BR9814865B1

BR9814865B1 - método para controlar uma peça manual ultra-sÈnica.

Info

Publication number: BR9814865B1
Application number: BRPI9814865-6A
Authority: BR
Inventors: Mikhail Boukhny; Ahmad Salehi
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2010-11-30
Also published as: DE69827659T2; CA2305297C; ES2231981T3; PT1027021E; EP1027021A1; DE69827659D1; WO1999018901A1; EP1027021B1; CA2305297A1; JP2001519228A; AU727779B2; AU7109398A; US5938677A; BR9814865A; ATE282384T1; JP3805980B2

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOPARA CONTROLAR UMA PEÇA MANUAL ULTRA-SÔNICA".

Esta invenção refere-se a um sistema de controle e a um méto-do para um dispositivo ultra-sônico e, mais particularmente para uma peçamanual de facoemulsificação oftálmica.

Antecedentes da Invenção

Um dispositivo cirúrgico ultra-sônico típico adequado para pro-cedimentos oftálmicos consiste em uma peça manual acionada de modoultra-sônico, uma ponta de corte oca afixada, uma luva de irrigação e umconsole de controle eletrônico. O conjunto de peça manual é afixado aoconsole de controle por meio de um cabo elétrico e de tubulações flexíveis.

Através do cabo elétrico, o console varia o nível de potência transmitido pelapeça manual para a ponta de corte afixada, e as tubulações flexíveis supremfluido de irrigação e retiram fluido de aspiração do olho através do conjuntode peça manual.

A parte operativa da peça manual é uma barra ou trompa resso-nante oca localizada centralmente e afixada diretamente a um conjunto decristais piezoelétricos. Os cristais suprem a vibração ultra-sônica requeridanecessária para acionar a trompa e a ponta de corte afixada durante a faco-emulsificação e são controlados pelo console. O conjunto cristal / trompa ésuspenso no corpo oco ou casco da peça manual em seus pontos nodaispor montagens relativamente não-flexíveis. O corpo de peça manual terminaem uma porção de diâmetro reduzido ou ponta cônica na extremidade distaido corpo. A ponta cônica é externamente roscada para aceitar a luva de irri-gação. Da mesma forma, o orifício da trompa é internamente roscado emsua extremidade distai para receber as roscas externas da ponta de corte. Aluva de irrigação também tem um orifício internamente roscado que é rosca-do nas roscas externas da ponta cônica. A ponta de corte é ajustada de mo-do que a ponta se projete apenas uma quantidade predeterminada diante daextremidade aberta da luva de irrigação. As peças manuais ultra-sônicas eas pontas de corte são descritas mais completamente nas PatentesU.S. No. 3.589.363; 4.223.676; 4.246.902; 4.493.694; 4.515.583; 4.589.415;4.609.368; 4.869.715; e 4.992.902, cujos conteúdos completos são incorpo-rados aqui como referência.

Quando usadas para realizarem a facoemulsificação, as extre-midades da ponta de corte e da luva de irrigação são inseridas em uma pe-quena incisão de largura predeterminada na córnea, na esclerótica ou emoutro local no tecido do olho para se ter acesso à câmara interna do olho. Aponta de corte é vibrada de forma ultra-sônica ao longo de seu eixo longitu-dinal na luva de irrigação pela trompa ultra-sônica acionada pelo cristal,desse modo emulsificando mediante o contado com o tecido selecionado insitu. O orifício oco da ponta de corte se comunica com o orifício na trompaque, por sua vez, se comunica com a linha de aspiração da peça manual atéo console. Uma pressão reduzida ou fonte de vácuo no console retira ouaspira o tecido emulsificado do olho através da extremidade aberta da pontade corte, do orifício da ponta de corte, do orifício da trompa e da linha deaspiração e para um dispositivo de coleta. A aspiração de tecido emulsifica-do é ajudada por uma solução de lavagem salina ou de irrigação que é in-jetada no local cirúrgico através da pequena abertura anular entre a superfí-cie interna da luva de irrigação e a superfície externa da ponta de corte.

O conjunto de trompa, incluindo os materiais piezoelétricos einertes de alto limite de resistência, usado nas peças manuais ultra-sônicasdeve ser cuidadosamente sintonizado para uma operação apropriada. Comousado aqui, "sintonização" se refere ao processo de encontrar e trilhar asfreqüências ressonantes da peça manual operando sob condições carrega-da e descarregada. A operação da peça manual a uma freqüência resso-nante tira vantagem das capacidades de armazenamento de energia docristal, o que ocorre mais eficientemente na ressonância. Com uma sintoni-zação apropriada, a peça manual armazenará energia mecânica enquantooperando descarregada e liberará essa energia para o material sendo cor-tado quando carregada. Como conseqüência, por períodos de tempo curtos,grandes quantidades de energia podem ser direcionadas para o materialpela peça manual em si e não pela fonte de potência para a peça manual.

Isso permite que a fonte de potência seja projetada para prover apenas aexigência de potência de regime permanente para o transdutor e não ostransientes carregados os quais podem ser muitas vezes mais altos.

Os sistemas de sintonização e controle convencionais determi-nam as freqüências ressonantes em série e em paralelo sob uma condiçãode carregamento controlado, freqüentemente em uma solução salina, antesda peça manual ser submetida a cargas encontradas durante uma cirurgia.

A peça manual é excitada por uma faixa de freqüências, uma freqüência emum tempo. A resposta da peça manual a cada freqüência, medida como aadmitãncia (a relação da corrente de acionamento pela voltagem de acio-namento), é registrada. Uma relação típica de admitãncia versus freqüênciade uma peça manual típica nesta condição pré-cirurgia carregada de formarelativamente leve é ilustrada na FIG. 1. A admitãncia registrada máxima(Ys) corresponde à ressonância em série (fs) e a admitãncia mínima (Yp) cor-responde à ressonância em paralelo (fp). O acionamento da peça manualcom um sinal de potência na ressonância de série resulta na conversãomais eficiente de energia elétrica para mecânica porque a ressonância desérie elétrica ocorre na mesma freqüência que a ressonância mecânica.

