CN107334523B - 电外科发生器和电外科系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电外科发生器以及一种电外科系统，所述电外科发生器包括：构造为输出DC波形的电源；联接到电源的逆变器，逆变器包括多个开关元件；联接到逆变器且构造为产生包括多个开关脉冲的开关角波形的控制器。控制器还构造为选择或计算多个开关脉冲中的至少一个，从而激活多个开关元件以基于DC波形产生射频波形，并且使射频波形的谐波最小化。

Description

电外科发生器和电外科系统
背景
技术领域
本公开涉及用于消除或最小化电外科发生器中的泄漏电流的系统和方法。具体地，本公开涉及一种电外科发生器，所述电外科发生器构造为利用选择性谐波消除调制降低引起泄漏电流的高频谐波波形的振幅。
背景技术
电外科手术涉及将高射频(“RF”)电流施加到手术部位以切割、消融、干燥、或凝固组织。在单极电外科手术中，源电极或有源电极将来自电外科发生器的射频交流电传送到目标组织。患者返回电极被布置在远离有源电极的位置处以引导电流回到发生器。
在双极电外科手术中，返回电极和有源电极相互靠近地布置使得在两个电极之间形成电路(例如在电外科手术钳的情况下)。通过这种方式，所施加的电流被限制于定位在电极之间的身体组织。因此，双极电外科手术通常涉及期望在定位于器械(例如手术钳等)上的两个电极之间实现电外科能量的集中输送的器械的使用。
在使用中，由于电外科发生器的部件之间的杂散电容，高频电流可能通过寄生电路路径从电外科发生器泄漏。因此，对电外科发生器而言需要限制泄漏电流。但是，常规电外科发生器采用了泄漏减轻电路，例如泄漏扼流圈、谐波滤波器、以及低寄生电容部件。这些电路是高成本的，且需要复杂的设计以使其在电外科发生器内正确地起作用。因此，对于电外科发生器而言，需要的是在无需采用常规的泄漏减轻电路的情况下，最小化泄漏电流。
发明内容
本公开提供一种电外科发生器，所述电外科发生器包括非谐振逆变器，所述非谐振逆变器具有一个或多个开关元件，所述开关元件由控制器所产生的开关波形(例如脉宽调制波形)控制。利用选择性谐波消除算法计算开关波形，从而降低和/或消除由非谐振逆变器所产生的RF波形中存在的高频谐波的振幅。高频谐波波形通过寄生泄漏路径遇到更低的阻抗，因此，这些波形比基波波形或低频谐波波形更容易泄漏。因此，通过降低高频波形的振幅，根据本公开的电外科发生器显著地减少了总漏电流，同时不影响基频下传输的功率。
根据本公开的一个实施例，所述实施例公开了一种电外科发生器。所述电外科发生器包括电源和逆变器，所述电源构造为输出DC波形，所述逆变器联接到电源并且包括多个开关元件。电外科发生器还包括控制器，所述控制器联接到所述逆变器且构造为产生包括多个开关脉冲的开关角波形。所述控制器还构造为选择或计算多个开关脉冲，从而激活多个开关元件以基于DC波形产生射频波形，并且使射频波形的谐波最小化。
根据本公开的另一实施例，所述实施例公开了一种电外科系统。电外科系统包括电外科发生器，所述电外科发生器包括电源和逆变器，所述电源构造为输出DC波形，所述逆变器联接到电源并且包括多个开关元件。电外科发生器还包括控制器，所述控制器联接到逆变器并且构造为产生包括多个开关脉冲的开关角波形。控制器还构造为选择或计算多个开关脉冲，从而激活多个开关元件以基于DC波形产生射频波形，并且使射频波形的谐波最小化。电外科系统还包括电外科器械，所述电外科器械构造为联接到逆变器且传输射频波形。
根据以上实施例中任一个的一个方面，控制器还构造为改变开关角波形的开关频率和占空比。控制器还可以构造为在射频波形的每个半周期产生五个开关脉冲。
根据以上实施例中任一个的另一方面，所述逆变器包括以H桥拓扑结构布置的四个开关元件。每个开关元件均是宽带隙场效应晶体管。
根据以上实施例中任一个的另一方面，所述开关角波形是单极对称波形或双极对称波形。
附图说明
当结合下面的详细的描述来考虑时，通过参照附图可以理解本公开，其中：
图1是根据本公开的实施例的外科系统的透视图；
