CN105611882B - 作为手持器具的机械阻抗的函数来驱动超声手持器具的系统和方法 - Google Patents

作为手持器具的机械阻抗的函数来驱动超声手持器具的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种的超声手术工具系统(30)，用于驱使具有顶端(50)的手持器具(34)。向手持器具驱动器(40)施加的电压和频率为流过手持器具的机械部件和顶端的电流的等效电流以及这些部件的频率响应的函数。

Description

作为手持器具的机械阻抗的函数来驱动超声手持器具的系统 和方法
技术领域
本发明总体上涉及超声驱动的手术手持器具。更具体而言，本发明涉及将驱动信号作为手持器具的机械部件的阻抗的变化的函数而施加到手持器具。
背景技术
超声手术仪器是用于执行某些医疗和手术流程的有用的手术仪器。通常，超声手术工具包括手持器具，手持器具包含至少一个压电驱动器。顶端(tip)机械耦合到驱动器并且从驱动器设置在的外壳或壳体向前延伸。顶端具有头部。头部具备特征，该特征通常是被规格以完成特定医疗/手术任务的齿部或凹槽(flute)。超声工具系统还包括控制台。控制台向驱动器供应AC驱动信号。一旦向驱动器施加驱动信号，驱动器就周期性地扩张和收缩。驱动器的扩张/收缩诱导顶端的类似运动，更具体而言，诱导顶端的头部的类似运动。当顶端这样运动时，顶端被视为正在振动。紧靠组织来施加顶端的正在振动的头部以执行特定手术或医疗任务。例如，紧靠硬组织来施加一些顶端头部。硬组织的一种形式是骨头。当振动该类型的顶端头部时，顶端头部的来回振动移除、锯开邻近的硬组织。还将其它的顶端头部设计为紧靠软组织而放置。当该顶端头部振动时，齿部通常通过切割动作来移除组织。一些超声工具还通过在组织和周围液体中诱导空化来移除组织。空化作为顶端头部来回运动的结果而发生。具体而言，作为这些振动的结果，小空孔、空腔形成在组织和周围液体中。这些空腔是具有极低压力的非常小的区域。压力差产生于形成组织的细胞的内容物和这些空腔之间。由于该压力差的相对大的大小，细胞壁破裂。这些细胞壁的破裂移除形成组织的细胞、使其脱离。
超声顶端的头部通常相对小。一些头部具有小于1.0cm的直径。超声工具本质上只移除与施加头部处邻近的组织。因此，由于它们的头部的相对小的表面面积，超声手持器具已经被证明是精准移除硬组织和软组织两者的有用的工具。
对于超声手术仪器(有时被称为手持器具或工具)，为了有效地起作用，应该向工具施加具有合适特性的驱动信号。如果驱动信号不具有合适特性，顶端头部可能经历小于最佳振幅的振动和/或可能不尽可能快地振动。如果手持器具在任一状态，手持器具在给定瞬间移除组织的能力可能明显地降低。
确保超声手持器具有效操作的一个方式是向手持器具施加在手持器具的共振频率处的驱动信号。当驱动信号在给定电压或电流处时，施加在共振频率处的驱动信号诱导顶端的振动，与施加在偏共振的频率处的相同电压相比，该振动处于相对大的振幅。
还将其它超声工具系统设计为施加在手持器具的抗共振频率处的驱动信号。抗共振频率可以是手持器具将具有最高阻抗时所处的频率。
申请人的SONOPET超声吸引器(UltraSonic Aspirator)包括控制台，控制台具有被设计为生成可变的驱动信号并且向附接的手持器具施加该可变的驱动信号的部件。共振电路在控制台的内部。在制造控制台时，将该共振电路的电感和电容设定为基于要与控制台一起使用的特定手持器具的阻抗的函数。将由控制台输出的驱动信号的特性设定为跨过此阻抗电路的电压的函数。
对于许多流程，SONOPET控制台(SONOPET Console)输出驱动信号，该驱动信号如果不基本等同于手持器具的机械部件的共振频率，则至少接近于该共振频率。然而，在许多正常使用情形中，超声手持器具可能承受显著的机械负载。例如，当紧靠骨头按压顶端时，该情形可能发生。在此情形中，顶端上放置的机械负载可能使手持器具的机械部件的阻抗显著变化。如果该事件发生，则控制台可能不能够输出在手持器具的机械部件的共振频率附近的频率处的驱动信号。
此外，在现有技术的控制台内部的阻抗电路典型地具有作为将与控制台一起使用的特定手持器具的函数而设定的电感和电容。如果将具有不同的内部电感、电容和电阻的手持器具附接到控制台，则以下具有可观的可能性：由控制台输出的驱动信号将不具有便于手持器具的有效操作的特性。这使得难以(如果不是不可能)将设计为与一个手持器具仪器一起使用的控制台用作向另一个手持器具提供驱动信号的电源。
发明内容
本发明涉及新的并且有用的超声手术工具系统。本发明的工具系统被设计为在设计限制内确保：向系统手持器具施加的驱动信号诱导手持器具顶端的振动，该振动具有合适的振幅。更具体而言，该系统能够在不同的手持器具附接到控制台时设定驱动信号。当手持器具的阻抗特性作为手持器具的使用的结果而变化时，系统还调整驱动信号的特性。
本发明的系统包括手持器具附接到的控制台。控制台生成驱动信号并且向手持器具提供该驱动信号。控制台设定驱动信号的频率和向手持器具提供的电流。通过调节驱动信号的电压来设定所提供的电流。将驱动信号的这些特性设定为两个变量和常量的函数。这些变量的其中之一是驱动信号的电压。第二变量是通过手持器具的电流，驱动信号的电流。常量是手持器具内部的一个或多个压电驱动器的电容。
基于这三个输入，控制台设定驱动信号的频率和电压水平。将驱动信号的频率设定为尽可能接近地与目标频率匹配。这是为了确保顶端头部的振动在它们最有效的频率处。将电压设定为提供对顶端头部振动的振幅的控制。
在本发明的一些版本中，调整驱动信号以调节向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流。可以调整驱动信号的频率以确保：信号处于与手持器具的机械部件的共振和/或抗共振频有关的目标频率处。
通过控制台内部的电路来测量驱动信号的电压和电流。
因为对于驱动信号的许多逐次调整，驱动器电容保持不变，所以该电容被视为常量。在本发明的一些版本中，由从与控制台所附接的手持器具集成的存储器中读取的数据来获得驱动器电容。替代地，基于询问信号组，控制台可以周期性地确定驱动器电容。
手持器具的目标频率部分地为手持器具的机械部件的函数。目标频率还是向这些部件施加的变化的负载的函数。目标频率可以是手持器具的机械部件的共振频率。在本发明的一些版本中，目标频率是手持器具的机械部件的抗共振频率。在本发明的其它版本中，目标频率是手持器具的机械部件的共振和抗共振频率之间的频率。在本发明的其它版本中，目标频率在共振和抗共振频率之间的带之外。
因此，本发明的系统的特征是控制台选择性地调整驱动信号。当向手持器具施加的负载导致目标频率的变化时，调整驱动信号以使其保持在目标频率处或在目标频率附近。
本发明的额外特征是，控制台可以向具有电容不同的驱动器的手持器具提供驱动信号。同样地，不要求本发明的手持器具只连接到单个特定控制台。
在本发明的一些替代版本中，只设定驱动信号的频率。调节该频率以确保：驱动信号产生向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流并且该信号在与这些部件的期望目标频率接近的频率处。
附图说明
在权利要求中，用特殊性来指出本发明。根据结合以下附图的以下具体实施方式，来理解本发明的以上和另外的特征和优点。在附图中：
图1描绘了包括本发明的特征的超声工具系统的基本部件；
图2是系统的工具(手持器具)的机械部件的示意性绘图；
图3是本发明的系统的控制台和手持器具部件两者的电气部件的框图；
图4A和图4B是流过手持器具的电流和手持器具的不同部件的阻抗的表示。
图5描绘了手持器具内部的存储器中存储的数据的类型；
图6A和图6B，当被组装在一起时，形成本发明的系统的操作的流程图；
图7描绘了当手持器具承受机械负载时，由手持器具内部的部件形成的阻抗电路可以如何被视为改变形式；
图8表示了手持器具驱动器的阻抗和手持器具的机械部件的等效阻抗的替代模型。
图9是当顶端在空气中并且承受负载时，机械电抗的电抗随手持器具的频率而变化的图形表示；
图10是向手持器具的机械部件添加可变阻抗的示意性表示；
图11是向手持器具的机械部件添加可变阻抗如何影响这些部件的电抗的图形表示；
图12是描绘了可以如何将数据从与本发明的顶端集成的存储器供应到控制台的框图；
图13描绘了顶端内部的存储器中存储的数据的类型；
图14表示了手持器具驱动器的阻抗和手持器具的机械部件的等效阻抗的替代模型；并且
