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Die Erfindung betrifft einen HF-Chirurgiegenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
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HF-Chirurgiegeneratoren werden in zunehmendem Maße zum Schneiden und zum Koagulieren von Gewebe verwendet. Einer der Vorteile von HF-chirurgischen Schnitten im Vergleich zu mechanischen Schnitten ist in der Hämostase der Schnittränder zu sehen, die insbesondere durch thermische Koagulation zustande kommt. Die Tiefe der Koagulationszone ist hierbei weitgehend abhängig von der Durchblutung des behandelten Gewebes, woraus die Anforderung an die HF-Chirurgiegeneratoren resultiert, die Tiefe der Koagulationszone möglichst reproduzierbar einstellen zu können. Insbesondere kommt es hierbei auf die Form des HF-Ausgangssignals des HF-Chirurgiegenerators an und zwar insbesondere auf das Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert. Darum werden amplitudenmodulierte HF-Spannungen (-Ströme) gewählt, wobei die Modulation so weit geht, dass der HF-Chirurgiegenerator nach Möglichkeit auch nur eine einzige Schwingungsperiode - gefolgt von einer längeren Pause - erzeugen soll.
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Eine weitere Forderung besteht darin, dass eine möglichst hohe Effizienz des HF-Chirurgiegenerators sichergestellt wird, da bei einem niedrigen Wirkungsgrad Wärmeverluste durch aufwändige Kühlmaßnahmen beseitigt werden müssen, was im Operationssaal nicht gewünscht ist.
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Aus der
DE 102 18 895 A1 ist ein HF-Chirurgiegenerator bekannt, der einen höheren Wirkungsgrad dadurch bekommen soll, dass die bei derartigen HF-Chirurgiegeneratoren üblicherweise vorgesehene Gleichspannungsversorgung in zwei Betriebsarten arbeiten kann und zwar einerseits (konventionell) zur Versorgung des Leistungsoszillators und andererseits in einem Betrieb, in welchem ein Energietransfer von der Versorgung des Leistungsoszillators zurück zum Eingang der Gleichspannungsversorgung erfolgt. Wesentliche Verbesserungen bei der Formung kurzer Pulse sind hier nicht erzielbar.
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Aus der
DE 100 46 592 A1 ist ein HF-Chirurgiegenerator der hier angesprochenen Art bekannt. Bei diesem Generator wird dann, wenn das HF-Ausgangssignal beendet werden soll, der Ausgangsschaltung Energie durch einen Ohm'schen Widerstand entzogen, der sozusagen parallel zum Verbraucher geschaltet wird. Der Wirkungsgrad dieses Gerätes ist gering.
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Ferner wird auf die
WO 98 / 27 880 A1 verwiesen, die einen elektrochirurgischen Generator zum Liefern von Hochfrequenzleistung an ein elektrisches Instrument, offenbart. Der Generator besitzt eine Hochfrequenz-Ausgangsstufe mit mindestens einem Paar elektrochirurgischer Ausgangsleitungen für die Abgabe von Hochfrequenzleistung an das Instrument, eine mit der Ausgangsstufe gekoppelte Stromversorgung zum Liefern von Leistung an die Ausgangsstufe und eine Steuerschaltung mit einer Erfassungseinrichtung zum Ableiten eines Erfassungssignals, das die über den Ausgangsleitungen entwickelte Hochfrequenz-Spitzenausgangsspannung darstellt. Dabei ist umfasst die Ausgangsstufe einen mit den Ausgangsleitungen gekoppelten Serienresonanz-Ausgangskreis und eine mit dem Resonanz-Ausgangskreis gekoppelte Schalteinrichtung. Eine Steuerschaltung ist ferner so betreibbar, um die Schaltintervalle der Schalteinrichtung zu variieren, um die gelieferte Hochfrequenzleistung in Reaktion auf einen vorbestimmten Zustand des Abtastsignals zu reduzieren.
