CN107106197B - 能够在多个模式中振动超声手术工具和引起工具端部中的非线性振动的驱动系统 - Google Patents

能够在多个模式中振动超声手术工具和引起工具端部中的非线性振动的驱动系统 Download PDF

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Abstract

一种具有能够同时地在多个模式中振动的端部的超声手术工具系统(3)。所述系统包括能够向所述端部供应包括多个分量的驱动信号的控制台(24)。每个分量具有部分基于通过所述端部的机械部件的等效电流的频率特性。频率分量是彼此不同的。基于驱动信号的所述应用，所述端部经历非线性振动。

Description

能够在多个模式中振动超声手术工具和引起工具端部中的非 线性振动的驱动系统
技术领域
本申请总体上涉及超声驱动手术手持件。更具体地，本发明涉及具有多个振动模式的超声驱动手持件和驱动手持件因此端部头部经历非线性振动的方法。
背景技术
超声手术仪器是用于执行某些医学和手术流程的有用的手术仪器。通常，超声手术工具包括包含至少一个压电驱动器的手持件。端部被机械地耦合到驱动器并且从在其中驱动器被设置的外壳或壳体向前延伸。端部具有头部。头部提供有被定尺寸为完成特定医学/手术任务的特征(常常为齿)。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。在将驱动信号应用到驱动器后，驱动器循环地扩张和收缩。驱动器的扩张/收缩引起端部(并且更具体地，端部的头部)中的相似移动。当端部这样移动时，端部被认为是振动的。对着组织应用端部的振动头部以执行特定手术或医学任务。例如，对着硬组织应用一些端部头部。硬组织的一个形式是骨骼。当该类型的端部头部振动时，端部齿的来回振动拉锯、移除附近的硬组织。另外的端部头部被设计为对着软组织放置。一些超声工具还通过引起组织和周围流体中的气穴现象而移除组织。气穴现象作为端部头部来回移动的结果而发生。具体地，作为这些振动的结果，小空隙、腔形成在组织和周围流体中。这些腔是非常低压力的小区。压差在形成组织的细胞与这些腔之间形成。由于该压差的相对大的幅度，因而细胞壁破裂。这些细胞壁的破裂移除、消融形成组织的细胞。
超声端部的头部常常是相对小的。一些头部具有小于1.0cm的直径。超声工具基本上仅移除在头部被应用之处附近的组织。由于其头部的相对小的表面积，因而超声手持件已经证明是用于精确地移除硬组织和软组织两者的有用的工具。
大多数端部被设计使得当驱动信号被应用时，端部头部在单个模式中振动。此处，振动模式被理解为是端部头部行进沿着行进的行进路径。大部分端部被设计为线性地振动。这意指头部沿着基本上与沿着端部的近到远纵轴一致的轴来回地移动。一些端部被设计使得其头部在振动时进行扭转或旋转振动。这意指该头部当被激励为振动时围绕端部纵轴旋转。另外的端部被设计为折曲的。这意指当端部被激励时，端部的纵轴来回地弯曲。端部头部随着端部的弯曲、折曲而移动。
当端部头部仅纵向振动时，可能出现问题。这是因为该类型的端部头部移动频繁地引起沿着端部轴的组织中的气穴现象。当端部被用于移除在不应当经历移除的软组织附近的硬组织、骨骼时，这可能是问题。不应当移除的软组织的类型包括血管和为神经系统的一部分的组织两者。问题由于气穴现象能够导致该软组织的不需要的移除而发生。
引起该不需要的气穴现象的端部现在是可用的。这些端部被设计为在两个模式中振动。端部纵向地振动。端部还围绕端部轴的纵轴扭转地振动。一个这样的端部是从Kalamazoo,Michigan的申请人Stryker公司购得的Long Micro Claw端部。在美国专利No.6955680,COUPLING VIBRATION ULTRASONIC HAND PIECE中公开了该端部的结构，其内容通过引用明确地并入。
当驱动信号被应用到能够在不同的模式中振动的端部时，端部头部经历移动，即振动位移的和。能够在被驱动时同时进行纵向和扭转振动的端部的头部同时地纵向地并且旋转地振荡。图1描绘了端部头部上的点处的该移动。作为这些同时振动的结果，端部头部上的点沿着螺旋的部分来回地移动。该运动因此近端和远端地沿着头部的纵轴并且旋转地围绕纵轴。
这样将端部振动的优点在于，端部轴纵向地振动的程度被降低。这导致邻近轴的组织的不需要的移除中的相似的降低。
尽管以上超声工具系统是有用的，但是其并不是没有一些缺点。一个缺点在于，为了该系统运行，振动的两个模式必须在相同频率处发生。这需要端部特别地被设计为在该模式中振动。这将端部约束到特定尺寸和形状。这可以使提供能够被应用到部位以便执行特定组织移除流程的端部困难。此外，必须针对该需要设计端部能够使端部生产相对昂贵。
此外，当端部头部经历该类型的移动时，端部头部上的个体齿在螺旋的部分上来回地移动。该移动在通常地在长度上小于300微米的轨道上。实际上，单个齿的移动沿着与端部轴的纵轴对角的线。当个体齿切割到骨骼中时，齿形成与该轴对角的槽。槽中的齿的来回移动对着禁止头部的移动的端部而不是沿着槽的方向放置阻力。该阻力可以是可预见的，因为每个齿在其自身的槽中行进。这禁止操作者在期望的方向上操纵、定位端部的能力。
此外，作为任何切割操作的结果，切割材料在执行切割的工具附近形成碎片。这适于当超声手术工具被用于移除组织时的情况。当超声手术工具的齿在行进的线性路径中来回地移动时，碎片趋向于在齿之间累积。这些碎片的累积不利地影响齿埋入和移除组织的能力。
发明内容
本发明涉及一种新并且有用的超声手术工具系统。本发明的系统包括端部，其在振动时在多个模式中操作。本发明的系统还包括驱动系统，其向所述端部应用驱动信号，其使得端部头部在振动时沿着非线性的行进路径移动。
本发明的系统通常包括能够提供累积驱动信号的驱动系统。该累积驱动信号是多个不同的分量的和。通常，所述驱动信号具有针对端部的每个振动模式的一个分量。在本发明的许多版本中，每个分量具有频率特性。所述频率特性是在端部的特定振动模式的目标频率处或附近的频率。此处，振动模式可以是单个平面、纵向、扭转或弯曲的所述端部的振动。通常，所述的振动模式的频率特性是彼此不同的。备选地，所述振动模式可以用于在平面的两个或两个以上中同时地发生的振动。此处，所述目标频率是包括针对所述端部要振动的频率的特定范围的频率的范围内的所述端部的谐振和反谐振频率和其间的的频率。
本发明的另一特征是改变所述驱动信号的每个分量的特性、频率和电压。由于在所述超声工具的使用期间所述端部头部经历电阻、机械加载，因而这些特性被改变。该加载改变所述手持件的所述机械部件的等效阻抗。所述手持件的该特性中的改变响应于所述驱动信号的应用，而改变端部头部如何移动、振动。为了确保所述端部头部参与由所述操作者期望的运动，本发明的所述系统调节所述驱动信号。通过调节所述驱动信号的所述分量的特性来执行该驱动信号调节。
附图说明
本发明具体地在权利要求中指明。根据结合附图采取的以下详细描述，还理解了本发明的以上和其他特征和益处，其中：
图1描绘了当使用现有技术系统致动时的端部头部的振动移动；
图2描绘了包括本发明的特征的超声工具系统的基本部件；
图3是系统的工具、手持件、端部和套筒的机械部件的图解和分解描绘；
图4是描绘手持件和端部的电学部件和这些部件如何被连接到控制台的框图；
图5描绘了存储在手持件内部的存储器中的数据的类型；
图6描绘了存储在与工具端部集成的存储器中的数据的类型；
图7是本发明的系统的控制台和手持件部件的电学部件的框图；
图8描绘了根据本发明的系统的应用到手持件的驱动信号的波形；
图9A和图9B表示通过手持件的电流和手持件的不同的部件的阻抗；
图10A-10D当被组装在一起时形成本发明的系统的操作的流程图；并且
图11表示根据本发明的当端部被致动时的超声端部的头部上的单个点的移动。
具体实施方式
I.系统概述和硬件
现在总体上通过参考图2和图3描述包括本发明的特征的超声工具系统30。系统30包括手持件32。端部142被附接到手持件32并且从手持件32向前远端地延伸。(“远端地”被理解为意指远离操作者、朝向手持件被应用到的部位。“近端地”被理解为意指朝向保持手持件的操作者、远离手持件被应用到的部位)。端部142是被应用到组织以执行期望的医学/手术流程的系统30的部件。系统30还包括控制台240。控制台240发起应用到手持件32的驱动信号。响应于驱动信号的应用，手持件32使得端部142振动。
