DE60126038T2

DE60126038T2 - Chirurgisches Ultraschallsystem

Info

Publication number: DE60126038T2
Application number: DE60126038T
Authority: DE
Inventors: Eitan T. Cincinnati Wiener; William T. Cincinnati Donofrio
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: EP1199047A2; DE60126038D1; AU783953B2; EP1199047B1; ES2279793T3; US7476233B1; EP1199047A3; CA2359439C; JP2002209907A; CA2359439A1; JP4159771B2; AU7948301A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft mit Ultraschall arbeitende chirurgische Systeme und genauer verbesserte Vorrichtungen zum Vereinfachen des Leistungsverhaltens chirurgischer Prozeduren, so wie die gleichzeitige Dissektion von weichem Gewebe und die Kautersierung von großen und kleinen Blutgefäßen durch die Verwendung einer präzise gesteuerten, durch Ultraschall in Schwingungen versetzte Klinge oder eines Skalpells.
2. BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Es ist bekannt, daß elektrische Skalpelle und Laser als chirurgische Instrumente verwendet werden können, um die doppelte Funktion des gleichzeitigen Bewirkens der Inzision und Hämostase von weichem Gewebe durch Kauterisieren von Gewebe und Blutgefäßen durchzuführen. Jedoch setzen solche Instrumente sehr hohe Temperaturen ein, um die Koagulation zu erreichen, was Verdampfung und Rauchgase hervorruft, ebenso wie Spritzen, was das Risiko erhöht, infektiöse Krankheiten an Personal im Operationssaal zu verbreiten. Zusätzlich führt der Einsatz solcher Instrumente oftmals zu relativ weitreichendenen Zonen thermischer Gewebeschädigung.
Das Schneiden und Kauterisieren von Gewebe mittels chirurgischer Klingen, die durch Ultraschall-Antriebsmechanismen mit hohen Geschwindigkeiten in Schwingungen versetzt werden, ist auch gut bekannt. Eines der Probleme, die mit solchen Ultraschall-Schneideinstrumenten verbunden sind, sind ungesteuerte oder ungedämpfte Schwingungen und die Wärme ebenso wie Materialermüdung, die daraus herrührt. In der Umgebung eines Operationssaals sind Versuche gemacht worden, dieses Heizproblem durch Einführen von Kühlsystemen mit Wärmetauschern zu steuern, um die Klinge zu kühlen. Bei einem bekannten System erfordert zum Beispiel das Ultraschall-Schneide- und Gewebefragmentierungssystem ein Kühlsystem, das mit einem Wasserumlaufmantel und einer Einrichtung zum Spülen und Belüften der Schneidstelle versehen ist. Andere bekannte Systeme erfordern die Zufuhr kryogener Fluide zu der Schneidklinge.
Es ist bekannt, den Strom zu begrenzen, der an den Transducer geliefert wird, als ein Mittel zum Begrenzen der darin erzeugten Wärme. Jedoch könnte dies zu einer nicht ausreichenden Leistung für die Klinge zu einem Zeitpunkt, wenn sie für die effektivste Behandlung des Patienten benötigt wird, führen. Das US-Patent Nr. 5 026 387 an Thomas, das an den Übertragungsempfänger der vorliegenden Anmeldung übertragen worden ist, offenbart ein System zum Steuern der Wärme in einem mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen Schneide- und Hämostasesystem ohne den Einsatz eines Kühlmittels, indem die Antriebsenergie gesteuert wird, die an die Klinge geliefert wird. Bei dem System nach diesem Patent wird ein Ultraschallgenerator zur Verfügung gestellt, der ein elektrisches Signal mit bestimmter Spannung, Strom und Frequenz erzeugt, z.B. 55.500 Zyklen pro Sekunde. Der Generator ist über ein Kabel mit einem Handstück verbunden, welches piezokeramische Elemente enthält, die einen Ultraschall-Transducer bilden. Als Antwort auf einen Schalter auf dem Handstück oder einen Fußschalter, der über ein anderes Kabel mit dem Generator verbunden ist, wird das Generatorsignal an den Transducer gegeben, was eine Längsschwingung seiner Elemente hervorruft. Eine Struktur verbindet den Transducer mit einer chirurgischen Klinge, die somit bei Ultraschallfrequenzen in Schwingungen versetzt wird, wenn das Generatorsignal an den Transducer gegeben wird. Die Struktur ist so gestaltet, daß sie an der ausgewählten Frequenz resoniert, was somit die Bewegung verstärkt, die durch den Transducer eingeleitet worden ist.
Das Signal, das an den Transducer gegeben wird, wird gesteuert, um so Leistung auf Anfrage an den Transducer als Antwort auf das kontinuierliche oder periodische Abfühlen des Lastzustandes (Gewebekontakt oder Zurückziehen) der Klinge zur Verfügung zu stellen. Als ein Ergebnis geht die Vorrichtung automatisch aus einem Zustand niedriger Energie (Leerlauf) in einen auswählbaren Zustand hoher Energie (Schneiden), abhängig davon, ob das Skalpell in Kontakt mit Gewebe ist oder nicht. Ein dritter Koagulationsmodus mit hoher Energie ist manuell auswählbar, mit automatischer Rückkehr in einen Leerlauf-Energiepegel, wenn die Klinge nicht in Kontakt mit Gewebe ist. Da die Ultraschallenergie nicht kontinuierlich an die Klinge geliefert wird, erzeugt sie weniger Umgebungswärme, gibt jedoch, sobald es nötig ist, ausreichend Energie auf das Gewebe für Inzisionen und Kauterisierung.
Das Steuersystem in dem Patent von Thomas ist vom analogen Typ. Eine Phasenregelschleife, die einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Frequenzteiler, einen Leistungsschalter, ein Abgleichnetzwerk und einen Phasendetektor umfaßt, stabilisiert die Frequenz, die an das Handstück gegeben wird. Ein Mikroprozessor steuert die Menge an Energie durch Abtasten von Frequenz, Strom und Spannung, die an das Handstück gelegt sind, da diese Parameter sich mit der Last auf der Klinge ändern.
Die Kurve von Energie gegen Last bei einem Generator in einem typischen mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen System, so wie dem, das in dem Patent von Thomas beschrieben ist, hat zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt hat eine positive Steigung mit zunehmender Energie, wem die Last erhöht wird, was eine Konstantstromzufuhr angibt. Der zweite Abschnitt hat eine negative Steigung abnehmender Energie, wenn die Last zunimmt, was eine konstante oder gesättigte Ausgangsspannung angibt. Der regulierte Strom für den ersten Abschnitt ist durch die Gestaltung der elektronischen Komponenten festgelegt, und die Spannung des zweiten Abschnittes ist durch die maximale Ausgangsspannung der Ausgestaltung beschränkt. Diese Anordnung ist unflexibel, da die Eigenschaften von Energie gegen Last bei der Ausgabe eines solchen Systems nicht auf die verschiedenen Typen von Handstück-Transducern und Ultraschallklingen optimiert werden können. Die Leistungsfähigkeit traditioneller analgoer Ultraschall-Energiesysteme für chirurgische Instrumente ist durch die Toleranzen der Komponenten und ihre Variabilität in der Elektronik des Generators aufgrund von Änderungen in der Betriebstemperatur beeinflußt. Insbesondere können Temperaturänderungen große Variationen in Schlüsselparametern des Systems hervorrufen, so wie dem Frequenzregelbereich, dem Antriebssignalpegel und anderen Leistungsmaßen des Systems..
Um ein mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System gut funktionierend zu betreiben, wird während des Anlaufens die Frequenz des Signals, die an den Transducer des Handstückes geliefert wird, über einen weiten Bereich geführt, um die Resonanzfrequenz zu orten. Wenn diese einmal gefunden ist, verriegelt die Phase des Generators auf der Resonanzfrequenz, überwacht weiter den Winkel von Transducerstrom zu Spannungsphase und hält den Transducer in Resonanz, indem er ihn bei der Resonanzfrequenz treibt. Eine Schlüsselfunktion eines solchen Systems ist es, den Transducer über Last- und Temperaturänderungen, welche die Resonanzfrequenz ändern, resonant zu halten. Jedoch haben diese traditionellen Ultraschall-Treibersysteme wenig bis keine Flexibilität im Hinblick auf adaptive Frequenzsteuerung. Eine solche Flexibilität ist der Schlüssel zu der Fähigkeit des Systems, unerwünschte Resonanzen zu unterscheiden. Insbesondere können diese Systeme nach Resonanzen nur in einer Richtung suchen, das heißt mit anwachsenden oder abnehmenden Frequenzen, und ihr Suchmuster ist festgelegt. Das System kann nicht über andere Resonanzmodi springen oder irgendwelche heuristischen Entscheidungen treffen, so wie welche Resonsanz(en) übersprungen werden oder auf welche eingeregelt werden soll, und Zufuhr von Energie nur sicherzustellen, wenn geeignete Frequenzverriegelung erreicht ist.
Die Ultraschall-Generatorsysteme des Standes der Technik haben auch wenig Flexibilität im Hinblick auf Amplitudensteuerung, was es dem System erlauben würde, adaptive Steueralgorithmen zu benutzen und Entscheidungen zu treffen. Zum Beispiel fehlt diesen festen Systemen die Fähigkeit, heuristische Entscheidungen im Hinblick auf das Treiben der Ausgabe, z.B. Strom oder Frequenz, basierend auf der Last auf die Klinge und/oder dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung, zu treffen. Es ist auch die Fähigkeit des Systems beschränkt, optimale Transducer-Treibersignalpegel für konsistente effiziente Leistungsfähigkeit einzustellen, was die nutzbare Lebensdauer des Transducers erhöhen und sichere Betriebsbedingungen für die Klinge gewährleisten würde. Weiter mindert das Fehlen der Steuerung über die Amplitude und der Frequenzsteuerung die Fähigkeit des Systems, diagnostische Prüfungen auf dem System Transducer/Klinge durchzuführen und Fehlersuche und -beseitigung im allgemeinen zu unterstützen.
