CN204158485U - 电外科发生器和电外科系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型旨在改进电外科过程中向组织传送的能量。本实用新型涉及电外科发生器和电外科系统。公开一种电外科发生器。该发生器包括：RF输出级，其配置为产生包括多个周期的至少一个电外科波形；耦合到所述RF输出级的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置为测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；以及控制器，其耦合到所述至少一个传感器和所述RF输出级，所述控制器包括具有电压限制器或电流限制器中的至少一个的比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级饱和。本实用新型能够改进电外科过程中向组织传送的能量。

Description

电外科发生器和电外科系统
技术领域
本公开涉及电外科系统和操作电外科发生器的方法。更具体来说，本公开涉及用于控制由适用于电弧切割和凝结的射频谐振逆变器产生的电外科波形的系统、方法和设备。 
背景技术
电外科包括将高射频电流施加到手术部位以切割，烧蚀或凝结组织。在单极电外科中，源电极或有源电极将射频交流电流从电外科发生器传送到目标组织，并且返回电极将该电流传导回到发生器。病人返回电极的位置远离有源电极，以将电流传导回到发生器。 
在双极电外科中，返回电极和有源电极位置彼此靠近，使得在两个电极之间形成电路(例如，在电外科镊子的情形中)。这样，所施加的电流被限制在位于电极之间的身体组织。因此，双极电外科通常包括例如镊子等器械的使用，其中希望在位于该器械上的两个电极之间实现电外科能量的聚焦传送。镊子是钳状器械，其依赖于其钳爪之间的机械作用来抓住、夹紧并压迫血管或组织。电外科镊子(开放的或内窥镜)使用机械夹紧作用和电能在被夹紧的组织上实现止血。该镊子包括电外科导电表面，其将电外科能量施加到被夹紧的组织。通过控制经由导电板施加到组织的电外科能量的强度、频率和持续时间，外科医生可以凝结，烧灼和/或封闭组织。然而，上述例子仅是用于说明的目的，并且在本公开的范围内存在许多其他已知的双极电外科器械。 
以上概述的电外科过程可以使用基于反馈的控制系统中的各种组织和能量参数。改进向组织传送的能量的需要在持续。 
实用新型内容
本实用新型旨在改进电外科过程中向组织传送的能量。 
本公开提供一种用于控制电外科发生器的方法。所述方法包括：通过RF输出级产生至少一个电外科波形，所述RF输出级包括耦合到RF逆变器的脉冲宽度调制器，所述RF逆变器耦合到用于输出DC电流的功率源；通过至少一个电极将所述至少一个电外科波形施加到组织，所述至少一个电外科波形包括多个周期；测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；计算电压极限和电流极限中的至少一个；以及基于所述电压极限或所述电流极限中的至少一个向所述脉冲宽度调制器提供控制信号，以基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级饱和。 
根据上述实施例的其他方面，所述RF输出级包括耦合到控制器的至少一个切换元件。 
根据上述实施例的其他方面，所述控制器包括比例-积分-微分控制器和脉冲宽度调制器，其中所述脉冲宽度调制器配置为向所述至少一个切换元件输出所述控制信号，并且基于所述比例-积分-微分控制器的输出调节所述控制信号的占空比。 
根据上述实施例的其他方面，所述控制器配置为基于测得的电压和电流确定阻抗。 
根据上述实施例的其他方面，所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述阻抗提供所述输出。 
根据上述实施例的其他方面，所述比例-积分-微分控制器包括电压限制器功能。 
根据上述实施例的其他方面，所述比例-积分-微分控制器包括电流限制器功能。 
根据上述实施例的其他方面，所述方法还包括在耦合到所述RF输出级的功率源产生DC电流；以及基于所述电压极限或所述电流极限中的至少一个向所述功率源提供所述控制信号，以基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级饱和。 
本公开还提供一种电外科发生器，包括：RF输出级，其配置为产生包括多个周期的至少一个电外科波形；耦合到所述RF输出级的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置为测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；以及控制器，其耦合到所述至少一个传感器和所述RF输出级，所述控制器包括具有电压限制器或电流限制器中的至少一个的比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级饱和。 