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Aus der
US 6 261 286 B1 ist ein elektrochirurgischer Generator zur Lieferung von Hochfrequenzleistung an ein elektrisches Instrument, bekannt. Dieser Generator umfasst: eine Hochfrequenz-Ausgangsstufe mit mindestens einem Paar elektrochirurgischer Ausgangsanschlüsse für die Abgabe von Hochfrequenzleistung an das Instrument, wobei die Ausgangsstufe ferner einen mit den Ausgangsanschlüssen gekoppelten Ausgangsresonanzkreis und eine mit dem Ausgangsresonanzkreis gekoppelte Schaltvorrichtung umfasst; eine mit der Ausgangsstufe gekoppelte Stromversorgung zur Versorgung der Ausgangsstufe mit Energie; und eine Steuerschaltung mit einer Abtastschaltung zum Ableiten eines Abtastsignals, das für die an den Ausgangsanschlüssen entwickelte Hochfrequenz-Ausgangsspitzenspannung repräsentativ ist. Dabei ist die Steuerschaltung so betreibbar, dass sie die Schaltvorrichtung betätigt, um die abgegebene Hochfrequenzleistung zu verringern, wenn die Ausgangsspitzenspannung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen HF-Chirurgiegenerator der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen derart aufzuzeigen, dass bei einem hohen Wirkungsgrad dennoch eine exakte und schnelle Formung des HF-Ausgangssignals erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen HF-Chirurgiegenerator nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Anspruch 16 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch einen HF-Chirurgiegenerator gelöst, umfassend ein Netzteil mit mindestens einem Speicherkondensator, eine steuerbare Schalteinrichtung mit mindestens einem Energiespeicher, z.B. einem Ausgangstransformator, über welche ein, einem HF-Chirurgieinstrument zuführbares HF-Ausgangssignal erzeugt wird, wobei eine Rückspeiseeinrichtung zwischen dem Energiespeicher und dem Speicherkondensator geschaltet ist und eine Steuerung aufweist, welche die Schalteinrichtung und die Rückspeiseeinrichtung derart steuert, dass dann, wenn das HF-Ausgangssignal beendet werden soll, die Rückspeiseeinrichtung mindestens zeitweise stromdurchlässig wird und der Energiespeicher in den Speicherkondensator mindestens teilweise entladen wird.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt also darin, dass die in den üblicherweise vorgesehenen Blindelementen, z.B. dem üblicherweise vorgesehenen Ausgangstransformator gespeicherte elektrische bzw. auch magnetische Energie diesem Energiespeicher entzogen wird, wodurch das HF-Ausgangssignal schnell auf Null zurück geführt wird. Diese Energie, die dem Speicherkondensator des Netzteils zugeführt wird, steht dann für ein nächstes HF-Ausgangssignal zur Verfügung. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Anordnung.
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Eine Verbesserung der Signalsteuerbarkeit bei gleichzeitig geringem Schaltungsaufwand ist dann gegeben, wenn eine Entladeeinrichtung vorgesehen ist, welche Restenergie aus dem Energiespeicher abführt. Hierfür kann auch eine Umsetzung in Wärme durch eine Ohm'sche Last verwendet werden, wodurch ein zuverlässiges Ausschwingen des Oszillators gewährleistet wird. Dennoch bleibt eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades durch die Rückspeisung übrig. Vorzugsweise wird also die Entladeeinrichtung von der Steuerung derart gesteuert, dass das Abführen der Restenergie nach einem teilweisen Entladen des Energiespeichers durchgeführt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Energiespeicher einen Ausgangstransformator und die Rückspeiseeinrichtung umfasst eine gesonderte Wicklung auf dem Ausgangstransformator. Auf diese Weise sind die gewünschten Spannungsverhältnisse leicht einstellbar.
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Es ist möglich, die Rückspeisung über einen elektronischen Schalter zu bewerkstelligen, der von der Steuerung gesteuert wird. Alternativ ist eine Rückspeisung über eine Diodenstrecke möglich, über welche der Energiespeicher bei Beendigung des HF-Ausgangssignals entladen wird.
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Der Speicherkondensator des HF-Chirurgiegenerators ist vorzugsweise in der Weise angeordnet, dass er - unter Zwischenschaltung von steuernden Elementen - die überschüssige Energie des Ausgangstransformators aufnehmen kann.
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Die Rückspeiseeinrichtung umfasst einen DC/DC-Wandler, um eine entsprechende Spannungsanpassung vornehmen zu können. Dieser kann als Hochsetzsteller ausgebildet sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst die Rückspeiseeinrichtung einen Tiefsetzsteller, dessen Eingangsspannung mittels eines elektronischen Schalters auf eine Konstantspannung geregelt wird. Diese Ausbildung der Schaltung ist besonders einfach.
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Das Verfahren zum Betreiben eines HF-Chirurgiegenerators, der ein Netzteil mit mindestens einem Speicherkondensator und eine steuerbare Schalteinrichtung und einen Ausgangstransformator aufweist, der ein HF-Ausgangssignal erzeugt, das einem HF-Chirurgieinstrument zuführbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zum Abschalten des HF-Ausgangssignals im Ausgangstransformator gespeicherte Energie dem Speicherkondensator zugeführt und in diesem gespeichert wird. Die Vorteile dieses Verfahrens wurden oben bereits erläutert. Gleiches gilt auch für entsprechende Weiterbildungen des Verfahrens, die anhand der oben beschriebenen Schaltungsmerkmale erkannt werden können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen
- - 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- - 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- - 3 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- - 4 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
- - 5 ein Zeitdiagramm von Signalabläufen; und
- - 6 ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder gleich wirkende Teile dieselben Bezeichnungen verwendet.