Einige begrenzte diagnostische Prüfungen, die in der Vergangenheit durchgeführt worden sind, umfassen das Schicken eines Signals an den Transducer, um zu bewirken, daß sich die Klinge bewegt und das System in Resonanz oder in irgendeinen anderen Schwingungsmodus gebracht wird. Dann wird die Antwort der Klinge bestimmt, indem das elektrische Signal gemessen wird, das an den Transducer geliefert wird, wenn das System in einem dieser Modi ist. Das neue System hat die Fähigkeit, über die Ausgangstreiberfrequenz zu streichen, die Frequenzantwort des Ultraschall-Transducers und der Klinge überwachen, Parameter aus dieser Antwort herauszuziehen und diese Parameter für die Systemdiagnose zu verwenden. Dieser Modus des Frequenzüberstreichens und der Antwortmessung wird über einen digitalen Code erreicht, so daß die Ausgangstreiberfrequenz mit hoher Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit abgestuft werden kann, die beim Stand der Technik nicht vorgelegen hat. Als ein Ergebnis kann eine umfangreiche und genaue Diagnose durchgeführt werden.
Eine bestimmte Operation kann ein mit Ultraschall arbeitenden chirurgisches Instrument nutzen, gefolgt von oder vorangehend dem Einsatz einer elektrochirurgischen Einheit („ESU"-Electro-Surgical Unit), wobei ein hochfrequenter elektrischer Strom durch das unter Behandlung stehende Gewebe geliefert wird und als eine Kombination aus Skalpell und kauterisierendem Instrument wirkt. Jedoch kann eine ESU eine große Menge elektrischer Interferenz ausstrahlen, wenn sie aktiviert wird. Diese Interferenz kann den zuverlässigen Betrieb der mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen Ausrüstung verschlechtern, die zur selben Zeit aktiviert werden kann. Somit gibt es ein Erfordernis nach einem Mittel, die mit Ultraschall arbeitende chirurgische Ausrüstung während der Aktivierung der ESU zeitweilig zu deaktivieren. Im Stand der Technik ist dies bewerkstelligt worden, indem die Ultraschallausrüstung und die ESU zusammen derart hartverdrahtet wurden, daß, wenn die ESU aktiviert wird, die Ultraschallausrüstung deaktiviert wird. Jedoch kann dies unbequem sein, da beide Instrumente in den Operationsbereich gebracht werden müssen, selbst wenn nur eines verwendet werden wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf das Ausschalten von Problemen bei einem mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen System gerichtet, das einen Ultraschall-Generator umfaßt, welcher ein Handstück mit einer Ultraschallklinge oder einem Skalpell treibt. Diese Probleme umfassen die Schwierigkeiten beim Lokalisieren der mechanischen Resonanz der Klinge, übermäßige Wärme in der Klinge, Temperaturabhängigkeit der Komponenten des Ultraschall-Generators, inkonsistente Leistungsfähigkeit der Klinge, verringerte diagnostische Möglichkeiten, beschränkte Flexibilität in der Frequenz- und Amplitudensteuerung des Ausgangssignals und Empfindlichkeit des Systems gegen Interferenz von einer elektrochirurgischen Einheit. Diese Probleme werden überwunden, indem ein digitales, mit Ultraschall arbeitenden Generatorsystem verwendet wird, das durch Schalter auf der Generatorkonsole, fußaktivierten Trittschaltern und handaktivierten Schaltern, die auf einer Handaktivierungsanordung, die an dem Handstück befestigt ist, angebracht sind, gesteuert wird.
Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung sind ein Ultraschall-Generator und ein Steuersystem in einer Konsole untergebracht. Verbunden mit der Konsole durch ein Kabel ist ein Handstück, welches einen piezoelektrischen Transducer umfaßt, der durch eine mechanische verstärkende Struktur an einer chirurgischen Klinge oder einem Skalpell befestigt ist. Das Kabel liefert ein elektrisches Stromtreibersignal von dem Generator an den Transducer, um zu bewirken, daß er in Längsrichtung schwingt. Die Struktur und die Klinge haben eine Hauptresonsanzfrequenz, so daß, wenn das richtige elektrische Signal an den Transducer angelegt wird, die Klinge mit beträchtlicher Längsverlagerung (z.B. 40–100 Mikrometer) und einer Ultraschall-Geschwindigkeit hin und her schwingen wird. Bei einer gegebenen Last ist, je größer der Strom ist, die Längsverlagerungsamplitude um so größer.
Eine Schalteranordnung, die an dem Handstück befestigt ist, kann es dem Chirurgen erlauben, den Generator zu aktivieren und zu deaktivieren, um die Ultraschall-Klinge entsprechend ein oder auszuschalten. Der Schalter ist mit der Konsole über das Handstückkabel verdrahtet. Zusätzlich ist es typisch, einen Fußschalter als einen Weg zum Aktivieren der Ultraschallklinge in derselben Weise, wie es für die Handaktivierung erläutert worden ist, vorzusehen. Ein solcher Fußschalter ist über ein weiteres Kabel mit dem Generator verbunden, das sich von dem Fußschalter zu der Generatorkonsole erstreckt. Weiter sind andere Steuerschalter und Anzeiger auf der Konsole vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Kernbereich der Frequenzsteuerung eines typischen analogen Ultraschall-Generators durch ein digitales System ersetzt, das erhöhte Möglichkeiten zur Verfügung stellt, die beim Mildern einiger Probleme, die dem Stand der Technik innewohnen, unterstützen. Der digitale Kern umfaßt einen digitalen Signalprozessor oder Mikrocontroller, welcher die Frequenz steuert und die gewünschte Amplitude des Ausgangs-Ultraschallsignals ebenso wie andere Systemfunktionen einstellt.
Der Generator nutzt eine Stromamplituden-Rückkopplungsschleife, um den Treiberstrom auf einen Pegel einzustellen, der von dem Benutzer ausgewählt wird. Das Einstellen des gewünschten Energiepegels geschieht durch den Benutzer über Schalter an der Frontplatte der Konsole, wobei der Pegel eine Angabe für den Prozessor über den erforderlichen Pegel des Ausgangsstromes liefert. Der Prozessor erzeugt ein für den erforderlichen Strompegel repräsentatives digitales Signal, das in ein analoges Signal umgewandelt wird, welches die Amplitude eines ebenfalls von dem Prozessor erzeugten Frequenzsignals steuert, das als eine Eingabe an einen Gegentaktverstärker geliefert wird. Bevor es als eine Eingabe an den Verstärker gegeben wird, wird dieses Signal mit einem Signal von einem Stromsensor an dem Transducer verglichen, um eine äußere Stromsteuerschleife zu erzeugen, die es dem Prozessor erlaubt, den Einstellpunkt für den Treiberstrom während des Betriebes fliegend zu steuern. Eine Än derung des Stromeinstellpunktes wird nur genutzt, wenn der Prozessor den Einstellpunkt des Ausgangstreiberstroms während des Betriebes in einem nicht konstanten Strombereich der Kurve Energie gegen Last anpassen muß, um eine bestimmte Energiekurvenform zu schaffen, die zu erzeugen er programmiert ist.
Die Steuerschleife für den konstanten Ausgangsstrom hat einen Sensor, der abfühlt: den Ausgangstreiberstrom in den Transducer des Handstückes. Dieser abgefühlte Wert wird mit dem Signal verglichen, welches den Einstellpunkt für den Ausgangstreiberstrom (d.h. den erforderlichen Strom) bezeichnet, der durch eine direkte digitale Synthese (DDS)-Schaltung geliefert wird. Die Differenz wird in den Eingang des Gegentaktverstärkers gespeist. Der Verstärker wiederum liefert die geeignete Ausgangsspannung, um den gewünschten konstanten Treiberstrom zu halten.
Eine schaltende Energiezufuhr in der Form eines einstellbaren Buck-Regulators liefert Gleichspannung an den Gegentaktverstärker. Der Pegel der Ausgangsspannung, der von dem Buck-Regulator an den Gegentaktverstärker geliefert wird, wird bestimmt, indem die minimale Ausgangsspannung des Verstärkers abgefühlt wird, die erforderlich ist, daß der Verstärker unter den effizientesten Bedingungen arbeiten wird, ohne unnötig oder übermäßig Energie zu dissipieren, und indem sie mit einer festen Referenz verglichen wird.
Um den Generatorbetrieb auf die Resonanz des Transducers des Handstückes einzustellen, erzeugt der Mikroprozessor ein Frequenzsignal, das entweder von oberhalb oder unterhalb der Zielresonanzfrequenz bei der Suche nach dieser Resonanz überstreicht. Die Strom- und Spannungssensoren an dem Transducer erzeugen Signale für den Prozessor, die es ihm ermöglichen, die momentane Impedanz der Kombination aus Transducer und Klinge zu berechnen. Eine Änderung in dieser Impedanz zusammen mit einer Änderung in dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung zeigt Resonanz an. Das Frequenzssignal von dem Prozessor ist digital, wird jedoch durch den direkten digitalen Synthetisierer (DDS) in ein analoges Signal umgewandelt, dessen Ausgangsamplitude (d.h. die volle Höhe seines Ausgangs) durch das Signal des Stromeinstellpunktes gesteuert wird. Die Sensorsignale für Spannung und Strom werden auch an Nulldurchgangsdetektoren geliefert, die das Starten und Anhalten eines Zählers steuern, der von einem Oszillator mit fester und präziser Frequenz getrieben wird. Als ein Ergebnis ist der digitale Wert in dem Zähler eine Angabe für Phasenwinkel oder -differenz von Ausgangsstrom zu Ausgangsspannung. Dieses digitale Signal wird an den Prozessor ge geben, der es mit einem digitalen Einstellpunkt für den Phasenwinkel vergleicht, ein Prozeß, der ein Fehlereingangssignal für die Steuerschleife der Resonanzfrequenz erzeugt. Dieses Fehlersignal wird an einen Phasenfehler-Korrekturalgorithmus gegeben, dessen Ausgabe die digitale Darstellung der Frequenz des Signals ist, welches den Gegentaktverstärker treibt, um so die Steuerung der Frequenz in geschlossener Schleife zu vollenden. Somit hat das System eine digital gesteuerte Frequenz ebenso wie Schleifen für den Einstellpunkt der Stromamplitude. Dies liefert beträchtliche Flexibilität und Genauigkeit.