图2是根据本公开的实施例的图1的电外科发生器的正视图；
图3是根据本公开的实施例的图2的电外科发生器的示意图；
图4是根据本公开的实施例的单极开关角波形和射频波形的图；
图5是根据本公开的图4的单极开关角波形的弧度图(radianplot)；
图6是根据本公开的实施例的双极开关角波形和射频波形的图；
图7是根据本公开的实施例的图6的双极开关角波形的弧度图；
图8是由图4的单极开关角波形所产生的射频波形的频域频谱的条形图；
图9是由图6的双极开关角波形所产生的射频波形的频域频谱的条形图。
详细描述
将参照附图在下面描述本公开的具体实施例。在下面的描述中，公知的功能或构造不被详细描述以避免不必要的细节模糊本公开。本领域技术人员将理解本公开可以适于与任何电外科器械一起使用。还应当理解，不同的电气连接和机械连接以及其他考虑可以应用于每种具体类型的器械。
根据本公开的发生器能够以多个频率操作超声波器械和电外科器械。具体地，发生器可被用于单极和/或双极电外科操作中，所述电外科操作包括例如切除、凝固、消融、以及血管闭合操作。发生器可以包括用于与多种超声波器械和电外科器械相接合的多个输出，所述超声波器械和电外科器械例如为超声刀和止血器、单极器械、返回电极极板、双极电外科手术钳、脚踏开关等。此外，发生器包括电子电路，所述电子电路构造为产生射频能量，所述射频能量尤其适合于为在多种电外科模式和电外科操作中运行的超声波器械和电外科器件供能，所述电外科模式例如为切割、混合、凝固、带止血效果的分割、灼烧、喷洒等，所述电外科操作例如为单极操作、双极操作、血管闭合操作。
图1是根据本公开的电外科系统10的一个示意性实施例的部件的透视图。系统10可以包括一个或多个单极电外科器械20，所述单极电外科器械20包括一个或多个用于处理患者的组织的有源电极23(例如电外科切割探头、一个或多个消融电极等)。发生器200产生的电外科RF交流电经由连接到发生器200的有源终端230(图3)的供应线24被提供给器械20，从而允许器械20对组织进行切割、凝固、热消融或非热消融和/或其他处理。RF交流电通过返回电极极片26经由返回线28在发生器200的返回终端232(图3)处被返回到发生器200。对于单极手术而言，系统10可以包括多个返回电极极片26，在使用中所述返回电极极片26被布置在患者身上以通过与患者的整体接触面积最大化从而使组织损伤的可能性最小化。此外，发生器200和返回电极极片26可以构造为用于监视与病体组织的接触，从而保证返回电极极片和病体组织之间存在充分的接触。
系统10还可以包括一个或多个双极电外科器械，所述双极电外科器械例如为双极电外科手术钳30，所述双极电外科手术钳30具有用于处理患者组织的一个或多个电极。电外科手术钳30包括壳体31和相对的钳口构件33和35，所述钳口构件33和35布置在轴32的远侧端部处。钳口构件33和35具有分别布置在所述钳口构件33和35中的返回电极36和一个或多个有源电极34。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38包括供应线24和返回线28，所述供应线24和返回线28分别联接到有源终端230和返回终端232(图3)。电外科手术钳30通过布置在电缆38端部的插头(未示出)在端口处联接到发生器200，所述端口具有到有源终端230和返回终端232的连接件(例如销)，如下文将详细描述的，所述插头包括来自供电线24和返回线28的触点。
参照图2，图2示出了发生器200的正视图。发生器200可以包括多个端口250-262以适应多种类型的电外科器械(例如，单极电外科器械20、电外科手术钳30等)。
发生器200包括用户界面241，所述用户界面241具有一个或多个显示屏242、244、246，所述显示屏242、244、246用于为用户提供多种输出信息(例如强度设置、处理完成指示等)。每个显示屏242、244、246均与相应的端口250-262相联。发生器200包括用于控制该发生器200的合适的输入控制器(例如，按钮、激活器、开关、触摸屏等)。所述显示屏242、244、246也构造为触摸屏，所述触摸屏显示用于器械(例如电外科手术钳30等)的相应的菜单。用户随后通过简单地触摸相应的菜单选项调节输入。
