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摘要：随着医疗行业的不断发展，越来越多的治疗技术都被运用到临床上，这其中就包括利用超声原理切割人体内部组织的超声刀。超声刀由于具有创伤小、出血少、治疗效果佳等诸多优势，同时能够识别、定位肿瘤，所以被广泛的应用于去除人体病变组织的手术中。本文将重点分析超声刀的频率自动跟踪以及能量转换系统，旨在为今后相关操作过程提供参考意见。
关键词：超声刀；频率；自动跟踪；能量转换
一、超声频率自动跟踪电路研究
电反馈是当前超声频率自动跟踪的主要方式，而电反馈又包含许多种类，例如电流反馈、锁相法、差动变量器电桥法等，由于电流反馈以及差动变量法有敏感度低、不稳定等诸多问题，所以普遍使用锁相法，其主要原理是分析两个相交信号相位差的符号以及数量，进而依據偏差信号控制振荡器的运行频率，逐步降低相位差，最终使相位差归零。相位比较PD、外接R、C无源低通滤波器LPF以及压控振荡器VCO。锁相法的跟踪价值由锁相CD4046体现，CD4046主要包含相位比较器PD和压控振荡器VCO，通过这两者来实现频率自动跟踪，并且结合外接低通滤波器，使锁相环更为全面。
（一）传统跟踪电路研究
串联谐振型频率跟踪电路利用霍尔电流传感器完成电流io的采集，之后通过零比较器转换为方波信号Vi。用霍尔电压传感器采集电压Uo的样本，将Vi以及Vu传到CD4046锁相环中。只有将负载固有谐振频率的改变情况控制在锁相环的跟踪范畴内，就能够实现锁相环频率自动跟踪。同时Uo和io的相位差归零后，保证换能器处于正常的谐振状态，达到输出功率的极限。系统跟踪输入信号的频率受到低通滤波器的时间常数影响，另外环路滤波器能够帮助环路抵抗噪声电压的不良影响。
在CD4046进行频率自动跟踪的过程中，如果系统出现容抗或者4脚输出振荡频率上升的情况，需考虑电流信号超出电压信号；相反当系统出现感抗或者4脚输出频率振荡下降，反馈信号相位差归零，则可以确定换能器处于正常的谐振状态。为了避免逆变桥上下桥臂直接相连导致短路，则需设定一个死区时间在串联谐振型逆变器的驱动信号中。
（二）超声刀频率自动跟踪的数控
数字控制主要指利用反馈信号来实现，反馈信号能够调整单片机输出电路中的PWM频率，单片机是实现这一控制的主体。目前利用数控对超声频率的自动追踪做出调整的主要方式是整形采样信号，比较得出相位差信号，然后利用单片机来解决。
当电路由双电压比较器以及双D触发器组合而成时，将使用放大器把输入信号转换为方波，然后在双D触发器中设置信号相位差的波形。此类输出信号能够直接连接单片机，通过合理的控制达到效果。
二、数控电源自动跟踪系统
（一）超声换能器的类别
超声换能器包含的种类数量众多，如果从能量转换过程中涉及材料的角度来看，能够分为压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器等；从超声换能器震动方式的角度来看，包含厚度、剪切、扭转、弯曲等振动换能器类型；从工作形态角度来看，可分为气态、液态、固态三种换能器类型；从换能器工作状态角度看，又有发射型、接收型以及同时具备发射和接收功能的超能换能器；从换能器功率以及信号能分为脉冲信号换能器、功率超声换能器、调制信号换能器以及检测超声换能器等等；从换能器外形能分为圆柱形、球形、棒状或者复合型的超声换能器等。同时根据实际情况的差异，要针对性使用超能换能器，比如平面、球面、聚焦、柱面或者阵列型的超能换能器等。
（二）超声换能器性能参数
超声刀的能量转换必须依据超声换能器，其涉及众多参数，包括机电耦合系数、接受敏感度、频率性质、阻抗能力等。应用面不同的超声换能器的参数具有明显差异，比如发射型超声换能器必须具备输出的大功率以及高效的能量转换能力；接收型则具备较强的敏感度以及分辨度。因此在换能器的选择以及设计中，必须结合换能器的使用差异合理调整其参数范围。
三、超声换能器分析
首先，电路、声学、机械振动三个系统是超声换能器的主要结构，并且以上三者在换能器运作中保持相互渗透、相互结合的关系，所以超声换能器涉及到这三种系统的相关知识，即电子学、物理学以及声学，同时还需要尽量将三者进行类比，保持机电图和等效方程式的一致性，为下一步的工作奠定基础。
然后，计算出换能器的机械振动以及电路的状态方程式是评价换能器运行情况的前提条件。机械振动状态方程式指当换能器运行当中力与振动频率的关系；电路状态方程式则主要说明电路系统的振动特点。由于机械振动与电路是有机结合的关系，因此两者会产生相互作用，所以通过方程组研究换能器运行状态是有效的方式。