Contudo, quando a peça manual é mecanicamente carregada,como durante uma cirurgia, o formato e a posição da curva de admitãnciaversus freqüência muda e, assim, as freqüências ressonantes em série e emparalelo características mudam. A curva "A" na FIG. 2 representa a curva deadmitãncia versus freqüência característica mostrada na FIG. 1 para umapeça manual levemente carregada. A curva "B" representa, por exemplo, acurva admitãncia versus freqüência quando a mesma peça manual é meca-nicamente carregada. Como pode ser visto, a curva "B" se deslocou para adireita (fs,B > fs,A) e a admitãncia máxima da curva "B" é menor do que a ad-mitãncia máxima da curva "A", e a admitãncia mínima da curva "B" é maisalta do que a admitãncia mínima da curva "A". Certas condições de carre-gamento mecânico também podem desviar a curva "A" para freqüênciasmais baixas (para a esquerda).

A curva "C" representa a curva de admitãncia versus freqüênciapara a mesma peça manual quando a temperatura do cristal na peça manu-al cresceu um pouco além da temperatura ambiente. A curva "C" se deslo-cou ligeiramente para cima e para a esquerda (isto é, valores de admitânciamais altos e de freqüência mais baixos) em relação à curva "A". Se o sinalde potência fosse enviado para a peça manual na ressonância de série ori-ginalmente determinada, por exemplo, a eficiência do sinal de potência cai-ria dramaticamente. Assim, a submissão da peça manual a um carrega-mento sem o ajuste da freqüência do sinal de potência reduz a eficiência e aprevisibilidade do sinal de potência.

Uma abordagem para a sintonização de uma peça manual emtempo real durante uma cirurgia emprega o uso de um sinal de potência auma freqüência que é a média das freqüências de ressonância em série eem paralelo na condição de pré-cirurgia relativamente descarregada e oajuste da freqüência do sinal de potência de modo que uma admitânciaconstante seja mantida. Este tipo de sistema é mais completamente descritona Patente U.S. No. 5.431.664 ("a patente '644"), a qual é incorporada comoreferência. Brevemente, os sistemas deste tipo sintonizam a peça manualbaseado em um valor de admitância constante (Y0)1 o qual é determinadocomo a média das admitâncias máxima e mínima pela equação Y0 = (Ys +Yp)/2. (Alguns sistemas de controle de admitância constante disponíveiscomercialmente fixam Y0 em um outro ponto que não a média, por exemplo,Y0 = 0,3 Ys + 0,7 Yp.). Conforme a peça manual é carregada sob muitos tiposde condições, a curva admitância versus freqüência se desloca ao longo doeixo de freqüência. Um deslocamento como esse é mostrado, por exemplo,pela curva "A" e pela curva "B" na FIG. 2, com a curva "B" representandouma resposta possível de uma peça manual a um carregamento reativo demassa. O sistema de controle descrito na patente '664 ajusta a freqüênciado sinal de acionamento para manter a admitância em Y0.

Embora este tipo de sistema de sintonização e controle seja efi-caz por uma faixa relativamente ampla de condições de carregamento, apeça manual nunca é operada na resistência de série e, assim, uma certaeficiência é perdida. Mais ainda, deslocamentos nas curvas de admitânciaversus freqüência ao longo do eixo de admitância, tal como aqueles mostra-dos pela curva "C" na FIG. 2, podem tornar este tipo de sistema de controlede admitância constante não-efetivo. A admitância de sintonização (Y0) nãoé encontrada em qualquer porção da curva "C", a qual pode descrever aresposta de uma peça manual mecanicamente carregada e aquecida. Sis-temas de controle que ajustam a freqüência de acionamento para coincidircom a resistência de série tipicamente usam circuitos de laço travado defase com faixas de sintonização muito estreitas.

Uma outra abordagem para sintonização e controle de umapeça manual ultra-sônica se baseia no uso de um sinal de calibração subs-tancialmente de amplitude constante de banda ampla para determinar aresposta da peça manual para um carregamento mecânico em tempo real.

Um sistema como esse é descrito no Pedido de Patente U.S. Número deSérie 08/769.257, depositado em 18 de dezembro de 1996 ("o pedido '257"),o qual é incorporado neste documento em sua totalidade como referência.

Brevemente, um sinal de calibração de banda ampla é alimentado para umapeça manual ultra-sônica, e a resposta da peça manual é determinada porum analisador de sinal de digital de transformada rápida de Fourier. Os as-pectos do sinal de acionamento e talvez do sinal de calibração são altera-dos baseado na resposta da peça manual. Esta abordagem de banda amplagera informação detalhada sobre o formato da curva de resposta de admi-tância versus freqüência para uma peça manual em particular. Contudo,uma informação detalhada como essa pode não ser requerida de modo aefetuar a sintonização e o controle da peça manual.

Assim, continua a existir uma necessidade por um método e umsistema de controle capaz de sintonizar uma peça manual ultra-sônica parasua resistência de série quando a peça manual for submetida a condiçõesde carga que variam amplamente.