手持件32包括主体或壳体34，仅在图2中看到。从图3和图4可以看出，一个或多个振动压电驱动器36(示出四个)被布置在壳体34内。每个驱动器36由当电流被应用到驱动器时经历瞬间扩张或收缩的材料形成。这些扩张/收缩在驱动器36的纵轴(在驱动器的近端和远端引导面之间延伸的轴)上。导线38的对远离每个驱动器36延伸。导线38被附接到驱动器的相对近端和远端引导面。许多但并非全部手持件32包括圆盘形的驱动器36。驱动器36端部对端部被布置在堆叠中。导线38是在其上驱动信号被应用到驱动器36的系统30的部件。绝缘盘40(示出的一个)被布置在邻近驱动器之间。在图2中，彼此分离示出驱动器36和绝缘盘40。这是为了便于图示部件。实际上，驱动器36和绝缘盘40紧紧地邻接。
杆44纵向地延伸通过驱动器36、导线38和绝缘盘。杆44延伸通过驱动器36、导线38和绝缘盘40并且沿着这些部件的共线的纵轴。未看到通过杆44延伸通过的驱动器36、导线38和绝缘盘内部的膛。杆44对最近端定位的驱动器36和最远端定位的驱动器两者向外地投影。
近端质量46被定位在最近端定位的驱动器36附近并且邻接最近端定位的驱动器36的近端引导面。质量46被附接到杆44的近端部分。如果杆44是螺纹的，则质量36可以是螺母。
仅在图3中看到，角状物48从最远端定位的驱动器36的远端引导面向前延伸。角状物48具有底座，其具有近似地等于驱动器36的直径的直径。从驱动器36向前远端地延伸，角状物48的直径减小。杆44的暴露的远端部分被粘附到角状物48。在本发明的许多版本中，杆44和角状物48是单件单元。对手持件32进行构建，使得驱动器36和绝缘盘的堆叠在近端质量36与角状物48之间被压缩。
还被设置在手持件壳体34中的是手持件存储器56。存储器56包含被用于调节手持件32和端部142的操作的数据。存储器56可以采取EPROM、EEPROM或RFID标签的形式。存储器的结构不是本发明的一部分。出于说明的目的，手持件存储器56是RFID标签。线圈54被示出为被连接到存储器56。线圈54是与在其上控制台240从手持件存储器56读取并且写到手持件存储器56的手持件相关联的部件。
图5图示了存储在手持件存储器56中的数据的类型。如由字段62所表示的这些数据包括识别手持件32的数据。这些数据对于验证控制台240能够将驱动信号应用到手持件是有用的。字段62中的数据还可以指示关于呈现在控制台显示器278上的手持件的信息的类型。手持件存储器56中的其他数据被用于调节对驱动器36的驱动信号的发起。尽管下面讨论了这些数据的使用，但是现在描述数据的类型。字段64包含指示电容C0(驱动器36的堆叠的电容)的数据。可以通过在组装手持件34的过程期间的分析确定驱动器电容。驱动器的电容的和常常在500pF与5000pF之间。关于应当被应用到手持件36的最大电流(电流iS MAX)的数据被包含在字段66中。电流iS MAX常常小于1Amp峰并且常常0.5Amp峰或更小。字段68包含指示应当流动通过下面所讨论的手持件的机械部件的最大等效电流iM MAX的数据。电流iM MAX通常地是0.25Amps峰或更小。驱动信号电压VS MAX的最大电势被存储在字段70中。电压VS MAX常常是1500伏特AC峰。
还存储在手持件存储器56中的是指示应当被应用到手持件32的驱动信号的最小和最大频率的数据。存储在字段72中的最小频率通常是可以由控制台发起的驱动信号的最小频率。存储在字段74中的驱动信号的最大频率通常地在大于最小频率的5kHz与40kHz Hz之间。
字段76包含用于对由控制台96输出的控制信号进行滤波的系数。PID控制回路被用于建立针对这些信号中的每一个的最终水平。字段76包含针对这些控制回路中的每一个的系数。应当理解，字段62、66、68、70、72、74和76中的数据(如字段64中的数据一样)被存储在手持件存储器56中作为组装手持件的过程的一部分。
手持件存储器56还包含字段78作为使用历史字段。在手持件32的使用期间，控制台240将数据写到字段128中从而提供手持件的操作的日志。
返回图4，可以看到在手持件32的内部还示出了两个导体132。导体132从线圈54延伸到手持件的远端。导体132被连接到还被设置在手持件32中的第二线圈(线圈134)。
端部142从手持件角状物48向前延伸。端部142具有总体圆柱形轴144。在本发明的一些但并非所有版本中，轴144具有均具有不同的横截面直径的多个部分。在所图示的本发明的版本中，端部轴144具有近端部分146。轴近端部分146形成有被设计为促进端部到手持件32的可移除耦合的耦合特征。在本发明的一个版本中，手持件耦合特征是从角状物48向前延伸的凸台49。凸台49的外表面形成有螺纹(未图示)。端部耦合特征是封闭端部膛145，其部分地通过轴近端部分145从轴144的近端向内地延伸。膛145被提供有被设计为接合与手持件角状物48集成的螺纹凸台的螺纹(未图示)。
在所描绘的本发明的版本中，轴144具有从轴近端部分146向前延伸的中间部分150。中间部分150具有小于近端部分146的直径的直径。所描绘的轴144具有远端部分156。轴远端部分156具有小于中间部分150的直径的直径。
头部158是端部142的最远端部分。头部158紧接地被定位在轴近端部分156的前面。头部158有时形成有齿或凹槽(未图示)。端部头部158是对着组织按压以执行期望的流程的系统30的一部分。对齿或凹槽进行设计，使得当头部158移动时，齿或凹槽承担组织。作为头部的移动的结果，齿或凹槽移除组织。端部齿或凹槽的几何形状不是本发明的一部分。
通常，对手持件32进行设计，使得驱动器的来回移动引起端部142中的相似振动运动。这些是纵向振动，其中，运动是沿着端部的纵轴(并且更具体地，轴)来回的。本发明的端部还被提供有将被应用到轴的近端的近端到远端振动运动转换为至少两个不同类型的振动运动的特征。在所描绘的端部142中，这些特征是从轴中间部分150的外表面向内延伸的螺旋形槽152。由于槽152的存在，因而将被应用到轴近端部分的纵向运动分解为使得槽的端部前面的部分(除纵向地振动外)旋转地振动。旋转振动被理解为意指在围绕轴144的纵轴延伸的弧上的轴和端部的振动。
还对集成到本发明的系统30中的端部142进行设计，使得振动模式的谐振频率是不同的。这些谐振频率常常彼此在200Hz与2000Hz之间间隔。
套筒170被设置在端部轴144周围。套筒170由塑料形成。套筒的近端形成有促进套筒对手持件角状物48的可释放的耦合的特征。形成系统30的部件形成使得远离端部轴144径向地并且远离端部头部160纵向地间隔。更具体地，对部件进行定尺寸，使得在端部的正常振动期间，端部不邻接套筒。
尽管不是本发明的一部分，但是可以看到套筒170常常形成有配件172。配件172被形成以接收冲洗线。在系统30的使用期间，冲洗流体常常流动到套筒170中。流体流动通过端部142与套筒170之间的间隙并且流出套筒的打开的远端。手持件杆44和端部142形成有邻接的膛(未图示的膛)。在流程期间，通过这些孔提取吸力。吸力从端部头部158被应用到的部位提取冲洗流体以及夹带在流体中的由流程所形成的碎片。吸力还朝向端部头部158提取组织。该朝向端部头部158提取组织增强由端部头部造成的组织的切割。
被设置在套筒内的是端部存储器184，如图3中的虚线矩形看到的。存储器184被称为端部存储器，因为即使存储器被布置在套筒170中，存储器被用于控制端部142的操作。此外，端部142和套筒170通常一起被分布为单个封装。端部142通常初始地首先被耦合到手持件32。在端部142就位之后，套筒170被适配到手持件。端部184通常是具有手持件存储器56的相同类型的存储器。因此，在所图示的本发明的版本中，端部存储器184是RFID标签。嵌入套筒170中的仅在图4中看到的线圈182被连接到端部存储器172的输入引脚。对形成系统30的部件进行构建，使得当套筒170适配到手持件32时，手持件线圈134和线圈182能够参与感应信号交换。
