DE3904558A1 - Automatisch leistungsgeregelter hochfrequenzgenerator fuer die hochfrequenzchirurgie - Google Patents

Automatisch leistungsgeregelter hochfrequenzgenerator fuer die hochfrequenzchirurgie

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen automatisch leistungsgere­ gelten Hochfrequenzgenerator für die Hochfrequenz-Chirurgie entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hochfrequenzströme werden in der Chirurgie zum Schneiden von menschlichem Gewebe oder zum Koagulieren, d.h. Blutstillen an­ geschnittener Gefäße verwendet. Beim Schneiden wird eine nahezu kontinuierliche Hochfrequenzleistung zugeführt, während beim Koagulieren Hochfrequenzimpulse verwendet werden. Die Betriebs­ frequenz des Hochfrequenzgenerators muß nach einer VDE-Vor­ schrift über 300 kHz liegen. Damit soll verhindert werden, daß beim Patienten Nerven- oder Muskelreizungen auftreten.
Ein Problem der Hochfrequenzchirurgie ist die richtige Lei­ stungsdosierung des Hochfrequenzgenerators. Bei einer zu nied­ rig eingestellten Leistung kommt der Schneidvorgang zum Erlie­ gen, oder es findet keine ausreichende Koagulation statt. Ist die Hochfrequenzleistung dagegen zu hoch eingestellt, entsteht zwischen der Chirurgiesonde und dem Gewebe ein kräftiger Licht­ bogen. Dieser Lichtbogen verursacht zunächst eine starke Nekro­ tisierung des Gewebes, was den Heilungsprozeß beeinträchtigt. Ein zu stark ausgeprägter Lichtbogen hat aber noch weitere Nachteile. Der wesentlichste ist eine teilweise Gleichrichtung des Hochfrequenzstromes durch den Lichtbogen, was die Gefahr der Nerven- und Muskelreizung beim Patienten hervorruft. Bei Unterwasserschnitten, wie z.B. in der Urologie, wird durch einen starken Lichtbogen Knallgas erzeugt, was zu gefährlichen Explosionen führen kann. Beim Koagulieren kann sich schließlich durch einen auftretenden Lichtbogen plötzlich ein unerwarteter und gefährlicher Schneideffekt einstellen.
Ein weiteres Problem ist die Tatsache, daß die Belastung des Hochfrequenzgenerators nicht konstant ist, sondern sehr großen Änderungen unterworfen sein kann. Die Impedanz des Patienten­ stromkreises liegt etwa zwischen 50 Ohm und 5 kOhm, mit einer Häufung zwischen 200 und 1000 Ohm. Auch die Blindkomponente der Impedanz des Patientenstromkreises kann je nach der Führung der Verbindungsleitungen zwischen Hochfrequenzgenerator und Patien­ ten sehr unterschiedlich sein.
Eine Vereinfachung der elektrotechnischen Verhältnisse ergibt sich aus der Tatsache, daß der Effekt des Schneidens oder Ko­ agulierens nicht auf eine strenge Einhaltung der Frequenz ange­ wiesen ist. In der Hochfrequenzchirurgie sind Frequenzen zwi­ schen 300 kHz und 2 MHz üblich, ohne daß dabei in der Anwendung spürbare Unterschiede entstehen.
Dagegen entstehen weitere technische Probleme aus der Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad. Bei einem im Operationssaal zu betreibenden Hochfrequenz-Chirurgiegerät ist z.B. kein Lüfter zur Kühlung erlaubt, weil mit dem Kühlluftstrom Bakterien auf­ gewirbelt werden könnten. Bei einer verfügbaren Hochfrequenz­ leistung von z.B. 400 W ist dann ein Wirkungsgrad des Hochfre­ quenz-Leistungsgenerators von mindestens 90% notwendig, wenn sich das Gerät nicht unzulässig erwärmen soll.
In der Deutschen Patentanmeldung P 36 04 823.2 ist daher ein Hochfrequenzgenerator mit automatischer Leistungsregelung für die Hochfrequenzchirurgie beschrieben, der mit verschiedenen Maßnahmen versucht, die geschilderten Probleme zu lösen. Dieser Hochfrequenzgenerator besteht aus einem Oszillator zur Erzeu­ gung der Generatorfrequenz, einem Modulator zur Regelung der Ausgangsamplitude, einem Leistungsverstärker zur Erzeugung der notwendigen Hochfrequenzleistung, einem Ausgangsfilter zur Un­ terdrückung von anderen Frequenzen als der Generatorfrequenz und einer Harmonischen-Meßeinrichtung zur Messung der zur Gene­ ratorfrequenz harmonischen Frequenzen. Diese harmonischen Fre­ quenzen entstehen durch die Nichtlinearität des Lichtbogens zwischen der Chirurgiesonde und dem Gewebe und sind ein direk­ tes Maß für die Schlagweite des Lichtbogens. Das Auftreten des Lichtbogens und seine Schlagweite können zur Bestimmung des Schneide- und Koagulationszustandes herangezogen, bzw. zur au­ tomatischen Konstanthaltung des Schneidzustandes oder zur Ver­ meidung des Schneideffektes beim Koagulieren verwendet werden.
