DE102022107867B4

DE102022107867B4 - Chirurgischer Generator mit verbessertem Antrieb des chirurgischen Ultraschallinstruments

Info

Publication number: DE102022107867B4
Application number: DE102022107867.1A
Authority: DE
Inventors: Jelle Dijkstra; Stefan Dietrich; Dimitri Becker
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2042-04-02
Also published as: JP7429811B2; JP2023152750A; CN116889966A; EP4252684B1; EP4252684A1; DE102022107867A1; US20230310020A1

Abstract

Chirurgiegenerator zur Ausgabe einer hochfrequenten Wechselspannung an ein chirurgisches Ultraschallinstrument (16). Ein Oszillator (3) erzeugt eine Steuerschwingung für einen Wechselrichter (24), der eine hochfrequente Spannung für das chirurgische Instrument (16) erzeugt. Eine Anpassungsspulen-Emulationsvorrichtung umfasst eine Korrektureinrichtung (4), die auf die Steuerschwingung einwirkt. Die Korrektureinrichtung umfasst eine Mischeinheit (40) und eine Rückkopplungsschaltung (5), die die dem Wechselrichter (24) zugeführte Steuerschwingung modifiziert. Ein Schätzer (61) berechnet einen virtuellen Strom, der in der emulierten Anpassungsspule fließen würde, wenn sie vorhanden wäre, und ermittelt auf der Grundlage dieses Stroms und einer gemessenen Ausgangsspannung eine künstliche Phasenverschiebung zur Steuerung des Oszillators (3). Dadurch wird die Übertragungsfunktion einer physischen Anpassungsspule nachgeahmt. Eine raumgreifende Anpassungsspule, die genau auf das Ultraschallinstrument (16) abgestimmt werden muss und die Verwendung neuerer und anderer Ultraschallinstrumente einschränkt, ist somit nicht mehr erforderlich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Chirurgiegenerator, der zur Abgabe einer hochfrequenten Wechselspannung an ein chirurgisches Ultraschallinstrument ausgebildet ist. Er umfasst einen Wechselrichter zur Erzeugung einer hochfrequenten Spannung, insbesondere im Ultraschallfrequenzbereich, die an einer Ausgangsbuchse zum Anschluss des chirurgischen Instruments bereitgestellt wird.
In der Chirurgie werden chirurgische Ultraschallinstrumente in allen Bereichen der Chirurgie zum Schneiden von Gewebe und Verschließen von Gefäßen, auch größeren Gefäßen, eingesetzt. Ein Vorteil der Ultraschallchirurgie besteht darin, dass nur ein Minimum an Wärmeausbreitung erzeugt wird, wodurch nachteilige Auswirkungen auf angrenzendes Gewebe minimiert werden. Je nach Aufgabenstellung werden unterschiedliche Ultraschallinstrumente eingesetzt.
Chirurgische Ultraschallinstrumente weisen einen Ultraschallwandler auf, der die vom chirurgischen Generator gelieferte elektrische Energie in Ultraschallenergie umwandelt, die dann für die Therapie genutzt werden kann. Im Allgemeinen stellen Ultraschallinstrumente eine komplexe Last für den Chirurgiegenerator dar. Die elektrische Impedanz ist komplex und frequenzabhängig, und darüber hinaus treten erhebliche Resonanzen auf, die mechanischen Resonanzmoden entsprechen. Die mechanische Resonanz selbst wird durch die am chirurgischen Instrument tatsächlich vorhandene mechanische Belastung beeinflusst, die wiederum von der Art des behandelten Gewebes abhängt und sich daher während der Anwendung des chirurgischen Instruments recht dynamisch verändern kann.
Zur Ansteuerung von Ultraschallinstrumenten benötigt der chirurgische Generator einen Inverter oder Verstärker mit einstellbarer Frequenz, z. B. einen Klasse-D-Verstärker. Um den Ausgang des Verstärkers an das verwendete Ultraschallinstrument anzupassen, ist eine Anpassungsschaltung erforderlich. Die Anpassungsschaltung besteht in der Regel aus einer parallel zum chirurgischen Instrument geschalteten Induktivität, der so genannten Anpassungsspule, die dazu dient, die Impedanzcharakteristik des Instruments so zu gestalten, dass der gewünschte mechanische Resonanzmodus angeregt werden kann. Eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen Konfiguration ist in 6 dargestellt. Die Anpassungsspule dient im Allgemeinen zwei Zwecken. Erstens verbessert sie die Übertragungsfunktion des Chirurgiegenerators, d. h. die auf das Instrument wirkende Ausgangsspannung als Funktion des zur Ansteuerung des Verstärkers verwendeten Eingangssignals. Zweitens verbessert die Anpassungsspule die Phasenmessung, die für eine Phasenregelschleife (PLL) erforderlich ist, die typischerweise verwendet wird um der Resonanzfrequenz zu folgen, wenn sich diese bei der Verwendung aufgrund der wechselnden mechanischen Belastung des Instruments ändert.
Anpassungsspulen sind jedoch recht sperrig, instrumentenspezifisch und daher recht teuer. Da sie spezifisch für das jeweilige Instrument ist, muss die Anpassungsspule außerdem auf die spezifische Übertragungscharakteristik des Ultraschallinstruments abgestimmt sein. Daher können nur solche Ultraschallinstrumente angeschlossen werden, die zum Zeitpunkt der Entwicklung des Chirurgiegenerators und dessen Anpassungsspule bereits verfügbar waren. Mit anderen Worten: Der Chirurgiegenerator ist an Instrumente gebunden, die bei seiner Herstellung bereits vorhanden waren. Dies ist eine schwerwiegende Einschränkung, die die Verwendung neuerer, fortschrittlicherer Ultraschallinstrumente behindert.
