DE102022127935A1

DE102022127935A1 - Elektrochirurgische Vorrichtung, System und Verfahren zur Steuerung einer elektrochirurgischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022127935A1
Application number: DE102022127935.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hinding; Jérôme Pierre
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2024083961A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochirurgische Vorrichtung (1) zur Hochfrequenzerzeugung, umfassend einen Hochfrequenz-Signalerzeuger (3), der eine Mehrzahl von Ausgangsendstufen (5) aufweist, wobei jede Ausgangsendstufe (5) einen elektronischen Schalter (7) umfasst, wobei jeder der elektronischen Schalter (7) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter geschalten zu werden, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) eingerichtet ist, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den elektronischen Schaltern (7) erzeugten Spannungsverläufen einen stufenförmigen Spannungsverlauf aus pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen zu erzeugen, der einem Sinusreferenzsignal folgt, und eine Steuereinheit (4), die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen (5) zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochirurgische Vorrichtung zur Hochfrequenzerzeugung. Ferner betrifft die Erfindung ein System umfassend eine elektrochirurgische Vorrichtung und ein elektrochirurgisches Instrument. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer elektrochirurgischen Vorrichtung.
Bei der Hochfrequenz-Chirurgie (HF-Chirurgie) oder Elektrochirurgie wird hochfrequenter Wechselstrom durch den menschlichen Körper geleitet, um Gewebe durch die damit verursachte Erwärmung gezielt zu schädigen bzw. zu schneiden.
Bei einer minimal invasiven Endoskopie werden elektrochirurgische Instrumente zur Koagulation oder zum Schneiden verwendet. Dabei ist eine schnelle und zuverlässige Gewebeversiegelung erforderlich. Bereits eine geringe Menge an Blut ist ausreichend, die Sicht eines Chirurgen zu behindern und einen Eingriff an einem Patienten zu erschweren oder gar unmöglich zu machen. Grundsätzlich wird bei einer Gewebeversieglung mittels hochfrequentem Strom Gewebe erhitzt. Infolge der Erhitzung wird das Gewebe versiegelt. Hierdurch ist es möglich eventuell auftretende Blutungen des Gewebes unmittelbar zu stoppen.
Ein bei der Erhitzung verwendeter Strom, sollte eine bestimmte Frequenz aufweisen, um eine Reizung von Nerven zu verhindern. Mit anderen Worten sollen die Nerven nicht stimuliert werden. Typischerweise liegen entsprechende Frequenzen im kHz-Bereich.
Um eine benötigte Spannung zu erzielen, kann ein Übertrager eingesetzt werden. Der Übertrager wird typischerweise mittels einer Halb- oder Vollbrücke auf einer Primärseite mit einer Frequenz von mindestens 150 kHz betrieben. Auf einer Sekundärseite kann eine Spannung anliegen, die beispielsweise zum Koagulieren oder Schneiden von Gewebe verwendet werden kann. Dabei darf das zu behandelnde Gewebe nicht zu stark und zu lange erhitzt werden, da es sonst zu einer Karbonisierung oder zur Brandschorfbildung kommen könnte, die eine weitere unkontrollierbare Blutung auslösen könnte. Eine genaue oder zuverlässige Regelung der Spannung ist jedoch schwierig.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten bi-polaren Systemen ist es erforderlich, dass zusätzlich noch eine Funkerkennung vorhanden sein muss.
Die Frequenz wie oben beschrieben, wird mittels Halb- oder Vollbrücke erzeugt. Die verwendeten Komponenten können aufgrund der hohen Leistung aber nur digital betrieben werden, so dass nur ein Ein- oder Ausschalten erfolgen kann. Ein Übertrager kann idealerweise mit einem Sinus betrieben werden. Ein „hartes“ Durchschalten der verwendeten Transistoren kann viele Oberwellen hervorrufen, also Störungen, die einerseits bei einer EMV-Prüfung kritisch werden können und andererseits aber auch exakte Messungen von Strom-Spannungs-Phasenverschiebungen erherblich erschweren und ungenau machen können.
Bei geringeren Frequenzen kann ein Deltamodulations-Verfahren zum Einsatz kommen. Dieses scheidet bei höheren Frequenzen aber aus, da die Transistoren nicht schnell genug schalten können.
Beispielsweise ist aus der WO 2010/025807 A1 ein Hochfrequenz-Chirurgengenerator bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Vorzugsweise soll mittels der Erfindung ein sauberes Signal erzeugt werden können, das in der Elektronik nur geringe Leistungsverluste aufweist, das keine oder wenige Oberwellen erzeugt und sich schnell, sicher, präzise und zuverlässig regeln lässt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine elektrochirurgische Vorrichtung zur Hochfrequenzerzeugung mit einer Frequenz von wenigstens 150 kHz zur Koagulation und/oder zum Schneiden von Gewebe, umfassend

- einen Primärschaltkreis mit einem Hochfrequenz-Signalerzeuger, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger eine Mehrzahl von Ausgangsendstufen aufweist,
- einen Sekundärschaltkreis und
- einen Übertrager, wobei der Primärschaltkreis von dem Sekundärschaltkreis mittels des Übertragers galvanisch getrennt ist, wobei jede Ausgangsendstufe einen elektronischen Schalter umfasst, wobei jeder der elektronischen Schalter eingerichtet ist, in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter geschalten zu werden, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger eingerichtet ist, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den elektronischen Schaltern erzeugten Spannungsverläufen einen stufenförmigen Spannungsverlauf aus pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen zu erzeugen, wobei der stufenförmige Spannungsverlauf einem Sinusreferenzsignal folgt, und
- eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen zu regeln.

