā)送一個(gè)具有步驟(o)中算得頻率的固定輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(r)連續(xù)地重復(fù)步驟(a)至(q)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)晶狀體乳體器械的方法，其中用以步驟來替代步驟(h)(S)從上述功率環(huán)路控制器向一個(gè)升壓穩(wěn)壓器控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)；(t)用該控制器計(jì)算所需的升壓電壓輸出；(u)從上述升壓控制器向一個(gè)升壓穩(wěn)壓器發(fā)送一個(gè)升壓命令；(v)從上述升壓穩(wěn)壓器向上述功率放大器發(fā)送一個(gè)輸出；以及(w)在上述功率放大器中利用功率放大器輸入電壓和升壓穩(wěn)壓器輸出來輸出增大的功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)晶狀體乳的器械的方法，它還包括以下步驟。在步驟(h)和(i)之間，將一個(gè)耦合電容放置在上述功率放大器的后面和上述變壓器的前面，以補(bǔ)償上述變壓器的泄漏電感和阻擋來自上述功率放大器的任何直流成份。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)晶狀體乳化器械的方法，其中步驟(a)中的關(guān)于功率的命令信號(hào)是根據(jù)一個(gè)踏板的空間移位量導(dǎo)出的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的驅(qū)動(dòng)晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(x)在上述變壓器的輸出方提供一個(gè)與一個(gè)超聲換能器相串聯(lián)的第二耦合電容和一個(gè)與該超聲換能器相并聯(lián)的電感，上述電容用來補(bǔ)償上述變壓器的任何泄漏電感以改善上述變壓器初級(jí)方的功率和相位探測，上述電感用來補(bǔ)償上述超聲換能器的固有并聯(lián)電容以使其阻抗在諧振時(shí)基本上表現(xiàn)為電阻性的。
7.一種標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它包括以下步驟(a)由一個(gè)功率環(huán)路控制器和一個(gè)頻率環(huán)路控制器接收一個(gè)要標(biāo)定的命令信號(hào)；(b)從上述功率環(huán)路控制器向一個(gè)可變增益放大器發(fā)送一個(gè)信號(hào)；(c)從上述頻率環(huán)路控制器向一個(gè)壓控振蕩器發(fā)送一個(gè)信號(hào)；(d)從上述壓控振蕩器向上述可變增益放大器發(fā)出一個(gè)電壓頻率掃描；(e)上述電壓增益放大器對頻率掃描電壓施以電壓增益以產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓；(f)用上述電壓增益放大器的輸出電壓作為一個(gè)功率放大器的輸入電壓；(g)利用上述功率放大器來輸出增大的功率；(h)把上述功率傳送給一個(gè)變壓器；(i)用一個(gè)功率監(jiān)視器探測傳送給上述變壓器的功率，并把功率大小的值傳送給一個(gè)功率求和器；(j)用上述功率求和器將已有功率信號(hào)與零比較；(k)從上述功率求和器向上述功率環(huán)路控制器發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)，以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；(l)用一個(gè)相位探測器探測提供給上述變壓器的電壓與電流之間的相位差；(m)從上述相位探測器向一個(gè)相位差求和器發(fā)送一個(gè)代表相位差的信號(hào)；(n)用上述相位差求和器將代表相位差的信號(hào)與零比較；(o)從上述相位差位求和器向一個(gè)頻率環(huán)路控制器發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)，以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；以及(p)從上述功率環(huán)路控制器向上述可變增益放大器發(fā)送一個(gè)信號(hào)以改變電壓增益。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(q)多次重復(fù)步驟(d)至(p)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(r)根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的關(guān)于頻率、相位和功率的信息確定某些電壓下的最大功率，以能夠根據(jù)從上述功率求和器和相位求和器導(dǎo)出的誤差信號(hào)計(jì)算出新的頻率、相位和功率等參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(s)確定一個(gè)能在除了諧振頻率附近之外避免零相位點(diǎn)的可工作頻度范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟在步驟(g)和(h)之間，在上述功率放大器后面和上述變壓器前面設(shè)置一個(gè)耦合電容，用來補(bǔ)償上述變壓器的泄漏電感和阻擋任何來自上述功率放大器的直流成份。