根据上述实施例的其他方面，所述RF输出级包括耦合到配置为输出DC电流的功率源的RF逆变器。 
根据上述实施例的其他方面，所述RF逆变器包括耦合到所述控制器的至少一个切换元件。 
根据上述实施例的其他方面，所述控制器包括脉冲宽度调制器，其配置为向所述至少一个切换元件输出控制信号，并且基于所述比例-积分-微分控制器的输出调节所述控制信号的占空比。 
根据上述实施例的其它方面，所述控制器配置为基于测得的电压和电流确定阻抗。 
根据上述实施例的其它方面，所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述阻抗提供所述输出。 
根据上述实施例的其它方面，所述控制器还配置为增加所述至少一个电外科波形的电流，以增加放电的发生。 
根据上述实施例的其它方面，所述发生器还包括具有耦合到所述RF输出级的AC-DC转换器的功率源，其中所述RF输出级包括DC-AC逆变器。 
根据上述实施例的其它方面，所述控制器耦合到所述DC-AC逆变器。 
根据上述实施例的其它方面，所述功率源还包括耦合到所述AC-DC转换器和所述RF输出级的DC-DC转换器，所述DC-DC转换器耦合到所述控制器并且可由所述控制器来控制。 
本公开还提供一种电外科系统，包括：电外科发生器，其具有配 置为输出DC电流的功率源；耦合到所述功率源的RF输出级，所述功率源包括配置为从所述DC电流产生包括多个周期的至少一个电外科波形的至少一个切换元件；耦合到所述RF输出级的至少一个传感器，所述至少一个传感器配置为测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；以及耦合到所述至少一个传感器以及所述RF输出级或所述功率源中至少一个的控制器，所述控制器包括具有电压限制器或电流限制器中的至少一个的比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级或所述功率源中的至少一个饱和。 
所述系统还包括配置为耦合到所述电外科发生器并且向组织施加所述至少一个电外科波形的至少一个电外科器械。 
根据上述实施例的其它方面，其中所述控制器配置为基于测得的电压和电流确定阻抗，并且所述比例-积分-微分控制器配置为基于所述阻抗提供所述输出。 
本实用新型能够改进电外科过程中向组织传送的能量。 
附图说明
下面结合附图描述本公开的各种实施例，其中： 
图1是根据本公开的电外科系统的一个示例性实施例的各部件的立体图； 
图2是根据本公开的电外科发生器的一个实施例的前视图； 
图3是根据本公开的图2的电外科发生器的实施例的示意性框图； 
图4A和图4B是根据本公开的图2的电外科发生器的其他示例性实施例的示意性框图； 
图5是示出根据本公开的电压源的实施例的放电的电压和电流标绘曲线； 
图6是示出根据本公开的电流源逆变器的实施例的放电的电压和电流的标绘曲线； 
图7A是示出根据本公开的实施例的电压和电流源的理想输出的 电压和电流的标绘曲线； 
图7B是示出根据本公开的实施例的电压和电流源的无损输出的电压和电流的标绘曲线； 
图7C是示出根据本公开的实施例的电压源和电流源的理想、无损和电弧输出的电压和电流的重叠的标绘曲线； 
图7D是示出根据本公开的实施例的电压和电流源的理想和无损输出的功率和阻抗的标绘曲线； 
图8是根据本公开的实施例的发生器输出的恒定功率标绘曲线； 
图9是示出根据本公开的实施例的放电的电压和电流的标绘曲线； 
图10是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图11是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图12是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图13是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图14是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图15是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图16是根据本公开的实施例的图2的发生器的RF放大器的示意图； 
图17示出根据本公开的实施例的用于控制图2的发生器的输出的作为阻抗标绘曲线的函数的占空比；以及 
图18示出根据本公开的实施例的用于控制图2的发生器的输出的作为阻抗标绘曲线的函数的功率。 
具体实施方式
下面参照附图描述本公开的具体实施例。在以下描述中，不具体描述公知的功能或构造以免本公开被不必要的细节遮盖。 
根据本公开的发生器可以进行单极和/或双极电外科过程，包括，例如，切割、凝结、消融和血管封闭过程。该发生器可以包括用于与各种电外科器械(例如，单极器械、返回电极、双极电外科镊子、脚踏开关等)接口的多个输出端。此外，该发生器包括电子电路，该电子电路配置为产生专门适用于各种电外科模式(例如，切割、融合、凝结、通过止血法分割、电灼、喷雾等)和过程(例如，单极、双极、血管封闭)的射频能量。在实施例中，该发生器可以嵌入，集成或耦合到电外科器械，以提供一体化的电外科设备。 
