DE102020114191A1

DE102020114191A1 - Medizinische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020114191A1
Application number: DE102020114191.2A
Authority: DE
Inventors: Roland-Alois Högerle; Saul Dufoo Ochoa
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2021-12-02
Also published as: WO2021239857A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung (5, 6) umfassend eine elektrische Energiequelle, die vorgesehen ist, eine vorbestimmte Gleichspannung bereitzustellen; und einen Aufwärtswandler (2), der vorgesehen ist, die von der Energiequelle bereitgestellte vorbestimmte Gleichspannung betragsmäßig zu erhöhen und diese einer für die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung vorgesehenen elektrischen Last (3, 4) bereitzustellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Vorrichtung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bereits medizinische Vorrichtungen, insbesondere in der Chirurgie als chirurgische Instrumente, bekannt.
Zum einen werden die chirurgischen Instrumente bei einer vorgeschriebenen Spannung betrieben, welche von einer einzelnen Batterie nicht leistbar ist. Hierzu werden beispielsweise mehrere Batterien in Serie hintereinandergeschaltet, um eine höhere Spannung zu erreichen. Hierdurch werden die chirurgischen Instrumente allerdings schwer und unhandlich.
Zum anderen werden die chirurgischen Instrumente durch eine direkte Verbindung mit einem stationären Energieversorgungssystem mit Energie versorgt und somit bei der vorgeschriebenen Spannung betrieben. So kann ein kabelgebundenes chirurgisches Instrument bereitgestellt werden, das dem Anwender allerdings wenig Präzision und Handlichkeit beschert.
Der Stand der Technik hat folglich immer den Nachteil geringer Handlichkeit bei chirurgischen Instrumenten. Es kann ein Bedarf bestehen zum Bereitstellen von Konzepten für medizinische Vorrichtungen, die batteriebetrieben und trotzdem leicht und handlich sind.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere sollen dabei Gewicht, Kosten und Effizienz mitberücksichtigt werden.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine medizinische Vorrichtung, zum Beispiel eine batteriebetriebene medizinische Vorrichtung, bereitgestellt wird. Die medizinische Vorrichtung hat eine elektrische Energiequelle, zum Beispiel eine Batterie. Die elektrische Energiequelle ist vorgesehen, eine vorbestimmte Gleichspannung bereitzustellen. Die medizinische Vorrichtung hat ferner einen Aufwärtswandler. Der Aufwärtswandler ist vorgesehen, die von der Energiequelle bereitgestellte vorbestimmte Gleichspannung betragsmäßig zu erhöhen und die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung einer für die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung vorgesehenen elektrischen Last bereitzustellen.
Dies hat den Vorteil, dass Gewicht durch Weglassen von sonst für die erhöhte Spannung erforderlichen Batterien in der medizinischen Vorrichtung eingespart werden kann. Hierdurch lassen sich ebenso die Kosten für weitere Batterien einsparen. Da Aufwärtswandler auch relativ effizient arbeiten, kann die medizinische Vorrichtung auch als effiziente Vorrichtung angesehen werden.
Die medizinische Vorrichtung kann insbesondere ein Fußpedal, ein Handgerät, das mit dem Fußpedal zusammenwirken kann oder beides sein. Insbesondere kann die Batterie in ein Handstück des Handgeräts integrierbar oder integriert sein, zum Beispiel dediziert integriert sein. Insbesondere kann die Batterie in einen dafür vorgesehenen Schacht des Handstücks einschiebbar sein. In dem dafür vorgesehenen Schacht kann die Batterie mit dem Handstück einrasten.
Die Batterie kann eine 12 Volt Batterie sein. Andere Spannungsniveaus sind ebenfalls möglich, zum Beispiel mindestens oder maximal 3V, 5V oder 10V. Insbesondere kann die Batterie hierin als ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis verstanden werden. Auch versteht sich, dass die Verwendung des Begriffs Batterie, da sie wieder aufgeladen werden kann, auch als Akkumulator, Akku oder Sekundärbatterie bezeichnet werden kann. Hier kann somit eine direkte Abgrenzung zu nicht wieder aufladbaren Batterien gemeint sein, sogenannte Primärbatterien.
Der Aufwärtswandler kann auch als Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler (im Englischen Boost-Converter oder Step-Up-Converter genannt) bezeichnet sein. Der Aufwärtswandler ist eine Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung. Insbesondere kann der Aufwärtswandler hierin vorgesehen sein, den Betrag der vorbestimmten Gleichspannung mindestens zu verdoppeln, verdreifachen, vervierfachen oder verfünffachen. Der Aufwärtswandler kann speziell eine Spule, eine Freilaufdiode, einen Ladekondensator und einen Schalter aufweisen oder nur diese Bauelemente enthalten also daraus bestehen. Speziell kann die Spule in Reihe mit der Freilaufdiode geschaltet sein. Der Ladekondensator kann die Ausgangsspannung aufsummieren.
Die Spule kann durch den Schalter, zum Beispiel in Form eines MOSFETs, Thyristors oder Transistors, gegen Masse geschaltet sein. An der Spule fällt bei geschlossenem Schalter die Eingangsspannung ab und der Strom durch die Spule und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigen an. Wird der Schalter geöffnet, versucht die Spule den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an dem Schalter zugeordneten Ende der Spule steigt sehr schnell an, bis sie die am Ladekondensator anliegende Spannung übersteigt und die Freilaudiode öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Freilaufdiode in den Ladekondensator und zu einer an dem Aufwärtswandler angeschlossenen Last treibt.