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，它還包括以下步驟(s)在上述變壓器的輸出方提供一個(gè)與一個(gè)超聲換能器相串聯(lián)的第二耦合電容和一個(gè)與該超聲換能器相并聯(lián)的電感，來向上述晶狀體乳化器械傳送功率。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的標(biāo)定晶狀體乳化器械的方法，其中以下述步驟替代步驟(g)(t)從上述功率環(huán)路控制器向一個(gè)升壓穩(wěn)壓器發(fā)送一個(gè)信號(hào)；(u)從上述升壓穩(wěn)壓器向上述功率放大器送出一個(gè)輸出；(v)在上述功率放大器中利用功率放大器輸入電壓和升壓穩(wěn)壓器輸出來輸出增大的功率。
14.一種用于晶狀體乳化探頭系統(tǒng)的電路，它包括一個(gè)頻率環(huán)路控制器，它含有一個(gè)與一個(gè)壓控振蕩器的一個(gè)輸入端相連接的輸出端；一個(gè)功率環(huán)路控制器，它含有一個(gè)與一個(gè)可變增益放大器的一個(gè)輸入端相連接的輸出端；上述壓控振蕩器有一個(gè)與上述可變增益放大器的一個(gè)輸入端相連接的輸出端；一個(gè)功率放大器，它連接在上述可變增益放大器的一個(gè)輸出端上；上述功率放大器向一個(gè)隔離功率變壓器輸送功率；一個(gè)連接在上述隔離功率變壓器上的功率監(jiān)視器，用于探測輸送給該變壓器的上述功率；一個(gè)功率求和器，它的一個(gè)輸入端連接在上述功率監(jiān)視器的一個(gè)輸出端上，它的一個(gè)輸出端連接在上述功率環(huán)路控制器上；一個(gè)與施加給上述隔離功率變壓器的電壓波形和電流波形相連接并探測這兩個(gè)波形的相位探測器；以及一個(gè)相位求和器，它的一個(gè)輸入端連接在上述相位探測器的一個(gè)輸出端上，它的一個(gè)輸出端連接在上述頻率環(huán)路控制器上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的用于晶狀體乳化探頭系統(tǒng)的電路，其中上述功率監(jiān)視器包括一個(gè)與施加給上述隔離功率變壓器的電壓波形相連接并探測該波形的電壓RMS/DC(均方根到直流)轉(zhuǎn)換器；一個(gè)與施加給上述隔離功率變壓器的電流波形相連接并探測該波形的電流RMS/DC轉(zhuǎn)換器；一個(gè)乘法器，它含有一個(gè)與上述電壓RMS/DC轉(zhuǎn)換器相連接的輸入端和另一個(gè)與上述電流RMS/DC轉(zhuǎn)換器相連接的輸入端，還含有一個(gè)與上述功率求和器相連接的輸出端。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的用于晶狀體乳化探頭系統(tǒng)的電路，其中上述功率監(jiān)視器包括一個(gè)乘法器，它含有一個(gè)與施加給上述隔離功率變壓器的電壓波形相連接并探測該波形的輸入端和另一個(gè)與施加給上述隔離的換能器電路的電流波形相連接并探測該波形的輸入端；以及一個(gè)低通濾波器，它含有一個(gè)與上述乘法器的一個(gè)輸出端相連接的輸入端和一個(gè)與上述相位求和器相連接的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明是一種改進(jìn)的用來向超聲換能器提供電功率的晶狀體乳化探頭驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路含有一個(gè)功率控制環(huán)路(1412)和一個(gè)頻率控制環(huán)路(1413)。功率控制環(huán)路(1412)含有一個(gè)可變增益放大器(1416),后者的輸出是一個(gè)功率放大器(1417)的輸入。當(dāng)功率放大器放大了功率之后,功率被傳送給一個(gè)變壓器(1436),其后再被傳送給一個(gè)換能器(1439)。施加給變壓器初級(jí)方的電壓和電流被探測,由于產(chǎn)生一個(gè)正比于功率(真實(shí)的或表觀的)信號(hào),該結(jié)果被與一個(gè)從一個(gè)踏板產(chǎn)生的功率命令相比較。比較的結(jié)果被發(fā)送給一個(gè)第一控制器,后者根據(jù)該信息向可變增益放大器發(fā)送一個(gè)校正信號(hào)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1235535SQ97199266
公開日1999年11月17日 申請日期1997年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月29日
發(fā)明者凱文·保羅·凱普利 申請人:博士倫外科公司