Sumário da Invenção

A presente invenção melhora os métodos da técnica anterior desintonização e controle de dispositivos ultra-sônicos automaticamente sinto-nizando a peça manual antes de um procedimento cirúrgico e excitando apeça manual com um sinal de acionamento oscilado durante a cirurgia. An-tes de ser submetida a cargas durante a cirurgia, a peça manual é excitadacom uma série de sinais de freqüência única por uma faixa de sintonizaçãode freqüências ampla o bastante para envolver todos os valores esperadosdas ressonâncias em série e em paralelo. A diferença incrementai entrecada sinal de freqüência único sucessivo é pequena o bastante para resul-tar em uma resolução suficiente da resposta da peça manual. Esta diferençaincrementai é significativamente menor do que a diferença esperada entre aressonância em série e a ressonância em paralelo da peça manual (ou alargura de banda da peça manual). Por exemplo, uma diferença de cerca de10 Hz seria suficiente para uma peça manual típica com uma largura debanda de poucas centenas de hertz.

A resposta da peça manual é medida por um processador desinal digital ("DSP") como a admitância correspondente a cada uma dessasfreqüências de sintonização. O DSP registra a série de valores de admitân-cia em todas as freqüências de sintonização de modo a determinar a rela-ção admitância versus freqüência da peça manual por toda a faixa de fre-qüência de sintonização. A ressonância em série corresponde à freqüênciana qual a admitância máxima ocorre e a ressonância em paralelo corres-ponde à freqüência na qual a admitância mínima ocorre. Alternativamente, aresposta de freqüência de cada peça manual pode ser determinada usando-se uma análise de transformada de Fourier rápida, como descrito, porexemplo, no pedido '257.

Em uma primeira realização da invenção, no tempo to e após oprocedimento de sintonização ser realizado, o sinal de acionamento temuma freqüência, f0, igual à ressonância em série fs. A resposta da peça ma-nual para to, medida como a admitância (Y0), é registrada. No tempo t1t fi éigual a f0 mais um incremento de oscilação, δ. A resposta da peça manual,Yi, é medida e comparada com a resposta anterior, Y0. A próxima freqüênciae todas as últimas freqüências do sinal de acionamento, f2->°o, são determi-nadas de acordo com a equação a seguir:

fn+i = fn + ô[sign(fn - f^XsigníYn - Yiv1)], ondeη > 2 esign(x) = 1 se χ > O1 caso contrário, sign(x) = -1

A precisão com a qual esta realização da invenção pode trilhar aressonância em série é grandemente determinada por quão freqüentementea freqüência é mudada por δ. Quanto mais freqüentemente a freqüência émudada, menor δ pode ser e mais proximamente fn corresponderá ao valorreal da ressonância em série. Ao invés de variar a freqüência por umaquantidade constante (δ) a cada incremento de tempo, um algoritmo decontrole proporcional - integral - diferencial pode ser usado para determi-nar, não apenas fn+1 como também a voltagem de acionamento correspon-dente, Vn+1, e o incremento de oscilação. Como um mecanismo de seguran-ça de falhas, o sistema pode verificar |fn+i - f0| para determinar se aqueladiferença é maior do que um limite predeterminado. Embora o valor destelimite varie dependendo dos tipos de condições de carregamento às quais apeça manual é exposta, os valores típicos para o limite são cerca de 1 a 10vezes a largura de banda da peça manual, como medida em uma condiçãonão carregada. Se |fn+i - fo| for maior do que este limite, o sistema de con-trole assumirá que a lógica de controle falhou e reiniciará o procedimento desintonização de pré-cirurgia, de modo a determinar precisamente a resso-nância em série real. O sistema então restauraria f0 = fs, e reiniciaria a rotinade controle de freqüência.

Em uma segunda realização da invenção, após o procedimentode sintonização de pré-cirurgia ser realizado, o sinal de acionamento que éalimentado para a peça manual é oscilado para alternar entre um sinal depotência a uma primeira freqüência (a ressonância em série, como determi-nado durante o procedimento de sintonização) e pelo menos dois compo-nentes de calibração em freqüências de calibração que diferem da primeirafreqüência por δ ou múltiplos de δ. Devido ao fato de δ ser muito pequeno,em comparação com a diferença entre as ressonâncias em série e em pa-ralelo, os componentes de calibração são quase tão eficazes, no aciona-mento da peça manual, quanto o sinal de potência (e talvez mesmo maiseficazes sob certas circunstâncias). O incremento de oscilação, δ, usadonesta realização pode ou não ser igual ao incremento de oscilação usadona primeira realização da invenção discutida acima. As freqüências de cali-bração incluem pelo menos uma freqüência a qual é menor do que a primei-ra freqüência e pelo menos uma freqüência a qual é maior do que a primeirafreqüência. Essencialmente, uma versão escalonada para baixo do proce-dimento de sintonização pré-cirurgia é repetidamente realizada a freqüên-cias imediatamente circundando o último valor conhecido da ressonânciaem série.

A admitância da peça manual em cada freqüência discreta (aprimeira freqüência e cada uma das freqüências de calibração) é medida e oconjunto de respostas é analisado para determinar o novo valor provável daressonância em série. Uma vez que a nova ressonância em série seja de-terminada, um sinal de controle apropriado é gerado para alterar a primeirafreqüência de modo que ela corresponda â ressonância em série. O númerode componentes de calibração, o incremento de oscilação, a amplitude doscomponentes de calibração, e a ordem na qual o sinal de acionamento varreos componentes de calibração e o sinal de potência podem ser variadospara otimizar a eficácia do sistema de controle.

Assim sendo, é um objetivo da presente invenção prover umsistema de controle e um método que realiza uma análise em tempo real daresposta de freqüência de uma peça manual ultra-sônica carregada mecani-camente de modo a estimar pelo menos a ressonância em série da peçamanual e a ajustar continuamente pelo menos a freqüência de um sinal depotência alimentado para a peça manual.

É um outro objetivo da presente invenção prover um sistema desintonização que rápida e precisamente meça a resposta de uma peça ma-nual ultra-sônica para uma faixa de freqüências ampla o bastante para en-volver todos os valores potenciais das ressonâncias em série e em paralelode modo a determinar a resposta característica de admitância versus fre-qüência da peça manual.