图15A和图15B共同形成了描绘调节本发明的超声手术工具系统的替代过程步骤的流程图。
具体实施方式
Ⅰ.系统概述和硬件
现在参考图1和图2，总体上描述包括本发明的特征的超声工具系统30。系统30包括手持器具32。手持器具32包括形成手持器具的近端的主体或壳体34。(“近”被理解为朝向握着手持器具的执业医师、远离手持器具所施加的位置。“远”被理解为远离执业医师、朝向手持器具所施加的位置。)
一个或多个振动的压电驱动器40(示出了四个)设置在壳体34之内。每个驱动器40由这样的材料形成：当向驱动器施加电流时，该材料经历短暂的扩张或收缩。这些扩张/收缩在驱动器40的纵轴上，该轴在驱动器的近有向面和远有向面之间延伸。一对引线41延伸远离每个驱动器40。引线41附接到驱动器的相对的近有向面和远有向面。许多但是并非全部手持器具32，包括圆盘形状的压电驱动器40。将这些驱动器40首尾相连布置为堆叠体。引线41是系统30的部件，其中，驱动信号形式下的电流施加到驱动器40。绝缘圆盘37(示出了一个)将连接到相邻驱动器40的相邻导线41彼此分离。在图2中，驱动器40被示为彼此间隔开。这是为了便于图示部件。实际上，绝缘圆盘37和驱动器紧密地邻接。
柱体(post)39纵向延伸穿过绝缘圆盘37和驱动器40。柱体39沿着驱动器的共线纵轴延伸穿过驱动器。看不到的是，通过绝缘圆盘37和驱动器40内部的孔，并且柱体39延伸穿过绝缘圆盘37和驱动器40内部的孔。柱体39从最近放置的驱动器40和最远放置的驱动器两者向外凸出。
近端块36附接到最近放置的驱动器40的近有向面。柱体39的暴露的近端部分固定地附接到块36。如果柱体39被穿过，那么块36可以是螺帽。
角部42从最远放置的驱动器40的远有向面向前延伸。尽管未示出，但是绝缘圆盘37可以存在于这些部件之间。角部42具有基部，其具有约等于驱动器40的直径的直径。从驱动器向远端延伸，角部42的直径减小。柱体39的暴露的远端部分贴附到角部42。如果柱体39被穿过，可以用被穿过的接纳柱体39的闭合端孔(未标识出)来形成角部基部。手持器具32被构造为使得驱动器40的堆叠体被压缩在近块36和角部42之间。
顶端48从角部42的远端向前延伸。由颈圈44表示的耦合组件，典型地可移除地将顶端48保持在角部42和手持器具32的剩余部分。耦合组件的结构不是本发明的部分。顶端48包括细长的杆部(stem)50。杆部50是顶端的部分，通过耦合组件，杆部50附接到角部42。杆部50延伸朝向手持器具壳体34。顶端48被形成为在杆部50的远端具有头部52。一些顶端头部52具有光滑表面。一些头部52由齿部53形成。头部52的几何结构不是本发明的部分。顶端头部52是手持器具32的向被执行流程的患者上的位置施加的部分。
一些顶端48具备齿部，齿部被设计为直接施加到硬组织、骨头。当该类类型来回时，齿部以常规锯条切割组织的相同方式切割组织。
套筒(sleeve)55，在图2中被描绘为环，典型地设置在顶端杆部之上。套筒55典型地从杆部附接到角部42的地方附近的位置延伸到约0.5cm靠近头部52的位置。共同构建手持器具32、顶端48以及套筒55，使得套筒定义液体流导管(conduit)，该导管在顶端的外表面和周围的套筒的内表面之间延伸。套筒55还具有配件(未示出)，该配件邻近套筒的近端，延伸到该导管。导管在套筒的远端处为开放的。当使用手持器具时，灌注溶液从套筒配件流入、沿着套筒向下流动并且邻近顶端头部52排出。在系统的一些版本中，液体用作介质，穿过该介质将顶端头部的机械振动传输到组织。此灌注溶液还用作作为头部振动的结果而由顶端头部而产生的热量的散热器。
尽管未看到，但是顶端、角部42以及手持器具柱体39通常与导管一起形成，共同定义从顶端头部52到手持器具的近端的液体流动路径。当手持器具在操作中时，通过这些导管引出吸力。吸力将穿过套筒55排出的灌注溶液引离顶端施加的位置。吸力还将组织引向顶端头部。顶端头部和组织之间的距离的缩短改善了机械振动从顶端头部到组织的传输。
手持器具32还包括存储器58。如下文讨论，存储器58包括描述手持器具的特性的数据。存储器58可以采用EPROM、EEPROM或RFID标签的形式。存储器的结构不是本发明的部分。本发明的大多数手持器具32包括存储器，存储器除了包括能够被读取的数据以外，还能够存储在手持器具的制造之后写入存储器的数据。未图示出的辅助部件安装到手持器具以便于从存储器读取数据并且向存储器写入数据。这些部件包括以下的一个或多个：导体；暴露的接触体/接触针脚；线圈/天线；或隔离电路。
控制台64也是本发明的系统30的部分。控制台64通过电缆62提供驱动信号，手持器具32连接到电缆62。在系统30的许多但并非全部版本中，将手持器具32和电缆62组装为单个单元。向驱动器40施加驱动信号。在任何给定瞬间，向每个驱动器40施加相同的驱动信号。驱动信号的施加使驱动器同时地并且周期性地扩张和收缩。驱动器40的堆叠体的长度通常在1cm至5cm之间。驱动器的经过单个扩张/收缩周期的运动的距离(振幅)可以在1微米至10微米之间。角部42放大该运动。因此，角部42的远端以及通过扩张从完全收缩位置运动到完全扩张位置时的顶端头部52典型地最多运动1000微米并且更通常地运动500微米或更小。一些顶端48还被设计为使得顶端杆部的纵向扩张/收缩还诱导头部的旋转运动。当驱使手持器具32以使顶端周期运动时，头部52被视为正在振动。
如图3中所见，控制台64内部的部件包括电源68。电源68输出典型地在1VDC至250VDC之间的恒定电压信号。在本发明的许多版本中，由电源68输出的电压的最大电势为150VDC或更小。可以选择性地设定由电源68输出的信号的电势。在本发明的所述版本中，电源68接收VOLTAGE_SET(V_S)信号。电源68将输出电压的水平建立为VOLTAGE_SET信号的函数。由电源68产生的输出电压施加到可调整放大器70。控制信号，具体而言为FREQUENCY_SET(F_S)信号，施加到放大器70。由放大器70产生的输出信号的频率为FREQUENCY_SET信号的函数。来自放大器70的输出信号施加到滤波器72。在本发明的一些版本中，放大器70通常为D级放大器。来自放大器70的输出信号施加到滤波器72。滤波器72输出从放大器79向滤波器施加的方波的正弦版本。在本发明的一些版本中，滤波器72为带通滤波器。从滤波器72输出的信号典型地在10kHz和100kHz之间。该信号通常具有20kHz的最小频率。
来自滤波器72的输出信号施加到变压器76的主绕组78(也为控制台64的部分)。跨过变压器76的副绕组82而存在的电压为通过电缆62向手持器具驱动器40施加的驱动信号。该电压典型地最大为1500伏特AC峰值。跨过驱动器40而并联施加该驱动信号。更具体而言，跨过每对引线41并联施加该驱动信号。
变压器76包括回馈线圈80。跨过回馈线圈80而存在的电压施加到电压测量电路86。基于跨过回馈线圈80的信号，电路86产生代表电压VS的电势和相位的信号，电压VS向手持器具32施加的驱动信号的电压。线圈90紧邻从变压器副绕组82延伸的导体的其中之一，线圈90还设置在控制台64中。跨过线圈90的信号施加到电流测量电路92。电路92产生代表电流iS的大小和相位的信号，电流iS为向手持器具提供的驱动信号的电流。
代表向压电驱动器40提供的驱动信号的特性的VS和iS信号施加到也在控制台64内部的处理器96。控制台64还包括存储器读取器102。存储器读取器102能够读取手持器具存储器58中的数据。存储器读取器102的结构与手持器具存储器102互补。因此，存储器读取器可以是：能够读取EPROM或EEPROM中的数据的组件，或者能够从RFID标签询问或读取数据的组件。在本发明的版本中，从存储器58中读取的数据为通过导体读取的，通过导体向手持器具32提供驱动信号，存储器读取器可以包括隔离电路。向处理器96施加由读取器102读取的数据。
处理器96生成VOLTAGE_SET信号，该信号施加到电源68。处理器96还生成FREQUENCY_SET信号，该信号施加到放大器70。这些为调节由控制台64提供的驱动信号的电压和频率的控制信号。处理器96将控制信号断言为手持器具的特性以及所获取的VS和iS的测量结果的函数。
开/关(on/off)开关连接到控制台64。在图1中，由脚踏板104代表开/关开关。由处理器96来监控踏板104的状态。开/关开关是调节系统30的开/关状态的由用户驱使的控制元件。在图1中，脚踏板104被示为包括复数个踏板的脚踏板组件的部分。所添加的踏板可以用于控制诸如灌注泵、吸力泵或灯的装置。这些补充装置不是本发明的部分。