Infolge der Verwendung mehrerer elektronischer Schalter, die nacheinander durchgeschaltet werden können, kann eine hohe Frequenz erzeugt werden. Hierdurch ist es möglich, einen Sinus mit einer Frequenz von mindestens 150 kHz, vorzugsweise mindestens 200 kHz, bevorzugt mindestens 300 kHz, zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der elektronische Schalter ausgewählt aus der Gruppe umfassend, einen elektrischen Schalter, eine elektrische Schaltung, einen Transistor oder einen MOS-FET.
Mittels der elektrochirurgischen Vorrichtung kann ein sauberes Signal erzeugt werden, das in der Elektronik nur geringe Leistungsverluste aufweist, das keine oder wenige Oberwellen erzeugt und sich schnell, sicher und zuverlässig regeln lässt.
Unter einem Primäschaltkreis kann eine Geräteseite der Vorrichtung verstanden werden. Unter einem Sekundärschaltkreis kann die dem Primärschaltkreis abgewandte Seite verstanden werden, an die ein Instrument angeschlossen werden kann. Im Sekundärschaltkreis kann ein Instrument, bspw. eine Koagulationszange angeordnet bzw. angeschlossen sein.
Unter einer galvanischen Trennung (auch galvanische Entkopplung oder Potentialtrennung) kann das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen, verstanden werden. Bei galvanischer Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei. Diese Trennung darf nicht an anderer Stelle, beispielsweise über Erdungen, aufgehoben sein. Die elektrische Leitung wird dabei bevorzugt durch elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder aufgetrennt.
Unter einem Sollparameter kann eine „und“-Verknüpfung verstanden werden. Vorzugsweise müssen zwei Bedingung erfüllt sein, um ein Schalten zu ermöglichen.
Unter einem Schalten kann ein Durchschalten oder Bestromen verstanden werden.
Die Steuereinheit kann eine zentrale Steuerschaltung, eine Steuereinrichtung oder ein Steuergerät sein. Die Steuereinheit kann auch eine Regeleinheit, eine Regelschaltung oder eine Regeleinrichtung sein. Unter „wenigstens“ kann „mindestens“ verstanden werden.
Weitere Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Jede Ausgangsendstufe kann eine IC-Schaltung, vorzugsweise eine IC-Steuerschaltung, umfassen. Unter einer IC-Schaltung kann ein integrierter Schaltkreis oder eine integrierte Schaltung verstanden werden.
Jedem elektronischen Schalter kann ein IC vorgeschaltet sein. Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, den oder die IC-Schalter anzusteuern. Mit anderen Worten lassen sich die Ausgangsendstufen mittels der Steuereinheit betätigen, aktivieren oder schalten. Alternativ ist es möglich für einen Satz Ausgangsendstufen lediglich eine IC-Schaltung zu verwenden. Die IC-Schaltung bzw. IC-Schaltungen können von der Steuereinheit umfasst sein.
Ein Sinusreferenzsignal, auch Eingabesignal genannt, kann mittels der Steuereinheit und/oder mittels eines entsprechenden Programms bestimmt oder errechnet werden. Alternativ zu einer digitalen Bestimmung ist es auch möglich, das Sinusreferenzsignal analog zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf zu erfassen. Vorzugsweise entspricht der stufenförmige Spannungsverlauf einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf. Mit anderen Worten folgt der stufenförmige Spannungsverlauf einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf. Je mehr einzelne Spannungsverläufe, die den stufenförmigen Verlauf ergeben, erzeugt werden, desto stetiger kann ein sinusförmiger Spannungsverlauf erzeugt werden. Mit anderen Worten kann ein sinusförmiger Spannungsverlauf erzeugt werden, der vorzugsweise keine, kleine oder nur wenige Sprünge in seinem Verlauf aufweist.
Unter einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf kann ein quasi, beinahe oder nahezu sinusförmiger Spannungsverlauf, ein sich an der Sinusform orientierender Spannungsverlauf oder ein sinusförmiger Spannungsverlauf dem Grunde nach, verstanden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sollparameter so definiert, dass, wenn eine Spannung von einem der elektronischen Schaltererzeugten Spannungsverläufe dem Sinusreferenzsignal entspricht, geschaltet wird. Hierdurch ist es möglich, eine Vielzahl an Pulsdauermodulationsausgangssignalen auf einfache Weise zu erzeugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jede Ausgangsendstufe eine dem elektronischen Schalter vorgeschaltete Brückenschaltung oder H-Schaltung auf. Die Brückenschaltung kann als Halb- oder Vollbrücke ausgebildet sein. Die Halbbrücke kann zwei variable Widerstände aufweisen und die Vollbrücke kann vier variable Widerstände aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit zur Erzeugung des stufenförmigen Spannungsverlaufs aus dem Sinusreferenzsignal wenigstens einen Prozessor. Ein Prozessor ist eine programmierbare Recheneinheit, oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Maschinen oder elektrische Schaltungen steuert. Prozessoren können als integrierte Schaltungen in Form von Mikroprozessoren und Mikrocontroller in eingebetteten Systemen ausgebildet sein. Als integrierte Schaltungen können CPLDs (komplexe programmierbare Logikbausteine), ASICs (Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder FPGAs (Field Programmable Gate Array) verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Signalerzeuger eingerichtet,