Das Verwenden dieser digitalen Topologie in dem Generator macht es möglich, erhöhte Konsistenz harmonischer Leistungsfähigkeit des Skalpells durch bessere Steuerung der die Transducer treibenden elektrischen Signale, welche die Ultraschallklinge resonieren, zu erreichen. Die beschriebene Topologie erlaubt es dem System, individuell die drei Elemente Ausgangsstrom, Ausgangsspannung und Ausgangsleistung zu regulieren. Dies liefert Flexibilität derart, daß die Kurve von Energie gegen Last für bestimmte Handstücke und/oder Klingentypen maßgeschneidert werden kann, um das Liefern der gewünschten Gewebewirkungen zu ermöglichen.
Das System liefert auch einen auf Hardware basierenden Sicherheitsmechanismus, durch den Ausgangsstrom, der den maximal erlaubten Strom für jeden bestimmten Leistungspegel überschießt, nicht in den Transducer des Handstücks geliefert werden kann, so daß eine gefährliche übermäßige Verlagerung der Ultraschall-Klingenspitze vermieden wird. Zusätzlich zum Verhindern gefährlicher übermäßiger Verlagerung der Ultraschall-Klinge stellt dieser Mechanismus sicher, daß sowohl Transducer als auch Klinge in einem Bereich arbeiten, der für ihre Zuverlässigkeit der beste ist. Dies wird erreicht, indem der Ausgangsstrom abgefühlt wird und er mit einem Satz von Komparatoren mit individuellen Einstellpunkten für jeden der bestimmten Leistungspegel verglichen wird, die von dem Benutzer auswählbar sind. Die Ausgangssteuerung des Systems wird abgeschaltet, wenn für den Ausgangsstrom festgestellt worden ist, daß er den maximal erlaubten Strompegel für den bestimmten verwendeten Leistungspegel überschießt. Wenn nicht der Strom für die während des normalen Betriebes bestimmten Leistungspegel gesteuert wird, wird diese Anordnung auch verwendet, um sicherzustellen, daß der Strom während diagnostischer Prüfungen nicht über dem bezeichneten Ausgangsstrom für den vom Benutzer eingeleiteten diagnostischen Modus liegt.
Um zu erlauben, daß die Antriebssignale für die individuellen Handstücke und/oder Klingen maßgeschneidert werden, werden die folgenden Schlüsselparameter, die die elektrischen Ausgangssignale des Systems beeinflussen, in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert, der in dem Kabel des Handstücks eingebettet ist: (1) Stromeinstellpunkt (optimaler Strompegel, um den bestimmten Transducer zu treiben, während er in dem Bereich konstanten Stromes der Kurve Ausgabeenergie gegen Last ist); (2) maximale Ausgangsspannung (zusammen mit dem Stromeinstellpunkt, der die maximale Ansteuerung der Ausgabeenergie bezeichnet); (3) Regulationsmodus (identifiziert den Parameter, den der Generator gefordert ist zu regulieren, z.B. Spannung oder Energie, wenn die Last über den Punkt hinaus zunimmt, an dem die maximale Ausgangsleistung des Generator erreicht worden ist); (4) maximaler Lastpunkt (die maximale Last, die der Generator verwenden sollte, um das bestimmte verwendete Handstück zu treiben, größere Lasten sollten nicht getrieben werden); und (5) Frequenzverriegelungsbereich (bezeichnet den Frequenzbereich sowohl für das Suchen und Halten des Überstreichbereiches während der Suche nach der Resonanz).
Zusätzlich liefert das digitale System verbesserte Leistungsfähigkeit beim Anlaufen und unter Belastung, minimale Leistungsverschlechterung bei Temperaturänderungen und verringerte Toleranzanforderungen für die Gestaltungen von Transducer und Klinge. Es sorgt auch für Konsistenz zwischen Handstücken (die Anforderungen für den Strom- und Spannungstreiberpegel werden während des Herstellungsprozesses des Transducers eingerichtet) und für verlängerte Nutzdauer des Handstückes. Diese Nutzen werden erzielt, indem eine Topologie verwendet wird, die einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine direkte digitale Synthese (DDS)-Schaltung, ein digitales Phasenerfassungsschema und direktes Abfühlen von Transducerstrom und angelegter Spannung umfaßt, die digital in den DSP eingespeist werden, um die straffe analoge Regulierung des Ausgangsstromtreibens zu erreichen, indem der Mikroprozessor die Ausgangstreiberfrequenz steuert und reguliert. Die Nutzen werden auch durch Verwendung der Mikroprozessor-Softwaresteuerung erzielt, um den Stromeinstellpunkt für die analoge Schaltung oder Regulierung des Ausgangsstromes mit geschlossener Schleife zu ändern, was es erlaubt, auf Spannungs- oder Energieregulation umzuschalten, wie es gewünscht wird.
Ein weiterer Schlüsselvorteil des Systems ist, daß es einen Frequenzregelbereich hat, der temperaturstabil ist, frei von den Effekten der Variabilität in den elektronischen Komponenten und so eng wie erforderlich. Der Bereich wird digital als Parameter eingerichtet, der innerhalb des Handstückes in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert ist. Es hat auch die Möglichkeit, die Ausgangsfrequenz entweder in die Richtung nach oben oder unten zu überstreichen, ebenso wie in eine Frequenz hineinzuspringen, so daß der Übergang von einer Frequenz zu einer anderen an dem Nulldurchgang der Sinuswelle geschieht, was minimale Verzerrung des Signals sicherstellt, so daß fehlerhafter Betrieb verhindert und elektromagnetische Interferenz minimiert wird. Dies führt zu darauf bezogenen entspannten Gestaltungstoleranzen für die Transducer und Klingen. Die Frequenz kann auch für diagnostische Zwecke überstreichen, wo individuelle Frequenzen eingerichtet werden, die Ausgangsstromtreiberpegel eingerichtet werden und Messungen der Transducerverhalten überwacht werden, indem die Ausgangstreiberspannung und der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung abgefühlt werden, was eine Impedanzberechnung erlaubt. Weiterhin kann das Ausgangstreibersignal derart gesteuert werden, daß der Ausgangsstrom, die Spannung und die Energie reguliert werden können.
Um zufälligen Kontakt mit Gewebe während durch einen Benutzer eingeleiteter diagnostischer Prüfungen zu vermeiden, können die Prüfungen durch zwei Schaltoperationen eingeleitet werden. Zum Beispiel kann die diagnostische Prüfung durch Aktivierung eines Knopfes auf der Frontplatte des Generators und den Fußtrittschalter oder den Handstückschalter eingeleitet werden. Dieser Forderung nach einer Kombination aus Schaltern, um den diagnostischen Modus zu aktivieren, hilft dabei, die Möglichkeit der zufälligen Bewegung der Klinge auszuschalten, wenn sie entweder im Kontakt mit Gewebe oder einem anderen Gegenstand ist, was zu unrichtigen diagnostischen Ergebnissen oder Schädigungen bei dem Verwender führen könnte.
Der erfinderische Ultraschallgenerator kann weiter so angeordnet werden, daß er automatisch beim Vorliegen elektrischer Interferenz von einer elektrochirurgischen Einheit deaktiviert werden kann. Dies wird bewerkstelligt, indem der Generator mit einem Rauschemissionsdetektor ausgestattet wird. Wenn Rauschen dieses Typs erfaßt wird, wird die Aktivierung des mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen Systems unterbunden. Dieser Rauschemissionsdetektor kann in der Form einer Antenne vorliegen, die durch das Handstückkabel erzeugt wird oder durch Aufnahmespulen, die sich innerhalb des Handstückes oder der Konsole des Generator befinden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden leichter aus der folgenden genauen Beschreibung und den Zeichnungen einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung deutlich, wobei:
1 eine Veranschaulichung einer Konsole für ein mit Ultraschall arbeitenden chirurgisches Schneid- und Hämostasesystem ist, ebenso wie eines Handstückes und Fußschalters, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch das mit Ultraschall arbeitende Skalpell-Handstück ist;
3 ein Blockschaubild ist, daß das Ultraschallsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ein Zustandsdiagramm für einen Teil der Operation der Phasenerfassungslogik des Systems, das in 3 gezeigt ist, ist; und
5 eine graphische Darstellung von Phasensteigung gegen Impedanz bei 0° Phase für das System der 3 ist.
BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Veranschaulichung einer Konsole oder eines Gehäuses 10 für einen Ultraschall-Generator und ein Steuersystem für das mit Ultraschall arbeitende chirurgische System der vorliegenden Erfindung. Mittels eines ersten Satzes aus Drähten in einem Kabel 20 wird elektrische Energie, d.h. Treiberstrom, von der Konsole 10 an ein Handstück 30 geschickt, wo sie eine Ultraschall-Längsbewegung auf eine chirurgische Vorrichtung, so wie eine scharfe Skalpellklinge 32, bringt. Diese Klinge kann für die gleichzeitige Dissektion und Kauterisierung von Gewebe verwendet werden. Die Zufuhr von Ultraschallstrom an das Handstück 30 kann unter der Steuerung eines auf dem Handgebäck befindlichen Schalters 34 geschehen, der über einen Draht in dem Kabel 20 mit dem Generator in der Konsole 10 verbunden ist. Der Generator kann auch durch einen Fußschalter 40 gesteuert werden, der über ein weiteres Kabel 50 mit der Konsole 10 verbunden ist. Dann kann bei der Verwendung ein Chirurg ein elektrisches Ultraschallsignal an das Handstück geben, was bewirkt, daß die Klinge bei einer Ultraschallfrequenz in Längsrichtung schwingt, indem er den Schalter 34 auf dem Handstück mit seinem Finger betätigt oder indem er den Fußschalter 40 mit seinem Fuß betätigt.