Es wurde vorgeschlagen, die Pflicht zur Bereitstellung der Anpassungsspule zu vermeiden, indem das Konzept der Abstimmung auf eine Resonanzfrequenz abgeschafft wird, wobei stattdessen ein anderes Konzept mit einer Messung der statischen Kapazität des chirurgischen Ultraschallinstruments verwendet wird ( US 10,265,117 B2 ). Dies erfordert jedoch eine sich ständig wiederholende Messung der statischen Kapazität.
Weiter wurde vorgeschlagen, den Generator mit einer digitalen Steuerung zu versehen, um eine leistungsfähigere Einstellung auf die Resonanzfrequenz zu erreichen ( DE 601 26 038 T2 ). Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz ist eine Einrichtung zur Überwachung von Impedanzamplitude und -phase vorgesehen, um so eine Impedanzanpassung zu erreichen. Einer älteren Veröffentlichung liegt ein ähnliches Konzept zur Impedanzanpassung zugrunde, hier jedoch noch mit einer analogen Steuerung der Frequenzverstellung ( US 5,151,085 A ). Weiterhin umfasst ist jedoch ein „Matching Transformer“ zur Anpassung an das Ultraschallinstrument.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Chirurgiegenerator bereitzustellen, der eine bessere Anpassungsfähigkeit an das tatsächlich verwendete Ultraschallinstrument bietet.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Chirurgiegenerator, der dazu ausgebildet ist eine hochfrequente Wechselspannung an ein chirurgisches Ultraschallinstrument auszugeben, mit einer Hauptsteuereinheit, einem Oszillator, der eine Steuerschwingung erzeugt, und einem Wechselrichter, der eine von der Steuerschwingung abhängige hochfrequente Wechselspannung erzeugt, wobei die hochfrequente Wechselspannung über ein Filter und eine Anpassungsschaltung an eine Ausgangsbuchse zum Anschluss des chirurgischen Instruments geliefert wird, wobei eine Anpassungsschaltung zur Anpassung der Ausgangsleistung des Wechselrichters an das chirurgische Instrument vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anpassungsschaltung gebildet ist durch eine Anpassungsspulen-Emulationsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist eine Anpassungsspule zu emulieren, und umfasst eine Korrektureinrichtung, die auf die Steuerschwingung wirkt, wobei die Korrektureinrichtung eine Mischeinheit und eine Rückkopplungsschaltung aufweist, deren Eingang mit der Ausgangsbuchse verbunden ist, wobei die Rückkopplungsschaltung ein Korrektursignal berechnet, das als ein Eingang der Mischeinheit zugeführt wird, deren anderer Eingang die Steuerschwingung empfängt, wobei ein Ausgang der Mischeinheit dem Wechselrichter zugeführt wird; und einen künstlichen Phasengenerator, der dazu ausgebildet ist, dass er ein künstliches Phasensignal als Eingangssignal für den Oszillator bereitstellt, wobei der künstliche Phasengenerator einen Schätzer für einen virtuellen Strom unter Berücksichtigung der emulierten Anpassungsspule aufweist und dazu ausgebildet ist, eine Phasenverschiebung zwischen dem virtuellen Strom und der gemessenen Ausgangsspannung zu bestimmen, wobei die künstliche Phase sich unterscheidet von einer gemessenen Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Strom.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine spezifische Anpassungsschaltung bereitzustellen, welche die physikalische Anpassungsspule ersetzt. Die Erfindung hat erkannt, dass es einer Kombination von zwei verschiedenen Merkmalen bedarf, um eine solche Anpassungsschaltung bereitzustellen, die befähigt ist die physikalische Anpassungsspule zu ersetzen. Erstens muss die Schwingung, die zur Ansteuerung des die Ausgangsspannung erzeugenden Wechselrichters verwendet wird, durch die Korrektureinrichtung in Abhängigkeit vom Zustand der aktuellen elektrischen Parameter wie Spannung und Strom an der Ausgangsbuchse verändert werden. Die Mischeinheit verändert das vom Oszillator abgegebene Signal in Abhängigkeit vom Ausgang der Rückkopplungsschaltung, d.h. der zeitveränderliche Ausgangswert der Rückkopplungsschaltung wird von der zeitveränderlichen Steuerschwingung subtrahiert (oder addiert), wodurch eine modifizierte Schwingung zur Ansteuerung des Wechselrichters bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck ist die Mischeinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, dass sie eine Echtzeitmischung (z. B. durch Subtraktion oder Addition) von zeitveränderlichen Signalen ermöglicht. Ein Kernaspekt ist, dass mit Hilfe der Rückkopplungsschaltung und der Mischeinheit eine Formung der Übertragungsfunktion des Verstärkers und des Filters zwischen dem Verstärker und dem Ausgang erreicht werden kann, wobei das Filter eingesetzt wird zur Nachahmung der Wirkung der Anpassungsspule. Hierdurch kann das ohnehin benötigte Filter verwendet werden, um die Anpassungsspule überflüssig zu machen.
Dies allein würde jedoch nicht funktionieren. Daher ist als zweiter wichtiger Aspekt erforderlich, das für die Korrektureinrichtung erforderliche Signal zu erzeugen. Mit einer physikalischen Anpassungsspule würde die Kombination aus der tatsächlichen Last, wie sie von den chirurgischen Instrumenten erfahren wird, in Verbindung mit der physikalischen Anpassungsspule eine komplexe Impedanz bilden, die zu einer bestimmten Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Ausgangsspannung führt. In Ermangelung einer physischen Anpassungsspule kann diese Phasendifferenz jedoch nicht gemessen werden, da sie auch vom virtuellen Strom durch die (nicht vorhandene) Anpassungsspule abhängt. Die Erfindung sieht daher einen künstlichen Phasengenerator vor, der die tatsächlich gemessene Spannung und einen virtuellen Strom verwendet, der den tatsächlich ausgegebenen mit einem imaginären Strom durch die (nicht vorhandene) Anpassungsspule kombiniert. Zu diesem Zweck ist ein Schätzer vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, dass er den virtuellen Strom bestimmt, der als Ausgangsstrom fließen würde, wenn die Anpassungsspule vorhanden wäre. Durch die Kombination dieser Elemente kann der Strom ermittelt werden, der bei Vorhandensein einer richtig dimensionierten Anpassungsspule fließen würde, und anhand dieses virtuellen Stroms wird die Berechnung vorgenommen.