图1是根据本公开的双极和单极电外科系统1的示意图。系统1可以包括具有用于治疗病人组织的一个或多个有源电极3(例如，电外科切割探针、消融电极等)的一个或多个单极电外科器械2。电外科交流电流由发生器200经由连接到发生器200的有源端子230(图3)的电源线4提供给器械2，从而使器械2切割，凝结，消融和/或治疗组织。该交流电流通过返回电极6经由返回线8在发生器200的返回端子32(图3)返回到发生器200。对于单极操作，系统1可以包括多个返回电极垫6，这些返回电极垫6使用时设置在病人身体上，以通过与病人身体的总接触面积最大化使组织损伤的机会最小化。另外，发生器200和返回电极垫6可以配置为监视所谓的“组织-病人“接触，以确保其间存在足够的接触，进一步使组织损伤的机会最小化。 
系统1还可以包括一个或多个双极电外科器械，例如，具有用于治疗病人组织的一个或多个电极的双极电外科镊子10。电外科镊子10包括外壳11和设置在杆12末端的相对钳爪构件13和15。该钳爪构件13和15分别包括设置于其中的一个或多个有源电极14和一个返回电极16。有源电极14和返回电极16通过电缆18连接到发生器200，电缆18包括分别耦合到有源端子和返回端子230、232的电源线和返回线4、8(图3)。电外科镊子10经由设置在电缆18端部的插头， 在与有源端子和返回端子230和232(例如，管脚)具有连接的连接器处耦合到发生器200，其中该插头包括来自电源线和返回线4、8的触头，下面将更详细地描述。 
参考图2，示出了发生器200的前表面240。发生器200可以是任何适当的类型(例如，电外科、微波等)，并且可以包括多个连接器250-262，以适应各种类型的电外科器械(例如，电外科镊子10等)。 
发生器200包括用户接口241，用户接口241具有一个或多个显示屏或信息面板242。244、246，用于向用户提供各种输出信息(例如，强度设置、治疗完成指示等)。每个屏242、244、246与对应的连接器250-262相关联。发生器200包括适当的输入控制件(例如，按钮、启动器、开关、触摸屏等)，用于控制发生器200。显示屏242、244、246还配置为显示电外科器械(例如，电外科镊子等)的对应菜单的触摸屏。用户通过简单地触摸对应的菜单选项来调节输入。 
屏242控制单极输出和连接到连接器250和252的装置。连接器250配置为耦合到单极电外科器械(例如，电外科器械2)，连接器252配置为耦合到脚踏开关(未示出)。脚踏开关用于提供附加的输入(例如，重复发生器200的输入)。屏244控制单极和双极输出以及连接到连接器256和258的装置。连接器256配置为耦合到其他单极器械。连接器258配置为耦合到双极器械(未示出)。 
屏246控制由可以插入到连接器260和262中的镊子10进行的双极封闭过程。发生器200通过连接器260和262输出适合于封闭由镊子10抓住的组织的能量。具体来说，屏246输出允许用户输入用户限定的强度设置的用户界面。用户限定的设置可以是允许用户调节参数的任何设置，该参数可以是一个或多个能量输送参数，如功率、电流、电压、能量等，或者是封闭参数，如能量速率限制器、封闭持续时间等。用户限定的设置被发送到控制器224，在此该设置可以保存在存储器226中。在实施例中，强度设置可以是数字标度，例如，从1到10或者从1到5。在实施例中，强度设置可以与发生器200的输出曲线相关联。强度设置可以专用于所使用的每个镊子10，使得各种器械 向用户提供与镊子10相对应的专用强度标度。 
图3示出配置为输出电外科能量的发生器200的示意性框图。发生器200包括控制器224、功率源227和射频(RF)放大器228。功率源227可以是高电压DC功率源，其连接到AC源(例如，线电压)并且经由导线227a和227b向RF放大器228提供高电压DC功率，然后RF放大器228将高电压DC功率转换为治疗能量(例如，超声、电外科或微波)，并且将该能量传送到有源端子230。该能量经由返回端子232返回。有源和返回端子230和232通过隔离变压器229耦合到RF放大器228。RF放大器228配置为以多个模式工作，在此期间发生器200输出具有专用的占空比、峰值电压、波峰因数等的对应波形。可以想到，在其他实施例中，发生器200可以基于其他类型的适当功率源拓扑结构。 
控制器224包括可操作地连接到存储器226的处理器225，存储器226可以包括暂时性存储器(例如，RAM)和/或非暂时性存储器(例如，闪存介质、盘介质等)。处理器225包括可操作地连接到功率源227和/或RF放大器228的输出端口，允许处理器225根据开环和/或闭环控制方案控制发生器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各种组织属性和能量属性(例如，组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压等)，并且向控制器224提供反馈。然后控制器224向功率源227和/或RF放大器228发信号，以分别调节DC和/或功率源。本领域的技术人员会理解，可以使用适于进行本文描述的计算和/或指令集的任何逻辑处理器(例如，控制电路)来代替处理器225，包括但不限于现场可编程门阵列、数字信号处理器以及它们的组合。 
