DE102020128589A1

DE102020128589A1 - Elektrochirurgie-Generator mit Wechselrichter zur Erzeugung von HF-Hochspannung

Info

Publication number: DE102020128589A1
Application number: DE102020128589.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan SCHIDDEL; Thomas Prezewowsky; Jelle Dijkstra
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220133391A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrochirurgie-Generator, der hochfrequente Wechselspannung für ein elektrochirurgisches Instrument erzeugt. Er umfasst ein Netzteil, das im Betrieb einen Gleichspannungskreis speist, und einen davon versorgten Hochspannungswechselrichter, der eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die an Ausgängen zum Anschluss des elektrochirurgischen Instruments (16) ausgegeben wird. Der Wechselrichter (5) weist einen getaktet angesteuerten Leistungsschalter (53) und einen Nulldurchgangsdetektor (7) auf, der Nulldurchgänge der von dem Wechselrichter (4) erzeugten Schwingung erkennt. Ein Signal für die erzeugte Wechselspannung ist an den Nulldurchgangsdetektor (7) angelegt über einen Spannungsteiler, der erfindungsgemäß ein kapazitiver Spannungsteiler (6) ist mit mindestens einem hochspannungsfesten Kondensator (61, 62). Damit können unerwünschte Gleichspannungsanteile am Mittelabgriff bei Versorgungsspannungsänderungen vermieden werden, da Umladungen infolge Änderungen der Versorgungsspannung beidseitig auftreten und deren Auswirkungen sich somit aufheben. Die Detektionsqualität der Nulldurchgänge wird verbessert, insbesondere bei Änderungen der Versorgungsspannung und Sprüngen der Lastimpedanz. Somit steigen Funktionssicherheit des Generators und damit die Sicherheit für Patienten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrochirurgie-Generator, der dazu ausgebildet ist eine hochfrequente Wechselspannung an ein elektrochirurgisches Instrument abzugeben. Er umfasst ein Netzteil, das im Betrieb einen Gleichspannungskreis speist, und einen Wechselrichter für Hochspannung, der von dem Gleichspannungskreis gespeist ist und eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die an Ausgängen zum Anschluss des elektrochirurgischen Instruments angelegt ist.
In der Elektrochirurgie wird hochfrequenter Wechselstrom verwendet insbesondere zum Schneiden bzw. Durchtrennen von Gewebe sowie zur Entfernung von Körpergewebe im Sinne einer thermischen Resektion (sogenanntes elektrisches Skalpell). Das Funktionsprinzip beruht auf Erwärmung des zu schneidenden Gewebes. Ein Vorteil hierbei liegt darin, dass gleichzeitig mit dem Schnitt auch eine Blutungsstillung durch Verschluss der betroffenen Gefäße erfolgen kann. Hierzu werden durchaus beträchtliche Leistungen benötigt, und zwar bei Frequenzen von 100 kHz oder höher bis zu 4000 kHz, typischerweise um die 400 kHz. Bei solchen Frequenzen verhält sich das Körpergewebe wie ein ohmscher Widerstand. Der spezifische Widerstand hängt jedoch stark von der Gewebeart ab, so unterscheiden sich die spezifischen Widerstände von Muskeln, Fett oder Knochen stark voneinander, und zwar bis zum Faktor 1000. Dies führt dazu, dass sich beim Betrieb die Lastimpedanz des elektrischen Skalpells abhängig von dem zu schneidenden Gewebe stark und schnell ändern kann. Das stellt besondere, charakteristische Anforderungen an den Elektrochirurgie-Generator und insbesondere dessen Wechselrichter. Insbesondere eine schnelle Spannungsregelung ist erforderlich, in einem Umfeld mit hohen Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt und hoher Frequenz im Bereich von typischerweise zwischen 100 kHz und bis zu 4 MHz.
Zur Erfüllung dieser einzigartigen Anforderungen sind Elektrochirurgie-Generatoren typischerweise so aufgebaut, dass sie einen Wechselrichter zur Versorgung des elektrochirurgischen Instruments aufweisen, dem gleichgerichteter Strom aus dem Netz mit unterschiedlicher Spannung zugeführt wird. Dieser gleichgerichtete Strom wird bereitgestellt aus dem Netz von einer Hochspannungsgleichstromversorgung (High Voltage Power Supply - HVPS). Der Wechselrichter wiederum ist typischerweise ausgeführt als freischwingender Eintaktgenerator. Dieser benötigt zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Oszillation eine Ermittlung des Nulldurchgangs der erzeugten Schwingung. Wegen des hohen Spannungsniveaus in den Generatoren mit bis zu 1000 Volt Spitzenspannung ist es erforderlich, dass dieser Wert auf ein für die weitere Verarbeitung und Detektion geeignetes niedrigeres Spannungsniveau heruntergeteilt wird. Hierzu wird meist ein Spannungsteiler bestehend aus einem hochspannungsfesten Kondensator und einen Widerstand verwendet.
