CN103876825A - 用于电压和电流感测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于电压和电流感测的系统和方法。本公开提供一种电外科系统。该系统包括：射频输出级，配置成输出至少一个射频波形；以及电流传感器，耦接到输出级并且配置成输出对应于至少一个射频波形的电流的第一微分信号，电流传感器耦接到第一调节电路，第一调节电路配置成积分第一微分信号以输出指示电流的经处理的电流信号。该系统还包括电压传感器，耦接到输出级并且配置成输出对应于至少一个射频波形的电压的第二微分信号，电压传感器耦接到第二调节电路，第二调节电路配置成积分第二微分信号以输出指示电压的经处理的电压信号，其中第一和第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

Description

用于电压和电流感测的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于操作电外科发生器的电外科系统和方法。更特别地，本公开涉及用于测量电外科发生器中的电压和电流的系统和方法。

背景技术

电外科手术包括将高射频电流施加到手术部位以切割、消融或凝固组织。在单极电外科手术中，源或有源电极将来自电外科发生器的射频能量输送到组织并且返回电极将电流运载回到发生器。在单极电外科手术中，源电极典型地是由外科医生手持并且施加到待治疗的组织的外科器械的一部分。患者返回电极远离有源电极放置以将电流运载回到发生器。

在双极电外科手术中，手持式器械的电极中的一个用作有源电极并且另一个用作返回电极。返回电极紧靠有源电极放置使得在两个电极（例如，电外科钳）之间形成电路。以该方式，所施加的电流被限制到位于电极之间的身体组织。当电极彼此充分地分离时，电路断开并且因此身体组织与任一分离电极的无意接触防止了电流流动。

双极电外科手术通常包括钳的使用。钳是钳状器械，依赖于它的钳夹之间的机械动作来抓紧、夹紧和限制血管或组织。所谓的“开放式钳”通常在开放式手术程序中使用，其中正如名称所暗示的，“内窥镜钳”或“腹腔镜钳”用于微创内窥镜手术程序。电外科钳（开放式或内窥镜）使用机械夹紧动作和电能来实现夹紧组织的止血。钳包括将电外科能量施加到夹紧组织的电外科导电表面。通过控制通过导电板施加到组织的电外科能量的强度、频率和持续时间，外科医生可以凝固、烧灼和/或闭合组织。

组织或血管闭合是液化组织中的胶原、弹性蛋白和基质使得它们重组成具有相对组织结构之间的明显减小分界的熔体的过程。烧灼包括使用热来破坏组织并且凝固是使组织脱水的过程，其中组织细胞破裂并且干燥。

组织闭合程序不只是包括简单地烧灼或凝固组织以产生有效闭合；程序包括各种因素的精确控制。例如，为了实现血管或组织的适当闭合，已确定必须精确地控制两个主要机械参数：施加到组织的压力；以及电极之间的间隙距离（即，相对的钳夹部件或相对的闭合表面之间的距离）。另外，电外科能量必须在控制条件下施加到组织以保证有效血管闭合的产生。

上述的电外科程序可以在基于反馈的控制系统中使用各种组织和能量参数。一直需要改善传感器以及用于处理传感器信号的系统和方法。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开一种电外科系统。所述系统包括：射频输出级，所述射频输出级配置成输出至少一个射频波形；以及电流传感器，所述电流传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电流的第一微分信号，所述电流传感器耦接到第一调节电路，所述第一调节电路配置成积分所述第一微分信号以输出指示电流的经处理的电流信号。所述系统还包括电压传感器，所述电压传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电压的第二微分信号，所述电压传感器耦接到第二调节电路，所述第二调节电路配置成积分所述第二微分信号以输出指示电压的经处理的电压信号，其中所述第一和第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

根据本公开的另一方面，所述第一和第二调节电路的中每一个包括增益放大器，所述增益放大器耦接到单端放大器，所述单端放大器耦接到带通滤波器，所述带通滤波器耦接到积分器。

根据本公开的另一方面，所述射频输出级包括至少一个有源导线和至少一个返回导线。

在本公开的另一方面中，所述电压传感器电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线并且配置成测量其间的射频电压；并且所述电流传感器耦接到所述至少一个有源导线并且配置成测量通过其中的射频电流。

根据本公开的附加方面，所述电流传感器包括布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈，其中所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈。

根据本公开的另一方面，所述印刷电路板包括耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。

根据本公开的另一方面，所述电压传感器包括：电容分压器，所述电容分压器包括电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线的第一和第二电容器；以及电阻分压器，所述电阻分压器包括耦接到所述电容分压器的第一和第二电阻器。

本公开也提供一种配置成输出电外科能量的电外科系统。所述系统包括：电流传感器，所述电流传感器耦接到输出级并且配置成输出对应于所述电外科能量的电流的第一微分信号，所述电流传感器耦接到第一调节电路，所述第一调节电路配置成积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号；以及电压传感器，所述电压传感器耦接到输出级并且配置成输出对应于所述电外科能量的电压的第二微分信号，所述电压传感器耦接到第二调节电路，所述第二调节电路配置成积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号，其中所述第一和第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