控制台64被示为具有滑动开关106。类似开关104，开关106的状态由处理器96监控。开关106由执业医师设定以控制顶端头部52振动的大小和振幅。脚踏板104和开关106被理解为向系统输入开/关和振幅设定命令的装置的一般表示。在系统的一些构造中，单个控制元件可以执行这两个功能。因此，系统可以被配置为使得：当最初按下杠杆或脚踏板时，系统使顶端头部经历具有相对小的振幅的振动周期。作为杠杆或脚踏板的继续按下的结果，控制台重置向手持器具施加的驱动信号以使顶端头部52经历具有较大大小的振动周期。
显示器108内置在控制台64中。显示器108上的图像被示为由处理器96生成。显示器108上描绘的信息包括：标识手持器具以及也许顶端的信息；描述系统的操作率的特性的信息。
Ⅱ.操作基础
形成控制台64的部件被共同地配置以向手持器具输出驱动信号，其理想地导致顶端头部52的相对大的来回往复振动。(头部运动的振幅尽可能地大。)这是因为顶端移除组织的能力的有效性通常与紧靠组织的顶端头部的运动的长度有关。
培养顶端头部52的大振幅往复的一种方式是在设计限制内最大化并且保持施加到手持器具的驱动信号的电流。这是因为施加到手持器具32的电流与顶端头部的运动的振幅之间的正比关系。施加到手持器具32的电流iS在数学上可以被视为具有如图4A和图4B所描绘的两个成分：第一成分为电流iO，施加到驱动器40的电容的电流。第二成分为电流iM，施加到手持器具32的机械部件的电流的数学等效。手持器具的机械部件为手持器具的响应于驱动信号的施加而振动的部件。这些部件包括：近端块36；柱体39；驱动器40；角部42，包括耦合组件；以及顶端48。驱动器40作为这些部件的部分而被包括，因为驱动器(因为它们振动)为本发明的振动的机械组件的部分。套筒55典型地不被视为这些部件之一。这是因为，尽管套筒55振动，但是套筒不是振动系统的部分。更具体而言，套筒55可以被视为在振动系统上放置负载的部件。
本发明的系统被设计为：独立于手持器具的阻抗的变化，将施加到机械部件的电流的等效电流，电流iM，保持恒定。
基于形成手持器具32的部件的阻抗，确定并且因此控制电流iM。驱动器40和手持器具的机械部件可以被视为两个串联连接在一起的阻抗电路。这里，ZO为驱动器40的堆叠体的阻抗。驱动器阻抗本质上为驱动器40的电容CO和驱动信号的频率的函数。该模型假设电缆62和向驱动器施加驱动信号所通过的任何其它部件的电容可忽略。因此，阻抗ZO只具有电容性电抗成分，1/jωCO。变量“ω”为驱动信号的角频率。阻抗ZO具有可忽略的电阻性和电感性电抗成分。
阻抗ZM为手持器具的机械部件的有效阻抗的数学等效。阻抗ZM基于手持器具的机械部件的电感LM、电阻RM和电容CM的数学等效。阻抗ZH是手持器具的整体阻抗。因此，根据以下公式来计算阻抗ZH：
对于图4A和图4B的模型：
iS＝iO+iM (2)
因此：
iM＝iS-iO (3)
根据以下公式来计算通过驱动器40的电流：
以上是基于以下理解：堆叠体阻抗只依赖于堆叠体的电容和驱动信号的频率。因此，
iM＝iS-jωCOVS (5)
在等式(5)和其它等式中，应该理解电流iS和电压VS都为具有大小成分和相位成分的向量。如上讨论，驱动器电容CO已知并且为了控制驱动信号的目的为恒定的。假设驱动信号的频率相对恒定，那么可以通过调节驱动信号的电势VS来将向手持器具的机械部件施加的驱动电流保持恒定。
除了调节向手持器具32的机械部件施加的电流的等效电流之外，本发明的系统30还调节驱动信号的频率。更具体而言，基于手持器具32的机械部件的共振频率，调节驱动频率使其在目标频率处。通常，但不总是，机械部件的共振频率为目标频率。将共振频率选为目标频率是因为：当机械部件以该频率振动时，假设电流的等效电流恒定，则手持器具的周期性扩张/收缩(振动)处于它们的最高振幅。该特定类型的共振被称作机械共振。
可以这样设定驱动信号的频率的一个过程是基于以下理解：在机械共振处，流过驱动器40的堆叠体和机械部件的电流应该90°异相。这是因为，手持器具的机械部件的电容性电抗和电感性电抗的移相效应彼此抵消。驱动器，在施加驱动信号的频率范围处，具有可忽略的电感性电抗。因此，驱动器诱导电流的90°的相移，而没有诱导向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流此类相移。
可以以极坐标形式将电流iO和iM表示为：
iO＝Aejθ (6)
以及
iM＝BejΦ (7)
常量A和B分别正比于电流iO和iM的振幅。因为通过机械部件的电流的相位角与流过驱动器的电流90°(П/2弧度)异相：
Φ＝θ-П/2 (8)
iO除以iM得到以下关系：
将等式(9A)的结果转换为直坐标形式，得到以下结果：
等式(9C)的最后结果基于以下事实：90°的余弦为零而90°的正弦为一。这意味着，当手持器具处于机械共振时，流过驱动器的电流与向手持器具的机械部件的施加电流的等效电流的比率的实部为零，数学地：
以上比率为负的一个原因是它可以使从共振比率–Re＝0.0到–Re＝1.0来正规化手持器具的阻抗成。这便于对手持器具的性能进行建模。同样，如下讨论，假设比率为负简化了与驱动信号的频率的设定相关联的过程。
将以上的等式(4B)和图(5)的驱动器电流和向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流代入等式(10)的关系中意味着在机械共振处以下关系为真：
驱动器电容CO为恒定的。通过将不同的频率注入等式(11)，可以通过迭代过程确定与手持器具的机械共振匹配的驱动信号的频率。对于该过程，应该理解，对于给定电势和电流，频率与流过驱动器40的电流和向手持器具的机械部件的施加的电流的等效电流的比率的实部之间具有线性关系。这意味着通过将两个不同的频率注入等式(11)来确定比率，可以通过插值来确定相对接近机械共振的频率。
Ⅲ.实际操作
为了便于系统30的操作，在手持器具的组装期间，手持器具内部的存储器58下载有数据。这些输入，如图5的字段112所表示，包括标识手持器具32的数据。这些数据用于验证控制台64能够向手持器具施加驱动信号。字段112中的数据还可以指示关于控制台显示器108上呈现的关于手持器具的信息的类型。字段114包括指示驱动器40的堆叠体的电容的CO的数据。可以在手持器具34的组装过程期间通过分析来确定驱动器电容。驱动器电容的求和通常在500pF至5000pF之间。字段116中包括关于应该向手持器具施加的最大电流(电流)的数据。电流通常小于1安培峰值并且更通常地为0.5安培峰值或更小。字段118包括指示电流的数据，电流为应该向手持器具的机械部件施加的最大的电流等效。电流典型地为0.25安培峰值或更小。驱动信号的最大电势，电压存储在字段120中。电压通常为1500伏特AC峰值。
手持器具存储器中还存储指示应该向手持器具32施加的驱动信号的最小和最大频率的数据。字段122中存储的最小频率典型地为可以由控制台提供的驱动信号的最小频率。字段124中存储的驱动信号的最大频率典型地在大于最小频率的5kHz与40kHz之间。
字段126包括对由控制器96输出的控制信号进行过滤的系数。在本发明的许多版本中，VOLTAGE_SET和FREQUENCY_SET信号的计算始于这些信号的目标值的计算。PID控制循环用于为这些信号中的每个信号建立最终的水平。字段126包括用于这些控制循环中的每个控制循环的系数。应该理解，类似字段114中的数据，字段112、116、118、120、122、124和126中的数据存储在手持器具存储器58中作为组装手持器具的过程的部分。
手持器具存储器58还包括作为使用历史字段的字段128。在手持器具的使用期间，控制台64将数据写入字段128中以提供手持器具的操作日志。
参考图6A和图6B的流程图来理解本发明的系统30的操作。步骤140表示对系统30的初始配置。步骤40包括将顶端48附接到手持器具32。如果电缆62没有与手持器具32集成，则作为步骤140的部分，电缆连接到手持器具32。电缆62连接到控制台64以将手持器具连接到控制台。如果必要，脚踏板104附接到控制台64。在驱使手持器具之前，执业医师置位开关106以设定顶端头部振动的振幅。