显示屏242控制单极输出和连接到端口250与252的器件。端口250构造为联接单极电外科器械(例如电外科器械20)，并且端口252构造为联接脚踏开关(未示出)。脚踏开关可以用于提供额外的输入(例如，复制发生器200的输入)。显示屏244控制单极输出和双极输出以及连接到端口256与258的器件。端口256构造为联接其他单极器械。端口258构造为联接双极器械(未示出)。
显示屏246控制电外科手术钳30，所述电外科手术钳30可以分别被插入到端口260与端口262之一。发生器200通过端口260与端口262输出能量，所述能量适合于闭合由电外科手术钳30抓住的组织。具体地，显示屏246输出用户界面，所述用户界面允许用户为端口260和端口262中的每个输入用户自定义的强度设置。用户自定义的设置可以是允许用户调节一个或多个能量输送参数或闭合参数的任何设置，所述能量输送参数例如为功率、电流、电压、能量等，所述闭合参数例如为能量速率限制器、闭合持续时间等。用户自定义的设置被传递到控制器224(图3)，在控制器224中设置可以存储在存储器中。在实施例中，强度设置可以是一种数字标度，例如从一到十或者从一到五。在实施例中，强度设置可以与发生器200的输出曲线相关联。针对所使用的每种电外科手术钳30，强度设置可以特定化以使得各种器械为用户提供对应于电外科手术钳30的特定强度标度。有源终端230和返回终端232(图3)可以联接到所期望的端口250-262中的任一个。在实施例中，有源终端230和返回终端232可以联接到端口250-262。
图3示出了发生器200的示意性框图，所述发生器200包括控制器224、电源227、以及逆变器228。电源227可以是连接到AC电源(例如线电压)的高压DC电源，并且为逆变器228提供高压DC电，逆变器228将高压DC电转换成RF能量并将该RF能量传输给有源终端230。能量经由返回终端232返回到逆变器228。具体地，通过有源终端230和返回终端232输送用于为单极电外科器械20和/或电外科手术钳30供能的电外科能量。有源终端230和返回终端232通过隔离变压器229联接到逆变器228。
发生器200还包括联接到电源227的DC-DC降压转换器301。此外，电流源303(例如电感器)电联接到DC-DC降压转换器301和逆变器228。电流源303可以是具有相对较大电感的电感器，所述电感器使提供到逆变器228的电流平滑。电流源303构造为为逆变器228提供相对恒定的电流。逆变器228的输出通过隔离变压器229将电流传输到负载“Z”(例如待处理的组织)。
逆变器228构造为在多种模式下运行，在多种模式下运行时，发生器200输出具有特定的占空比、峰值电压、波峰因数等的相应的波形。能预见到，在其他实施例中，发生器200可以基于其他类型的合适的电源拓扑结构。如图所示，逆变器228可以是一种谐振RF放大器或非谐振RF放大器。本文中所使用的非谐振RF放大器是指在逆变器和负载“Z”之间未布置任何调谐部件(即导体、电容器等)的放大器。
控制器224包括可操作地连接到存储器(未示出)的处理器(未示出)，存储器包括易失性存储器、非易失性存储器、磁存储器、光学存储器、或电介质存储器中的一种或多种，例如为只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦写可编程存储器(EEPROM)、非易失RAM(NVRAM)、或闪存。处理器可以是适于执行在本公开中描述的操作、计算、和/或指令集的任何合适的处理器(例如控制电路)，其包括但不限于硬件处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、中央处理器(CPU)、微处理器、以及以上处理器的组合。本领域技术人员将理解，所述处理器可以被通过使用适于执行在本文中描述的算法和/或指令集的任何逻辑处理器(例如控制电路)来替代。