根据本公开的另一方面，所述电外科系统还包括至少一个有源导线和至少一个返回导线，其中所述电压传感器电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线并且配置成测量其间的射频电压，并且所述电流传感器耦接到所述至少一个有源导线并且配置成测量通过其中的射频电流。

根据本公开的另一方面，所述电流传感器包括布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈，所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈，所述印刷电路板包括耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。

本公开还提供一种用于检测电外科发生器的至少一个能量性质的方法。所述方法包括：检测穿过所述电外科发生器的至少一个有源导线的电流；输出对应于所述电流的第一微分信号；在第一调节电路处积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号；检测所述电外科发生器的至少一个有源导线和至少一个返回导线之间的电压；输出对应于所述电压的第二微分信号；以及在第二调节电路处积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号，其中所述第一和第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

在本公开的其它方面中，所述电流由布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈检测，所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈，所述印刷电路板包括耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。所述罗戈夫斯基线圈还包括内部分，所述内部分包括布置在外线圈内并且在所述印刷电路板的第一和第二介电中间层之间的至少一个导电线路。

在其它方面中，所述罗戈夫斯基线圈包括外线圈，所述外线圈具有：布置在所述印刷电路板的顶部介电层和第一介电中间层之间的多个顶部导电线路；布置在所述印刷电路板的底部介电层和第二介电中间层之间的多个底部导电线路，其中所述外导电线路布置在所述底部和顶部介电层之上；以及互连所述多个顶部和底部导电线路的多个内和外通孔。所述罗戈夫斯基线圈还包括内部分，所述内部分包括布置在外线圈内并且在所述印刷电路板的第一和第二介电中间层之间的至少一个导电线路。

根据本公开的另一方面，所述电压传感器包括：电容分压器，所述电容分压器包括电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线的第一和第二电容器；以及电阻分压器，所述电阻分压器包括耦接到所述电容分压器的第一和第二电阻器。

附图说明

在本文中参考附图描述本公开的各实施例，其中：

图1是根据本公开的电外科系统的实施例的示意性方块图；

图2是根据本公开的电外科发生器的前视图；

图3是根据本公开的图2的电外科发生器的示意性方块图；

图4是根据本公开的电流传感器的示意图；

图5是根据本公开的布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈的部分暴露、等轴视图；

图6是根据本公开的图5的罗戈夫斯基线圈的部分暴露、平面图；

图7是根据本公开的图5的罗戈夫斯基线圈的放大示意图；

图8是根据本公开的图5的印刷电路板的侧视、横截面图；

图9是根据本公开的图5的印刷电路板的平面图；

图10A是根据本公开的布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈的平面图；

图10B是根据本公开的布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈的沿着10B-10B获得的侧视、横截面图；

图11是根据本公开的增益放大器的示意性电路图；

图12是根据本公开的单端放大器的示意性电路图；

图13是根据本公开的高通滤波器的示意性电路图；

图14是根据本公开的低通滤波器的示意性电路图；

图15是根据本公开的积分器的示意性电路图；

图16是根据本公开的电流传感器的带宽的绘图；

图17是根据本公开的电压传感器的示意图；以及

图18是根据本公开的电压传感器的平面、横截面图。

具体实施方式

在下文中参考附图描述本公开的特定实施例。在以下描述中，未详细地描述公知的功能或构造以避免以不必要的细节使本公开晦涩。

本公开提供一种电外科发生器，所述电外科发生器具有配置成输出至少一个射频波形的射频输出级。所述发生器还包括电流传感器，所述电流传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电流的第一微分信号。所述电流传感器也耦接到第一调节电路，所述第一调节电路配置成积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号。所述发生器还包括电压传感器，所述电压传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电压的第二微分信号。所述电压传感器耦接到第二调节电路，所述第二调节电路配置成积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号。所述第一和第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

根据本公开的发生器可以执行包括血管闭合程序的单极和/或双极电外科程序。发生器可以包括用于与各种电外科器械（例如，单极器械、返回电极、双极电外科钳、脚踏开关等）接口的多个输出。此外，发生器包括配置成生成专门适合于各种电外科模式（例如，切割、混合、分隔等）和程序（例如，单极、双极、血管闭合）的射频能量的电子电路。在实施例中，发生器可以嵌入、集成或以另外方式耦接到电外科器械，提供全合一（all-in-one）电外科装置。

图1是根据本公开的双极和单极电外科系统1的示意图。系统1可以包括具有用于治疗患者的组织的一个或多个电极（例如，电外科切割探针、（一个或多个）消融电极等）的一个或多个单极电外科器械2。电外科能量由发生器200经由连接到发生器200的有源端子230（图3）的供应线4供应到器械2，从而允许器械2凝固、消融和/或以另外方式治疗组织。能量通过返回电极6经由发生器200的返回端子232（图3）处的返回线8返回到发生器200。系统1可以包括布置在患者上的多个返回电极6以通过最大化与患者的总接触面积而最小化组织损伤的机会。另外，发生器200和返回电极6可以配置成用于监测所谓的“组织到患者”的接触以保证足够的接触存在于其间从而进一步最小化组织损伤的机会。

