CN113598892A - 包括具有漏电控制绕组且具有电容器的变压器的控制台 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动手术工具(310)的控制台，包括具有次级绕组(264)的变压器(250)，工具驱动信号存在于次级绕组上。变压器内部还具有匹配电流源，其包括漏电控制绕组(246)和电容器。由匹配电流源供应的电流至少部分地抵消可能存在的漏电流。

Description

包括具有漏电控制绕组且具有电容器的变压器的控制台
本申请是申请日为2017年5月25日、申请号为201780047057.9、发明名称为“包括具有漏电控制绕组且具有电容器的变压器的控制台”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
本发明总体上涉及一种向电动手术工具供应驱动信号的电源控制台(powerconsole)。本发明的电源控制台包括具有内部匹配电流源的变压器。该电流源产生被匹配至寄生电流的电流以最小化漏电流。.
背景技术
通常可以认为电动手术工具系统具有三个基本组成部分。控制组件产生驱动信号，该驱动信号具有用于致动本系统的第二组成部分、电力发生器(power generator)所需的特征。电力发生器典型地将驱动信号的电能转换成另一种形式的能量。电能转换成的能量的类型包括机械能，热能(热)和光子(光)能。该工具系统的第三组成部分是能量施加器。能量施加器接收电力发生器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用于施加被引向目标组织的电能。在这种类型的系统中，电力发生器实质上是驱动信号被施加到暴露的电极上的导体，电流通过该电极提供到组织。这些电极用作能量施加器。
许多手术工具系统的一体部件是机头。至少，机头是设计成由医师握持的物理部件，能量施加器从机头延伸。通常，电力发生器包含在机头中。一种如此设计的手术工具系统是超声手术工具系统。该系统的机头包括由一个或多个驱动器组成的电力发生器。每个驱动器响应于AC信号的施加而振动。喇叭形部与驱动器紧密地机械耦合。用作能量施加器的尖端从喇叭形部向远侧延伸。驱动器的振动促使喇叭形部中甚至尖端中类似的振动。振动的尖端抵靠着组织运动导致组织的消融、移除。
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跨过这些系统的组成部分存在寄生电容。寄生电容是横跨电压不等的两个部件而存在的电容。存在该电容的结果是寄生电流可以流过其中的一个部件。例如，当机头包括施加AC驱动信号的电力产生单元时，由于机头和机头内部发电部件的金属结构(电流流经)之间的寄生电容，寄生电流可以流过金属结构部件。该寄生电流有助于所谓的漏电流。漏电流是流经出于其他目的而施加了电流的系统部件的不希望的电流。
出于安全原因，电动手术工具的机头被应用的患者被认为与大地相连。如果可能存在漏电流的机头被应用到患者，那么理论上漏电流可以通过患者流到地面。该电流可能不利地影响患者自身器官和组织的功能。这就是为什么具有旨在应用至大多数患者的机头的手术工具系统通常被设计成确保额定漏电流小于100微安。具有旨在应用至心脏组织的机头的手术工具系统典型地必须设计成使额定漏电流小于10微安。这些要求基于IEC60601医疗设计标准。IEC 60601标准还描述了测试电动手术工具的过程，以确保漏电流低于这些最大值。
还有一个要求是，出于安全原因，应用于患者的工具不能用作到地面的连接。这样，如果来自另一个源的电压被以某种方式施加到了患者，本工具将不起接地的作用，接地会导致电流流过患者。
采用了许多方法来减少来自电动手术机头的漏电流的流动。一种方法是减小寄生电容，以减少寄生电流。如果工具是超声机头，则可以通过在驱动器和喇叭形部之间提供电绝缘阻抗盘来减小寄生电容，其中机头的机械部件将由驱动器振动。与提供这些盘相关的缺点是它们抑制了从驱动器到喇叭形部和尖端的振动传递。这种机械阻尼降低了手机的效率。
减少漏电流的第二种方法是提供匹配电流源。匹配电流源向与机头电力产生单元相关联的低侧导体施加电流。理想地，该匹配电流与高侧导体上存在的寄生电流方向相反并且大小相等。匹配电流抵消寄生电流。理想地，寄生电流的抵消消除了寄生电流对漏电流的贡献。漏电流主要由寄生电流组成。因此，寄生电流的消除基本上消除了漏电流从机头通过患者的流动。
匹配电流源由两个组成部分形成。这些组成部分中的第一个是与变压器一体的补充绕组，是控制组件的一部分。这些组成部分中的第二个是与变压器不同的电容器。
上述类型的组件相当好地用于提供匹配电流源，该电流源提供用于抵消流过高侧导体的漏电流的电流。然而，目前的做法是采用Y型电容器作为电流源的第二组成部分。可以允许在Y型电容器上产生的最大电压通常为250VAC或更低。超声机头的导体上存在的电压通常可能超过1000VAC。因此，已经证明很难证实具有带匹配电流源的超声驱动器的手术工具系统能够减少漏电流的大小。
与为电动手术工具系统提供用于减小漏电流的匹配电流源相关的另一个困难是可能难以调节流出该电流源的电流。这可能导致工具系统进入寄生电流和匹配电流实质上不相等的状态。如果机头进入该状态，则存在高于可容许水平的漏电流流过患者的可能。
发明内容
本发明涉及一种用于手术工具系统的新型且有用的电源控制台。电源控制台用作向系统的电力产生单元提供驱动信号的系统组件。更具体地，本发明的手术工具系统的电源控制台包括具有独立匹配电流源的变压器。
