CN1214903A - 白内障超声乳化仪 - Google Patents
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Abstract
本发明是眼科显微外科医疗设备——白内障超声乳化仪的改进和完善。整机采用单片机控制液晶显示汉字化人机界面,包括一个高效小型化超声换能器连接一根可更换的二级阶梯变幅和双曲面过度的变幅杆(治疗针头),一个由开关功率放大电路、频率自动跟踪、恒功率控制组成的超声电源,以及由蠕动泵、电磁阀、真空度测量电路组成的注入抽吸和回流保护系统。整机结构紧凑,电声转换效率高,智能化程度高,运行安全稳定可靠,使用维修方便。
Description
本发明属于眼科显微外科手术设备，涉及一种白内障超声乳化仪的改进和完善。
超声乳化仪祛除白内障组织的工作原理是：用功率超声信号源驱动超声换能器，将电能转化成高速微小振幅的机械能，再由变幅杆聚能将振幅放大，对眼球内白内障组织产生“切割效应”和“空化效应”，使之破碎、乳化之后吸出体外。(然后配合植入人工晶体，使患者恢复视力)。与传统的囊内、囊外白内障摘除手术相比，超声乳化治疗具有切口小、术后并发症少及视力恢复快等优点。这种治疗也适用于白内障未成熟期，使早期治疗成为可能。
国外制造的白内障超声乳化仪我国已有进口，我国的研制开发尚属空白。然而国外现有的白内障超声乳化仪存在下列缺点：首先是“空化效应”的不利影响，由于所用的超声波频率偏低(约40kHz)，不可控的“空化效应”会引起眼内的扰动，使已被破碎的组织纵向远离操作头，减低了抽吸效率；又由于“空化效应”所引起的气泡可能会挡住医生的视线而影响操作，而且“空化效应”也随之带来功率浪费。其次，整机的电声转换效率偏低，使其所需的电功率偏大，手柄中超声换能器结构和主机的电路方面都有要改进之处。
本发明的目的是改进和完善已有技术和产品，提供一种高效安全可靠的白内障超声乳化仪。具体地说采用较高的超声频率(50kHz)，提高抽吸效率，改进和完善超声换能器和控制电路设计，手柄为紧凑的整体结构，电声转换效率高，超声发生器系统有功率上限保护功能，注入和抽吸系统具有真空检测和回流保护功能。
本发明白内障超声乳化仪由手柄和主机两大部分组成。所说的手柄中有超声换能器，注入管路和抽吸管路，所说的主机中包括超声发生器和超声功率上限保护电路，本发明的改进之处即特点是手柄中的振动传递杆与前盖板成一体，超声换能器与手柄套用螺纹和软垫圈进行软连接，抽吸管路纵向贯穿整个超声换能器，手柄前端的治疗针头是外形呈阶梯形的管状变幅杆；所说的主机包括一个由单片机控制电路及液晶显示界面组成的控制显示电路，一个由所说单片机控制电路蠕动泵及其驱动电路，注入阀、回流阀及其驱动电路、以及真空度测量电路组成的注入和抽吸系统，一个由所说单片机控制电路、真空度测量电路、以及跨接在注入通路与抽吸通路之间由所说的回流阀所控制的回流支路组成地真空检测和回流保护系统。
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1．是本发明工作原理框图
图2．是本发明手柄结构示意图。
图3．是本发明治疗针头结构示意图。
图4．是本发明单片机控制及显示电路。
图5．是本发明蠕动泵驱动电路图。
图6．是本发明电磁阀驱动器电路图。
图7．是本发明真空度测量电路图。