根据本公开的发生器200包括多个传感器280，例如，RF电流传感器280a和RF电压传感器280b。发生器200的各部件，即，RF放大器228、RF电流和电压传感器280a和280b可以设置在印刷电路板(PCB)上。RF电流传感器280a耦合到有源端子230，并且提供由RF放大器228提供的RF电流的测量值。RF电压传感器280b耦合到 有源和返回端子230和232，并且提供由RF放大器228提供的RF电压的测量值。在实施例中，RF电流和电压传感器280a和280b可以耦合到有源和返回导线228a和228b，有源和返回导线228a和228b分别将有源和返回端子230和232互连到RF放大器228。 
RF电流和电压传感器280a和280b分别向控制器224提供感测到的RF电压和电流信号，然后控制器224可以响应于感测到的RF电压和电流信号调节功率源227和/或RF放大器228的输出。控制器224还从发生器200、器械2和/或镊子10的输入控制件接收输入信号。控制器224使用该输入信号调节由发生器200输出的功率，并且/或者进行其他控制功能。 
图4A示出基于S段高效率脉冲宽度调制逆变器的放大器200的另一实施例。在共同拥有的美国专利公报2006/0161148号中公开了基于使用该配置的模拟脉冲宽度调制器的示例性实施例，该专利公报的全部内容通过引用包含在本公开中。在该示例性实施例中，功率源227是耦合到如上所述的AC能量源的固定输出AC-DC转换器227c，功率源227又耦合到RF放大器228。 
图4B示出基于改进的Kahn振幅调制技术的发生器200的另一个实施例。在该示例性实施例中，功率源227是通过可变DC-DC转换器227d进一步增强的固定输出AC-DC转换器227c。功率源227的可变DC-DC转换器227d可以配置为任何适当的拓扑结构，包括但不限于谐振、非谐振、同步、非同步、降压、升压、降压-升压等。 
继续参考图4A-4B，RF放大器228可以包括耦合到谐振匹配网络304的DC-AC逆变器302。如图4A中所示，RF放大器228的控制输入可以是基于模拟的PWM或者基于数字的DPWM 314。在S段高效率脉冲宽度调制技术中，通过改变逆变器工作频率(例如，472 kHz)上的脉冲宽度并且根据谐振匹配网络304来改变发生器输出振幅，以将输出平滑为大约正弦形状。DPWM 314耦合到振荡器319，振荡器319可以是模拟电压控制的振荡器(VCO)或者数字控制的振荡器(NCO)。在本实施例中，振荡器319以适合于控制DC-AC逆变器 302的射频(“RF”)(例如，治疗频率)工作。DPWM 314耦合到RF放大器304的逆变器302。DPWM 314配置为控制RF放大器304的一个或多个切换部件，以将DC电流转换为RF电流，稍后进一步详细描述。 
如图4B中所示，来自PWM或基于数字的DPWM 314的控制输入被提供给功率源227。在改进的Kahn技术中，在DC-AC逆变器302对RF放大器228的输入是固定的脉冲宽度(例如，对于优化的效率，在472kHz)，这导致经过谐振匹配网络304之后大约为正弦输出，并且通过改变功率源227的输出来改变发生器输出振幅。在本实施例中，由DPWM 314控制功率源227。DPWM 314耦合到振荡器319，振荡器319可以是模拟电压控制的振荡器(VOC)或者数字控制的振荡器(NCO)。对DC-AC逆变器302的输入可以由振荡器317提供，振荡器317可以是模拟电压控制的振荡器(VCO)或者数字控制的振荡器(NCO)。振荡器317以适合于控制DC-AC逆变器302的射频(“RF”)(例如，治疗频率)工作，振荡器319以适合于控制功率源227的切换(“SW”)频率工作。 
继续参考图4A-4B，除了上述差别以外，其他部件和设计相同，可以根据任何适当的拓扑结构配置逆变器302，包括但不限于半桥、全桥、推挽式等。谐振匹配网络304可以是单模或双模谐振网络，具有LC(电感-电容)滤波器/谐振器与用于匹配RF放大器228的输出的其他无源电部件的任何适当组合。RF放大器228还包括多个模式继电器306。模式继电器306耦合到多个连接器250-262，用于控制向需要的连接器提供电外科能量，使得只有需要的连接器250-262在任何特定时间被供电。 
处理器225耦合到用户接口241，并且配置为响应于用户输入更改发生器200的模式、能量设置和其他参数。处理器225包括模式初始化器308，其配置为将选定的工作模式初始化。发生器200配置为以各种模式工作。在一个实施例中，发生器200可以输出以下模式：切割、融合、凝结、通过止血法分割、电灼、喷雾以及它们的组合等。 每个模式基于预先编程的功率曲线工作，该功率曲线控制由发生器200在负载(例如，组织)的不同阻抗下输出的功率的量。每个功率曲线包括由用户选择的功率设置和测得的负载阻抗限定的功率、电压和电流控制范围。 