本发明的电源控制台包括变压器，该变压器用作输出驱动信号的控制台部件，所述驱动信号被施加到系统机头的电力产生单元。输入信号施加到变压器的初级绕组。存在于变压器次级绕组上的信号是驱动信号。
变压器还包括匹配电流源。该匹配电流源产生的电流与在高侧导体之间存在的寄生电流大小相等、方向相反，驱动信号在该高侧导体上施加到工具系统的电力产生单元。该匹配电流源包括绕组和电容器。绕组称为漏电控制绕组。漏电控制绕组的一端接地。电容器串联在漏电控制绕组的自由端和低侧导体之间。
通常，匹配电流源的电容器包括缠绕在变压器的绕组周围的至少一层导电箔。该导电包层用作电容器的一个极板。
在本发明的一些形式中，变压器包括围绕这些绕组设置的第二导电包层。在本发明的一些类型中，该第二包层用作电容器的第二极板。在本发明的这个版本的一些类型中，第二导电包层用作环绕该导电材料层所包裹的一个或多个绕组的屏蔽。
在本发明的一些形式中，这些绕组中的一个绕组的一部分也用作匹配电流源的电容器的第二极板。在本发明的这种形式的一些类型中，次级绕组的至少一部分用作容器的第二极板。在本发明的这种形式的其它类型中，漏电流绕组用作电容器的第二极板。
在本发明的一些形式中，漏电流绕组包括多个子绕组。一个或多个开关将这些子绕组连接在一起。本发明的这个特征允许对于初级绕组上的给定电压而对由匹配电流源产生的电压、乃至于电流进行选择性地设定。这允许选择性地设置由匹配电流源供应的电流水平。这提供了在与变压器一体的控制台的制造期间以增加的精度设定由匹配电流源提供的电流水平的能力，使得该电流水平基本上等于寄生电流。在本发明的一些结构中，这种设定由匹配电流源提供的电流水平的能力还使得可以使用单一控制台向需要明显不同频率的驱动信号的机头提供驱动信号。
在本发明的许多形式中，变压器还包括感测绕组。感测绕组上的信号被系统的其他部件用作表示驱动信号的电压的信号。在存在感测绕组的本发明的一些形式中，感测绕组连接到漏电控制绕组。
本发明的一些电动手术工具系统是超声工具系统。超声工具系统包括一个或多个驱动器。驱动器是用作系统的电力产生单元的换能器。当AC驱动信号被施加于这些驱动器时，它们周期性地收缩和膨胀。尖端被机械连接到这些驱动器。驱动器的膨胀/收缩引起尖端的振动运动。将尖端应用于患者的组织，使得振动作用对组织产生适当的治疗效果。
附图说明
本申请所针对的发明在权利要求中详细指出了。从以下结合附图的详细描述中可以理解本发明的上述和其它特征和优点，其中：
图1描绘了包括本发明的特征的电动手术工具系统的基本组成部分；
图2是该系统的工具的机械部件、机头的图解示意；
图3是该系统的控制台和机头两者的基本电气部件的框图；
图4是控制台内部的变压器、机头和机头所应用的患者的示意图。
图5是本发明的第一变压器的剖视图；
图6是图5的变压器的示意图；
图7是本发明的第二变压器的剖视图；
图8是图7的变压器的示意图；
图9是本发明的第三变压器的剖视图；
图10是图9的变压器的示意图；
图11是本发明的第四变压器的示意图。
具体实施方式
现在参考图1和2总体上描述本发明的电动手术工具系统40。系统40包括机头310。机头310是超声手术工具。因此，在本发明的该形式中，系统40可被描述为超声手术工具系统。机头310包括形成机头的近侧端的本体或壳体312。(“近侧”应理解为是指朝向握持机头的医师、远离机头所应用的部位。“远侧”应理解为是指远离医师、朝向机头所应用的部位。)本体312是机头310的实际上由医师保持的那一部分。
一个或多个振动压电驱动器324(图中示出为四个)设置在壳体312内。在图2中，未看到机头壳体312，因此机头310的内部部件被暴露。每个驱动器324由当AC电压施加到该驱动器时经历瞬时膨胀或收缩的材料形成。这些膨胀/收缩位于驱动器324的纵向轴线上，该轴线在驱动器的朝向近侧的面和朝向远侧的面之间延伸。一对引线328，在图2中仅看到两个引线，远离每个驱动器324延伸。引线328被附接到驱动器324的上述相反的朝向近侧的面和朝向远侧的面。许多、但不是所有的机头310都包括盘形的压电驱动器324。这些驱动器324以堆叠体的方式首尾相连地布置。引线328是系统40中将电压以驱动信号的形式施加到驱动器324的部件。在图2中，驱动器324显示为彼此间隔开。这是为了便于说明这些部件。事实上，各驱动器324紧密抵接。
驱动器324应理解为将施加到驱动器的电能转换成机械功率。因此，驱动器324共同起作用，用作系统40的(机械)电力发生器。
柱330纵向延伸穿过驱动器324。柱330沿着各驱动器的共线的纵向轴线延伸穿过驱动器324。图中看不到位于驱动器324内部的、柱330延伸穿过的孔。柱330从位于最近侧的驱动器324和位于最远侧的驱动器324向外突伸出来。
近侧端质量块320与位于最近侧的驱动器324的指向近侧的面相邻设置。柱330的被暴露的近侧端部分被固定地附接到质量块320。如果柱330具有螺纹，则质量块320可以是螺母。
喇叭形部334从位于最远侧的驱动器324的指向远侧的面向前延伸。尽管未示出，但绝缘盘可位于远侧驱动器324和喇叭形部334之间。喇叭形部334具有近侧端基部，其直径大致等于驱动器324的直径。从驱动器324向远侧、向前延伸，喇叭形部334的直径减小。柱330的被暴露的远侧端部分被附连到喇叭形部334。如果柱330具有螺纹，则喇叭形部基部可以形成有用于接收柱330的螺纹孔(未标识)。机头310被构造成使得驱动器324的堆叠体被压缩在近侧端质量块320和喇叭形部334之间。