图6描绘了包含在端部存储器184中的数据的类型。如由字段188所表示的，这些数据包括端部识别字段。字段188中的数据识别端部并且与识别手持件存储器手持件识别字段112中的手持件的数据类似。在字段190中，存储指示应当穿过手持件的机械部件的最大等效电流iM MAX∑。下面解释了该概念。字段191存储指示针对驱动信号的第一分量的最大电势VS MAX1的数据。在字段192中，存储指示应当穿过驱动信号的分量的中的第一个处的机械部件的最大等效电流iM MAX1的数据。字段193存储指示针对驱动信号的第二分量的最大电势VS MAX2的数据。字段194存储指示应当穿过驱动信号的分量中的第二个处的机械部件的最大等效电流iM MAX2的数据。字段196包含定义驱动信号的第一分量的最小频率的数据。字段198包含定义驱动信号的第一分量的最大频率的数据。字段202包含定义驱动信号的第一分量的第一目标频率ωTRGT1的数据。字段204包含与针对驱动信号的第一分量的目标频率相关联使用的虚拟阻抗系数m1。
字段206包含定义驱动信号的第二分量的最小频率的数据。字段208包含定义驱动信号的第二分量的最大频率的数据。字段210包含定义驱动信号的第二分量的目标频率ωTRGT2的数据。字段212包含与针对驱动信号的第二分量的目标频率相关联使用的虚拟阻抗系数m2。
PID系数字段216包含针对可以比手持件存储器PID系数字段76中的数据更特定的端部的控制信号的滤波系数。端部存储器184还包含端部使用历史字段218。在系统30的操作期间，控制台240将数据写到关于端部142的使用的字段218。
现在关于图2、图4和图7所描述的控制台240向手持件32供应导致端部142的振动的驱动信号。这些部件包括电源242。电源242输出通常在1VDC与250VDC之间的恒定电压信号。在本发明的许多版本中，由电源242输出的电压的最大电势是150VDC或更少。由电源242产生的电压被应用到可变增益放大器244。控制信号(特别地，波形_设置(W_S)信号)被应用到放大器244。波形_设置信号建立由放大器产生的信号的增益。在本发明的许多版本中，放大器244是能够响应于波形_设置信号而输出AC信号的可变增益A类放大器。更特别地，放大器244能够输出具有10kHz与100kHz之间的频率的信号。常常地，信号具有20kHz的最小频率。
来自放大器244的输出信号被应用到变压器248的初级绕组254(也是控制台240的一部分)。跨变压器248的次级绕组258存在的电压是应用到手持件驱动器36的驱动信号。该电压通常是1500伏特AC峰的最大值。跨驱动器36应用驱动信号。
变压器248包括反馈线圈256。跨反馈线圈256存在的电压被应用到电压测量电路262。基于跨反馈线圈256的信号，电路262产生表示电压Vs(被应用到手持件32的驱动信号的电压)的电势和相位的信号。还被设置在控制台72中的线圈264被定位在从变压器次级绕组258延伸的导体之一附近。跨线圈264的信号被应用到电流测量电路266。电路266产生表示电流iS(通过手持件的驱动信号的电流)的幅度和相位的信号。
跨变压器次级绕组258存在的驱动信号存在于附接到与控制台集成的插座(未图示的插座)的两个导电接触266处。
驱动信号通过仅在图1中看到的线缆230被应用到手持件驱动器。在系统30的许多构造中，手持件30和线缆230是单个单元。线缆230被连接到在其中定位接触266的控制台插座。
在其中手持件32和线缆230是单个单元的本发明的版本中，手持件线圈54被设置在与线缆集成的插头中。被布置在控制台插座中的是互补线圈268。对形成系统的部件进行配置，使得当与线缆230集成的插头座落在手持件插座中时，线圈54和268能够感应地交换信号。
被发起到手持件驱动器36的代表驱动信号电压Vs和电流的信号被应用到还在控制台240的内部的处理器276。控制台240还包括存储器阅读器272。存储器阅读器272被连接在控制台线圈268的一端处和处理器276的相反端处。存储器阅读器272将跨越线圈268存在的信号转换为处理器272能够读取的数据信号。存储器阅读器272还响应于由处理器272输出的信号，输出跨越使得线圈输出导致将数据写到手持件存储器56和端部存储器184的信号的线圈268的信号。存储器阅读器268的结构补充手持件存储器102。因此，存储器阅读器可以是：能够读取EPROM或EEPROM中的数据的组件或能够轮询和读取来自RFID标签的数据的组件。
处理器272生成被应用到放大器244的波形_设置信号。处理器276因此设置由控制台240输出并且应用到手持件32的驱动信号的特性。由处理器276所设置的驱动信号的特性是驱动信号的电压和频率。处理器276根据手持件32的特性和端部134的特性确定这些特性。处理器96还根据电压Vs和电流iS的所采集的测量结果确定驱动信号。
显示器278被建造到控制台240中。显示器278上的图像被示出为由处理器276生成。显示器278上所描绘的信息包括：识别手持件32和端部的信息；和描述系统的操作状态的特性的信息。显示器278常常是触摸屏显示器。处理器272使得按钮的图像被呈现在显示器上。通过压下按钮，操作者能够将他/她期望什么设置为系统30的特定操作特性。
除呈现在显示器278上的按钮外，通常地存在与控制台相关联的至少一个通/断开关。在图2和图7中，该通/断开关脚踏开关280表示。脚踏开关280被配置为生成随着开关被压下的程度而变化的信号。信号被发起到处理器280。基于由脚踏开关280发起的信号的状态，处理器276调节驱动信号的生成以便控制端部是否振动和端部头部振动的幅度两者。
II.操作的基础
对本发明的系统30进行设计，使得控制台240输出导致端部头部158沿着行进路径移动的驱动信号，其可以被认为是非线性的。出于本发明的目的，非线性的行进路径是使得当端部头部158来回地振荡时头部的单个点的运动沿着空间中的两个不同的点集的行进路径。当端部头部参与运动的单个周期的输出相位时，相对于起始点，端部头部沿着第一点集行进。当端部头部参与相同周期的输入相位中以返回起始点时，端部头部沿着与第一点集分离的第二点集行进。而且，端部头部点在第一完整振荡周期期间行进沿着其的点集可以是与下一振动周期中的端部头部沿着其的点集不同的。应当理解，在振荡周期期间，端部头部行进沿着其的点集可以不在单个平面内。点集可以在多个平面内。换言之，点集可以围绕一个或多个轴旋转。
图8描绘了对引起端部头部158的上文所描述的运动的手持件驱动器36的驱动信号控制台240输出的波形。驱动信号是两个AC信号(现在被称为驱动信号分量)的和。每个驱动信号分量具有其自身的频率和其自身的电势。通常，这些不同的分量的频率是不同的。而且，常常地，驱动信号的不同的分量的电势是彼此不同的。
本发明的许多版本的另一特征是驱动信号的每个分量在端部的特定振动模式的目标频率处或附近的频率处。可以对系统30进行配置，使得振动模式是单个平面、纵向、扭转或弯曲的端部的振动。此处，应理解到，纵向平面内的振动是沿着端部142的纵轴的往复运动。扭转平面内的振动被理解为是垂直于端部头部的纵轴的平面内的端部头部158的旋转往复运动。弯曲运动是在其中端部的纵轴被布置的平面内的端部头部的往复运动。因此，弯曲运动是轴144周围的端部的弯曲。该弯曲运动可以发生在轴周围360°内的任何方向上。备选地，可以是振动模式的端部42的振动模式可以是两个平面内的端部的同时往复运动的振动。例如，一个振动模式可以是纵向和扭转的，使得运动沿着与端部轴的纵轴相交的第一线。第二模式可以沿着线的第二组合的纵向和扭转运动。这两个振动模式之间的差异在于，第二模式振动沿着与第一模式的振动的线分离的线。
根据本发明的端部振动模式的“目标频率”是端部142假定振动的频率范围内的频率。目标频率通常地是以下各项之一：针对振动模式的谐振频率；针对共振模式的反谐振频率；或谐振频率与反谐振频率之间的频率。由于端部的振动模式的谐振频率是彼此不同的，因而振动模式的目标频率同样地被理解为是不同的。
在本发明的许多版本中，驱动信号的每个分量的电势在被设计为促进通过什么被称为手持件32和端部142的机械部件的等效目标电流的流动的电势处。这些部件包括驱动器36、杆44、近端质量46、角状物48和端部152。套筒170通常被认为是等效电流流动到的部件。这是因为当套筒170振动时，套筒的振动归因于其他部件的振动。为了进一步的描述的简单，这将还简单地被称为通过手持件的机械部件的等效电流。即使壳体170可以被认为是手持件32的机械部件，也将使用该相位。