Die Generatorkonsole 10 umfaßt eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung 12, die zum Angeben des ausgewählten Schneidenergiepegel in verschiedener Weise verwendet werden kann, so wie als Prozentanteil der maximalen Schneidenergie oder als numerische Energiepegel, die mit der Schneidleistung verbunden sind. Die Flüssigkristallanzeigevorrichtung 12 kann auch verwendet werden, um weitere Parameter des Systems anzuzeigen. Der Leistungsschalter 11 wird verwendet, um die Einheit einzuschalten. Während sie sich aufwärmt, ist das „Bereitschaft"-Licht 13 beleuchtet. Wenn sie für den Betrieb bereit ist, ist der „Bereit"-Indikator 14 beleuchtet, und das Bereitschaftslicht geht aus. Wenn die Einheit maximale Energie liefern soll, wird der MAX-Knopf 15 niedergedrückt. Wenn eine geringe Energie gewünscht wird, wird der MIN-Knopf 17 aktiviert. Dieses deaktiviert den MAX-Knopf automatisch. Der Pegel der Energie, wenn MIN aktiv ist, wird durch den Knopf 16 eingestellt.
Wenn eine diagnostische Prüfung durchgeführt werden soll, wird sie durch den „Test"-Knopf 19 eingeleitet. Aus Sicherheitszwecken, z.B. um sicherzustellen, daß ein Test nicht begonnen wird, während die Klinge den Chirurgen oder anderes Personal berührt, muß der Knopf 19 in Kombination mit dem Handstückschalter 34 oder dem Fußschalter 40 gedrückt werden. Auch, wenn der Handschalter 34 anstelle des Fußschalter 40 betätigt werden soll, muß der „Handaktivierung"-Knopf 18 auf der Frontplatte betätigt werden.
Wenn Energie an das Ultraschall-Handstück durch Betätigen entweder des Schalters 34 oder 40 gegeben wird, wird die Anordnung bewirken, daß das chirurgische Skalpell oder die Klinge in Längsrichtung bei ungefähr 55.5 kHz schwingt, und die Größe der Längsbewegung wird proportional mit der Größe der antreibenden Kraft (Strom), die aufgegeben wird, variieren, wie es einstellbar von dem Benutzer ausgewählt wird. Wenn eine relativ hohe Schneidenergie aufgegeben wird, ist die Klinge so gestaltet, daß sie sich in Längsrichtung in dem Bereich von ungefähr 50 bis 100 Mikrometer bei der Ultraschallschwingungsrate bewegt. Eine solche Ultraschallschwingung der Klinge wird Wärme erzeugen, wenn die Klinge Gewebe berührt, d.h. die Beschleunigung der Klinge durch das Gewebe wandelt die mechanische Energie der sich bewegenden Klinge in einem sehr engen und lokalisierten Bereich in thermische Energie um. Diese lokalisierte Wärme erzeugt eine enge Zone der Koagulation, welche das Bluten in kleinen Gefäßen verringern oder beseitigen wird, so wie denjenigen, die weniger als einen Millimeter im Durchmesser haben. Der Schneidwirkungsgrad der Klinge, ebenso wie der Grad der Hämostase, wird mit dem Pegel der angelegten Treiberleistung, der Schneidrate des Chirurgen, der Beschaffenheit des Gewebetyps und dem Gefäßreichtum des Gewebes variieren.
Wie es in weiteren Einzelheiten in 2 veranschaulicht ist, beherbergt das Ultraschallhandstück 30 einen piezoelektrischen Transducer 36 zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie, was zur Längsschwingungsbewegung der Enden des Transducers führt. Der Transducer 36 liegt in der Form eines Stapels aus keramischen piezoelektrischen Elementen vor, mit einem Bewegungsnullpunkt, der sich an irgendeinem Punkt des Stapels befindet. Der Transducerstapel ist zwischen zwei Zylindern 31 und 33 angebracht. Zusätzlich ist am Zylinder 33 ein Zylinder 35 befestigt, der an einem anderen Bewegungsnullpunkt 37 am Gehäuse angebracht ist. Ein Horn 38 ist auch auf einer Seite an dem Nullpunkt und auf der anderen Seite an einem Koppler 39 angebracht. Die Klinge 32 ist an dem Koppler 39 befestigt. Als ein Ergebnis wird die Klinge 32 in der Längsrichtung bei einer Ultraschallfrequenzrate mit dem Transducer 36 schwingen. Die Enden des Transducers erreichen maximale Bewegung, wobei ein Teil des Stapels einen bewegungslosen Knoten bildet, wenn der Transducer mit einem Strom von ungefähr 380 mA RMS an der Resonanzfrequenz des Transducers getrieben wird. Jedoch wird der Strom, der die maximale Bewegung liefert, bei jedem Handstück variieren, und es ist ein Wert, der in dem nicht flüchtigen Speicher des Handsystems gespeichert ist, so daß das System ihn verwenden kann.
Die Teile des Handstückes sind so gestaltet, daß die Kombination bei derselben Resonanzfrequenz oszillieren wird. Insbesondere sind die Elemente so abgestimmt, daß sich die ergebende Länge eines jeden solchen Elementes eine halbe Wellenlänge ist. Die Längsbewegung hin und her wird verstärkt, wenn der Durchmesser des akustischen Einbauhorns 38 näher an der Klinge 32 abnimmt. Somit sind sowohl das Horn 38 als auch Klinge/Koppler so geformt und bemessen, daß sie die Klingenbewegung verstärken und harmonische Schwingung in Resonanz mit dem Rest des akustischen Systems liefern, was die maximale Hin- und Herbewegung des Endes des akustischen Einbauhorns 38 nahe an der Klinge 32 erzeugt. Eine Bewegung am Transducerstapel wird von dem Horn 38 in eine Bewegung von ungefähr 20 bis 25 Mikrometer verstärkt. Eine Bewegung am Koppler 39 wird durch die Klinge in einen Klingenbewegung von ungefähr 40 bis 100 Mikrometer verstärkt.
Das System, welches das elektrische Ultraschallsignal zum Treiben des Transducers in dem Handstück erzeugt, ist in 3 veranschaulicht. Dieses Treibersystem ist flexibel und kann ein Treibersignal mit einer gewünschten Frequenz und Energiepegeleinstellung erzeugen. Ein Mikroprozessor 60 in dem System wird zum Überwachen der geeigneten Energieparameter und Schwingungsfrequenz ebenso wie zum Hervorrufen des geeigneten Energiepegels verwendet, der in entweder dem Schneide- oder dem Koagulationsbetriebsmodus zur Verfügung gestellt wird.
Wechselspannung von einer Leitung 71 wird an die Energiezufuhr 72 geliefert. Diese Spannung kann von 90 bis 267 Volt RMS bei 50 bis 60 Zyklen sein. Die Energiezufuhr schickt einen Teil der Eingabe, d.h. ein Wechselspannungssignal von 48 V, an einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 74, welcher diese regulierte Wechselspannung benutzt, um die niedrigen Systemgleichspannungen zu erzeugen, die benötigt werden, um die elektronischen Schaltungen für den Rest des Systems zu betreiben, z.B. ± 15 Volt Gleichspannung und ± 5 Volt Gleichspannung.
Die Energiezufuhr 72 liefert auch ein Wechselspannungssignal von 48 V an den einstellbaren Buck-Regulator 76, welcher ein Schaltregulator ist, der die 48 V Wechselspannung in ein niedrigeres Gleichspannungssignal ändert, das als eine Zufuhrspannung von einem Gegentaktverstärker 48 benötigt wird. Die Ausgabe des Verstärkers 78 wird an einen Transformator 86 (3b) gegeben, der ein isoliertes Signal über die Leitung 85 an den piezoelektrischen Transducer 36 in dem Handstück 30 liefert. Dieser Transducer treibt die Skalpellklinge 32. Der Transformator 86 hat ein Hochstufungsverhältnis von ungefähr 1:7 in der Spannung, und sein Hauptzweck liegt darin, die Patientenschaltung, die durch den Handstücktransducer 36 des Handstücks dargestellt wird, von dem Verstärker 38 zu isolieren.
Ein Signal wird von den Senken eines der Feldeffekttransistoren in dem Gleichtaktverstärker 78 abgezogen. Dieses Signal, welches die Ausgangsspannung angibt, wird durch einen Schleifenfilter 80 geführt und wird an den Minuseingang eines Summierknotens 84 angelegt. Der Pluseingang zum Knoten 84 hat eine fest daran angelegte Referenzspannung 82. Die Ausgabe des Knotens 84 wird an den Buck-Regulator 76 gegeben. Diese Ausgabe erzeugt eine Rückkopplungs-Steuerschleife von dem Gegentaktverstärker 78 zu dem Buck-Regulator 76 durch den Schleifenfilter 80 und den Summierknoten 84. Der Gegentaktverstärker kann über einen Bereich von ungefähr 5 bis 44 Volt zugeführter Gleichspannung von dem Buck-Regulator arbeiten. Wenn jedoch die Amplitude der Ausgangsspannung für eine bestimmte Spannungseinstellung niedrig ist und die Ausgangsspannung des Buck-Regulators hoch ist, muß der Gegentaktverstärker 38 zur Kompensation einen Spannungsabfall erzeugen. Dies macht den Betrieb des Verstärkers ineffizient. Jedoch wird in diesem Fall die Ausgangsspannung des Buck-Regulators 76 über einen Rückkopplungsmechanismus der Leitung, über die die Senken der beiden Feldeffektoren angezapft werden, abgesenkt, welche die Hauptschaltung aus Gegentaktverstärker 78, dem Schleifenfilter 80, dem Summierknoten 84 und der festen Referenz 82 ausmachen. Das Signal, das an den Schleifenfilter 80 angelegt wird, ist nahe dem Massepegel, wenn die Transistoren eine normale Menge an Energie dissipieren. Wenn die Transistoren mehr Energie dissipieren, ist die Senkenspannung höher, und diese Spannung treibt den Buck-Regulator 76 durch den Schleifenfilter 80 und den Summierknoten 84, um seine Zufuhrspannung an den Gegentaktverstärker 78 abzusenken. Als ein Schaltregulator kann die Buck-Schaltung 76 in einer effizienten Weise einen Spannungsabfall erzeugen, im Gegensatz zu dem Gegentaktverstärker 78, welcher ein linearer Verstärker ist.
