CN104287822A - 具有连续和任意可变的峰值因数的电外科发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有连续和任意可变的峰值因数的电外科发生器。提供了一种电外科发生器。所述电外科发生器包括：配置成输出大致方形电外科波形的非谐振射频输出级；以及耦合到所述非谐振射频输出级的控制器，所述控制器配置成在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。

Description

具有连续和任意可变的峰值因数的电外科发生器
技术领域
本公开涉及电外科系统和用于操作电外科发生器的方法。更特别地，本公开涉及用于调节由具有DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器的电外科发生器生成的电外科波形的峰值因数的系统、方法和装置。
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交流电流输送到靶组织。患者返回电极远离有源电极放置以将电流传导回到发生器。
在双极电外科手术中，返回和有源电极彼此紧靠地放置，使得在两个电极(例如，在电外科钳的情况下)之间形成电路。以该方式，施加的电流被限制到位于电极之间的身体组织。因此，在期望获得定位在器械(例如钳等)上的两个电极之间的电外科能量的聚焦输送的情况下，双极电外科手术通常包括器械的使用。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。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。然而，以上示例仅仅用于示例性目的并且在本公开的范围内可以有许多其它已知的双极电外科器械。
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。一直需要改善能量到组织的输送。
发明内容
根据一个实施例，本公开提供一种电外科发生器。所述电外科发生器包括：配置成输出大致方形电外科波形的非谐振射频输出级；以及耦合到所述非谐振射频输出级的控制器，所述控制器配置成在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
根据以上实施例的一个方面，所述非谐振射频输出级还包括：配置成输出DC波形的DC-DC降压转换器，所述DC-DC降压转换器包括以第一占空比操作的至少一个第一切换元件。
根据以上实施例的一个方面，所述非谐振射频输出级还包括：DC-AC升压转换器，所述DC-AC升压转换器耦合到所述DC-DC降压转换器并且包括以第二占空比操作的至少一个第二切换元件，所述DC-AC升压转换器配置成转换所述DC波形以生成所述大致方形电外科波形。
根据以上实施例的一个方面，所述控制器耦合到所述DC-DC降压转换器和所述DC-AC升压转换器，并且所述控制器还配置成调节所述第一占空比和所述第二占空比以调节所述大致方形电外科波形的占空比。
根据以上实施例的一个方面，所述第一占空比调节所述大致方形电外科波形的每个周期的峰值电压。
根据以上实施例的一个方面，所述第二占空比调节所述大致方形电外科波形的占空比。
根据以上实施例的一个方面，所述发生器包括用于选择期望峰值因数的用户输入，并且所述控制器配置成响应所述期望峰值因数调节所述第一和第二占空比。
根据另一实施例，本公开提供一种电外科发生器。所述电外科发生器包括：配置成输出DC波形的DC-DC降压转换器，所述DC-DC降压转换器包括以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；DC-AC升压转换器，所述DC-AC升压转换器耦合到所述DC-DC降压转换器并且包括以第二占空比操作的至少一个第二切换元件，所述DC-AC升压转换器配置成转换所述DC波形以生成大致方形电外科波形；以及控制器，所述控制器耦合到所述DC-DC降压转换器和所述DC-AC升压转换器，并且配置成调节所述第一占空比和所述第二占空比以在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
根据以上实施例的一个方面，所述第一占空比调节所述大致方形电外科波形的每个周期的电压。
根据以上实施例的一个方面，其中所述第二占空比调节所述大致方形电外科波形的占空比。
根据以上实施例的一个方面，所述发生器包括用于选择期望峰值因数的用户输入，并且所述控制器配置成响应所述期望峰值因数调节所述第一和第二占空比。