控制器224包括输出端口，所述输出端口可操作地连接到电源227和/或逆变器228，从而允许处理器根据开环控制方案和/或闭环控制方案中任一种控制发生器200的输出。闭环控制方案是反馈控制环路，其中多个传感器测量多种组织特性和能量特性(例如组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压等)，并向控制器224提供反馈。控制器224随后控制电源227和/或逆变器228，所述电源227和/或逆变器228分别调节DC和/或电源。
根据本公开的发生器200还可以包括多个传感器(未示出)。所述传感器可以联接到电源227、DC-DC降压转换器301、电流源303、和/或逆变器228，并且构造为感测分别供应到逆变器228的DC电流和/或由逆变器228输出的RF能量的特性。发生器200的多个部件(即，逆变器228以及电流传感器和电压传感器)可以布置在印刷电路板(PCB)上。控制器224还接收来自发生器200、器械20、和/或电外科手术钳30的输入控制的输入信号。控制器224利用输入信号调节发生器200输出的功率和/或执行控制器上的其他控制功能。
DC-DC降压转换器301包括开关元件301a，并且逆变器228包括以H桥拓扑结构布置的多个开关元件228a-228d。在实施例中，逆变器228可以按照任何合适的拓扑结构来构造，所述拓扑结构包括但不限于半桥拓扑结构、全桥拓扑结构、推挽拓扑结构等。合适的开关元件包括电压控制器件，所述电压控制器件例如为晶体管、场效应晶体管(FETs)、以上晶体管的组合等。在实施例中，FETs可以由氮化镓、氮化铝、氮化硼、碳化硅、或任何其他合适的宽带隙材料形成。
控制器224与DC-DC降压转换器301和逆变器228两者相通信，具体地分别与开关元件301a以及开关元件228a-228d相通信。控制器224构造为将可以是脉宽调制(“PWM”)信号的控制信号输出到开关元件301a以及开关元件228a-228d，如在共同未决的申请US2014/0254221中进一步详细描述的那样，其全部内容通过引用并入本文。具体地，控制器224构造为调节提供给DC-DC降压转换器301的开关元件301a的控制信号d1和提供给逆变器228的开关元件228a-228d的控制信号d2。此外，控制器224构造为计算发生器200的功率特性，并至少部分地基于所测功率特性控制发生器200，所述功率特性包括但不限于流过电感器303的电流、DC-DC降压转换器301的DC输出、以及逆变器228的输出电压和输出电流。
根据本公开的发生器200，并且具体地，根据本公开的控制器224构造为利用选择性谐波消除(“SHE”)调制方法来操作逆变器228。此外，根据本公开的SHE调制可适用于多种DC/AC拓扑结构，例如半桥拓扑结构、全桥拓扑结构、多电平逆变器的拓扑结构、以及谐振型逆变器的拓扑结构，并且逆变器228是一个示例性实施例。在SHE调制中，控制器200向逆变器228发送信号以产生基频下的射频波形，同时减少不期望的高次谐波。具体地，控制器224构造为产生到开关元件228a-228d的作为开关角波形的PWM控制信号。每个开关角波形均基于每个开关元件228a-228d的开关角，当开关元件228a-228d被激活时产生用于为连接到发生器200的电外科器械(例如单极电外科器械20或电外科手术钳30)供能的RF波形。
参照图4，图4示出了示例性的开关角波形和所产生的RF波形。图4和5示出了用于产生正弦RF波形402(图4)的四分之一对称、单极开关角波形400。如图5所示，本文中所使用的术语“单极”是指具有在0和正电压(Vdc)或负电压(-Vdc)之间振荡的开关脉冲的波形。单极开关角波形400包括对应于每个开关元件228a-228d(图3)的开关角的多个脉冲400a、400b、400c、…400n。