在切割模式中，发生器200可以在从大约100Ω到大约2000Ω的阻抗范围上提供预定频率(例如，472kHz)的具有多个RF周期的连续正弦波输出，波峰因数大约1.414。该切割模式功率曲线可以包括三个区域：在低阻抗为恒定电流、在中等阻抗为恒定功率以及在高阻抗为恒定电压。在融合模式中，该发生器可以提供具有以第一预定速率(例如，大约26.21kHz)重复出现的突发脉冲(burst)周期的预定周期性速率的正弦波输出的交替突发脉冲，每个突发脉冲周期包括预定频率(例如，472kHz)的多个正弦波RF周期。在一个实施例中，该突发脉冲的占空比可以为大约50％。换句话说，对于每个突发脉冲周期，50％的时间是有该功率的，并且50％的时间没有该功率。该正弦波输出的一个周期的波峰因数可以为大约1.414。一个突发脉冲周期的波峰因数可以为大约2.7。 
通过止血法分割模式可以包括以第二预定速率(例如，大约28.3kHz)重复出现的预定频率(例如，472kHz)的正弦波输出的突发脉冲。该突发脉冲的占空比可以为大约25％，即，每个周期的25％有该功率，该周期剩余的75％没有该功率。在从大约100Ω至大约2000Ω的阻抗范围内，一个突发脉冲周期的波峰因数可以为大约4.3。电灼模式可以包括以第三预定速率(例如，大约30.66kHz)重复出现的预定频率(例如，472kHz)的正弦波输出的突发脉冲。该突发脉冲的占空比可以为大约6.5％，并且在从大约100Ω至大约2000Ω的阻抗范围内，一个突发脉冲周期的波峰因数可以为大约5.55。喷雾模式可以包括以第四预定速率(例如，大约21.7kHz)重复出现的预定频率(例如，472kHz)的正弦波输出的突发脉冲。该突发脉冲的占空比可以为大约4.6％，并且在从大约100Ω至大约2000Ω的阻抗范围内，一个突发脉冲周期的波峰因数可以为大约6.6。 
处理器225进一步包括模式状态控制310，其配置为根据由模式初始化器308设置的参数维持发生器200的能量输出。模式状态控制310通过由电压和/或电流输出振幅限制器功能315限制的控制输出，使用比例-积分-微分(PID)控制环路312基于来自传感器280的传感器信号控制RF放大器228，电压和/或电流输出振幅限制器功能315包括在处理器225中实现的PID的饱和与积分抗结束(anti-windup)能力。 
处理器225包括用于在传感器280和信号处理器316之间接口的模拟前端(front-end，AFE)307。AFE 307可以包括多个模拟-数字转换器和用于从传感器接收模拟信号并且将该模拟信号转换为其数字副本的其他电路部件。AFE 307向信号处理器316提供数字化的传感器信号。信号处理器316还可以基于传感器信号计算各种能量属性和/或组织属性，包括但不限于阻抗、电压、电流、功率、持续时间以及瞬时值、平均值、均方根值和它们的组合。 
发生器200基于RF放大器228的谐振逆变器的电压-电流特性固有的电流、功率和电压界限，对各种电外科模式，例如，电弧切割和凝结，提供闭环控制。当被标绘时，任何谐振逆变器的电压-电流特性都形成由于谐振网络的输出阻抗而由电压和电流限制区域限定的椭圆形。逆变器的该输出阻抗可以设计为在电外科模式工作期间观测到的预期最小到最大终端电阻(例如，组织的电阻)的几何平均值的中心。然后可以调整RF放大器228的工作特性，以符合用户请求的具体功率设置的最大电压和电流。 
传统的发生器在一些指定的负载电阻范围内，以恒定的功率向组织提供电外科能量。由于开环控制算法不足以覆盖各种外科过程期间遇到的宽范围的组织阻抗，所以已经引入闭环控制算法。在一些实施例中，如共同拥有的美国专利公报2006/0161148号中所公开的，使用开环控制和闭环控制的组合，该专利公报的全部内容通过引用包含在本公开中。 
对于使用电压源偏置逆变器的闭环控制，一些模式，如电弧切割 和凝结模式，出现独特的问题。在工作期间，产生电弧以实现期望的外科效果。对于它们的止血效果，高电弧电流是很适当的；然而，为了限制热传递，还希望也限制电弧。具体来说，在凝结模式中电弧被中断以提供足够高的瞬时功率来完成止血，同时保持足够低的平均功率以使热扩散最小化。本公开提供的逆变器配置为控制电弧以用由模式状态控制件310和/或PID 312进行的最少量的要求的启发式或状态变化实现这些目标。具体来说，本公开提供的逆变器利用RF放大器228在预定的最大控制输出振幅的电压-电流无损输出特性，通过在所有振幅对所有负载保持零电压切换，在期望的组织阻抗范围内保持恒定的功率，并且使用PID控制器的饱和与积分抗结束能力限制电流和电压，从而实现该目标。 