Dadurch kann das fehlende Stromsignal bereitgestellt werden zur Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen der tatsächlich gemessenen Spannung und dem Strom unter Berücksichtigung einer richtig dimensionierten, aber nicht vorhandenen Anpassungsspule; und ein Signal für diese Phasenverschiebung kann verwendet werden, um die Korrekturschaltung richtig so anzusteuern, dass eine Übertragungsfunktion erreicht wird, die die (nicht vorhandene) Anpassungsspule emuliert. Infolgedessen erhält das Ultraschallinstrument aufgrund der durch die Korrektureinrichtung umgeformten Übertragungsfunktion die gleiche Spannung und den gleichen Strom bei der gleichen Phasenverschiebung, wie dies bei Vorhandensein der herkömmlichen, sperrigen und teuren Anpassungsspule der Fall wäre. Durch diese elektronische Nachbildung ist diese Emulation flexibel und funktioniert auch mit neu entwickelten chirurgischen Ultraschallinstrumenten, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, im Gegensatz zu Anpassungsspulen, die immer auf das spezifische chirurgische Ultraschallinstrument und seine elektrische Charakteristik abgestimmt sein müssen.
Die Erfindung bringt somit erhebliche Verbesserungen in Bezug auf verschiedene Schlüsselaspekte, nämlich eine größere Vielseitigkeit in Bezug auf die zu verwendenden Ultraschallinstrumente und eine Verringerung des Volumens sowie der Kosten des Chirurgiegenerators selbst bei gleichzeitiger Verbesserung der Flexibilität in Bezug auf die Ultraschallinstrumente, die verwendet werden können, und zwar auch neuere Instrumente.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwendung bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz“ auf Frequenzen im Ultraschallfrequenzbereich, die vom Chirurgiegenerator erzeugt werden, typischerweise im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz (Ultraschall-Chirurgiegeneratoren) .
Der Wechselrichter ist ein Gerät, das die eigentlich auszugebende Hochfrequenz für das an die Ausgangsbuchse anzuschließende chirurgische Ultraschallinstrument bereitstellt. Der Begriff Wechselrichter ist recht weit gefasst und umfasst sowohl die eigentliche Wechselrichtertechnik als auch Konverter und Verstärker.
Der Filter befindet sich zwischen einem Ausgang des Wechselrichters und der Ausgangsbuchse, wodurch die Last vom Ausgang des Wechselrichters getrennt wird. Der Filter besteht in der Regel aus einer Inline-Induktivität und kann außerdem einen Parallelkondensator (LC-Filter) enthalten.
Die Emulationsvorrichtung für die Anpassungsspule ist dazu ausgebildet, dass sie eine Anpassungsspule emuliert, die üblicherweise vorhanden wäre, um das Instrument an den Chirurgiegenerator anzupassen. Da es sich um eine Emulationsvorrichtung handelt, enthält die Emulationsvorrichtung für die Anpassungsspule selbst keine Anpassungsspule; man kann also sagen, dass sie spulenlos ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter einem Schätzer eine Vorrichtung zu verstehen, die dazu dient, den Zustand eines Systems anhand von Messungen an dessen Ausgängen zu schätzen. Er ist dazu ausgebildet eine Variable oder einen Zustand zu schätzen, die nicht oder zumindest nicht direkt zugänglich ist, indem er Parameter und andere vom System ausgegebene Messgrößen verwendet. Dem Fachmann auf dem Gebiet der Regelungstechnik sind verschiedene derartige Schätzer bekannt. Nicht einschränkende Beispiele sind Beobachter im Zustandsraum oder Wiener-Filter sowie Kalman-Filter.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rückkopplungsschaltung als Zustandsrückführung ausgeführt. Dadurch können die in der Regelungstechnik durch die Implementierung von Zustandsräumen erzielten Vorzüge vorteilhaft genutzt werden.
Vorzugsweise kann die Rückkopplungsschaltung so ausgestaltet sein, dass ein für eine gemessene Ausgangsspannung und/oder einen gemessenen Ausgangsstrom repräsentatives Signal an einen Eingang der Rückkopplungsschaltung angelegt ist. Die Messung der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms ist mit geringem Aufwand zuverlässig möglich, insbesondere wenn man bedenkt, dass für die Leistungsregelung durch das Hauptsteuereinheit typischerweise ohnehin Sensoren für Spannung und Strom am Ausgang vorgesehen sind. Es entstehen also keine zusätzlichen Kosten für Sensoren, wenn für die Rückkopplungsschaltung ein ohnehin gemessenes Ausgangsspannungs- (oder -strom-) Signal verwendet wird.