Der Schleifenfilter 80 bewahrt den Gegentaktverstärker 78 und die Rückkopplungsschleife für die Zufuhrspannung davor, instabil zu werden. Die feste Referenz 82 stellt sicher, daß die Zufuhrspannung an den Gegentaktverstärker 78 wenigstens um einen bestimmten Betrag oberhalb der minimalen Zufuhrspannung liegt, die von dem Gegentaktverstärker 78 gefordert wird, damit er linear arbeitet, so daß er keine verzerrte Sinuswelle der Ausgangsspannung erzeugt. Dies garantiert den effizienten Betrieb des Gegentaktverstärkers 78, wenn die Zufuhrspannung an ihn von dem Buck-Regulator 76 angehoben oder abgesenkt wird, da mehr oder weniger Ausgangsspannung erforderlich ist, um den geforderten Strompegel zu liefern.
Ein Stromabfühler 88 (3b) in der Form eines zweiten Isolationstransformators über einen Abfühlwiderstand fühlt die Menge an Strom in der Leitung 85 am Eingang in den Transducer 36 ab. Zusätzlich mißt ein Spannungsfühler 92 in der Form eines dritten Isolationstransformators die Spannung auf der Eingangsleitung 85 in den Transducer 36. Das abgefühlte Stromsignal wird an den stabilisierenden Schleifenfilter 94 gegeben, dessen Ausgabe mit einem variablen Einstellpunkt in einem Summierknoten 96 verglichen wird. Die Erzeugung des Einstellpunktes wird hiernach beschrieben werden. Die Ausgabe des Knotens 96 treibt den Ge gentaktverstärker 78 mit einer Stromamplitude, die durch die Rückkopplungsschleife aus Stromfühler 88, Schleifenfilter 94 und Knoten 96 gehalten wird. Dies ist eine Steuerschleife für die Stromamplitude.
Die Signale vom Stromfühler 88 und vom Spannungsfühler 92 werden an die Nulldurchgangsdetektoren 100 bzw. 102 (3b) gegeben. Diese Detektoren erzeugen Ausgangspulse, wann immer die Strom- und Spannungssignale die Null durchqueren. Das Nulldurchgangssignal für den Strom wird an den Starteingang eines Zählers (nicht gezeigt) in der Phasenerfassungslogik 104 gelegt, während das Nulldurchgangssignal für die Spannung auf den Halteeingang des Zählers in der Phasenerfassungslogik 104 gelegt wird. Ein Oszillator (nicht gezeigt), der ein Taktsignal zur Verfügung stellt, das z.B. bei 40 MHz arbeitet, befindet sich in der Erfassungslogik 104. Er treibt den Zähler vom Startpuls bis zum Haltepuls. Als Ergebnis steht die Zählung des Zählers in Bezug zur Phasendifferenz Strom/Spannung oder Delta in dem Signal, das an den Transducer angelegt ist. Je größer der Zählwert ist, desto größer ist die Phase Delta. Die Phasenerfassungslogik kann auch andere Funktionen durchführen und kann mit einer programmierbaren logischen Anordnung implementiert werden. Mit einem Takt von 40 MHz und einer normalen Treiberfrequenz des Transducers von 55.5 kHz liefert die Phasenerfassungslogik 108 eine Phasenauflösung von ungefähr 0.5°.
Die Phasenerfassungslogik führt weiterhin Routinen aus, die zwei Phase-Delta-Zustandsmaschinen äquivalent sind, eine für eine ansteigende Kante von Phase Delta und eine für eine fallende Kante von Delta. Jede wird durch eine Registerschnittstelle dem DSP zugänglich gemacht. Der Antrieb der Zustandsmaschine für eine Erfassung des Nulldurchgangs der ansteigenden Kante ist in 4 gezeigt und beginnt in dem LEERLAUF-Zustand (0001). Eine ansteigende Kante des Stromes schickt ihn in den FÜHRUNG-Zustand (0010), A in 4, währen deine ansteigende Kante der Spannung ihn in den VERZÖGERN-Zustand (0100), B in 4, schickt. Dies bewirkt, daß der Phasenzähler in der 40 MHz-Rate inkrementiert bzw. dekrementiert. Es ist auch möglich, daß gleichzeitig ansteigende Kanten für Spannung und Strom auftreten, z.B. wenn sie bei Phase Null sind. In diesem Fall geht die Zustandsmaschine direkt in den DELTA-Zustand (1000), d.h. C in 4. Der Zählwert wird gehalten, jedoch sollte er Null sein.
Wenn sie einmal in dem FÜHRUNG- oder VERZÖGERN-Zustand ist, wenn irgendeine fallende Kante vor der ansteigenden Kante des anderen Signals gesehen wird, setzt die Maschine in den LEERLAUF-Zustand (0001), d.h. D bzw. E, zurück. Da der Phasenbereich des Transducers nur ± 90° ist, stellen diese beiden Situationen einen anomalen Fall dar und werden eine Phasenmessung ausschließen, bis die nächste berechtigte Sequenz gesehen wird. Es wird angenommen, daß die frühe fallende Kante durch mehrere Nulldurchgänge eines Rauschsignals verursacht worden sind. Als ein Ergebnis wird der Phasenzähler deaktiviert und auf Null zurückgesetzt.
Wenn sie in dem FÜHRUNG-Zustand (0010) ist, schickt ein ansteigendes Spannungssignal die Maschine in den DELTA-Zustand (1000), d.h. F, der angibt, daß ein richtiger Stromführungszyklus (positive Phase) erfaßt worden ist. In dem VERZÖGERUNG-Zustand (0100) schickt ein ansteigendes Stromsignal die Maschine in den DELTA-Zustand, d.h. G. Wieder ist ein berechtigter Zyklus erfaßt worden. Jedoch ist es in diesem Fall ein Stromverzögerungszyklus (negative Phase).
In dem DELTA-Zustand wird der Phasenzähler angehalten, der Zählwert, der die Phasenablesung darstellt, wird festgehalten, der Wert wird in ein Register kopiert, um die Ablesung für den DSP verfügbar zu machen, und der Zähler wird rückgesetzt. Weiter, wenn sie in dem DELTA-Zustand ist, kehrt die Maschine, falls beide Signale niedrig sind, in den LEERLAUF-Zustand zurück, Weg H. Als ein Ergebnis wird der Phasenzähler auf Null zurückgesetzt.
Das Schaubild der 4 ist das der Zustandsmaschine für die Erfassung des Nulldurchgangs der ansteigenden Kante. Die Zustandsmaschine für die fallende Kante kann leicht abgeleitet werden, indem die Logik der Spannungs- und Stromsignale invertiert wird.
Die Phase Delta, die ein digitaler Zählerwert ist, wird an den digitalen Signalprozessor (DSP) oder Mikroprozessor 60 über die Leitung 140 gegeben. Sie wird als eine negative Eingabe in einen Summierknoten 110 in dem DSP oder Mikroprozessor verwendet, während eine gespeicherte Zahl für den Einstellpunkt der digitalen Phase an den positiven Eingang gelegt wird. Die Ausgabe des Knotens 110 ist ein digitaler Phasenfehler. Das Signal des digitalen Phasenfehlers wird durch einen Phasenfehlerfilter 110 geleitet, der so funktioniert, daß er die Schaltung stabilisiert. Das gefilterte Phasenfehlersignal wiederum wird von einem Phasenkorrekturalgorithmus verwendet, der bei 114 implementiert wird, also durch den DSP oder Mikroprozessor 60. Eine Änderung des Stromeinstellpunkts wird nur vorgenommen, wenn der Prozessor die Ausgabe des Einstellpunktes des Treiberstromes während des Betriebs in dem nicht konstanten Strombereich der Kurve Spannung gegen Last anpassen muß, um eine bestimmte Spannungskurvenform zu schaffen, für die zu erzeugen er programmiert ist.
Signale von dem Stromfühler 88 und dem Spannungsfühler 92 werden auch an die mittelnden Schaltungen 120 bzw. 122 für Strom und Spannung angelegt, welche in der Form von Vollwellengleichrichtern und Mittelungsschaltungen vorliegen. Die gemessenen Signale werden über bekannte Skalierfaktoren in RMS-Strom- und Spannungswerte umgewandelt. Diese Umwandlung in RMS-Werte liefert die beste Genauigkeit nur, wenn die überwachte Wellenform sinusartig ist. Je mehr nicht sinusartige Verzerrung in dem Signal, desto ungenauer die Ablesung. Das Strom- und Spannungswellenform üblicherweise nahe an sinusartig sind, ist die Meßtechnik geeignet. Haromonische Verzerrung, die auch sinusartig ist, überlagert auf dem fundamentalen Treibersignal, beeinflußt diese Messung nicht in negativer Weise.
Die Treiberspannung des harmonischen Skalpell-Transducers zeigt asymmetrische harmonische Verzerrung. Da sie asymmetrisch ist, muß sie aus geraden und ungeraden Harmonischen zusammengesetzt sein. Die Verzerrung ist am offensichtlichsten, wenn die Spannung und daher die mechanische Belastung auf der Klinge gering sind. Dies ist der Fall, da die Größe der Harmonischen durch die mechanische Belastung nicht beeinflußt wird. Somit ist bei geringer mechanischer Belastung der harmonische Beitrag ein viel höherer Prozentanteil des Signals. Es ist nicht vernünftig, diese Verzerrung zu verringern, da die Verzerrung ein mechanischer Effekt ist, der durch Rückkopplung von der Anregung sekundärer Resonanz(en) hervorgerufen wird. Die Verzerrung kann einen negativen Effekt auf die Fähigkeit, die Impedanzphase und -größe zu messen, ausüben.