Outros objetivos, aspectos e vantagens da presente invençãotornar-se-ão aparentes com referência às figuras e à descrição a seguir dasfiguras e das reivindicações.Breve Descrição das Figuras

A FIG. 1 é um gráfico de admitância versus freqüência para umapeça manual ultra-sônica típica nas vizinhanças das ressonâncias em sériee em paralelo com uma admitância de controle típica identificada para umsistema de controle de admitância constante.

A FIG. 2 é um gráfico de admitância versus freqüência que ilus-tra a forma na qual a resposta de uma peça manual ultra-sônica típica podese deslocar quando a peça manual for submetida a um carregamento mecâ-nico e térmico.

A FIG. 3 é um diagrama de blocos de uma realização preferidade um sistema e método para sintonização e controle de uma peça manualultra-sônica durante um procedimento cirúrgico de acordo com a presenteinvenção com representações gráficas em anexo de sinais elétricos geradospor cada componente.

A FIG. 4 é uma diagrama de blocos de uma realização alternati-va de um sistema e de um método para sintonização e controle de umapeça manual ultra-sônica durante um procedimento cirúrgico de acordo coma presente invenção com representações gráficas em anexo de sinais elétri-cos gerados por cada componente.

As FIG. 5a a 5i são uma série de gráficos da porção das curvasde resposta de admitância versus freqüência nas vizinhanças da ressonân-cia em série nos quais as respostas de admitância correspondentes a duasfreqüências de calibração e à freqüência de potência são marcadas parailustrar um tipo de lógica a qual pode ser usada pelo sistema de controlemostrado na FIG. 4 para estimar a ressonância em série de uma peça ma-nual mecanicamente carregada.

Descrição Detalhada das Figuras

Antes de um procedimento cirúrgico ser iniciado, o sistema e ométodo de acordo com a presente invenção são usados para sintonizar apeça manual ultra-sônica, como descrito acima. Especificamente, um osci-Iador controlado por voltagem ("VCO") aciona a peça manual ultra-sônicacom uma série de sinais de freqüência única em uma amplitude substanci-almente constante, e um DSP mede a resposta da peça manual a cada sinalde freqüência única. A faixa de freqüências através da qual o VCO varre (afaixa de freqüência de sintonização) pode ser definida como qualquer por-ção de um espectro de 25 kHz a 80 kHz, o qual é o espectro de operaçãopara peças manuais ultra-sônicas existentes atualmente usadas na cirurgiaocular. Uma faixa de aproximadamente 100 Hz a 10.000 Hz é adequadacomo a faixa de freqüência de sintonização e que cerca de 4.000 Hz sãopreferíveis. Esses valores de faixa de freqüência são amplos o bastantepara envolver virtualmente todos os valores potenciais de fs e fp. Outras fai-xas de freqüência podem ser mais apropriadas para aplicações ultra-sônicas, e a operação total dos sistemas e métodos descritos neste docu-mento seria igualmente útil para a sintonização e o controle de peças ma-nuais usadas naquelas aplicações.

Quando usados para controlar a peça manual durante um pro-cedimento cirúrgico, o sistema e o método da presente invenção geralmenteempregam um VCO combinado com um amplificador como uma fonte paragerar o sinal que aciona uma peça manual ultra-sônica ("o sinal de aciona-mento"). A freqüência do sinal de acionamento é alterada por um incre-mento de oscilação a partir da última estimativa da ressonância em série ("afreqüência de potência"). Algumas realizações da presente invenção osci-lam o sinal de acionamento acima e abaixo da freqüência de potência e ou-tras oscilam o sinal de potência apenas em uma direção (acima ou abaixodo sinal de potência) baseado na resposta da peça manual a sinais de acio-namento oscilados anteriores. Para pelo menos alguns sistemas de acordocom a presente invenção, o VCO é programável e, assim, facilmente ajustá-vel variando-se certas informações de entrada alimentadas para o VCO. Umprocessador de sinal digital ("DSP") pode ser usado para medir a respostada peça manual a cada componente do sinal de acionamento (àqueles nafreqüência de potência e aqueles nas freqüências osciladas) e compararaquelas respostas para determinar o valor provável da ressonância em sériereal. A saída do DSP é usada para gerar parâmetros de controle alojadosem um sinal de controle apropriado, o qual é alimentado para o VCO demodo a alterar aspectos do sinal de acionamento.

A FIG. 3 é um diagrama de blocos que ilustra uma realizaçãopreferida de um sistema de acordo com a presente invenção para sintoniza-ção e controle de uma peça manual ultra-sônica 70. O sistema ilustrado naFIG. 3 determina se a ressonância em série tende a crescer ou a diminuir, eajusta a freqüência do sinal de potência 65 para seguir a mudança na res-sonância em série. O sistema ilustrado na FIG. 3 realiza este resultadoexaminando a resposta (sinais de resposta 75a e 75b) da peça manual 70(medida como as admitâncias Yn.i e Yn) nas freqüências anterior (^1) e atual(fn) dos sinais de potência 65a e 65b, respectivamente. A diferença entre fn.ief„éo incremento de oscilação, δ, o qual pode ser um valor constante oupode variar, dependendo da resposta da peça manual 70.

Na realização mostrada na FIG. 3, a combinação de VCO 50 ede amplificador 60 gera o sinal de acionamento 65, o qual é um sinal variá-vel que muda de forma incrementai a partir do sinal de acionamento 65apara o 65b em freqüências e fn, respectivamente. Cada um dos sinais deacionamento 65a e 65b é preferencialmente de amplitude aproximadamenteigual mas pode ter uma amplitude não igual, dependendo do sinal de acio-namento 65 ser controlado usando-se um sistema de controle de correnteconstante ou de admitância constante. A freqüência fn-i corresponde apro-ximadamente à última estimativa conhecida de ressonância em série fs. Noexemplo mostrado na FIG. 3, a freqüência fn é maior do que fn.i pelo incre-mento de oscilação δ, mas sob circunstâncias apropriadas, fn poderia sermenor que f„-i.