Die Rückkopplungsschaltung ist vorteilhafterweise als Gegenkopplung ausgebildet, die einen vorwählbaren Verstärkungsfaktor aufweist, der an einem Eingang der Rückkopplungsschaltung angelegt werden kann. Ein solcher Verstärkungsfaktor, der auch als k-Faktor bezeichnet werden kann, kann zur Realisierung einer unkomplizierten und effizienten Rückkopplungsschaltung verwendet werden. Vorzugsweise wird der Verstärkungsfaktor anhand des Verhältnisses der Filterinduktivität zum Induktivitätswert einer an das chirurgische Instrument angepassten Anpassungsspule bestimmt. Dieser Induktivitätswert ist die Induktivität einer physischen Anpassungsspule (die durch die vorliegende Erfindung nachgebildet werden soll), wie sie für die Anpassung an das chirurgische Instrument erforderlich wäre. Weiter vorzugsweise wird dieses Verhältnis modifiziert durch das Verhältnis des Stroms, der durch eine Inline-Induktivität des Filters fließt, zu dem Strom, der durch die physische Anpassungsspule fließen würde (wenn sie vorhanden wäre). Durch die Verwendung eines solchen Verhältnisses wird auch die Wirkung eines Transformators in der Ausgangsleitung berücksichtigt.
Vorteilhafterweise wird die Rückkopplungsschaltung, insbesondere ihr Verstärkungsfaktor, automatisch in Abhängigkeit vom Typ des chirurgischen Instruments eingestellt. Dadurch wird der Benutzer von der Aufgabe entbunden, den Verstärkungsfaktor zu bestimmen. Dies schließt jedoch eine manuelle Interaktion zur Einstellung des Verstärkungsfaktors nicht aus, z.B. indem der Benutzer den Instrumententyp manuell auswählt und der Verstärkungsfaktor dadurch, z.B. mittels einer Look-up-Tabelle, eingestellt wird.
Vorzugsweise ist die Rückkopplungsschaltung dazu ausgebildet, dass sie ein Wellensignal ausgibt, das die gleiche Frequenz wie die Steuerschwingung, aber eine andere Amplitude und/oder Phase als die Steuerschwingung hat. Durch eine solche Konfiguration kann das Wellensignal daher direkt für die Korrektureinrichtung verwendet werden, ohne dass eine Vorverarbeitung erforderlich ist. Dies vereinfacht die Korrektureinrichtung und ihren Betrieb weiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Oszillator eine Frequenznachführeinheit, die so ausgebildet ist, dass sie einer Frequenz der Spannung an der Ausgangsbuchse folgt. Durch eine solche Nachführung verfolgt der Oszillator jede Änderung der Resonanzfrequenz, die an der Ausgangsbuchse aufgrund wechselnder Lasten, insbesondere wechselnder mechanischer Lasten des an der Ausgangsbuchse angeschlossenen chirurgischen Ultraschallinstruments, auftritt. Vorzugsweise umfasst die Frequenznachführeinheit eine Phasenregelschleife (PLL). Diese ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Nachführung der Frequenz an der Ausgangsbuchse. Dadurch können sichere und stabile Betriebsbedingungen erreicht werden.
Weiter bevorzugt ist die Frequenznachführeinheit durch das vom künstlichen Phasengenerator erzeugte Phasensignal gesteuert. Dies ermöglicht es der Frequenznachführeinheit, die Frequenz- und Phasenverschiebungen an der Ausgangsbuchse zu verfolgen, auch wenn eine direkte Messung der Phase nicht möglich ist. Damit wird auch einer Situation Rechnung getragen, in der eine tatsächliche Messung nicht aussagekräftig ist, d. h. eine tatsächlich gemessene Phase nicht die für den ordnungsgemäßen Betrieb der Korrektureinrichtung erforderliche Phaseninformation darstellt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phaseninformation betreffend die Phasenverschiebung künstlich erzeugt ist, z. B. durch Verwendung eines Schätzers für Amplitude und Phase eines nicht direkt messbaren Stroms, wie eines virtuellen Stroms.
Vorteilhafterweise weist der Schätzer für den virtuellen Strom einen Parameter auf, der für die Induktivität der zu emulierenden Anpassungsspule repräsentativ ist. Durch die Verwendung eines solchen Parameters kann eine genauere Abschätzung des virtuellen Stroms erreicht werden, der als Ausgangsstrom fließen würde, wenn die Anpassungsspule vorhanden und parallel zum chirurgischen Instrument angeschlossen wäre. Dieser Parameter wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Typ des an die Ausgangsbuchse angeschlossenen chirurgischen Ultraschallinstruments eingestellt. Dies kann manuell oder automatisch erfolgen. Vorzugsweise ist die Hauptsteuereinheit zur Einstellung dieses Parameters konfiguriert. Dabei ist die Hauptsteuereinheit dazu eingerichtet, den Typ des chirurgischen Instruments mittels einer Benutzereingabeeinrichtung zu ermitteln und/oder den Typ des chirurgischen Instruments automatisch zu ermitteln durch Identifizierung des chirurgischen Ultraschallinstruments, z.B. durch Auslesen von Instrumentendaten des chirurgischen Ultraschallinstruments. Dadurch wird eine effiziente und einfach zu bedienende Möglichkeit zur Einstellung des Induktivitätsparameters realisiert, die im Falle einer automatischen Bestimmung durch die Hauptsteuereinheit jegliches Risiko eines Benutzerfehlers ausschließt. Dies erhöht weiter die Zuverlässigkeit und verbessert letztlich die Sicherheit für den Patienten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Figuren:

1 zeigt einen Chirurgiegenerator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform mit einem angeschlossenen elektrochirurgischen Instrument;
2 zeigt ein Blockdiagramm des in 1 dargestellten Chirurgiegenerator;
3a, b Übertragungsfunktion, die die Verstärkung und die Phase des Systems für ohne Anpassungsspule, mit physischer Anpassungsspule und emulierter Anpassungsspule gemäß der Erfindung zeigt;
4a, b Ausgangsimpedanz des Instruments für ohne Anpassungsspule, mit physischer Anpassungsspule und emulierter Anpassungsspule gemäß der Erfindung;
5 Steuerschwingung ohne und nach Modifizierung durch eine Korrektureinrichtung; und
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungsteils von einem Wechselrichter zu einem Ultraschallinstrument, das an einer Ausgangssteckdose nach dem Stand der Technik angeschlossen ist.