尖端340从喇叭形部334的远侧端向前延伸。由圆柱体336表示的联接组件从喇叭形部334向前延伸。联接组件将尖端340可移除地保持到喇叭形部334并因此保持到机头310的其余部分。联接组件的结构不是本发明的一部分。尖端340包括细长杆342。杆342是尖端的通过联接组件附接到喇叭形部334的那一部分。杆342在机头壳体312的前方延伸。尖端340形成为在杆342的远侧端处具有头部344。一些尖端头部344具有光滑的表面。一些头部344形成有齿346。头部344的几何形状不是本发明的一部分。尖端头部344是机头310应用于患者手术部位的那一部分。在图1中，示出了尖端头部344应用于组织380的一部分。
一些尖端头部344设置有齿，所述齿被设计成直接应用于硬组织，例如骨骼。当这种类型的尖端往复运动时，齿以与传统锯片切割组织相同的方式切割组织。
典型地，套管350设置在尖端杆342上。典型地，套管350从杆342被附接到喇叭形部334的位置附近延伸到头部344近侧大约0.5cm的位置。总地来说，机头310，尖端340和套管350构造成使得套管限定在尖端的外表面和套管的环绕内表面之间延伸的流体流动导管。套管350具有接头352，其与套管的、延伸到此导管的近侧端相邻。导管在套管350的远侧端处开口。当使用机头310时，冲洗溶液从套管接头开始、沿着套管流动并且与尖端头部344相邻地排出。在该系统的一些形式中，流体用作介质，尖端头部的机械振动通过该介质传递到组织。由于头部344的振动，该冲洗溶液还用作尖端头部产生的热能的散热器。
虽然没有看到，但是机头柱330，喇叭形部334和尖端340通常形成有导管。这些导管共同限定从尖端头部344到机头310近侧端的流体流动路径。当机头310工作时，通过这些导管进行抽吸。远离尖端所施加的部位通过套管350抽吸排出的冲洗流体。夹带在该冲洗流体中的是由于尖端340的致动而产生的碎屑。此抽吸还将这些组织吸向尖端头部344。缩短尖端头部和组织之间的距离改善了机械振动从尖端头部到组织的传递。
能够施加抽吸的系统40的机头310有时被称为吸出器或超声吸出器(aspirator)。
机头310还包括在图3中以块的形式看到的存储器338。存储器338包含描述机头特征的数据。存储器338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一部分。存储器338包含识别机头310的数据。存储器338还包含描述能够应用到机头驱动器324的驱动信号的特征的数据。本发明的大多数机头310包括存储器，该存储器除了包含能够被读取的数据之外还能够存储在制造机头310之后写入存储器的数据。未示出的辅助部件安装在机头上，以便于从存储器读取数据和向存储器写入数据。这些部件包括以下一种或多种：导体；裸露的触点/触针；线圈/天线；或隔离电路。
现在参考图1和3描述的控制台50也是本发明的系统40的一部分。控制台50通过连接着机头310的电缆304供应驱动信号。在机头310是超声机头的本发明的形式中，将电缆304和机头310组装为单一单元是常见的，但不是必需的。驱动信号被施加到驱动器324。在任何给定时刻，相同的驱动信号被施加到每个驱动器324。驱动信号的施加导致驱动器同时且周期性地膨胀和收缩。驱动器324堆叠体的长度通常在1到5cm之间。驱动器的单一膨胀/收缩循环运动的距离、幅值可以在1到10微米之间。喇叭形部334放大了此运动。因此，当从完全收缩位置移动到完全伸出位置时，喇叭形部334的远侧端、乃至尖端头部344通常移动最大1000微米，通常500微米或更小。一些尖端340还被设计成使得尖端杆342的纵向延伸/收缩还在头部344中引起旋转运动。此旋转运动有时被称为扭转运动。当机头310被致动以引起尖端的循环运动时，认为头部344正在振动。
一般在图3中看到的控制台50内部的部件包括电源52。电源52输出可以设定电平的DC电压。该电压通常在25到250VDC之间。基于施加到电源的POWER_SUPPLY_CONTROL(PS_CNTRL)信号来设置从电源52输出的信号的电压。由电源52输出的信号被施加到变压器250的初级绕组252的中心抽头。变压器初级绕组252的相反两端连接到线性放大器58。放大器58将电位和频率都变化的AC信号施加到变压器初级绕组252的两端。被施加到放大器58的BASE信号作为控制信号调节放大器58输出的信号的频率和电位。在系统40包括超声机头310的本发明的形式中，在初级绕组上产生的AC信号具有10kHz至100kHz之间的频率。该信号的峰峰电压至少为200伏，更优选至少为300伏。
电源52和线性放大器58的结构不是本发明的一部分。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，其内容包含在WO 2016/183084A1/美国专利公开号No.____中，两者都通过引用明确地并入本文。
在变压器250的初级绕组252上产生的AC信号在变压器250的次级绕组264上感应出AC信号。变压器250的次级绕组上的该信号是通过电缆304施加到机头驱动器324的驱动信号。在本发明的形式中，驱动信号用于致动超声驱动器，驱动信号通常具有至少500VAC且通常至少1000VAC的电压。
变压器250包括感测绕组256。有时，感测绕组256被称为反馈线圈(ticklercoil)。感测绕组256上存在的信号的电压被施加到电压测量电路66。基于感测绕组256上的信号，电路66产生表示驱动器324上的驱动信号的电位的大小和相位的信号。同样设置在控制台50中的线圈86设置成紧密靠近从变压器次级绕组264延伸的导体之一。线圈86上的信号被施加到电流测量电路68。电路68产生表示电流iS(被供应到机头驱动器324的驱动信号的电流)的大小和相位的信号。