- entsprechend der Anzahl von elektronischen Schaltern sägezahnförmige Spannungsverläufe zu erzeugen,
- entsprechend der Anzahl von sägezahnförmigen Spannungsverläufen Pulsdauermodulationsausgangssignale zu erzeugen, wobei der Sollparameter so definiert ist, dass, wenn eine Spannung eines sägezahnförmigen Spannungsverlaufes dem Sinusreferenzsignal entspricht, geschaltet wird, und
- ausgehend von den Pulsdauermodulationsausgangssignalen den stufenförmigen Spannungsverlauf aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen zu erzeugen. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise pulsweitenmodulierte Rechteckspannungen zu generieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Signalerzeuger eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf mittels eines Tiefpassfilters zu glätten, um einen sinusförmigen Spannungsverlauf zu erzeugen. Durch das Vorsehen des Tiefpassfilters ist eine Glättung des stufenförmigen Spannungsverlaufs auf einfache Weise möglich. Dabei kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Tiefpassfilter anzusteuern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedem elektronischen Schalter ein Tiefpassfilter, vorzugsweise aus einer Spule und einem Kondensator (LC-Glied), nachgeschaltet. Insbesondere ist der Hochfrequenz-Signalerzeuger eingerichtet, den stufenförmigen Signalverlauf mittels des Tiefpassfilters mit dem LC-Glied zu glätten, wobei die Güte des Sinus weiter erhöht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrzahl von Ausgangsendstufen wenigstens 3 bis 20, vorzugsweise 3 bis 10, besonders bevorzugt 3, 4, 6, 8 oder 10. Je mehr Ausgangsendstufen, mit denen sich die sägezahnförmigen Spannungsverläufe erzeugen lassen, verwendet werden, desto feiner kann das Pulsdauermodulationsausgangssignal abgestuft werden, bis schließlich ein stetiger oder nahezu stetiger Sinus erzeugt oder abgebildet wird, bzw. bis die Güte des Sinus optimal oder nahezu optimal ist.
Versuche haben gezeigt, dass sich bereits mit 3 Ausgangsendstufen ausreichend gute Sinusverläufe ergeben haben. Versuche haben gezeigt, dass sich mit 4, 6, 8 oder 10 Ausgangsendstufen der Sinusverläufe verbessert. Versuche haben auch gezeigt, dass sich Ausführungsformen mit mehr als 20 Ausgangsendstufen keine merkliche Verbesserung der Form der Sinusverläufe in Bezug auf die Glattheit eingestellt hat. Grundsätzlich erfolgt eine Optimierung, wobei Unebenheiten, störende Wellen, vorzugsweise störende Oberwellen, oder Sprünge im Sinusverlauf reduziert werden können. Hierbei kann auch von einer Sinus-Approximation oder einem Quasi-Sinus gesprochen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die galvanische Trennung eingerichtet, den von den Ausgangsendstufen ausgegebenen Signalverlauf zu glätten. Mit anderen Worten ist der Übertrager eingerichtet, den von den Ausgangsendstufen ausgegebenen Signalverlauf zu glätten. Mittels des Übertragers lässt sich das Signal glätten, um so mögliche Unebenheiten, Sprünge oder Ausreißer zu beseitigen. Zur Glättung kann bspw. ein Bandpassfilter verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgangsendstufen eingerichtet, der Reihe nach geschaltet zu werden. Unter einem Schalten kann ein Durchschalten oder Bestromen verstanden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgangsendstufen parallel und/oder in Reihe geschaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens ein erster Satz Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von ersten Ausgangsendstufen und ein zweiter Satz Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von zweiten Ausgangsendstufen im Primärschaltkreis zueinander parallel angeordnet.
Hierdurch ist es möglich zuerst alle ersten Ausgangsendstufen und dann alle zweiten Ausgangsendstufen zu schalten. Es ist jedoch bevorzugt möglich, die ersten Ausgangsendstufen und die zweiten Ausgangsendstufen der Reihe nach abwechselnd zu schalten.
Je mehr Ausgangsendstufen, mit denen sich die sägezahnförmigen Spannungsverläufe erzeugen lassen, verwendet werden, desto feiner kann das Pulsdauermodulationsausgangssignal abgestuft werden, bis schließlich ein stetiger oder nahezu stetiger Sinus erzeugt oder abgebildet wird, bzw. bis die Güte des Sinus optimal oder nahezu optimal ist.
Vorzugsweise umfassen der erste Satz Ausgangsendstufen wenigstens zwei erste Ausgangsendstufen und der zweite Satz Ausgangsendstufen wenigstens zwei zweite Ausgangsendstufen. Wie oben erwähnt, haben Versuche gezeigt, dass zwischen 4 bis 10 Ausgangsendstufen bei einer Erhöhung der Anzahl an Ausgangsendstufen die Güte der Sinusverläufe verbessert werden konnte. Versuche haben auch gezeigt, dass sich mit mehr als 20 Ausgangsendstufen keine merkliche Verbesserung der Form der Sinusverläufe in Bezug auf die Glattheit eingestellt hat.
Ein Bestromen kann erfolgen, wie folgt:

- Bestromen wenigstens eines erster Satzes Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von Ausgangsendstufen, und im Anschluss daran
- Bestromen wenigstens eines zweiten Satzes Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von zweiten Ausgangsendstufen, oder
- der Reihe nach abwechselndes Bestromen jeweils einer der ersten und zweiten Ausgangsendstufen beider Sätze der Ausgangsendstufen.