Die Erfindung wird anhand einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Chirurgiegenerators erläutert. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform handelt es sich um einen chirurgischen Ultraschallgenerator, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Der chirurgische Ultraschallgenerator 1 umfasst ein Gehäuse 11, das mit einer allgemeinen Benutzerschnittstelle 14, einem Leistungswahlschalter 12 und einem Instrumententypwahlschalter 13 sowie einer Ausgangsbuchse 15 für ein chirurgisches Ultraschallinstrument 16 versehen ist. Das chirurgische Ultraschallinstrument 16 ist über ein Kabel mit der Ausgangsbuchse 15 des chirurgischen Ultraschallgenerators 1 verbunden.
Der chirurgische Ultraschallgenerator 1 wird über ein Netzkabel 21 versorgt, das mit einem Stecker 20 an seinem Ende an ein öffentliches Stromnetz (nicht dargestellt) oder eine andere geeignete Stromquelle angeschlossen werden kann. Auf diese Weise wird der chirurgische Ultraschallgenerator 1 mit elektrischer Energie versorgt.
Ein schematisches Funktionsdiagramm des elektrochirurgischen Generators 1 ist in 2 dargestellt. Er umfasst in einem Gehäuse 11 ein Netzteil 22, das über die Netzanschlussleitung 21 mit elektrischer Energie versorgt wird (siehe 1). Das Netzteil 22 umfasst einen Gleichrichter und speist einen Gleichspannungszwischenkreis 23 mit Gleichspannung, wobei der Gleichspannungszwischenkreis 23 einen Wechselrichter 24 speist. Der Wechselrichter 24 ist in der beispielhaften Ausführungsform ein Verstärker, vorzugsweise vom Typ Class-D. Ausgehend von einer hochfrequenten Steuerschwingung 43, die von einem Steueroszillator 3 geliefert wird, verstärkt der Wechselrichter 24 die gelieferte hochfrequente Schwingung und erzeugt eine entsprechende hochfrequente Wechselspannung von etwa 10 bis 100 Volt, typischerweise etwa 50 Volt. Die Hochfrequenz ist variabel und liegt im Ultraschallbereich, der zwischen 20 und 60 kHz liegt, typischerweise im Bereich zwischen 40 und 55 kHz.
Die vom Wechselrichter 24 erzeugte Hochfrequenzspannung wird in eine Ausgangsleitung 25 eingespeist. Nach dem Wechselrichter 24 ist ein Filter 26 vorgesehen, das ein Filter des LC-Typs ist und eine Leitungsinduktivität 26* in jeder Leitung der Ausgangsleitung 25 sowie einen Kondensator aufweist, der beide Leitungsinduktivitäten verbindet. Nach dem Filter 26 und einem optionalen Gleichstromsperrkondensator 28 ist ein Trenntransformator 29 angeordnet, der für die Trennung und Heraufsetzen der Ausgangsspannung sorgt, wobei der Ausgangstransformator ein Übersetzungsverhältnis von z. B. 1:1 aufweist. Die resultierende Ausgangsspannung und der Strom werden von einer Strommesseinrichtung 17 und einer Spannungsmesseinrichtung 18 erfasst und zur Ausgangsbuchse 15 geführt, in die das chirurgische Ultraschallinstrument 16 eingesteckt werden kann. Die Konfiguration vom Wechselrichter 24 bis zur Ausgangsbuchse 15 bildet den Leistungsteil des chirurgischen Ultraschallgenerators 1.
Der Betrieb des chirurgischen Ultraschallgenerators 1 wird von einer Hauptsteuereinheit 10 gesteuert. Sie ist über Signalleitungen mit dem Netzteil 22 und dem Wechselrichter 24 verbunden. Ferner ist eine Leistungsrückkoppelschaltung 19 vorgesehen, an den die Strom- und Spannungsmessgeräte 17, 18 als Eingänge angeschlossen sind. Die Rückkopplungsschaltung 19 bestimmt die Ausgangsleistung auf der Grundlage dieser Eingänge und gibt ein Signal, das die tatsächlich abgegebene Leistung darstellt, an die Hauptsteuereinheit 10 aus, die ihrerseits Steuersignale an den Wechselrichter 24 in Übereinstimmung mit den Funktionen und Modi liefert, die vom Benutzer über eine Benutzerschnittstelle 14 und/oder einen Leistungswahlknopf 12 eingestellt wurden. Außerdem steuert sie die initiale Frequenz f für den Steueroszillator 3. Diese bisher beschriebene Konfiguration ist in der Technik allgemein bekannt und wird aus Gründen der Kürze nicht weiter erläutert.
Chirurgische Ultraschallinstrumente 16 umfassen einen Ultraschallwandler (nicht dargestellt), der elektrische Energie in Ultraschallenergie umwandelt. Die elektrische Impedanz des Ultraschallinstruments 16 korrespondiert mit den mechanischen Resonanzmoden des chirurgischen Ultraschallinstruments 16. Diese mechanische Resonanz wird durch die mechanische Belastung des Ultraschallinstruments beeinflusst, die variabel ist, z. B. abhängig von dem Gewebe, das mit dem Ultraschallinstrument bearbeitet werden soll.