表示施加到机头310的驱动信号的电压和电流的信号被施加到也在控制台50内部的处理器80。控制台50还包括存储器读取器78。存储器读取器78能够读取机头存储器338中的数据。存储器读取器78的结构补充了机头存储器338。因此，存储器读取器可以是：能够读取EPROM或EEPROM中的数据的组件或能够询问RFID标签和从RFID标签读取数据的组件。在本发明的如下形式中：其中从存储器338读取的数据被在导体上读取，驱动信号被在该导体上供应到机头310，存储器读取器78可以包括隔离电路。读取器78读取的数据被应用于处理器80。
连接到控制台50的是通/断开关。在图1和3中，通/断开关由脚踏板54表示。踏板54的状态由处理器80监控。通/断开关是调节系统40的开/关状态的用户致动的控制构件。在图1中，脚踏板54被示出为是包括多个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、抽吸泵或灯之类的装置。这些辅助装置不是本发明的一部分。
控制台50显示为具有滑动开关56。与脚踏板54一样，开关56的状态由处理器80监控。开关56由医师设定，以控制尖端头部344的振动的振幅的大小。脚踏板54和开关56应理解为是向系统40输入开/关和振幅设置命令的一般表示。在本系统的一些结构中，单一控制构件可以执行这两种功能。因此系统40可被配置为，使得在初始按下控制杆或脚踏板时，系统致使尖端头部经历振幅相对较小的振动循环。持续下压控制杆或脚踏板，控制台重置施加到机头上的驱动信号，以使尖端头部344经历具有更大幅值的振动循环。
显示器82内置在控制台50中。显示器82上的图像显示为由处理器80生成。显示器82上描绘的信息包括识别机头以及可能的尖端的信息以及描述系统的操作速率的特征的信息。显示器82可以是触摸屏显示器。在本发明的这些形式中，通过按显示器82上呈现的按钮的图像，可以将命令输入到处理器80中。未示出显示器82和处理器80之间的接口部件，其有助于在显示器上显示图像和将命令输入处理器中。
处理器80调节从控制台50输出的驱动信号。医师控制的输入是开/关踏板54的状态和滑动开关56的状态，处理器80基于所述医师控制的输入设定驱动信号。通过显示器82输入的命令也可以用于控制驱动信号的设定。驱动信号的特征还基于从机头存储器338读取的数据设置。驱动信号的特征还被控制台用作反馈信号，反馈信号进一步有助于驱动信号的设置。基于这多个输入，处理器80输出控制驱动信号的信号。这些信号是施加到电源52的POWER_SUPPLY_CONTROL信号和施加到放大器58的BASE信号。
通过参考图4获得对本发明的变压器250的操作理论的理解。图4是变压器250的有源电部件以及由部件产生的驱动信号所应用的部件的示意图。因此示出变压器具有芯270。在芯270的左侧，变压器250被示出为包括初级绕组252。从图3可以理解，初级绕组252的相反两端被连接到线性放大器58。电源52输出的电压被施加到初级绕组252的中心抽头。为了降低绘图复杂性，图4中未示出感测绕组256。
次级绕组264被示出为在芯270的右侧、与初级绕组252正好相对。在图4中，驱动器324以它们的电气等效物、电容器CD表示。电阻器RHP如图所示与电容器CD并联。电阻器RHP表示机头310和尖端340的阻抗的机械等效物。该阻抗实际上可以具有电阻部件，电容部件和电感部件。导体278表示将次级绕组264连接到驱动器324的、位于控制台50、电缆304和机头310内部的高侧导体。导体284是驱动器324和次级绕组264之间的低侧导体，返回导体。流入次级绕组264和从次级绕组264流向驱动器的电流是电流iHP。电流iHP是下述的函数：驱动信号的电压和机头的阻抗，电容器CD与阻抗RHp的机械等效的并联电路的阻抗。
在图4中还可以看到被认为是代表用于漏电流分析和测试的人体的电路。该电路基于IEC 60601中包含的标准。该电路由具有两个分支的并联电路组成。电路的第一分支是电阻器RT1。该模型的第二分支是与电容器CT并联的第二电阻器RT2。在该模型中，手术工具被应用于该电路的一端。电路的相反端被认为接地。为了防止损伤组织，电流从手术器械流到组织，通过该电路的漏电流iL应为零。由于电流iHP是驱动信号的结果，所以此电流全部从高侧导体278流经驱动器324并通过低侧导体返回。因此，电流iHP对漏电流iL没有贡献。
将驱动信号从次级绕组264施加到驱动器324的电路也具有寄生电容。这些电容表示为串联连接的电容器CPH和CPL。连接着电容器CPH和CPL的导体和地被示出为虚线部件，因为它们实际上不存在于电路中。电容器CPH和CPL的连接点接地。电容器CPH，即连接到高侧导体278的电容器，表示高侧导体和接地之间的寄生电容。电容器CPL，即连接到低侧导体284的电容器，表示低侧导体284和接地之间的寄生电容。
这些寄生电容的存在导致寄生电流流过系统40的导电部件。具体而言，通过电容器CPH的寄生电流是寄生电流iPH。通过电容器CPL的寄生电容导致寄生电流iPL的存在。如果寄生电流流经低侧导体284，那么这些电流将形成漏电流iL的组成部分。同样，为了防止损伤组织，应理解电流iL应该为零或至少尽可能接近零。