系统1也可以包括具有用于治疗患者的组织的一个或多个电极的双极电外科钳10。电外科钳10包括外壳11和布置在轴12的远端处的相对的钳夹部件13和15。钳夹部件13和15分别具有布置在其中的一个或多个有源电极14和返回电极16。有源电极14和返回电极16通过电缆18连接到发生器200，所述电缆18包括分别耦接到有源和返回端子230、232（图3）的供应和返回线4、8。电外科钳10在具有到有源和返回端子230和232的连接（例如，针脚）的连接器处经由布置在电缆18的端部处的插头耦接到发生器200，其中插头包括来自供应和返回线4、8的触头，如下面更详细地所述。

参考图2，显示发生器200的正面240。发生器200可以是任何合适的类型（例如，电外科、微波等）并且可以包括多个连接器250-262以适应各种类型的电外科器械（例如，电外科钳10等）。连接器250-262可以包括可以读取（例如，扫描、解码等）被编码或以另外方式记录在器械的插头或电缆之上和之内的识别信息的各种检测装置。连接器250-262配置成解码对应于特定器械的操作参数的、在插头上编码的信息，从而允许发生器200基于连接的器械预设能量输送设置。在实施例中，可以在条形码、电部件（例如，电阻器、电容器等）、RFID芯片、磁体、非临时存储装置（例如，非易失性存储器、EEPROM等）中编码数据，它们然后可以耦合到或集成到插头中。对应的检测装置可以包括但不限于条形码读取器、电传感器、RFID读取器、霍尔效应传感器、存储器读取器等，以及配置成解码数据的任何其它合适的解码器。

发生器200包括用于为用户提供各种输出信息（例如，强度设置、治疗完成指示器等）的一个或多个显示屏幕242、244、246。屏幕242、244、246中的每一个与对应的连接器250-262关联。发生器200包括用于控制发生器200的合适的输入控制（例如，按钮、启动器、开关、触摸屏等）。显示屏幕242、244、246也配置成显示电外科器械（例如，电外科钳10等）的对应菜单的触摸屏。用户然后通过简单地触摸对应的菜单选项进行输入。

屏幕242控制单极输出和连接到连接器250和252的装置。连接器250配置成耦接到单极电外科器械（例如，电外科笔）并且连接器252配置成耦接到脚踏开关（未显示）。脚踏开关提供附加输入（例如，发生器200的复制输入）。屏幕244控制单极和双极输出和连接到连接器256和258的装置。连接器256配置成耦接到其它单极器械。连接器258配置成耦接到双极器械（未显示）。

屏幕246控制由可以插入连接器260和262中的钳10执行的双极闭合程序。发生器200通过连接器260和262输出能量，所述能量适合于闭合由钳10夹持的组织。特别地，屏幕246输出用户界面，所述用户界面允许用户输入用户定义强度设置。用户定义设置可以是允许用户调节一个或多个能量输送参数（例如，功率、电流、电压、能量等）或闭合参数（例如，压力、闭合持续时间等）的任何设置。用户定义设置传输到控制器224，其中设置可以保存在存储器226中。在实施例中，强度设置可以是例如从一到十或从一到五的数字标度。在实施例中，强度设置可以与发生器200的输出曲线关联。强度设置可以特定于正在使用的每个钳10，使得各种器械为用户提供对应于钳10的特定强度标度。

图3显示配置成输出电外科能量的发生器200的示意性方块图。发生器200包括控制器224、电源227和输出级228。电源227可以是直流高电压电源，其连接到交流源（例如，线电压）并且将高压直流电提供给输出级228，输出级然后将高压直流电转换成治疗能量（例如，超声、电外科或微波）并且将该能量输送到有源端子230。能量从那里经由返回端子232返回。输出级228配置成在多个模式下操作，在此期间发生器200输出具有特定占空比、峰值电压、峰值因数等的对应波形。在另一实施例中，发生器200可以基于其它类型的合适电源拓扑。

控制器224包括可操作地连接到存储器226的微处理器225，所述存储器可以包括临时型存储器（例如，RAM）和/或非临时型存储器（例如，闪存介质、磁盘介质等）。微处理器225包括可操作地连接到电源227的输出端口和/或输出级228，从而允许微处理器225根据打开和/或闭合控制环方案控制发生器200的输出。本领域的技术人员将领会微处理器225可以由适合于执行本文中所述的计算和/或指令集的任何逻辑处理器（例如，控制电路）代替。

闭环控制方案是反馈控制环，其中多个传感器测量各种组织和能量性质（例如，组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压等），并且将反馈提供给控制器224。控制器224然后向电源227和/或输出级228发信号，然后电源和/或输出级分别调节直流和/或电源。控制器224也接收来自发生器200、器械2和/或钳10的输入控制的输入信号，如上所述。控制器224在闭合控制环中使用输入信号调节由发生器200输出的功率和/或对其执行其它控制功能。