图9A是驱动信号电流iS如何被分解为两个分量的示意性表示。第一分量是电流io(通过手持件驱动器36的电流)。第二分量是电流iM(通过手持件的机械部件的等效电流)。根据欧姆定律，通过驱动器的电流和通过手持件的机械部件的等效电流是驱动信号电压VS和这些部件的阻抗的函数。在图9A中，ZO是手持件驱动器36的阻抗。阻抗ZM是手持件的机械部件的等效电抗。
驱动器36的阻抗主要地归因于其电容性电抗。因此，在图9B的示意图中，驱动器阻抗ZO被描绘为仅是驱动器电容CO的函数。出于本发明的系统30的目的，驱动器电容CO一般是恒定的。手持件的机械部件的阻抗的等效具有电阻分量、电感电抗分量和电阻分量。因此，在图9B中，机械阻抗ZM的等效被描绘为是电阻RM、电容CM和电感LM的函数。在图9B中，电阻RM、电容CM和电感LM的机械等效被示出为可变的。这是因为手持件的这些特性随着当对着组织应用端部时端部142被暴露到的机械电阻的函数而变化。
在任何一个时刻流动通过手持件的机械部件的等效电流是基于以下等式来确定的：
iM＝iS-jωCOVS (1)
此处，ω是驱动信号的径向频率。可以在于2013年8月7日提交的申请人的美国临时专利申请No.61/863,152 SYSTEM AND METHOD FOR DRIVING AN ULTRASONIC HANDPIECEAS A FUNCTION OF THE MECHANICAL IMPEDANCE OF THE HANDPIECE中找到如何导出等式(1)的详细解释，其内容在还通过引用PCT申请No.PCT/US2014/050034发表发表为WO 2015/021216 Al/US专利公开No.__________并入中发表。这两个上文所列出的申请通过参考本申请明确地并入。如上文所提到的，由本系统的系统30提供的驱动信号具有多个分量。因此，通过驱动信号的单独分量的手持件的机械部件的等效电流基于以下等式：
iM-X＝iS–X-jωCOVS-X (1A)
"-X"或"X"识别计算等效电流的驱动信号的特定分量。
如上文所讨论的，本发明的系统30还被配置为控制驱动信号，使得驱动信号的每个分量尽可能近地在跟踪手持件的机械部件的目标频率的频率处。
通常，可以通过首先确定通过手持件驱动器36的电流与通过手持件的机械部件的等效电流的比率的真实部件确定驱动信号的频率与目标频率的关系。该比率通过以下等式表达：
通过参考并入的美国临时专利No.61/863152提供为何以上比率提供驱动信号的频率与手持件的机械部件的目标频率的关系的详细解释。
由于根据本发明的应用到手持件驱动器的驱动信号由多个分量组成，因而针对单个分量的比率是：
将该比率与恒定目标比率(TR)进行比较。目标比率通常是零与一(包括)之间的数量。如果目标是在振动模式的谐振频率处的驱动信号的分量，则目标比率是零。如果目标是在振动模式的反谐振频率处的驱动信号的分量，则目标比率是一。在其中驱动信号的分量的目标频率在振动模式的谐振频率与反谐振频率之间的频率处的本发明的实施方式中，驱动频率是零与一之间的分数。
可以存在当将等式(2A)的比率与目标比率进行比较时自身不提供驱动信号分量的频率与期望的目标频率的关系的好的指示的情况。这可以作为对着组织放置端部头部158的结果而发生。更特别地，一些端部头部的固有特征在于，当其对着组织放置并且经历加载时，存在超过包括目标频率的频率范围的手持件的机械部件的等效电抗中的大的变化。而且，有时操作者可能想要在致动手持件32之前对着组织定位端部头部158。当这发生时，手持件的机械部件的阻抗的等效的电阻分量可以明显地比该阻抗的该部件的电容性电抗和电感性电抗两者更大。在这些情况中的任一个中，下面所讨论的修改驱动信号分量的频率因此等式(2A)的比率更接近目标比率的步骤可能不导致发起基于接近目标频率的频率处的分量的驱动信号。
因此，等式(2A)的下面的经修改的版本被用于确定驱动信号的分量是否在接近分量与其相关联的振动模式的目标频率的频率处：
在加号的右边的等式(2B)的部分根据驱动信号的分量的实际频率ωX与ωTRGT-X(驱动信号的分量的期望目标频率)之间的差异修改基本比率。指数A存在，因为修改可以基于高于两个频率之间的一阶差分。系数mX是将用于定义比率的修改的斜率定义为实际频率与目标频率之间的差的函数的系数。
III.实际的操作
本发明的系统30的操作开始于将端部142耦合到手持件32。套筒170被适配在端部上并且还附接到手持件32。线缆230被附接到控制台240。控制台240然后准备接通。以上子步骤形成系统的初始组装和激活(图10A中的步骤302)。当控制台240初始地被接通时，处理器276读取存储在手持件存储器56和端部存储器184中的数据(步骤304)。处理器276通过向存储器阅读器272确认适当的命令接收这些数据。
基于读取数据，在步骤306中，处理器完成系统的初始配置。步骤306包括执行许多评价以确定系统30是否被适当地配置用于使用。这些评价包括：确定手持件是否是控制台240可以将驱动信号供应到的一个；并且确定端部142是否是适于由手持件致动的一个。这些评价可以基于来自手持件识别字段62和来自端部识别字段188的数据。基于来自手持件使用历史字段78和端部使用历史字段218的读取数据，处理器276还评价手持件32和端部142是否在用于使用的条件中。指示使用可能不适当的数据的示例是指示特定分量、手持件或端部已经被用于许多时间或超过部件的设计生命周期的总体时间的数据。
假定部件被适当地组装用于用作系统，则处理器276将信息呈现给显示器278上的该效果。处理器276还邀请操作者输入指示系统应当如何被配置为确保端部头部158的振动运动是操作者所期望的运动的信息。以上是步骤306的全部部分。操作者的初始配置命令的接收还是步骤306的一部分。
基于手持件存储器56、端部存储器184中的数据和操作者输入的命令，步骤308中的处理器建立通过驱动信号的部件中的每一个的手持件的机械部件的电流i选择最大-X的所选择的最大等效。系统的操作的本示例基于图3的端部142。特别地，对该端部142进行设计，使得驱动信号引起两个平面、纵向和弯曲内的端部头部158的运动。因此，驱动信号由两个分量形成：基于与纵向平面振动相关联的目标频率的第一分量；和基于与扭转平面内的振动相关联的目标频率的第二分量。在步骤308中，使用以下等式针对驱动信号的分量中的每一个建立所选择的最大等效电流：
所选择的最大等效电流iX 选择最大-X被理解为基于操作者的关于端部的行进路径的设置。系数BX是基于操作者的设置生成的系数处理器276。因此，步骤308的执行的第一部分用于处理器276基于操作者的设置生成适当的BX系数。基于对查找表的参考，可以生成系数BX。备选地，BX系数基于算法(不是本发明的一部分)。基于关于操作者设置的行进路径，这些算法输出导致iX 选择最大等效的生成的BX系数，其当定义驱动信号结果时驱动信号被应用到使得端部头部在期望的行进路径上移动的手持件。
在所描述的本发明的版本中，驱动信号具有两个分量。因此，在步骤308中，等式(3)被执行两次。第一次等式被执行时，针对第一驱动信号分量的最大等效电流、来自最大电流字段192的电流iM MAX1的等效被用作变量iMAX-X。第二次等式(3)被执行时，来自字段194的当前电流iM MAXx的等效被用作变量iM MAX-X。一旦针对电流的选择最大等效被生成，则系统30准备致动。
步骤310表示等待确定控制构件是否已经被致动以指示操作者想要激活手持件、使端部头部158振动的处理器。在所描述的本发明的实施例中，处理器276通过监测由脚踏开关280输出的信号执行步骤310。当操作者想要致动端部时，他/她压下脚踏开关280。由控制脚踏开关280被压下的程度的操作者设置端部头部振动的幅度。
在接收指示开关已经被压下的来自脚踏开关的信号的处理器276后，处理器执行步骤312。在步骤312中，处理器272建立针对驱动信号iM 目标1和iM 目标2的分量中的每一个的等效目标电流。在本发明的许多版本中，使用一阶等式计算的每个目标等效电流：