As freqüências de sinais de resposta 75a e 75b correspondemàs freqüências de sinais de acionamento 65a e 65b. No exemplo mostradona FIG. 3, a amplitude de sinal de resposta 75a é menor do que a amplitudedo sinal de resposta 75b. O sinal de acionamento 65a e o sinal de resposta75a são alimentados de modo síncrono pelo DSP 80. O DSP 80 divide acorrente do sinal de resposta 75a pela voltagem do sinal de acionamento65a (após talvez cada um ser atenuado para proteger a seção de entradado DSP 80) para determinar a admitância Yn., em sua freqüência correspon-dente fn-i, e este valor de admitância é armazenado. De modo similar, o DSP80 determina a admitância Yn em fn dividindo a corrente do sinal de resposta75b pela voltagem do sinal de acionamento 65b. Os pontos (Yn-i, fn-i) e (Y„,fn) ficam ao longo da curva de admitância 77, a qual é uma representaçãoda relação admitância versus freqüência que pode ser exibida pela peçamanual 70. o pico da curva de admitância 77 define o valor real da resso-nância em série fs'.

Por exemplo, a ressonância em série real fs' mostrada na FIG. 3é maior do que f„-i ou fn. Sob essas condições, a lógica de controle progra-mada no DSP 80 determinaria que f„+i deve ser aumentada pelo incrementode oscilação e enviaria um sinal de controle apropriado 85 para o VCO 50de modo a efetuar este aumento. Contudo, a curva de admitância 77 comomostrado na FIG. 4 é o único cenário possível que pode ser encontrado. Alógica implementada pelo DSP 80, a qual responde apropriadamente aqualquer deslocamento na curva admitância versus freqüência, é definidapela equação a seguir:

<formula>formula see original document page 13</formula> .

Obviamente, o sistema de controle de acordo com esta realiza-ção da invenção pode calcular também fn+i baseado em mais do que pelomenos dois pontos ao longo da curva de admitância 77. Na teoria, quantomais dados forem usados para se determinar fn+1, mais proximamente fn+itrilhará fs'. Um versado na técnica reconhecerá que, dependendo da nature-za do carregamento externo e de quão rápido os dados são obtidos, podeser benéfico analisar mais do que os dois últimos pontos de dados. A preci-são com a qual o sistema de controle mostrado na FIG. 3 pode trilhar a res-sonância em série é grandemente determinada por quão freqüentemente osistema de controle pode interrogar e atualizar a freqüência de potência. Oincremento de oscilação é uma função da taxa de mudança da ressonânciaem série e do ciclo de carga, Pctril do sistema de controle (o ciclo de carga éo inverso da freqüência com a qual o sistema de controle interroga e atuali-za da freqüência de potência). A equação definindo o incremento de oscila-ção é: δ > (dfs/dtJPctri. Por exemplo, quando a ressonância em série pudermudar tanto quanto 600 Hz em 100 ms e o ciclo de carga do sistema decontrole for de 1 ms, então, o incremento de oscilação deve ser de pelo me-nos 6 Hz. O erro resultante fe na trilhagem da ressonância em série real estáaproximadamente relacionado ao incremento de oscilação como se segue: fe= 2δ. Para reduzir a magnitude de fe, δ deve ser pequeno se comparado coma largura de banda da peça manual, preferencialmente cerca de 0,1 (fp - fs)> δ > 0,001 (fp - fs), e mais preferencialmente cerca de 0,01 (fp - fs). Assim, ociclo de carga, Pctr), deve ser tão curto quanto possível. No exemplo discuti-do imediatamente acima, no qual PcM é 1 ms, o incremento de oscilação de6 Hz, o qual é cerca de 1/50 avos de uma largura de banda de peça manualtípica de 300 Hz (0,02 vezes a largura de banda típica), resultaria em umcontrole da peça manual suficiente para manter a freqüência de potência emuma faixa próxima da ressonância em série de aproximadamente + 4% dalargura de banda. Se, contudo, Pm for 10 ms, então, δ seria igual a 60 Hz ea freqüência de potência cairia em uma faixa próxima da ressonância emsérie de cerca de + 40% da largura de banda. Assim, quanto mais curto Pctri,mais precisamente o sistema de controle pode trilhar a ressonância em sé-rie. Um ciclo de carga mais curto também permitiria o uso de uma peça ma-nual com uma largura de banda mais estreita, o que é tipicamente mais efi-ciente na conversão de energia elétrica em mecânica.

O sistema de controle mostrado na FIG. 3 também pode variar avoltagem do sinal de acionamento 65 dependendo da admitância da peçamanual 30. Uma diminuição correspondente na admitância geralmente indi-ca uma redução na eficiência da peça manual (uma redução no fator depotência) e uma diminuição no curso da peça manual 30. Essas reduçõesde curso podem ocorrer, por exemplo, devido a um carregamento mecânicoda peça manual 30 ou a uma compensação de freqüência lenta do sinal deacionamento 65 (o que resulta em uma grande diferença média entre a fre-qüência do sinal de acionamento e a ressonância em série). Para manter acapacidade de corte da peça manual 30 (a qual está diretamente relaciona-da a seu curso), a potência enviada para a peça manual 30 é aumentadaaumentando-se a voltagem do sinal de acionamento 65. Assim, conforme aadmitância diminui, a voltagem do sinal de acionamento 65 é aumentada.