Eine spezielle Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die Ausgangsleistung des Elektrochirurgie-Generators über die Versorgungsspannung gesteuert wird. In der Folge ändert sich bei jeder Änderung der Versorgungsspannung auch der Gleichspannungsanteil der Generator-Ausgangsspannung. Das führt zu Fehldetektionen des Nulldurchgangs, weil der Kondensator des Spannungsteilers bei jeder Änderung der Versorgungsspannung umgeladen wird. Derartige Fehlinterpretationen können zu einem falschen Schalten der Leistungshalbleiter im Wechselrichter oder zu einem Abreißen der Schwingung führen. Um dies zu vermeiden, muss die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit der Generator-Versorgungsspannung begrenzt werden, was das Risiko mit sich bringt, dass bei sich schnell ändernder Lastimpedanz nicht schnell genug nachgeregelt werden kann. Das ist ein beträchtlicher Nachteil für die Betriebssicherheit und für die Qualität der Versorgung des elektrochirurgischen Instruments.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrochirurgie-Generator der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sein Betriebsverhalten robuster wird, insbesondere im Hinblick auf Nulldurchgangs-Detektion.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Elektrochirurgie-Generator, der dazu ausgebildet ist eine hochfrequente Wechselspannung an ein elektrochirurgisches Instrument abzugeben, umfassend ein Netzteil, das im Betrieb einen Gleichspannungskreis speist, und einen Wechselrichter für Hochspannung, der von dem Gleichspannungskreis gespeist ist und eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die an Ausgängen zum Anschluss des elektrochirurgischen Instruments angelegt ist, wobei der Wechselrichter einen getaktet angesteuerten und einen Nulldurchgangsdetektor aufweist, der dazu ausgebildet ist Nulldurchgänge der von dem Wechselrichter erzeugten Schwingung zu erkennen, wobei
ein Signal für die erzeugte Wechselspannung mittels eines ersten Spannungsteilers über eine Signalleitung an den Nulldurchgangsdetektor angelegt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Spannungsteiler als ein kapazitiver Spannungsteiler für Wechselspannung mit mindestens einem hochspannungsfesten Kondensator ausgeführt ist.
Kern der Erfindung ist, dass mit einem kapazitiven Spannungsteiler, bei dem Kondensatoren beidseitig des Mittelabgriffs verwendet sind, das Auftreten von unerwünschten Änderungen im Gleichspannungsanteil am Mittelabgriff bei Versorgungsspannungsänderungen vermieden werden kann. Das beruht auf der Erkenntnis, dass dann, wenn sowohl zum höheren wie zum niedrigeren Potenzial hin Kondensatoren vorgesehen sind, die bei Änderungen der Versorgungsspannung auftretenden Umladungen dann symmetrisch auftreten und sich somit die Auswirkungen der Umladung aufheben. Mit einem herkömmlichen Spannungsteiler kann dies nicht erreicht werden. Bei einem klassischen Widerstand/Widerstand-Spannungsteiler kann die erwünschte Blockierung der Gleichspannung nicht erreicht werden. Mittels des im Stand der Technik häufig verwendeten RC-Spannungsteilers kann zwar eine Blockierung der Gleichspannung erreicht werden, aber die bei der Änderung der Versorgungsspannung auftretende Umladung des nur einseitig vorhanden Kondensators führt zu einem Gleichstromanteil bei der heruntergeteilten Spannung, was dann zu den eingangs erwähnten Nachteilen führt. Dies vermeidet auf frappierend einfache Weise die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem rein kapazitiven Spannungsteiler. Dieser hat ferner den Vorteil, dass sein Teilungsverhältnis, anders als bei einem herkömmlichen RC-Spannungsteiler, frequenzunabhängig ist.
Der kapazitive Spannungsteiler bietet ferner den Vorteil einer sicheren Detektion auch bei kleinen Ausgangsspannungen, wie sie typischerweise dann auftreten, wenn nur geringe Ausgangsleistungen von einigen Watt von dem Elektrochirurgie-Generator abgefordert werden. Bei den im Stand der Technik verwendeten Generatoren reißt dann die Schwingung häufig ab. Dies kann mit dem erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungsteiler vermieden werden, da die Nulldurchgänge präziser und schneller detektiert werden können. Die Detektionsqualität wird damit spürbar verbessert. Somit ergibt sich insgesamt eine höhere Betriebssicherheit, gerade auch hinsichtlich großer Änderungen der Versorgungsspannung und in Bezug auf starke Sprünge der Lastimpedanz, was einer robusten Funktionssicherheit des Generators und somit letztlich auch der Sicherheit des Patienten zugutekommt.
Ferner genügt es, wenn mindestens einer der Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers hochspannungsfest ist.
Insgesamt lassen sich somit durch eine auf den ersten Blick verblüffend einfach erscheinende Maßnahme beträchtliche Vorteile im Hinblick auf Betriebssicherheit, Robustheit und letztlich Patientensicherheit erzielen.
Nachfolgend sollen zuerst einige verwendete Begriffe erläutert werden:

Im Gebiet der Elektrochirurgie-Generatoren werden unter „hochfrequent“ Frequenzen typischerweise im Bereich von 100 kHz bis 4000 kHz verstanden. Unter „Hochspannung“ werden typischerweise Spannungen bis 10kV, vorzugsweise bis 4000 V verstanden.