单极开关角波形400的所有的正循环和负循环均分别产生RF波形402的正循环和负循环。具体地，RF波形402的每个周期存在不同持续时间的多个开关脉冲400a、400b、400c、…400n。本文中所用的术语“周期”是指完成波形的一次完整循环所耗费的时间。因此，对于RF波形402的每个周期而言，存在十(10)个开关脉冲400a、400b、400c、…400n，并且每个半循环/周期存在五(5)个开关脉冲。此外，开关脉冲400a、400b、400c、…400n基于如下文将进一步详细描述的SHE算法具有不同的持续时间。参照图5，开关脉冲400a、400b、和400c具有不同的持续时间，并且关于四分之一循环/周期(π/2)对称。由控制器224计算得出的脉冲400a、400b、400c、…400n的每个均是基于RF波形402的所期望的频率。
图6和图7示出了用于产生正弦RF波形502的四分之一对称、双极开关角波形500，所述正弦RF波形502大致与正弦RF波形402对称。如图7所示，本文中所用的术语“双极”是指具有在正电压(Vdc)和负电压(-Vdc)之间振荡的开关脉冲的波形。双极开关角波形500包括对应于每个开关元件228a-228d(图3)的开关角的多个脉冲500a、500b、500c、…500n。开关角波形500的脉冲还对应于RF波形502的正循环和负循环。
双极开关角波形500的所有正循环和负循环均产生RF波形502的正循环和负循环。具体地，RF波形502的每个周期存在不同持续时间的多个开关脉冲500a、500b、500c、…500n。因此，对于RF波形502的每个周期而言，存在十(10)个开关脉冲500a、500b、500c、…500n，每个半循环/周期存在五(5)个开关脉冲。参照图7，开关脉冲500a、500b和500c具有不同的持续时间，并且关于四分之一循环/周期(π/2)对称。脉冲可以基于RF波形502的所期望的频率由控制器224计算得出。
RF波形402、502的每个的频率均可以由用户使用用户界面241(图2)进行设置。随后，控制器224可以计算用于产生波形402和502的开关角。具体地，控制器224可以计算开关角的数量、频率、以及持续时间，例如脉冲400a、400b、400c、…400n和500a、500b、500c、…500n的持续时间。在实施例中，可以通过控制器224或任何其他合适的处理器离线计算这些特性。
图8和图9分别示出了由开关角波形400和500生成的谐波频率图600和700。图600和图700是分别示出了RF波形402和RF波形502的频域频谱的条形图，所述条形图包括谐波的数量和谐波的振幅。在图600和图700的每个中基频波形均示出为第一条并且分别表示RF波形402和RF波形502。图600和图700还示出了：如谐波波形相对于基频波形的更低的振幅所示，SHE调制方法消除和/或减少了所有的谐波波形。
为了消除RF波形402和RF波形502的不期望的谐波，本公开采用了SHE调制方法，所述SHE调制方法允许独立地控制基波和某些谐波。这也允许独立的功率调节和不期望的谐波的消除，从而减少泄漏电流、能量损失和电磁干扰。相较于通过调制恒定频率下的占空比仅控制输出波形的基频的传统PWM调制，SHE调制改变了每个开关周期的开关频率和占空比两者，从而产生直接控制大范围输出频谱的输出。根据本公开的SHE方法基于所期望的输出频谱利用傅里叶分析合成具有多个离散开关脉冲/周期的开关角波形(例如脉冲序列)。
利用根据本公开的SHE算法计算四分之一对称、单极开关角波形400的脉冲400a、400b、400c、…400n。所述算法可以是一种求根算法，所述求根算法多次迭代以计算下面的公式(1)-(4)中所示的非线性方程的根。使用下面的公式(1)可以完成开关角波形400的傅里叶展开：
(1)
Figure GDA0002198243360000101
(1)的傅里叶展开被重新排列以形成下面的公式(2)中所示的方程组：
(2)
Figure GDA0002198243360000111
在公式(2)中，VLF指的是作为逆变器输出的所期望的基频，并且某些高次谐波能够被消除到nth阶。求解公式(2)得到开关角(即脉冲400a、400b、400c、…400n)以用于在消除不期望的谐波的同时合成RF波形402。在实施例中，可以采用两个求解器循环(solver loop)来求解公式(2)的超越方程。