Uma maneira possível na qual a voltagem do sinal de aciona-mento 65 pode ser controlada é para implementar a lógica no DSP 80 paramanter a corrente, I, do sinal de acionamento 65 constante. Em um sistemacomo esse, I = (Y)(V), onde Y é a admitância medida da peça manual 70(determinada por DSP 80 dividindo a corrente de sinal 75 pela voltagem dosinal de acionamento 65) e V é a voltagem do sinal de acionamento 65. Sobcircunstâncias de carga que fazem com que Y diminua, I também diminuiriainexistente um ajuste para V. De modo a manter a corrente, I, do sinal deacionamento 65 constante, a voltagem do sinal de acionamento 65 é au-mentada. Uma lógica de controle de PID convencional pode ser aplicada noDSP 80 para realizar todos os cálculos e fazer ajustes em V de modo amanter I constante. Uma lógica de controle de PID como essa compensariaqualquer atraso na resposta da peça manual 70 que faria com que a cor-rente de sinal 75 mudasse após a voltagem do sinal de acionamento 65.

O sistema de controle mostrado na FIG. 3 também pode variar oincremento de oscilação, dependendo da última mudança na admitância, |Yn- Yn-i|. Em geral, quanto maior a mudança na admitância, maior o incre-mento de oscilação (isto é, δ oc |Yn - Yn.i|). Um valor inicial pequeno para δgeralmente revelará a direção na qual a ressonância em série está se des-locando. Após a direção inicial ser determinada, δ pode ser aumentado demodo a permitir uma compensação mais rápida para os últimos desloca-mentos de freqüência. Contudo, se a natureza dos deslocamentos na res-sonância em série for tal que vários deslocamentos arbitrários na ressonân-cia em série ocorrerem, então, um valor relativamente pequeno e constantepara δ seria mais útil. Se δ for variado, essas variações δ e mudanças navoltagem do sinal de acionamento 65 podem ser implementadas usando-se,por exemplo, uma lógica de controle de PID bem conhecida. É possível"personalizar" a resposta do sistema para um certo tipo de peça manual outécnica cirúrgica. Por exemplo, se a peça manual for carregada apenas oca-sionalmente, de modo que a ressonância em série se desloque para baixoaproximadamente de 200 a 300 Hz1 o sistema de controle pode assumir quequalquer carga detectada requer um deslocamento na ressonância de sériede cerca de 200 a 300 Hz, com um controle de laço fechado da peça manu-al carregada, como descrito acima após o deslocamento inicial.

Sob certas circunstâncias, o sistema de controle mostrado naFIG. 3 pode falhar em trilhar a ressonância em série proximamente o bas-tante. Uma rotina de correção impede uma falha de comprometer inaceita-velmente a eficácia da peça manual 30. Se fosse verificado que |fn+i - f0| erasempre maior do que um limite predeterminado, então o sistema de controleassumiria que a lógica de controle falhou. Ao descobrir essa falha, o siste-ma de controle reiniciaria o procedimento de sintonização pré-cirurgia, demodo a determinar precisamente a ressonância em série real. O sistemaentão restauraria f0 para fs e reiniciaria a rotina de controle de freqüência.

A FIG. 4 é um diagrama de blocos que ilustra uma segunda rea-lização de um sistema de acordo com a presente invenção para sintoniza-ção e controle de uma peça manual ultra-sônica. A operação do sistema e arealização do método ilustrado na Fig. 4 resultam na determinação da res-posta característica da peça manual 30 em um conjunto de freqüências dis-cretas (por exemplo, f3 e f1) relativamente próximas e incluindo a freqüênciade potência, f2 (a qual se aproxima do último valor conhecido da ressonân-cia em série fs). Na realização mostrada na FIG. 4, a combinação de VCOe amplificador 20 geram o sinal de acionamento 25, o qual é um sinalvariável que varre através dos sinais de acionamento 25a, 25b, 25c em su-cessão a freqüências f2, e f3l respectivamente. A freqüência f2 correspon-de aproximadamente ao último valor conhecido de ressonância em série fs,a freqüência fi é menor do que f2, e f3 é uma freqüência maior do que f2.preferencialmente, f| e f3 difere de f2 por um incremento de oscilação (δ), e oincremento de oscilação preferido é definido como cerca de 0,1 (fp - fs) > δ >0,001 (fp - fs) e, mais preferencialmente cerca de, 0,01 (fp - fs).

Devido ao fato do sinal de acionamento 25 varrer através dossinais de acionamento 25a, 25b, 25c, a freqüência do sinal de resposta 35de uma peça manual 30 também varia como mostrado pelos sinais de res-posta 35a, 35b e 35c. No exemplo mostrado na FIG. 4, a amplitude do sinalde resposta 35a é menor do que a amplitude do sinal de resposta 35b, aqual, por sua vez, é menor do que a amplitude do sinal de resposta 35c. Ossinais de acionamento 25a, 25b e 25c e os sinais de resposta 35a, 35b e35c são alimentados de modo síncrono para o DSP 40 (após talvez cada umser atenuado para proteger a seção de entrada do DSP 40). O DSP 40 divi-de a corrente dos sinais de resposta 35a, 35b e 35c pela voltagem dos si-nais de acionamento 25a, 25b e 25c, respectivamente, de modo a determi-nar os valores de admitância Y1, Y2 e Y3 em suas freqüências correspon-dentes fi, f2 e f3. Os pontos (Y1, f,); (Y2, f2); e (Y3, f3) ficam ao longo da curvade admitância 37, a qual é uma representação da relação admitância versusfreqüência que pode ser exibida pela peça manual 30. o pico da curva deadmitância 37 define o valor real da ressonância em série fs'.