根据本公开的发生器200包括RF电流传感器300和RF电压传感器600。RF电流传感器300耦接到有源端子230并且提供由输出级228供应的RF电流的测量。RF电压传感器600耦接到有源和返回端子230和232，提供由输出级228供应的RF电压的测量。在实施例中，RF电流和电压传感器300和600可以耦接到有源和返回导线228a和228b，所述导线分别将有源和返回端子230和232互连到输出级228。RF电流和电压传感器300和600分别将被感测RF电压和电流信号提供给控制器224，所述控制器然后响应被感测RF电压和电流信号调节电源227和/或输出级228的输出。发生器200的各种部件（即，输出级228、RF电流和电压传感器300和600）可以布置在印刷电路板（PCB）上。

变压器常规地用作电流和电压传感器，原因是它们提供所需的患者隔离。然而，变压器由于温度、信号幅度等而提供波动读数。这相对于传感器信号的相位和增益带宽使精确读数变得困难。因此，信号需要后处理以获得精确信号。本公开提供克服常规传感器的问题的新颖RF电压和电流传感器300和600。

图4显示包括罗戈夫斯基线圈302的RF电流传感器300。当在本文中使用时，术语“罗戈夫斯基线圈”表示用于测量交流电流（例如，RF电流）的电装置并且包括用作围绕内导体缠绕的有源导体的外导体线圈（例如，环面（toroid）），所述内导体被称为“反接线圈（Bucking coil）”，用作具有运载穿过线圈的中心的电流的导线的返回导体。线圈可以具有任何合适的形状，例如螺旋形、环面形等。在实施例中，线圈可以具有多边形横截面。罗戈夫斯基线圈可以包括低导磁率芯（例如，空气芯）并且将具有正被测量的电流的时间微分的电压输出提供给调节电路，所述调节电路对输出进行积分以提供指示电流的电压信号。在实施例中，罗戈夫斯基线圈302可以在印刷电路板上实现并且可以包括间隙使得罗戈夫斯基线圈302可以围绕运载待测量的电流的导体缠绕。

如下面更详细地所述，本公开的罗戈夫斯基线圈302由于反接线圈的连接而增加共模电压抑制。此外，根据本公开的调节电路301配置成改善共模抑制比（CMRR）的微分放大器，不同于通常是单端的并且因此不能增加CMRR的现有技术的调节电路。

罗戈夫斯基线圈302耦接到具有电阻分压器304的调节电路301，所述电阻分压器包括电阻器304a和304b。在实施例中，调节电路301可以作为任何积分器（例如，逻辑处理器）或微分放大器实现。电阻分压器304去除其共振频率处的线圈302的共振。如下面参考图5-9更详细地所述，罗戈夫斯基线圈302围绕有源导线228a布置，线圈302配置成测量穿过其中的电流作为电压信号。来自线圈302的电压信号然后供应到增加电压信号的幅度的可选的增益放大器306。增益放大器306或线圈302（如果未使用增益放大器306）也耦接到单端放大器308，所述单端放大器又耦接到带通滤波器310。单端放大器308是微分至单端转换器，其功能是将来自线圈302的微分信号转换成单端信号。放大器308可以具有提供改善的共模抑制的单片配置。

带通滤波器310去除然后传输到积分器312的电压信号的高频和低频分量。由于在罗戈夫斯基线圈302中感生的电压与正在流动通过有源导线228a的电流的变化率成比例，因此积分器312用于提供与电流成比例的输出电压信号。

在实施例中，积分器312可以耦接到可以包括一个或多个主动开关部件的可开关衰减电路314。在将信号供应到控制器224之前衰减电路314然后可以耦接到附加部件，例如偏移电路316、模数转换器等。

图5-9显示根据本公开的罗戈夫斯基线圈302。线圈302具有大致圆形，具有由内圆周区域302a限定的通过其中的开口（图6）。导线228a通过开口301布置，从而允许线圈302测量通过导线228a的电流。

如图5和6中所示，线圈302具有大致环面形状并且形成于印刷电路板（PCB）400上并且包括内圆周区域302a和外圆周区域302b（图6）。线圈302包括形成线圈302的内部分（“反接线圈”）405和外线圈407。在实施例中，线圈302可以具有任何其它合适的形状（例如，具有多边形横截面），外线圈407围绕内部分405缠绕并且限定通过其中的开口。在实施例中，线圈302可以是具有低导磁率（μ0）的线圈缠绕酚醛树脂环面。

流动通过导线228a的电流i(t)产生与被感测电流i(t)的变化率成比例的第一磁场。外线圈407检测第一磁场并且产生对应于第一磁场（例如，图19A-B的场1905）的第一电压。外线圈407也检测第二磁场并且产生对应于第二磁场（例如，图19A-B的场1930）的第二电压。第二磁场正交于第一磁场并且与被感测电流无关。内部分405感测第二磁场并且产生与第二磁场成比例的第三电压。所产生的第二电压和第三电压具有大致相同的幅度并且连接成使得它们彼此抵消并且通过调节电路301进一步被去除。

PCB400可以是由任何合适的介电材料形成的多层PCB，包括但不限于由编织玻璃纤维布和环氧树脂结合剂（例如FR-4）组成的复合材料。如图8中所示，PCB400包括第一或顶层404a和底层404e，其具有足够的厚度以防止导电线路408b和408e之间的电容耦合。有源导线228a耦接到相应地布置在顶和底层404a和404e上的导电线路408a和408f，如图8和9中所示。有源导线228a可以耦接到布置在PCB400上的患者侧连接器420，如图9中所示。线路408a和408f通过中心301经由穿过整个PCB400（例如，层404a-404e）的一个或多个通孔409a互连。