根据另一实施例，本公开提供一种用于控制电外科发生器的方法。所述方法包括：以第一占空比操作DC-DC降压转换器的至少一个第一切换元件以输出DC波形；以第二占空比操作耦合到所述DC-DC降压转换器的DC-AC升压转换器的至少一个第二切换元件以转换所述DC波形从而生成大致方形电外科波形；以及调节所述第一占空比和所述第二占空比以操作至少一个电外科波形从而在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
根据以上实施例的一个方面，所述方法还包括：控制所述第一占空比以调节所述大致方形电外科波形的每个周期的峰值电压。
根据以上实施例的一个方面，所述方法还包括：控制所述第二占空比以调节所述大致方形电外科波形的占空比。
根据以上实施例的一个方面，所述方法还包括：选择期望峰值因数；以及响应所述期望峰值因数调节所述第一和第二占空比。
根据以上实施例的一个方面，所述方法还包括：测量组织或能量性质中的至少一个；以及响应被测量的组织或能量性质调节所述第一和第二占空比。
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一个示例性实施例的部件的透视图；
图2是根据本公开的电外科发生器的一个实施例的前视图；
图3是根据本公开的图2的电外科发生器的实施例的示意性方块图；
图4是根据本公开的图2的电外科发生器的DC-DC转换器和DC-AC转换器的示意性方块图；
图5是根据本公开的期望输出特性的图形表示；
图6是具有谐振电路的现有技术的电外科发生器的示意性方块图；
图7是现有技术的正弦电外科波形的图形表示；
图8是具有调制占空比的现有技术的正弦电外科波形的图形表示；
图9是根据本公开的由图2的电外科发生器输出的方形电外科波形的图形表示；
图10是根据本公开的由图2的电外科发生器输出的、具有一致峰值因数的方形电外科波形的图形表示；以及
图11是根据本公开的由图2的电外科发生器输出的、具有变化峰值因数的方形电外科波形的图形表示。
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。
根据本公开的发生器可以执行例如包括切割、凝固、消融和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、凝固、用止血分隔、电灼、喷雾等)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合到电外科器械，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10的一个示例性实施例的部件的透视图。系统10可以包括具有用于治疗患者的组织的一个或多个电极23(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20。电外科交流电流由发生器200经由连接到发生器200的有源端子230(图3)的供应线24供应到器械20，允许器械20凝固、消融和/或以另外方式治疗组织。交流电流通过返回电极26经由发生器200的返回端子232(图3)处的返回线28返回到发生器200。对于单极操作，系统10可以包括在使用中布置在患者身上的多个返回电极26以通过最大化与患者的总接触面积最小化组织损伤的机会。另外，发生器200和返回电极26可以配置成用于监测组织到患者的接触以保证足够的接触存在于其间。
系统10也可以包括一个或多个双极电外科器械，例如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30。电外科钳30包括外壳31和布置在轴32的远端处的相对的钳夹部件33和35。钳夹部件33和35具有分别布置在其中的一个或多个有源电极34和返回电极36。有源电极34和返回电极36通过电缆38连接到发生器200，所述电缆包括分别耦合到有源和返回端子230、232(图3)的供应和返回线24、28。电外科钳30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38的端部处的插头耦合到发生器200，其中插头包括来自供应和返回线24、28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30等)。
发生器200包括用户界面241，所述用户界面具有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或信息面板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还配置成显示电外科器械(例如，电外科钳30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调节输入。