Die Frequenz des Oszillators ist mit elektronischen Mitteln verstellbar. Sie wird mit Hilfe einer Phasenmeßeinrichtung und eines Regelverstärkers (Phasenregelschleife) immer so nachgere­ gelt, daß die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom am Ausgang des Leistungsverstärkers dem optimalen Betriebszustand des Leistungsverstärkers angepaßt ist, in der Regel also null Grad ist. In diesem Fall hat der Leistungsverstärker kleinste Verlustleistung, d.h. höchsten Wirkungsgrad. Die Frequenz des Hochfrequenzgenerators ist also nicht konstant, sondern orien­ tiert sich an der momentanen Impedanz des Patientenstromkrei­ ses, also der Lastimpedanz des Hochfrequenzgenerators.
Die Harmonischen-Meßeinrichtung ist wegen der nicht konstanten Generatorfrequenz mit besonderen Maßnahmen versehen. Sie ent­ hält einen phasengesteuerten Gleichrichter, der von der momen­ tanen Frequenz des Oszillators gesteuert wird. Damit kann in jedem Moment eine Harmonische exakt ausgefiltert werden, ohne daß ein hoher Filteraufwand im Ausgangskreis des Hochfrequenz­ generators notwendig wäre. Das Meßergebnis der Harmonischen- Meßeinrichtung wird als Regelsignal für den Modulator verwen­ det. Dadurch wird die Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenera­ tors so geregelt, daß die Schlagweite des Lichtbogens zwischen Chirurgiesonde und Gewebe in jedem Moment einem vorgeschriebe­ nen Wert entspricht.
Mit einem solchen Hochfrequenzgenerator können die geschilder­ ten Probleme grundsätzlich gelöst werden. Durch die Anpassung der Frequenz an die Lastimpedanz wird dabei von der relativ großen Freiheit in der Wahl der Generatorfrequenz Gebrauch ge­ macht.
Ein Hochfrequenzgenerator nach dem Stand der Technik hat aber unter bestimmten Bedingungen noch gravierende Nachteile. Wenn die Lastimpedanz des Hochfrequenzgenerators sehr niedrig oder sehr hoch wird, kann die Phasenmeßeinrichtung für die Nach­ steuerung der Generatorfrequenz Probleme machen. Bei sehr nied­ rigen Lastimpedanzen, z.B. beim Anschneiden in sehr blutreichem Gewebe, ist das Spannungssignal für die Phasenmeßeinrichtung sehr klein, bei sehr hohen Lastimpedanzen, z.B. beim Generator­ test mit nicht angeschlossener Chirurgiesonde, das Stromsignal. In beiden Fällen kann das Ausgangssignal der Phasenmeßeinrich­ tung undefiniert sein, worauf der Hochfrequenzgenerator eine falsche Frequenz einstellt. Dies kann in beiden Fällen die Zer­ störung der Verstärkerelemente im Leistungsverstärker bedeuten: Bei der niederohmigen Last durch Schaltvorgänge weitab vom Strom-Nulldurchgang, bei der hochohmigen Last durch Spannungs- Überschwinger.
Noch wesentlicher ist eine nachteilige Eigenart der Frequenzre­ gelung mit der Phasenregelschleife. Die Phasenregelschleife muß aus Stabilitätsgründen Tiefpaßcharakter aufweisen. Damit ist die Regelgeschwindigkeit begrenzt. Bei sehr schnellen Wechseln der Lastimpedanz, z.B. bei einer plötzlichen Berührung des Ge­ webes aus der Luft heraus, kann die richtige Frequenz nur nach einer deutlichen Reaktionszeit eingestellt werden. Da die Grenzfrequenz der Phasenregelschleife mindestens eine Größen­ ordnung unter der Generatorfrequenz liegen muß, vergehen viele Periodendauern der Generatorfrequenz, bis wieder die zur Lastimpedanz passende Frequenz eingestellt ist. Die Erfinder haben in der Praxis jedoch Vorgänge beobachtet, bei denen die Verstärkerelemente des Leistungsverstärkers bei leicht ver­ stimmter Generatorfrequenz schon nach wenigen Periodendauern zerstört waren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen automa­ tisch leistungsgeregelten Hochfrequenzgenerator für die Hoch­ frequenz-Chirurgie zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Kennzeichen des Anspruchs 1 und der Unteransprüche vorgeschlagenen Maßnah­ men gelöst.