Die elektrische Last kann in Form eines elektrischen Verbrauchers ein mit der medizinischen Vorrichtung verbindbarer oder verbundener Motor oder eine Motoreinheit mit Wechselrichter und Synchronmotor sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Insbesondere kann die Batterie für die medizinische Vorrichtung dediziert sein.
Hierdurch lässt sich die medizinische Vorrichtung optimal ausgestalten und verhindert somit Verschleiß und spart Platz ein.
Die Batterie kann konfiguriert sein, die vorbestimmte Gleichspannung gemäß einem ersten Betriebsmodus bereitzustellen. Der erste Betriebsmodus kann ein Modus zum Hochsetzen der Batterieausgangsspannung auf die erhöhte Gleichspannung zur Versorgung der Last mit der erhöhten Gleichspannung sein. Somit kann der erste Betriebsmodus als Entlademodus oder Aufwärtswandelmodus zum Aufwärtswandeln der von der Batterie bereitgestellten vorbestimmten Gleichspannung bezeichnet sein.
Die Bereitstellung verschiedener Betriebsmodi, insbesondere genau zwei Betriebsmodi, kann die Flexibilität bei der Benutzung der medizinischen Vorrichtung erhöhen.
Die Batterie kann ferner konfiguriert sein, auf die vorbestimmte Gleichspannung gemäß einem zweiten Betriebsmodus aufgeladen zu werden. Der zweite Betriebsmodus kann ein Modus zum Aufladen der Batterie auf die vorbestimmte Gleichspannung sein. Somit kann der zweite Betriebsmodus als Lademodus oder Auflademodus zum Laden der Batterie bezeichnet sein.
Somit kann die medizinische Vorrichtung in zwei voneinander verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, welches das externe Anschließen der medizinischen Vorrichtung überflüssig macht.
Die medizinische Vorrichtung kann ferner Schalter umfassen. Die Schalter können konfiguriert sein, zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Hierbei können die Schalter in Form eines Wechselschalters elektronisch oder manuell betrieben sein.
Somit kann die Batteriefunktion einfach und ohne Austauschen der Batterie bereitgestellt sein.
Die medizinische Vorrichtung kann eine Spule aufweisen. Die Spule kann ausgebildet sein, in dem ersten Betriebsmodus, die für den Aufwärtswandler vorgesehene Spule zu bilden. Ferner kann die Spule vorgesehen sein, in dem zweiten Betriebsmodus, die für ein induktives Laden vorgesehene Schwingkreisspule eines zwischen der Batterie und der Spule geschalteten Gleichrichters zu bilden.
Somit lässt sich ein Schaltungsaufwand reduzieren. Hierdurch werden Gewicht und Kosten eingespart.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Schalter so angeordnet sein, dass jeweils die Spule und die Batterie in beiden Betriebsmodi elektrisch wirken.
Hierdurch lassen sich Ladefunktion und Hochsetzfunktion in einer Schaltung vereinfacht integrieren.
Die oben definierte Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Vorrichtung bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst Induktives Laden, durch eine induktive Ladestation, einer in einer medizinischen Vorrichtung enthaltenen elektrischen Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie, gemäß einem ersten Betriebsmodus. Ferner umfasst das Verfahren Aufwärtswandeln, durch einen Aufwärtswandler, einer vorbestimmten Gleichspannung auf eine betragsmäßig erhöhte Gleichspannung gemäß einem zweiten Betriebsmodus. Ebenso umfasst das Verfahren Bereitstellen der erhöhten Gleichspannung einer für die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung vorgesehenen elektrischen Last während dem zweiten Betriebsmodus.
Somit kann eine effiziente Methode bereitgestellt werden, die Kosten und Handling der medizinischen Vorrichtung erleichtert.
Ferner kann das Verfahren Automatisches Umschalten, durch Schalter, zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umfassen. Das automatische Umschalten kann beim Annähern an die induktive Ladestation erfolgen. Das automatische Umschalten kann durch Betätigen der medizinischen Vorrichtung erfolgen. Das automatische Umschalten kann beim Zuschalten bzw. Abschalten der elektrischen Last an einen Ausgang eines Aufwärtswandlers erfolgen.
Hierdurch lassen sich Mechanismen mit der medizinischen Vorrichtung bereitstellen, so dass ein benutzerfreundliches Wirken ermöglicht wird.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung die Implementierung eines Aufwärtswandlers in einem batteriebetriebenen chirurgischen Gerät als Beispiel für eine medizinische Vorrichtung.
Insbesondere kann ein Gleichspannungswandler verwendet werden, um die Spannung, die von einem Batteriepaket geliefert wird, von 12 VDC auf 36 VDC zu erhöhen, die zum Beispiel zum Antrieb eines umrichtergespeisten Permanentmagnet-Synchronmotors benötigt wird. Diese Kombination könnte zum Beispiel in einem Fußpedal des chirurgischen Geräts oder für dieses, sowie in einem Handgerät als chirurgisches Gerät untergebracht sein.