为了防止寄生电流流过低侧导体284，变压器250内部具有可变的匹配电流源。该电流源产生匹配电流iM，其被应用于低侧导体284，与电流iPH大小相等、方向相反，电流iPH是由于高侧电容CPH而存在的。该匹配电流iM的施加对寄生电流在导体284上流到组织380具有两方面的影响。首先，由于匹配电流iM等于或基本上等于寄生电流iPH，所以寄生电流iPH对施加到组织的电流iL的存在的贡献程度减小，即便是没有从基本上消除。出于本发明的目的，如果匹配电流抵消寄生电流到必要的程度以使得漏电流低于与变压器250一体的系统的标准，则匹配电流iM被认为基本上等于寄生电流iPH。当变压器250被包含控制台50内并且控制台50是手术工具系统40的、必须满足IEC 60601体浮标准(body floating standard)的那一部分时，如果匹配电流在寄生电流iPH的100微安的范围内，则认为匹配电流基本上等于寄生电流。当变压器250包含在控制台50内并且控制台50是手术工具系统40的、必须满足IEC60601心浮标准(cardiac floating standard)的那一部分时，如果匹配电流在寄生电流iPH的10微安的范围内，则认为匹配电流基本上等于寄生电流。
匹配电流iM的存在还对低侧寄生电流iPL有影响。具体地，由于匹配电流iM基本上等于高侧寄生电流iPH，因此寄生电容器CPL上的电压基本为零。由于这种电压均衡，几乎没有有助于通过组织380的漏电流iL的低侧寄生电流iPL，如果存在也非常少。
匹配电流源由两个部分组成，即漏电控制绕组246和电容器248，它们都是变压器250的组成部分。绕组246被称为漏电控制绕组，因为寄生电流很大程度上，如果不全部是，包括漏电流iL。漏电控制绕组246的一端接地。电容器248串联连接在漏电控制绕组246的自由端和低侧导体284之间。绕组246上的电压随初级绕组252上的电压而变化。因此，由绕组246和电容器248形成的匹配电流源可以被认为是可变电压源。
在图4中，控制台的基础显示为接地。此链接是通过电容器Cg。电容器Cg代表控制台和地之间的寄生电容。
图5示出了本发明的基础变压器250的结构。变压器250由铁氧体形成的E形芯270形成。芯270被成形为具有基部272。三个平行的腿从基部272向外延伸。第一腿、中心腿274从基部272的中心向外延伸。变压器250应理解为围绕穿过中心腿274的纵向轴线(图5中的水平轴线)对称。外腿275从基部的相反两端向外延伸，图中示出了一个。绕组246，252，256和264围绕着中心腿274缠绕并且被包含在由外腿275的相对内表面限定的圆的周边内。
变压器250被构造成使得最靠近芯中心腿274的绕组是初级绕组252。在本发明的图示形式中，初级绕组252显示为具有两层匝。匝层通过介电的绝缘包层(wrap)276分开。如下所述，变压器250包括多个绝缘包层276。包层276由聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂片形成。一种这样的树脂由Dupont Teijin Films以商标Mylar销售。该包层的厚度至少为0.005mm，通常厚度至少为0.008mm。形成初级绕组252的匝层之间的包层276被示出为没有延伸到芯270的基部272。这表示形成初级绕组252的匝层被连接在一起。设置在初级绕组256的外层上的绝缘层276被示出为在由布置着这些绕组的芯所限定的空间的整个长度上延伸。这表示初级绕组与在外侧相邻的下一个绕组隔离开。
感测绕组256是紧接着围绕着初级绕组252设置的绕组。在这些绕组中的任何绕组中，感测绕组256具有最少匝。这就是为什么在图5，7和9中感测绕组252被示出为包括单一层匝，其包括相对较少的单体匝。在本发明的许多形式中，必须适当地设定绕组的匝的相对方向，以确保变压器250正常工作。图5的变压器250被构造成使得感测绕组256的匝与初级绕组252的匝方向相同。
一绝缘层276在感测绕组256上延伸。
漏电控制绕组246是设置在感测绕组256上的绕组。在本发明的许多形式中，漏电控制绕组246的导线匝比感测绕组256多并且比次级绕组252少。形成漏电控制绕组的导线匝围绕着芯中心腿274缠绕，缠绕的方向与形成初级绕组252的导线匝缠绕的方向相反。一绝缘层276在漏电控制绕组246上延伸。
内部导电包层280围绕着设置在漏电控制绕组246上的绝缘层276延伸。包层280由诸如铜的导电材料形成，并且具有至少约0.002mm且通常至少0.003mm的厚度。该包层280以及下面描述的导电包层288和290是非短接的。这意味着该包层的相反两端不应连接在一起。绝缘层276设置在导电包层280上。
次级绕组264是设置在设置于内部导电包层280上的绝缘层276上的绕组。该次级绕组通常具有的单体导线匝最多并且在变压器250的绕组中具有的匝层最多。在图5，7和9中，这通过具有四层匝的次级绕组264象征性地示出。变压器250被形成为使得次级绕组的匝围绕着芯中心腿274的缠绕方向与形成初级绕组252的导线匝被缠绕的方向相反。没有延伸(在布置着这些绕组的芯内的)空间的整个长度的绝缘层276(其中一个层被识别出)被示出为与该次级绕组264的匝交错。
控制台50被配置成使得形成次级绕组的最内匝层的端部的导线终端是次级绕组被连接到低侧导体284的终端。变压器250的次级绕组264围绕着芯中心腿274缠绕的方向与初级绕组252被缠绕的方向相反。
一绝缘层276被示出为设置在次级绕组264的最外匝层的整个长度上。
第二导电包层、包层290设置在设置于次级绕组264上的绝缘层276上。一绝缘层276设置在第二导电包层290上。