Der Leistungsverstärker arbeitet im Schaltbetrieb. Dadurch kann grundsätzlich ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Das Aus­ gangsfilter weist einen ungefähr auf die mittlere Betriebsfre­ quenz abgestimmten in Serie geschalteten Serienresonanzkreis und einen ungefähr auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimm­ ten parallel geschalteten Parallelresonanzkreis auf, wobei der Serienresonanzkreis vom Leistungsverstärker aus gesehen das er­ ste Filterelement darstellt.
Die Ansteuerung des Leistungsverstärkers erfolgt im Moment des Anschwingens von einem Hilfsoszillator.
Nach dem Anschwingen, d.h. wenn im Ausgangskreis des Leistungs­ verstärkers entweder ein von Null deutlich unterschiedlicher Strom fließt oder eine von Null deutlich unterschiedliche Span­ nung herrscht, wird die Ansteuerung des Leistungsverstärkers auf Selbsterregung, d.h. Rückkopplung aus dem Ausgangskreis des Leistungsverstärkers umgeschaltet. Dabei sind im Rückkopplungs­ betrieb für die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers zwei verschiedene Möglichkeiten vorgesehen: Sie wird entweder über ein Wandlerglied und Impulsformerstufen aus dem den Serienreso­ nanzkreis durchfließenden Strom gewonnen, wodurch Stromrück­ kopplung entsteht, wenn der Betrag der an den Hochfrequenzgene­ rator angeschlossenen Lastimpedanz einen charakteristischen, voreingestellten Wert unterschreitet. Oder sie wird über ein Wandlerglied und Impulsformerstufen aus der am Parallelreso­ nanzkreis anliegenden Spannung gewonnen, wodurch Spannungsrück­ kopplung entsteht, wenn der Betrag der an den Hochfrequenzgene­ rator angeschlossenen Lastimpedanz einen charakteristischen, voreingestellten Wert überschreitet. Für diese Umschaltung ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, der bei schwankenden Lastimpedanzen auch während des Betriebes die beschriebene Um­ schaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopplung vornimmt, wenn der Betrag der Lastimpedanz den charakteristischen, vor­ eingestellten Wert über- oder unterschreitet.
Weiterhin ist der Hilfsoszillator so gestaltet, daß seine Fre­ quenz mit elektronischen Mitteln verstellbar ist, wobei eine phasengesteuerte Schaltung vorhanden ist, die diese Frequenz während des Rückkopplungsbetriebes auf die Generatorfrequenz synchronisiert. Außerdem ist eine Halteschaltung vorhanden, die die Synchronisation des Hilfsoszillators während der Be­ triebspausen des Hochfrequenzgenerators unterbindet und die Frequenz während der Betriebspausen und während des Anschwin­ gens auf der letzten während des Rückkopplungsbetriebes einge­ stellten Frequenz hält.
Die Harmonischen-Meßeinrichtung enthält einen phasengesteuerten Gleichrichter , dessen Steuersignal aus der momentanen Frequenz des Hilfsoszillators abgeleitet ist und der eine der im Fre­ quenzgemisch am Ausgang des Hochfrequenzgenerators enthaltene harmonische Frequenz gleichrichtet. Das Ausgangssignal der Har­ monischen-Meßeinrichtung wird dem Modulator als Regelsignal zur Regelung der Ausgangsamplitude des Hochfrequenzgenerators zuge­ führt.
Der Serienresonanzkreis sorgt dafür, daß der Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers nahezu rein sinusförmig ist. Durch die Rückkopplung ist die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom im­ mer nahezu genau in Phase. Das bedeutet, daß die Verstärkerele­ mente des Leistungsverstärkers im Umschaltzeitpunkt nahezu stromlos sind. Dadurch entstehen kleinstmögliche Verluste im Leistungsverstärker.
Der Parallelresonanzkreis sorgt dafür, daß die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers nahezu rein sinusförmig ist. Die har­ monischen Frequenzen, die aufgrund des Schaltbetriebs im Lei­ stungsverstärker entstehen, werden sehr stark gedämpft, wodurch nahezu keine Beeinträchtigung für die Messung der im Lichtbogen erzeugten höheren Harmonischen entsteht.