Unter Versorgungsspannung wird die Spannung verstanden, welche am Gleichspannungskreis angelegt ist.
Unter den Begriff eines Signals für die erzeugte Wechselspannung fallen insbesondere Signale für Größe, Frequenz, Phasenlage und/oder Amplitude der erzeugten Wechselspannung.
Die von dem Elektrochirurgie-Generator bereitgestellte Leistung liegt typischerweise im Bereich zwischen 1 und 500 Watt, wobei die Lastimpedanz stark variieren kann und entsprechend sich Ausgangsspannung und Leistungsabgabe ebenso stark und rasch ändern können.
Der Begriff des „Nulldurchgangsdetektors“ ist vorliegend weit zu verstehen und umfasst auch solche Detektoren, deren zu detektierende Schwelle nicht exakt bei null liegt, sondern mittels einer Referenz verschiebbar ist.
Vorzugsweise weist der kapazitive Spannungsteiler ein Teilungsverhältnis von zwischen 1:20 und 1:4 auf. Das Teilungsverhältnis ist definiert durch das Verhältnis der Kapazität des oberen Kondensators C_o zu der des unteren Kondensators C_u, wobei die Ausgangsspannung U_a über den unteren Kondensator C_u definiert ist als $U a = \frac{C o}{C o + C u} \cdot U e$
der insgesamt über die beiden Kondensatoren anliegenden Eingangsspannung U_e. Hierbei muss der kapazitive Spannungsteiler so dimensioniert werden, dass zwei sich entgegenstehenden Ziele erreicht werden. Zum einen muss die Hochspannung weit genug herunter geteilt werden, dass sie für nachfolgende (nicht hochspannungsfeste) Elektronik verarbeitbar ist; und zum anderen darf nicht zu stark heruntergeteilt werden, damit auch bei geringer Versorgungsspannung (bspw. bei wenig Leistungsbedarf oder bei ausgesprochen niederimpedanter Last) vom Spannungsteiler noch ausreichend große Spannungssignale gewonnen werden können. Besonders bewährt hat sich ein Verhältnis von 1:6.
Zweckmäßig ist, wenn die Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers Werte im Bereich zwischen 50 pF und 10 nF aufweisen. Damit ergeben sich bei einer typischen Frequenz von 200 kHz Impedanzen X_c im Bereich von 80 bis 16 kOhm.
Mit Vorteil ist der kapazitive Spannungsteiler parallel zum Leistungsschalter angeordnet. Damit entspricht die Eingangsspannung des kapazitiven Spannungsteilers der über den Leistungsschalter, insbesondere einem Leistungs-MOS-FET, abfallenden Spannung.
Der kapazitive Spannungsteiler kann optional direkt unmittelbar an die vom Leistungsschalter erzeugte Wechselspannung angeschlossen sein; bevorzugt ist aber, wenn er nicht unmittelbar sondern mittels eines Strombegrenzungselements an die vom Leistungsschalter erzeugte Wechselspannung angeschlossen ist. Auf diese Weise können eventuell auftretende Stromspitzen im kapazitiven Spannungsteiler vermieden bzw. begrenzt werden. Zweckmäßigerweise ist das Strombegrenzungselement als ein niederohmiger Widerstand ausgeführt, dessen Widerstandswert kleiner ist, vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner ist, als die Impedanz des kapazitiven Spannungsteilers. Damit ergibt sich eine lediglich vernachlässigbar kleine Beeinflussung des kapazitiven Spannungsteilers, dafür aber eine wirksame Strombegrenzung.
Vorteilhafterweise weist die Signalleitung eine Korrekturschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, ein Gleichspannungspotenzial in der Signalleitung zu minimieren oder zu entfernen. Damit kann verhindert werden, dass sich eventuell am Ausgang des kapazitiven Spannungsteilers bzw. in der Signalleitung ein Gleichspannungspotenzial ausbilden kann. Ein solches unerwünschtes Gleichspannungspotenzial würde sich störend auf den Eingang des nachgeschalteten Nulldurchgangsdetektors auswirken. Das kann mit der Korrekturschaltung wirksam verhindert werden. Eine besonders einfache aber dennoch effiziente Schaltung zum Beseitigen des Gleichspannungsoffsets liegt in einem zur Masse geschalteten Widerstand, vorzugsweise im Kiloohmbereich. Zweckmäßigerweise ist der Widerstand so bemessen, dass sich unter Berücksichtigung der Kapazitäten im kapazitiven Spannungsteiler ein Hochpass ergibt mit einer 3dB-Grenzfrequenz, die unterhalb des Hochfrequenzbereiches des -Generators liegt. Damit ergibt sich für den vom Elektrochirurgie-Generator genutzten Hochfrequenzbereich keine negative Beeinflussung durch die Korrekturschaltung.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die gegebenenfalls unabhängigen Schutz verdient, ist an dem Nulldurchgangsdetektor als Nullreferenz eine variable Referenz angelegt, vorzugsweise über eine Referenzleitung. Mit der variablen Referenz kann die Nullschwelle des Nulldurchgangsdetektors angehoben werden. Somit kann die Detektionsschwelle zur Ermittlung des Nulldurchgangs nach oben verschoben werden, was auch bei gepulsten und stark gedämpften Spannungen am Generatorausgang eine korrekte Detektion des Nulldurchgangs ermöglicht. Die Gefahr, sozusagen „falsche“ Nulldurchgänge zu detektieren wird dadurch minimiert. Insgesamt können somit Nulldurchgänge der Wechselspannung präziser und schneller detektiert werden. Das kommt der Robustheit der Detektion und damit Betriebssicherheit des Generators insgesamt zugute, insbesondere im Hinblick auf Toleranz gegenüber starken Sprüngen der Lastimpedanz.