Weiter gelöst wird die Aufgabe der Erfindung durch ein System umfassend eine elektrochirurgische Vorrichtung, wie oben beschrieben, und ein elektrochirurgisches Instrument, wobei das elektrochirurgisches Instrument zum Schneiden und/oder zum Koagulieren von Gewebe eingerichtet ist.
Vorzugsweise ist das elektrochirurgische Instrument eine Koagulationszange. Die Koagulationszange kann an den Sekundärschaltkreis angeschlossen werden.
Mittels des Systems ist es möglich, bei einer minimal invasiven Endoskopie ist eine schnelle und zuverlässige Gewebeversiegelung zu erzielen. Im Sekundärschaltkreis kann eine hohe Frequenz erzeugt werden. Hierdurch ist es möglich, einen Sinus mit einer Frequenz von mindestens 150 kHz, vorzugsweise mindestens 200 kHz, bevorzugt mindestens 300 kHz, zu erzeugen.
Weiter gelöst wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Steuerung einer elektrochirurgischen Vorrichtung zur Hochfrequenzerzeugung mit einer Frequenz von wenigstens 150 kHz, wobei in einem Primärschaltkreis der Vorrichtung ein Hochfrequenz-Signalerzeuger mit einer Mehrzahl von Ausgangsendstufen aufweist, wobei jede Ausgangsendstufe einen elektronischen Schalter umfasst, und wobei der Primärschaltkreis mit einem Sekundärschaltkreis mittels eines Übertragers galvanisch getrennt ist, die nachfolgenden Schritte umfassend:

- Schalten der elektronischen Schalter in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter,
- mittels des Hochfrequenz-Signalerzeugers Erzeugen eines stufenförmigen Spannungsverlaufs aus pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen, der einem Sinusreferenzsignal folgt, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den elektronischen Schaltern erzeugten Spannungsverläufen und
- Regeln einer Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen mittels einer Steuereinheit.

Vorzugsweise ist der elektronische Schalter ausgewählt aus der Gruppe umfassend, einen elektrischen Schalter, eine elektrische Schaltung, einen Transistor oder einen MOS-FET.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt

- Erfassen des stufenförmigen Spannungsverlaufs mittels der Steuereinheit, wobei der stufenförmige Spannungsverlauf einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren nachfolgenden Schritt

- Schalten, wenn eine Spannung von einem der elektronischen Schaltererzeugten Spannungsverläufe dem Sinusreferenzsignal entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die nachfolgenden Schritte

- Erzeugen von sägezahnförmigen Spannungsverläufen entsprechend der Anzahl von elektronischen Schaltern,
- Erzeugen von Pulsdauermodulationsausgangssignalen entsprechend der Anzahl von sägezahnförmigen Spannungsverläufen, wobei ein Sollparameter so definiert ist, dass wenn jeweils die Spannung der sägezahnförmigen Spannungsverläufe einem Sinusreferenzsignal entspricht, und
- ausgehend von den Pulsdauermodulationsausgangssignalen Erzeugen des stufenförmigen Verlaufs aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen.

- Erzeugen von sägezahnförmigen Signalverläufen, in Abhängigkeit von der Anzahl an Ausgangsendstufen, mit vorzugsweise wenigstens 3 bis 20 sägezahnförmigen Signalverläufen, bevorzugt 3 bis 10 sägezahnförmigen Signalverläufen, und besonders bevorzugt 3, 4, 6, 8 oder 10 sägezahnförmigen Signalverläufen.

- Glätten des stufenförmigen Spannungsverlaufs mittels eines Tiefpassfilter zur Erzeugung eines sinusförmigen Spannungsverlaufs, wobei vorzugsweise jedem elektronischen Schalter ein Tiefpassfilter, vorzugsweise aus einer Spule und einem Kondensator (LC-Glied), nachgeschaltet ist.

- Glätten des von den Ausgangsendstufen ausgegebenen Signalverlaufs mittels galvanischer Trennung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren nachfolgende Schritte

Unter Bestromen kann Schalten verstanden werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer elektrochirurgischen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines Primärschaltkreises aus 1,
3 ein Pulsweitenmodulationsdiagramm,
4 ein weiteres Pulsweitenmodulationsdiagramm, basierend auf der 2,
5 eine schematische Darstellung eines alternativen Primärschaltkreises aus 1,
6 eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Primärschaltkreises aus 1,
7 eine schematische Darstellung eines noch weiteren alternativen Primärschaltkreises aus 1,
8 ein Schaltdiagramm basierend auf der Anordnung der Augangsendstufen gemäß 7, und
9 ein Spannungsdiagramm basierend auf 8.

