CN111601563A - 用于控制手术系统中的患者泄漏电流的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于向手术工具供应驱动信号的控制台和方法。控制台包括包含初级和次级绕组的变压器。初级绕组接收来自电源的输入信号，并在次级绕组中感应驱动信号，以将驱动信号供应给手术工具。包括泄漏控制绕组的第一电流源被耦合到驱动信号的路径。初级绕组在泄漏控制绕组中感应出第一抵消电流，以注入到驱动信号的路径中来抵消泄漏电流。被耦合到驱动信号的路径的传感器输出感测信号以提供与泄漏电流有关的反馈。传感器可以连接到第二泄漏电流抵消源和/或故障检测级。电源可以是可变的，并且也可以给第二电流源供电。

Description

用于控制手术系统中的患者泄漏电流的系统和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年12月6日提交的美国临时专利申请第62/595,235号的优先权，并要求其所有权益，该申请的全部公开内容被通过引用方式合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及向电动手术工具供应驱动信号的控制台，并且更具体地，其被设计成减少驱动信号的/来自驱动信号的患者泄漏电流。
背景技术
电动手术工具系统可以被认为具有三个基本部件。控制台产生驱动信号，这些信号具有用于致动该系统的第二部件(发电机)所必须的特征。发电机将驱动信号的电能转换为另一种形式的能量。电能转换成的能量类型包括机械能、热能(热)和光子(光)能。工具系统的第三部件是能量施加器。能量施加器接收发电机输出的能量并将该能量施加到目标组织以执行特定的治疗任务。一些工具系统被设计为将制备的电能施加到目标组织。在这种类型的系统中，发电机本质上是导体，通过其将驱动信号施加到裸露的电极上，通过该裸露的电极将电流提供给组织。电极用作能量施加器。电极可以放置在患者身上或集成到手持件中。其他工具系统被设计成提供机械能。在这种类型的系统中，发电机将电能、例如AC驱动信号转换为通过手持件施加到患者身上的机械能，例如振动。
许多手术工具系统的一体部分是手术工具，其可以是手持件。至少，手持件是被设计成由医师握持的物理部件，能量施加器从其延伸。发电机通常包含在手术工具中。一种这样设计的手术工具系统是超声手术工具系统。该系统的手术工具包括发电机，该发电机包括一个或多个驱动器。每个驱动器响应于AC信号的施加而振动。喇叭形件紧密地机械地联接到驱动器。用作能量施加器的尖端从喇叭形件向远侧延伸。驱动器的振动像喇叭形件中以及(通过引申)尖端中的振动一样产生。振动的尖端抵靠着组织的运动导致组织的消融、去除。
许多电动手术工具系统与其他电动组件共有的固有特征是在这些系统的部件之间存在寄生电容。寄生电容是两个处于不相等电压的部件之间存在的电容。该电容的存在的结果是，寄生交流电流可以流经这些部件之一。例如，当手术工具包括施加有AC驱动信号的发电单元时，由于手术工具的金属结构部件与电流流过的手术工具内部的发电部件之间的寄生电容，寄生电流会流过所述金属结构部件。这种寄生电流会导致所谓的泄漏电流。通常，泄漏电流是流过出于其他目的被施加了电流的系统部件的非计划电流。更具体地说，患者泄漏电流是流过患者的非计划电流。
在手术过程中，具有患者可能被无意间接地的可能性。如果确实发生此事件，则泄漏电流可能会从手术工具流入患者体内。为了避免对患者造成危险，电动手术工具系统应设计为使流过患者的泄漏电流最小化，例如在患者接地的情况下。如果将可能存在泄漏电流的手术工具施加到患者身上，则理论上泄漏电流可以流过患者而流到地面。此电流会不利地影响患者的器官和组织的功能。
由于这些原因，具有意于施加到患者的手术工具的手术工具系统被设计为确保正常的泄漏电流小于100pAmps。如果要在美国使用，那么具有意于施加到心脏组织的手术工具的手术工具系统必须被设计成使正常的泄漏电流小于10pAmps。这些要求是基于IEC60601医学设计标准。IEC60601标准还描述了测试电动手术工具的过程，以确保泄漏电流低于这些最大值。
进一步要求施加于患者的工具不能用作接地连接。主要地，如果出于某种原因来自另一源的电压被施加到患者，则该工具不应用作接地连接，否则其会导致电流流过患者。
电动手术工具系统可以具有与地绝缘的输出，以防止电流泄漏。但是，绝缘的输出电路本身不足以将泄漏降低到可接受的水平。一些电动手术工具系统已经被设计为具有检测开路并能够相应地降低其峰值输出电压的能力。这导致几个性能问题。降低峰值输出电压以最小化泄漏电流可能会降低工具系统的性能，因为峰值输出电压会引发用于适当凝结作用所需的火花。此外，发电机感测开路环境所需的时间量可能会导致瞬时电压尖峰，而这可能会使泄漏电流发生。
一种方法是减小寄生电容以减小寄生电流。如果该工具是超声手术工具，则可以通过在驱动器和喇叭形件之间提供电绝缘阻抗盘来减小寄生电容，手术工具的机械部件意于由驱动器振动。与提供这些盘相关的一个缺点是，它们抑制了振动从驱动器到喇叭形件和尖端的传递。此机械阻尼降低了手术工具的效率。
因此，至少需要解决现有系统和方法的上述技术缺陷。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种向手术工具供应驱动信号的控制台及其操作其的方法。控制台包括变压器，该变压器包括初级绕组和次级绕组。初级绕组被配置为接收来自电源的输入信号并且在次级绕组中感应驱动信号以将驱动信号供应给手术工具。控制台还包括第一电流源，该第一电流源包括被耦合至驱动信号的路径的泄漏控制绕组，并且初级绕组被配置为在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流以注入到驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流。控制台还包括被耦合到驱动信号的路径的传感器，其中传感器被配置为输出感测信号以提供与泄漏电流有关的反馈。