Mit Vorteil ist die variable Referenz abgeleitet aus der Spannung im Gleichspannungskreis. Auf diese Weise wird die Detektionsschwelle zusammen mit steigender Versorgungsspannung angehoben, sodass auch bei einem lastabhängigen Ausschwingen des Wechselrichters, wie es insbesondere bei kritischer Dämpfung am Generatorausgang bei bestimmten Lastimpedanzen auftreten kann, die Nulldurchgänge weiterhin korrekt detektiert werden.
Zweckmäßigerweise ist die variable Referenz mittels eines zweiten Spannungsteilers erzeugt, und zwar aus der Spannung im Gleichspannungskreis. Der zweite Spannungsteiler ist vorzugsweise von einem anderen Bautyp, insbesondere ohmsch, verglichen mit dem ersten (kapazitiven) Spannungsteiler. Sein Teilungsverhältnis ist zweckmäßigerweise kleiner als das des kapazitiven Spannungsteilers, vorzugsweise beträgt es ein Fünfzigstel bis ein Zehntel. Mit Vorteil ist zwischen dem zweiten Spannungsteiler und dem Nulldurchgangsdetektor ein Impedanzwandler geschaltet, der vorzugsweise als ein Buffer-Verstärker ausgeführt ist. Dieser sorgt dafür, dass der Referenzeingang des Nulldurchgangsdetektors entkoppelt ist von dem zweiten Spannungsteiler, und so der zweite Spannungsteiler nicht unnötig belastet wird, was ansonsten zu einer unerwünschten Verfälschung von seinem Ausgangssignal führen könnte.
Ferner kann mit Vorteil eine Offsetschaltung in der Referenzleitung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist bei fehlendem Eingangssignal vom zweiten Spannungsteiler eine definierte, vorzugsweise von Null verschiedene Referenz über die Referenzleitung an den Nulldurchgangsdetektor anzulegen. Dank dieser Offsetschaltung steht an dem Referenzeingang des Nulldurchgangsdetektors stets eine gewisse Spannung an, typischerweise eine geringe positive Spannung. Diese Vorspannung sorgt dafür, dass bei (noch) fehlendem Messsignal von dem kapazitiven Spannungsteiler, also bei einem Nullwert in der Signalleitung, der Nulldurchgangsdetektor immer eine definierte Position einnimmt und entsprechend ein definiertes Ausgangssignal ausgibt. Zweckmäßigerweise ist zur Vermeidung von unnötigem Aufwand die Offsetschaltung in den Impedanzwandler integriert, vorzugsweise als ein Pull-Up-Widerstand oder Pull-Down-Widerstand. In dem so eine von Null verschiedene Referenz an den Nulldurchgangsdetektor angelegt wird, kann dank der Offsetschaltung vermieden werden, dass ein undefinierter Zustand am Buffer-Verstärker und in der Folge am Nulldurchgangsdetektor auftritt.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn am Eingang des Nulldurchgangsdetektors in der Signalleitung und/oder der Referenzleitung Begrenzungsschaltungen vorgesehen sind, die vorzugsweise antiparallel geschaltete Schutzdioden und/oder einen Hochpass umfassen. Auf diese Weise kann eine wirksame Spannungsbegrenzung und Schutz vor schädlichen Folgen von Oberschwingungsanteilen in der Signalleitung am Nulldurchgangsdetektor erreicht werden, was zum einen dem Bauteileschutz dient und zum anderen die Betriebssicherheit erhöht.
Die Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf eine vorteilhafte Ausführungsform beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 einen Elektrochirurgie-Generator gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem angeschlossen elektrochirurgischen Instrument;
2 ein schematisches Funktionsdiagramm des Elektrochirurgie-Generators gemäß 1;
3 ein Blockdiagramm zu einem Wechselrichter des Elektrochirurgie-Generators gemäß 1;
4 einen beispielhaften Schaltplan des Wechselrichters mit Leistungsschalter und Nulldurchgangsdetektor;
5a, b Diagramme zu Spannungsverläufen;
6a, b Diagramme zu Spannungsverläufen und Nulldurchgängen gemäß dem Stand der Technik; und
7 einen Schaltplan zu einem Wechselrichter gemäß dem Stand der Technik.