1 zeigt eine elektrochirurgische Vorrichtung 1. Die elektrochirurgische Vorrichtung 1 dient der Hochfrequenzerzeugung zur Koagulation und/oder zum Schneiden von Gewebe. Die mit der elektrochirurgische Vorrichtung 1 zu erzielende Frequenz beträgt wenigstens 150 Hz, vorzugsweise wenigstens 200 kHz oder bevorzugt wenigstens 300 kHz. Die elektrochirurgische Vorrichtung 1 umfasst einen Primärschaltkreis 2 mit einem Hochfrequenz-Signalerzeuger 3, einen Sekundärschaltkreis 15 und einen Übertrager 12. Der Primärschaltkreis 2 vom Sekundärschaltkreis 15 ist mittels des Übertragers 10 galvanisch getrennt. Der Sekundärschaltkreis 15 weist einen ersten ohmschen Widerstand 20 und einen zweiten kapazitiven Widerstand 21 auf. Die Widerstände 20, 21 können als Gewebewiderstand verstanden werden. Im Sekundärschaltkreis 15 kann ein Instrument, bspw. eine Koagulationszange angeordnet bzw. angeschlossen sein (nicht gezeigt).
2 zeigt eine schematische Darstellung des Primärschaltkreises 2 im Detail aus 1.
Der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3, der im Primärschaltkreis 2 angeordnet ist, umfasst drei Ausgangsendstufen 5. Jede der drei Ausgangsendstufen 5 umfasst einen elektronischen Schalter 7, der vorzugsweise als MOS-FET ausgebildet ist, und eine integrierte Schaltung 6. Die integrierten Schaltungen 6 sind den elektronischen Schaltern 7 vorgeschaltet. Die elektronischen Schalter 7 werden von den integrierten Schaltungen 6 angesteuert oder aktiviert. Die elektronischen Schalter 7 sind eingerichtet, in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter geschalten zu werden. Jedem elektronischen Schalter 7 ist ein Tiefpassfilter, aus einer Spule und einem Kondensator (LC-Glied 8), nachgeschaltet. Wie in der 2 weiter gezeigt, umfasst der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 eine Steuereinheit 4. Die Steuereinheit 4 kann als zentrale Steuerschaltung verstanden werden. Bevorzugt ist die Steuereinheit 4 eingerichtet die integrierten Schaltungen 6 anzusteuern oder zu aktivieren.
3 zeigt ein Pulsweitenmodulationsdiagramm. Ein von einem elektronischen Schalter 7 erzeugter Spannungsverlauf a ist als ein Sägezahnprofil ausgebildet oder er ist sägezahnförmig. Das Sägezahnprofil kann als ein Zähler verstanden werden, der von 0 bis zu einem vorgegebenen Wert zählt, wo er dann auf 0 zurückgesetzt wird. Der Anstieg des Spannungsverlaufs ist linear, der Abstieg des Spannungsverlaufs erfolgt abrupt. Nach einem Durchlaufen eines Zyklus vom Anstieg bis zum Abstieg kann der Zyklus dann wieder von neuem beginnen.
Ein Sinusreferenzsignal S (auch Eingabesignal) kann in einem Prozessor der Steuereinheit 4 und/oder mittels eines entsprechenden Programms bestimmt oder errechnet werden. Alternativ ist es auch möglich, das Sinusreferenzsignal S analog zu bestimmen. Anschließend kommt eine logische „und“-Verknüpfung hinzu. Dabei wird das Sinusreferenzsignal S mit dem Sägezahnprofil verknüpft, um ab einem bestimmten Zählerstand eine logische 1 zu erzeugen. Hierdurch wird ein Pulsdauermodulationsausgangssignal erzeugt in der Form einer pulsweitenmodulierten Rechteckspannung A. Eine einzelne pulsweitenmodulierte Rechteckspannung ist jedoch nicht ausreichend, um einen sinusförmigen Spannungsverlauf bzw. einen annähernd sinusförmigen Verlauf ausreichend gut zu erzeugen.
In der 4 ist ein weiteres Pulsweitenmodulationsdiagramm gezeigt, basierend auf der 2. Anstatt der lediglich einen pulsweitenmodulierten Rechteckspannung gemäß 3 werden jetzt drei pulsweitenmodulierte Rechteckspannungen A, B, C erzeugt.
Der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 ist eingerichtet, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den drei elektronischen Schaltern 7 erzeugten Spannungsverläufen a, b, c einen stufenförmigen Spannungsverlauf D aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen A, B, C zu erzeugen. Dabei werden die drei elektronischen Schalter 7 nacheinander, also der Reihe nach, durchgeschaltet. Der stufenförmige Spannungsverlauf D folgt dem Sinusreferenzsignal S. Zur Erzeugung des stufenförmigen Spannungsverlaufs D aus dem Sinusreferenzsignal S umfasst die Steuereinheit 4 wenigstens einen Prozessor.
Im Detail ist der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 eingerichtet,

- entsprechend der drei elektronischen Schalter 7 die drei sägezahnförmige Spannungsverläufe a, b, c zu erzeugen,
- entsprechend der drei sägezahnförmigen Spannungsverläufe a, b, c Pulsdauermodulationsausgangssignale zu erzeugen, wobei der Sollparameter so definiert ist, dass geschaltet wird, wenn eine Spannung eines sägezahnförmigen Spannungsverlaufes a, b, c dem Sinusreferenzsignal S entspricht, und
- ausgehend von den Pulsdauermodulationsausgangssignalen den stufenförmigen Spannungsverlauf D aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen A, B, C zu erzeugen.