在另一个实施例中，提供了一种向手术工具供应驱动信号的控制台以及操作该控制台的方法。控制台包括变压器，该变压器包括初级绕组和次级绕组。初级绕组被配置为接收来自电源的输入信号，并在次级绕组中感应驱动信号以将驱动信号供应给手术工具。控制台还包括第一电流源，该第一电流源包括被耦合至驱动信号的路径的泄漏控制绕组，并且初级绕组被配置为在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流以注入到驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流。传感器被配置为感测输入信号的特性并输出与输入信号的特性有关的感测信号。第二电流源被耦合到驱动信号的路径。可变增益设备被耦合到传感器和第二电流源。选择接口被耦合到第二电流源和可变增益设备，并且被配置为使得能够选择多个泄漏电流调节设置之一，并且将所选择的泄漏电流调节设置提供给可变增益设备。可变增益设备被配置为接收感测信号并且基于所选择的泄漏电流调节设置来修改感测信号。第二电流源被配置为基于来自可变增益设备的修改的感测信号来生成第二抵消电流，并且将第二抵消电流注入到驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流。
在另一个实施例中，提供了一种向手术工具供应驱动信号的控制台以及操作该控制台的方法。控制台包括可变电源，变压器和电流源。变压器包括初级绕组和次级绕组。初级绕组耦合到可变电源，并且被配置为接收来自可变电源的输入信号并且在次级绕组中感应驱动信号以将驱动信号供应给手术工具。电流源耦合到驱动信号的路径并且被耦合到可变电源。可变电源被配置为给电流源通电。电流源被配置用于产生抵消电流，以注入到驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流。
这些实施例提供了多种优势，包括使控制台能够保持低泄漏电流而无需使用降低手术工具的输出功率的繁杂的附加设备，提供监控驱动信号泄漏电流的能力-这能够实现进一步泄漏控制和故障检测级的增加，和/或通过使用单一电源为驱动信号和泄漏控制源供电而简化控制台。参考本文提供的描述，将理解本文所述的控制台和方法以及其实施例的其他优点。
附图说明
本发明的优点将变得容易理解，因为当结合附图考虑以下详细描述时本发明的优点将变得更好理解。
图1描绘了包括手术台和手术工具的电动手术工具系统的一个实施例。
图2是根据一个示例的用于测量和抵消泄漏电流的反馈回路的操作的框图。
图3是根据一个示例的用于抵消电动手术工具系统的泄漏电流的两个源的示意图。
图4是电动手术工具系统的实施例的示意图，该电动手术工具系统包括具有两个泄漏电流抵消级和泄漏电流的基于电流的感测的控制台。
图5是电动手术工具系统的另一实施例的示意图，该电动手术工具系统包括具有两个泄漏电流抵消级和驱动信号的基于电压的感测的控制台。
图6是电动手术工具系统的另一实施例的替代实施例的示意图，该电动手术工具系统包括具有两个泄漏电流抵消级的控制台和用于调节泄漏电流设置的技术。
图7是电动手术工具系统的另一实施例的示意图，该电动手术工具系统包括具有两个泄漏电流抵消级和用于泄漏电流的故障检测级的控制台。
图8是根据一个实施例的包括在故障检测级中的电路的示意图。
具体实施方式
I概述
参照附图，提供了电动手术工具系统20，其具有被配置为向手术工具28供应驱动信号105的控制台22，其中贯穿若干视图，相同的附图标记指示相同或相应的部分。
现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用特定语言来描述它们。通过使用特定语言来描述示例性实施例，并不意图限制本公开的范围。相关技术领域内的并且拥有本公开内容的技术人员通常会想到的、本文所示出的发明特征的任何变更和进一步修改以及本文所示出的本公开原理的任何其他应用都被认为是在所要求保护的公开范围内。
现在参考图1总体上描述电动手术工具系统20，为了简单起见其在下文中被称为“系统20”。系统20包括手术工具28。手术工具28可以是超声手术工具或用于施加RF或其他类型的电手术能量的工具。手术工具28可包括壳体或本体30。本体30是手术工具28的实际上由医师握持的部分。本体30形成手术工具的近端29。术语“近”被理解为是指更靠近握持着手术工具的医师，更远离手术工具28所施加到的部位33。手术工具28的远端31与近端29相反设置。术语“远”被理解为是指更远离医师，更靠近手术工具28所施加到的部位33。
控制台22是系统20的一部分。控制台22经由手术工具28所连接到的电缆32来供应驱动信号105(下文描述)。在手术工具28是超声手术工具的实施例中，期望、但并不必须将电缆32和手术工具28组装为单一单元。控制台22包括用作信号发生器的部件。这些部件产生驱动信号105，例如AC信号，该驱动信号105被施加到手术工具28的发电机27。发电机27，也称为换能器，将AC信号转换成要施加到患者的手术能量类型。例如，在超声手术工具28中，发电机27可以是将电能转换成振动的压电堆。可选地，在RF手术工具28中，由于电能通过电极直接施加到患者，因此可能不需要发电机27。图1所示的手术工具28被构造为通过远端31处的手术工具尖端向患者施加超声或RF能量。手术能量还可以通过电极或除本文所述以外的其他手术工具施加至患者组织33。无论所施加的能量的类型如何，控制台22都被设计为使电流泄漏到患者体内的可能性最小化。
控制接口24连接到控制台22。在图1中，控制接口24是脚踏板。控制接口24的状态由控制台22内的处理器35监控。控制接口24是用户致动的控制构件，其通过控制台22来调节手术工具28的激活和/或特定控制。在图1中，控制接口24被示为包括若干踏板的脚踏板组件的一部分。增加的踏板可用于控制诸如灌溉泵、抽吸泵或灯的设备。控制接口24可以包括除如图1中所示的脚踏板之外的配置。
控制台22还可以包括用户接口26，例如图形用户接口或开关。像控制接口24一样，用户接口26由控制台22内的处理器35监控。用户接口26由医师控制以控制手术工具28的操作参数。在超声实施例中，这些操作参数可以包括手术工具28的振动的振幅的幅值。