Ein Elektrochirurgie-Generator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Der in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Elektrochirurgie-Generator umfasst ein Gehäuse 11, das mit einem Anschluss 14 für ein elektrochirurgisches Instrument 16 versehen ist, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um ein elektrisches Skalpell. Es ist über ein Hochvoltverbindungskabel 15 mit dem Anschluss 14 des Elektrochirurgie-Generators 1 verbunden. Die Leistungsabgabe an das elektrochirurgische Instrument 16 kann über einen Leistungssteller 12 verändert werden. Zur Stromversorgung des Elektrochirurgie-Generators 1 ist ein Netzanschlusskabel 13 vorgesehen, welches mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden kann.
In 2 ist ein schematisches Funktionsdiagramm des Elektrochirurgie-Generators 1 dargestellt. Er umfasst ein Netzteil 3, welches von dem Netzanschlusskabel 13 (siehe 1) mit elektrischer Leistung versorgt wird. Bei dem Netzteil 3 handelt es sich um ein Hochspannungsnetzteil (High Voltage Power Supply - HVPS). Es umfasst einen Gleichrichter und speist einen Gleichspannungszwischenkreis 4 mit Gleichspannung, deren Höhe variieren kann zwischen 0 und etwa 300 Volt bei der dargestellten Ausführungsform, wobei die absolute Höhe der Gleichspannung insbesondere abhängt von der eingestellten Leistung, der Art des elektrochirurgischen Instruments 16 und/oder dessen Lastimpedanz, die wiederum abhängt von der Art des behandelten Gewebes.
Von dem Gleichspannungszwischenkreis 4 gespeist ist ein Wechselrichter 5, der hochfrequenten Wechselstrom im Hochspannungsbereich von einigen Kilovolt erzeugt. Der Wechselrichter 4 ist von der Bauart mit freischwingendem Eintaktgenerator. Die am Anschluss 14 abgegebene hochfrequente Hochspannung wird mittels Spannung- und Stromsensoren 17, 18 gemessen und die Messsignale werden einer Verarbeitungseinheit 19 zugeführt, welche die entsprechenden Daten über die abgegebene Spannung, Strom und Leistung an eine Betriebssteuerung 10 des Elektrochirurgie-Generators 1 anlegt, an die auch der Leistungssteller 12 angeschlossen ist.
Bei einem freischwingenden Eintaktgenerator, wie er bei dem Wechselrichter 5 für Elektrochirurgie-Generatoren 1 typischerweise zum Einsatz kommt, ist es für einen stabilen Betrieb erforderlich, dass der Nulldurchgang der erzeugten Schwingung korrekt detektiert wird. Dazu ist ein Nulldurchgangsdetektor 7 vorgesehen, der an seinem Ausgang über eine Leitung 70 ein Signal für den Nulldurchgang zur Verfügung stellt und an eine Oszillations-Steuereinheit 51 angelegt ist.
Dies ist in 3 näher dargestellt, die ein Blockdiagramm des Wechselrichters 5 mit seinem Leistungsteil zeigt. Ein Parallelresonanzkreis 54 umfasst einen Hochspannungskondensator 55 sowie eine Induktivität 57, bei der es sich vorzugsweise um die Primärwicklung eines Transformators 56 handelt, dessen Sekundärseite an den Ausgangsanschluss 14 angeschlossen ist. Der Parallelresonanzkreis 54 ist mit seinem oberen Anschluss am oberen Potenzial des Gleichspannungskreises 4 und mit seinem unteren Anschluss über einen Leistungsschalter 53 mit dem unteren Potenzial des Gleichspannungskreises 4 verbunden. Der Halbleiter-Leistungsschalter 53 ist getaktet angesteuert von einer Oszillations-Steuereinheit 51 über einen Treiber 52 zur Entkopplung und Verstärkung. Bei dem Leistungsschalter 53 handelt sich um einen Leistungshalbleiter insbesondere vom MOS-FET Typ, es können aber auch andere Arten von schnell schaltenden Leistung-Halbleitern verwendet werden. Durch schnelles periodisch getaktetes Ansteuern des Leistungsschalters 53 wird eine entsprechende Wechselspannung über den Kondensator 54 erzeugt, die dann über den Transformator 56 als eine hochfrequente Hochspannung am Anschluss 14 ausgegeben wird. Die Frequenz des periodisch getakteten Ansteuerns ist veränderlich und maßgeblich bestimmt von dem Parallelresonanzkreis 54.
Zur Detektion der Nulldurchgänge wird die Spannung am Drain-Anschluss des Leistungsschalters 53, also an der Verbindung zwischen Leistungsschalter 53 und dem Parallelresonanzkreis 54, abgegriffen mittels eines Spannungsteilers 6.