Die Steuereinheit 4 ist eingerichtet, in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen A, B, C eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung der drei Ausgangsendstufen 5 zu regeln. Ferner ist die Steuereinheit 4 eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf D zu erfassen, wobei dieser einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf entspricht bzw. folgt.
Oben erwähnter Sollparameter ist so definiert, dass geschaltet wird, wenn eine Spannung von einem der elektronischen Schalter 7 erzeugten Spannungsverläufe a, b, c dem Sinusreferenzsignal S entspricht.
Jede der Ausgangsendstufen 5 kann eine dem elektronischen Schalter 7 vorgeschaltete Halb- oder Vollbrücke aufweisen. Der Übertrager 12 kann eingerichtet sein, mittels der Halb- oder Vollbrücke im Primärschaltkreis 2 betrieben zu werden.
Weiterhin ist der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf D mittels eines Tiefpassfilters (LC-Glied 8) zu glätten, um so einen sinusförmigen Spannungsverlauf zu erzeugen. Mit anderen Worten kann mittels des Tiefpassfilters die Güte des Sinusverlaufs erhöht oder verbessert werden.
Die galvanische Trennung ist eingerichtet, den von den Ausgangsendstufen 5 ausgegebenen Signalverlauf weiter zu glätten. Mit anderen Worten ist der Übertrager eingerichtet, den von den Ausgangsendstufen 5 ausgegebenen Signalverlauf weiter zu glätten. Hierdurch ist es möglich den Spannungsverlauf weiter zu glätten. Mit anderen Worten kann mittels der galvanischen Trennung bzw. des Übertragers die Güte des Sinusverlaufs weiter erhöht oder verbessert werden.
Die Vorrichtung 1 mit wenigstens den drei Ausgangsendstufen 5 ist ausreichend, um einen sinusförmigen Spannungsverlauf bzw. einen annähernd sinusförmigen Verlauf ausreichend gut zu erzeugen.
5 zeigt eine alternative schematische Darstellung des Primärschaltkreises 2 im Detail aus 1. Im Unterschied zur 2 sind anstatt der drei Ausgangsendstufen 5 insgesamt vier Ausgangsendstufen 5, 10 vorgesehen. Dabei sind ein erster Satz Ausgangsendstufen mit zwei ersten Ausgangsendstufen 5 und ein zweiter Satz Ausgangsendstufen mit zwei zweiten Ausgangsendstufen 10 im Primärschaltkreis 2 zueinander parallel angeordnet. Es werden die vier elektronischen Schalter 7, die vorzugsweise als MOS-FET ausgebildet sind, nacheinander durchgeschaltet.
6 zeigt eine weitere alternative schematische Darstellung des Primärschaltkreises 2 im Detail aus 1. Im Unterschied zur 2 sind anstatt der drei Ausgangsendstufen 5 insgesamt sechs Ausgangsendstufen 5, 10 vorgesehen. Dabei sind ein erster Satz Ausgangsendstufen mit drei ersten Ausgangsendstufen 5 und ein zweiter Satz Ausgangsendstufen mit drei zweiten Ausgangsendstufen 10 im Primärschaltkreis 2 zueinander parallel angeordnet. Es werden die sechs elektronischen Schalter 7, der vorzugsweise als MOS-FET ausgebildet sind, nacheinander durchgeschaltet.
Die nachfolgenden Ausführungen zur 7, gelten in entsprechender Weise auch für die 5 und 6, die weniger Ausgangsendstufen aufweisen als in 7 dargestellt.
7 zeigt eine weitere alternative schematische Darstellung des Primärschaltkreises 2 im Detail aus 1. Im Unterschied zur 2 sind anstatt der drei Ausgangsendstufen 5 insgesamt zehn Ausgangsendstufen 5, 10 vorgesehen. Dabei sind ein erster Satz Ausgangsendstufen mit fünf ersten Ausgangsendstufen 5 und ein zweiter Satz Ausgangsendstufen mit fünf zweiten Ausgangsendstufen 10 im Primärschaltkreis 2 zueinander parallel angeordnet.
8 ist ein Schaltdiagramm über die Zeit basierend auf der Anordnung der Augangsendstufen 5, 10 gemäß der 7. Der erste Satz Ausgangsendstufen mit den fünf ersten Ausgangsendstufen 5 ist im Diagramm aufgeteilt in die fünf ersten Ausgangsendstufen A1 bis A5. Der zweite Satz Ausgangsendstufen mit den fünf zweiten Ausgangsendstufen 10 ist im Diagramm aufgeteilt in die fünf zweiten Ausgangsendstufen B1 bis B5. Geschaltet bzw. bestromt wird der Reihe gemäß der Zahlenfolge 1 bis 10, wie folgt: A1, B1, A2, B2, A3, B3, A4, B4, A5 und B5. Ist dieser Zyklus durchlaufen, beginnt er wieder von vorne.
Der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 aus 7 ist entsprechend dem in 2 gezeigten Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 eingerichtet, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den zehn elektronischen Schaltern 7 erzeugten Spannungsverläufen (nicht gezeigt) einen stufenförmigen Spannungsverlauf (nicht gezeigt) aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen A1, B1, bis A5, B5 zu erzeugen. Der stufenförmige Spannungsverlauf folgt einem Sinusreferenzsignal S (nicht gezeigt).
Die Steuereinheit 4 ist eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf D zu erfassen, wobei dieser einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf entspricht bzw. folgt.
Zur Erzeugung des stufenförmigen Spannungsverlaufs D aus dem Sinusreferenzsignal S umfasst die Steuereinheit 4 wenigstens einen Prozessor, wobei die Steuereinheit 4, wie eingangs beschrieben, eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen A1, B1, bis A5, B5 eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen 5 zu regeln.
Der Hochfrequenz-Signalerzeuger 3 ist eingerichtet, den stufenförmigen Spannungsverlauf mittels eines Tiefpassfilters zu glätten, um so einen sinusförmigen Spannungsverlauf zu erzeugen.
Das in 9 gezeigte Spannungsdiagramm über die Zeit basiert auf dem Schaltdiagramm über die Zeit gemäß der 8. Die eine sinusförmige Kurve SS (Sekundärspannung: 200V /div) ist gegenüber der anderen sinusförmigen Kurve PS (Primärspannung: 5V /div) wesentlich glatter, d.h. stetiger mit wenigen oder vorzugsweise kleinen Sprüngen im Verlauf.
Mit der Erfindung kann ein sauberes Sinussignal erzeugt werden, das in der Elektronik nur geringe Leistungsverluste aufweist, und das keine oder nur wenige Oberwellen erzeugt und sich schnell, sicher, präzise und zuverlässig regeln lässt.
Bezugszeichen