系数D在0.0与1.0(包括的)之间。如果例如操作者想要端部头部经历最大幅度的振动，则脚踏开关280通常被完全压下。处理器276响应于接收到指示脚踏开关280在该状态中的信号，将系数D设置到一。如果操作者想要端部头部158具有小于最大幅度处的振动，则操作者未完全地压下脚踏开关280。在接收到脚踏开关280仅部分地压下的信号后，处理器276根据开关被压下的程度将系数D设置到零与一之间的值。
当控制台240初始地执行图10A-10D的控制回路时，在步骤310的评价之后的回路的第一执行测试为正，处理器276执行步骤314。在步骤314中，生成驱动信号的分量的初始特性。每个分量的频率被称为变量FREQ_COMP-X。每个分量的电压被称为变量VOLTAGE_COMP-X。驱动信号的每个分量具有初始频率和初始电势。针对分量的初始频率是如从端部存储器158读取的分量的最小频率。对于第一分量而言，这是包含在存储器字段196中的频率。对于第二分量而言，这是包含在存储器字段206中的频率。初始电势是作为针对驱动信号的该分量的最大电势的分数的电势。在本发明的一些版本中，初始电势在针对驱动信号的该分量的最大电势VS MAX-X的0.03与0.07之间。对于驱动信号的第一分量而言，来自端部存储器字段191的电势被用作VS MAX-X。来自端部存储器字段193的电势用作针对驱动信号的第二分量的初始电势的计算的VS MAX-X。
基于驱动信号的个体分量的特性，控制台240在步骤315中然后输出驱动信号。作为步骤315的一部分，处理器276生成表示驱动信号的两个分量的和的波形。该波形具有图8的波形的外观。处理器276生成表示该波形的波形_设置信号。波形_设置信号然后被应用到增益控制信号被供应到的放大器244的输入。
响应于波形_设置信号的接收并且作为步骤315的一部分，放大器244选择性地放大和衰减来自电源242的信号。来自放大器的输出信号被应用到变压器初级绕组254。变压器248将线缆230上的驱动信号输出到手持件驱动器36。以上是步骤315的全部部分。
响应于将驱动信号应用到手持件驱动器36，驱动器循环地扩张和收缩。驱动器的扩张/收缩与驱动信号的电势成比例。扩张/收缩与驱动信号的幅度成比例并且在驱动信号的频率处。手持件角状物48将这些扩张和收缩放大并且传送到近端部分146。这些振动沿着端部的纵向平面。槽152将该轴运动的分数转换为扭转平面内的振动。由于这些振动的变化的电势和端部的结构，因而端部头部158被引起到振动运动中，其如在图11中所描绘的是非线性的。在图11中，紧接最左边的等号的右边，如被看作单个椭圆行进路径的运动。
在本发明中，由于驱动信号的分量不具有相同频率，因而两个连续的振动周期的行进路径将是不相同的。这导致端部头部经历除是非线性的之外随时间改变取向的振动。图11的单个椭圆回路实际上不应当是闭合回路。在图11中，位于中间的等号的右边的中间绘图示出在端部头部参与多个振动周期中之后端部头部上的点的行进路径。在图11中，等号的右边的最远的绘图示出在端部头部接合之后仍然是更多振动周期的端部头部点的行进路径。这些绘图指示在时间段上，端部头部上的点、齿上的点将对向表面。尽管图11中的表面自然表现为弯曲的，但是应当理解，表面可以围绕一个或多个轴弯曲。在端部头部点的该运动中隐含的是，在连续的振动周期中，点的行进路径的取向改变。
系统30参与反馈控制过程以确保输出驱动信号继续引起端部头部158的期望的运动。为了执行该控制，在步骤154中，处理器271在步骤316中监测系统96通过手持件监测驱动信号的电压VS。这是由通过电压测量电路262所产生的输出信号的处理器272造成的监测。作为该监测的一部分，处理器将电压VS分解为多个分量。特别地，电压VS被分解为针对包括驱动信号的每个分量的一个分量。在所描述的本发明的版本中，驱动信号具有两个分量。因此，电压VS被分解为第一分量电势VS 1和第二分量电势VS 2。在本发明的一些版本中，处理器272采用快速傅里叶变换以这样分解电压VS的分量。
作为反馈控制的一部分，在步骤318中，处理器272监测通过手持件的驱动信号电流(电流iS)。利用电流测量电路266执行该监测。与驱动信号电势一样，驱动信号电流由多个分量组成，一个分量用于驱动信号的每个分量。因此，作为步骤318的一部分，处理器将驱动信号电流分解为第一分量特性电流iS 1和第二分量特性电流iS 2。在步骤318中，处理器272执行快速傅里叶变换以执行该将所测量的手持件电流iS分解为iS 1和iS 2。
在步骤320中，处理器确定针对驱动信号的每个分量的等效电流。由于电流的该等效被计算、未被测量，因而其有时被称为所计算的等效电流。在步骤320中，等式(1A)被用于确定所计算的针对驱动信号的第一分量的等效电流iM CALC1和所计算的针对驱动信号的第二分量的等效电流iM CALC2。
用于确定所计算的电流iM CALC1和iM CALC2的变量包括针对驱动信号电势的个体分量的相应的电势VS 1和VS 2。上文所计算的第一和第二分量电流特性iS 1和iS 2还将变量输入到在步骤320中发生的所计算的等效电流的确定中。所计算的等效电流的每个确定中的第三变量是驱动信号的分量的频率特性。对于驱动信号的第一分量而言，这是ω1，对于第二分量而言，这是ω2。在步骤320中，先前生成的驱动信号的第一和第二分量的频率特性的频率被用作这些变量。这意指在至少优选的本发明的版本中，所测量或所计算的频率特性的表示未被用作调节驱动信号的输出的反馈数据。
等式(1A)具有额外变量(手持件驱动器36的电容CO)。处理器272将从手持件存储器字段64读取的驱动器电容用作该电容。
在步骤322中，将所计算的针对驱动信号的第一分量的等效电流与针对驱动信号的该分量的等效目标电流进行比较。执行该比较，因为如果等效电流小于等效目标电流，则存在相关联的振动模式中的振动不具有足够的幅度以促进端部头部158的期望的运动的显著地可能性。如果手持件的机械部件暴露于的等效电流大于等效目标电流，则端部头部158可以经历大于由操作者期望的幅度的幅度的振动。
在本发明的一些版本中，如果所计算的等效电流在目标电流的10％或更少内，则应用到手持件的机械部分的等效电流将促进期望的振动运动。备选地，如果两个电流均并且理想地在5％或更少内(在彼此的1％或更少内)，则电流具有足够的幅度。
如果两个等效电流基本上是相同的，则系统30在其中通过手持件的机械部件的等效电流在驱动信号的应用假定在正确的频率处的水平处的状态中，引起相关联的振动模式中的端部头部52中的适当的幅度的振动。如果系统30在该状态中，则处理器96行进到步骤326。
在许多情况下，步骤322的比较指示所计算的电流iM CALC1的机械等效基本上不等于目标电流iM 目标1。当系统30在该状态中时，步骤324中的处理器272重置驱动信号的第一分量的电势特性。更特别地，处理器272计算针对电势VOLTAGE-COMP1的值，其将基于等式(3)导致基本上等于目标等效电流iM 目标1的通过手持件的机械部件的可调节的电流。基于保持恒定的驱动器信号的驱动器电容和频率特性，执行步骤324的该计算。
在步骤326中，处理器272确定驱动信号的第一分量的频率特性是否在针对驱动信号的该分量的目标频率处或基本上等于针对驱动信号的该分量的目标频率。做出该确定以确保第一分量的频率特性将导致促进端部头部的期望的运动的驱动信号的输出。在步骤326中，通过将等式(2B)的比率与目标比率相比较做出该确定。在步骤318中，被用于产生所计算的等效电流的变量被用于产生该比率。产生该比率使用的剩余的变量是针对频率分量的目标。这是来自端部存储器184的字段202的ω目标1变量。系数m1来自端部存储器184的系数字段204。指数A被假定针对生成比率修改器的所有计算恒定并且相同的。其在指数A可以变化的本发明的范围内。
如果比率在目标比率的10％内，则频率特性有时被认为是基本上等于目标频率特性。然而在本发明的其他版本中，频率被认为是基本上等于比率在目标比率的5％内并且更特别地在目标比率的1％内。
步骤326的比较可以指示驱动信号的第一分量的频率特性在针对驱动信号的该分量的目标频率处或基本上等于针对驱动信号的该分量的目标频率。这意指驱动信号将引起导致期望的模式处的端部头部的运动的驱动器40的扩张/收缩。如果系统30在该状态中，则处理器272转到执行步骤330。