一旦手持器具34连接到控制台64，在步骤142中，控制台处理器96通过存储器读取器102来读取手持器具存储器58中存储的数据。处理器96可以执行以验证控制台64可以向手持器具32施加驱动信号的任何检查未被示出并且不是本发明的部分。这些检查基于字段112和128中存储的数据。这些检查可以包括：验证手持器具是被设计为与控制台一起使用的手持器具；验证基于使用历史，适宜驱使手持器具。假设手持器具通过这些检查，系统30为使用做好了准备。
步骤144表示：处理器94等待来自脚踏板104或其它控制元件的指示执业医师想要驱使手持器具32的信号。在处理器96接收该信号之前，处理器不断言导致从电源68输出功率信号的信号。
执业医师通过按下控制元件来驱使手持器具。处理器96，响应于接收到该事件已经发生的信号，在步骤148中，计算电流有时被称作目标电流。目标电流为处理器确定应该施加到手持器具32的机械部件的电流。目标电流基于从手持器具存储器中检索的电流以及执业医师对控制106的用于调整顶端振动的振幅的设定。可以使用一阶等式来计算目标电流：
系数D在0.0和1.0之间，包括边界。如果，例如，执业医师设定控制以使手持器具顶端50经历最大振幅的振动，想要手持器具顶端参与具有振动的最大振幅的振动，处理器64将系数D设定为单位一。如果控制开关106的设定指示振动将在小于最大振幅的振幅处，处理器将系数D设定为小于一的值。
然后，在步骤150中，处理器96生成并且输出VOLTAGE_SET信号。将VOLTAGE_SET信号初始设定为使电源输出明显小于从手持器具存储器58中检索的最大驱动信号电压的驱动信号。例如，在本发明的一些版本中，将该VOLTAGE_SET信号设定为使驱动信号具有电压的0.02和0.10之间的初始电势。更具体而言，将VOLTAGE_SET信号设定为具有电压的0.03和0.07之间的电势。由电源68输出的电压与驱动信号的电压VS之间的关系典型地为一阶关系。基于目标驱动信号电压的电势以及事先存储在处理器96中的系数和偏移值来确定作为目标驱动信号电压的函数的VOLTAGE_SET信号。
作为步骤150的部分，处理器96还生成并且输出FREQUENCY_SET信号。当初始按下控制元件以驱使手持器具时，处理器64生成FREQUENCY_SET信号，该信号使控制台输出初始频率处的驱动信号。该初始频率可以是应该向手持器具施加的驱动信号所处的尽可能低的频率；应该施加的驱动信号所处的尽可能高的频率；或这两个边界频率之间的任何频率。
尽管未具体调出，在步骤150中，处理器断言到电源68、放大器70和控制台内部的任何安全部件的任何必要的使能信号。这些信号的断言确保电源68向放大器输出必要的轨道信号，放大器70输出预期的方波，并且向变压器76的变压器主绕组78施加诱导地获得驱动信号的信号。
作为信号流过变压器76的结果，驱动信号施加到手持器具32。这导致驱动器40的周期性的扩张/收缩。驱动器40的该运动使顶端头部52振动。因此，作为步骤150的执行而发生的子步骤导致对手持器具34的驱使。继续执行步骤150直到，如下讨论，处理器96确定了执业医师想要使手持器具32不活动。
然后，系统30参与反馈控制过程以确保输出的驱动信号诱导顶端头部52的合适振幅的振动。为了执行该控制，在步骤154中，系统96监控通过手持器具的驱动信号的电压VS。这是通过处理器86对由电压测量电路86产生的输出信号的监控。同样在步骤154中，处理器96监控电流iS(通过手持器具的电流)。这是对由电流测量电路92产生的输出信号的监控。
在步骤156中，处理器96确定施加到手持器具的机械部件的电流的等效电流，电流基于等式(5)来计算电流处理器96能够做出该确定，因为它具有对该确定所基于的四个变量进行定义的数据：来自电流测量电路96的电流iS；基于处理器设定驱动信号的频率的事实的频率ω；来自电压测量电路86的电压VS；以及驱动器电容CO。尽管驱动器电容CO为等式(5)中的变量，但是它为从手持器具存储器58中读取的固定并且已知的变量。
在步骤158中，将电流与电流进行比较。更具体而言，做出该比较以确定通过手持器具的机械部件的实际电流是否等于目标电流或与目标电流基本相同。这里，基本相同被视为以下状态：电流在彼此的20毫安培或更小的毫安培内，并且更通常地在彼此的10毫安培或更小的毫安培内。在系统30的一些版本中，如果向机械部件施加的电流的等效电流在50毫安培以下，如果电流差为2毫安培或更小，并且更典型地，1毫安培或更小，则电流被视为与电流基本相同。替代地，如果电流在彼此的10％或更小之内，更优选地在5％或更小之内，并且理想地在1％或更小之内，则电流可以被视为基本相同。
如果电流基本相同，系统30在以下状态：向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流在这样的水平——假设在正确的频率处的驱动信号的施加诱导顶端头部52的合适振幅的振动。如果系统30在该状态，处理器96进行到步骤164。
在许多情形下，步骤158的比较指示实际电流不是基本等于目标电流当系统30在该状态时，在步骤160中，处理器96重置VOLTAGE_SET信号。更具体而言，处理器96为驱动信号电压VS计算这样的值：该值将基于等式(3)导致流过手持器具的机械部件的基本等于目标电流的调整电流。基于驱动器电容和驱动信号频率保持恒定来执行步骤160的计算。
然后，在步骤160中，基于用于驱动信号电势的该新的目标值，调整并且向发电机68输出VOLTAGE_SET信号。
在步骤164中，处理器确定驱动信号是否处于或基本等于手持器具的机械部件的共振频率。通过评价等式(11)的比率是否等于或基本等于零来做出该确定。这里，基本等于零意味着Re为0.10或更小，优选地为0.05或更小，并且更理想地为0.01或更小。
步骤164的比较可以指示向手持器具施加的驱动信号处于或基本等于手持器具的机械部件的共振频率。这是驱动信号的目标状态。这意味着驱动信号正在诱导驱动器40以将扩张/收缩培养为相对高振幅的频率扩张/收缩。通过扩张，这导致顶端头部被驱使为相对高振幅的振动。
可以在步骤164的评价中确定不在机械部件的共振功率处或附近向手持器具施加驱动信号。如果处理器96做出该确定，则在步骤166中，处理器重置驱动信号的频率。由于等式(11)左侧的比率为负，在步骤中166，将步骤164的得出负结果的计算解释为处理器96的应该增大驱动信号的频率的指示。如果步骤164的计算得出正结果，处理器96将该结果解释为指示手持器具在以下状态：必须减少驱动信号的频率以确保驱动频率更接近手持器具的机械部件的共振频率。
通过调整向放大器70施加的FREQUENCY_SET信号，处理器96重置向手持器具施加的驱动信号的频率。在步骤166中，处理器假设电流iS、电压VS和驱动器电容CO为恒定的。在迭代过程中，将不同的频率注入等式(11)。做为新执行等式(11)的结果，可以确定流过驱动器的电流与向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的比率的实部小于(或基本小于)零。如果该条件存在，那么，在下一迭代中，注入的频率将大于前一注入的频率。做为执行和评价等式(11)的结果，可以确定比率大于(或基本大于)零。如果该条件存在，那么，在下一迭代中，注入的频率将小于前一注入的频率。如果计算的最后结果为比率为零或基本为零，那么将驱动信号的频率设定为该注入频率。然后，处理器166基于该计算的结果调整向放大器70输出的FREQUENCY_SET信号。然后，控制台64应该反过来向手持器具输出驱动信号，该驱动信号在手持器具32的机械部件的共振频率处。
尽管未示出，但是应该理解，通过从手持器具中读取的边界参数来限制向手持器具32施加的驱动信号的特性。具体而言，VOLTAGE_SET信号的调整限于确保驱动信号不超过由最大电压水平规定的电势。VOLTAGE_SET信号的调整还限于确保向手持器具施加的驱动信号的电流不超过并且机械部件的电流不超过
在图6A和图6B中，在步骤160的执行之后，或者，如果必要的话，在步骤164的执行之后，系统被示为循环回到步骤144。这是因为通常地只要系统保持被驱使，就执行对目标电流进行再计算以及对驱动信号的电势和频率进行选择性地调整的过程。