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配置成耦合到单极电外科器械(例如，电外科器械20)并且连接器252配置成耦合到脚踏开关(未示出)。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配置成耦合到其它单极器械。连接器258配置成耦合到双极器械(未示出)。
屏幕246控制由可以插入连接器260和262中的钳30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30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，能率限制器、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30，使得各种器械为用户提供对应于钳30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和射频(RF)放大器228。电源227可以是连接到AC源(例如，线路电压)的高电压、DC电源，并且经由导线227a和227b将高电压、DC电提供给RF放大器228，RF放大器然后将高电压、DC电转换成治疗能量(例如，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。有源和返回端子230和232通过隔离变压器229耦合到RF放大器228。RF放大器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。可以预见，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)。处理器225包括可操作地连接到电源227和/或RF放大器228的输出端口，允许处理器225根据打开和/或闭合控制环方案控制发生器200的输出。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RF放大器分别调节DC和/或电源。本领域的技术人员将领会处理器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，包括但不限于现场可编程门阵列、数字信号处理器和它们的组合。
根据本公开的发生器200包括多个传感器280，例如RF电流传感器280a和RF电压传感器280b。发生器200的各种部件(即，RF放大器228、RF电流和电压传感器280a和280b)可以布置在印刷电路板(PCB)上。RF电流传感器280a耦合到有源端子230并且提供由RF放大器228供应的RF电流的测量。RF电压传感器280b耦合到有源和返回端子230和232，提供由RF放大器228供应的RF电压的测量。在实施例中，RF电流和电压传感器280a和280b可以耦合到有源和返回导线228a和228b，所述导线分别将有源和返回端子230和232互连到RF放大器228。
RF电流和电压传感器280a和280b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RF放大器228的输出。控制器224也接收来自发生器200、器械20和/或钳30的输入控制的输入信号。控制器224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。
图4显示发生器200的另一实施例，所述发生器配置成用近无差拍(near-deadbeat)控制操作以保持发生器200的期望AC输出。当在本文中使用时，术语“无差拍(deadbeat)”或“近无差拍”表示由发生器200对输出进行调节，从波形的大约1个周期到大约100个周期，在实施例中从大约10个周期到大约25个周期。术语周期表示具有正和负半周期的电外科交替波形的完整周期。根据本公开的发生器200可以具有从大约100kHz到大约1,000kHz并且在某些实施例中从大约200kHz到大约500kHz的操作频率，因此以100kHz的预定频率操作的发生器200输出具有每秒100,000个周期的波形。可以以相同频率(例如，电外科波形的1个周期)或大约0.1的因数(例如，电外科波形的每10个周期)对输出进行调节。根据示例性实施例，近无差拍控制通过保证仅仅期望量的功率输送到电外科器械而最小化意外烧焦。在现有技术的发生器中，转换器对负载阻抗的变化的慢瞬时响应可能导致可能持续500个周期或以上未被检测到的功率的过量输送。
发生器200也配置成在恒定电压限制模式、恒定电流限制模式、恒定功率模式和它们的组合中的任一模式下操作。模式选择通常基于与正在切割的组织关联的阻抗。不同类型的组织(例如肌肉和脂肪)具有不同的阻抗。就电外科操作而言，恒定功率输出倾向于均匀地汽化组织，导致清洁切开。而恒定电压输出倾向于猛烈地汽化或碳化组织(“黑凝固”)，并且恒定电流输出倾向于热凝固组织而不汽化(“白凝固”)。如果外科医生希望快速地破坏表面组织，则碳化在外科上是有用的，并且热凝固常规地与机械压力联系以闭合肝或淋巴血管。然而，外科医生通常期望使用恒定功率输出操作，并且重要的是，如果有偏差则尽可能快速地返回使用恒定功率输出。