A ressonância em série real fs' mostrada na FIG. 4 é, por exem-plo, maior do que as freqüências de calibração e f3) e a freqüência depotência (f2). Sob essas condições, a lógica de controle programada para oDSP 40 determinaria uma nova freqüência de acionamento para ser f2 + δ(isto é, f3) ou, por exemplo, f2 mais um incremento diferente baseado no for-mato original da curva de admitância. O DSP 40, então, gera e envia umsinal de controle apropriado 45 para o VCO 10 de modo a alterar a freqüên-cia do sinal de acionamento 65. As freqüências de calibração fi e f3 tambémseriam aumentadas de modo que elas continuem a diferir de f2 pelo incre-mento de oscilação δ. Contudo, a curva de admitância 37, como mostradona FIG. 4, é apenas um cenário possível que pode ser encontrado.

As FIG. 5a - 5i são representações qualitativas de todas as cur-vas de admitância versus freqüência possíveis, que podem ser encontradaspelo sistema de controle mostrado na FIG. 4. As FIG. 5a a 5d representamos casos nos quais f2 deve ser aumentada para se aproximar de fs'. O maiorajuste para f2 é requerido para a situação representada na FIG. 5a e pro-gressivamente menos ajuste para f2 é requerido nas FIG. 5b, 5c e 5d. A FIG.5e representa o caso no qual f2 não requer nenhum ajuste. As FIG. 5f - 5irepresentam casos nos quais f2 deve ser diminuído para se aproximar de fs'com progressivamente mais ajuste para f2 sendo requerido nas FIG. 5f, 5g,5h e 5i. Obviamente, um sistema de acordo com a presente invenção podeempregar mais componentes de calibração com uma mudança acompa-nhando na lógica de controle. A tabela abaixo resume a lógica aplicada peloDSP 40 (usando dois componentes de calibração, sinais de acionamento25a e 25c, juntamente com o sinal de acionamento 25b) de modo a ajustar f2de modo que ela corresponda a aproximadamente fs':

<table>table see original document page 18</column></row><table>

A quantidade pela qual f2 é ajustada é determinada comparan-do-se a inclinação de cada linha definida pelos pontos adjacentes na curvade admitância 37. Por exemplo, a primeira e a segunda derivadas da curva37 (isto é, da função Y(f)) podem ser aproximadas em um sistema de con-trole usando-se um incremento de oscilação constante, δ, usando os trêspontos (Y1, fi); (Y2, f2); e (Y3, f3) como se segue:

<formula>formula see original document page 18</formula>

A primeira e a segunda derivadas de Y(f) em um sistema noqual δ varia são aproximadas de acordo com as equações a seguir:

<formula>formula see original document page 18</formula>

O sistema descrito acima emprega o número mínimo de pontosde dados, três, necessários para aproximar a primeira e a segunda deriva-das de Y(f). O aumento do número de freqüências de calibração, obvia-mente, aumentaria o número de pontos de dados disponíveis para determi-nação precisa da primeira e da segunda derivadas de Y(f), desse modopermitindo uma estimativa melhor da ressonância em série real. Contudo,atrasos de tempo inerentes no processo de aquisição e de análise de maisde três pontos de dados reduz a precisão da análise, porque pontos de da-dos individuais poderiam refletir a localização de um ponto na curva 37 apósa curva 37 já ter se deslocado. O número ótimo de pontos de dados paramelhor determinação do formato da curva 37 depende do atraso no tempoentre o sinal de potência 25b e os sinais de calibração 25a e 25c e o atrasono tempo causado por DSP 40 analisando os pontos de dados ao longo dacurva de admitância 37. Quanto mais longo o atraso no tempo, menor o nú-mero ótimo de pontos de dados (com um mínimo de três pontos de dados).

Como discutido acima de modo similar em relação ao DSP 80 do sistema decontrole mostrado na FIG. 3, o DSP 40 do sistema de controle mostrado naFIG. 4 pode implementar uma lógica para alterar o incremento de oscilaçãoou a voltagem do sinal de acionamento ou ambos, dependendo do formato eda amplitude da curva de admitância 37.

O DSP 40 ou o DSP 80 pode ser um processador programávelde múltipla finalidade, do qual estão disponíveis exemplos comerciais. Porexemplo, a Stanford Research Systems em 1290-D Reamwood Avenue,Sunnyvale, Califórnia 94089, atualmente vende dois DSP's de transformadarápida de Fourier (FFT), o Modelo SR760 e o Modelo SR770 tendo um úni-co canal de entrada. A Stanford Research comercializa um Analisador deSinal de FFT de dois canais adequado para uso como o DSP 40 ou como oDSP 80, o Modelo SR780. Todos esses DSP's da Stanford Research têmlarguras de banda em tempo real de pelo menos 100 kHz e uma faixa dinâ-mica de 90 dB e têm uma freqüência de centro, largura de banda, rotinas deanálise e saída completamente programáveis. Todos os três DSP's podemser programados usando-se a interface suprida (uma série de opções acio-nadas por menu mostradas em um display integral), ou usando-se um com-putador separado capaz de extrair comandos por uma interface padrão RS-232ou GPIB. A capacidade de entrada dupla do SR780 permite que ele seja pro-gramado para realizar comparações matemáticas entre dois sinais de entrada.Após o DSP 40 ou o DSP 80 estimar o valor de fs', ele tambémpode ser programado para aplicar uma lógica proporcional - integral - dife-rencial ("PID") de modo a gerar parâmetros de controle alojados no sinal decontrole 45. O uso de lógica PID é a melhor forma de impedir uma sobre-compensação da freqüência de acionamento e de reduzir o potencial paraque oscilações instáveis na freqüência de acionamento sejam causadaspelo sistema de controle mostrado nas FIG. 3 e 4. Mais ainda, uma outralógica de controle bem conhecida que não a lógica PID também pode serusada para ajustar a freqüência de acionamento para mudanças em fs', de-pendendo das demandas colocadas sobre o sistema de controle pelos tiposde condições de carregamento que tendem a ser encontradas por uma peçamanual ultra-sônica. Por exemplo, o sistema pode requerer o uso apenas decontrole proporcional ou proporcional - integral. A natureza da PID e de ou-tra lógica de controle é bem conhecida e, assim, não será descrita em de-talhes neste documento.