控制接口24和用户接口26被理解为向系统20输入命令的装置的一般表示。在系统20的一些构造中，单一控制单元可执行两个功能。例如，系统20可以配置为使得当起初首先踩下操纵杆或脚踏板时，系统20使手术工具28的尖端头部经历振幅相对较小的振动循环。作为继续踩下操纵杆或脚踏板的结果，控制台22重置被施加到手术工具28的驱动信号105，以使尖端头部进行较大幅值的振动循环。
控制台22可以包括显示器34。显示器34上的图像可以由处理器35与控制台22一起生成。显示器34上描绘的信息包括、但不限于与用户接口26有关的信息，识别手术工具28和尖端的信息，以及描述系统20的操作、设置或通知的任何其他信息。显示器34可以是触摸屏显示器。在这些形式中，通过按下显示器34上呈现的按钮的图像，可以将命令输入到控制台22内的处理器35中。在显示器34和处理器35之间可以提供任何适当的接口部件，以便于图像在显示器34上的呈现以及命令向处理器35中的输入。可与本公开的实施例一起使用的处理器相关的其他细节包括在PCT专利申请No.PCT/US2016/031651中，其内容包含在WO2016/183084A1/US专利公开文献No.______中，它们的内容被通过引用方式整体并入本文。
处理器35调节驱动信号105从控制台22的输出。处理器35在其上面设置驱动信号105的医师控制的输入可以基于控制接口24和/或用户接口26的状态。通过显示器34输入的命令也可以用于控制驱动信号105的设置。也可以基于从手术工具28存储器读取的数据来设置驱动信号105的特征。驱动信号105的特征还被控制台22用作进一步有助于驱动信号105的设置的反馈信号。基于这多个输入，处理器35输出控制驱动信号105的信号。
参照图4-7，控制台22包括或以其他方式耦合到电源82。电源82被配置为将输入信号施加到变压器90的初级绕组84。来自电源82的输入信号被施加到变压器90的初级绕组84的中心抽头。变压器90将患者侧电路与电源82电绝缘。变压器90阻止初级绕组84中的信号的任何DC分量传输到次级绕组88，并且可以被设计为具有绝缘以最小化电容耦合，如图4-7中所述绝缘被示出为芯98。
初级绕组84的相反抽头分别耦合到线性放大器86。每个放大器86将电势和频率均变化的AC信号施加到初级绕组84的抽头。作为控制信号被施加到放大器86的基础信号调节放大器86输出的信号的频率和电势。在系统20包括超声手术工具28的实施例中，在初级绕组84上产生的AC信号可以具有在10kHz和100kHz之间的频率。该信号可以具有至少200伏或更高的峰-峰值电压。对于诸如RF治疗的其他应用，AC信号可以具有不同于本文所述的频率和电压范围。
电源82和线性放大器86的结构不限于本文所示的特定实施例，并且可以包括用于在初级绕组84上生成AC信号的不同配置。对这些子组件的进一步理解可以在PCT专利申请No.PCT/US2016/031651中找到，该申请的内容包含在WO 2016/183084 A1/US专利公开文献No._____中，其内容被通过引用方式整体并入本文。
在初级绕组84上产生的AC信号在变压器90的次级绕组88上感应AC信号。在变压器90的次级绕组88上的该信号是驱动信号105，其被通过电缆32施加到手术工具28中的发电机27。电缆32包含具有朝向手术工具28流动的高电势电流的高压导体100和具有远离手术工具28流动的低电势电流的低压导体102。驱动信号的路径104(也称为“驱动路径”)由这些导体100、102限定。驱动信号105是流过驱动路径104的电流。在使用驱动信号105来致动超声驱动器的实施例中，驱动信号具有至少500VAC的电压并且可以超过1000VAC。
驱动路径104被屏蔽件99包围。屏蔽件99防止高压导体100与大地或驱动路径104附近的任何物体之间的寄生电容。另外，屏蔽件可以耦合到手术工具28内的低压导体102。在存在该连接的实施例中，屏蔽件99还用作返回电流的次级路径，并在低压导体102断开时保护患者。
II.泄漏电流检测和抵消技术
根据本文描述的技术，系统20可以采用泄漏抵消技术来抵消患者泄漏电流(也称为“泄漏电流”)。泄漏电流通常是流经被连接至手术工具28的患者的电流。泄漏电流可以从控制台22，流到手术工具28，流经患者流到大地。这样，泄漏电流通常是通过患者的非计划电流。
从本文描述的示例中将理解，系统20可以采用使用有源控制或使用有源和无源控制相组合的泄漏电流抵消。有源控制技术采用基于输入或反馈信号进行确定的元件。无源控制技术采用在不进行有源确定的情况下无源地提供泄漏电流抵消的元件，诸如变压器、电阻器、电容器、电感器之类。有源控制技术可以包括无源元件以补充有源设备。这些有源和无源泄漏电流抵消系统中的一个或多个可以包括在控制台22中。
在图3所示的一个实施例中，提供了等效电路，其示出了用于抵消泄漏电流的第一源68′和第二源74′的操作。第一源68’是无源类型的，并且被描述为AC电压源。第二源74’是有源类型的，并且被描述为可变AC电压源。第一源68′产生第一抵消电流80′，第二源74′产生第二抵消电流122′。因此，第一和第二源68′，74′是电流源，因为这些源68′，74′分别产生抵消电流80′，122′，如图3所示。源68’，74’在本文中称为电流源。
电源表示56(包括电源82和变压器产生用于手术工具28的驱动信号105。这些源68′，74′将抵消电流80′，122′注入驱动信号105或驱动信号105的路径104中。
在该等效示意图中，第一电流源68'与电容器70串联，第二电流源74'与电容器76串联。阻抗58代表手术工具28的已知阻抗，电阻器66代表穿过手术部位33的可变阻抗，并且电容器60和64分别代表高压侧和低压侧电压导体100、102的电容。这些电容可以是寄生的，从而导致泄漏电流62’的产生。在该示例中，驱动信号105中的泄漏电流62'正在通过电容器60。
根据IEC 60601医学设计标准，电动手术工具系统20的泄漏电流应保持在100μAmps或更小。如果电动手术工具系统20被设计为在心脏组织上或心脏组织附近使用，则最大泄漏电流为10pAmps。