Bevor die erfindungsgemäße Ausführung näher erläutert wird, wird zunächst Bezug genommen auf die Umsetzung dieser Topologie gemäß dem Stand der Technik, wie sie in dem Schaltbild gemäß 7 dargestellt ist. Oben links ist der Eingang für die Versorgungsspannung aus dem Gleichstromkreis 4 zusammen mit Glättungskondensatoren 41' zu erkennen. Ebenfalls am linken Rand ist der Eingang für das getaktete Oszillationssignal, das auf den Treiber 52' wirkt, der wiederum über einen Schutzwiderstand 58' den Leistungsschalter 53' ansteuert. Dieser ist mit dem Resonanzkreis 54' verbunden, der einen Kondensator 55' und eine Induktivität 57' aufweist. Am Drain-Anschluss des Leistungshalbleiter 53' ist ein Spannungsteiler 6' angeschlossen, um die Spannung zur Detektion des Nulldurchgangs abzugreifen. Der Spannungsteiler 6' ist gebildet durch einen Hochpass mit einem Kondensator 64', der an dem Drain-Anschluss des Leistungsschalters 53' angeschlossen ist, und einem Widerstand 65', der den Kondensator 64' mit dem unteren Potenzial des Gleichspannungskreises verbindet. Der Spannungsteiler 6' gibt an seinem Ausgang die Spannung UNull ab, die über eine Spannungsbegrenzungsschaltung, die einen Widerstand 71' sowie antiparallel geschaltete Dioden 73', 74' umfasst, abgegeben wird und angelegt ist an einen negativen Eingang eines Komparators 77', der als Nulldurchgangsdetektor fungiert. An dem anderen, positiven Eingang des Komparator 77' ist ein zweiter Spannungsteiler 81' mit den beiden Widerständen 82', 83' angeschlossen. Sie bilden die Nullreferenz, gegen die der Komparator 77' das von dem Spannungsteiler 6' gemessene Spannungssignal prüft. Die Widerstände 82' und 83' sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel so dimensioniert, dass sich eine geringe positive Offsetspannung ergibt, sie also nicht exakt bei null liegt. Damit ist sichergestellt, dass der Komparator 77' auch bei fehlendem Signal von dem Spannungsteiler 6' stets ein definiertes Signal ausgibt, nämlich eine positive Ausgangsspannung und somit kein undefinierter Zustand entstehen kann. Ebenfalls um undefinierte Zustände am Ausgang des Komparators 77' zu vermeiden, ist dort ein Pull-Up-Widerstand 79' vorgesehen. Im regulären Betrieb, wenn ein hochfrequentes Signal vom Elektrochirurgie-Generator 1 erzeugt wird (typischerweise im Bereich von 300 bis 600 kHz), wechselt im Takt der von dem Spannungsteiler 6' abgegriffenen Spannung der Ausgang des Komparators 77' immer zwischen 0 V, wenn die am negativen Eingang anliegende Spannung UNull die vom Spannungsteiler 81' eingestellte Referenz überschreitet, und einer positiven Ausgangsspannung, wenn die Spannung UNull die eingestellte Referenz unterschreitet. Auf diese Weise kann im eingeschwungenen Zustand der Nulldurchgang der vom Elektrochirurgie-Generator 1erzeugten Wechselspannung detektiert und weiterverarbeitet werden.
Der Nachteil dieser Schaltung ist, wie bereits eingangs erläutert, insbesondere dann relevant, wenn die Spannung, mit der der Wechselrichter versorgt wird, geändert wird. Dies kann planvoll durch Verstellen des Leistungsstellers 12, aber auch durch eine ggf. sehr schnelle Änderung der Lastimpedanz geschehen. Ändert sich die Versorgungsspannung im Gleichspannungskreis 4, so ändert sich zwangsläufig auch der Gleichspannungsanteil der erzeugten Wechselspannung, wie sie auch an dem Spannungsteiler 6' anliegt. Das führt dazu, dass bei jeder Änderung der Versorgungspannung der Kondensator 64' im Spannungsteiler 6' entsprechend dem veränderten Gleichspannungsanteil aufgeladen bzw. entladen wird, und dieser Ladungsausgleich führt zu einem Gleichstromanteil. Dieser zusätzliche Gleichstromanteil führt zu einer Fehldetektion des Nulldurchgangs, was in der Folge zu einem Abreißen der Schwingung und/oder zu einem falschen Schalten des Leistungsschalters führen kann.
Dies ist in 6 visualisiert. Dargestellt in 6a ist der reguläre eingeschwungene Zustand, bei dem in regelmäßigen Abständen die Nulldurchgänge korrekt detektiert werden. In 6b ist dargestellt, dass bei weiterlaufender Schwingung die Versorgungsspannung erhöht wird. Bedingt durch den Gleichanteil aus der Umladung des Kondensators steigt die an sich unveränderte Wechselspannungskurve nun auf ein höheres Potenzial, was eine signifikante Verschiebung der Nulldurchgänge zur Folge hat. Diese Verschiebung zeigt sich in 6b in der Diskrepanz Δ zwischen der vertikalen gestrichelten Linie anzeigend den an sich korrekten Nulldurchgangszeitpunkt und den deutlich davon abweichenden tatsächlichen Nulldurchgangszeitpunkten der durchgezogenen Kurvenlinie. Man erkennt ohne weiteres, dass die Detektion erheblich gestört ist.