Zum Vergleich ist in 6 ein Leistungsteil nach dem Stand der Technik dargestellt, beginnend mit dem als Wechselrichter 104 fungierenden Verstärker. Daran anschließend sind das LC-Filter 106, der Gleichstromsperrkondensator 108, der Trenntransformator 109, die Strom- und Spannungsmessgeräte 117 und 118 sowie eine Anpassungsspule 9 und schließlich die Ausgangsbuchse 115 angeordnet, in die das chirurgische Ultraschallinstrument 16 eingesteckt werden soll. Um das Ultraschallinstrument 16 richtig anzusteuern, ist eine Anpassungsschaltung erforderlich, die aus einer parallelen Spule besteht, die als „Anpassungsspule“ bezeichnet wird und in 6 mit der Kennziffer 9 gekennzeichnet ist. Diese Anpassungsspule wird verwendet, um die Impedanzcharakteristik des Instruments 16 so zu gestalten, dass die gewünschte mechanische Resonanzform angeregt werden kann. Die Anpassungsspule 9, die normalerweise Teil des chirurgischen Ultraschallgenerators ist, muss daher an das eigentliche Instrument 16 angepasst werden. Soll ein anderes Instrument 16 an den chirurgischen Ultraschallgenerator angeschlossen werden, ist eine zweite Anpassungsspule erforderlich, oder die Anpassungsspule 9 muss eine schaltbare Anpassungsspule sein, die so umkonfiguriert werden kann, dass sie zu dem anderen Instrument passt.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Anpassungsspule 9 abzuschaffen. Folglich ist die Anpassungsspule 9 in der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den Figuren dargestellt ist, nicht vorhanden, und insbesondere in 2 ist die entfallene Anpassungsspule 9 in Phantomlinien dargestellt. Erfindungsgemäß wird die entfallene Anpassungsspule 9 ersetzt durch eine Anpassungsspulen-Emulationseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die entfallene Anpassungsspule 9 zu emulieren. Zu diesem Zweck weist die Einrichtung zur Emulation der Anpassungsspule eine Korrektureinrichtung 4, die dazu ausgebildet ist, dass sie Korrekturen an der von dem Oszillator 3 gebildeten Steuerschwingung vornimmt, sowie einen künstlichen Phasengenerator 6 auf, der einen Schätzer 61 für einen virtuellen Strom unter Berücksichtigung der emulierten Anpassungsspule umfasst.
Der Schätzer 61 ist dazu ausgebildet den virtuellen Strom als Ausgangsstrom zu bestimmen, und der künstliche Phasengenerator 6 berechnet auf dieser Grundlage eine Phasenverschiebung zwischen dem virtuellen Strom und der gemessenen Ausgangsspannung. Zu diesem Zweck wird die vom Spannungssensor 18 gemessene tatsächliche Spannung einem ersten Eingang 62 des Schätzers 61 zugeführt. Ferner wird der von den Stromsensoren 17 gemessene tatsächliche Strom einem zweiten Eingang 63 des Schätzers 61 zugeführt. Außerdem wird als zusätzlicher Eingang ein Parameter 60 gesetzt, der den Induktivitätswert „L“ der nicht vorhandenen Anpassungsspule darstellt. Auf dieser Grundlage ist der Schätzer 61 dazu ausgebildet, dass er den (komplexen) virtuellen Strom I_virt. bestimmt gemäß folgender Formel $I_{v i r t .} = I_{m e a s .} + \frac{U_{m e a s .}}{j ω L}$
wobei I_meas. der von den Stromsensoren 17 gemessene Strom und U_meas. die vom Spannungssensor 18 gemessene Spannung ist. Der Wert des virtuellen Stroms I_virt. wird am Ausgang 64 bereitgestellt und einem Eingang 67 eines Phasenverschiebungsrechners 65 zugeführt, und zu einem weiteren Eingang 66 wird ein gemessenes Spannungssignal geführt, wie es vom Spannungssensor 18 gemessen wird. Aus diesen Eingängen ermittelt der Phasenverschiebungsrechner 65 eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom, nämlich der gemessenen Spannung U_meas. und dem virtuellen Strom I_virt. Ein Signal für diese Phasenverschiebung Δφ_a wird über die Leitung 68 vom künstlichen Phasengenerator 6 ausgegeben. Dieses Signal für die künstliche Phasendifferenz Δφ_a wird einem Eingang einer PLL 33 zur Frequenznachführung des Oszillators 3 zugeführt.
Es ist anzumerken, dass diese vom künstlichen Phasengenerator 6 berechnete Phasenverschiebung - aufgrund der zusätzlichen Berücksichtigung des imaginären Stroms durch die emulierte Anpassungsspule - abweicht und auch abweichen muss von der tatsächlichen Phasenverschiebung, die durch den tatsächlichen Spannungsstrom und die tatsächliche Spannung, wie sie von den Strom- und Spannungssensoren 17, 18 gemessen werden, definiert ist.
Der Oszillator 3 umfasst eine Basiserzeugungseinheit 30, die in der dargestellten Ausführungsform eine Sinusschwingung erzeugt. Die Frequenz der erzeugten Schwingung wird durch die Frequenznachführeinheit 32 bestimmt, der das Steuersignal für eine initiale Frequenz f von der Hauptsteuereinheit 10 zugeführt wird. Ausgehend von dieser initialen Frequenz gibt der Oszillator 3 an seinem Ausgang die Steuerschwingung ab, die über eine Korrektureinrichtung 4 dem Wechselrichter 24 zugeführt wird, der als Verstärker wirkt. Die Frequenznachführeinheit 32 umfasst außerdem die PLL-Schaltung 33 (Phased-Locked-Loop). Sie empfängt die Phasendifferenzsignal-Differenz Δφ_a über die Leitung 68 vom künstlichen Phasengenerator 6. Dadurch hält die PLL-Schaltung 33 den Oszillator 3 auf einer konstanten Phasenverschiebung zwischen der gemessenen Ausgangsspannung und dem gemessenen Strom, und darüber hinaus verfolgt der Oszillator 3 alle Änderungen der Resonanzfrequenz, wie sie im Laufe der Verwendung des chirurgischen Ultraschallinstruments 16 aufgrund unterschiedlicher Lastbedingungen auftreten.