在一些实施例中，第一电流源68′被设计为抵消大部分(例如50％-90％)的泄漏电流62'。第二电流源74′产生第二抵消电流122′以抵消在第一抵消电流80′抵消之后仍存在的残余泄漏电流62′中的至少一些。例如，此残余泄漏电流62'可以是总泄漏电流62'的1-40％。在一个示例中，第一电流源68可以被设计为抵消高达±500pA的患者泄漏电流，同时留下少量的残余泄漏电流，例如±40pA的患者泄漏电流。在其他示例中，第二电流源74'可以抵消大部分泄漏电流62'。
在理想的控制台22中，驱动信号105的泄漏电流62'将等于第一抵消电流80'加上第二抵消电流122'。替代实施例可以使用单一有源或无源电流源，有源和/或无源电流注入源的任何组合，或上述的任何多个。
从本文所述的实施例中可以理解，第二(有源)电流源74可以包括除了实际产生第二抵消电流122的那些部件之外的其他部件。所述其他部件可以例如帮助确定如何或何时产生第二抵消电流122。这样，本文所述的短语“第二电流源”不仅仅限于电流产生部件。
现在参考图4-7，描述了第一电流源68和第二电流源74的其他方面。第一电流源68也可以被称为匹配电流源。根据一个实施例，第一电流源68包括泄漏控制绕组92。泄漏控制绕组92也可以被称为调谐绕组或感测绕组。泄漏控制绕组92可以与变压器90集成在一起，使得变压器90包括泄漏控制绕组92。如何将泄漏控制绕组92和电容器94都与变压器90制成一体的示例在PCT申请No.PCT/US2017/034437中描述了，其内容公开在PCT公开文献No._____中，其内容被通过引用方式整体并入本文。第一电流源68还可包括电容器94。
初级绕组84在泄漏控制绕组92上感应出电流。该电流的感应有助于由第一电流源68产生第一抵消电流80。第一抵消电流80被注入到驱动信号路径104的低侧电压导体102中。虽然图4示出了被注入到低侧电压导体102中的第一抵消电流80，但是可以将相反极性的抵消电流注入到高侧电压导体100中以抵消泄漏电流62'。在控制台22包括上面产生驱动信号105的变压器90的实施例中，形成第一电流源68的部件中的一个部件或所有部件可以与变压器90构建成单一单元。
关于变压器90和第一电流源68的结构的其他细节可以在PCT申请No.PCT/US2017/034437中找到，其内容被公开在PCT公开文献No._____中，其内容在前面已经通过引用方式整体并入本文。
A.闭环泄漏电流抵消控制
参照图2、4、5和7，描述了控制台22用来抵消至少一些泄漏电流62的第二电流源74的实施例。在一个示例中，第二电流源74利用反馈信号来抵消至少一些泄漏电流62，该反馈信号可以是驱动信号105的电流或电压的量度。
在图2所示的控制回路中示出了通过使用反馈信号来抵消泄漏电流62。一个或多个传感器36测量驱动信号105的特征，并输出与泄漏电流62有关的感测信号110'。感测信号110’可以是电流、电压、或与泄漏电流62具有已知或可确定的关系的任何特性。目标值114’被设定，并且可以是0或任何其他正或负值。目标值114’可以是包括电流幅度或电压的目标信号。目标值42可以包括AC和DC分量两者。确定感测信号110’和目标值114’之间的差以生成误差信号44。在一实施例中，该误差信号44通过求和级40将正的目标值114′与感测信号110′取负值(negative)相加来计算。确定该感测信号110’和目标值114’之间的差的许多其他方式可以代替该求和过程。
误差信号44通过增益设备46成倍增加(multiply)。增益设备46可以增加，减少或允许误差信号44保持相同。增益设备46可以是电路，软件或两者的组合。增益设备46输出被注入到驱动信号105'中用以抵消泄漏电流62的抵消电流122'。代表手术工具28被施加于患者的人体模型50由驱动信号105供电，该驱动信号105包括抵消电流122'。控制回路的传递函数可以表示为：TF＝G/(l+S*G)。其中G代表增益46，S代表感测信号110′。图2所示的原理在图4、5和7所示的手术系统20的实施例中实现。
在图4-7中描绘了与减小或消除泄漏电流62有关的手术系统20的部件。图4、5和7分别描绘了具有无源(第一)和有源(第二)泄漏电流抵消源68、74的实施例。
第二电流源74接收两个输入，即感测信号110和目标值114。在一个实施例中，如图4中所示，变压器106被用于感测驱动信号105中的残余泄漏电流62并产生感测信号110。变压器106包括驱动路径104作为初级绕组。换句话说，变压器106的初级绕组包括高侧电压导体100和低侧电压导体102。变压器106具有实现传感器108的次级绕组。
传感器108感测驱动路径104中的共模电流，并且将指示共模电流的感测信号110输出到第二电流源74。共模电流提供与泄漏电流62的某种指示或关系。主要地，高侧电压导体100将电流传导至手术装置，而低侧电压导体102将电流远离手术工具28传导。理想地，这些电流100和102的大小相等并且极性相反。当存在泄漏电流62时，高侧电压导体100上的电流大小将与低侧电压导体102上的电流大小不同。此电流差是共模电流。共模电流是在单一方向上流动的电流的量度。当在驱动路径104上存在共模电流时，它会产生磁场，磁场由次级绕组、即传感器108感测。在该实施例中，共模电流与驱动信号105的泄漏电流62直接相关，因为仅当在高侧电压导体100和低侧电压导体102之间损失了一定量的电流时才会存在共模电流。如果不存在泄漏电流62，则高侧电压导体100具有的电流与低侧电压导体102上的电流相等、且相反。在这种情况下，电动手术工具系统中的共模电流和泄漏电流62均为0或基本为0。
在图5中，传感器108被传感器126代替，传感器126被示为电容器。传感器126感测驱动路径104的低侧电压导体102上的电压。当不存在泄漏电流62时，相对于电源82，低侧导体上的电压将为0伏或大约0伏。
在屏蔽件99也电连接到手术工具28中的低压导体102的实施例中，共模电流是高压导体100的电流和低压导体102上加屏蔽件99上的电流之间的差。