在步骤326的评价中可以确定，驱动信号的第一分量的频率特性将导致不包括端部头部运动上的期望的模式的驱动信号的输出。如果处理器272做出该确定，则在步骤328中，处理器调节驱动信号的该分量的频率特性FREQ-COMP1。由于等式(2B)的左边的比率是负的，因而产生负结果的步骤164的计算是在328中被解释为驱动信号的第一分量的频率特性应当增加的处理器272造成的指示。如果步骤326的计算产生正结果，则处理器272将结果解释为指示手持件在其中必须减小第一分量的频率特性以增加端部头部将经历期望的行进路径的可能性的状态中。
在步骤326或如果必要的步骤328的执行之后，则处理器执行步骤330。步骤330是所计算的驱动信号的第二分量的等效电流与针对该等效电流的目标的比较。步骤330基本上与步骤322相同。步骤322与步骤330之间的差异在于，在步骤330中，将所计算的iM CALC2与目标电流iM 目标2进行比较。假定两个值是基本上相等的，则未调节驱动信号的第二分量的电压特性。处理器执行步骤334。
如果在步骤330中比较的两个值不是基本上相等的，则在步骤332中，处理器重置驱动信号的第二分量的电压特性。步骤332通过的装置与在步骤324中被用于重置驱动信号的第一分量的电压特性的装置基本上相同。作为步骤332的一部分，处理器272基于驱动信号的第二分量的电压特性的任何重置，重置波形_设置信号。驱动的特性同样地形成改变。
在步骤330之后并且如果必要的步骤332被执行，那么在步骤334中，评价驱动信号的第二分量的频率特性。使用在步骤326中被用于评价驱动信号的第一分量的频率特性的相同过程执行该评价。在步骤334中，驱动信号的第二分量的变量被应用到等式(2B)。在等式(2B)的该使用中，来自端部存储器字段210的目标频率ω目标2is被使用在修改比率的分量中以确定驱动信号的第二分量是否具有适当的频率特性。来自端部存储器字段208的系数m2被用作修改比率的分量的系数。步骤334的评价可以指示驱动信号的第二分量的频率特性足够地等于目标频率。当系统30在该状态中时，处理器回路返回到步骤310以确定控制构件是否保持激活。
备选地，步骤334的评价可以指示驱动信号的第二分量的频率特性基本上不等于目标频率。如果系统30在该状态中，则处理器276在步骤336中重置该频率特性。
在步骤336的执行后，处理器回路返回到步骤310。如果步骤的该执行期间的步骤310的评价指示通/断开关保持致动，则重新执行步骤312。该步骤重新执行，因为操作者可能已经输入指示振动的幅度将从先前的设置被重置的命令。
由于驱动信号的分量的频率和电压特性先前已经设置，因而在控制回路的该执行中，不执行步骤314。相反，基于先前生成的驱动信号分量特性集，重新执行步骤315。如果驱动信号分量的特性已经改变，则由于步骤315的先前的执行，因而这将导致处理器276生成新波形_设置信号。控制台将然后继而输出新驱动信号，其特性已经基于对驱动信号的个体分量的特性的先前所计算的调节而被调节。
在控制回路的后续执行中，应理解，驱动信号的分量的重置频率特性被用作变量ω1和ω2以确定驱动信号是否将引起端部头部158的期望的运动。
必然地，将存在当手持件将被去激活时的时间。操作者停止致动通/断开关。当在步骤310中确定该事件已经发生时，处理器276确认导致控制台240的其他部件终止将驱动信号应用到手持件的命令(未示出的步骤)。
尽管未示出，但是还应理解，在波形_设置信号的初始设置和后续的重新调节两者期间，处理器272确保驱动信号由从手持件存储器56和端部存储器184两者读取的边界特性限制。这些限制包括：基于来自手持件存储器字段70的最大驱动信号电压限制驱动信号的电压；基于端部存储器字段191中的电压数据限制驱动信号的第一分量的电压特性；基于端部存储器字段193中的电压数据限制驱动信号的第二分量的电压特性；基于来自手持件存储器字段66的数据限制驱动信号的最大电流；基于来自手持机存储器字段68的数据限制手持件的电流的最大等效；基于来自端部存储器字段192的数据限制驱动信号的第一分量的最大等效电流；并且基于来自端部存储器字段194的数据限制驱动信号的第二分量的最大等效电流。
驱动信号的频率特性同样地基于分别从手持件存储器56和端部存储器184读取的数据设置。因此，来自手持件存储器字段72和74的数据被用于定义驱动信号的总体边界。来自端部存储器字段196和198的频率范围数据定义驱动信号的第一分量的频率特性的频率范围。来自端部存储器字段206和208的频率范围数据定义驱动信号的第一分量的频率特性的频率范围。
如上文所提到的，本发明的系统30被配置为使端部头部158振动，使得在单个振动周期中，端部头部上的点未简单地沿着线来回地往复。相反，点参与非线性行进路径。当齿、端部头部的点对着骨骼移动时，齿撞击骨骼并且立即地此后摩擦骨骼。骨骼的撞击使骨骼破裂以促进组织的移除。齿摩擦骨骼的紧接地下面的动作清除刚刚移除的材料远离骨骼。因此，当本发明的系统30移除骨骼与清除掉移除的组织之间存在短时间段。在下一振动周期期间，仅存在相对小量的碎片。这些碎片的最小化导致这些碎片的存在不利地影响骨骼切割过程的程度的相似的降低。
当本发明的系统驱动非线性运动中的端部头部的齿时，在单个周期期间，齿的周长的基本全部被迫使对着端部头部对着其放置的组织。该齿对着组织(tooth-against-tissue)运动是导致对组织的期望的擦掉、移除的事物。由于在运动的单个周期期间，基本上迫使齿的每个表面对着组织，因而每个表面暴露于至少一些磨损。因此，本发明降低齿表面经历明显地不均匀的磨损的程度。据信最小化个体齿的不均匀磨损导致齿的切割效率被降低的程度中的相似的降低。这导致在流程中端部的齿的集合的切割效率将退化到其变为期望(如果不必要的话)以替换端部的水平的可能性的该降低。
而且，由于在运动的单个周期期间，基本上齿的每个表面对着组织被推动，因而在其期间齿的单个表面对着组织被按压的周期中不存在延长的时间段。这限制齿表面的摩擦发热，其可以以其他方式在该表面在对着组织这样连续地被按压的情况下发生。该发热的限制降低该热量(如果被允许形成的话)可以损坏围绕端部头部附近的组织的组织的程度。
还应当理解，系统30可以使端部在具有不同的频率的多个振动模式中振动。端部可以与不限于当在两个模式中振动时在共同频率处振动的端部的该系统一起使用。存在与必须提供当其在多个模式处振动时在共同频率处这样做的端部相关联的可估计的制造约束和成本。这些约束和成本通常不与提供当其在多个模式中振动时在不同的频率处这样做的端部相关联。因此，本发明的系统30使在制造和经济性两者方面提供能够在不同的模式中同时地振动的不同的端部更可行。
本发明的另一特征在于，操作者可以设置端部头部的非线性行进路径。更特别地，响应于操作者设置该行进路径的定义，在步骤308中，处理器276设置个体的最大等效电流(针对个体的振动模式的i选择最大-X电流)。通过将一个i选择最大-X电流设置为相对大的和第二i选择最大-X电流设置为相对小的，得到的驱动信号是将在端部头部运动的单个周期中使得端部经历沿着第一振动路径的相对大的运动和第二振动路径的较小的运动的一个。通过将针对两个振动模式的i选择最大-X电流设置为基本上相等的，在一个期间，驱动信号将引起可以导致端部经历在位移方面更相等的两个不同的振动路径中的同时的运动的运动。
存在操作者可能想要将端部头部应用到与端部轴的纵轴可估计地径向间隔的组织的时间。为了在这样定位的组织上执行流程，给端部提供相对于端部轴的纵轴非对称地定位的头部是期望的。由于该非对称性，因而端部头部自然地在多个模式中振动。通常，这些振动模式在不同的频率处。通过调节这些多个模式中的振动，本发明的系统30使得能够确保当端部头部振动时运动沿着可预测并且导致组织的高效移除两者的行进路径。
此外，由于根据本发明的激发到振动中的端部头部在非线性模式中移动，因而每个齿往往倾向于切割组织远离行进路径。远离齿的组织的该清除降低这些碎片降低以下振动周期中的组织切割的效率的程度。
以上涉及本发明的系统的一个版本。本发明的系统的其他版本可以具有与已经描述的不同的特征。例如，本系统的一些端部可以具有三个或更多个振动模式。对于本系统的该配置，驱动信号将具有三个或更多个分量。还应当理解，如果彼此不相同，则针对这些分量中的一些的目标频率特性可以彼此接近。同样地，可以存在当应用到手持件的机械部件的等效电流可以针对驱动信号的不同的分量基本上(如果不确切地)相同时的时间。
