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211、985硕士，职场15年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域
涵盖新能源车载与非车载系统、医疗设备软硬件、智能工厂等业务，带领团队进行多个0-1的产品开发，并推广到多个企业客户现场落地实施。
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本期给大家带来的是关于医疗领域超声波切割与主机热管理研究内容，希望对大家有帮助。
几年前做过一个压电超声换能医疗手术器械的项目，项目背景是为改善传统电刀的缺陷，填补国内空白，内容包括换能器、手术刀、材料、电源等整个系统结构设计与热设计，有相关内容的技术学习、项目咨询等服务的工程师或企业，可私我。
传统电刀，将电能转换成热能，高温切割组织，所以，在组织表面会形成焦痂以及存在电损伤的风险，手术操作中先凝固止血再分离或边止血边分离。
工作原理
利用超声的空化效应，来完成组织的切割、凝血、消融，有助于完成更多精细的手术。研究表明利用机械振动促使组织蛋白氢键断裂，蛋白质变性凝固，封闭达5mm直径的血管，大大减少了传统电刀高温烧灼，使得微创手术过程出血量大大减少。
手柄内部结构图（自主设计）
超声器械结构组成图如下，
工作时，超声主机产生55KHz左右的电信号，通过超声换能器将电能转换为机械能，机械能通过刀具，作用于组织。
超声主机模块构成图如下，
超声主机用于产生55KHZ频率的电信号。220V电源经过整流滤波，然后通过逆变器切波成55KHZ的电信号。功率控制器包括驱动电路，PWM控制器，采样电路主要用于采集电流和电压，将采样的电流和电压波形通过波形产生电路转换，然后驱动PWM模块，起到控制功率变换电路。
技术路线
技术路线图
超声换能器材料
采用基于压电转换效应的压电换能器作为超声刀换能器。其换能器的性能好坏不仅取决于换能器的结构、工艺同时也和核心的压电陶瓷材料息息相关。
用于超声换能器的压电换能器是功率器件，要求高的品质因数（Q）和高的机电耦合系数（K），而压电陶瓷材料往往难以同时达到两者都大，因此研究P4材料的改性。
表1. Ca和Mn含量对压电陶瓷性能影响
高的机电耦合系数可以确保压电换能器能够有足够大的能量转换，而高的品质因数可以确保压电换能器可以有高的效率。
换能器电学模型
采用朗之万结构换能器来产生所需的超声能量。其利用压电换能器的纵向振动模式来产生纵向声波效应，进而达到切割组织的效果。
由于对于主机来说，换能器是其负载，为更好设计主机，需推导相应的换能器电学模型。
最终，推导出来相应的集总式等效电路为：
全波谐振频率附近的纵场效应集总式等效电路
换能器频率确定
压电换能器的频率特性对器械的工作性能影响很大，因此推导了所设计换能器的频率特性公式，以帮助设计，确定尺寸和性能之间的联系。
压电振子的等效电路图
输入导纳公式
其中g为电导，b为串联电纳，B为并联电纳。
此处省略一万字...
换能器模态确定
压电换能器工作时，可以激发多种模态，比如弯曲振动、扭转振动、径向振动等等，而需要的是厚度方向的伸缩振动，因此采用ansys仿真软件对换能器进行仿真。
换能器的核心是陶瓷圆环，只有陶瓷圆环的振动模态对，才能确保换能器的模态对。
陶瓷圆环模态分析
分别对两种直径粗细的压电陶瓷进行仿真不同。如图所示对于16.5mm的陶瓷环，在频率为厚度伸缩振动，频率比其低时出现周向振动，频率高时出现扭转振动。
外径16.5mm_2.5毫米
换能器模态分析
外径5mm
将超声刀轴杆和换能器一起仿真，发现在刀头幅度输出最大，满足工作需求。
制备器件，然后用阻抗分析仪实测效果，研究表明，在55.5KHz左右存在两个模态谐振点，分别是52KHz和60KHZ。当器械带负载时，谐振频率发生偏移，偏移量随负载的增加而增加。
超声主机
内部结构分布图
结构组成：
主机外壳，风扇，内部功率器件，PCB主板及LED屏。
主要尺寸：
主机外壳尺寸：353*282*150mm
主板（大板）尺寸：310.5*180*1.6mm，LED小板尺寸：123*78.5*1.6mm
结构装配：
机箱的上下壳体由1mm厚的冷轧钢板，经过冲压、折弯、冲孔等加工工艺制作而成，通过铆接工艺将螺栓柱装配到底壳，以便安装电路板、电感，同时用螺丝装配的方式固定上下盖。
仿真基本流程
边界条件
模型简化
仿真计算
优化设计：用遗传算法对散热器进行优化设计。
有相关内容的技术学习、项目咨询等服务的工程师或企业，可私我。