图1为表明本发明系统组成结构的工作原理框图。以下结合图1说明本发明白内障超声乳化仪整机组成结构。图1中除手柄10之外为主机部分。主机部分包括一个由单片机控制电路14及液晶显示界面13的控制显示电路，一个包括超声信号电路、可控硅调压电路、开关功率器放大电路、匹配网络及频率自动跟踪电路组成的超声发生器系统15；一个由所说的单片机控制电路14、注入阀3、注入阀驱动器12、三通器2及注入液瓶1组成的注入系统；一个由单片机控制电路14、蠕动泵8、收集器9、三通器5和6以及真空度测量电路7组成的抽吸系统；一个由回流阀4及回流阀驱动器11、单片机控制电路14、以及真空度测量电路7组成的回流保护系统；一个超声功率上限保护电路(图中未示出)，一个脚踏开关16与单片机控制电路14相连接。
图2所示是本发明手柄10结构示意图。其中的换能器100是一个高效小型化的功率超声换能器，其结构是这样的：前盖板110与振动传递杆111为一体，纵向贯穿一中空抽吸管路116，前盖板的后段117较中段的直径小，在与后段117上套装绝缘环140，再在绝缘环140上套装两块压电陶瓷晶体130，两块压电陶瓷晶体130之间有与正极相连的正极片150。两块压电陶瓷晶体130的前后端面相互平行，并且与前盖板110的纵轴线垂直，其前端面紧贴前盖板中段的后端面115，后端面紧贴与负极相连的负极片151，并且用后盖板120将负极片151，正极片150和压电陶瓷晶体130一起向后端面115压紧固定；手柄套由前手柄套160，后手柄套170和过渡套180组成。前盖板110中段的前部有凸肩113，该凸肩113的前后端面各有一软垫圈146和145，凸肩113及其前端面的软垫圈145镶嵌在前手柄套160的前端口内，再用后手柄套170经凸肩后端面的软垫圈146锁紧凸肩113，从而将前盖板110与前手柄套160和后手柄套170连成一体。前手柄套160上连有注入管路161，后手柄套170的后端装有一端盖171，抽吸管路116和电极引线穿孔而过。前手柄套的前部，一个保护套181拧在过渡套180的前端部。
图3所示，本发明治疗针头即变幅杆20为阶梯管状，工作段采用二级阶梯变幅，前后直径分别为D1和D2，而二级阶梯之间的过渡面为双曲面202，也就是说，该曲面通过轴线剖面的交线为双曲线。阶梯变幅的变幅杆在工作时可以得到最大的放大倍数，使变幅杆顶端有足够的振幅，并且双曲面过渡提高了抗疲劳强度。为适用不同要求，治疗针头即变幅杆顶端201可制成不同角度。超声换能器100与变幅杆20用螺纹连接，换能器前盖板110的前端为平底螺孔112，变幅杆后端的平底螺柱203拧入所说的平底螺孔中，保证二者的端面紧密贴合不留空隙，并与前盖板110的纵轴线垂直。这种连接结构消除了因存在空气隙引起超声波反射而产生的损耗。
以下结合图1说明本发明白内障超声乳化仪的工作过程。图中注入通路中，注入液瓶1通过注液管与三通器2相接，三通器2的一端接注入阀3的输入端，另一端接回流阀4的输入端，注入阀3的输出端与超声手柄10的注入通路口相接，回流阀4及注入阀3的控制端分别通过回流阀驱动器11和注入阀驱动器12与单片机控制电路14的控制信号端相连，单片机控制电路14与液晶显示器13相连。这里的注入阀和回流阀可以用电磁阀。当主机处于注入功能时，单片机控制电路14控制回流阀4关闭，当脚踏开关16踩下时，打开注入阀3，实施注入功能。注入流量的大小通过调节注入液瓶1的高度来调节。
在抽吸通道中，用硅橡胶软管将蠕动泵8的一端接到收集器9，蠕动泵8的另一端接到三通器6的一端，三通器6的另一端接到超声手柄10的抽吸通路117的接头，第三端接到三通器5的一端，三通器5的另一端与回流阀4的输出端相连，而第三端与真空度测量电路7的输入端相连，真空度测量电路7的测量输出接到单片机控制电路14。调整主机处于注入/抽吸功能时，踩下脚踏开关16，单片机控制电路14控制注入阀3打开，回流阀4关闭，同时控制蠕动泵8根据设置好的流量形成抽吸运行。蠕动泵8抽吸出的液体送入收集器9。