在图4、5和7中，泄漏电流62被示为与低压导体102上的驱动信号105的那一部分相反的小电流，以表示已经从驱动信号105逸出并通过另一路径传递到地的电流。该泄漏电流62是在整个系统中可能以多种方式和位置流失的电流的结果，包括系统20的元件之间的电容性耦合和/或通过患者的电流泄漏。泄漏电流62可以示出在发生非计划的电流流动的任何地方。在一些情况下，第一抵消电流80和第二抵消电流122可导致沿与图中所示的泄漏电流62的方向相反的方向流动的泄漏电流62。
感测信号110可以被一个或多个增益设备修改，如图4、5和7中被描绘为放大器112。感测信号110被输入到第二电流源74，以确定第二抵消电流122。
向第二电流源74的第二输入是目标值114，在图4、5和7的右侧示出。感测信号110和目标值114被馈送入具有放大器120的求和放大器118中以输出第二抵消电流122。在图4和7中，目标值114是用于与感测信号110进行比较的目标电流，该目标电流用于确定第二抵消电流122。在该示例中，目标电流可以例如是0安培，代表消除了泄漏电流的理想情况。在图5中，目标值114是目标电压，其可以设置为0伏，例如，也代表消除了泄漏电流的理想情况。除了本文描述的那些目标值之外的其他目标值114也是可以预期的并且可以被利用。
如图4、5和7所示，电源驱动第二电流源74。在所示示例中，这是为变压器90通电的同一电源82。下面描述电源82与第二电流源74有关的其他方面。替代地，为第二电流源74供电的电源可以与电源82不同。目标值114可以具有一定量的DC偏移，因为DC电源82被用于向第二抵消电流122通电。目标值114可以由增益设备116修改，然后用作具有附加放大级120的求和放大器118的输入。具有放大级120的求和放大器118确定目标值114与感测信号110之间的差。然后，具有放大级120的求和放大器118输出第二抵消电流122。
在将第二抵消电流注入驱动路径104之前，可以使用电容器124来阻止第二抵消电流122的任何DC分量进入驱动路径104。在一些实施例中，电容器124使用低电容。
该第二抵消电流122抵消了在注入第一泄漏电流抵消80时剩余的至少一些残余泄漏电流62。不管所使用的传感器106、126的类型如何，第二抵消电流122都将改变低侧电压导体102上电流的大小，以使其更紧密地匹配高侧电压导体100上电流的大小，并且使相对于电源82的电压更接近0伏。
在图4、5和7中所示的有源电流泄漏抵消技术的未公开的等效方案被完全设想出来。图4、5和7中所示的示意图可以包括与图中具体示出的部件不同、但仍然产生合适的抵消电流(如所预期的)的其他部件或不同部件。
B.开环控制电流抵消控制
图6示出了用于产生第二电流抵消电流122的第二电流源74的另一实施例。在该实施例中，不利用来自驱动信号105的测量。相反，包括传感器130以测量由变压器90产生的AC信号。在一示例中，该AC信号是手术工具28手持件的电压。传感器130可以是变压器90的一部分或对其的补充。在图6的实施例中，传感器130是变压器绕组。
传感器130测量跨变压器90产生的AC信号，并将感测信号发送到增益级132，增益级132被配置为缩放来自传感器130的AC信号。可变增益设备132可以是第二电流源74的一部分，或者可以与之分离。
选择接口134被耦合到第二电流源74和增益级132。选择接口134被配置为使得能够选择多个泄漏电流调节设置之一。泄漏电流调节设置提供用户可选择的泄漏电流62的微调抵消。泄漏电流调节设置可以保存在控制台22存储器中的查找表中。
在图6所示的例子中，选择接口134是电位计，其可以是由软件控制的可调电路或数字电位计。选择接口134也可以由控制台22的显示器34上的用户接口实现。可以考虑能够选择泄漏电流调节设置的其他类型的选择接口。
选择接口134使得能够更容易地调节正或负泄漏电流。可以进行调节以使控制台22能够满足IEC 60601或用于泄漏电流的任何其他或不同标准。
选择接口134通过第一增益级耦合到传感器130。选择接口134从第一增益级132接收AC信号的成比例变型(scaled version)。选择接口134耦合到可变增益放大器138，可变增益放大器138可以基于选择接口134的调节设置将增益从-1调节到+1。在选择接口134是电位计的情况下，可变增益放大器138包括与电位计接口以可变地操作该电位计的输出136。
在一实施例中，选择接口134被作为制造过程的一部分进行调节。这使得制造公差更大并确保每个控制台22满足使泄漏电流最小化的要求。
放大器138的输出然后被馈送到功率放大器140，该功率放大器140使用电源，例如为驱动信号105供电的电源82。在替代方案中，第二电流源74可使用单独的电源。放大器140将第二抵消电流122输出到驱动信号路径104中。第二抵消电流122在被注入驱动信号路径104之前被电容器124隔直流。
如同在先前部分中关于图4，5和7所描述的实施例一样，在图6的实施例中产生的第二抵消电流122可以与由第一电流源68产生的第一抵消电流80相结合使用，以提供对泄漏电流62的抵消的微调。
在图6中所示的有源电流泄漏抵消技术的未公开的等效方案被完全设想出来。图6中所示的示意图可以包括与图中具体示出的部件不同、但仍然产生合适的抵消电流(如所预期的那样)的其他或不同部件。
C.用于第二电流源的可变电源
对于本文中所描述的并且在图4-7中示出的任何实施例，耦合到变压器90的初级绕组84的电源82可以是可变电源。根据一个示例，电源82具有可被设置的可变输出DC电压水平。在一个实施例中，该电压在25至250VDC之间。也可以使用具有或不具有可变电压水平的其他类型的电源。基于施加到电源82的电源控制信号来设置来自电源82的信号的电压。电源82可以将DC输入信号施加到变压器90的初级绕组84的中心抽头。来自电源82的DC输入信号可以具有变化的电势。具体地，该输入信号的电势可被设置为作为将被施加到手术工具28的发电机27上的驱动信号105的电势的函数而变化。
该可变电源82可被用于向所有附图中示出的任何第二电流源74供电、驱动或以其他方式提供输入。第二电流源74可以耦合到驱动信号104的路径并且耦合到可变电源82。可变电源82被配置为给电流源74供电，并且(通过可变电源82供电的)电流源74被配置为产生抵消电流122，以注入到驱动信号的路径104中，以抵消驱动信号的泄漏电流。