重复执行控制循环有多种原因。通常，应该理解，如果作为驱动信号的频率的调整的结果，驱动器阻抗ZO和手持器具的机械部件的阻抗ZM两者的阻抗将有变化。这导致流过手持器具的电流的变化，并且更具体而言，流过手持器具的机械部件的电流的变化。系统30将这些变化检测为测量值VS和iS的变化。因此，在执行了步骤164之后，步骤158的下一评价将最可能指示系统在以下状态：电流已经移离目标电流这将使新执行步骤160以调整驱动信号的电压的大小成为必要。
类似地，驱动信号的电势的调整还将导致电压VS和电流iS的变化。这意味着：下次执行步骤164时，评价将指示驱动信号不再是手持器具的机械部件的共振频率。
在经过控制循环的复数个周期之后，控制台64断言驱动信号，该驱动信号产生电流，该电流流过手持器具的机械部件、基本等于并且处于手持器具的机械部件的共振频率。开始时，假设没有紧靠组织施加顶端头部，相信系统在2秒或更短时间内，更通常地在1秒或更短时间内达到该状态。
继续执行控制循环的另一原因与如何采用手持器具32的非常本质有关。对于起作用的手持器具，紧靠组织放置头部52，(未示出的步骤)。这是因为紧靠组织的齿部的来回运动导致锯开和移除组织。再次，在本发明的一些实施方式中，该来回运动导致邻近该组织的液体的空化，并且在一些实例中，导致组织本身的空化。
当紧靠组织放置头部时，机械负载放置在形成手持器具的部件上。该机械负载改变手持器具的机械负载的阻抗。同样，当系统30被驱使时，手持器具的机械部件的温度通常变化。部件温度的变化导致这些部件的性质的变化。部件性质的变化可以导致目标频率的移动。通过改变电感LM、电阻RM和电容CM中的每者来在图7中描绘手持器具的机械部件的特性的这些移动。
阻抗和共振频率的结果变化导致通过手持器具的电流iS和通过机械部件的电流两者的变化。因此，控制循环的继续执行确保了：当阻抗中发生这些变化时，重置驱动信号以确保机械部件的电流基本等于目标电流并且驱动信号的频率基本等于手持器具的机械部件的共振频率。将驱动信号的特性保持接近目标参数确保了：随着顶端头部52所经受的机械负载变化，头部的振动的振幅保持基本恒定。
此外，在手持器具32被驱使的时间段内，执业医师可能想要调整顶端头部振动的振幅。该调整通过重置开关106或类似的控制元件而发生。(未图示出调整。)一旦该调整发生，在步骤148的后续执行中，新计算的目标电流将不同于先前计算的目标电流。这反过来将最可能意味着：作为步骤158的下一执行的结果，将确定电流不再基本等于目标电流为了以上陈述的原因，将最可能导致驱动信号的电势和频率的调整。
相应地，只要脚踏板104或其它开/关控制保持被驱使，就继续执行始于步骤144的评价的上述控制循环。执业医师通过松开脚踏板104来使手持器具不活动。这导致处理器，在步骤144的后续执行的其中一个执行中，接收该控制元件处于关位置的信号。响应于处理器96接收该信号，处理器否定被断言的信号的施加以使驱动信号被输出，未示出步骤。系统30返回等待状态，继续监控来自开/关控制元件的信号以确定执业医师是否想要驱动手持器具32。
本发明的系统30被构造为使得：系统由于步骤164和166的重复执行而将驱动信号保持在基本等于手持器具32的机械部件的共振频率的频率处。当手持器具机械部件的共振频率由于这些部件的机械负载和/或温度变化而变化时，保持该关系。因此，甚至在顶端和手持器具的其它部件承受机械负载或经历温度变化时，系统发明能够使顶端的头部以期望的振幅振动。这降低了使用系统的手术人员继续调整驱动信号以确保顶端头部以期望的振幅继续振动的需要。
同样，在流程的进行期间，顶端头部可以突然按压组织。这导致手持器具的机械部件的阻抗的快速显著增大。响应于阻抗的该快速变化，本发明的系统30快速地调整驱动信号的电势和频率。驱动信号的这些特性的调整用于确保顶端头部振动保持期望的振幅。这降低了手持器具的突然机械负载导致顶端头部振动的振幅同样突然的降低的程度。
系统30的另一特征是系统不追踪驱动信号的电压和电流之间的具体相位关系。相反，系统30追踪向手持器具的机械部件施加的驱动信号的等效的相位。为了上述原因，这确保了提供的驱动信号具有保持手持器具的机械共振的特性。
本发明的系统30还被构造为使得手持器具的控制不基于控制台内部的部件的电容、电阻或电感与手持器具的特性的匹配。这意味着单个控制台64可以用于构造基于不同手持器具的本发明的系统30，每个手持器具具有它自己的驱动器电容。控制台，基于从描述驱动器电容的手持器具存储器58中读取的数据，为每个手持器具配置系统。类似地，手持器具可以与不同的控制台一起使用以组装本发明的系统30。
本发明的系统30还被设计为向手持器具的机械部件施加基本等于目标电流的电流的等效电流。该目标电流基于执业医师对顶端头部的期望的振动的振幅的设定。因此，本发明的系统为执业医师提供了相对精准的控制顶端头部振动的振幅的方式。
Ⅳ.驱动信号频率控制的第一替代方法
在本发明的系统30的替代构造中，将驱动信号的目标频率设定为手持器具的机械部件的抗共振频率。抗共振频率为手持器具32的阻抗为最大时所处的频率。理想地，这接近无穷大。
在本发明的该版本中，在步骤中164，向压电驱动器40提供的电流与向手持器具32的机械部件施加的电流的等效电流的比率的实部被评价如下：
如果步骤164的评价不导致比率基本等于1，则处理器在步骤166中将不同的频率注入等式(13)。该过程继续直到处理器确定基本等于1的频率。该频率为抗共振频率。然后，处理器输出FREQUENCY_SET信号，该信号导致控制台以该频率提供驱动信号。
在本发明的其它版本中，处理器96可以为不同于共振或抗共振频率的目标频率来评价向压电驱动器40提供的电流与向手持器具32的机械部件施加的电流的等效电流的比率的实部。因此评价可以是0和1之间的值或大于1的值。
Ⅴ.驱动频率控制的第二和第三替代方法
对于本发明的系统30的一些构造，图4B的电路是形成手持器具的机械部件的阻抗的过度简化的示图。对于本发明的这些版本，如图8表示，数学地，一些超声工具的机械部件可以被视为包括并联连接在一起的多个RLC串联连接电路。这意味着这些部件在频率范围内具有部件共振的复数个频率；阻抗的电抗成分为零。该类型的手持器具32和顶端48的阻抗ZH被表示如下：
这里，以及分别为手持器具的机械部件的RLC分支中的每个分支的电感、电阻和电容。
如果这些复数个共振频率在向手持器具施加驱动信号的频率范围内，则向该类型的手持器具和顶端组件施加驱动信号可能产生困难。参考图9来理解该问题的本质。这里，曲线182表示在顶端在空气中操作时用于手持器具的机械部件的频率范围的电抗。向手持器具施加从25.20kHz至25.65kHz的频率范围内的驱动信号，图9的两条粗竖直线181和183内的区域。在该频率范围内，机械阻抗的电抗成分在约25.54kHz处与电抗点交叉一次。手持器具的机械电抗还在驱动频率范围外的约25.86kHz处与零电抗点交叉。然而，因为第二交点在控制台64施加驱动信号的范围之外，在该频率处机械电抗为零的事实不影响系统的操作。
曲线184描绘了在顶端振动按压紧靠负载时手持器具的机械部件的电抗随频率的变化。该负载被理解为顶端要移除的组织。如上讨论，这导致形成手持器具的机械部件的等效电阻和电抗的变化。在给定频率，电抗从汇款182变化到曲线184。这里，看到在施加驱动信号的频率范围内，手持器具的机械部件的等效电抗可以在25.30kHz和25.45kHz处与零电抗点交叉两次。
为了特定的手持器具和顶端组件最有效地起作用，典型地期望以在两个共振频率中的较低频率处或接近较低频率处的频率施加驱动信号。因此，两个共振频率中的较低频率为目标频率。在给定瞬间，当执行步骤164时，步骤164的评价的结果可能返回结果：
以上将是如果对于曲线184的示例，驱动频率大于25.45kHz，则在执行上述的步骤164时返回的结果。如果这是步骤164的评价结果，在步骤166的执行中，控制处理器66增大驱动信号的频率。这导致驱动信号，实际上驱动器40，以远离期望目标频率的频率而振动手持器具的机械部件。
为了降低以上标识事件发生的可能性，在本发明的一些版本中，系统选择性地将虚阻抗Xadj加到手持器具的机械部件的阻抗。图示地，如图10所见，虚阻抗Xadj被视为与手持器具的机械部件的阻抗的数学模型串联。
图11描绘了将虚阻抗加到手持器具的机械部件的阻抗的效果。在图11中，在顶端处于如图9所见的负载下时，曲线184为与手持器具的机械部件的电抗的曲线相同的曲线。曲线185为虚阻抗Xadj的电抗成分。这里将虚阻抗的电抗成分假设为在手持器具的机械部件的电抗为零的频率处为零。曲线186为曲线184和186的电抗的求和。如曲线186所示，当虚阻抗加到机械阻抗时，总电抗值在施加驱动频率的频率范围内只具有单个零交点。