相对于发生器200的AC输出并且在示例性实施例中，“恒定功率”被定义为表示在每个切换周期中输送的平均功率是大致恒定的。类似地，“恒定电压”和“恒定电流”被定义为这样的模式，其中AC电压或电流的相应均方根(RMS)值被调节到大致固定值。期望输出特性的示例性图形表示在图5中示出。在示例性实施例中，当负载阻抗增加并且电压增加时，对应增加的输出电压触发从显示为区域A的恒定电流模式到显示为区域B的恒定功率模式和显示为区域C的恒定电压模式的过渡。类似地，在示例性实施例中，当负载阻抗减小并且电流增加时，对应减小的输出电压触发从恒定电压区域C到恒定功率区域B和恒定电流区域A的相反过渡。
参考图4中所示的示意图，发生器200包括DC-DC降压转换器101、DC-AC升压转换器102、感应器103、变压器104和控制器224。在实施例中，DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102是RF输出级228的一部分。在示例性实施例中，DC电压源Vg(例如电源227)连接到DC-DC降压转换器101。此外，感应器103电耦合在DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102之间。DC-AC升压转换器102的输出将功率传输到变压器104的初级绕组，其穿过变压器104的次级绕组到达负载Z(例如，正在治疗的组织)。
DC-DC降压转换器101包括切换元件101a并且DC-AC升压转换器102包括以H桥拓扑布置的多个切换元件102a-102d。在实施例中，DC-AC升压转换器102可以根据任何合适的拓扑进行配置，包括但不限于半桥、全桥、推挽等。合适的切换元件包括电压控制装置，例如晶体管、场效应晶体管(FETs)、它们的组合等。在示例性实施例中，控制器224与DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102两者、特别是相应地与切换元件101a和102a-102d通信。控制器224配置成将可以是脉冲宽度调制信号的控制信号输出到切换元件101a和102a-102d，如下面关于电压模式控制器112更详细地所述。特别地，控制器224配置成控制供应到DC-DC降压转换器101的切换元件101a的控制信号的占空比d1和供应到DC-AC升压转换器102的切换元件102a-102d的控制信号的占空比d2。另外，控制器224配置成测量发生器200的功率特性，并且至少部分地基于被测量功率特性控制发生器200。被测量功率特性的示例包括通过感应器103的电流和DC-AC升压转换器102的输出处的电压。在示例性实施例中，控制器224通过基于每个周期的感应器电流和非线性载波控制电流的比较生成占空比d1而控制降压转换器101。
根据示例性实施例，控制器224包括电流模式控制器111、电压模式控制器112、模式选择器113和控制逻辑(steering logic)114。模式选择器113将输出电压Vout(t)和感应器电流iL(t)与设置限制比较以便确定发生器200的期望操作模式。操作模式可以是如图5中所示的恒定(或最大)电流Imax(例如，恒定电流区域A)、来自DC-DC降压转换器101的恒定功率P1、来自DC-AC升压转换器102的恒定功率P2(例如，恒定功率区域B)或恒定(或最大)电压Vmax(例如，恒定电压区域C)或它们的组合。模式选择器113的输出选择传递到控制逻辑114。在示例性实施例中，控制逻辑114控制电流模式控制器111和电压模式控制器112中的至少一个的哪些被启用。此外，控制逻辑114选择哪个转换级接收电流模式控制器111和/或电压模式控制器112的输出。
在一个示例性实施例中，取决于正在产生期望输出特性的哪个部分，控制逻辑114用恒定功率的电流模式控制在操作DC-DC降压转换器101或DC-AC升压转换器102之间切换。电压模式控制器112和/或电流模式控制器111调节电流模式控制的占空比d1和/或d2。此外，控制逻辑114选择DC-DC降压转换器101和/或DC-AC升压转换器102中的每一个接收的占空比。