最后，由于数值计算技术的成熟和换能器的不断革新，数值计算已经成为换能器分析的重要依据。同时有限元计算方式成为超声换能器设计工作的重要环节，ANSYS软件能够分析换能器设计的结构、压电耦合、热分析或者电磁场分析等。ANSYS主要具有以下优势；第一，打破了换能器自身结构限制，适合结构繁复的换能器设计；第二，利用ANSYS软件开展换能器的设计能够获得确切的谐振频率，通过对谐振时换能器的移动情况，能够获得导纳曲线、收发频率曲线以及指向图，利用这些信息能够优化换能器的结构。
四、超声换能器的测试
为了达到超声振动的理想效果，所以要测试换能器的性能参数，换能器的参数可分为两大类，一种为超声换能器的振动位移以及振动频率等振动性质的物理性，可以利用显微镜法、全息法等检测方式进行绝对或相对的测试；另一类指与声场有关的物理性。通过小信号法以及大信号法检测辐射声功率，声场分布或者强弱度。但是目前广泛使用的是小信号法测试，小信号法包括传输线法、功率曲线法等，因为接收型超声换能器与发射型超声换能器的性能存在差异，所以测试方式也不能一概而论，接收效率是接收型换能器的关键电声参数，可用比较法以及互易法的检测方式，互易法适用于校准标准换能器，而比较法适用于校准测量换能法。而超声换能器大功率目前还没有有效的检测办法，主要是因为其具有复杂性，存在波形异变等不稳定因素。
结束语：
超声技术的使用价值在世界范围内得到了认可，而基于超声技术的超声刀在医疗机构的使用也越发成熟，其利用高热效应、空化效应、免疫效应来消除病症，对于肿瘤等病症的治疗具有重大意义。上文中研究了目前超声频率自动跟踪的工作原理以及数控对于频率自动跟踪的作用，之后分析超声转换器的种类和其详细研究，总之，超声刀依据的超声技术必须重视超声波的产生与测试技术，使两者技术的发展保持基本持平，在未来超声技术的不断优化中，超声刀必将具有更高的使用价值。
参考文献：
[1]汤黎明，吴敏，刘铁兵，赵海洋，姜险峰.超声刀频率检测方法及装置研究[J].医疗卫生装备，2007（4）.
[2]黄洪彬，唐勇军，付美荣，陈猛.基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计[J].电加工与模具，2013（3）.
[3]尚彦芝，蔡晓君，高钜.锁相环电路在超声旋转加工设备中的应用[J].新技术新工艺，2011（12）.
[4]屈百达，黄建生.基于LPC2212的超声波电源频率跟踪系统研究[J].电力电子技术，2011（9）.
[5]陈捷.功率超声电源谐振频率自动跟踪技术[J].机电技术，2010（2）.
作者简介； 胡泽 男 浙江、建德市 1957.06.11 单位：建德市庸康华医疗器材有限公司 ，职称 工程师，研究方向电气自动化
关键词：超声刀；频率；自动跟踪；能量转换
一、超声频率自动跟踪电路研究
电反馈是当前超声频率自动跟踪的主要方式，而电反馈又包含许多种类，例如电流反馈、锁相法、差动变量器电桥法等，由于电流反馈以及差动变量法有敏感度低、不稳定等诸多问题，所以普遍使用锁相法，其主要原理是分析两个相交信号相位差的符号以及数量，进而依據偏差信号控制振荡器的运行频率，逐步降低相位差，最终使相位差归零。相位比较PD、外接R、C无源低通滤波器LPF以及压控振荡器VCO。锁相法的跟踪价值由锁相CD4046体现，CD4046主要包含相位比较器PD和压控振荡器VCO，通过这两者来实现频率自动跟踪，并且结合外接低通滤波器，使锁相环更为全面。
（一）传统跟踪电路研究
串联谐振型频率跟踪电路利用霍尔电流传感器完成电流io的采集，之后通过零比较器转换为方波信号Vi。用霍尔电压传感器采集电压Uo的样本，将Vi以及Vu传到CD4046锁相环中。只有将负载固有谐振频率的改变情况控制在锁相环的跟踪范畴内，就能够实现锁相环频率自动跟踪。同时Uo和io的相位差归零后，保证换能器处于正常的谐振状态，达到输出功率的极限。系统跟踪输入信号的频率受到低通滤波器的时间常数影响，另外环路滤波器能够帮助环路抵抗噪声电压的不良影响。
在CD4046进行频率自动跟踪的过程中，如果系统出现容抗或者4脚输出振荡频率上升的情况，需考虑电流信号超出电压信号；相反当系统出现感抗或者4脚输出频率振荡下降，反馈信号相位差归零，则可以确定换能器处于正常的谐振状态。为了避免逆变桥上下桥臂直接相连导致短路，则需设定一个死区时间在串联谐振型逆变器的驱动信号中。
（二）超声刀频率自动跟踪的数控
数字控制主要指利用反馈信号来实现，反馈信号能够调整单片机输出电路中的PWM频率，单片机是实现这一控制的主体。目前利用数控对超声频率的自动追踪做出调整的主要方式是整形采样信号，比较得出相位差信号，然后利用单片机来解决。
当电路由双电压比较器以及双D触发器组合而成时，将使用放大器把输入信号转换为方波，然后在双D触发器中设置信号相位差的波形。此类输出信号能够直接连接单片机，通过合理的控制达到效果。