系统的部件的结构可以不同于已经描述的。因此，在控制台的内部的系统的一些版本中，存在同时地并且彼此独立地操作的多个信号生成器。处理器调节由这些信号生成器中的每一个产生的信号的电压和频率。更特别地，处理器控制每个信号生成器，使得信号生成器输出驱动信号的特定分量。这些个体分量被加在一起以产生应用到手持件驱动器36的驱动信号。
在本发明的一些版本中，将驱动信号供应到手持件的组件可以不包括使应用到控制台变压器的电压变化的放大器。在本发明的这些版本中，供应驱动信号基于其的信号的组件包括可变电流源。
因此，应当认识到，在本发明的备选版本中，除所公开的线圈256和264外的组件可以被用于提供跨手持件的驱动信号的电势和通过手持件的电流的测量。在本发明的一些版本中，一个或多个电阻器网络可以提供电压和电流的这些测量基于的信号并且被确定。
不存在以下要求：在本发明的所有版本中，驱动器电容基于从与手持件集成的存储器读取的数据。在本发明的备选版本中，处理器通过输出各种频率处的驱动信号和测量驱动信号的电压和电流来确定驱动器的电容。
在本发明的一些版本中，基于执行频率扫描，处理器确定振动模式中的每一个的谐振模式和反谐振模式。
在本发明的一些配置中，应当理解，尽管端部头部158的点的行进路径是非线性的，但是对于所有意图和目的而言，路径表现为线性路径。
在图11中，所图示的非线性路径被看作基本上椭圆的路径。这被理解为示范性而非限制性的。本发明的其他单个振动路径可以具有其他形状。这些形状包括基本上圆形和基本上月牙形。还在本发明的范围内的是包括彼此交叉的路径的非线性路径。这种类型的路径的经典形式是八字形路径。
在本发明的一些版本中，驱动信号的分量中的一个或多个的电势可以是固定的。在本发明的这些版本中，通过与分量相关联的目标频率的调节来调整应用到手持件的机械部件的等效电流。
此外，应当理解，尽管通常驱动信号的分量的频率特性是不同的，但是可能不总是这种情况。可以存在当基于应用到端部158的机械负载的类型，驱动信号的两个或更多分量的频率特性可以相同的时间。
因此，权利要求书的目的是涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有变型和修改。

Claims (28)

1.一种用于使超声手持件(32)的端部(142)振动的组件(240)，所述手持件具有至少一个驱动器(36)，AC驱动信号被应用到所述至少一个驱动器，所述端部具有被应用到组织以完成手术任务的头部(158)，所述端部被设计为以多种模式进行振动，所述组件包括：
用于生成被应用到所述手持件(32)的所述至少一个驱动器(36)的可变AC驱动信号(242、244、245)的组件；
用于测量跨所述手持件(256、262)应用的所述驱动信号的电压的组件，其输出表示驱动信号电压的信号；
用于测量通过所述手持件(264、266)的电流的组件，其输出表示通过所述手持件的电流的信号；
处理器(276)，其接收所述表示驱动信号电压的信号和所述表示通过所述手持件的电流的信号，并且所述处理器基于所述驱动信号电压和通过所述手持件的电流来调节所述生成所述驱动信号(242、244、254)的组件，以建立所述驱动信号的特性，
其特征在于，所述处理器还被配置为：
接收表示所述至少一个驱动器的电容的数据(64)(304)；
将所述驱动信号的所测量的电压分解为多个分量，其中，所测量的电压的每个分量表示与所述端部的特定振动模式相关联的所测量的电压(316)；
将通过所述手持件的所测量的电流分解为多个分量，其中，所测量的电流的每个分量表示与所述端部的特定振动模式相关联的通过所述手持件的所测量的电流(318)；
针对所述端部的每个振动模式，基于与所述振动模式相关联的频率特性、与所述振动模式相关联的所测量的电压、与所述振动模式相关联的通过所述手持件的所测量的电流以及所述至少一个驱动器的所述电容，来确定通过所述手持件的机械部件的所计算的等效电流；
针对所述端部的每个振动模式，将针对所述振动模式通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流与针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的目标等效电流进行比较，并且基于所述比较的结果来确定针对所述振动模式的所述驱动信号的电压特性(322、324、330、332)；
针对所述端部的每个振动模式：确定与所述振动模式相关联的通过所述手持件的所述至少一个驱动器的电流相比于针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流的比率；将所述比率与针对所述振动模式的目标比率进行比较，并且基于所述比较的结果来调节针对所述振动模式的所述驱动信号的所述频率特性(326、328、334、336)，并且其中，针对振动模式中的至少两个的所述频率特性是彼此不同的；并且
基于多种振动模式的所述电压特性和所述频率特性来确定所述驱动信号的波形的结构，并且基于所述波形向所述生成所述驱动信号的组件确认命令从而使得其生成包含针对每个振动模式的分量的驱动信号，每个分量由针对该振动模式所确定的所述电压特性和所述频率特性来定义(315)。
2.根据权利要求1所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为确定被应用到所述手持件(32)的所述至少一个驱动器(36)的所述驱动信号的所述波形的所述结构，使得作为所述驱动信号的应用的结果，单个振动模式中的所述端部(142)的所述头部(158)参与非线性行进路径。
3.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为：针对所述端部的每个振动模式，基于存储在存储器中的数据来建立针对与所述振动模式相关联的所述驱动信号的分量的初始频率特性(304、314)。
4.根据权利要求3所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为从与所述端部(142)相关联的存储器(184)读取被用于建立针对所述驱动信号的分量的所述初始频率特性的数据。
5.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为针对所述端部(142)的每个振动模式，基于存储在存储器中的数据来建立针对与所述振动模式相关联的所述驱动信号的分量的初始电压特性(304、314)。
6.根据权利要求5所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为从与所述端部(142)相关联的存储器(184)读取被用于建立针对所述驱动信号的分量的所述初始电压特性的数据。
7.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为针对所述端部(142)的至少一个振动模式，基于操作者设置命令来确定通过所述手持件的所述机械部件的所述目标等效电流(312)。
8.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述处理器(276)还被配置为针对所述端部(142)的多个振动模式，基于操作者设置命令来确定通过该手持件的所述机械部件的所述目标等效电流(312)。
9.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述处理器还被配置为确定被应用到所述至少一个驱动器(36)的所述驱动信号的所述波形的所述结构，使得作为所述驱动信号的应用的结果，所述端部的所述头部(158)在单个振动周期中以回路形式行进。
10.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中：
用于生成所述驱动信号的所述组件包括可变增益放大器(244)；并且
所述处理器(276)调节由所述放大器所产生的信号的增益，使得所述放大器输出具有所述驱动信号的频率并且与所述驱动信号的电势至少成比例的信号。
11.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中：