外线圈407包括布置在PCB400的顶层404a和中间层404b之间的顶部线路408b。外线圈407也包括布置在PCB400的底层404e和中间层404d之间的底部线路408e。线路408b和408e由多个内通孔409b和外通孔409c互连。层404a和404e绝缘线圈302（例如，外线圈407）、导电线路408a和408f并且提供患者和发生器200之间的隔离屏障。

如图5-7中所示，内通孔409b布置成形成线圈302的内圆周区域302a并且外通孔409c形成线圈302的外圆周区域302b。内和外通孔409b和409c穿过层404b、404c和404d。内通孔409b和外通孔409c可以在同心配置中布置，分别如图10A和10B中所示。在同心配置中，对应的内和外通孔409b和409c沿着相同的辐射线定位。在交错配置中，内和外通孔409b和409c沿着交替辐射线“r”定位，如图5-7中所示。辐射线“r”相对于彼此成角“α”布置并且内通孔409b分离距离“d”。内通孔409b中的每一个通过线路408a和408e连接到两个相邻外通孔409c，反之亦然。通孔409b和409c与线路408a和408e的互连形成多个环，所述环又形成外线圈407，如图5中所示。

外线圈407可以包括任何合适的匝数，在实施例中从大约50匝到大约100匝。最大匝数取决于内圆周区域302a的半径、通孔纵横比、外线圈407和/或PCB400的厚度以及基于PCB材料的制造限制（例如，线路到线路、线路到通孔、通孔环形焊盘尺寸、可以限制导体放置在PCB上的任何因素）的匝之间的间隔。

参考图6和8，内部分405布置在外线圈407内并且也具有大致圆形。内部分405可以包括上部线路408c和底部线路408d。线路408c和408d布置在介电层404c之上，使得线路408c和408d彼此绝缘。线路408c和408d可以彼此电耦接。在实施例中，内部分405可以由单线路形成。

如图6和9中所示，线圈302在也可以布置在PCB400上的侧连接器422处耦接到传感器300的其它部件。线圈302包括耦接到内部分405的第一端子410a和耦接到外线圈407的第二端子410b。特别地，外线圈407布置在内部分405上并且与其耦接。因此，两个端子410a和410b布置在线圈302的一个端部处。内部分405和外部分407之间的互连以及与端子410a和410b的连接可以通过通孔409b和409c进行。

控制器224被提供来自传感器300的电压信号，然后所述电压信号用于确定电流。各种公式可以由控制器224使用以确定电流。由线圈302产生的电压可以使用公式(I)计算：

(I) $V_{\mathrm{OUT}}=\frac{-A_{\mathrm{LOOP}}{N}_{\mathrm{LOOPS}}}{{2\mathrm{\πR}}_{\mathrm{COIL}}}{\mathrm{\μ}}_0\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}$

在公式(I)中，A是由通孔409b和409c与线路408a和408b形成的匝（例如，环）的面积，N是匝数，R是线圈302的长半径，μ0是磁性常数，dI/dt是正在由线圈302测量的电流的变化率。

线圈的电感和电容可以分别使用公式(II)-(IV)计算。线圈302的电容用于确定自共振并且可以使用平行线模型公式——即内和外通孔409b和409c以及线路408a和408b的电容计算。

(II) $L_{\mathrm{Coil}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·{N_{\mathrm{Turns}}}^2\·t_{\mathrm{coil}}}{2\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{r_{\mathrm{coil}\_\mathrm{inner}}+w_{\mathrm{coil}}}{r_{\mathrm{coil}\_\mathrm{inner}}}\right)$

(III)C_Coil＝N_Turns·(2·C_trace-trace+C_via-inner+C_via-outer)

(IV) $C_{\left|\right|}=\frac{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·l_{\mathrm{trace}/\mathrm{via}}}{\ln (\frac{d_{\mathrm{between}\_\mathrm{trace}/\mathrm{via}}}{2\·r_{\mathrm{via}/\mathrm{trace}}}+\sqrt{\frac{{d_{\mathrm{between}\_\mathrm{trace}/\mathrm{via}}}^2}{{r_{\mathrm{via}/\mathrm{trace}}}^2}-1})}$

在公式(II)-(IV)中，除了在公式(I)中使用的变量和常数以外，t是厚度（例如，导电线路408b和408e之间的距离），r是半径，w是内和外圆周区域302a和302b之间的径向距离，r_{coil_inner}是到内圆周区域302a的径向距离，l是长度，ε0是真空磁导常数，并且ε_r是PCB的介电常数。