Devido ao fato do uso de lógica PID implementada por software(no DSP 40 ou no DSP 80) poder resultar em um atraso inaceitável nos sis-temas de controle mostrados nas FIG. 3 e 4, um controlador PID digital definalidade especial pode ser inserido no sistema de controle na saída doDSP 40 ou do DSP 80. Um controlador PID digital como esse poderia reali-zar a lógica PID na saída do DSP 40 ou do DSP 80 e gerar um sinal decontrole 45 ou 85, respectivamente. Um controlador PID como esse podeser qualquer um de vários circuitos integrados comercialmente disponíveisou componentes discretos dispostos em qualquer uma de muitas configura-ções amplamente conhecidas. Seja o sinal de controle 45 ou 85 gerado di-retamente por um DSP ou através de um controlador PID digital adequado,o VCO 10 ou o VCO 50 preferencialmente usa o sinal de controle 45 ou 85para ajustar U, de modo que ela corresponda a aproximadamente a fs' recémdescoberta sob carga. Todo o ciclo é repetido continuamente para manter f,aproximadamente na ressonância de série real da peça manual.

O SR780 da Stanford Research também contém uma fonte pro-gramável que é suficientemente flexível para gerar componentes de sinal deacionamento 25a, 25b e 25c ou 65a e 65b. Assim, o SR780 é capaz de serprogramado para prover o sinal de acionamento 25 ou 65, medir os sinaisde resposta 35a, 35b, 35c, 75a ou 75b, determinar a curva de admitância 37ou 77 e o valor de fs', e gerar o sinal de controle 45 ou 85, de modo a alteraro sinal de acionamento 25 ou 65 (e, assim, os sinais de acionamento 25a,25b e 25c ou os sinais de acionamento 65a e 65b) para compensar umacarga mecânica e/ou térmica encontrada por uma peça manual em uso.

Embora certas realizações da presente invenção tenham sidodescritas acima, essas descrições são dadas para fins de ilustração e ex-planação. Variações, mudanças e modificações e desvios dos sistemas emétodos mostrados acima podem ser adotados, sem se desviar do escopoou do espírito da presente invenção o qual, em suma, emprega uma fontepara gerar um sinal de acionamento, o qual é oscilado, em uma direção ba-seada em uma tendência estabelecida por valores passados de freqüênciae admitância ou em ambas as direções para determinar a resposta da peçamanual em freqüências imediatamente circundando o último valor conhecidoda ressonância em série, como um meio de compensar mudanças nas ca-racterísticas de operação da peça manual enquanto em uso.

Claims

1. Método para controlar uma peça manual ultra-sônica (30)tendo uma freqüência de ressonância em série variável compreendendo asetapas de:a) gerar um sinal de acionamento (25) tendo:i. um primeiro sinal (25a) em uma primeira freqüência (fi)substancialmente igual a um valor atual conhecido de umafreqüência de ressonância em série (fs);ii. um segundo sinal (25b) em uma segunda freqüência fà)maior do que a primeira freqüência; eiii. um terceiro sinal (25c) a uma terceira freqüência (f3) me-nor do que a primeira freqüência;b) excitar a peça manual com o sinal de acionamento (25);c) medir uma primeira admitância (Yi) na primeira freqüência,uma segunda admitância (Y2) na segunda freqüência e de uma terceira ad-mitância (Y3) na terceira freqüência;caracterizado pelo fato de que ainda compreende as etapas de:d) prever uma freqüência de ressonância em série futura (fs)baseada nos valores relativos da primeira admitância, da segunda admitân-cia e da terceira admitância; ee. mudar a primeira freqüência (fi) de modo que ela correspondaà futura freqüência de ressonância em série (fs).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que ainda compreende a etapa de calcular um incremento de osci-lação (δ) igual ao valor absoluto da diferença entre a segunda freqüência (f2)e a primeira freqüência (fi).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a etapa de mudar a primeira freqüência (fi) de modo que elacorresponda à futura freqüência de ressonância em série (fs) ainda compre-ende as etapas de:a) reduzir a primeira freqüência se:i. a terceira admitância (Y3) for menor do que a primeira ad-mitância (Yi) e a primeira admitância (Yi) for menor ou igualà segunda admitância (Y2); ouii. a terceira admitância (Y3) for menor do que a segundaadmitância (Y2) e a segunda admitância (Y2) for menor doque a primeira admitância (Y1);b) manter a primeira freqüência (fi) substancialmente constantese a terceira admitância (Y3) substancialmente se igualar à segunda admi-tância (Y2) e a terceira e a segunda admitâncias (Y3, Y2) forem menores doque a primeira admitância (Y1); ec) aumentar a primeira freqüência (fi) se:i. a segunda admitância (Y2) for menor que a terceira admitância (Y3) e aterceira admitância (Y3) for menor ou igual à primeira admitância (Yi)1 ouii. a segunda admitância (Y2) for menor que a primeira admitância (Yi) e aprimeira admitância (Y1) for menor que a terceira admitância (Y3).

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que cada uma das etapas de reduzir e aumentar ainda compreendea etapa de determinar um incremento de oscilação (δ) por meio do qual aprimeira freqüência (fi) é reduzida ou aumentada, respectivamente.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que o incremento de oscilação (δ) está entre 0,001 e 0,1 vezes adiferença entre um valor inicial de uma freqüência de ressonância em série(fs) e um valor inicial de uma freqüência de ressonância em paralelo (fp) dapeça manual (30).

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que o incremento de oscilação (δ) é de 0,01 vezes a diferença entreo valor inicial da ressonância em série (fs) e o valor inicial da ressonância emparalelo (fp) da peça manual (30).

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que ainda compreende a etapa de ajustar o incremento de oscilação(δ).