Gemäß einem oder mehrere Aspekte kann ein Batteriepaket verwendet werden, das aus mehreren in Reihe geschalteten Batterien besteht. Die dafür verwendeten einzelnen Batterien können hierfür eine Ausgangsspannung von etwa 1,3 V liefern. Um die Nennspannungen für verschiedenen Geräte zu erreichen, können diese Einzelbatterien in ihren Spannungen aufsummiert werden. Dieses Aufsummieren kann in der vorliegenden Erfindung begrenzt sein, so dass es nicht zu einem Zustand schwerer und teurer Leistungsmodule führt.
Beispielweise kann der Einsatz eines Aufwärtswandlers zwei oder drei der für das Batteriepaket benötigten Akkus ersetzen, um die entsprechenden chirurgischen Geräte zu betreiben, zum Beispiel für eine Eingangsspannung von 36 V. Dies kann eine beträchtliche Kosteneinsparung darstellen, da die Kosten für einen Aufwärtswandler viel günstiger sind als die Kosten für zwei Batteriepakete.
Darüber hinaus ermöglicht die freie Wahl der Spannungsverstärkung, die Verwendung jeder beliebigen Batterietechnologie. Diese Flexibilität ersetzt die Abhängigkeit von alleinigen Zulieferern oder möglicherweise eingestellten Produkten.
Zudem kann das Gewicht des Aufwärtswandlers wesentlich geringer als das Gewicht der Batterien sein. Dies stellt eine Verbesserung der Handhabung des Geräts dar.
Darüber hinaus erlaubt die Erfindung, bei einer bestimmten Größe und einem bestimmten Volumen, den Motor durch einen höheren Spannungspegel zu bedienen. Dies resultiert in einem deutlich niedrigeren Stromniveau bei gleicher Leistung, einer höheren Effizienz und niedrigeren Kosten in der Motorenproduktion.
Darüber hinaus werden in Operationssälen für die Behandlung von Knochengewebe Systeme betrieben, die entweder für batteriebetriebene Motoren (12V) oder für kabelbetriebene Systeme (36V) ausgelegt sind. Die Erfindung erlaubt es, die beiden Motorplattformen (batteriebetrieben und kabelgebunden) auf eine Plattform zu reduzieren.
Aufgrund der Reduzierung der Batterien wird die Ladezeit entsprechend kürzer sein. Es ist wichtig zu erwähnen, dass, obwohl die gespeicherte Energie auf ein n-tel der ursprünglichen Kapazität reduziert ist (bei n-facher Spannungserhöhung), die verfügbare Ladung ausgelegt sein kann, einen normalen chirurgischen Eingriff ohne Energieprobleme durchzuführen.
Gemäß einem oder mehrerer Ausführungsformen kann ein medizinisches Elektrowerkzeug vorgesehen sein. Zur Ansteuerung des Synchronmotors als Last oder Teil der Last, zum Beispiel ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), kann ein DC-Bus von 36 V verwendet werden. Die entsprechende Aufwärtswandlung kann zwischen der Batterie und dem DC-Bus voreingestellt sein. Bei Geräten, die direkt von dem Anwender, insbesondere einem Chirurgen, Verwendung finden, ist das Gesamtgewicht besonders entscheidend. Die Handhabung eines medizinischen Elektrowerkzeugs kann somit in dessen Sinne erleichtert sein. Speziell kann der Motor der medizinischen Vorrichtung mit einem Kopf, zum Beispiel Bohrkopf, der medizinischen Vorrichtung zusammenwirken und diesen antreiben. Die dafür vorgesehene Leistung kann insbesondere allein durch die Batterie der medizinischen Vorrichtung bereitgestellt sein.
Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein/werden können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren oder einem allgemeinen Computer, einer ASIC (Englisch: Application Specific Integrated Circuit; zu Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder DSPs (Englisch: Digital Signal Processors; zu Deutsch: digitale Signalprozessoren).
Beispielsweise kann die medizinische Vorrichtung, die Schalter, der Spannungsregler, der Aufwärtswandler, die Ladestation, das Fußpedal, das Handstück, der Wechselrichter und der Synchronmotor teilweise als ein Computer, eine Logikschaltung, ein FPGA (Field Programmable Gate Array; zu Deutsch: im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung), ein Prozessor (beispielsweise umfassend einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller (µC) oder einen Vektorprozessor)/Core (zu Deutsch: Hauptspeicher, kann in dem Prozessor integriert sein beziehungsweise von dem Prozessor verwendet werden)/CPU (Englisch: Central Processing Unit; zu Deutsch: zentrale Prozessoreinheit; wobei mehrere Prozessorkerne möglich sind), eine FPU (Englisch: Floating Point Unit; zu Deutsch: Gleitkommaprozessoreinheit), eine NPU (Englisch: Numeric Processing Unit; zu Deutsch: Numerische Prozessoreinheit), eine ALU (Englisch: Arithmetic Logical Unit; zu Deutsch: arithmetisch-logische Einheit), ein Koprozessor (zusätzlicher Mikroprozessor zur Unterstützung eines Hauptprozessors (CPU)), eine GPGPU (Englisch: General Purpose Computation on Graphics Processing Unit; zu Deutsch: Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheit(en)), ein Parallelrechner (zum gleichzeitigen Ausführen, unter anderem auf mehreren Hauptprozessoren und/oder Grafikprozessoren, von Rechenoperationen) oder ein DSP realisiert sein.
Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf medizinische Vorrichtung zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf die medizinische Vorrichtung beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen.
Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist“ oder damit „in Verbindung steht“, kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist oder auf diese unmittelbar zugreift; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „unmittelbar verbunden“ ist, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines in einer medizinischen Vorrichtung enthaltenen Systems;
2 eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung in einer Variante;
3 eine schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus zum Aufwärtswandeln einer Batteriespannung in einer medizinischen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus zum induktiven Laden einer Batterie in einer medizinischen Vorrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises der medizinischen Vorrichtung im ersten Betriebsmodus; und
6 eine schematische Darstellung des Schaltkreises der medizinischen Vorrichtung im zweiten Betriebsmodus.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“, „links“, „linke(r)/linkes“, „rechts“, „rechte(r)/rechtes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
Figurenbeschreibung
Die medizinische Vorrichtung und das Verfahren dazu werden nun anhand von Ausführungsformen beschrieben.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird mitunter aus 1 deutlich. Es wird eine Batterie 1 bereitgestellt, die Einzeln oder in einem kleineren als gewöhnlich vorgesehenen Batteriepaket in der medizinischen Vorrichtung unterzubringen ist bzw. untergebracht ist, je nachdem ob es sich bei der Batterie 1 um eine für die der medizinischen Vorrichtung dedizierte Batterie im Sinne eines Akkus handelt oder um eine aus der medizinischen Vorrichtung entnehmbare Batterie 1 handelt. Die Batterie 1 wird hierbei als Baustein für die vorliegende medizinische Vorrichtung verstanden. Die von der Batterie 1 bereitgestellte Gleichspannung kann 12V sein oder maximal 12V aufweisen. Die Batterie 1 kann in Form eines Blei-Akkumulators, Lithium-Ionen-Akkumulators oder dergleichen sein.
Ein weiterer Baustein der vorliegenden medizinischen Vorrichtung ist ein Aufwärtswandler 2, der die von der Batterie 1 bereitgestellte Eingangsgleichspannung in eine höhere Ausgangsgleichspannung umwandelt im Sinne eines DC-DC Wandlers, nur, dass der Aufwärtswandler 2 die Spannung hochsetzt. Insbesondere kann eine mindestens zweifache, zum Beispiel mindestens oder genau dreifache, Spannnungserhöhung vorgesehen sein. Der Aufwärtswandler 2 kann aus einer Spule, die ebenfalls zur Aufladung der Batterie vorgesehen sein kann, einem Schalter, einer Freilaufdiode und einem Kondensator bestehen. Eingangs- und Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers sind über die Spule als Drossel und die leitende Diode miteinander verbunden. Ohne Schalter fließt Ausgangsstrom.
Die Ausgangsspannung kann dabei maximal den um die Diodenschwellenspannung verringerten Wert der Eingangsspannung erreichen. Während der Einschaltphase des Schalters liegt der Ausgang der Drossel an Masse und die Diode ist gesperrt. Mit linearem Stromanstieg nimmt die Drossel magnetische Energie auf. In der Schaltpause des Schalters ist die Induktionsspannung an der Drossel so gerichtet, dass die Diode wieder leitet. Der Strom durchfließt die Drossel weiter und lädt nebenbei den Kondensator nach. Die Ausgangsspannung nimmt um die Spannungsdifferenz zwischen Induktions- und Eingangsspannung zu und ist mit den Puls-/Pausenzeiten des Steuertakts des Schalters einstellbar.
Noch ein weiterer Baustein der vorliegenden medizinischen Vorrichtung kann ein Wechselrichter 3 sein, auch Inverter genannt, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt. Hierbei kann die Wandlung in einem 1:1 Verhältnis durchgeführt werden, so dass ein Wert der von dem Aufwärtswandler 2 bereitgestellten Gleichspannung, oben auch Ausgangsgleichspannung genannt, einem Ausgangsscheitelwert oder Effektivwert der von dem Wechselrichter 3 bereitgestellten Wechselspannung entsprechen kann. Im Speziellen kann es sich bei dem Wechselrichter 3 aber auch um einen DC-AC Hochsetzsteller handeln, der zum Beispiel 36V Gleichspannung auf 230V (Effektivwert) Wechselspannung wandelt. Diese so von dem Wechselrichter 3 bereitgestellte Wechselspannung wird einem Synchronmotor 4, zum Beispiel einem Permanentmagnetsynchronmotor, als weiterer möglicher Baustein der medizinischen Vorrichtung zur Verfügung gestellt.
Speziell kann der Synchronmotor 4 für die von dem Wechselrichter 3 bereitgestellte Wechselspannung ausgebildet sein. Ein Beispiel für eine hierin verwendeten Wechselrichter 3 ist ein Vierquadrantensteller, zum Beispiel eine H-Brückenschaltung aus vier Halbleiterschaltern umfassend Transistoren. Insbesondere können in dem Vierquadrantensteller Bipolartransistoren, MOSFETs und/oder IGBTs eingesetzt sein. Der Vierquadrantensteller kann die von der Aufwärtswandler 2 erhöhte Gleichspannung in eine Wechselspannung variabler Frequenz und variabler Pulsbreite umwandeln. Die Frequenz bzw. Pulsbreite kann insofern variabel sein, dass sie auf den nachgeschalteten Synchronmotor 4 angepasst sein kann bzw. eingestellt ist. Somit kann die Wechselspannung bei festgelegter Frequenz und Pulsbreite bereitgestellt sein. Insbesondere kann der Wechselrichter 4 ohne, mit einer Halbbrücke oder mit einer H-Brücke (Vollbrücke) aus Halbleiterschaltern realisiert sein.