超声换能系统中的超声手柄10的电极输入端与超声发生器15的高频输出端相连，超声发生器15的功率控制输入端与单片机控制电路14相连，当调整主机处于注入/抽吸/超声功能，踩下脚踏开关16时，单片机控制电路14控制超声发生器15输出超声功率到超声手柄，同时实施注入和抽吸功能，从而同时进行注入/抽吸/超声功能运行，可以实施治疗手术。
本发明主机部分中，注入和抽吸系统与真空检测和回流保护系统是相互关联的，共同完成注入、抽吸、真空自动检测以及回流保护功能，并且保证工作的安全可靠。参见图1，回流保护电路由单片机控制电路14，真空度测量电路7、回流阀4及注入阀3组成，真空度测量电路7与单片机控制电路14连接，抽吸通路中的三通器5真空度测量电路7相连接，回流阀4所控制的回流支路跨接在注入通路与抽吸通路之间，即回流阀4的两端分别与注入通路中的三通器2和抽吸一真空测量通路中的三通器5相连。在有抽吸操作的过程中，单片机控制电路14通过真空度测量电路7测量抽吸通路内的瞬时真空度值Pd，并将Pd与真空度预置值P0相比较，然后以比较结果的控制信号，控制注入阀3及回流阀4的打开与关闭。如果Pd小于P0，则关闭回流阀4，系统处于正常工作状态；如果Pd大于P0，则关闭注入阀3，同时打开回流阀4，使注入通路与抽吸通路相通，抽吸通路内的真空度很快恢复到正常值。由于本发明主机控制系统具有这种真空度控制和回流保护功能，从而避免了因抽吸通路内真空度过高而损伤眼组织的危险。
以下说明本发明主机部分电气线路的特点。
本发明单片机控制显示电路主要由单片机控制电路、按键控制电路、液晶控制显示模块以及控制量接口电路组成。其原理见附图4：单片机控制电路14，外围电路为32,34,36，分别为地址锁存器、地址译码器和可改写程序贮存器。按键35向按键控制器33发出控制信号，按键控制器33，液晶控制显示模块13，单片机根据按键控制器33所得到的键值以及通过控制量接口电路39所采集的相关数据(包括脚踏开关状态信号、真空度信号、功率信号等)，进行处理后对整机输出不同的控制信号，同时将各显示量送显示控制模块13，最后由显示器37显示。
图5为本发明蠕动泵驱动电路图，单片微机控制电路14输出的三路控制信号Pa,Pb,Pc分别与集电极开路的反向器U41,U42,U43的输入端相连，该反向器的输出端分别接电阻R41,R42,R43后与电源+V41相连，U41,U42,U43的输出端又分别与电阻R44,R45,R46相连，R44,R45,R46的另一端分别与大功率三极管BG41,BG42,BG43的基极相连，BG41,BG42,BG43的发射极接地，集电极分别接二极管D41,D42,D43后接电源+V42,BG41,BG42,BG43的集电极又分别与步进电机的A,B,C三相绕组的一端相连，三相绕组的另一端接电源+V42。本发明实施例中步进电机采用三相六拍制工作，由单片机控制电路14生成控制脉冲并控制步进电机转速，步进电机带动蠕动泵头而使蠕动泵工作。
本发明实施例的注入阀和回流阀采用相同型号的电磁阀。图6是本发明电磁阀驱动电路：单片机控制电路14输出的控制信号Pe与集电极开路的反向器U51的输入端相连，U51的输出端接电阻R51后与电源+V51相连，U51的输出端接电阻R52,R52的另一端与大功率三极管BG51的基极相连，BG51的发射极接地，集电极分别接二极管D51后接电源+V51,BG51的集电极与电磁阀绕组G的一端相连，电磁阀绕组G的另一端接电阻R53后接电源+V51。