具体地，被施加到初级绕组84的、来自电源82的DC输入信号也可以用作第二电流源74的放大器120或140中的一个或多个的输入，如图4、5和7所示。具体地，该DC输入信号可以用作正电压，以促进第二电流源74产生的信号的放大，以确保该信号处于正确的电压。在这些形式中，该DC信号也可以作为输入信号被施加到第二电流源74，如图4、5和7所示，电源82将其馈送到产生目标值114的级中。第二电流源74包括反馈子电路，该反馈子电路调节来自该可变电源82的目标值114，从而该信号不会由于被施加到所述一个或多个放大器的直流正电压的变化而漂移。在图6所示的实施例中，第二电流源74由连接到放大器140的可变电源82供电。
可变电源82驱动第二抵消电流122。在一个实施例中，这是为手术工具28的驱动路径104供电的同一电源82。使用同一电源82提供了好处，因为驱动第二抵消电流122所需的功率与驱动信号105的功率成比例地变化。可替代地，可以使用单独的电源来驱动第二泄漏电流源74。
虽然重复利用可变电源82为泄漏电流抵消源供电是有利的，但实施例可以包括单独的电源来生成第二抵消电流122。
可变电源82可以具有除图中所示和本文所述之外的配置和能力。此外，可变电源82可以耦合到控制台22的除了图中所示的部件之外的部件。
D.泄漏电流的故障检测技术
图7示出了与图4相同的部件，其中增加了故障检测级144，其可以由电路和/或软件来实现。
故障检测级144耦合到传感器106或可选地耦合到图5的传感器。故障检测级144被配置为从传感器106、126接收感测信号110，并生成故障检测信号158以检测与泄漏电流62有关的故障情况。
如果感测信号110指示泄漏电流62的水平超出了指定阈值，则可能是由于系统20中的故障，例如短路或患者连接到地面。当泄漏电流62过大时，故障检测级144在GPIO(通用输入/输出)线上触发故障检测信号158。
控制器160被耦合到故障检测级144，例如在GPIO线上，并且被配置为从故障检测级144接收故障检测信号158，并确定与泄漏电流62有关的故障情况。控制器160可以具有一个或多个微处理器，用于处理指令或用于处理存储在存储器中的算法以控制控制台22的操作。附加地或替代地，控制器160可以包括一个或多个微控制器，现场可编程门阵列，芯片上的系统，分立电路和/或能够执行本文所述功能的其他合适的硬件、软件或固件。故障检测级144和控制器160可以是组合的或分离的元件。
故障检测级144被配置为在预定时间段内感测故障检测信号158的存在，并且在达到上述预定时间段时将故障检测信号158发送到控制器160。故障检测级144可以这样做以确保持久故障被检测到并基于可忽略的或间歇的信号尖峰避免误报。
控制器160从GPIO线接收故障检测信号158，并且被配置为将故障检测信号158与目标值进行比较以确定故障情况。响应于确定故障情况，控制器160可以减小或终止对手术工具28的供电。控制器160可以触发对控制台22或手术工具28的不同于本文所述的其他响应。
图8示出了故障检测级144的一个实施例。在某些实施例中，故障检测级144仅在感测到的共模电流或低侧电压超过指定水平时才变为起作用。感测信号110可以由放大器112修改。该放大器112可以与被用于产生第二抵消电流122的第一增益级相同，或者它可以是单独的增益设备。然后感测信号110被馈送到低通滤波器146和整流器148。低通滤波器146去除超出指定阈值的高频信号。如果低通滤波器146相对接近滤波器频率，则它也可以使该信号衰减。被描绘为放大器148的增益设备可用于响应于任何衰减而改变感测信号110的振幅。在故障情况期间，感测信号110在每个驱动周期中脉动(例如，当驱动信号105处于最大振幅时，由传感器108感测到的共模电流将为最大，当驱动信号105最小时，共模电流将接近0)。将包括电容器150和电阻器152的滤波器放置到位，以将故障情况保持在脉冲之间的最大水平。滤波器的RC时间常数是电容器150的电容乘以电阻152的电阻。然后将故障信号输出到反相器154，该反相器154将所施加的信号反相以将故障信号158输出到控制器160。控制器160监控该信号，并且当故障情况存在特定时间段时，控制器160可以根据需要对系统采取适当的动作。控制器160采取的动作包括经由显示器34警告手术工具28的操作者，降低电源82输出的功率，和/或切断对手术工具28的电力。
故障检测级144，控制器160以及它们的部件可以与本文所述的不同，但仍实现如本文所述的用于检测泄漏电流故障的能力。
在前面的描述中已经描述了几个实施例。然而，本文讨论的实施例并非旨在穷举或将本发明限制为任何特定形式。已经使用的术语旨在具有描述性、而非限制性的词语性质。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的，并且可以以不同于具体描述的方式实践本发明。
从上述详细的说明中，本发明的许多特征和优点是显而易见的，因此，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的本发明的所有这些特征和优点。此外，由于本领域技术人员将容易地想到许多修改和变型，所以不希望将本发明限制于所图示和描述的确切构造和操作，因此，可以借助于落在本发明的范围内的所有合适的修改和等同形式。

Claims (46)

1.一种用于向手术工具供应驱动信号的控制台，所述控制台包括：
变压器，其包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组被配置为从电源接收输入信号并在次级绕组中感应驱动信号，以将所述驱动信号供应给手术工具；
第一电流源，其包括被耦合至所述驱动信号的路径的泄漏控制绕组，所述初级绕组被配置为在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流，以注入到所述驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流；以及