Ferner kann der Synchronmotor 4 eine Einphasen- oder Drehstrom-Synchronmaschine sein. Im Motorbetrieb kann ein konstant magnetisierter Läufer des Synchronmotors 4, auch Rotor genannt, synchron von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator des Synchronmotors 4 mitgenommen werden. Der laufende Synchronmotor 4 hat eine zur Wechselspannung synchrone Bewegung. Die Drehzahl ist mit Polpaarzahl, zum Beispiel bis zu 25 Paaren, und Frequenz, zum Beispiel 50 Hz, der Wechselspannung verknüpft. Das Feld im Läufer wird durch Permanentmagnete (zum Beispiel magnetisierte Ferritmagnete als Läufer) oder elektromagnetisch (zum Beispiel Feldspule auf dem Läufer) erzeugt.
Der Synchronmotor 4 kann letztlich dafür vorgesehen sein, ein damit in Verbindung stehendes Werkzeug (nicht gezeigt), welches ebenfalls Teil der medizinischen Vorrichtung sein kann, anzutreiben. Das Werkzeug kann insbesondere ein Fräskopf oder ein Bohrkopf sein.
1 zeigt im Wesentlichen eine schematische Darstellung eines in einer medizinischen Vorrichtung enthaltenen Systems mit den einzelnen Bausteinen, Batterie 1, Aufwärtswandler 2, Wechselrichter 3 und Synchronmotor 4, zur Veranschaulichung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips.
Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder nachstehend in Bezug auf 2 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer medizinischen Vorrichtung. Die in 2 gezeigte medizinische Vorrichtung umfasst ein Fußpedal 5 und ein Handstück 6 eines Handgeräts, zum Beispiel ein Fräser oder Bohrer. Insbesondere kann die hierin erwähnte medizinische Vorrichtung auch das Fußpedal 5, das Handstück 6 und/oder das Handgerät bezeichnen oder sein. Somit kann jedes dieser Elemente allein oder in Kombination die medizinische Vorrichtung bilden.
In der Ausführungsform aus 2 sind die Batterie 1, der Aufwärtswandler 2 und der Wechselrichter als in dem Fußpedal 5 integriert gezeigt. Ferner ist in dieser Ausführungsform der Synchronmotor 4 in dem Handstück 6 integriert gezeigt. Diese Elementanordnung, nämlich Batterie 1, Aufwärtswandler 2, Wechselrichter 3 und Synchronmotor 4, kann sich auch in dem Handstück 5 bzw. dem Handgerät an sich befinden.
Der Unterschied von 2 zu 1 besteht lediglich in der Anordnung/Zuordnung der Elemente, nämlich Batterie 1, Aufwärtswandler 2, Wechselrichter 3 und Synchronmotor 4, in der medizinischen Vorrichtung.
Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einen oder mehreren vorstehend (z. B. 1) oder nachstehend (z. B. 3 bis 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus zum Aufwärtswandeln einer Batteriespannung in einer medizinischen Vorrichtung. Speziell wird ein Schaltkreis 10 gezeigt, der den ersten Betriebsmodus darstellt oder sich in demselben befindet. Insbesondere wird in 3 ein als Schaltkreis 10 gezeigtes Ersatzschaltbild für einen Schaltkreis 9 aus 5, weiter unten beschrieben, gezeigt. Somit stellt der der Schaltkreis 11 ein Ersatzschaltbild für den ersten Betriebsmodus des Schaltkreises 9 aus 5, wie unten beschrieben, dar.
In dem als Schaltkreis 10 gezeigten Ersatzschaltbild ist ein Aufwärtswandler 2 enthalten. Der Aufwärtswandler 2 umfasst die Bauelemente Spule L2, Schalter Sx, Diode D und Kondensator C2. Diese Bauelemente stellen in der Konstellation aus 3 einen Aufwärtswandler 2 dar. Hierfür ist eine Last L über den Anschlüssen des Kondensators C2 parallelgeschaltet. Die Last L ist insbesondere ein Wechselrichter 3 und ein daran angeschlossener Synchronmotor 4, wie oben in Bezug auf 1 und 2 beschrieben.
Im Sinne eines Zweitors sind an den Aufwärtswandler 2 linksseitig die Batterie 1, wie in 1 und 2 beschrieben, und rechtsseitig die Last L, wie oben beschrieben, angeschlossen. An einem ersten Eingangsanschluss, links oben, ist eine Spule L2 angeschlossen, die über einen gemeinsamen Knotenpunkt mit der Diode D und dem Schalter Sx verbunden ist. Der Schalter Sx ist ferner an einem weiteren Knotenpunkt, dem zweiten Eingangsanschluss mit dem Kondensator C2 und der Last L verbunden. Der weitere Knotenpunkt stellt den zweiten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 2 dar. Der erste Ausgangsanschluss ist ein Knotenpunkt der Spule D, des Kondensators C2 und der Last L.
Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 3 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einen oder mehreren vorstehend (z. B. 1 und 2) oder nachstehend (z. B. 4 bis 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus zum induktiven Laden einer Batterie in einer medizinischen Vorrichtung. Insbesondere stellt der Schaltkreis 11 ein Ersatzschaltbild für den zweiten Betriebsmodus des Schaltkreises 9 aus 6, wie unten beschrieben, dar. Zusätzlich zu dem als Schaltkreis 11 gezeigten Ersatzschaltbild ist in 4 ein Ersatzschaltbild einer Ladestation 7 gezeigt. Die Ladestation 7 umfasst einen Ladestationswechselrichter I und eine Ladestationsspule L1. Die Ladestation 7 dient zum Aufladen der Batterie 1 in dem ersten Betriebsmodus.
Wie weiter unten in Bezug auf die 5 und 6 beschrieben, werden die Spule L2 und die Batterie 1 in beiden Betriebsmodi verwendet.
Die Ladestationsspule L2 dient dazu ein elektromagnetisches Feld auf die Spule L2 zu übertragen. Die Kombination L1 und L2 kann somit als Transformator verstanden werden. Zum Beispiel können die beiden Spulen L1 und L2 jeweils so in den Vorrichtungen angeordnet sein, dass sie lediglich durch das entsprechende Gehäuse voneinander beabstandet sind. Zum Beispiel kann das Fußpedal 5 oder das Handgerät 6 als die medizinische Vorrichtung so auf der Ladestation 7 positioniert sein bzw. abgelegt werden, dass sich die Spulen L1 und L2 gegenüberliegen und lediglich ein Luftspalt zwischen der Ladestation 7 und der medizinischen Vorrichtung vorliegt. In diesem Fall kann die Batterie 1 aufgeladen werden.
Damit die Batterie 1 durch das von der Ladestation 7 bereitgestellte Wechselfeld im Sinne einer Wechselspannung aufgeladen werden kann, ist ein Kondensator C1 mit der Spule L2 parallelgeschaltet. Diese Bauelementkombination entspricht einem L2C1 -Schwingkreis.
Ferner ist an dem L2C1-Schwingkreis ein Gleichrichter 8 angeschlossen. Der Gleichrichter 8 kann für Einphasenwechselstrom ausgebildet sein, zum Beispiel ein Brückengleichrichter, auch Graetzschaltung, Graetzbrücke oder Zweipuls-Brückenschaltung genannt. Der Gleichrichter 8 weist im vorliegenden Fall vier Dioden auf. Die von dem L2C1-Schwingkreis gebildete Wechselspannung wird in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt.
Da es sich dabei um eine Zweiweggleichrichtung handelt, erscheinen die Halbschwingungen der Wechselspannung im Gleichstromkreis an einem nachgeschalteten Bauelement, hier der nachfolgend beschriebene Spannungsregler VR, gleich gepolt. Ohne Glättungskondensator bleibt der Effektivwert der Spannung dabei näherungsweise gleich. Im Gegensatz zu anderen Gleichrichtertypen muss bei dieser Gleichrichterschaltung die Sperrspannung der Gleichrichterdioden nur so groß wie die Spitzenspannung der von dem L2C1 bereitgestellten Wechselspannung sein. Die Welligkeit hat die doppelte Frequenz der von dem L2C1-Schwingkreis bereitgestellten Eingangsspannung. Basierend auf der halbierten Periodendauer kann sich ein nachgeschalteter Filteraufwand verringern.
Der Gleichrichter 8 kann insbesondere ein Brückengleichrichter für Wechsel- und Drehstrom sein. Der Brückengleichrichter kann in Form von miteinander verschalteten Dioden in einem gemeinsamen Gehäuse verwendet werden. Die in dem Gleichrichter 8 enthaltenen Dioden, wie in 4 gezeigt, können so ausgerichtet sein, dass gemäß einem Zweitor des Gleichrichters 8, die ein ersten Eingangsanschluss mit einer Kathode einer ersten Diode, links oben, und mit einer Anode einer zweiten Diode, rechts oben, verbunden ist. Ferner ist ein zweiter Eingangsanschluss mit einer Kathode einer dritten Diode, links unten, und einer Anode einer vierten Diode, rechts unten, verbunden. Der erste Ausgangsanschluss ist mit einer Kathode der zweiten Diode, rechts oben, und einer Kathode der vierten Diode, rechts unten, verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss ist mit einer Anode der ersten Diode, links oben, und einer Anode der dritten Diode, links unten, verbunden. Die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters 8 können dabei die Eingangsanschlüsse bzw. das Eingangstor des Spannungsreglers V_R sein. Durch die gezielte Anordnung/Verbindung der Dioden des Gleichrichters 8 werden nur positive Halbwellen am Ausgang desselben erzeugt.
Die von dem Gleichrichter 8 gelieferte Ausgangsspannung wird somit an den Spannungsregler V_R weitergegeben. Insbesondere kann in dem Spannungsregler VR eine Masse GND vorhanden sein, die alle in dem zweiten Betriebsmodus vorkommenden Bauelemente erdet. Der Spannungsregler V_R hat die Aufgabe die von dem Gleichrichter 8 zur Verfügung gestellte elektrische Spannung so zu stabilisieren, dass Schwankungen derselben, zum Aufladen der nachgeschalteten Batterie 1 ausgeglichen werden. Insbesondere agiert der Spannungsregler V_R als Stellglied im Sinne der Regelungstechnik. Speziell kann der Spannungsregler V_R als Längsregler ausgebildet sein.