图10A和10B显示罗戈夫斯基线圈552的另一实施例。线圈552大致类似于线圈302。线圈552也耦接到布置在PCB400上的调节电路301。在该实施例中，线圈552形成于PCB400内并且导线228a可以直接穿过线圈552。PCB400包括一个或多个开口556a和556b，开口556a穿过限定于线圈552内的开口558。导线228a可以围绕布置在开口556a和556b之间的间隔器554缠绕，其对准导线228a以便穿过线圈552。线圈552以与上面关于线圈302所述的相同方式通过感测穿过导线228a的电流操作。导线228a可以围绕布置在开口556a和556b之间的间隔器554缠绕，其对准导线228a以便穿过线圈552。间隔器554可以包括布置在PCB400的每一侧的上部分554a和下部分554b。

参考图4和11-15，显示传感器300的调节电路301。由于线圈302提供微分响应，因此输出必须经由传感器300的调节电路301积分以提供实际响应。线圈302的输出被积分以产生与有源导线228a中的电流成比例的信号。调节电路301利用积分器312提供该积分。这允许传感器增益的容易可调节性。可以通过调节积分器312的频率设定点调节增益。设定点可以由硬件部件值（例如，离散电阻器或电容器替代）的选择、包括如下面更详细所述的可编程增益放大器的软件值（例如，数字或模拟电位计或可调节电容器）的选择或它们的组合获得。

调节电路301的增益放大器306在图11中显示并且包括配置成提供微分增益而不增加共模增益的一对运算放大器306a和306b。来自线圈302的电压信号提供给放大器306a和306b的正端子。放大器306a的输出由包括三个电阻器306d、306e、306f的分压器网络306c互连。端电阻器306d和306f分别与电容器306g和306h并联耦接。来自并联电路的信号耦接到向其提供闭环反馈的放大器306a和306b的负端子。这些电容器306g和306h提供放大器稳定性并且也可以提供信号的积分。

运算放大器306a和306b中的每一个的输出提供给在图12中显示的单端放大器308。特别地，放大器306a和306b的输出供应到放大器308的正和负输入。放大器308组合放大器306a和306b的输出以将单输出提供给带通滤波器310。放大器308包括具有接地的参考信号的闭合反馈电路，包括电阻器308a，所述电阻器308a与电容器308b并联连接并且与电阻器308c串联连接。并联电路将反馈信号提供给反馈输入并且串联电路将参考信号提供给放大器308的参考输入。

带通滤波器310包括高通滤波器309和低通滤波器311，分别如图13和14中所示。在实施例中，来自放大器308的输出在穿过低通滤波器311之前可以穿过高通滤波器309，反之亦然。

高通滤波器309配置成通过高频并且衰减低频。高通滤波器309包括运算放大器309a。来自放大器308或低通滤波器311的输入提供给放大器309a的正输入，所述正输入具有与第二电容器309c串联的第一电容器309b以及第一电阻器309d和第二电阻器309e。放大器309a的负输入由来自与接地第四电阻器309g串联的第三电阻器309f的反馈环提供。

低通滤波器311配置成通过高频并且衰减低频。低通滤波器311包括运算放大器311a。来自放大器308或高通滤波器309的输入提供给放大器311a的正输入，所述正输入具有与第二电阻器311c串联的第一电阻器311b以及第一电容器311d和第二电容器311e。放大器311a的负输入由来自与接地第四电阻器311g串联的第三电阻器311f的反馈环提供。

由于在罗戈夫斯基线圈302中感生的电压与正流动通过有源导线228a的电流的变化率成比例，因此积分器312用于提供与电流成比例的输出电压信号。在实施例中，可以使用漏积分器。当在本文中使用时，术语“漏积分器”表示具有低通滤波器的积分器，如下面关于图14更详细地所述。积分器312包括放大器312a，所述放大器312a的正输入接地。来自带通滤波器310的输入馈送通过低通滤波器312b，所述低通滤波器包括与第二电阻器312d串联的第一电阻器312c，所述第二电阻器312d与电容器312e并联。第二电阻器312d和电容器312e也耦接到放大器312a的输出，由此向其提供闭环反馈。输入信号然后馈送到放大器312a的负输入。滤波器312b可以用于代替带通滤波器310或与其组合。

积分器312提供电压增益相对于频率的负斜率。这补偿或展平来自线圈302的信号的相反斜率。此外，积分器312具有极高的直流增益。发生器200的感兴趣频带远高于直流。如果直流偏移存在于它的输入处，则积分器增益可能产生问题。带通滤波器310的高通部分减小低频分量并且减小任何直流偏移，这减轻由这些分量的积分器放大导致的问题。

图16显示图形500，示出线圈302、积分器312的单独增益响应以及线圈302和积分器312的组合响应。图形500将线圈302的总响应显示为绘图502，将积分器312的响应显示为绘图504，并且将传感器300的线圈302和积分器312的组合响应显示为绘图506，该绘图是绘图502和504的组合。频率f1由积分器312的响应确定，并且频率f2由线圈302的共振频率确定。

图17显示RF电压传感器600。传感器600配置成电容分压器602，包括耦接到调节电路601的第一和第二电容器602a和602b。传感器600的调节电路601大致类似于传感器300的调节电路并且包括使用相似的数字指示的相同部件。电容分压器602耦接到包括第一和第二电阻器604a和604b的电阻分压器604。电压然后供应到增加电压信号的幅度的可选的增益放大器606。增益放大器606或电容分压器602（如果未使用增益放大器606）耦接到单端放大器608，所述单端放大器又耦接到带通滤波器610。单端放大器608是微分至单端转换器，其功能是将来自线圈602的微分信号转换成单端信号。放大器608可以具有提供改善的共模抑制的单片配置。