图7为本发明的真空度测量电路：其中运算放大器采用双单元模块式，即运算放大器U61、U62、U63分别具有A,B两组结构相同的模块。运算放大器U63:B的同向输入端5与电阻R61及稳压二极管D61的负向端连接，R61的另一端接电源+V61,D61的另一端接地，U63:B的反向输入端6与输出端7相连。压力传感器Ps的1脚接U63:B的输出端7,Ps的3脚接地，2脚接到运算放大器U61:A的同向输入端3,U61:A的反向输入端2与输出端7之间连接电阻R62。压力传感器Ps的4脚接到运算放大器U61:B的同向输入端5,U61:B的反向输入端6与输出端7之间连接电阻R63。运算放大器U61:A与U61:B的反向输入端2与6之间连接可调电阻KRw。运算放大器U61:A的输出端1接电阻R64,R64的另一端接运算放大器U62:A的反向输入端2。运算放大器U61:B的输出端7接电阻R65，电阻R65的另一端接运算放大器U62:A的同向输入端3，电阻R66一端接地，另一端接运算放大器U62:A的同向输入端3。运算放大器U62:A的反向输入端2与输出端1之间连接电阻R67，运算放大器U62:A的输出端1接运算放大器U62:B的同向输入端5，运算放大器U62:B的反向输入端6与输出端7之间连接。运算放大器U62:B的输出信号Pd送入到单片机控制电路14的真空度测量端，从而形成真空度测量电路。
本发明所用的功率上限保护电路与本发明人的另一专利CN1134269A中的功率上限保护电路基本相同。
经改进和完善的本发明白内障超声乳化仪，具有以下特点和显著效果。
(1)本发明采用较高的超声频率(50kHz)，减少了乳化过程中“空化效应”带来的扰动，而增大了瞬时加速度带来的切割效应，从而提高了抽吸效率，也避免了因“空化效应”所引起的诸多问题。
(2)本发明手柄中的超声换能器采用拧紧后盖板结构，振动传递杆与前盖板做成一体，治疗针头与超声换能器间无气隙紧密贴合，换能器与手柄套软连接，吸出管纵向贯穿换能器，因而保证有高的电声转换效率，超声能量能够有效传输，并且减少了发热损耗，可以长时间有效地工作。
(3)超声功率放大器采用开关类功率放大器，有匹配网络、频率自动跟踪合功率上限控制，保证换能器始终工作在谐振状态，提高了整机的转换效率。
(4)采用单片机控制，液晶显示汉字化界面，超声发生器系统合抽吸系统中的真空度测量实现了单片机控制，提高了工作稳定性和可靠性。
(5)超声发生器具有功率上限保护功能，注入和抽吸系统中具有自检和回流保护功能，提高了整机的安全可靠性。
Claims (6)
1．白内障超声乳化仪，由手柄和主机两大部分组成，所说的手柄中有超声换能器，注入管路和抽吸管路，所说的主机包括超声发生器和超声功率上限保护电路，其特征是手柄中的振动传递杆与前盖板成一体，超声换能器与手柄套用螺纹和软垫圈进行软连接，抽吸管路纵向贯穿整个超声换能器，手柄前端的治疗针头是外形呈阶梯形的管状变幅杆；所说的主机包括一个由单片机控制电路及液晶显示界面组成的控制显示电路，一个由所说的单片机控制电路、蠕动泵及其驱动电路、注入阀和回流阀及其驱动器、以及真空度测量电路组成的注入和抽吸系统；一个由所说的单片机控制电路、真空度测量电路、以及跨接在注入通路与抽吸通路之间由所说的回流阀所控制的回流支路组成的真空检测和回流保护系统。
2．如权利要求1所述的白内障超声乳化仪，其特征是所说的手柄前端的治疗针头外形阶梯间的过渡面为双曲面，治疗针头以其后段的平底螺柱拧入换能器前盖板前端的平底螺孔中，二者紧密贴合，并且该贴合面与手柄前盖板的纵轴线垂直。