被耦合到所述驱动信号的路径的传感器，其中所述传感器被配置为输出感测信号以提供与泄漏电流有关的反馈。
2.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述电源是可变电源。
3.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述变压器和所述第一电流源被集成到单一封装中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述第一电流源还包括与所述泄漏控制绕组串联耦合的电容器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述初级绕组，所述泄漏控制绕组和所述次级绕组被配置为共同在所述泄漏控制绕组和所述次级绕组之间产生电容。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述驱动信号被配置用于驱动超声手术工具。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述驱动信号被配置用于驱动射频手术工具。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，还包括第二电流源，其被配置用于抵消泄漏电流，并且所述第二电流源被耦合至所述驱动信号的路径和所述传感器。
9.根据权利要求8所述的控制台，其中，所述第二电流源由所述电源供电。
10.根据权利要求8或9所述的控制台，其中，所述第二电流源被配置用于接收所述感测信号和目标值作为输入，并且确定第二抵消电流以注入到所述驱动信号的路径中来抵消残余泄漏电流。
11.根据权利要求10所述的控制台，其中，所述第二电流源包括耦合至所述传感器的增益设备，其中，所述增益设备被配置用于确定所述感测信号与所述目标值之间的差以及基于所述差来确定所述第二抵消电流。
12.根据权利要求11所述的控制台，其中，所述第二电流源还包括耦合至所述增益设备的电容器，其中，所述电容器被配置用于阻挡所述第二抵消电流的DC分量。
13.根据权利要求8、9、10、11或12所述的控制台，其中，所述第一电流源和所述第二电流源被配置用于共同地将泄漏电流减小到10μA或更小。
14.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述传感器被配置用于感测所述驱动信号的电流并且将所述驱动信号的电流作为感测信号输出。
15.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述传感器被配置用于感测所述驱动信号的共模电流，并且将所述驱动信号的所述共模电流作为感测信号输出，所述共模电流与所述驱动信号的泄漏电流有关。
16.根据权利要求14所述的控制台，其中，所述驱动信号的路径包括高压导体和低压导体，所述传感器进一步被限定为围绕所述高压导体和低压导体两者布置的变压器绕组，其中，所述变压器绕组被配置用于输出所述驱动信号的共模电流。
17.根据权利要求16所述的控制台，还包括被耦合到所述驱动信号的路径和所述传感器的第二电流源，所述第二电流源被配置用于接收所述共模电流和目标电流作为输入，并且确定第二抵消电流以注入到所述驱动信号的路径中来抵消残余泄漏电流，其中所述第二电流源包括增益设备，所述增益设备被配置用于确定共模电流与目标电流之间的差并基于所述差确定所述第二抵消电流。
18.根据权利要求17所述的控制台，其中，所述目标电流是0安培。
19.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述驱动信号的路径包括高压导体和低压导体，所述传感器被耦合至所述低压导体并且被配置用于感测来自低压导体的电压以及将所述电压作为感测信号输出。
20.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，其中，所述传感器是电容器。
21.根据权利要求19所述的控制台，还包括被耦合到所述传感器的第二电流源，所述第二电流源被配置用于接收所述感测电压和目标电压作为输入，并确定第二抵消电流以注入到所述驱动信号的路径中来抵消残余泄漏电流，所述第二电流源包括增益设备，所述增益设备被配置用于确定所述感测电压与目标电压之间的差并基于所述差确定所述第二抵消电流。
22.根据权利要求21所述的控制台，其中，所述第二电流源被配置为将所述第二抵消电流注入到所述低压导体中。
23.根据权利要求21所述的控制台，其中，所述目标电压是0伏。
24.根据前述权利要求中任一项所述的控制台，还包括故障检测级，所述故障检测级被耦合至所述传感器并且被配置为接收所述感测信号以生成用于检测与泄漏电流有关的故障情况的故障检测信号。
25.根据权利要求24所述的控制台，其中，所述故障检测级包括低通滤波器，整流器和被配置为改变所述感测信号以生成所述故障检测信号的滤波器。
26.根据权利要求24所述的控制台，还包括控制器，所述控制器被耦合到所述故障检测级并且被配置为从所述故障检测级接收所述故障检测信号以及确定与泄漏电流有关的故障情况。
27.根据权利要求24、25和26中任一项所述的控制台，其中，所述故障检测级被配置为在预定时间段内感测所述故障检测信号的存在，并且在达到所述预定时间段时将所述故障检测信号发送至控制器。
28.根据权利要求24、25、26和27中任一项所述的控制台，其中，所述控制器被配置为将所述故障检测信号与目标值进行比较以确定故障情况并响应于故障情况的确定而减小或终止对所述手术工具的功率。
29.一种用于向手术工具供应驱动信号的控制台，所述控制台包括：
变压器，其包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组被配置为接收来自电源的输入信号并在次级绕组中感应驱动信号以将所述驱动信号供应给手术工具；
第一电流源，其包括被耦合至驱动信号的路径的泄漏控制绕组，所述初级绕组被配置为在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流，以注入驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流；