1: Vorrichtung
2: Primärschaltkreis
3: Hochfrequenz-Signalerzeuger
4: Steuereinheit
5: Ausgangsendstufe
6: IC (Steuerschaltung)
7: elektronischer Schalter
8: LC-Glied
10: Ausgangsendstufe
12: Übertrager
15: Sekundärschaltkreis
20: Widerstand
21: Widerstand
a: Spannungsverlauf
b: Spannungsverlauf
c: Spannungsverlauf
A: Rechteckspannung
A1: Rechteckspannung
A2: Rechteckspannung
A3: Rechteckspannung
A4: Rechteckspannung
A5: Rechteckspannung
B: Rechteckspannung
B1: Rechteckspannung
B2: Rechteckspannung
B3: Rechteckspannung
B4: Rechteckspannung
B5: Rechteckspannung
C: Rechteckspannung
D: stufenförmiger Spannungsverlauf
PS: Primärsignal
S: Sinusreferenzsignal
SS: Sekundärsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010025807 A1 [0009]

Claims

Elektrochirurgische Vorrichtung (1) zur Hochfrequenzerzeugung mit einer Frequenz von wenigstens 150 kHz zur Koagulation und/oder zum Schneiden von Gewebe, umfassend - einen Primärschaltkreis (2) mit einem Hochfrequenz-Signalerzeuger (3), wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) eine Mehrzahl von Ausgangsendstufen (5) aufweist, - einen Sekundärschaltkreis (15) und - einen Übertrager (12), wobei der Primärschaltkreis (2) von dem Sekundärschaltkreis (15) mittels des Übertragers (12) galvanisch getrennt ist, wobei jede Ausgangsendstufe (5) einen elektronischen Schalter (7) umfasst, wobei jeder der elektronischen Schalter (7) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter geschalten zu werden, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) eingerichtet ist, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den elektronischen Schaltern (7) erzeugten Spannungsverläufen einen stufenförmigen Spannungsverlauf aus pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen zu erzeugen, der einem Sinusreferenzsignal folgt, und - eine Steuereinheit (4), die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen (5) zu regeln.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (4) eingerichtet ist, den stufenförmigen Spannungsverlauf zu erfassen, wobei dieser einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf entspricht.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollparameter so definiert ist, dass, wenn eine Spannung von einem der elektronischen Schalter (7) erzeugten Spannungsverläufe dem Sinusreferenzsignal entspricht, geschaltet wird, wobei der elektronische Schalter (7) vorzugsweise ein MOS-FET ist.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei jede Ausgangsendstufe (5) eine dem elektronischen Schalter (7) vorgeschaltete Brückenschaltung, vorzugsweise eine Halb- oder Vollbrücke, aufweist.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (4) zur Erzeugung des stufenförmigen Spannungsverlaufs aus dem Sinusreferenzsignal wenigstens einen Prozessor umfasst.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) eingerichtet ist, - entsprechend der Anzahl von elektronischen Schaltern (7) sägezahnförmige Spannungsverläufe zu erzeugen, - entsprechend der Anzahl von sägezahnförmigen Spannungsverläufen Pulsdauermodulationsausgangssignale zu erzeugen, wobei der Sollparameter so definiert ist, dass, wenn eine Spannung eines sägezahnförmigen Spannungsverlaufes dem Sinusreferenzsignal entspricht, geschaltet wird, und - ausgehend von den Pulsdauermodulationsausgangssignalen den stufenförmigen Spannungsverlauf aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen zu erzeugen.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei der Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) eingerichtet ist, den stufenförmigen Spannungsverlauf mittels eines Tiefpassfilters zu glätten, um einen sinusförmigen Spannungsverlauf zu erzeugen.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei jedem elektronischen Schalter (7) ein Tiefpassfilter, vorzugsweise aus einer Spule und einem Kondensator (LC-Glied 8), nachgeschaltet ist.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Ausgangsendstufen (5) wenigstens 3 bis 20, vorzugsweise 3 bis 10, ist.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei die galvanische Trennung eingerichtet ist, den von den Ausgangsendstufen (5) ausgegebenen Signalverlauf zu glätten.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsendstufen (5) eingerichtet sind, der Reihe nach geschaltet zu werden.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsendstufen (5) parallel und/oder in Reihe geschaltet sind.
Elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein erster Satz Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von ersten Ausgangsendstufen (5) und ein zweiter Satz Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von zweiten Ausgangsendstufen (10) im Primärschaltkreis (2) zueinander parallel angeordnet sind.
System umfassend eine elektrochirurgische Vorrichtung (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche und ein elektrochirurgisches Instrument, wobei das elektrochirurgisches Instrument zum Schneiden und/oder zum Koagulieren von Gewebe eingerichtet ist.
Verfahren zur Steuerung einer elektrochirurgischen Vorrichtung (1) zur Hochfrequenzerzeugung mit einer Frequenz von wenigstens 150 kHz, wobei in einem Primärschaltkreis (2) der Vorrichtung (1) ein Hochfrequenz-Signalerzeuger (3) mit einer Mehrzahl von Ausgangsendstufen (5) aufweist, wobei jede Ausgangsendstufe (5) einen elektronischen Schalter (7) umfasst, und wobei der Primärschaltkreis (2) mit einem Sekundärschaltkreis (15) mittels eines Übertragers (12) galvanisch getrennt ist, die nachfolgenden Schritte umfassend: - Schalten der elektronischen Schalter (7) in Abhängigkeit von zumindest einem Sollparameter, - mittels des Hochfrequenz-Signalerzeugers (3) Erzeugen eines stufenförmigen Spannungsverlaufs aus pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen, der einem Sinusreferenzsignal folgt, mittels Pulsdauermodulation aus der Gesamtheit der von den elektronischen Schaltern (7) erzeugten Spannungsverläufen und - Regeln einer Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Ausgangsendstufen (5) in Abhängigkeit von den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen mittels einer Steuereinheit (4).
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend nachfolgenden Schritt - Erfassen des stufenförmigen Spannungsverlaufs mittels der Steuereinheit, wobei der stufenförmige Spannungsverlauf einem annähernd sinusförmigen Spannungsverlauf entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, weiter umfassend nachfolgenden Schritt - Schalten, wenn eine Spannung von einem der elektronischen Schalter (7) erzeugten Spannungsverläufe dem Sinusreferenzsignal entspricht, wobei der elektronische Schalter (7) vorzugsweise ein MOS-FET ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, weiter umfassend die nachfolgenden Schritte - Erzeugen von sägezahnförmigen Spannungsverläufen entsprechend der Anzahl von elektronischen Schaltern (7), - Erzeugen von Pulsdauermodulationsausgangssignalen entsprechend der Anzahl von sägezahnförmigen Spannungsverläufen, wobei ein Sollparameter so definiert ist, dass wenn jeweils die Spannung der sägezahnförmigen Spannungsverläufe einem Sinusreferenzsignal entspricht, und - ausgehend von den Pulsdauermodulationsausgangssignalen Erzeugen des stufenförmigen Verlaufs aus den pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, weiter umfassend nachfolgenden Schritt - Erzeugen von sägezahnförmigen Signalverläufen, in Abhängigkeit von der Anzahl an Ausgangsendstufen (5), mit vorzugsweise wenigstens 3 bis 20 sägezahnförmigen Signalverläufen, bevorzugt 3 bis 10 sägezahnförmigen Signalverläufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, weiter umfassend nachfolgenden Schritt - Glätten des stufenförmigen Spannungsverlaufs mittels eines Tiefpassfilter zur Erzeugung eines sinusförmigen Spannungsverlaufs, wobei vorzugsweise jedem elektronischen Schalter (7) ein Tiefpassfilter, vorzugsweise aus einer Spule und einem Kondensator (LC-Glied 8), nachgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, weiter umfassend den nachfolgenden Schritt - Glätten des von den Ausgangsendstufen (5) ausgegebenen Signalverlaufs mittels galvanischer Trennung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, weiter umfassend nachfolgende Schritte - Bestromen wenigstens eines erster Satzes Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von Ausgangsendstufen (5), und im Anschluss daran - Bestromen wenigstens eines zweiten Satzes Ausgangsendstufen mit einer Mehrzahl von zweiten Ausgangsendstufen (10), oder - der Reihe nach abwechselndes Bestromen jeweils einer der ersten und zweiten Ausgangsendstufen (5, 10) beider Sätze der Ausgangsendstufen.