Ferner wird die Übertragungsfunktion des Leistungsteils, beginnend mit dem Wechselrichter 24, durch die Korrektureinrichtung 4 geformt. Zu diesem Zweck ist eine Rückkopplungsschaltung 5 vorgesehen, die einen Eingang 50 aufweist, dem ein von den Spannungssensoren 18 gemessenes Spannungssignal V_meas. zugeführt wird. Ferner ist als zusätzlicher Eingang 51 ein Parameter „k“ an der Rückkopplungsschaltung 5 vorgesehen.
Der Parameter „k“ kann durch den Kehrwert einer Induktivität L bestimmt werden, die die Anpassungsspule 9 hätte, wenn sie vorhanden wäre, multipliziert mit der Leitungsinduktivität 26*, die in diesem Fall zu verdoppeln ist, da in beiden Leitungen eine solche Leitungsinduktivität 26* vorhanden ist. Ferner kann unter Berücksichtigung des Trenntransformators 29 ein Verhältnis zwischen dem Strom in der Filterinduktivität 26* und dem durch die Anpassungsspule 9 (wenn sie vorhanden wäre) fließenden Strom bestimmt werden, und im vorliegenden Fall ist dieses Verhältnis N = 11. Unter der Annahme, dass die Induktivität L der Anpassungsspule 3,3 mH und die Leitungsinduktivität 26* jeweils 6,25 pH beträgt, kann der Parameter „k“ wie folgt bestimmt werden: $k = \frac{2 \cdot 6.25 μ H}{3.3, m H} \cdot 11 \approx 0,042$
Auf dieser Grundlage ermittelt die Rückkopplungsschaltung 5 einen Korrekturwert gemäß $- k \cdot V_{m e a s .}$
an einem Ausgang 52 der Rückkopplungsschaltung 5. Dieser wird einem zweiten Eingang 42 einer Mischeinheit 40 der Korrektureinrichtung 4 zugeführt. Am ersten Eingang 43 der Mischeinheit 40 wird die vom Oszillator 3 ausgegebene Treibchwingung zugeführt. Dementsprechend wird die vom Oszillator 3 ausgegebene Steuerschwingung durch den Ausgang der Rückkopplungsschaltung 5 korrigiert, und das resultierende Signal wird über die Leitung 44 einem Eingang des Wechselrichters 24 zur Verstärkung und Ausgabe an die Ausgangsleitung 25 zugeführt.
Dadurch wird die Übertragungsfunktion durch die Korrektureinrichtung 4 geformt und die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom an der Ausgangsbuchse 15 wird verändert durch den künstlichen Phasengenerator 6. Die resultierende korrigierte Schwingung, die von der Leitung 44 geliefert wird, unterscheidet sich in Amplitude und Phase von der ursprünglichen Steuerschwingung, wie sie vom Oszillator 3 ausgegeben wird. Dies ist in 5 dargestellt, wobei eine gestrichelte Linie die ursprüngliche Steuerschwingung und eine durchgezogene Linie die korrigierte Schwingung darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung geformt ist und über die Leitung 44 an den Wechselrichter 24 zur Verstärkung geliefert wird.
Die Wirkung der Korrektureinrichtung 4 und des künstlichen Phasengenerators 6 ist in den 3 und 4 dargestellt. 3a zeigt die Verstärkung und 3b die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz f an der Ausgangsbuchse 15. Die gestrichelte Linie zeigt die Übertragungsfunktion eines Leistungsteils nach dem Stand der Technik bei Vorhandensein der physikalischen Anpassungsspule 9. Durch einfaches Weglassen der Anpassungsspule ergibt sich eine Übertragungsfunktion, wie sie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, die sich in Bezug auf die Verstärkung und noch mehr in Bezug auf die Phase erheblich unterscheidet. Durch die Bereitstellung einer Anpassungsspulen-Emulationsvorrichtung mit der Korrektureinrichtung 4 und dem künstlichen Phasengenerator 6, wie zuvor beschrieben, ergibt sich eine Übertragungsfunktion, wie sie durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Es ist leicht zu erkennen, dass die durchgezogene Linie eng mit der gestrichelten Linie der physikalischen Anpassungsspule übereinstimmt und diese weitgehend überlappt.
In ähnlicher Weise sind in den 4a und 4b Betrag sowie Phase der Ausgangsimpedanz des chirurgischen Ultraschallinstruments 16 dargestellt. Die Ausgangsimpedanz mit der nach dem Stand der Technik vorhandenen Anpassungsspule 9 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Ein Szenario, bei dem die Anpassungsspule 9 einfach weggelassen wird, ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, dass diese Linie sehr unterschiedlich ist und insbesondere eine erhebliche Abweichung in der Phase aufweist, die zu einer zweiten Nullstelle bei einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz von 47 kHz führt, was schädlich für die Stabilität. All dies wird durch die Bereitstellung der Anpassungsspulen-Emulation gemäß der vorliegenden Erfindung behoben, die zu einer Ausgangsimpedanz führt, wie durch die durchgezogene Linie dargestellt, die viel näher an der gestrichelten Linie liegt, insbesondere in der Nähe der kritischen Resonanzfrequenz um 47 kHz. Daher kann leicht erkannt werden, dass die Anpassungsspulen-Emulationsvorrichtung hervorragende Ergebnisse beim Ersetzen der physischen Anpassungsspule 9 erzielt.
Dementsprechend wird durch die Kombination der Korrektureinrichtung 4 mit dem künstlichen Phasengenerator 6 der gewünschte Effekt der Emulation der (physisch nicht vorhandenen) Anpassungsspule 9 erzielt, um so das chirurgische Ultraschallinstrument 16 korrekt anzusteuern.