Der Längsregler misst die Ausgangsspannung, nämlich die Batteriespannung, und versucht diese konstant zu halten. Hierfür können im einfachsten Falle lediglich ein Widerstand, ein Transistor und eine Zener-Diode verwendet werden. Der Transistor kann so verschaltet sein, dass die Eingangsspannung, am Anschluss IN, vom Gleichrichter 8 an einem Emitter des Transistors und eine Ausgangsspannung, am Anschluss OUT, an einem Kollektor des Transistors abfällt. Der Wiederstand ist über die Basis-Emitter Strecke angeschlossen sein. Die Basis des Transistors wird über die Zenerdiode mit Masse GND verbunden. Hierbei bildet die Anode der Zenerdiode die Masse GND.
Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 4 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einen oder mehreren vorstehend (z. B. 1 bis 3) oder nachstehend (z. B. 5 und 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
Nachfolgend wird der Schaltkreis 9 beschrieben, der die beiden Teilschaltkreise 10 und 11 entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus enthält. Der Einfachheit halber wird hierbei auf beide 5 und 6 gleichzeitig Bezug genommen, da sich die beiden Ersatzschaltbilder lediglich in der Schalterstellung der gezeigten Schalter S1, S2, S3 und S4 unterscheidet.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltkreises 9 der medizinischen Vorrichtung im ersten Betriebsmodus. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Schaltkreises 9 der medizinischen Vorrichtung im zweiten Betriebsmodus. Damit der Schaltkreis 9 in verschiedenen Betriebsmodi, erster und zweiter Betriebsmodus, betriebenen werden kann, sind Schalter S1, S2, S3 und S4 vorgesehen. Die Schalter S1 und S2 sind an jeweiligen Anschlüssen der Spule L2 angeschlossen. Ferner sind die Schalter S3 und S4 an jeweiligen Anschlüssen der Batterie 1 angeschlossen. So kann der Schaltkreis 9 jeweils in den ersten Betriebsmodus, wie in 3 gezeigt, und in den zweiten Betriebsmodus, wie in 4 gezeigt, umgeschaltet werden. Die jeweiligen Schalter S1, S2, S3 und S4 haben, wie in den 5 und 6 gezeigt jeweils 3 Anschlüsse, bei denen zwischen einer ersten Schalterstellung gemäß dem ersten Betriebsmodus, siehe Schalterstellung bzw. Schalteranschluss 2 in 5 und 6, und einer zweiten Schalterstellung gemäß dem zweiten Betriebsmodus, siehe Schalterstellung bzw. Schalteranschluss 3 in 5 und 6, umgeschaltet werden kann. Die Schalterstellung bzw. der Schalteranschluss 5 der Schalter S1 und S2 ist fest mit der Spule L2 verbunden. Ferner sind hierzu die Schalterstellung bzw. der Schalteranschluss 5 der Schalter S3 und S4 fest mit der Batterie 1 fest verbunden.
Der erste Betriebsmodus bzw. der Schaltkreis 10 ergibt sich aus dem Schaltkreis 9 dadurch, dass die Schalter S1, S2, S3 und S4 alle in Schalterstellung 2 geschaltet sind. Hierdurch wird ein erster Anschluss, oberer Anschluss, der Batterie 1 über den Schalter S3, S1 mit der Spule L2 verbunden. Der Aufwärtswandler gemäß 3 ergibt sich dadurch, dass die Spule L2 über den Schalter S2 mit den übrigen Bauelementen des Aufwärtswandlers 2 verbunden wird. Somit wird die Spule L2 zu dem Knotenpunkt, der die Diode D1, den Schalter Sx und die Spule L2 im ersten Betriebsmodus verbindet, mittels des Schalters S2 zugeschaltet. Ferner wird ein zweiter Anschluss, unterer Anschluss, der Batterie 1 über den Schalter S4 mit dem Aufwärtswandler 2 bzw. einem gemeinsamen Knotenpunkt, der den Schalter Sx, den Kondensator C2 und die Last verbindet, verbunden. Die Schalter S1 bis S4 entkoppeln jeweils einzeln oder in Kombination die Bauelemente des Schaltkreises 9, bis auf die Batterie und die Spule L2, welche einen Teil des Aufwärtswandlers 2 im ersten Betriebsmodus bildet.
Somit wird der Schaltkreis 10 aus 3 gemäß der Schalterstellung 2 aus 5 bereitgestellt und der Schaltkreis 9 kann in dem ersten Betriebsmodus zum Betreiben einer Last L betrieben werden.
Der zweite Betriebsmodus bzw. der Schaltkreis 11 ergibt sich aus dem Schaltkreis 9 dadurch, dass die Schalter S1, S2, S3 und S4 alle in Schalterstellung 3 geschaltet sind. Hierdurch wird der erste Anschluss, oberer Anschluss, der Batterie 1 über den Schalter S3 mit dem Längsregler V_R verbunden. Ferner ist die Spule L2 über die Schalter S1 und S2 mit dem Kondensator C1 verbunden. Die Schalter S1 und S3 sind entkoppelt durch die Schalterstellung 3. Ferner wird der zweite Anschluss, unterer Anschluss, der Batterie 1 mit Masse GND verbunden. Die Masse kann dabei durch den Längsregler V_R bereitgestellt sein. Die Schalter S1 und S4 entkoppeln die Bauelemente des Aufwärtswandlers 2, bis auf die Spule L2, von dem Rest des Schaltkreises 9.