传感器，其被配置为感测输入信号的特征并输出与输入信号的特征有关的感测信号；
第二电流源，其被耦合到驱动信号的路径；
可变增益设备，其被耦合至传感器和第二电流源；和
选择接口，其被耦合到第二电流源和可变增益设备，并且被配置为使得能够选择多个泄漏电流调节设置之一并将所选择的泄漏电流调节设置提供给可变增益设备；
其中，所述可变增益设备被配置为接收感测信号并且基于所选择的泄漏电流调节设置来修改所述感测信号；并且
其中，所述第二电流源被配置为基于来自可变增益设备的修改的感测信号生成第二抵消电流，并且将第二抵消电流注入驱动信号的路径中以抵消驱动信号的泄漏电流。
30.根据权利要求29所述的控制台，其中，所述第二电流源包括可变增益放大器。
31.根据权利要求2929中任一项所述的控制台，其中，所述传感器是变压器绕组。
32.根据权利要求29所述的控制台，其中，所述选择接口是电位计。
33.根据权利要求32所述的控制台，其中，所述电位计是由软件控制的数字电位计。
34.根据权利要求29、30、21、32和33中任一项所述的控制台，其中，所述泄漏电流调节设置被存储在非暂时性存储器中的查找表中。
35.根据权利要求29-34中任一项所述的控制台，其中，所述变压器的初级绕组被耦合到可变电源。
36.根据权利要求35所述的控制台，其中，所述可变电源还向所述第二电流源供电。
37.一种用于向手术工具供应驱动信号的控制台，所述控制台包括：
可变电源；
包括初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组被耦合到可变电源，并且被配置为接收来自所述可变电源的输入信号并在次级绕组中感应驱动信号以将所述驱动信号供应给手术工具；和
电流源，其被耦合到驱动信号的路径并耦合到可变电源，其中，所述可变电源被配置为向电流源供电，并且其中所述电流源被配置为生成抵消电流以注入到驱动信号的路径中来抵消驱动信号的泄漏电流。
38.根据权利要求37所述的控制台，还包括被耦合至所述驱动信号的路径的传感器，其中，所述传感器被配置为输出感测信号以提供与泄漏电流有关的反馈。
39.根据权利要求38所述的控制台，其中，所述电流源被耦合到所述传感器。
40.根据权利要求39所述的控制台，其中，所述电流源包括被耦合至所述传感器的增益设备，其中，所述增益设备被配置为接收所述感测信号和目标值作为输入、并确定所述感测信号与所述目标值之间的差、以及基于所述差来确定抵消电流。
41.根据权利要求37至40中任一项所述的控制台，还包括：
传感器，其被配置为感测所述输入信号的特征并且输出与所述输入信号的特征相关的感测信号；
可变增益设备，其被耦合至传感器和电流源；
选择接口，其被耦合到电流源和可变增益设备，并且被配置为使得能够选择多个泄漏电流调节设置之一并将所选择的泄漏电流调节设置提供给可变增益设备；
其中，所述可变增益设备被配置为接收所述感测信号并且基于所选择的泄漏电流调节设置来修改所述感测信号；并且
其中，所述电流源被配置为基于来自可变增益设备的修改的感测信号来产生抵消电流。
42.根据权利要求37至41中任一项所述的控制台，其中，所述可变电源在从25VDC到250VDC定义的范围内是可变的。
43.根据权利要求40所述的控制台，其中，所述可变电源为用于所述目标值的源通电，并且所述可变电源被配置为除向AC值之外还向所述目标值提供DC偏移。
44.一种操作用于向手术工具供应驱动信号的控制台的方法，所述控制台包括包含初级绕组和次级绕组并且次级绕组被耦合至驱动信号的路径的变压器，包括被耦合至所述驱动信号的路径的泄漏控制绕组的第一电流源，和被耦合至所述驱动信号的路径的传感器，所述方法包括：
通过初级绕组来接收来自电源的输入信号；
通过初级绕组在次级绕组中感应驱动信号；
通过次级绕组将驱动信号供应给手术工具；
通过初级绕组在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流；
通过第一电流源将第一抵消电流注入驱动信号的路径中；
利用第一抵消电流抵消驱动信号的泄漏电流；和
通过传感器输出感测信号以提供与泄漏电流有关的反馈。
45.一种操作用于向手术工具供应驱动信号的控制台的方法，所述控制台包括包含初级绕组和次级绕组的变压器，包括被耦合至所述驱动信号的路径的泄漏控制绕组的第一电流源，传感器，被耦合到所述驱动信号的路径的第二电流源，被耦合到所述传感器和所述第二电流源的可变增益设备，以及被耦合到所述第二电流源和所述可变增益设备的选择接口，所述方法包括：
通过初级绕组从电源接收输入信号；
通过初级绕组在次级绕组中感应驱动信号；
通过次级绕组将驱动信号供应给手术工具；
通过初级绕组在泄漏控制绕组中感应第一抵消电流；
通过第一电流源将第一抵消电流注入所述驱动信号的路径中；
通过传感器感测输入信号的特征；
通过传感器输出与输入信号的特征有关的感测信号；
通过选择接口使得能够选择多个泄漏电流调节设置之一；
通过选择接口将所选择的泄漏电流调节设置提供给可变增益设备；
通过可变增益设备接收感测信号；
通过可变增益设备基于所选择的泄漏电流调节设置来修改所述感测信号；
利用第二电流源基于来自可变增益设备的修改后的感测信号产生第二抵消电流；以及
利用第二电流源将第二抵消电流注入驱动信号的路径中以抵消驱动信号的泄漏电流。
46.一种操作用于向手术工具供应驱动信号的控制台的方法，所述控制台包括可变电源，包括初级绕组和次级绕组并且其中初级绕组被耦合到所述可变电源的变压器，以及被耦合到所述驱动信号的路径并耦合到所述可变电源的电流源，所述方法包括：
通过初级绕组从可变电源接收输入信号；
通过初级绕组在次级绕组中感应驱动信号；
通过次级绕组将驱动信号供应给手术工具；
通过可变电源为所述电流源供电；
通过被供电的电流源产生抵消电流，以注入到所述驱动信号的路径中来抵消所述驱动信号的泄漏电流。
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