3．如权利要求1所述的白内障超声乳化仪，其特征是前盖板110与振动传递杆111为一体，纵向贯穿一中空抽吸管路116，前盖板的后端117较中段的直径小，在后段117上套装绝缘环140，再在绝缘环140上套装两块压电陶瓷晶体130，两块压电陶瓷晶体130之间有与正极相连的正极片150，两块压电陶瓷晶体130的前后端面相互平行，并且与前盖板110的纵轴线垂直，其前端面紧贴前盖板中段的后端面115，后端面紧贴与负极相连的负极片151，并且用后盖板120将负极片151，正极片150和压电陶瓷晶体130一起向后端面115压紧固定；手柄套由前手柄套160，后手柄套170和过渡套180组成，前盖板110中段的前部有凸肩113，该凸肩113的前后端面各有一软垫圈146和145，凸肩113及其前端面的软垫圈145镶嵌在前手柄套160的前端口内，再用后手柄套170经凸肩后端面的软垫圈146锁紧凸肩113，从而将前盖板110与前手柄套160和后手柄套170连成一体；前手柄套160上连有注入通路161，后柄套170的后端有一端盖171，抽吸管路和电极引线穿孔而过，前手柄套的前部，一个保护套181拧在过渡套180的前端部。
4．权利要求1所述的白内障超声乳化仪，其特征是蠕动泵驱动电路由单片机控制电路14输出的三路控制信号Pa、Pb、Pc分别与集电极开路的反向器U41、U42、U43的输入端相连，该反向器的输出端分别接电阻R41,R42,R43后与电源+V41相连，U41,U42,U43的输出端又分别与电阻R44,R45,R46相连，R44,R45,R46的另一端分别与大功率三极管BG41,BG42,BG43的基极相连，BG41,BG42,BG43的发射极接地，集电极分别接二极管D41,D42,D43后接电源+V42,BG41,BG42,BG43的集电极又分别与步进电机的A,B,C三相绕组的一端相连，三相绕组的另一端接电源+V42。
5．如权利要求1所述的白内障超声乳化仪，其特征是真空度测量电路中所用的运算放大器采用双单元模块式，即运算放大器U61、U62、U63分别具有A,B两组结构相同的单元模块；运算放大器U63:B的同向输入端5与电阻R61及稳压二极管D61的负向端连接，R61的另一端接电源+V61,D61的另一端接地，U63:B的反向输入端6与输出端7相连；压力传感器Ps的1脚接U63:B的输出端7,Ps的3脚接地，2脚接到运算放大器U61:A的同向输入端3,U61:A的反向输入端2与输出端7之间连接电阻R62；压力传感器Ps的4脚接到运算放大器U61:B的同向输入端5,U61:B的反向输入端6与输出端7之间连接电阻R63；运算放大器U61:A与U61:B的反向输入端2与6之间连接可调电阻KRw；运算放大器U61:A的输出端1接电阻R64,R64的另一端接运算放大器U62:A的反向输入端2；运算放大器U61:B的输出端7接电阻R65，电阻R65的另一端接运算放大器U62:A的同向输入端3，电阻R66一端接地，另一端接运算放大器U62:A的同向输入端3；运算放大器U62:A的反向输入端2与输出端1之间连接电阻R67，运算放大器U62:A的输出端1接运算放大器U62:B的同向输入端5，运算放大器U62:B的反向输入端6与输出端7之间连接；运算放大器U62:B的输出信号Pd送入到单片机控制电路14的真空度测量端。
6．如权利要求1所述的白内障超声乳化仪，其特征是真空检测和回流保护系统中真空度测量电路7与单片机控制电路14连接输入真空度测量电信号，抽吸通路中的三通器5与真空度测量电路7相连接输入真空度检测物理量信号，回流阀4所控制的回流支路跨接在注入通路与抽吸通路之间，即回流阀4的两端分别与注入通路中的三通器2和抽吸一真空测量通路中的三通器5相连。
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