Die erfindungsgemäße verbesserte Version wird unter Bezugnahme auf das Schaltbild gemäß 4 beschrieben. Die Spannungsversorgung und der Treiber 52 im linken Bereich des Schaltbilds einschließlich des Leistungsschalters 53 und dem Parallelresonanzkreis 54 sind wie vorstehend zu 7 beschrieben. Erfindungsgemäß ist ein anderer Spannungsteiler vorgesehen, nämlich ein kapazitiver Spannungsteiler 6, der zwei hochspannungsfeste Kondensatoren 61, 62 enthält. Um sie vor eventuell auftretenden Stromspitzen zu schützen, ist der Anschluss an den Leistungsschalter 53 über ein Strombegrenzungselement 2 ausgeführt, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein niederohmiger Widerstand (im Bereich von 2 bis 20 Ohm) realisiert ist. Durch diesen niedrigen Widerstand ist eine Beeinflussung des kapazitiven Spannungsteilers äußerst klein und kann vernachlässigt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kondensatoren 61, 62 so bemessen, dass sich ein Teilungsverhältnis von 1 zu 6 ergibt, also die Spannung über dem Leistungsschalter 53 durch den Spannungsteiler 6 heruntergeteilt wird auf ein Sechstel des Werts. Dieses Spannungssignal wird über eine Signalleitung 60 von dem kapazitiven Spannungsteiler 6 an den Nulldurchgangsdetektor 7 übermittelt, genauer gesagt an einen negativen Eingang 76 von einem Komparator 77 des Nulldurchgangsdetektors 7.
Entlang der Signalleitung 60 ist eine Begrenzungsschaltung für die Größe des Signals vorgesehen. Sie ist realisiert durch einen Reihenwiderstand 71 und zwei antiparallel angeordnete Dioden 74, 75 zwischen der Signalleitung 60 und einer Referenzleitung 80.
In Bezug auf das auf der Referenzleitung 80 übermittelte Referenzsignal an den Komparator 77 des Nulldurchgangsdetektors 7 ist gemäß einem besonders vorteilhaften optionalen Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass dieses nicht fix ist, sondern variabel aus der Versorgungsspannung abgeleitet wird. Dazu ist ein zweiter Spannungsteiler 81 vorgesehen, der zwei Widerstände 82, 83 aufweist. Dazu ist eine Messleitung 40 vorgesehen, welche das obere Potenzial des Gleichspannungskreises 4 an den oberen Anschluss des zweiten Spannungsteilers 81 anlegt. Dessen unterer Anschluss ist an Masse und somit an das untere Potenzial des Gleichspannungskreises angeschlossen. Auf diese Weise kann eine dem Spannungsniveau im Gleichspannungskreis 4 folgende, mithin variable Referenz erzeugt werden. Sie wird geführt über einen Impedanzwandler 8 mit einem Buffer-Verstärker 86, der als Spannungsfolger ausgeführt ist. Das von dem zweiten Spannungsteiler 81 abgegriffene Spannungssignal ist an den positiven Eingang des Buffer-Verstärkers 86 angelegt, wobei zur Signalverbesserung ferner ein Pull-up-Widerstand 84 und ein Kondensator 85 vorgesehen sind. Der Pull-up-Widerstand 84 sorgt für eine positive Vorspannung auch dann, wenn kein Messsignal von dem zweiten Spannungsteiler 81 übermittelt wird. An den negativen Eingang des Buffer-Verstärkers 86 ist in an sich bekannter Weise eine Rückführung vom Ausgang angeschlossen. Der Ausgang des Impedanzwandlers 8 ist über einen zur Signalbegrenzung dienenden Widerstand 72 angelegt an einen positiven Eingang 78 des Komparators 76, um dort eine variable Referenz für die Nullschwelle zu bilden.
Mit dieser Schaltung wird die Referenz zur Detektion des Nulldurchgangs mit steigender Generatorversorgung geringgradig (im dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 3% der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis) nach oben verschoben. Dies verringert die Gefahr von Fehldetektionen der Nulldurchgänge, insbesondere bei lastabhängigem Ausschwingen des Generators und bei kritischer Dämpfung. Aber auch am anderen Ende des Spektrums, nämlich bei sehr kleinen Generatorspannung können dank der variablen Referenz die Nulldurchgänge auch dann sicher detektiert werden. Das ist insbesondere bei sehr niederimpedanten Lasten von Vorteil, da wegen des dann herrschenden geringen Spannungsniveaus die Nulldurchgänge immer noch sicher detektiert werden können. Dies ist in 5 dargestellt. Dort zeigen 5b einen Betrieb mit regulärer Spannung und 5a einen Betrieb mit geringer Spannung, wobei die Referenzschwelle (gestrichelte Linie) abgesenkt ist gegenüber derjenigen von 5b.