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Bei der in 1 gezeigten Schaltung ist mit der Bezugsziffer 10 ein Netzteil bezeichnet, von welchem lediglich der DC/DC-Wandler mit einem am Ausgang liegenden Kondensator C bezeichnet ist. Selbstverständlich sind weitere Wandlereinrichtungen vorgesehen, um den DC/DC-Wandler aus dem Wechselstromnetz zu speisen.
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Der Generator umfasst einen Schwingkreis CR und eine (Primär-) Wicklung W1 eines Ausgangstransformators TR und ist über einen Transistor T2 mit dem Kondensator C verbunden. Ein Steuerungseingang b des Transistors T2 ist mit einer Steuerung 20 verbunden, die somit durch eine entsprechende Ansteuerung des Transistors T2 im Schwingkreis CR-W1 eine Schwingung erzeugen kann, die über eine Sekundärspule WA und einen Reihenschwingkreis LA, CA als Ausgangsspannung Ua am HF-chirurgischen Instrument (nicht gezeigt) übergeben werden kann.
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Eine weitere Wicklung W2 des Transformators TR ist über eine Diode D1 und einen Transistor T1 einerseits und über eine direkte Leitung andererseits ebenfalls mit dem Kondensator C verbunden. Der Transistor T1 ist mit seinem Steuereingang a mit der Steuerung 20 verbunden. Parallel zur weiteren Wicklung W2 befindet sich eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Transistor T3, dessen Steuereingang c ebenfalls mit der Steuerung 20 verbunden ist.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Schaltung nach 1 anhand von 5 erläutert.
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Die Steuerung 20 erzeugt Ansteuerimpulse n und n+1, die dem Steuereingang b des Transistors T2 übermittelt werden. Durch die Ansteuerung des Transistors T2 wird der Schwingkreis CR, W1 erregt und erzeugt eine Ausgangsspannung Ua.
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Um die Schwingung des Schwingkreises CR, W1 zu beenden, erzeugt die Steuerung 20 ein Signal a, das den Transistor T1 durchsteuert. Demzufolge ist nur die weitere Wicklung W2 über die Diode D1 und den Transistor T1 mit dem Kondensator C verbunden, so dass ein Strom I1 fließt, der die im Transformator TR gespeicherte Energie in den Kondensator C überführt.
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Nach dem relativ kurzen Steuerimpuls a (siehe 5) wird der Transistor T3 von der Steuerung 20 über seinen Steuereingang c durchgeschaltet, so dass nun ein Strom I2 durch den Widerstand R fließt, wodurch eine Restentladung der Energie aus dem Transformator TR in Wärme umgesetzt wird. Die Ausgangsspannung Ua wird somit vollständig auf Null gesetzt, wobei ein wesentlicher Teil der im Ausgangstransformator TR gespeicherten Energie am Kondensator C wieder zur Verfügung steht, um bei einem nächsten Durchsteuern des Transistors T2 über einen Steuerimpuls b (Impuls n+1) wieder verwendet zu werden.
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Die Schaltung gemäß 2 ist hinsichtlich des Netzteils 10 und der Ausgangsschaltung ebenso aufgebaut wie die Schaltung nach 1. Bei dieser Schaltung steht die Primärwicklung W1 des Transformators TR über einen Transistor T21 mit einem oberen Pol des Kondensators C und über einen Transistor T22 mit einem unteren Pol des Kondensators C in Verbindung. Die Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren T21 und T22 sind durch Freilaufdioden überbrückt.
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Der Kollektor des unteren Transistors T22 ist über eine Diode D3 mit dem oberen Pol des Kondensators C verbunden. Der Emitter des Transistors T21 ist über eine Diode D2 mit dem unteren Pol des Kondensators C verbunden, wobei die Diode D2 über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Transistor T3 überbrückt ist.
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Zur Erläuterung der Funktion dieser Schaltung nach 2 sind die Strompfade angegeben.
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Wenn der Transistor T21 und der Transistor T22 durchgesteuert werden, so ergibt sich der Strompfad 4, der eine (pulsförmige) Ausgangsspannung Ua erzeugt. Um diesen Ausgangspuls schnell zu beenden, wird (nach Schließen der Transistoren T21, T22) die im Transformator TR enthaltene Energie als Strom I1 über die Dioden D2 und D3 auf den Kondensator C zurückgeführt. Um eine Restenergie abzubauen, steuert die Steuerung 20 den Transistor T3 an, so dass die im Transformator TR enthaltene Restenergie als Strom I2 über den Strompfad 6 in Wärme umgesetzt wird.