电流模式控制器111比较感应器电流iL(t)和非线性载波控制电流iC(t)(例如，期望设置点电流)。在示例性实施例中，非线性载波控制电流iC由Pset(例如，期望功率设置点)的选择设置，其可以由用户完成或由查找表提供。在示例性实施例中，电流模式控制器111使用锁存电路比较感应器电流iL(t)和电流限制信号(I)或功率限制信号(P1)。锁存电路的控制信号是从控制逻辑114传递的模式信号。锁存电路的输入是时钟信号，和电流限制信号(I)或功率限制信号(P1)。电流模式控制器111输出的选择响应发生器200的当前模式。发生器200的操作模式可以由模式选择器113传递。在示例性实施例中，如果感应器电流iL(t)低于非线性载波控制电流iC(t)，则在切换周期的开始时切换波形d(t)切换为“高”。此外，在示例性实施例中，响应感应器电流iL(t)超过非线性载波控制电流iC(t)，切换波形d(t)切换为“低”。换句话说，感应器电流iL(t)与非线性载波控制电流iC(t)的比较便于调节降压转换器101的占空比d1的脉冲持续时间，如先前所述。
为了生成并且控制来自发生器200的恒定电流，感应器电流iL(t)的平均值设置为大致等于固定控制电流限制K＊Pset。对于小感应器电流纹波，换句话说ΔiL<<IL，电流模式控制器将感应器电流iL(t)调节到大致等于固定恒定电流限制的大约恒定值。根据示例性实施例，电流模式控制器111能够通过在从大约1个周期到大约100个周期、在实施例中从大约2到大约20个周期、在另外的实施例中从大约3到大约10个周期内调节电流而保持感应器电流iL(t)的大约恒定值。该低周期调节提供如上所述的近无差拍或无差拍控制。
在示例性实施例中并且继续参考图4，控制器224的电压模式控制器112包括比较器121、补偿器122和脉冲宽度调制器(PWM)123。在示例性实施例中，电压模式控制器112在比较器121处比较输出电压Vout(t)和参考电压Vmax。比较器121的输出传递到补偿器122，所述补偿器转而输出驱动PWM123的误差信号。在示例性实施例中，补偿器122的输出穿过PWM123，所述PWM在某些模式下设置信号的占空比d2。
此外，在示例性实施例中，模式选择器113包括编码器并且执行多重比较。关于图5，模式选择器113使用电压比较信号和电流比较信号来确定发生器200是否正在恒定电流输出区域(A)、恒定功率输出区域(B)的区域P1、恒定功率输出区域(B)的区域P2或恒定电压输出区域(C)中操作。此外，来自模式选择器113的输出模式信号控制控制逻辑114中的开关位置。当输出电压Vout(t)超过第一电压限制Vlimit_1、第二电压限制Vlimit_2和第三电压限制Vlimit_3时，则编码器选择恒定电压模式。来自模式选择器113的恒定电压模式信号导致控制逻辑114的开关的位置到达“V”位置，如图4和下面的表1中所示，表1通过操作模式显示DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102的占空比。在表1中，值“1”可以设置为低于100％的任何固定占空比。
表1
在各种替代实施例中，操作模式的选择部分地基于占空比。例如，如果发生器200正使用DC-DC降压转换器101在恒定功率模式下操作并且占空比到达100％活动，则控制器224可以配置成使用DC-AC升压转换器102切换到恒定功率区域A。切换到降压转换器允许发生器200在阻抗的更高范围上操作。
相对于恒定功率输出模式，通过将占空比d1和占空比d2之一或两者设置为期望值，获得恒定AC功率输出。而且，发生器200在第一恒定功率区域P1或第二恒定功率区域P2中以恒定AC功率输出操作。在各实施例中，取决于负载的阻抗，转换器在使用DC-DC降压转换器101或DC-AC升压转换器102生成恒定功率之间切换控制逻辑114。而且，在各实施例中，发生器200可以同时操作DC-DC降压转换器101和/或DC-AC升压转换器102两者，这导致具有高电压和低功率的恒定功率输出。
在稳态和在第一恒定功率区域P1中操作下，感应器电流iL(t)与电流模式控制器111中的非线性载波控制电流iC(t)比较。使用电流模式控制器111改变DC-DC降压转换器的占空比d1的脉冲持续时间。占空比的变化脉冲持续时间控制响应与降压转换器接触的负载的感应器电流iL(t)。当负载的阻抗变化时，感应器103上的电压和电流也变化。如先前所述，在占空比的开始时，启动占空比的活动部分。响应超过非线性载波控制电流的感应器反馈信号，占空比切换到非活动部分。占空比留在非活动部分直到占空比的结束，这时下一个占空比在活动部分中开始。在替代实施例中，在感应器反馈信号和非线性载波控制电流的比较期间，一旦控制电流超过感应器电流，则占空比切换到活动部分。根据示例性实施例，发生器200使用DC-DC降压转换器101生成恒定功率。
在稳态和在第二恒定功率区域P2中操作下，响应输入电压Vg是恒定的，V1(t)的平均电压是恒定的，DC-DC降压转换器101也被禁用，原因是在感应器103上没有电压。电流编程模式控制的使用导致用无差拍或近无差拍控制将iL(t)的平均电流调节到大约固定值。为了调节iL(t)，占空比d2由电流模式控制器改变以将iL(t)保持在固定值。给定固定电压和电流，DC-AC升压转换器102的输入处的功率也是恒定的。在示例性实施例中，DC-AC升压转换器102几乎无损，导致输出功率大约等于输入功率。由于输入功率是恒定的，因此DC-AC升压转换器102的输出功率也是恒定的。