RF放大器228根据终端负载电阻基本上在其无损电压-电流输出特征椭圆内工作，作为电压源、功率源或电流源。参考图5，在预定频率(例如，472kHz)的时间标度，例如RF放大器228的电压源的电弧放电被示出为作为电压的函数的电流标绘曲线400和作为时间的函数的电流标绘曲线410和电压标绘曲线420。为了简便，下面只描述正的半个周期。在点401，施加到组织的电压不足以提供电流流动并且处于次饱和电流区域。当标绘曲线400、410和420前进到点402并且向点403前进时，根据汤森效应，该放电过渡到电晕放电，到辉光放电。在该区域中，相对于其他点，电流仍然相对较低，并且没有功率被电弧消耗。然而，当电弧跃过电极(例如，电极3)和组织之间的间隙时，电流立即在点404沿着与电压标绘曲线420上的点403重叠的新负载线流动。从点404到处于峰值的点405，电压随电流线性增加。电压下降到点406之前，电弧持续而不是自发地返回到点403。电压线性下降，直到点407，在此期间电弧熄灭，并且需要重复如上所述的电弧引发过程。对于负周期，电压和电流特性类似。如果在电极处不能获得过量的低频RF或DC充电从而起到产生非对称负半周期标绘曲线的偏压充电的作用，则电弧可能熄灭。 
参考图6，在预定频率(例如，472kHz)的时间标度，例如RF 放大器228的电流源的电弧放电被示出为作为电压的函数的电流标绘曲线500和作为时间的函数的电流和电压标绘曲线510、520。为了简便，下面只描述正的半周期。在相同的峰值电流，与电压源相比，该电流源可以提供更高的输出功率，例如，功率效率更高。随着电流增大，电压相应地增大，直到点501，当电流继续增大时，在点502处电压下降。当电流在点503处减小时，电压增大到另一个峰值。对于负周期，电压和电流特征类似。 
例如RF放大器228的功率源的最大功率输送出现在输出阻抗与负载阻抗基本相同的匹配阻抗时。理想的电压源和电流源不具有如图7A中所示的戴文宁和诺顿等效源阻抗，图7A示出作为电压的函数的电流标绘曲线。添加到理想的戴文宁或诺顿源的无损匹配网络具有如图7B中所示的基本椭圆形状的曲线，图7B示出作为电压的函数的电流标绘曲线。本公开提供的RF放大器228具有连续可变的电压-电流响应(例如，特性)，电压和电流的控制环路极限同时尝试涵盖图7C中所示的电弧的电压-电流响应，图7C示出作为电压的函数的电流标绘曲线，其在图7A和图7B的理想和无损电压/电流源的参数内工作，在由负载、用户设置和/或模式确定的期望电流、电压或功率点工作，并且利用无损匹配网络特性限制电压和电流，而不是像现有技术中那样主动控制电压或电流。通过改变DC-AC逆变器302的脉冲宽度，通过改变DC-AC逆变器302的频率以充分改变谐振匹配网络304的输出电阻和电压传输比，通过改变功率源227 DC-DC转换器的脉冲宽度，或者通过其中的某些组合，可以通过改变DC-AC逆变器302的等效输出振幅，来改变椭圆电压-电流响应。负载线与椭圆电压-电流响应的交点最终确定发生器在负载中的工作点。 
理想电压源和电流源的最大功率传输还可以由如图7D中所示的作为阻抗的函数的功率标绘曲线来表示。对于理想电流源和电压源，如果输出装置饱和度不受限制，则功率连续增加。可以通过匹配阻抗来限制功率、电压以及电流。然而，即使对于良好匹配的电压源，由于不足的极限值，电弧也可以导致过度的功率输出。 
在实施例中，可以通过使用非常高的采样率测量和限制瞬时电流、电压和/或功率来完成电弧控制，例如与用于限制电流的相应快速电路部件结合的数字采样，如下面更详细地描述的电流返送(foldback)电路。在进一步的实施例中，匹配阻抗可以增加，并且RF放大器228可以作为电流源工作。具体来说，输出阻抗可以增加到高于电弧形成期间的预期阻抗。输出阻抗可以比最高预期阻抗高出大约2到6倍，在实施例中，输出阻抗可以比预期阻抗高出大约4倍。当电压受到限制时，这提供自然的功率限制功能。 
在另一个实施例中，输出阻抗可以包括根据组织类型由用户和/或发生器200选择的多个输出阻抗。在进一步的实施例中，发生器200的特征输出阻抗可以被选择为最小和最大阻抗的几何平均值，并且限制DC-AC逆变器302的最大输出振幅，使得在如图8中所示的电流极限和电压极限相符时出现椭圆电压-电流响应。 
在特定实施例中，RF放大器228可以配置为方波电流源。在图9中，在预定频率(例如472kHz)的时间标度，方波电流源的波形特征被示出为作为电压的函数的电流标绘曲线900和作为时间的函数的电流标绘曲线910和电压标绘曲线920。 
图10示出作为振幅受限的电流-电压逆变器的RF放大器328的实施例，其配置为可变地限制峰值电压，以防止在组织和有源电极2之间的某些距离传导电弧。RF放大器328产生如图9中所示的方波电流，并且包括转换器330，转换器330经由导线227a和227b耦合到可以作为DC或AC源的功率源227，并且还耦合到逆变器332。逆变器332还耦合到变压器229。转换器330将功率源227的AC或DC输出转换为DC输出。转换器330配置为限制电压峰值，而逆变器332配置为将链电感301b的电流削减并转向。RF放大器328还包括电压限制电路301，电压限制电路301具有与电感器301b并联耦合的二极管301a。电压限制电路301被限制到转换器330的输出。转换器330和逆变器332可以配置为任何适当的转换器/逆变器组合，包括但不限于隔离的、非隔离的、全桥、半桥、同步、异步、降压、升压、降压- 升压以及它们的组合。 