二、数控电源自动跟踪系统
（一）超声换能器的类别
超声换能器包含的种类数量众多，如果从能量转换过程中涉及材料的角度来看，能够分为压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器等；从超声换能器震动方式的角度来看，包含厚度、剪切、扭转、弯曲等振动换能器类型；从工作形态角度来看，可分为气态、液态、固态三种换能器类型；从换能器工作状态角度看，又有发射型、接收型以及同时具备发射和接收功能的超能换能器；从换能器功率以及信号能分为脉冲信号换能器、功率超声换能器、调制信号换能器以及检测超声换能器等等；从换能器外形能分为圆柱形、球形、棒状或者复合型的超声换能器等。同时根据实际情况的差异，要针对性使用超能换能器，比如平面、球面、聚焦、柱面或者阵列型的超能换能器等。
（二）超声换能器性能参数
超声刀的能量转换必须依据超声换能器，其涉及众多参数，包括机电耦合系数、接受敏感度、频率性质、阻抗能力等。应用面不同的超声换能器的参数具有明显差异，比如发射型超声换能器必须具备输出的大功率以及高效的能量转换能力；接收型则具备较强的敏感度以及分辨度。因此在换能器的选择以及设计中，必须结合换能器的使用差异合理调整其参数范围。
三、超声换能器分析
首先，电路、声学、机械振动三个系统是超声换能器的主要结构，并且以上三者在换能器运作中保持相互渗透、相互结合的关系，所以超声换能器涉及到这三种系统的相关知识，即电子学、物理学以及声学，同时还需要尽量将三者进行类比，保持机电图和等效方程式的一致性，为下一步的工作奠定基础。
然后，计算出换能器的机械振动以及电路的状态方程式是评价换能器运行情况的前提条件。机械振动状态方程式指当换能器运行当中力与振动频率的关系；电路状态方程式则主要说明电路系统的振动特点。由于机械振动与电路是有机结合的关系，因此两者会产生相互作用，所以通过方程组研究换能器运行状态是有效的方式。
最后，由于数值计算技术的成熟和换能器的不断革新，数值计算已经成为换能器分析的重要依据。同时有限元计算方式成为超声换能器设计工作的重要环节，ANSYS软件能够分析换能器设计的结构、压电耦合、热分析或者电磁场分析等。ANSYS主要具有以下优势；第一，打破了换能器自身结构限制，适合结构繁复的换能器设计；第二，利用ANSYS软件开展换能器的设计能够获得确切的谐振频率，通过对谐振时换能器的移动情况，能够获得导纳曲线、收发频率曲线以及指向图，利用这些信息能够优化换能器的结构。
四、超声换能器的测试
为了达到超声振动的理想效果，所以要测试换能器的性能参数，换能器的参数可分为两大类，一种为超声换能器的振动位移以及振动频率等振动性质的物理性，可以利用显微镜法、全息法等检测方式进行绝对或相对的测试；另一类指与声场有关的物理性。通过小信号法以及大信号法检测辐射声功率，声场分布或者强弱度。但是目前广泛使用的是小信号法测试，小信号法包括传输线法、功率曲线法等，因为接收型超声换能器与发射型超声换能器的性能存在差异，所以测试方式也不能一概而论，接收效率是接收型换能器的关键电声参数，可用比较法以及互易法的检测方式，互易法适用于校准标准换能器，而比较法适用于校准测量换能法。而超声换能器大功率目前还没有有效的检测办法，主要是因为其具有复杂性，存在波形异变等不稳定因素。
结束语：
超声技术的使用价值在世界范围内得到了认可，而基于超声技术的超声刀在医疗机构的使用也越发成熟，其利用高热效应、空化效应、免疫效应来消除病症，对于肿瘤等病症的治疗具有重大意义。上文中研究了目前超声频率自动跟踪的工作原理以及数控对于频率自动跟踪的作用，之后分析超声转换器的种类和其详细研究，总之，超声刀依据的超声技术必须重视超声波的产生与测试技术，使两者技术的发展保持基本持平，在未来超声技术的不断优化中，超声刀必将具有更高的使用价值。
参考文献：
[1]汤黎明，吴敏，刘铁兵，赵海洋，姜险峰.超声刀频率检测方法及装置研究[J].医疗卫生装备，2007（4）.
[2]黄洪彬，唐勇军，付美荣，陈猛.基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计[J].电加工与模具，2013（3）.
[3]尚彦芝，蔡晓君，高钜.锁相环电路在超声旋转加工设备中的应用[J].新技术新工艺，2011（12）.
[4]屈百达，黄建生.基于LPC2212的超声波电源频率跟踪系统研究[J].电力电子技术，2011（9）.
[5]陈捷.功率超声电源谐振频率自动跟踪技术[J].机电技术，2010（2）.
作者简介； 胡泽 男 浙江、建德市 1957.06.11 单位：建德市庸康华医疗器材有限公司 ，职称 工程师，研究方向电气自动化