用于生成所述驱动信号的所述组件包括变压器(248)，所述变压器具有初级绕组(254)和次级绕组(258)，与所述驱动信号成比例的信号被应用到所述初级绕组(254)，跨所述次级绕组形成所述驱动信号；并且
所述用于测量所述驱动信号的所述电压的组件包括与所述变压器(248)集成的反馈线圈(256)，跨所述次级绕组存在的信号引起跨所述反馈线圈的信号。
12.根据权利要求1或2所述的组件(240)，其中，所述用于测量通过所述手持件的电流的组件包括线圈(264)，所述线圈邻近于所述驱动信号跨其被应用到所述手持件的导体，所述线圈被定位为使得所述驱动信号引起跨所述线圈的信号。
13.根据权利要求1或2所述的组件，其中，针对所述端部的至少一个振动模式，所述处理器(276)使用与所述端部的所述振动模式相关联的所述驱动信号的分量的频率作为与所述端部的振动模式相关联的所述频率特性，以确定针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流。
14.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述处理器(276)还被配置为：
从与所述手持件(32)相关联的存储器(56)获得表示所述至少一个驱动器的所述电容的数据(64)(304)；并且
至少在所述组件的初始激活的情况下，针对所述端部的每个振动模式，基于从手持件存储器获得的驱动器电容数据来确定通过所述手持件的所述机械部件的计算的等效电流(320)。
15.一种将驱动信号应用到超声手持件(32)的驱动器(36)以使耦合到所述驱动器的端部(142)振动的方法，所述端部具有多个振动模式，所述方法包括以下步骤：
确定所述驱动器的电容(304)；
将可变电压、可变频率AC驱动信号应用到所述驱动器(315)，所述驱动信号具有多个分量，其中，所述驱动信号的每个分量与所述端部(142)的所述振动模式中的不同的振动模式相关联；
测量所述驱动信号的电压并且将所述驱动信号的所测量的电压分解为至少两个分量，其中，所测量的驱动电压的每个分量表示与所述端部的特定振动模式相关联的电压(316)；
测量通过所述手持件的电流并且将所述电流分解为至少两个分量，其中，所测量的电流的每个分量表示与所述端部的特定振动模式相关联的通过所述手持件的所测量的电流(318)
针对所述端部的每个振动模式，基于与所述振动模式相关联的频率特性、与所述振动模式相关联的所测量的电压、与所述振动模式相关联的通过所述手持件的所测量的电流以及所述驱动器的所述电容，来确定通过所述手持件的机械部件的所计算的等效电流(320)；
针对所述端部的每个振动模式，将针对所述振动模式通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流与针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的目标等效电流进行比较，并且基于所述比较的结果来确定与所述振动模式相关联的所述驱动信号的分量的电压特性(322、324、330、332)；
针对所述端部的每个振动模式：确定与所述振动模式相关联的通过所述手持件的所述驱动器的电流相比于针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流的比率；将所述比率与针对所述振动模式的目标比率进行比较，并且基于比较的结果来调节针对所述振动模式的所述驱动信号的分量的所述频率特性(326、328、334、336)，并且其中，针对振动模式中的至少两个的所述频率特性是彼此不同的；并且
基于多种振动模式的所述电压特性和所述频率特性来确定所述驱动信号的波形的结构，并且基于所述波形来调节被应用到所述驱动器(36)的所述驱动信号，使得所述驱动信号包含针对每个振动模式的分量，每个分量由针对该振动模式的分量确定的所述电压特性和所述频率特性来定义(324、328、336)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述的将所述驱动信号应用到所述驱动器(36)的步骤中，驱动信号被应用到所述驱动器，所述驱动器使得所述端部(142)的头部(156)在单个振动周期中参与非线性行进路径。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，当所述的将驱动信号应用到所述驱动器的步骤初始地被执行时，针对所述驱动信号的每个分量的初始频率特性基于被存储在存储器中的数据(304、314)。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：从与所述端部相关联的存储器(184)读取被用于建立针对所述驱动信号的每个分量的所述初始频率特性(198、206、208)的数据(304)。
19.根据权利要求15或16所述的方法，其中，当所述的将驱动信号应用到所述驱动器的步骤初始地被执行时，针对所述驱动信号的每个分量的初始电压特性基于被存储在存储器中的数据(191、193)(304)。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：从与所述端部相关联的存储器(184)读取被用于建立针对所述驱动信号的每个分量的所述初始电压特性的数据(191、193)(304)。
21.根据权利要求15或16所述的方法，还包括以下步骤：针对所述端部的至少一个振动模式，基于操作者设置命令来确定通过所述手持件的所述机械部件的所述目标等效电流(312)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，针对所述端部的每个所述振动模式，执行所述的基于操作者设置命令来确定通过所述手持件的所述机械部件的所述目标等效电流的步骤(312)。
23.根据权利要求15或16所述的方法，其中，在所述的调节被应用到所述驱动器(36)的所述驱动信号的步骤中，所述驱动信号被调节，使得所述端部(142)的头部(156)在单个振动周期中以回路形式行进。
24.根据权利要求15或16所述的方法，其中：
所述的将所述驱动信号应用到所述驱动器的步骤由包括可变增益放大器(244)的组件来执行，所述可变增益放大器输出信号，所述驱动信号基于所述信号；并且
所述的将所述驱动信号应用到所述驱动器的步骤包括以下步骤：调节由所述可变增益放大器所产生的所述信号的增益，因此所述放大器输出具有所述驱动信号的频率并且与所述驱动信号的电压至少成比例的信号。
25.根据权利要求15或16所述的方法，其中
所述的将所述驱动信号应用到所述驱动器的步骤由包括变压器(248)的组件执行，所述变压器包括初级绕组(254)和次级绕组(258)，与所述驱动信号成比例的信号被应用到所述初级绕组，所述驱动信号跨所述次级绕组形成；并且
所述的测量所述驱动信号的电压的步骤通过测量跨与所述变压器(248)集成的反馈线圈的电压，所述驱动信号跨所述变压器形成。
26.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述的测量通过所述手持件的所述电流的步骤通过测量跨邻近于一导体的线圈(264)的信号来执行，所述驱动信号跨所述导体被应用到所述手持件，所述线圈被定位，使得所述驱动信号引起跨所述线圈的所述信号。
27.根据权利要求15或16所述的方法，其中，在所述的确定针对所述端部的至少一个振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流的步骤中，与所述振动模式相关联的所述驱动信号的分量的频率被用作所述频率特性，在所述频率特性的情况下确定针对所述振动模式的通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流。
28.根据权利要求15或16所述的方法，还包括以下步骤：
从与所述手持件(32)相关联的存储器(56)获得表示所述驱动器的所述电容的数据(64)(304)；并且
针对所述端部的每个振动模式，基于从手持件存储器获得的驱动器电容数据来确定通过所述手持件的所述机械部件的所计算的等效电流(320)。
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