带通滤波器610去除然后传输到积分器612的电压信号的高频和低频分量。由于在电容分压器602中感生的电压与正在流动通过有源和返回导线228a和228b的电流的变化率成比例，因此积分器612用于提供与被感测RF电压成比例的输出电压信号。

在实施例中，积分器612可以耦接到可以包括一个或多个主动开关部件的可开关衰减电路614。在将信号供应到控制器224之前衰减电路614然后可以耦接到附加部件，例如偏移电路316、模数转换器等。

在图18中更详细地显示电容分压器602。电容器602a和602b是具有大致类似介电性质的匹配电容器对。电容器602a和602b可以是布置在外壳560中的平板电容器，经由灌封材料562固定在其中。灌封材料562可以是注射模制或以另外方式提供到外壳560中的任何合适的介电材料。材料562也提供电容器602a和602b之间的附加绝缘。电容分压器602可以邻近有源和返回导线228a和228b布置，从而允许电容器测量其间的电压。

电容器602a和602b与有源和返回导线228a和228b绝缘并且提供患者和发生器200之间的隔离屏障。电容器602a和602b邻近有源和返回导线228a和228b布置，使得由电容器602a和602b电容地检测电压。换句话说，电容器602a和602b电容地耦合到有源和返回导线228a和228b。电容器602a和602b可以是平板电容器，均具有连接到有源和返回导线228a和228b的一个板和连接到调节电路601的另一个板。在实施例中，电容器602a和602b的板可以布置在PCB的相对侧上。因此，板之间的材料（例如，PCB）提供绝缘。当在本文中使用时，术语“电容地耦合”表示电容器602a和602b与有源和返回导线228a和228b之间的间接电接触，使得穿过返回导线228a和228b的电流通过电介质被检测。

电容器602a和电阻器604a以及电容器602b和电阻器604b的组合产生类似于线圈302的电压响应。因此，使增益放大器606、单端放大器608、带通滤波器610和积分器612与增益放大器306、单端放大器308、带通滤波器310和积分器312匹配允许匹配传感器300和600的带通（例如，增益）和相位响应。在实施例中，调节电路300和600可以具有大致类似的带通和相位响应。当在本文中使用时，术语“大致类似”表示调节电路300和600的带通和相位响应之间的差异不超过从电压和电流通道之间的大约1度差异到大约15度，在实施例中从大约2度到大约10度，在另外的实施例中大约5度。由于电流和电压传感器300和600两者的积分可以由相同的调节电路301和601执行，因此两个信号在增益和相位特性上匹配，这提供在电外科手术期间由组织消耗的实际功率的精确和准确表示。

电容器602a和602b阻止输送到患者的RF电压并且提供跨越电阻器604a和604b的低感测电压。由于电容器602a和电阻器604a以及电容器602b和电阻器604b的组合的紧密匹配，调节电容器602a和602b的微分增益大致等于共模增益。因此，共模抑制比有效地是调节电路601的共模抑制比。因此，如果电容器602a和602b和/或电阻器604a和604b不紧密地匹配，则共模信号变为差模信号，由此生成误差信号。

本公开的电压和电流传感器在绝缘方面提供胜过变压器的各种改进。在罗戈夫斯基线圈实现方式中，绝缘和介电强度来自充分的电线绝缘或充分的PCB材料绝缘。这些在设计上是固有的并且不需要如变压器实现方式中一样手动地施加。这减小制造成本。

类似地，电容器的匹配可以经由PCB制造的构造技术实现。这保证很紧密匹配的部件。除了出色的匹配性能以外，介电强度由PCB制造提供。电容在该情况下很精确地被控制并且远低于变压器实现方式。这些方面对于患者安全和传感器的改善操作是重要的。

尽管已在附图中显示和/或在本文中论述了本公开的若干实施例，但是本公开不旨在限定于此，原因是本公开旨在范围上与本领域所允许的一样宽并且说明书被类似地进行阅读。所以，以上描述不应当被理解为限制，而是仅仅是特定实施例的举例说明。本领域的技术人员将预见在所附的权利要求的范围和精神内的其它修改。

Claims (18)

1.一种电外科系统，其包括：

射频输出级，所述射频输出级配置成输出至少一个射频波形；

电流传感器，所述电流传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电流的第一微分信号，所述电流传感器耦接到第一调节电路，所述第一调节电路配置成积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号；以及

电压传感器，所述电压传感器耦接到所述输出级并且配置成输出对应于所述至少一个射频波形的电压的第二微分信号，所述电压传感器耦接到第二调节电路，所述第二调节电路配置成积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号，其中所述第一调节电路和所述第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

2.根据权利要求1所述的电外科系统，其中所述第一调节电路和所述第二调节电路中的每一个包括增益放大器，所述增益放大器耦接到单端放大器，所述单端放大器耦接到带通滤波器，所述带通滤波器耦接到积分器。