Die Implementation eines Filters mit diskreten Komponenten oder der DSP könnten eine genauere Messung der Impedanz der primären Resonanz geben. Das Resultat würde sinusartiger sein, jedoch keine genaue Messung der Gesamtimpedanz, da die Harmonischen beitragen. Jedoch ist das Vollwellen-Gleichrichtungsmittelverfahren, das gewählt worden ist, um die Größe der Impedanz zu messen, relativ immun gegen die Einflüsse der harmonischen Verzerrung. Die Herausforderung besteht darin, den Einfluß auf die Messung der Phase der Impedanz zu minimieren. Das gewählte Verfahren zum Messen der Phase ist es, die Entfernung zwischen den Nulldurchgängen der Spannungs- und Stromsignale zu messen. Wenn die harmonische Verzerrung nahe dem Nulldurchgang eines Signal erscheint, kann sie bewirken, daß der Ort des Nulldurchgangs sich signifikant ändert. Auch bewirkt die harmonische Verzer rung üblicherweise, daß die Wellenform der Spannung einen anderen als einen 50 %igen Arbeitszyklus hat. Das Messen der „Phase" an Nulldurchgängen mit ansteigender Flanke gibt eine vollständig andere Ablesung als die „Phase" an den Nulldurchgängen der fallenden Flanke. Das Mitteln der beiden Ablesungen liefert eine genauere Phasenablesung, würde jedoch weiter einen beträchtlichen Fehler haben, wenn die harmonische Verzerrung nicht um den Scheitelpunkt der Spannungswellenform zentriert wäre. Das Verwenden des Mittelwerts der Phasenmessungen an der fallenden Flanke und an der ansteigenden Flanke als die akzeptierte Phasenablesung und das Einregeln auf ein Ziel einer Phase von 0° bewirkt, daß sich die harmonische Verzerrung um den Scheitelpunkt der Spannungswellenform zentriert. Die nachteiligen Einflüsse der harmonischen Verzerrung werden daher mit dieser Architektur und Vorgehensweise auf einen akzeptablen Wert minimiert.
Beim Implementieren dieses Konzeptes werden die analogen Mittelwertsignale, die von Schaltungen 120, 122 erzeugt werden, durch jeweilige Analog-Digital-Wandler (ADC)-Schaltungen 124 bzw. 126 umgewandelt. Indem die digitalen Ausgaben der ADC 124, 126, welche den mittleren Strom und Spannung, die an den Transducer 36 gegeben worden sind, darstellen, an den DSP oder Mikroprozessor über Eingangsleitungen 142, 144 gegeben werden, kann dieser die momentane mittlere Impedanz des Transducers berechnen, die für den Phasenkorrekturalgorithmus 114 verwendet werden soll.
Da der DSP 60 oder Mikroprozessor, wenn der Phasenkorrekturalgorithmus 114 implementiert wird, die Impedanz und den Phasenfehler der Signale, die den Transducer treiben, berechnet und kennt, kann er das Frequenzsignal 146 für das System erzeugen, so daß er die Resonanzfrequenz für die Anordnung Transducer/Klinge lokalisiert. Zum Beispiel kann unter der Steuerung eines Programms, das in dem DSP oder Mikroprozessor 60 als der Phasenkorrekturalgorithmus gespeichert ist, die Frequenz während des Anlaufens auf einen eingestellten Wert gebracht werden, z.B. 50 kHz. Es kann bewirkt werden, daß sie mit einer bestimmten Geschwindigkeit überstreicht, bis eine Änderung in der Impedanz, welche die Annäherung an die Resonanz anzeigt, erfaßt wird. Dann kann die Überstreichgeschwindigkeit verringert werden, so daß das System die Resonanzfrequenz, z.B. 55 kHz, nicht überschießt. Die Überstreichgeschwindigkeit kann erreicht werden, indem man sich die Frequenz in Inkrementen, z.B. 50 Zyklen, ändern läßt. Wenn eine geringere Geschwindigkeit gewünscht ist, kann das Algorithmusprogramm das Inkrement verkleinern, z.B. auf 25 Zyklen, was beides adaptiv auf der gemessenen Größe und Phase der Impedanz des Transducers basieren kann. Natürlich kann eine schnellere Geschwindigkeit erreicht werden, indem die Größe des Inkrements erhöht wird. Weiter kann die Geschwindigkeit des Überstreichens geändert werden, indem die Geschwindigkeit verändert wird, mit der das Frequenzinkrement aktualisiert wird.
Wenn es bekannt ist, daß es einen ungewünschten resonanten Modus gibt, z.B. bei beispielsweise 51 kHz, kann das Programm bewirken, daß die Frequenz nach unten streicht, z.B. von 60 kHz aus, um Resonanz zu finden. Auch kann das System von 50 kHz nach oben streichen und 51 kHz überspringen, wo sich die unerwünschte Resonanz befindet. Jedenfalls hat das System einen hohen Grad an Flexibilität.
Um diesen Arbeitsgang durchzuführen, ist es notwendig, einen Steueralgorithmus für die Treiberphase des Transducers zu implementieren, der den gewünschten Phasenwinkel zwischen der Transducerspannung und dem Transducerstrom sucht und dann hält. Die Treiberphase des Transducers ist abhängig von der Frequenz des Treibersignals. Jedoch wird die gewünschte Phase nicht immer an derselben Frequenz gefunden werden, da sie von den Eigenschaften des Transducers abhängt. Diese Eigenschaften können sich von Transducer zu Transducer und über die Temperatur ändern.
Die Parameter, die den Treibersteueralgorithmus steuern, sind die mittlere Größe der Impedanz des Transducers und mittlere Phase der Impedanz des Transducers. Die Ausgaben dieses Algorithmus sind der Einstellpunkt für die Frequenz an eine DDS (Direkte Digitale Synthese) und der Einstellpunkt der Größe des Stroms für den Transducer. Wenn man den Algorithmus verwendet, sucht der DSP zunächst den Zielwert 0° für die Phase Delta der Impedanz. Die Frequenz der DSS wird auf eine Frequenz außerhalb der Resonanz eingestellt, die geringer ist als die Resonanz irgendeiner bekannten Kombination Transducer/Klinge. Außerhalb der Resonanz ist die Größe der Impedanz des Systems sehr hoch. Damit diese Spannung nicht die physikalische Grenze des Systems übersteigt, wird der Strom sehr niedrig eingestellt. Die Frequenz wird dann sanft vergrößert, bis das Ziel 0° für die Phase Delta der Impedanz gefunden wird. Wenn sich Resonanz nähert, tritt ein entsprechender Abfall in der Größe der Impedanz auf. Der Einstellpunkt für den Strom kann auf den Punkt gehoben werden, daß die Größe der Spannung gerade unter die physikalische Grenze des Systems fällt. Die Frequenz muß sanft hochgefahren werden, um die Schwingung der Größe und Phase der Impedanz des Transducers zu verhindern. Die Schwingung tritt auf, wenn das Suchen zu einer Änderungsrate der Verlagerung (dd/dt) führt, die das maximale dd/dt überschreitet, das bei der natürlichen mechanischen Resonanz der Klinge und des Handstückes auftritt. Der Frequenzschritt, der zu verwenden ist, ist abhängig von Größe und Phase der Impedanz des Transducers. Eine zweidimensionale Nachschlagetabelle, bei denen die Phase und Größe der Impedanz die beiden Eingabewerte sind, kann verwendet werden, um die Werte für den Frequenzschritt zu erhalten. Je höher die Größe und Phase der Impedanz, desto höher der Frequenzschritt. Der Frequenzschritt wird mit einer Rate von 2 kHz oder größer aufgegeben.
Wenn einmal das Ziel für die Phase Delta gefunden worden ist, muß es gehalten werden. Die Frequenz, bei der der Zielwert 0° für die Phase der Impedanz auftritt, kann aufgrund von Temperaturänderung des Transducers driften, oder kann sich aufgrund einer mechanischen Belastungsänderung am Handstück schnell bewegen. Um den Zielwert Null für die Phase der Impedanz zu halten, werden die Phase und Größe der Impedanz gemessen und verwendet, um eine Frequenzkorrektur zu bestimmen (siehe 5, Phasensteigung gegen Impedanz bei 0° Phase): fD = f·Phasensteigung(|z|)·kwobei f_D = die berechnete Frequenzänderung, f = Phasenablesung, z = Impedanz, k = ein Skalierfaktor. Die Kurve Frequenz/Phasensteigung gegen Größe der Impedanz wurde durch ein mathematisches Modellieren des Transducers bestimmt. Es sollte angemerkt werden, daß die Phasensteigungskurve sich nicht wesentlich für diese Zwecke für ungefähr ± 40° von der Phase 0° ändert. Daher wird die Kurve noch anwendbar sein, selbst wenn man leicht außerhalb der Resonanz ist. Der Skalierfaktor ist eine Bruchzahl kleiner als 1, der angewendet wird, um Überschießen zu verhindern. Dies ist aufgrund einer Verzögerung bei den Messungen von Phase und Größe der Impedanz aufgrund von Filtern notwendig. Die Ablesungen von Größe und Phase der Impedanz werden mit einer Mittelungsroutine mit bewegendem Fenster gefiltert. Diese Korrekturfunktion wird mit einer Rate von 1 kHz angewendet.
Wie in 3 gezeigt, wird das digitale Frequenzsignal 146 von dem Phasenkorrekturalgorithmus 114 an die direkte digitale Synthese (DDS)-Schaltung 128 gegeben. Die DDS 128 ist ein numerisch gesteuerter Oszillator, dessen analoge Sinuswellen-Ausgangsfrequenz sich entsprechend einer digitalen Frequenzcodeeingabe ändert, so wie dem Signal 146.