图11示出RF放大器328的另一个实施例。转换器330被示出为半桥逆变器，并且包括第一切换元件330a和第二开关330b。第一切换元件330a设置于导线227a，第二开关330b将导线227a和227b相互连接。通过脉冲宽度调制器(PWM)336和比例-积分-微分控制器338控制切换元件330a和330b的工作，从而通过包括饱和和积分抗结束能力的PID控制器338的电压限制器功能335在该限制器主动限制时限制转换器330的输出电压。PWM 336和PID控制器338可以配置在控制器224内。电压限制器335可以作为软件算法嵌入在控制器224中。如图11中所示，逆变器332配置为全桥逆变器，其具有耦合到变压器229的第一对切换元件331a和331b以及第二对切换元件332a和332b。切换元件331a和332a分别耦合到转向二极管333a和333c。PID控制器338从电压限制电路301接收反馈信号，以使PID控制器338响应于此控制切换元件330a、330b、331a、331b、332a、332b。具体来说，PID控制器338控制电流并基于电压限制器335的指令限制电压，并且向PWM 336提供控制信号，PWM 336又逐RF周期地向切换元件330a、330b、331a、331b、332a、332b提供激活信号(例如，开/关时段)。 
图12示出RF放大器328的另一个实施例，其包括电感-电容-电感(LCL)滤波器/谐振器334，LCL滤波器/谐振器334包括第一和第二电感器334a和334b以及设置在它们之间将导线227a和227b相互连接的电容器334c。从负载的端子来看，LCL滤波器334将转换器/逆变器输出的电压源变换为电流源。 
参考图13，图13示出逆变器332的另一个实施例。逆变器332配置为相移同步全桥逆变器，其包括分别与二极管331c、331d、332c、332d钳位的四个切换元件331a、331b、332a、332b。切换元件331a、331b、332a、332b每个由PWM 336控制，PWM 336可以是与美国专利公报2006/0161148号中所描述的类似的相移调制器。PWM 336调制在变压器次级绕组229b的输出端子处观测到的逆变器332的输出 的电流振幅。逆变器332的输出耦合到具有初级绕组229a和次级绕组229b的变压器229。另外，逆变器332包括有源钳位电路340。有源电压钳位电路340与滤波器334的输出端一起耦合到变压器229的初级绕组229a，从而锁定在变压器次级绕组229b的输出端子处看到的输出电压。次级绕组229b耦合到发生器200的连接器250-256。 
图14示出具有LC-C滤波器342的逆变器332的另一实施例，LC-C滤波器342具有设置于导线227a的电感器342a和将导线227a和227b相互连接的电容器342b，它们形成耦合到变压器229的初级绕组229a的LC-C滤波器342的第一部分。第二电容器342c将变压器229的次级绕组229b的两个导线相互连接。 
图15示出配置为相移同步半桥逆变器的逆变器332，其包括分别与二极管331c和331d钳位(例如，并联连接)的切换元件331a和331b以及分别与切换元件331a和331b串联耦合的反向偏置二极管331e和331f。逆变器332还包括LC滤波器335，LC滤波器335具有电感器335a和与其并联连接的电容器335b。PWM 336还调制逆变器332的输出的电流振幅，并且如上所述，逆变器332的输出耦合到变压器229。另外，逆变器332包括有源钳位电路340，有源钳位电路340与滤波器335的输出一起耦合到变压器229的初级绕组229a。 
图16示出RF放大器328的另一个实施例，其包括转换器330、逆变器332和设置于其间的电压限制电路301。RF放大器328进一步包括电压限制器335和功率/阻抗控制337，它们可以作为控制器224内的软件算法来实现。电压限制器335和功率/阻抗控制337分别从变压器229的初级绕组229a和次级绕组229b接收反馈。RF放大器328进一步包括分别设置于变压器229的初级绕组229a和次级绕组229b的第一电容器327a和第二电容器327b。电容器327a和327b配置为与初级绕组229a谐振，以提供RF放大器328的正弦输出。 
图10至图16的RF放大器328配置为在电弧存在时输出恒定的平均功率。在一个实施例中，可以通过限制使用PWM 336提供给切换元件的PWM信号的占空比最大值，使用恒定的电流功率控制环路 来操作逆变器332。可以使用PID控制器338来实现该控制环路。在实施例中，如果电压极限和电流极限不对应于功率曲线，则可以通过响应于测得的阻抗限制最大占空比来实现恒定的功率控制环路。 