Ferner kann, um auch andere Typen von chirurgischen Ultraschallinstrumenten 16, die eine andere zu emulierende Anpassungsspule 9 erfordern, korrekt ansteuern zu können, der Parameter „L“ mit Hilfe der Hauptsteuereinheit 10 über eine Leitung 69 auf einen anderen Wert vorgewählt werden. Der Typ des verwendeten chirurgischen Ultraschallinstruments 16 kann vom Benutzer mit dem an der Hauptsteuereinheit 10 angebrachten Drehknopf 13 ausgewählt werden. Optional kann die Hauptsteuereinheit so eingerichtet werden, dass der Typ mittels einer Kommunikationsschnittstelle (nicht dargestellt) an der Ausgangsbuchse 15 direkt aus dem chirurgischen Ultraschallinstrument 16 ausgelesen wird. So oder so wird erreicht, dass der chirurgische Ultraschallgenerator 1 leicht an verschiedene Typen von chirurgischen Ultraschallinstrumenten 16 angepasst werden kann, selbst wenn diese Instrumente erst nach der Herstellung des chirurgischen Ultraschallgenerators erscheinen. Dies verbessert die Vielseitigkeit erheblich.

Claims

Chirurgiegenerator, der dazu ausgebildet ist eine hochfrequente Wechselspannung an ein chirurgisches Ultraschallinstrument (16) auszugeben, mit einer Hauptsteuereinheit (10), einem Oszillator (3), der eine Steuerschwingung erzeugt, und einem Wechselrichter (24), der eine von der Steuerschwingung abhängige hochfrequente Wechselspannung erzeugt, wobei die hochfrequente Wechselspannung über ein Filter und eine Anpassungsschaltung an eine Ausgangsbuchse (15) zum Anschluss des chirurgischen Instruments (16) geliefert wird, wobei eine Anpassungsschaltung zur Anpassung der Ausgangsleistung des Wechselrichters (24) an das chirurgische Instrument (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschaltung gebildet ist durch eine Anpassungsspulen-Emulationsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist eine Anpassungsspule zu emulieren, und umfasst eine Korrektureinrichtung (4), die auf die Steuerschwingung wirkt, wobei die Korrektureinrichtung (4) eine Mischeinheit (40) und eine Rückkopplungsschaltung (5) aufweist, deren Eingang (50) mit der Ausgangsbuchse (15) verbunden ist, wobei die Rückkopplungsschaltung (5) ein Korrektursignal berechnet, das als ein Eingang (42) der Mischeinheit (4) zugeführt wird, deren anderer Eingang (43) die Steuerschwingung empfängt, wobei ein Ausgang (44) der Mischeinheit (40) dem Wechselrichter (24) zugeführt wird; und einen künstlichen Phasengenerator (6), der dazu ausgebildet ist, dass er ein künstliches Phasensignal als Eingangssignal für den Oszillator (3) bereitstellt, wobei der künstliche Phasengenerator einen Schätzer (61) für einen virtuellen Strom unter Berücksichtigung der emulierten Anpassungsspule aufweist und dazu ausgebildet ist, eine Phasenverschiebung zwischen dem virtuellen Strom und der gemessenen Ausgangsspannung zu bestimmen, wobei die künstliche Phase sich unterscheidet von einer gemessenen Phasenverschiebung zwischen Ausgangsspannung und Strom.
Chirurgiegenerator nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschaltung (5) als Zustandsrückführung ausgeführt ist.
Chirurgiegenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein für die gemessene Ausgangsspannung und/oder den gemessenen Ausgangsstrom repräsentatives Signal an einen Eingang (50) der Rückkopplungsschaltung (5) angelegt ist.
Chirurgischer Ultraschallgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsschaltung (5) als Gegenkopplung ausgebildet ist und einen vorwählbaren Verstärkungsfaktor aufweist.
Chirurgischer Ultraschallgenerator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verstärkungsfaktor gemäß einem Verhältnis der Filterinduktivität (26*) zur Induktivität einer an das chirurgische Instrument (16) angepassten Anpassungsspule (9) bestimmt wird.
Chirurgischer Ultraschallgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsschaltung (5), insbesondere ein Verstärkungsfaktor davon, automatisch eingestellt wird in Abhängigkeit von einem Typ des chirurgischen Instruments (16).
Chirurgischer Ultraschallgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsschaltung (5) dazu ausgebildet ist ein Wellensignal auszugeben, das die gleiche Frequenz wie die Steuerschwingung, aber eine andere Amplitude und/oder Phase als die Steuerschwingung hat.
Chirurgischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oszillator (3) eine Frequenznachführeinheit (32) umfasst, die dazu ausgebildet ist, dass sie einer Frequenz der Spannung an der Ausgangsbuchse (15) folgt.
Chirurgischer Generator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Frequenznachführeinheit (32) eine Phasenregelschleife (33) umfasst.
Chirurgischer Generator nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Frequenznachführeinheit (32) durch das vom künstlichen Phasengenerator (6) erzeugte Phasensignal (68) gesteuert ist.
Chirurgischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schätzer (61) für den virtuellen Strom einen Parameter aufweist, der repräsentativ ist für eine Induktivität L der zu emulierenden Anpassungsspule (9).
Chirurgischer Generator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Parameter L, der für die Induktivität repräsentativ ist, vorwählbar ist.
Chirurgischer Generator nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hauptsteuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, dass sie den für die Induktivität repräsentativen Parameter in Abhängigkeit von einem Typ des an die Ausgangsbuchse (15) angeschlossenen chirurgischen Instruments (16) einstellt.
Chirurgischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptsteuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, den Typ des chirurgischen Instruments (16) mittels einer Benutzereingabevorrichtung (13) und/oder automatisch durch Auslesen von Instrumentendaten des chirurgischen Instruments (16) zu bestimmen.