图12是本发明的被设计为将虚阻抗加到手持器具的机械部件的阻抗的版本的替代部件的框图和局部图。手持器具190，由矩形描绘，具有先前所述的手持器具32的相同特征。这些特征包括导电插座或向手持器具内部的驱动器40提供驱动信号的其它接触体196和198。从针脚或与手持器具连接到的控制台插座集成的接触体188和189来提供的驱动信号。为了便于图示，在图12中看不到电缆62。
手持器具190内部的特定存储器58为RFID标签。因为存储器58为RFID标签，还将线圈或天线202示为在手持器具190的内部并且连接到存储器58。线圈202被理解为在连接到控制台插座的电缆的末端。线圈202被配置并且置位为与设置在控制台插座中的互补线圈187诱导地地交换信号。尽管未示出，控制台线圈187连接到控制台存储器读取器102。存储器读取器102将从线圈187接收的信号转换为可以被处理器96读取的信号。存储器读取器102还向手持器具存储器58输出处理器96想要写入存储器的数据。
第二线圈，线圈206，也设置在手持器具190中。线圈202典型地位于邻近手持器具190的近端处，而线圈206典型地位于邻近手持器具190的远端处。更具体而言，线圈206被置位为与以下讨论的套筒线圈212交换信号。手持器具190内部的导体204将线圈202连接到线圈206。
套筒55在图12中被描绘为锥形单元，顶端48从套筒55延伸。顶端存储器214设置在套筒55内。存储器214被称作“顶端存储器”，尽管存储器214在套筒55中有两个原因。第一，顶端48和套筒55，尽管为分离的部件，但是典型地封装在一起作为套件。第二，存储器55中包括的数据主要用于控制顶端48的驱使。嵌入在套筒55中的线圈212连接到顶端存储器55。
图13描绘了存储在顶端存储器214中的数据中的一些数据。顶端标识数据字段218包括顶端标识数据，顶端标识数据类似于字段112中的手持器具标识数据。有最大和最小电流字段220和224。字段220和222包括数据，该数据指示：对于存储器214相关联的特定顶端，应该向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的范围。有与手持器具存储器中的最大电压字段120类似的最大电压字段224。有驱动频率字段226和228。字段226和228中的数据为驱动信号规定特定顶端的频率范围，该范围不同于手持器具存储器最小和最大驱动频率字段122和121中分别规定的手持器具驱动信号的频率范围。PID系数字段230包括控制信号的过滤系数，该系数对于顶端可能比手持器具PID系数字段126中的数据更具体。顶端使用历史字段232包括关于顶端的使用的数据。控制台处理器96能够通过存储器读取器102来向字段232写入数据。
顶端存储器还包括目标频率字段234和阻抗调整系数字段236。目标频率字段234包括代表向手持器件施加的驱动信号的频率范围内的频率ωtarget的数据。更具体而言，频率ωtarget为在手持器具的驱动频率范围内的当顶端在负载下时机械电抗最小的频率。应该理解顶端经受的负载在流程之间并且甚至在单个流程内变化。这意味着在流程之间并且在流程内手持器具的机械电抗在最小点时所处的频率不恒定。因此，频率ωtarget为预期手持器具负载的电抗最小点的正常预期范围内的频率。系数字段236包括上述系数m，m定义电抗随频率的变化。
以驱动手持器具32的通常相同的方式，来驱动手持器具190附接到的本发明的系统。然而，图6A和图6B标出的过程步骤有一些不同。在步骤142中，控制处理器96不只是读取手持器具存储器58中的数据。在步骤142中，控制处理器还读取顶端存储器214中的数据。
未示出以下步骤：处理器基于手持器具存储器58和顶端存储器214中的数据来确定系统能否振动顶端48。指示系统不适合振动顶端的数据包括：指示顶端已经被使用超出它的设计生命周期的数据。指示系统应该振动顶端的其它数据包括：来自手持器具和顶端的共同指示顶端不是手持器具要振动的顶端的标识数据。如果系统不适合在当前配置中驱动顶端，控制处理器96典型地使信息呈现在显示器108上，该信息指示为何控制台将向手持器具190提供驱动信号。在本发明的一些版本中，只将该信息呈现为警告。在呈现了该信息之后，执业医师仍然被给予驱使手持器具的机会。
在步骤中148，处理器94基于从工具存储器214检索的最大电流来设定目标电流可以基于也从存储器214中检索的频率范围来设定驱动信号的频率范围。
在执行步骤164时，如何确定驱动信号的特性发生进一步变化。在本发明的该版本中，控制处理器96不使用等式(11)的评价来确定手持器具的机械部件是否共振。相反，处理器使用以下公式来评价手持器具的机械部件是否处于共振：
这里，ωtargot为从存储器字段234中读取的目标共振频率。系数m为设定斜率的系数，该斜率用于将虚阻抗建立为频率的函数。这是从顶端存储器字段236中读取的系数。因此变量m和ωtarget定义虚阻抗的电抗成分的零交点和斜率，如图11中的曲线185表示。加上m(ω-ωtarget)成分，与等式(11)的比率相比，图(15)的左侧的标量可以被视为调整比率。
将虚阻抗包括在步骤164的评价中确保了：如果在驱动信号的频率范围内有电抗的机械部件的实部的电抗的复数个零交点，评价将仍然指示：是否需要相对于期望共振频率来减小或增大驱动信号。因此，使用曲线186的示例，步骤164的该版本的评价应该测试为负，这清楚地意味着必须增大频率以将信号驱动为共振。类似地，如果评价测试为正，则清楚地必须减小驱动信号的频率。
本发明的该版本还用于以下事件：执业医师想要首先放置顶端头部52紧靠组织并且然后驱使手持器具32的。在该情形下，手持器具和顶端在被驱使时已经处于负载下。由于它们的机械性质，一些顶端具有以下特性：当在负载下开始时，负载的电阻立即将振动减幅为基本不振动的水平。当手持器具和顶端在该条件下时，系统可以本质被视为在停止状态。当系统在该状态时，手持器具的机械部件的电抗在驱动频率范围内本质上恒等。本质上，阻抗的机械电抗成分变得显著大于电抗性和电容性阻抗的机械等效。这将意味着例如将难以检测电抗随频率的变化，如曲线184所表示。
因此，在该条件存在的本发明的版本中，以上等式(16)的调整成分成为随频率变化的比率的主要成分。因此，在手持器具和顶端停止时，处理器在步骤164的执行时将仍然获得一些指示，该指示关于驱动频率多么接近于在负载共振频率下驱动顶端所需的驱动频率。实际上，当系统在该条件下时典型发生的是处理器增大驱动信号的频率。驱动信号的频率的增大使手持器具驱动器和顶端以使手持器具离开停止状态的频率而振动。
应该领会到，可能需要将并入本发明的系统的所有顶端的虚阻抗作为因素。对于不需要这样的调整的顶端，将阻抗调整系统m设定为0。这使等式(15)简化回等式(11)。
在本发明的第四替代版本中，虚阻抗的添加用于调节驱动信号的频率的设定以使驱动信号处于手持器具的机械部件的抗共振频率。因此，等式(13)和(15)结合如下：
在本发明的其它版本中，可以将等式(15)和(16)的左侧的调整比率与代表共振和抗共振频率之间的频率的目标比率进行比较。
Ⅵ.驱动频率控制的第四替代方法
在本发明的又一版本中，只调整驱动信号的频率。在本发明的该版本中，调整该驱动信号以施加在手持器具的机械部件的共振频率处或附近的驱动信号并且在应该向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的期望目标处或附近的电流水平两者。
参考图15A和图15B的流程图来理解本发明的该版本。在本发明的该版本中，以与上述关于由图6A和图6B的流程图所表示的过程基本相同的过程来执行步骤140、142、144、148和154。在本发明的该版本中，当初始地驱使手持器具时，执行步骤150A，步骤150A为上述步骤150的替代。在步骤150A中，处理器96输出VOLTAGE_SET信号，该信号代表应该向手持器具施加的最高电压。处理器96还生成并且输出FREQUENCY_SET信号。与步骤150中用于确定初始FREQUENCY_SET信号的过程相同的过程可以用于步骤150A中以在步骤150A中输出相同信号。