Somit wird der Schaltkreis 11 aus 4 gemäß der Schalterstellung 3 aus 6 bereitgestellt und der Schaltkreis 9 kann in dem zweiten Betriebsmodus zum Aufladen der Batterie 1 betrieben werden.
Die Schalter S1, S2, S3 und S4 können hierbei in Form von Wechselschaltern ausgebildet sein, so dass ein Wechsel zwischen den zwei Schalterstellungen 2 und 3 automatisch oder händisch erfolgen kann. Diesbezüglich kann abhängig von der Spannung, Strom und/oder Leistung der Batterie 1 ein Schalterstellungswechsel erfolgen. Somit können die Schalter S1, S2, S3 und S4 als integrierte Bausteine eingesetzt sein, um basierend auf einem Zustand der Batterie die Schalterstellung einzustellen. Eine händische Einstellung kann vorsehen, dass die Schalter S1, S2, S3 und S4 einzeln oder zusammen per Hand umgeschaltet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Schalter S1, S2, S3 und S4 synchron bzw. gleichzeitig geschaltet werden können, damit es nicht zu unvorhersehbaren Schalterzuständen kommen kann.
Es lässt sich für die 5 und 6 zusammenfassen, dass die Batterie 1 und die Spule L2 für den ersten und den zweiten Betriebsmodus so mittels der Schalter S1, S2, S3 und S4 zugeschaltet werden, dass sie ihre Funktion gemäß dem jeweiligen Betriebsmodus erfüllen.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Aufwärtswandler
3: Wechselrichter
4: Synchronmotor
5: Fußpedal
6: Handstück
7: Induktive Ladestation
8: Gleichrichter
9: Schaltkreis
10: Schaltkreis des ersten Betriebsmodus
11: Schaltkreis des zweiten Betriebsmodus
I: Ladestationswechselrichter
L: Last
L1: Ladestationsspule
L2: Spule
C1: erster Kondensator
C2: zweiter Kondensator
D1: Diode
VR: Spannungsregler
S1: erster Schalter
S2: zweiter Schalter
S3: dritter Schalter
S4: vierter Schalter
Sx: Schaltelement

Claims

Medizinische Vorrichtung (5, 6) umfassend: eine elektrische Energiequelle, die vorgesehen ist, eine vorbestimmte Gleichspannung bereitzustellen; und einen Aufwärtswandler (2), der vorgesehen ist, die von der Energiequelle bereitgestellte vorbestimmte Gleichspannung betragsmäßig zu erhöhen und diese einer für die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung vorgesehenen elektrischen Last (3, 4) bereitzustellen.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 1, wobei die Energiequelle eine Batterie (1) ist.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 2, wobei die Batterie (1) für die medizinische Vorrichtung (5, 6) dediziert ist.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Batterie (1) konfiguriert ist, die vorbestimmte Gleichspannung gemäß einem ersten Betriebsmodus bereitzustellen und wobei die Batterie (1) konfiguriert ist, auf die vorbestimmte Gleichspannung gemäß einem zweiten Betriebsmodus aufgeladen zu werden.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 4, wobei die medizinische Vorrichtung (5, 6) Schalter (S1, S2, S3, S4) umfasst, die konfiguriert sind, zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 5, wobei die Schalter (S1, S2, S3, S4) in Form eines Wechselschalters elektronisch oder manuell betrieben sind.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die medizinische Vorrichtung (5, 6) eine Spule (L2) aufweist, die ausgebildet ist, in dem ersten Betriebsmodus, die für den Aufwärtswandler (2) vorgesehene Spule (L2) zu bilden und in dem zweiten Betriebsmodus die für ein induktives Laden vorgesehene Schwingkreisspule (L2) eines zwischen der Batterie und der Spule geschalteten Gleichrichters (8) zu bilden.
Medizinische Vorrichtung (5, 6) nach Anspruch 7, wobei die Schalter (S1, S2, S3, S4) so angeordnet sind, dass jeweils die Spule (L2) und die Batterie (1) in beiden Betriebsmodi elektrisch wirken.
Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Vorrichtung (5, 6), umfassend: Induktives Laden, durch eine induktive Ladestation (7), einer in einer medizinischen Vorrichtung (5, 6) enthaltenen elektrischen Energiequelle gemäß einem ersten Betriebsmodus; Aufwärtswandeln, durch einen Aufwärtswandler (2), einer vorbestimmten Gleichspannung auf eine betragsmäßig erhöhte Gleichspannung gemäß einem zweiten Betriebsmodus; und Bereitstellen der erhöhten Gleichspannung einer für die betragsmäßig erhöhte Gleichspannung vorgesehenen elektrischen Last (3, 4) während dem zweiten Betriebsmodus.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Automatisches Umschalten, durch Schalter (S1, S2, S3, S4), zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus: beim Annähern an die induktive Ladestation (7), durch Betätigen der medizinischen Vorrichtung (5, 6), und/oder beim Zuschalten bzw. Abschalten der elektrischen Last (3, 4) an einen Ausgang eines Aufwärtswandlers (2).