通过参考图6理解变压器250的绕组之间的电连接。在图6中并且对比图8和10，初级绕组252如它真实构造的那样示出为双线(bifilar)绕组。每个双线绕组的一端连接到可变电源52。每个双线绕组的相反端连接到线性放大器58，示意性地表示为两个灌电流(current sink)。
感测绕组256的一端连接到漏电控制绕组246的一端。这两个共用的绕组端部接地。感测绕组256的自由端是该绕组附接到电压测量电路66的那一端。自由端漏电控制绕组246(绕组246的高侧)连接到内部导电包层280。
外部导电包层290连接到次级绕组264被连接到低侧导体264的那一端。外部导电包层290因此用作围绕着变压器绕组外面的电磁屏蔽。
在图5，7和9中，示出低侧导体284连接到屏蔽306。该屏蔽306在电缆304的内部。高侧导体278示出为延伸穿过屏蔽306。
当致动本发明的系统40时，控制台50使得在初级绕组252上生成AC电压。由于该电压而产生的电磁场在其他绕组246，256和264中感应出电压。在次级绕组264中感应的电压作为驱动信号施加到机头驱动器324。在感测绕组256上生成的电压作为驱动信号电压的量度被应用到电压测量电路66。
在漏电控制绕组246上产生的电压施加到内部导电包层280。该包层在形成次级绕组246的导线匝的相邻内部包层的2mm内，更优选地在1mm内。内部导电包层280通过位于这些导线包层之间的绝缘层276与次级绕组264的这些相邻匝分离开。因此，内部导电包层280，次级绕组的匝的相邻包层，以及这些包层之间的绝缘层276用作系统40的匹配电流源的电容器248。理想地，形成本系统的部件被构造成使得该电流源产生的电流与由于高侧寄生电容的原因而存在的电流iPH相等且反向。该漏电流iPH的抵消降低了，即便不消除，漏电流iL从本系统到组织内的流动。
本发明的变压器250的另一特征是电容器248上的电压可能超过500伏，更优选至少1000伏，而不会引起电容器或变压器本身的击穿。这意味着变压器250可以在次级绕组264上输出至少500伏特、更优选地至少1000伏特的驱动信号。具有这些电压的驱动信号是为某些电动手术工具(例如所述系统40的超声机头310)的电力产生单元供电所必需的。
图7示出了替代变压器250a的结构，其可以被结合到本发明的系统40的控制台50中。为了使冗余最小化，与芯的部分相关联的标识数字，与替代变压器250a和下面描述的替代变压器250b和250c相关联的绕组和绝缘层相关联的标识数字是相同的，其中这些部件与变压器250的那些部件相同。而且，为了使冗余度和绘图复杂性最小化，在图7和9中未识别初级绕组的各层与次级绕组的各层之间的绝缘层276。
如在本发明的第一实施例中那样，变压器250a被构造成使初级绕组252最靠近芯270的中心腿274进行缠绕。绝缘层276设置在初级绕组的外部层上。内部导电包层280设置在围绕初级绕组的绝缘层276上。
内部导电包层280被绝缘层276环绕。感测绕组256缠绕在围绕着内部导电包层280缠绕的绝缘层276周围。形成感测绕组256的导线匝与形成初级绕组252的导线匝在相同方向上缠绕。
次级绕组264缠绕于设置在感测绕组256上的绝缘层276上。变压器250a被构造成使得形成次级绕组264的导线匝与形成初级绕组的导线匝在相反的方向上缠绕。绝缘层276设置在形成次级绕组的匝的外部层上。
外部导电包层290设置在设置于次级绕组276上的绝缘层276上。绝缘层276设置在外部导电包层290上。
漏电控制绕组246设置在环绕着外部导电包层290的绝缘层上。变压器250a被形成为使得漏电控制绕组246的匝的缠绕方向与初级绕组252的匝缠绕的方向相反。绝缘层276缠绕在漏电控制绕组246周围，以便形成与变压器250a一体的绕组子组件的外皮。
如图8所示，变压器250a被构造成使得内部导电包层280连接到漏电控制绕组246的高侧端子。漏电控制绕组246的低侧接地。还接地的是感测绕组256的低侧。感测绕组的高侧连接到电压测量电路66。
外部导电包层290连接到次级绕组264的低侧。次级绕组264的低侧还连接到电缆304内部的屏蔽306。
变压器250a被构造成使得内部导电包层280用作电容器248的一个极板。电容器248的第二极板是次级绕组264的最内匝层。电容器248的介电层由围绕着感测绕组256的相反两侧设置的绝缘层组成。在本发明的这个形式中，感测绕组256设置在变压器250a的形成电容器248的那两个部件之间。感测绕组256上的电压相对较低，典型地是次级绕组264上的电压的5％或更小。乃至于，在感测绕组256周围产生的电场也相对较低。因此，在变压器250a的形成电容器248的那两个部件之间存在感测绕组256不会明显地影响电容器248的功能。这意味着电容器248与漏电控制绕组246相结合能够产生与寄生电流iPH基本匹配的电流，即使在电容器的极板之间存在感测绕组256。
外部导电包层290用作围绕着设置在包层290内的绕组252，256和258的屏蔽。
这种形式的变压器250a操作的一般方式与第一变压器250操作的一般方式相同。由于AC信号施加到初级绕组252，驱动信号在次级绕组264上产生。还在漏电控制绕组246上产生电压。到至低侧导体284的该电压当通过电容器248施加时导致在低侧导体上存在与在高侧导体和接地之间产生的寄生电流相等且反向的电流。此匹配电流降低，即便不会消除，寄生电流对被施加到应用该机头的组织上的漏电流的贡献程度。