关于双极开关角波形500，下面的公式(3)和(4)可以如上文关于单极开关角波形400所描述的那样来使用。
(3)
Figure GDA0002198243360000112
(4)
Figure GDA0002198243360000113
在传统PWM调制方法中，只生成并且控制基频波形，而未被调制的谐波被过滤掉。然而，在根据本公开的SHE调制中，基频波形(例如RF波形400和500)以及kth谐波波形均同时生成且被精确地调制，并且不期望谐波(即高次谐波)被消除。如图8和9所示，根据本公开的SHE调制允许将基频以上的所有频率处的波形振幅调节到零。
虽然已经在附图中示出和/或在本文中描述了本公开的若干实施例，但并部旨在将本公开限于此，因为本公开旨在与本领域将允许的范围一样广泛并且说明书被同样地阅读。因此，上述描述不应被解释为限制性的，而仅仅是特定实施例的示例。本领域技术人员将想到在所附权利要求的范围和精神内的其它修改。

Claims (14)

1.一种电外科发生器，所述电外科发生器包括：
电源，所述电源构造为输出DC波形；
逆变器，所述逆变器联接到电源，所述逆变器包括多个开关元件；以及
控制器，所述控制器联接到所述逆变器且构造为产生包括多个开关脉冲的开关角波形，控制器还构造为使用选择性谐波消除调制对所述多个开关脉冲进行选择或计算中的至少一个，从而激活多个开关元件以基于DC波形产生射频波形，并且使射频波形的谐波最小化，
其中，所述控制器构造为独立地控制射频波形的基频和谐波中的每一个。
2.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中，所述控制器还构造为改变所述开关角波形的开关频率和占空比。
3.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中所述逆变器包括以H桥拓扑结构布置的四个开关元件。
4.根据权利要求3所述的电外科发生器，其中，所述开关元件中的每个均是宽带隙场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中，所述控制器还构造为在所述射频波形的每个半周期产生五个开关脉冲。
6.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中，所述开关角波形是单极对称波形。
7.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中，所述开关角波形是双极对称波形。
8.一种电外科系统，所述电外科系统包括：
电外科发生器，所述电外科发生器包括：
电源，所述电源构造为输出DC波形；
逆变器，所述逆变器联接到电源，所述逆变器包括多个开关元件；以及
控制器，所述控制器联接到所述逆变器且构造为产生包括多个开关脉冲的开关角波形，控制器还构造为使用选择性谐波消除调制选择或计算所述多个开关脉冲中的至少一个，从而激活多个开关元件以基于DC波形产生射频波形，并且使射频波形的谐波最小化，其中，所述控制器构造为独立地控制射频波形的基频和谐波中的每一个；以及
电外科器械，所述电外科器械构造为联接到所述逆变器且传输射频波形。
9.根据权利要求8所述的电外科系统，其中，所述控制器还构造为改变所述开关角波形的开关频率和占空比。
10.根据权利要求8所述的电外科系统，其中，所述逆变器包括以H桥拓扑结构布置的四个开关元件。
11.根据权利要求10所述的电外科系统，其中，所述开关元件中的每个均是宽带隙场效应晶体管。
12.根据权利要求8所述的电外科系统，其中，所述控制器还构造为在所述射频波形的每个半周期产生五个开关脉冲。
13.根据权利要求8所述的电外科系统，其中，所述开关角波形是单极对称波形。
14.根据权利要求8所述的电外科系统，其中，所述开关角波形是双极对称波形。
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