3.根据权利要求1所述的电外科系统，其中所述射频输出级包括至少一个有源导线和至少一个返回导线。

4.根据权利要求3所述的电外科系统，其中所述电压传感器电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线并且配置成测量其间的射频电压；并且

所述电流传感器耦接到所述至少一个有源导线并且配置成测量通过其中的射频电流。

5.根据权利要求4所述的电外科系统，其中所述电流传感器包括布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈，其中所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈。

6.根据权利要求5所述的电外科系统，其中所述印刷电路板包括：

耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。

7.根据权利要求6所述的电外科系统，其中所述罗戈夫斯基线圈包括：

外线圈，所述外线圈包括：

布置在所述印刷电路板的顶部介电层和第一介电中间层之间的多个顶部导电线路；

布置在所述印刷电路板的底部介电层和第二介电中间层之间的多个底部导电线路，其中所述外导电线路布置在所述底部介电层和所述顶部介电层之上；以及

互连所述多个顶部导电线路和所述多个底部导电线路的多个内和外通孔；以及

内部分，所述内部分包括布置在外线圈内并且在所述印刷电路板的第一介电中间层和第二介电中间层之间的至少一个导电线路。

8.根据权利要求4所述的电外科系统，其中所述电压传感器包括：

电容分压器，所述电容分压器包括电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线的第一和第二电容器；以及

电阻分压器，所述电阻分压器包括耦接到所述电容分压器的第一和第二电阻器。

9.一种配置成输出电外科能量的电外科系统，其包括：

电流传感器，所述电流传感器耦接到输出级并且配置成输出对应于所述电外科能量的电流的第一微分信号，所述电流传感器耦接到第一调节电路，所述第一调节电路配置成积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号；以及

电压传感器，所述电压传感器耦接到输出级并且配置成输出对应于所述电外科能量的电压的第二微分信号，所述电压传感器耦接到第二调节电路，所述第二调节电路配置成积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号，其中所述第一调节电路和所述第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

10.根据权利要求9所述的电外科系统，其还包括至少一个有源导线和至少一个返回导线，其中所述电压传感器电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线并且配置成测量其间的射频电压，并且所述电流传感器耦接到所述至少一个有源导线并且配置成测量通过其中的射频电流。

11.根据权利要求10所述的电外科系统，其中所述电流传感器包括布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈，其中所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈，所述印刷电路板包括耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。

12.根据权利要求11所述的电外科系统，其中所述罗戈夫斯基线圈包括：

外线圈，所述外线圈包括：

布置在所述印刷电路板的顶部介电层和第一介电中间层之间的多个顶部导电线路；

布置在所述印刷电路板的底部介电层和第二介电中间层之间的多个底部导电线路，其中所述外导电线路布置在所述底部介电层和所述顶部介电层之上；以及

互连所述多个顶部导电线路和所述多个底部导电线路的多个内和外通孔；以及

内部分，所述内部分包括布置在外线圈内并且在所述印刷电路板的第一介电中间层和第二介电中间层之间的至少一个导电线路。

13.根据权利要求10所述的电外科系统，其中所述电压传感器包括：

电容分压器，所述电容分压器包括电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线的第一和第二电容器；以及

电阻分压器，所述电阻分压器包括耦接到所述电容分压器的第一和第二电阻器。

14.一种用于检测电外科发生器的至少一个能量性质的方法，其包括：

检测经过所述电外科发生器的至少一个有源导线的电流；

输出对应于所述电流的第一微分信号；

在第一调节电路处积分所述第一微分信号以输出指示所述电流的经处理的电流信号；

检测所述电外科发生器的至少一个有源导线和至少一个返回导线之间的电压；

输出对应于所述电压的第二微分信号；以及

在第二调节电路处积分所述第二微分信号以输出指示所述电压的经处理的电压信号，其中所述第一调节电路和所述第二调节电路具有大致相似的带通和相位响应。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电流由布置在印刷电路板上的罗戈夫斯基线圈检测，其中所述至少一个有源导线穿过所述罗戈夫斯基线圈，所述印刷电路板包括耦接到所述至少一个有源导线的外导电线路，所述外导电线路由通过所述印刷电路板的至少一个通孔互连。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述罗戈夫斯基线圈包括：

外线圈，所述外线圈包括：

布置在所述印刷电路板的顶部介电层和第一介电中间层之间的多个顶部导电线路；

布置在所述印刷电路板的底部介电层和第二介电中间层之间的多个底部导电线路，其中所述外导电线路布置在所述底部介电层和所述顶部介电层之上；以及

互连所述多个顶部导电线路和所述多个底部导电线路的多个内和外通孔。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述罗戈夫斯基线圈还包括内部分，所述内部分包括布置在外线圈内并且在所述印刷电路板的第一介电中间层和第二介电中间层之间的至少一个导电线路。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述电流由电压传感器检测，所述电压传感器包括：

电容分压器，所述电容分压器包括电容地耦合到所述至少一个有源导线和所述至少一个返回导线的第一和第二电容器；以及

电阻分压器，所述电阻分压器包括耦接到所述电容分压器的第一和第二电阻器。

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