变压器250a的另一个特征是漏电控制绕组246是变压器的最外部绕组。这意味着在所有其他绕组就位后，变压器可以放置在测试夹具(test fixture)中。通过在初级绕组上施加电压并测量通过测试夹具的电流和其上的电压，可以确定应该使用多少匝导线来构建漏电控制绕组，以确保在匹配电流源上产生的电流尽可能接近地匹配高侧漏电流。
现在首先参考图9来描述本发明的第二替代变压器250b。变压器250b被构造成使得与变压器250一样，初级绕组252是最靠近芯中心腿272的绕组。绝缘层276围绕着初级绕组252设置。感测绕组256缠绕在包裹着初级绕组252的绝缘层276周围。感测绕组256以与初级绕组252被缠绕的相同方向缠绕。绝缘层276包裹在感测绕组256周围。
内部导电包层280设置在围绕感测绕组256设置的绝缘层276上。绝缘层276设置在感测绕组256周围。次级绕组264设置在设置于感测绕组上的绝缘层276上。变压器250b被构造为使得次级绕组264以与初级绕组252相同的方向缠绕。绝缘层276设置在次级绕组264上。
中间导电包层288设置于包裹在次级绕组264上的绝缘层276上。绝缘层276设置在中间导电包层288上。外部导电包层290设置在设置于中间导电包层288上的绝缘层276上。绝缘层276设置在外部导电包层290上。
漏电控制绕组246设置在环绕着外部导电包层290的绝缘层上。漏电控制绕组246围绕着芯中心腿以与初级绕组252被缠绕的方向相同的方向缠绕。绝缘层276包裹在漏电控制绕组246周围，以便形成与变压器250b一体的绕组子组件的外皮。
如参考图10所示，变压器250b被构造成使得内部导电包层280和中间导电包层288都连接到变压器次级绕组264的低侧。因此，包层280和288共同形成电容器248的一个极板。外部导电包层290连接到漏电控制绕组246的高侧。外部导电包层290因此形成变压器250b中的电容器248的第二极板。导电包层288和290之间的绝缘层276用作电容器248的介电层的一部分。
变压器250b被构造成使得电容器248的两个极板都由导电包层形成。其中一个极板，被连接到次级绕组264的极板实际上由两个导电包层、包层280和288形成。因此，与变压器250和252a的电容器248相比，变压器250b的电容器248具有更高的电容。这使得可以减小漏电控制绕组的尺寸，同时仍然提供产生基本上等于寄生电流iPH的电流的匹配电流源。
图11是第三替代变压器、变压器250c的示意框图，其可以结合到本发明的系统40中。变压器250c设有先前描述的绕组252，258和264以及导电包层280，288和290。变压器250c的绕组252，258和264以及导电绕组280，288和290相对于芯270的中心腿274以与变压器250b的相同绕组和导电包层相同的顺序布置。
变压器250b和250c之间的区别在于，变压器250c具有三个变压器控制子绕组246a，246b和246c，而不是单一漏电控制绕组。物理上，子绕组246a，246b和246c设置在相对于绕组252，256和264相同的位置，单一绕组246相对于变压器250b中的相同绕组定位。在本发明的一些/但不是所有形式中，形成漏电控制绕组246a，246b和246c的导线匝与单一漏电控制绕组246a的绕组匝占据相同数量的层。
从图11中可以看出，感测绕组256的高侧连接到电压测量电路66。感测绕组256的低侧接地。内部导电层280和中间导电层288分别连接到次级绕组264的低侧。
与变压器250c一体的是开关阵列294。开关阵列294可以物理地附接到变压器250c或与变压器250c分离。每个子绕组246a，246b和246c的相反两端都被连接到开关阵列294。还连接到开关阵列294的是外部导电绕组290。开关阵列294也具有接地连接。开关阵列294的内部是许多开关，图中未示出。开关阵列内部的开关被配置为：将子绕组246a，246b，246c中的任何一个的高侧连接到外部导电包层组290；将子绕组的低侧连接到外部绕组的高侧；并将自绕组中的任何一个的低侧接地。
与变压器250b一样，变压器250c构造成使得导电包层280和288用作电容器248的一个极板。导电包层290用作电容器248的第二极板。
变压器250c被进一步形成为使得通过选择性设置所述开关来形成开关阵列294，296。通过选择性地设置开关阵列294的开关，子绕组246a，246b或246c中的任何一个，所述子绕组中的两个绕组的任意组合或所有的三个子绕组可以连接在外部导电包层290和地之间。这意味着子绕组246a，246b和246c中的任何一个，两个或全部可以用作匹配电流源的漏电控制绕组。本发明的这个特征有助于调节变压器250c的匹配电流源，以确保该源输出的电流iM基本上等于由于高侧寄生电容CPH而存在的电流。该调节过程通常在变压器250c组装之后或在变压器250c安装到控制台50的其余部分之后执行。
以上针对的是本发明的具体形式。本发明的替代形式可以具有与所描述的不同的特征。
例如，本发明的不同形式的特征可以组合。因此，变压器250c的漏电控制子绕组246a，246b，246c和开关阵列294可以结合到变压器250，250a和250b中。
在存在多个被选择性地连接在一起以形成匹配电流源的漏电控制绕组的本发明的形式中，可以存在两个或四个或更多个单体绕组。
形成本发明的部件的结构也可以与所描述的不同。例如，本发明的一些形式可以包括具有E/I芯组件、U芯组件、U/I芯组件或I芯的变压器。
在本发明的一些形式中，可以不必须为变压器提供内部感测线圈。