相对于恒定电压输出模式，通过将DC-DC降压转换器101的占空比d1设置为固定值获得恒定电压输出，并且DC-AC升压转换器102的占空比d2是电压模式控制的。在示例性实施例中，电压模式控制包括用传感器网络测量DC-AC升压转换器102的输出电压，将被感测输出电压馈送到电压模式控制器112中的控制环，以及基于被测量输出电压和参考输出电压之间的相对差值调节转换器的占空比命令。换句话说，占空比d2被设置为增加或减小输出电压以匹配Vlimit。在示例性实施例中，Vlimit可以由用户或基于查找表中的值设置。在替代实施例中，升压转换器以固定占空比运转，而没有输出电压的反馈。
相对于恒定电流输出模式，通过以固定占空比d2操作DC-AC升压转换器102和电流模式控制DC-DC降压转换器101获得恒定电流输出。在示例性实施例中，电流模式控制精确地控制平均感应器电流使得降压转换器101的输出是恒定电流。在一个恒定电流实施例中，电流模式控制器111比较感应器电流iL(t)和由K＊Pset设置的恒定电流ic，其中K＊Pset是在使用期间由用户设置的恒定电流。在各实施例中，在设计阶段期间设置Pset。
换句话说，控制器224配置成改变占空比d1以便将感应器电流iL(t)保持在固定值。因此，恒定电流输出模式产生AC输出电流，其幅值用近无差拍速度进行调节。在示例性实施例中，执行恒定功率、恒定电压或恒定电流的三个模式的发生器200产生AC输出特性的很快速、很精确调节。各种模式由被监测特性影响，而其它模式不需要响应相同的被监测特性。具体地，控制器224可以部分地基于被监测特性(例如感应器电流和电压)在操作模式之间切换。换句话说，对电流模式控制选择转换器的哪一级是在最小反馈的情况下获得的并且不需要输出的无关测量、平均或反馈。而且，并且如先前所述，控制器224通过将感应器电流调节到等于参考电流的大约恒定值而执行近无差拍控制。
在示例性实施例中，通过监测变压器104的初级绕组的电压和感应器电流确定三个模式之间的过渡。此外，模式之间的过渡的确定也基于感应器103的电压和电流。当输出电压增加时，控制器224将模式从恒定电流过渡到恒定功率到恒定电压。具体地，在示例性实施例中，如果输出电压小于第一电压限制(Vlimit_1)，则发生器200在恒定电流模式下操作。如果输出电压超过第一电压限制，则发生器200过渡到第一恒定功率模式(P1)。如果输出电压超过第二电压限制(Vlimit_2)，则发生器200过渡到第二恒定功率模式(P2)。如果输出电压超过第三电压限制(Vlimit_3)，则发生器200过渡到恒定电压模式，其中输出电压被限制并且保持恒定。在示例性实施例中，第一电压限制(Vlimit_1)、第二电压限制(Vlimit_2)和第三电压限制(Vlimit_3)由用户或由发生器200设置(例如，从查找表)。
类似地，当感应器电流iL(t)增加时，示例性控制器224从恒定电压模式过渡到恒定功率模式并且过渡到恒定电流模式。具体地，在示例性实施例中，如果感应器电流不超过第一电流限制(Ilimit_1)，则发生器200在恒定电压模式下操作。如果感应器电流超过第一电流限制(Ilimit_1)，则模式过渡到第二恒定功率模式(P2)。如果感应器电流超过第二电流限制(Ilimit_2)，则模式过渡到第一恒定功率模式(P1)。如果感应器电流超过第三电流限制(Ilimit_3)，则发生器200过渡到恒定电流模式，其中输出电流被限制并且保持恒定。在示例性实施例中，第一电流限制(Ilimit_1)、第二电流限制(Ilimit_2)和第三电流限制(Ilimit_3)由用户或由发生器设置(例如，从查找表)。
如上所述，为了获得恒定电流区域A，在电流编程模式(CPM)下控制DC-DC降压转换器101并且DC-AC升压转换器102固定在大约100％占空比d2。为了获得恒定功率区域B，在一个实施例中，在非线性载波控制(NLC)模式下控制DC-DC降压转换器101并且DC-AC升压转换器102固定在大约100％占空比d2。在另一实施例中，DC-DC降压转换器101固定在大约100％占空比d1并且在CPM下控制DC-AC升压转换器102。为了获得恒定电压区域B，DC-DC降压转换器101固定在大约100％占空比d1并且DC-AC升压转换器102固定在可以小于100％的预定占空比d2。
参考图6-8，某些常规电外科包括生成正弦波形的谐振网络，如美国专利第5,438,302号中公开，上述专利的完整内容通过引用被合并于本文中。