Im Betrieb stellt der Benutzer einen bestimmten Energiepegel ein, der mit dem chirurgischen Instrument verwendet werden soll. Dies geschieht mit dem Energiepegel-Auswahlschalter 16 auf der Frontplatte der Konsole. Der Schalter erzeugt Signale 150, die an den DSP 60 gegeben werden. Der DSP 60 zeigt dann den ausgewählten Energiepegel an, indem er ein Signal auf der Leitung 152 (3b) an die Anzeige 12 auf der Frontplatte der Konsole schickt. Weiter erzeugt der DSP 60 ein digitales Strompegelsignal 148, das durch den Digital-Analog-Wandler (DAC) 130 in ein analoges Signal umgewandelt wird. Das sich ergebende analoge Referenzsignal wird als ein Stromeinstellpunkt an den Summierknoten 132 gegeben. Ein Signal, das den mittleren Ausgangsstrom von der Schaltung 120 darstellt, wird an den negativen Eingang des Knotens 132 gegeben. Der Ausgang des Knotens 132 ist ein Stromfehlersignal oder ein Amplitudensteuersignal, das an die DDS 123 gegeben wird, um die Amplitude ihrer Ausgabe anzupassen, im Gegensatz zur Frequenz ihrer Ausgabe, die durch das Signal auf der Leitung 146 von dem DSP 60 gesteuert wird. Die Anordnung aus Strompegelsignal 148, DAC 130, Summierknoten 132 und Signal, das von der mittleren Ausgangsspannung 122 geliefert wird, erlaubt es dem DSP, den Ausgangsstrom so einzustellen, daß er eine gewünschte Kurve von Leistung gegen Last erzeugen kann, wenn er nicht im Konstantstrommodus ist.
Das digitale Frequenzsignal 146 und das analoge Amplitudensteuersignal vom Knoten 132 werden von der DDS 128 in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt, das als die positive Eingabe an den Summierknoten 96 gegeben wird. Die negative Eingabe in den Knoten 96 ist die Ausgabe des Stromfühlers 88, nachdem sie durch einen schleifenstabilisierenden Filter 94 gelaufen ist. Die Ausgabe des Knotens 96 ist das Treibersignal für den Gegentaktverstärker 78, dessen Zufuhrspannung unter der Steuerung der Schleife mit dem einstellbaren Buck-Regulator 76 ist.
Um tatsächlich zu bewirken, daß die chirurgische Klinge schwingt, aktiviert der Benutzer den Fußschalter 40 oder den Handstückschalter 34. Diese Aktivierung legt ein Signal auf die Leitung 154 in 3a. Diese Signal bewirkt effektiv, daß Energie von dem Gegentaktverstärker 78 an den Transducer 36 geliefert wird. Wenn der DSP 60 Phasenstarre an der Resonanzfrequenz des Transducers des Handstückes erreicht hat und Energie erfolgreich an den Transducer des Handstückes gegeben worden ist, wird ein Audiotreibersignal auf die Leitung 156 gelegt. Dies bewirkt, daß eine hörbare Anzeige in dem System einen Ton abgibt, was dem Nutzer kommuniziert, daß Energie an das Handstück geliefert wird und daß das Skalpell aktiv und betriebsbereit ist.
Das Einsetzen digitaler Steuerung bei dem Generator macht es möglich, erhöhte Konsistenz der Leistungsfähigkeit des harmonischen Skalpells durch bessere Steuerung der elektrischen Signale, welche die Transducer 36 treiben, die die Ultraschallklinge 32 resonieren, zu erhalten. Dieses digitale System kann individuell die drei Elemente Ausgangsstrom, Ausgangsspannung und Ausgangsleistung regulieren. Dies liefert Flexibilität, so daß die Kurve von Leistung gegen Last für bestimmte Handstücke und/oder Klingentypen maßgeschneidert werden kann, um das Liefern der gewünschten Gewebewirkungen zu erlauben.
Das System stellt auch einen auf Hardware basierenden Sicherheitsmechanismus zur Verfügung, durch den Ausgangsstrom über den maximal erlaubten Strom für jeden bestimmten Energiepegel nicht in den Transducer des Handstückes geliefert werden kann, so daß gefährliche übermäßige Verlagerung der Spitze der Ultraschallklinge verhindert wird. Dies wird erreicht, indem ein maximaler Stromwert in dem System gespeichert wird und der DSP 60 den mittleren Strom aus der Schaltung 120 mit dem Wert vergleicht. Wenn er überschritten wird, kann das System automatisch abschalten.
Zusätzlich zum Vorbeugen gefährlicher übermäßiger Verlagerung der Ultraschallklinge kann die digitale Steuerung verwendet werden, um sicherzustellen, daß sowohl Transducer als auch Klinge in einem Bereich arbeiten, der für ihre Zuverlässigkeit am besten ist. Dies wird erreicht, indem der Ausgangsstrom abgefühlt wird und er mit einem Satz von Komparatoren mit individuellen Einstellpunkten für jeden der bezeichneten Energiepegel, die von dem Benutzer auswählbar sind, verglichen wird. Die Ausgangsansteuerung des Systems wird abgeschaltet, wenn der Ausgangsstrom als über den maximal erlaubten Strompegel für den bestimmten verwendeten Energiepegel hinausgehend bestimmt wird.
Wenn es nicht den Strom für die bestimmten Energiepegel während des normalen Betriebes steuert, kann das digitale System verwendet werden, um sicherzustellen, daß der Strom während diagnostischer Tests nicht über den bezeichneten Ausgangsstrom für den vom Benutzer eingeleiteten diagnostischen Modus hinausgeht.
Um zu ermöglichen, daß die Treibersignale für individuelle Handstücke und/oder Klingen maßgeschneidert werden, können die folgenden Schlüsselparameter, die die elektrischen Ausgangssignale des Systems beeinflussen, in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, der in dem Handstückkabel eingebettet ist: (1) Stromeinstellpunkt (optimaler Strompegel, um den bestimmten Transducer zu treiben, während er in dem Konstantstrombereich der Kurve Ausgangsleistung gegen Belastung ist); (2) maximale Ausgangsspannung (zusammen mit dem Stromeinstellpunkt, der die Ansteuerung der maximalen Ausgangsenergie bezeichnet); (3) Regulationsmodus (identifiziert den Parameter, den der Generator regulieren soll, z.B. Spannung oder Energie, wenn die Last über den Punkt hinaus steigt, an dem die maximale Ausgangsleistung des Generators erreicht worden ist); (4) maximaler Lastpunkt (die maximale Last, die der Generator verwenden sollte, um das bestimmte benutzte Handstück zu treiben, größere Lasten sollten nicht getrieben werden); und (5) Frequenzverriegelungsbereich (bezeichnet den Frequenzbereich sowohl für den Such- als auch den Halte-Überstreichbereich in der Suche nach Resonanz). Der DSP kann dann diese Werte lesen und die Erzeugung von Ultraschallfrequenzen steuern, um sicherzustellen, daß das Handstück effizient und sicher betrieben wird.
Zusätzlich bietet das digitale System verbesserte Leistungsfähigkeit (beim Anlaufen und unter Belastung), minimale Verschlechterung der Leistungsfähigkeit mit Temperaturänderungen und verringerte Toleranzanforderungen bei Gestaltungen von Transducer und Klinge. Es liefert auch Konsistenz zwischen Handstücken (Anforderungen für Treiberpegel von Strom und Spannung werden während des Herstellungsprozesses des Transducers eingestellt) und verlängerte Nutzdauer des Handstückes. Diese Nutzen werden erhalten, indem der DSP, die direkte digitale Synthese (DDS)-Schaltung, das digitale Phasenerfassungsschema und das direkte Abfühlen des Transducerstroms und der angelegten Spannung verwendet werden, die digital in den DSP eingespeist werden, um straffe Regulierung des Treibens des Ausgangsstroms zu erreichen, indem der DSP die Ausgangstreiberfrequenz steuert und reguliert. Die Nutzen werden auch durch Verwendung der Mikroprozessor-Softwaresteuerung erhalten, um den Stromeinstellpunkt für die analoge Regulationsschaltung für den Ausgangsstrom mit geschlossener Schleife während des Betriebs zu ändern, was auf Spannungs- oder Energieregulation umzuschalten erlaubt, wie es gewünscht ist.
Ein weiterer Schlüsselvorteil des Systems ist es, daß das digitale System einen Frequenzverriegelungsbereich zur Verfügung stellt, der temperaturstabil ist, frei von den Effekten der Va riabilität der elektronischen Komponenten und so eng wie gefordert. Der Bereich kann digital als Parameter eingestellt werden, der innerhalb des Handstücks in einen nicht flüchtigen Speicher gespeichert ist. Das System hat auch die Fähigkeit, Ausgabefrequenz in Richtung entweder nach oben oder nach unten zu überstreichen, ebenso wie in der Frequenz zu springen, so daß der Übergang zwischen einer Frequenz und einer anderen im Nulldurchgang der Sinuswelle auftritt, was die minimale Verzerrung des Signals sicherstellt, so daß fehlerhaftem Betrieb vorgebeugt und elektromagnetische Interferenz minimiert wird. Dies führt zu dazu in bezug stehenden entspannten Toleranzen in der Gestaltung der Transducer und Klingen. Die Frequenz kann auch für diagnostische Zwecke überstreichen, wo individuelle Frequenzen eingestellt werden, Treiberpegel für den Ausgangsstrom eingestellt werden und Messungen des Verhaltens des Transducers überwacht werden, indem die Ausgangstreiberspannung und er Phasenwinkel von Strom zu Spannung abgefühlt werden, was eine Berechnung der Impedanz erlaubt. Weiterhin kann das Ausgangstreibersignal so gesteuert werden, daß Ausgangsstrom, Spannung und Leistung reguliert werden können.