在执行了步骤154后，在本发明的该方法中，在步骤252，处理器计算流过驱动器40的电流与流过手持器具的机械部件的等效电流的比率，等式(11)的左侧的比率。在步骤254中，将该比率与目标比率(TF)进行比较。初始地，目标比率为标量值，该标量值代表驱动信号的期望目标频率相对于手持器具的机械部件。例如，如果期望以共振频率驱动手持器具的机械部件，则初始目标比率为零(0)。如果期望以抗共振频率驱动手持器具的机械部件，则初始目标比率为单位一(1)。初始目标比率可以在这两个值之间。这将是如果期望驱动顶端以手持器具的机械部件具有共振频率处的响应和抗共振频率处的响应之间的响应时所处的频率的情况。
基于该比较，如果必要，则选择性地重置驱动信号的频率，步骤256。FREQUENCY_SET信号的该分析和重置类似于步骤164和166的分析和频率重置。
在执行了步骤254之后，并且如果必要的话，在执行了步骤256之后，在步骤258中，处理器确定流过手持器具的机械部件的等效电流，电流步骤258类似于步骤156。在步骤260中，该计算的电流与目标电流，电流进行比较。步骤260类似于步骤158。
如果计算的电流相对接近于目标电流，则处理器96确定系统在如下情形：驱动信号在基本等于手持器具机械部件的期望目标频率的频率处，并且流过这些部件的等效电流基本等于电流的等效电流的目标。如果系统在该状态，则处理器循环回到步骤144。该循环回类似于在执行了步骤164或步骤166之后执行的循环回到步骤144。
作为执行步骤260的结果，可以确定计算的电流和目标电流之间的基本差。在许多情形下，这是因为计算电流高于目标电流。如果本发明的系统处于该状态，在步骤262中，处理器调整目标比率的值。该新比率为TRADJ。这是因为将驱动频率后续设定为远离目标驱动频率将导致向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的类似的降低。
在步骤264中，将流过驱动器的电流与流过手持器具的机械部件的电流的等效电流的比率与调整的目标比率进行比较。最可能地，比较将指示实际比率基本不同于调整的目标比率。在该情形下，处理器，在步骤266中，调整FREQUENCY_SET信号。重置FREQUENCY_SET信号以使新的驱动信号更接近于使向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流重置到接近该等效电流的目标的水平所需要的信号。如果初始目标电流和调整的目标电流之间的差为临界的，则可以不执行步骤266。
在步骤264的执行之后并且有时在步骤162的执行之后，处理器96循环回到步骤144的执行。
本发明的该版本向手持器具提供驱动信号，该信号处于接近手持器具的期望目标频率的频率并且在无需设定驱动信号的电势的情况下导致向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流接近于为电流设定的目标。
Ⅶ.获得驱动器电容的替代/另外方法
在本发明的替代版本中，控制台64内部是能够测量至少一个压电驱动器的电容CO的电路。例如，通过输出扫过频率范围的驱动信号来获得电容。在该时间段，为具有不同频率的驱动信号生成VS和iS的测量。基于这些数据，处理器96数学地确定驱动器电容CO。
本发明的系统30可以被配置为执行该电容确定过程以消除提供具有包括描述驱动器电容的数据的存储器的手持器具的需要。在本发明的这些版本中，系统确定驱动电容，作为步骤140的部分，系统的初始配置。
甚至在系统能够从与手持器具相关联的存储器获得描述驱动器的电容值的数据值时，还有原因去提供具有确定驱动器电容的能力的系统30。一个原因是期望提供具有该能力的系统，并且使系统执行该过程以确定手持器具的操作状态。具体而言，系统可以被配置为执行该步骤并且将处理器生成确定的驱动器电容与从手持器具存储器中获取的电容值(步骤142中获得的值)进行比较。如果这些电容值不是基本相同，处理器将该差解释为指示手持器具可能在故障状态。该故障可能由于驱动器经受了一些类型的损坏而发生。然后，处理器将断言消息，该消息指示手持器具可能没有恰当地起作用。执业医师可以使用该信息来确定使用该特定手持器具来进行流程是否合适。
在本发明的两个构造中，系统还可以被配置为甚至在流程已经开始之后确定驱动器电容。如上文所提及，为了供应根据本发明的驱动信号的目的，驱动器电容基本恒定。然而，也可能有在流程期间驱动器电容可能随时间而变化的情形。例如，如果手持器具使用了延长的时间段，10分钟或更长，包括驱动器40的手持器具可以由于摩擦诱导产热而受影响。该产热为驱动器40的重复扩张和收缩的结果。手持器具的温度变化可能导致驱动器电容的变化。相应地，甚至在从手持器具存储器58中读取初始电容的情况下，系统可能周期性地执行该过程以确定驱动器电容。
在本发明的构造中，如果确定的驱动器电容在先前电容的设定范围内，处理器96使用该新确定的驱动器电容作为可变的驱动器电容CO以设定驱动信号的特性。然而，可能有新确定的驱动器电容在相对于先前驱动器电容的设定范围之外的情形。可以设定处理器96以将系统30在该状态解释为手持器具32已经进入了故障状态的指示，如果处理器96做出该确定，处理器使信息被显示，指示手持器具可能在该状态。
Ⅷ.手持器具的机械部件的阻抗的替代模型
在本发明的替代构造中，向驱动器40施加的电流和向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的模型可以基于这些部件的电阻、电感和电容的替代模型。
图14描绘了手持器具的对电流和等效施加电流呈现阻抗的部件的布置的一个替代模型。在该模型中，电容具有两个成分，组合电容CA和混合电容CX。这些电容中的每个电容为驱动器电容和手持器具40的机械部件的等效电容的函数，由等式(14)和(15)表示：
CA＝CO+CM (17)
CX＝CO 2/CM+CO (18)
电感为混合电感LX。该电感为手持器具的机械部件的等效电感、这些部件的等效电容以及驱动器电容的函数。等式(19)是确定混合电感的一个方式：
电阻为混合电阻RX。如等式(17)所指示，混合电阻为手持器具的机械部件的等效电阻、这些部件的等效电容以及驱动器电容的函数：
这意味着用于计算手持器具阻抗、向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流以及流过手持器具的机械部件的等效电流的比率的实部的等式有类似的变化。
尽管未图示出，但是应该理解，在手持器具机械部件的等效阻抗的其它模型中，三个阻抗贡献成分——电阻、电感或电容中两个可以彼此并联。在该模型中，第三成分与两个并联成分串联。
Ⅸ.另外的替代版本
以上涉及本发明的特定版本。本发明的一些版本可以具有不同于已经描述的特性的特性。例如，可以将本发明的不同版本的前述特征进行结合。
本发明的结构特征还不同于已经描述的特征。例如，其上设置有驱动器的桩体可以与角部一起加工。类似地，其它方式可以用于测量跨过手持器具的电压和流过手持器具的电流。因此，与电感器相对立的电阻器可以用于执行该信号感测。在本发明的多个版本中，绝缘圆盘可以不存在于邻近的驱动器之间。绝缘部件可以存在与最邻近的驱动器和块36之间或者在驱动器和角部之间。驱动器的数量可以少于或者多于所公开的驱动器的数量。
在本发明的一些版本中，信号脚踏板或手动开关为用于控制手持器具的开/关状态和向手持器具施加的驱动信号的大小两者的控制元件。
类似地，系统的电气部件可以不同于已经描述的电气部件。例如，一些版本的控制台可以不包括D级放大器。在本发明的一个替代版本中，由电源输出的信号被输出到A级放大器。在本发明的该版本的一个实施例中，处理器96仍然向电源68输出VOLTAGE_SET信号以建立驱动信号的峰值电压。处理器68还向放大器输出可变的频率正弦波信号作为FREQUENCY_SET信号。放大器，基于该FREQUENCY_SET信号，选择性地放大来自电源的信号以提供具有期望频率的驱动信号。在本发明的该版本的其它实施例中，电源输出固定电势下的DC信号。处理器输出在频率和峰间值电压两者上变化的正弦波。因此，该信号为组合的VOLTAGE_SET信号和FREQUENCY_SET信号。该正弦波施加到放大器。基于该信号，放大器选择性地放大来自功率信号的恒定信号以产生选择的驱动信号。在本发明的这些版本中，可能不需要在向手持器具32提供信号之前对由放大器输出的驱动信号进行过滤。
可以以不同于已经描述的顺序的顺序来执行过程步骤。因此，对于关于图6A和图6B的流程图所描述的本发明的版本，系统可以被配置为在调整驱动信号的电压之前调整驱动信号的频率。在关于图15A-15C所描述的本发明的版本中，可以省略流过驱动器40的电流与向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的比率与目标频率的比较之一。应该理解，在本发明的该版本中，作为步骤260和262执行的结果，将比率与目标比率进行比较，目标比率几乎总是被调整。