参考图6，现有技术的电外科发生器300包括具有MOSFET振荡器件310的振荡器，所述振荡器件与谐振输出网络312串联地耦合在正电压供给轨道V+和地之间。谐振网络312具有配置成自耦变压器314的感应器，所述自耦变压器具有横越完整绕组耦合的并联调谐电容器316和连接到电外科负载324(例如，组织)的一对输出端子318a、318b，如图7中所示。端子318a通过一系列耦合电容器320与变压器314和并联电容器316隔离。变压器次级绕组的一部分用作耦合在供给V+和MOSFET310的漏极之间的初级绕组314p。反馈电路322将次级绕组的一个端部连结到MOSFET310的栅极端子310g。发生器300还包括将反馈电压提供给栅极端子310g的电容器。施加到MOSFET310的栅极端子310g的电压在完全“开”和完全“关”状态之间驱动MOSFET310，使得谐振网络312生成横越次级绕组的正弦波形。施加到MOSFET310的电压可以被调制以生成具有可变峰值因数的波形。
当在本文中使用时，术语“峰值因数(crest factor)”表示峰值电压与RMS电压的比率。峰值因数与施加到组织的组织效应直接相关。较高峰值因数导致施加到组织的长、高能量电弧，这增加凝固效果。低峰值因数导致有用于增加切割效果的较低能量电弧。施加到栅极端子310g的电压具有被调制以获得期望峰值因数设置的固定载波频率。因此，固定载波频率以第二、调制频率被调制以获得具有期望占空比/峰值因数的波形。
固定载波频率可以从大约100kHz到大约1,000kHz，并且在某些实施例中，从大约200kHz到大约500kHz。调制频率可以从大约5kHz到大约50kHz，在某些实施例中从大约10kHz到大约40kHz。特别地，固定载波频率信号的占空比被调节以获得期望峰值因数，原因是改变占空比使RMS变化，这转而影响峰值因数。参考图8，示出固定载波信号的调制，该图显示通过降低占空比(例如，两个周期开，三个周期关)而具有更高峰值因数波形的调制波形。
使用该方法有许多缺陷。调制频率的较低频率能够刺激肌肉组织。因此，需要麻痹麻醉以防止该效应，但是，“肌肉捕捉”，例如由电外科发生器刺激肌肉，常常仍然存在。另外，调制固定载波信号产生谐波，这需要与电噪声抑制、滤波、干扰其它系统(例如，返回电极监测等)关联的明显设计和制造修改。此外，常规发生器仅仅包括与具有提供期望组织效应的“最佳”设置的预设电外科模式关联的离散的多个固定峰值因数设置。然而，离散的多个固定峰值因数设置限制可用的组织效应并且需要将“最佳”设置编程到发生器中。
根据本公开的发生器200能够输出具有任何用户可设置峰值因数的电外科波形，使得波形具有可以在逐周期的基础上调节的无限可变峰值因数。在实施例中，占空比可以手动地例如由用户或自动地例如由发生器200响应能量输送反馈或任何其它合适的参数(例如时间)进行调节，如下面更详细地所述。
如上所述，发生器200包括直接耦合到变压器104的DC-AC升压转换器102，所述变压器转而经由电外科器械20和/或钳30直接耦合到患者。发生器200不包括耦合在升压转换器102和变压器104之间的任何谐振电路，这允许方形电外科波形的生成，如图9-11中所示。
参考图9，发生器200配置成生成具有多个周期的波形，所述多个周期具有变化的周期长度(例如，占空比)和峰值电压，同时保持均方根电压，因此供应的功率不变。每个周期的峰值电压的变化也改变每个周期的峰值因数，从而允许逐周期峰值因数调节。峰值电压的调节由DC-DC降压转换器101、即通过调节供应到DC-DC降压转换器101的切换元件101a的控制信号的占空比d1实现。RF周期的长度的调节在DC-AC升压转换器102处实现。特别地，控制器224调节供应到DC-AC升压转换器102的切换元件102a-102d的控制信号的占空比d2。
由于由此产生的波形的周期的占空比和峰值电压可以变为任何任意区间，因此波形的峰值因数也可以变为任何任意值。因此，可以产生具有任何期望峰值因数的波形，峰值因数的值连续地可调节，例如图10和11中所示的波形。
在实施例中，发生器200可以包括可以经由用户界面241输入的离散峰值因数设置。参考图10，显示具有离散峰值因数的非调制电外科波形。在另外的实施例中，发生器200可以包括用于连续地改变峰值因数的输入。用户界面241可以包括设置以调节峰值因数。在另外的实施例中，电外科器械20和/或钳30或其它输入装置(例如，脚踏开关)可以包括输入以调节峰值因数。在附加实施例中，峰值因数可以由控制器224自动地基于能量和/或组织性质(例如，阻抗)的变化进行调节。特别地，发生器200可以使用传感器280测量任何合适的能量和/或组织参数，包括但不限于电压、电流、相位、阻抗、电弧光度、电弧长度、温度、施加于器械的力和它们的组合，并且响应该测量自动地调节峰值因数。图11显示具有变化的周期宽度的电外科波形，由此改变峰值因数，同时由于基于变化的峰值因数输入的峰值电压的变化而保持相同功率。