Um zufälligen Kontakt mit Gewebe während vom Benutzer eingeleiteten diagnostischen Tests zu verhindern, können die Tests durch zwei Schaltoperationen eingeleitet werden. Zum Beispiel kann der diagnostische Test durch Aktivierung eines Knopfes auf der Frontplatte des Generators und des Fußtrittschalters oder des Handstückschalters eingeleitet werden. Diese Forderung nach einer Kombination von Schaltern, um den diagnostischen Modus zu aktivieren, hilft dabei, die Möglichkeit der zufälligen Bewegung der Klinge auszuschalten, wenn sie entweder in Kontakt mit Gewebe oder einem anderen Gegenstand ist, was zu nicht korrekten diagnostischen Ergebnissen oder Schädigungen bei dem Benutzer führen könnte.
Der erfinderische Ultraschallgenerator kann weiter so angeordnet werden, daß er beim Vorliegen elektrischer Interferenz von einer elektrochirurgischen Einheit automatisch deaktiviert werden kann. Dies wird bewerkstelligt, indem der Generator mit einem Rauschemissionsdetektor ausgestattet wird. Wenn Rauschen dieses Typs erfaßt wird, wird die Aktivierung des mit Ultraschall arbeitenden chirurgischen Systems unterbunden. Dieser Rauschemissionsdetektor kann in der Form einer Antenne vorliegen, die durch das Handstückkabel erzeugt wird, oder durch Aufnahmespulen, die sich innerhalb des Handstückes oder der Konsole des Generators befinden.
Obwohl die Erfindung insbesondere mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, wird von den Fachleuten verstanden werden, daß verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne daß man sich vom Umfang der Erfindung entfernt.

Claims

Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System, welches einen steuerbaren Generator für Ultraschallenergie, ein Handstück (30) mit einer Klinge (32), die mit einer Ultraschallresonanzfrequenzrate durch Energie von dem Generator in Schwingungen versetzbar ist, und einen Schalter, um dem Generator die Amplitude und Frequenz der Energie, die an das Handstück geliefert wird, anzugeben, umfaßt, wobei der Ultraschallgenerator aufweist: einen Generator für ein analoges Eingangstreibersignal, der dazu ausgelegt ist, ein Eingangstreibersignal mit einer Amplitude und Frequenz zu erzeugen; einen Verstärker (78), der dazu ausgelegt ist, das analoge Eingangstreibersignal zu empfangen und die Energie zu dem Handstück durch eine Leitung (85) als Antwort darauf zu liefern; einen Stromsensor (88), der dazu ausgelegt ist, den Strom in der Leitung (85) abzufühlen und ein dazu in Bezug stehendes Stromsignal zu erzeugen; einen Komparator (84), der dazu ausgelegt ist, das Stromsignal mit einem variabel voreingestellten Stromwert zu vergleichen und ein Differenzsignal zu erzeugen, das an den Generator für ein analoges Eingangstreibersignal angelegt wird, um so die Amplitude des Treibersignals zu ändern, um zu bewirken, daß das Stromsignal an den voreingestellten Wert angepaßt wird; einen Spannungssensor (92), der dazu ausgelegt ist, die Spannung auf der Leitung (85) abzufühlen und ein dazu in Bezug stehendes Spannungssignal zu erzeugen; einen digitalen Phasendetektor (100, 102, 104), der dazu ausgelegt ist, das Stromsignal mit dem Spannungssignal zu vergleichen und einen digitalen Phasencode zu erzeugen, die zu der Phasendifferenz zwischen ihnen in Bezug steht; einen digitalen Impedanzdetektor (120, 122), der dazu ausgelegt ist, das Verhältnis von Spannungssignals zu dem Stromsignal zu vergleichen und einen digitalen Impedanzcode zu erzeugen, der dazu in Bezug steht; einen digitalen Controller, der dazu ausgelegt ist, den digitalen Phasencode und den digitalen Impedanzcode zu empfangen und einen digitalen Frequenzcode als Antwort darauf zu erzeugen, der bei einer Frequenz ist, welche die Resonanz des Handstückes darstellt; und eine direkte digitale Syntheseschaltung, die dazu ausgelegt ist, den digitalen Frequenzcode in ein analoges Frequenzsignal umzuwandeln, das an den Generator für ein analoges Eingangstreibersignal angelegt wird, um so die Frequenz auf der Resonanzfrequenz zu halten.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, das weiterhin eine gesteuerte Energieversorgung für den Verstärker hat, welche Energie mit einem Pegel liefert, der den effizienten Betrieb des Verstärkers sichert.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 2, bei dem die gesteuerte Energieversorgung aufweist: eine feste Referenzspannung (82), einen Komparator (84), der dazu ausgelegt ist, die Ausgabe des Verstärkers mit der festen Referenzspannung zu vergleichen und ein Energiesteuersignal als Antwort darauf zu erzeugen; einen einstellbaren Buck-Regulator (76), der dazu ausgelegt ist, eine Zufuhr von Energie mit einem Pegel zu erhalten und eine Zufuhr von Energie mit einem unterschiedlichen Pegel zu erzeugen, basierend auf dem Energiesteuersignal, wobei die Energie auf dem unterschiedlichen Pegel an den Verstärker geliefert wird.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 3, bei dem der Ausgang des Verstärkers über einen Schleifenfilter (80) mit dem Komparator (84) verbunden ist.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der digitale Phasendetektor aufweist: einen Detektor (102) für den Nulldurchgang eines Spannungssignals, der dazu ausgelegt ist, ein Nullsignal der Spannung zu erzeugen, wenn das Spannungssignal eine Nullachse schneidet; ein Detektor (100) für den Nulldurchgang eines Stromsignals, der dazu ausgelegt ist, ein Nullsignal für den Strom zu erzeugen, wenn das Stromsignal eine Nullachse schneidet; eine Schaltung (104) zum Messen der Zeit zwischen dem Nullsignal der Spannung und dem Nullsignal des Stromes und zum Erzeugen eines dazu in Bezug stehenden digitalen Codes.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der digitale Impedanzdetektor aufweist: eine Schaltung (122) für das Mitteln einer Spannung, die dazu ausgelegt ist, ein gemitteltes Signal der Spannung basierend auf dem Spannungssignal zu erzeugen; eine Schaltung (120) zum Mitteln eines Stromes, die dazu ausgelegt ist, ein gemitteltes Signal des Stroms basierend auf dem Stromsignal zu erzeugen; und wobei der digitale Controller dazu ausgelegt ist, kontinuierlich das Verhältnis vom gemittelten Signal der Spannung zum gemittelten Signal des Stromes als ein Impedanzsignal zu erzeugen und wobei eine Änderung in dem Impedanzsignal, wenn sich die Treibersignalfrequenz ändert, eine Annäherung an die Resonanzfrequenz anzeigt.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, das weiterhin eine Schaltung zum Umschalten eines Energiepegels umfaßt, welche den voreingestellten Stromwert bestimmt.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 7, bei dem die Schaltung zum Umschalten eines Energiepegels aufweist: einen Energiepegelumschalter, der mit dem digitalen Controller verbunden ist und bewirkt, daß der digitale Controller ein digitales Strompegelsignal erzeugt; einen Digital-Analog-Wandler (130) zum Ändern des digitalen Strompegelsignals in ein analoges Strompegelsignal; eine Schaltung (120) zum Mitteln eines Stromes, die dazu ausgelegt ist, ein gemitteltes Signal eines Stromes basierend auf dem Stromsignal von dem Stromsensor zu erzeugen; einen Stromkomparator (132), der dazu ausgelegt ist, das analoge Strompegelsignal und das gemittelte Stromsignal zu vergleichen und ein Amplitudensteuersignal zu erzeugen, wobei das Amplitudensteuersignal in die direkte digitale Syntheseschaltung gegeben wird, um die Amplitude des analogen Frequenzsignals zu variieren.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 8, bei dem der Generator für ein analoges Eingangstreibersignal einen Komparator aufweist, der dazu ausgelegt ist, das analoge Frequenzsignal von der direkten digitalen Syntheseschaltung und das Stromsignal von dem Stromsensor zu vergleichen, um das Eingangstreibersignal des Verstärkers zu erzeugen.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem während des Anlaufens das System dazu ausgelegt ist zu bewirken, daß der Verstärker ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz nahe der Resonanz erzeugt und die Frequenz in Richtung auf Resonanz inkrementiert, wobei die Ausgänge des digitalen Phasendetektors und des digitalen Impedanzdetektors überwacht werden, und das Inkrementieren anzuhalten, wenn diese Ausgaben die Resonanz des Handstückes anzeigen.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, das weiterhin einen Speicher umfaßt, welcher den maximalen Strom speichert, der an ein Handstück zu liefern ist, und bei dem der digitale Kontroller dazu ausgelegt ist, das mittlere Stromsignal mit dem Maximum zu vergleichen und die Zufuhr von Energie an das Handstück zu stoppen, wenn der mittlere Strom ein Maximum überschreitet.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem der digitale Controller ein Programm umfaßt, welches bewirkt, daß der Verstärker unterschiedliche Strom- und Spannungspegel an das Handstück bei unterschiedlichen Frequenzen liefert und den Strom, die Spannung und die Phase mißt, um den Betrieb des Systems zu diagnostizieren und zu prüfen.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 12, das weiterhin eine Konsole zum Unterbringen des Generators umfaßt, wobei die Konsole eine Vordertafel hat, und bei dem das Diagnostizieren und Prüfen als Antwort auf die Aktivierung eines Knopfes auf der Vordertafel und entweder eines Fußpedalschalters oder eines Handstückschalters implementiert wird.
Mit Ultraschall arbeitendes chirurgisches System nach Anspruch 1, das weiterhin einen Detektor für elektrische Interferenz umfaßt, der dazu ausgelegt ist, eine Ausgabe als Antwort auf den Betrieb einer elektrochirurgischen Einheit in der Nähe zu erzeugen, und wobei der digitale Controller den Betrieb des Systems als Antwort auf eine Ausgabe von dem Interferenzdetektor anhält.