Zur weiteren Erhöhung der Erkennungssicherheit ist ferner an der Signalleitung 60 eine Korrekturschaltung 9 gegen Gleichspannungsoffset in der Signalleitung 60 vorgesehen. An dem kapazitiven Spannungsteiler 6 ist wechselspannungsmäßig die Lage des Abgriffs streng definiert, aber dies gilt nicht für das Gleichspannungspotenzial. Um ein Wegdriften des Gleichspannungspotenzial und damit potentielle undefinierte Zustände am Komparator 76 des Nullstellendetektors 7 zu vermeiden, ist die Korrekturschaltung mit einem Widerstand 90 versehen, der die Signalleitung 60 hochohmig mit Masse verbindet. Hierbei sind die Werte für diesen Widerstand 90 und auch die für die Kondensatoren 61, 62 so gewählt, dass die Grenzfrequenz eines evtl. parasitären Hochpasses tief genug liegt, sodass in dem für die hochfrequente Anwendung interessanten Frequenzbereich von einigen 100 kHz keine praktische Beeinflussung mehr vorliegt. Ebenfalls um undefinierte Zustände am Ausgang des Nullstellendetektors 7 zu vermeiden, ist ein Pull-Up-Widerstand 79 vorgesehen.
Insgesamt ergeben sich beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beträchtliche Verbesserungen, sodass auch bei sehr kleinen Ausgangsleistungen von bis zu 5 W oder weniger die Generatorschwingung nicht abreißt und die Nulldurchgänge des abgegebenen Hochfrequenzsignals deutlich präziser und schneller detektiert werden können. Auch hinsichtlich starker Lastimpedanzsprünge wird die Betriebssicherheit mit der erfindungsgemäßen Gestaltung deutlich verbessert.

Claims

Elektrochirurgie-Generator, der dazu ausgebildet ist eine hochfrequente Wechselspannung an ein elektrochirurgisches Instrument (16) abzugeben, umfassend ein Netzteil (3), das im Betrieb einen Gleichspannungskreis (4) speist, und einen Wechselrichter (5) für Hochspannung, der von dem Gleichspannungskreis (4) gespeist ist und eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die an Ausgängen (14) zum Anschluss des elektrochirurgischen Instruments (16) angelegt ist, wobei der Wechselrichter (5) einen getaktet angesteuerten Leistungsschalter (53) und einen Nulldurchgangsdetektor (7) aufweist, der dazu ausgebildet ist Nulldurchgänge der von dem Wechselrichter (4) erzeugten Schwingung zu erkennen, wobei ein Signal für die erzeugte Wechselspannung mittels eines ersten Spannungsteilers über eine Signalleitung (60) an den Nulldurchgangsdetektor (7) angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler als ein kapazitiver Spannungsteiler (6) für Wechselspannung mit mindestens einem hochspannungsfesten Kondensator (61, 62) ausgeführt ist.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Spannungsteiler (6) ein Teilungsverhältnis zwischen 1:20 und 1:4 aufweist.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Werte der Kondensatoren (61, 62) des kapazitiven Spannungsteilers (6) im Bereich zwischen 50 pF und 10 nF liegen.
Elektrochirurgie-Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Spannungsteiler (6) parallel zum Leistungsschalter (53) angeschlossen ist.
Elektrochirurgie-Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Spannungsteiler (6) unmittelbar oder mittels eines Strombegrenzungselements (2) an die vom Leistungsschalter (53) erzeugte Wechselspannung angeschlossen ist.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Strombegrenzungselement (2) ein ohmscher Widerstand vorgesehen ist, dessen Widerstandswert kleiner ist, vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner ist, als die Impedanz des kapazitiven Spannungsteilers (6), vorzugsweise mit einem Widerstandswert von höchstens 50 Ohm.
Elektrochirurgie-Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (60) eine Korrekturschaltung (9) für Gleichspannungsoffset umfasst, die dazu ausgebildet ist ein Gleichspannungspotential in der Signalleitung (60) zu minimieren oder zu entfernen, wobei die Korrekturschaltung (9) vorzugsweise als ein Hochpass ausgeführt ist.
Elektrochirurgie-Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Nulldurchgangdetektor (7) eine variable Referenz (8) als Nullreferenz angelegt ist, vorzugsweise über eine Referenzleitung (80).
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Referenz (8) abgeleitet ist aus der Spannung im Gleichspannungskreis (4), vorzugsweise der den Wechselrichter speisenden Spannung.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Referenz mittels eines zweiten Spannungsteilers (81) erzeugt ist, der vorzugsweise einen anderen Bautyp, insbesondere ohmsch, aufweist als der erste Spannungsteiler (6), und weiter vorzugsweise ein niedrigeres Teilungsverhältnis als der erste Spannungsteiler (6) aufweist.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Spannungsteiler (81) und dem Nulldurchgangsdetektor (7) ein Impedanzwandler geschaltet ist, der vorzugsweise als ein Buffer-Verstärker (86) ausgeführt ist.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzleitung (80) eine OffsetSchaltung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist bei fehlendem Eingangssignal eine definierte, vorzugsweise von Null verschiedene Referenz über die Referenzleitung an den Nulldurchgangsdetektor anzulegen.
Elektrochirurgie-Generator nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetschaltung in den Impedanzwandler integriert ist, vorzugsweise als ein Pull-Up-Widerstand (84) oder Pull-Down-Widerstand.
Elektrochirurgie-Generator nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Signalleitung und/oder der Referenzleitung am Eingang des Nulldurchgangsdetektors (7) Begrenzungsschaltungen vorgesehen sind, die vorzugsweise anti-parallel geschaltete Schutzdioden (73, 74) und/oder einen Hochpass (72, 75) umfassen.