使用连续而不是调制波形获得更高峰值因数允许减小在电外科能量期间产生的肌肉刺激。另外，与滤波和通过调制过程生成的电噪声关联的设计和制造挑战明显减小。最后，任意地和连续地调节电外科波形的峰值因数的能力提供获得新奇的新组织效应、改善外科医生控制并且获得期望的组织结果的机会。
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，但是本公开不旨在被限制于此，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 (16)

1.一种电外科发生器，其包括：
配置成输出大致方形电外科波形的非谐振射频输出级；以及
耦合到所述非谐振射频输出级的控制器，所述控制器配置成在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
2.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中所述非谐振射频输出级还包括：
配置成输出DC波形的DC-DC降压转换器，所述DC-DC降压转换器包括以第一占空比操作的至少一个第一切换元件。
3.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中所述非谐振射频输出级还包括：
DC-AC升压转换器，所述DC-AC升压转换器耦合到所述DC-DC降压转换器并且包括以第二占空比操作的至少一个第二切换元件，所述DC-AC升压转换器配置成转换所述DC波形以生成所述大致方形电外科波形。
4.根据权利要求3所述的电外科发生器，其中所述控制器耦合到所述DC-DC降压转换器和所述DC-AC升压转换器，并且所述控制器还配置成调节所述第一占空比和所述第二占空比以调节所述大致方形电外科波形的占空比。
5.根据权利要求4所述的电外科发生器，其中所述第一占空比调节所述大致方形电外科波形的每个周期的峰值电压。
6.根据权利要求5所述的电外科发生器，其中所述第二占空比调节所述大致方形电外科波形的占空比。
7.根据权利要求6所述的电外科发生器，其中所述发生器包括用于选择期望峰值因数的用户输入，并且所述控制器配置成响应所述期望峰值因数调节所述第一占空比和所述第二占空比。
8.一种电外科发生器，其包括：
配置成输出DC波形的DC-DC降压转换器，所述DC-DC降压转换器包括以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；
DC-AC升压转换器，所述DC-AC升压转换器耦合到所述DC-DC降压转换器并且包括以第二占空比操作的至少一个第二切换元件，所述DC-AC升压转换器配置成转换所述DC波形以生成大致方形电外科波形；以及
控制器，所述控制器耦合到所述DC-DC降压转换器和所述DC-AC升压转换器，并且配置成调节所述第一占空比和所述第二占空比以在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
9.根据权利要求8所述的电外科发生器，其中所述第一占空比调节所述大致方形电外科波形的每个周期的电压。
10.根据权利要求9所述的电外科发生器，其中所述第二占空比调节所述大致方形电外科波形的占空比。
11.根据权利要求10所述的电外科发生器，其中所述发生器包括用于选择期望峰值因数的用户输入，并且所述控制器配置成响应所述期望峰值因数调节所述第一占空比和所述第二占空比。
12.一种用于控制电外科发生器的方法，所述方法包括：
以第一占空比操作DC-DC降压转换器的至少一个第一切换元件以输出DC波形；
以第二占空比操作耦合到所述DC-DC降压转换器的DC-AC升压转换器的至少一个第二切换元件以转换所述DC波形从而生成大致方形电外科波形；以及
调节所述第一占空比和所述第二占空比以操作至少一个电外科波形从而在逐周期的基础上调节所述大致方形电外科波形的峰值因数。
13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：
控制所述第一占空比以调节所述大致方形电外科波形的每个周期的峰值电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其还包括：
控制所述第二占空比以调节所述大致方形电外科波形的占空比。
15.根据权利要求12所述的方法，其还包括：
选择期望峰值因数；以及
响应所述期望峰值因数调节所述第一和第二占空比。
16.根据权利要求12所述的方法，其还包括：
测量组织和能量性质中的至少一个；以及
响应被测量的组织或能量性质调节所述第一占空比和所述第二占空比。
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