在其他实施例中，可以使用如图17中所示的作为阻抗曲线的函数的占空比。该占空比与阻抗曲线针对如占空比标绘曲线600和从其外推的恒定功率标绘曲线602所示的任何测得的阻抗值，提供恒定的功率、电压和/或电流控制。标绘曲线602或者恒定电流和恒定电压标绘曲线可以被线性化为标绘曲线600，以匹配控制曲线。在其他实施例中，可以使用其他传递函数关于占空比控制映射阻抗与功率之间的关系。占空比标绘曲线600可以作为查找表和/或可由控制器224执行的软件来实现，从而允许针对测得的的阻抗的输入值控制占空比。在实施例中，PID控制器338可以基于测得的阻抗通过调节占空比来控制发生器200的输出，从而实现期望的放电特性。 
在电外科波形是脉动式的实施例中，当检测到电弧放电时，发生器200可以增加电外科波形的脉冲之间的时间(例如，降低占空比)，以使电极3冷却。在另一个实施例中，发生器200可以减小电流以防止电极3过热。相反地，缩短脉冲之间的时间可被用于确保在需要电弧时(例如，切割时)产生电弧。可以通过自动地或者响应于用户输入(例如，输入脉冲延迟)执行硬件和/或软件来体现对发生器200的调节。在进一步的实施例中，发生器200配置为检测电极3和组织之间的电阻性接触(例如，0V同时具有0A)，并且增加功率和/或电压以引起电弧放电，或者降低功率或电压以熄灭电弧放电。 
尽管在附图中示出并且/或者在本文中描述了本公开的若干个实施例，但是本公开不意图局限于此，本公开的范围应当像本领域所允许的那样宽，并且也应当以这种方式阅读本说明书。因此，以上描述不应理解为限制性的，而仅应当理解为对具体实施例的举例说明。在所附权利要求的范围和精神内，本领域的技术人员会想到的其他修改。 

Claims (12)

1.一种电外科发生器，包括： 
RF输出级，被配置为产生包括多个周期的至少一个电外科波形； 
耦接到所述RF输出级的至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；以及 
控制器，耦接到所述至少一个传感器和所述RF输出级，所述控制器包括具有电压限制器和电流限制器中的至少一个的比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器被配置为基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级饱和。 
2.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中所述RF输出级包括耦接到被配置为输出DC电流的功率源的RF逆变器。 
3.根据权利要求2所述的电外科发生器，其中所述RF逆变器包括耦接到所述控制器的至少一个切换元件。 
4.根据权利要求3所述的电外科发生器，其中所述控制器包括脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器被配置为向所述至少一个切换元件输出控制信号，并且基于所述比例-积分-微分控制器的输出调节所述控制信号的占空比。 
5.根据权利要求4所述的电外科发生器，其中所述控制器被配置为基于测得的电压和电流确定阻抗。 
6.根据权利要求5所述的电外科发生器，其中所述比例-积分-微分控制器被配置为基于所述阻抗提供所述输出。 
7.根据权利要求1所述的电外科发生器，其中所述控制器还被配 置为增大所述至少一个电外科波形的电流，以增加放电的发生。 
8.根据权利要求1所述的电外科发生器，还包括具有耦接到所述RF输出级的AC-DC转换器的功率源，其中所述RF输出级包括DC-AC逆变器。 
9.根据权利要求8所述的电外科发生器，其中所述控制器耦接到所述DC-AC逆变器。 
10.根据权利要求8所述的电外科发生器，其中所述功率源还包括耦接到所述AC-DC转换器和所述RF输出级的DC-DC转换器，所述DC-DC转换器耦接到所述控制器并且能够由所述控制器来控制。 
11.一种电外科系统，包括： 
电外科发生器，包括： 
被配置为输出DC电流的功率源； 
耦接到所述功率源的RF输出级，所述功率源包括被配置为从所述DC电流产生包括多个周期的至少一个电外科波形的至少一个切换元件； 
耦接到所述RF输出级的至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量所述至少一个电外科波形的电压和电流；以及 
耦接到所述RF输出级和所述功率源中至少一个以及所述至少一个传感器的控制器，所述控制器包括具有电压限制器和电流限制器中的至少一个的比例-积分-微分控制器，所述比例-积分-微分控制器被配置为基于所述RF输出级的电压-电流特性使所述RF输出级和所述功率源中的至少一个饱和；以及 
被配置为耦接到所述电外科发生器并且向组织施加所述至少一个电外科波形的至少一个电外科器械。 
12.根据权利要求11所述的电外科系统，其中所述控制器被配置为基于测得的电压和电流确定阻抗，并且所述比例-积分-微分控制器被配置为基于所述阻抗提供所述输出。 
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