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Die in 3 gezeigte Anordnung ähnelt hinsichtlich der Schwingungserzeugung und hinsichtlich des Transformators TR der Schaltung nach 1. Jedoch ist bei dieser Anordnung die zusätzliche Wicklung W2 über einen Hochsetzsteller, umfassend eine Diode D1, einen Kondensator CH, eine Induktivität LH und eine weitere Diode DH mit dem Kondensator C verbunden. Genauer gesagt, liegt parallel zur zusätzlichen Wicklung W2 eine Reihenschaltung, gebildet aus der Diode D1 und Kondensator CH. Am Kopplungspunkt zwischen der Diode und dem Kondensator liegt ein Ende der Spule LH, deren anderes Ende über die Diode DH mit dem Kondensator C verbunden ist. Der Kopplungspunkt zwischen der Diode DH und der Induktivität LH ist über einen Transistor T1 mit dem anderen Pol des Kondensators C verbunden.
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Weiterhin ist parallel zur zusätzlichen Wicklung W2 eine Reihenschaltung bestehend aus einem Ohm'schen Widerstand R und einem Transistor T3 geschaltet.
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Die Ansteuerung erfolgt gemäß Diagramm nach 5, wobei jedoch der Rückspeisetransistor T1 auch - im Unterschied zur Darstellung in 5 - wie folgt angesteuert werden kann:
- Die hier gezeigte Schaltung bestehend aus LH, T1 und DH stellt einen Hochsetzsteller dar. Dieser Hochsetzsteller vermag Energie vom Speicherkondensator CH auf den Eingangskondensator C umzuladen. Die Ansteuerung des Transistors T1 kann in Pulsweitenmodulation (PWM), Current-Mode-Regelung oder einer ähnlichen quasi-kontinuierlichen Betriebsart vorgenommen werden. Das Bestreben der Regelung des Hochsetzstellers ist es, die Spannung über dem Speicherkondensator CH konstant zu halten und dementsprechend den Drosselstrom durch LH zu variieren.
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Die in 4 gezeigte Schaltung unterscheidet sich von der nach 3 dadurch, dass nicht der in der eigentlichen Generatorschaltung vorgesehene Kondensator C sondern ein in einem Zwischenkreis vorgesehener Kondensator Cz zur Rückspeisung der im Transformator TR gespeicherten Energie durch den Strom I1 verwendet wird. Aus dieser Schaltung ist auch ersichtlich, dass es bei der vorliegenden Erfindung nicht auf das Element ankommt, welches die im Ausgangstransformator TR gespeicherte Energie aufnimmt und zur erneuten Erregung und Erzeugung einer Ausgangsspannung Ua wieder zur Verfügung stellt.
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Bei der in 6 gezeigten Schaltung ist zur Erregung und Erzeugung einer Ausgangsspannung Ua wieder ein Transistor T2 vorgesehen, der einen Stromkreis zwischen dem Ausgangskondensator C des Netzteils 10 und der Primärwicklung W1 des Transformators TR bei Ansteuerung durch ein Signal b aus der Steuerung 20 schließt.
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Zum Rückspeisen der im Transformator TR enthaltenen Energie auf dem Kondensator C ist bei dieser Anordnung eine Reihenschaltung, bestehend aus einer ersten Diode D11, einer zweiten Diode D12, einem Transistor T1 und einer Spule LT mit dem Kondensator C verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Transistor T1 und der Spule LT ist über eine Diode DT mit dem unteren Pol des Kondensators C verbunden. Der Kopplungspunkt zwischen der Diode D12 und dem Transistor T1 ist über einen Kondensator CT mit dem unteren Pol des Kondensators C verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D12 und D11 ist über eine Reihenschaltung bestehend aus einem Widerstand R und einem Transistor T3 mit dem oberen Pol des Kondensators C verbunden.
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Bei dieser Schaltung wird der für die Rückspeisung verantwortliche Transistor T1 über seinen Steuereingang a von der Steuerung 20 in PWM-Mode (oder einem anderen kontrollierten Mode, z.B. Current-Mode oder Zweipunktregelung) betrieben und zwar derart, dass die Eingangsspannung des hier aufgebauten Tiefsetzstellers auf eine Konstantspannung zur Aufladung des Kondensators C geregelt wird. Ansonsten wird die Schaltung wie die zuvor betriebenen Schaltungen betrieben, wobei auch bei dieser Schaltung (wie bei 2) der Generator kein sinusschwingender Generator ist, sondern auf Einzelpulserregungen ausgelegt ist. Daher entfällt auch hier ein zur Primärwicklung W1 paralleler Kondensator. Die rückgespeiste Energie beschränkt sich hier auf die im Transformator gespeicherte Magnetisierungsenergie.