类似地，控制算法可以变化。例如，用于调整向手持器具驱动器40提供的电流与向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流的比率的算法的成分不总是目标和实际频率之间的一阶差。在本发明的一些版本中，这两个频率之间的二阶差或者更高阶差可以用于产生调整基本比率的成分。在本发明的其它版本中，在频率差的第一范围内，成分基于这些频率的一阶差。在频率差的第二范围内，成分基于频率的二阶差。类似地，在本发明的一些版本中，贯穿频率差范围的成分基于恒定阶的频率差。在本发明的该版本中，系数用于确定调整成分可能作为频率差的函数而变化。
因此，附属权利要求的目标是涵盖落入本发明的真实精神和范畴的所有的此类变型和变化。

Claims (14)

1.一种用于振动超声手持器具(32)的顶端(50)的系统，所述手持器具具有至少一个驱动器(40)，AC驱动信号施加到所述至少一个驱动器以振动所述顶端，所述系统包括：
用于生成可变AC驱动信号的组件(68、70、72)，所述可变AC驱动信号施加到具有至少一个驱动器(40)的所述手持器具；
用于测量所述AC驱动信号的电压的组件(80、86)，其输出代表驱动信号电压的信号；
用于测量所述AC驱动信号的电流的组件(90、92)，其输出代表驱动信号电流的信号；以及
处理器(96)，其被配置为接收所述代表驱动信号电压的信号和所述代表驱动信号电流的信号，并且基于所述代表驱动信号电压的信号、所述代表驱动信号电流的信号和所述至少一个驱动器的电容，调节生成所述AC驱动信号的组件(68、70、72)以建立所述AC驱动信号的特性，其中，所述处理器被配置为：
确定目标电流(148)，所述目标电流为将要向所述手持器具的机械部件施加的电流的等效电流；
基于所述代表驱动信号电压的信号、所述代表驱动信号电流的信号、所述驱动信号的频率以及所述至少一个驱动器(40)的电容，计算向所述手持器具的机械部件施加的电流的等效电流(155)；
将所述目标电流与所计算的向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流进行比较(158)；
基于所述电流的比较，设定由生成所述AC驱动信号的组件(68、70、72)输出的所述AC驱动信号的电势(160)；
基于所述代表驱动信号电压的信号、所述代表驱动信号电流的信号、所述驱动信号的频率以及压电驱动器的电容，计算向所述至少一个驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的比率(164)；并且
基于所计算的比率，设定由生成所述AC驱动信号的组件(68、70、72)输出的所述AC驱动信号的频率(166)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被配置为：
通过确定所述AC驱动信号的电流与流过所述至少一个驱动器的电流的差，计算向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器被配置为：
将所述流过所述至少一个驱动器的电流确定为所述至少一个驱动器的电容以及所述AC驱动信号的电压和频率的函数。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述处理器被配置为：
确定所计算的向所述至少一个驱动器(40)施加的电流与所述向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的比率是否指示驱动频率基本等于目标比率，所述目标比率基于用于所述手持器具的所述机械部件的振动的目标频率；并且
如果所述确定指示所计算的比率不是基本等于所述目标比率，则调整所述驱动信号的频率。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，用于所述手持器具的所述机械部件的振动的所述目标频率是以下的其中之一：所述手持器具的所述机械部件的振动的共振频率；所述手持器具的所述机械部件的振动的抗共振频率；或者所述手持器具的所述机械部件的振动的共振频率和抗共振频率之间的频率。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述处理器还被配置为：
从与所述手持器具(32)相关联的存储器(58)中，获得代表所述至少一个驱动器(40)的电容的数据；并且
至少在初始激活所述系统时：基于从所述手持器具的所述存储器中获得的驱动器电容数据，计算向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流；并且基于从所述手持器具的所述存储器中读取的所述驱动器电容数据，计算向所述压电驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的所述比率。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述处理器被配置为：
通过设定所述AC驱动信号的频率和电压来确定所述手持器具的所述至少一个驱动器的电容。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述处理器还被配置为：
在生成所计算的向所述驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的比率之后，基于所计算的比率以及所述AC驱动信号的频率和目标频率，产生调整的比率；并且
基于所述调整的比率，选择性地设定所述AC驱动信号的频率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器被配置为：
基于所计算的比率以及所述AC驱动信号的频率与所述目标频率之间的差，产生所述调整的比率。
10.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述处理器还被配置为：
接收代表用户输入命令的信号，所述用户输入命令指示所述手持器具的所述顶端的振动的期望大小；并且
基于代表指示所述手持器具的所述顶端的振动的期望大小的所述用户输入命令的所述信号，确定所述目标电流。
11.根据权利要求1或2所述的系统，其中：
生成所述AC驱动信号的组件(68、70、72)包括电源(68)和放大器(70)，所述电源输出恒定频率下的信号，并且所述放大器接收由所述电源输出的信号并且被配置为放大来自所述电源的信号以输出可变频率信号；并且
所述处理器(96)连接到所述放大器，以通过调节由所述放大器输出的信号的频率来设定所述AC驱动信号的频率。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述处理器连接到所述放大器，以通过调节由所述放大器输出的信号的频率和振幅来设定所述AC驱动信号的电势和频率。
13.根据权利要求1或2所述的系统，其中：
生成所述AC驱动信号的组件(68、70、72)包括电源(68)，所述电源输出可变电压下的信号；并且
所述处理器(96)连接到所述电源，以通过调节由所述电源输出的信号的电压来设定所述AC驱动信号的电势。
14.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述处理器还被配置为：
将向所述驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的所述比率与目标比率进行比较(254、264)；
作为向所述驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的所述比率与所述目标比率的比较(254、264)的结果，选择性地设定所述AC驱动信号的频率(256)；并且
基于所述电流的比较，调整所述目标比率，用于向所述驱动器施加的电流与向所述手持器具的所述机械部件施加的电流的等效电流之间的所述比率与所述目标比率的下次比较(262)。
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