用于形成与匹配电流源一体的电容器248的其他组件也是可能的。因此，在本发明的一些形式中，导电包层可被附接到次级绕组264的低侧。该导电包层可以充分靠近漏电控制绕组246的高侧的一部分，使得该导电包层用作电容器248的一个极板，并且漏电控制绕组的一部分用作电容器248的第二极板。
同样地，不要求在本发明的所有形式中，控制台都被构造成使得通过向该绕组的中心抽头施加电压并且周期性地将该绕组的相反两端接地而在变压器初级绕组上产生AC电压。在本发明的替代形式中，AC电压源可以是被应用到变压器初级绕组252的相反两端的AC信号源。同样，在本发明的所有结构中，取决于变压器的特定用途，在变压器上施加或感应的AC电压可以是恒定的。
虽然在本发明的大多数形式中，变压器具有至少一个导电包层，但是并不要求在本发明的所有形式中变压器都多个导电包层。当存在单一导电包层时，该包层通常、但不总是形成匹配电流源的电容器248的一个极板。如果存在三个导电包层，则不要求每个包层都形成电容器248的一部分。两个包层可以形成电容器248的极板或多个极板；第三个包层是屏蔽。同样，具有四个或更多个极板的变压器也在本发明的范围内。因此，变压器包括五个导电包层也在本发明的范围内，具体地说，其中：两个包层形成电容器248的第一极板；两个包层形成电容器248的第二极板；并且单一包层用作围绕着电容器外部绕组的屏蔽。
同样地，绕组246，252，256和264相对于芯270的中心的顺序与已经描述的顺序不同。
并非所有特征都可以存在于本发明的所有形式中。例如，本发明的替代控制台可以包括不完全内置在变压器中的匹配电流源。在本发明的一些形式中，变压器可以包含一组漏电流绕组246a，246b和246c以及选择性地将绕组连接在一起的开关。在本发明的这些形式中，与匹配电流源一体的电容器248可以与变压器250分开。
尽管未示出，但应理解，在本发明的这些形式的一些实施例中，晶体管(通常为FET)可以用作开关阵列294的单体开关。
关于为匹配电流源提供选择性地连接在一起的多个漏电流绕组的特征，应该理解，不要求总是存在可以选择性地连接在一起的三个子绕组。在本发明的一些形式中，可能只有两个子绕组。在本发明的其他形式中，可以有四个或更多个能够选择性地连接在一起的子绕组。此外，本发明可以有这样的结构，其中多个子绕组中的一个总是漏电控制绕组的子绕组。
在本发明的大多数形式中，用作电容器极板的导电包层围绕着下面的变压器绕组或绕组周向360°延伸。在本发明的一些形式中，该导电层可以不完全围绕下面的一个或多个绕组延伸。可替代地，导电包层可以围绕绕组延伸超过360°。应该理解的是，无论包层围绕绕组延伸的程度如何，包层的相反两侧都不应相互电连接。这是为了防止导电包层短路。
同样应当理解，本发明的各形式的控制台供应驱动信号的电动手术工具不限于其中电力产生单元包括一组超声换能器的工具。本发明的其他系统可以构造成工具电力产生单元是发射光(光子能量)的装置。本发明的另一系统可包括具有单极或双极电极组件的机头。在这种类型的系统中，延伸通过机头的导体可以被认为是电力产生单元。被应用到组织的一个或多个电极将是能量施加。这种类型的系统通过向组织施加电流来操作。电流加热组织以引起组织的预期消融或烧灼。
此外，本发明的控制台以及本发明的变压器可以用于除了以相对低漏电流的方式将AC信号施加到除电动手术机头之外的装置之外的目的。这种装置包括双极钳。在这种类型的组件中，钳子的尖端可以被认为是机头的能量施加器。与钳子的臂一体的导体可以被认为是机头的电力产生单元，AC信号在该钳子的臂上施加尖端。
因此，所附权利要求的目的是覆盖落入本发明的实质和范围内的所有这些修改和变化。

Claims (7)

1.一种控制台，用于向手术工具的电力产生单元供应驱动信号，所述控制台包括：
变压器，其具有初级绕组和次级绕组，AC电压被施加在所述初级绕组上，驱动信号被在所述次级绕组上感应出来，使得所述驱动信号能够被施加到手术工具的电力产生单元；和
匹配电流源，其包括漏电控制绕组和电容器，在所述初级绕组上存在的AC信号在所述漏电控制绕组上感应出电压，所述电容器连接在所述漏电控制绕组和所述次级绕组之间，所述匹配电流源被设计用于产生一电流，所述电流至少部分地抵消由于寄生电容而在被施加到手术工具的驱动信号中存在的漏电流，其中：
所述漏电控制绕组在变压器内部并包括多个子绕组；并且
开关阵列选择性地将一个或多个子绕组连接在所述电容器和地之间，以形成所述漏电控制绕组，从而通过设定所述开关阵列来为在所述变压器的初级绕组上的给定电压选择性地设定在所述漏电控制绕组上产生的电压。
2.根据权利要求1所述的控制台，其中所述电容器内置在变压器中。
3.根据权利要求1所述的控制台，其中感测绕组设置在变压器中。
4.根据权利要求3所述的控制台，其中所述感测绕组设置在所述初级绕组和所述次级绕组之间。
5.根据权利要求3所述的控制台，其中所述漏电控制绕组的子绕组设置在所述感测绕组的外面，所述次级绕组设置在所述漏电控制绕组的外面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制台，其中：
所述初级绕组具有施加DC电压的中心抽头；并且
所述初级绕组的相反两端被连接到电路，所述电路选择性地将所述初级绕组的两端接地，以在所述初级绕组上产生AC电压。
7.根据权利要求1所述的控制台，其中所述控制台适于提供驱动信号，用于施加到超声手术工具的至少一个驱动器。
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