Der Hochfrequenz-Leistungsgenerator nach der Erfindung arbeitet nur im Moment des Anschwingens mit Fremderregung durch den Hilfsoszillator. Der eigentliche Betrieb findet im Selbsterre­ gungsmode, d.h. mit Rückkopplung statt. Dabei werden Fehler im Frequenzabgleich des Serienresonanzkreises und des Parallelre­ sonanzkreises oder Alterung der Blindelemente in den beiden Re­ sonanzkreisen automatisch ausgeglichen. Auch Änderungen im Re­ alteil und insbesondere im Imaginärteil der Lastimpedanz werden automatisch berücksichtigt. Die Frequenz stellt sich immer so ein, daß die Rückkopplungsbedingung erfüllt ist. Sie ist in der Regel die resultierende Mittenfrequenz des Ausgangsfilters in­ klusive Lastimpedanz. Frequenzfehler einer Fremdansteuerung können a priori nicht auftreten.
Die Rückkopplungsart ist bei einem Hochfrequenzgenerator nach der Erfindung aber nicht fest gewählt. Es wird vielmehr, je nach Größe der angeschlossenen Lastimpedanz, entweder Strom­ rückkopplung oder Spannungsrückkopplung gewählt. Bei niederoh­ migen Lastimpedanzen wird Stromrückkopplung verwendet. Durch die niederohmige Lastimpedanzen ist der Parallelresonanzkreis sehr stark bedämpft und der Serienresonanzkreis ist das eigent­ lich frequenzbestimmende Glied. Es fließt ein hoher Strom durch den Serienresonanzkreis und die Blindleistung in ihm ist hoch. Dagegen ist die Spannung am Parallelresonanzkreis niedrig und die in ihm umgesetzte Blindleistung ist klein. In diesem Fall liefert die Stromrückkopplung den stabilsten Betrieb mit kleinstmöglicher Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung am Ausgang des Leistungsverstärkers.
Bei hochohmigen Lastimpedanzen wird dagegen Spannungsrückkopp­ lung gewählt. Wegen der hochohmigen Lastimpedanz ist der Paral­ lelresonanzkreis nur schwach bedämpft und stellt jetzt das ei­ gentliche frequenzbestimmende Glied dar. Durch den Serienreso­ nanzkreis fließt nur ein kleiner Strom und die Blindleistung in ihm ist klein. Dagegen ist die Spannung am Parallelresonanz­ kreis hoch und die in ihm umgesetzte Blindleistung ist eben­ falls groß. In diesem Fall liefert die Spannungsrückkopplung den stabilsten Betrieb. Geringfügige Phasenverschiebungen zwi­ schen Strom und Spannung am Ausgang des Leistungsverstärkers spielen keine sehr große Rolle, weil der Strom wegen der hoch­ ohmigen Last insgesamt klein ist.
Die Umschaltung auf Spannungsrückkopplung bei hochohmigen Lasten hat aber noch einen weiteren Vorteil, der in der Mehr­ deutigkeit der Resonanz der Eingangsimpedanz des Ausgangsfil­ ters bei hochohmigen Lastimpedanzen begründet ist. Dies wird später noch ausführlicher beschrieben.
Für die Rückkopplung wird immer nur Strom oder Spannung benö­ tigt. Dabei wird immer die überwiegende Größe gewählt, bei nie­ derohmiger Last also der Strom, bei hochohmiger Last die Span­ nung. Dadurch ist ein entscheidender Nachteil des Standes der Technik beseitigt, bei dem für die Phasenregelschleife immer beide Größen benötigt werden, wobei im hochohmigen und im nie­ derohmigen Lastbereich immer eine der beiden Größen nach Null geht, und ein unsicheres Phasenmeßergebnis verursacht.
Ein besonderer Vorteil des Selbsterregungsprinzips in Verbin­ dung mit der Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopp­ lung gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, daß der Hoch­ frequenzgenerator auch bei schnell schwankenden Lastimpedanzen immer bei der aktuellen Mittenfrequenz des Ausgangsfilters in­ klusive Lastimpedanz arbeitet. Die frequenzregelnde Eigenschaft des Selbsterregungsmodes wirkt nämlich innerhalb weniger Halb­ perioden der Hochfrequenzschwingung. Dies äußert sich in einem besonders stabilen Betrieb mit kleinen Verlustleistungen in den Verstärkerelementen des Leistungsverstärkers, gleichbleibend hohem Wirkungsgrad und gleichbleibend hoher verfügbarer Lei­ stung. Der stabile Betrieb erstreckt sich bis zum Last-Kurz­ schluß und Last-Leerlauf.
Der Hilfsoszillator hat eine doppelte Funktion. Beim Anschwin­ gen des Hochfrequenzgenerators arbeitet er als Anschwinghilfe. Nach dem Umschalten auf Selbsterregung hat er zwar keine Funk­ tion mehr für die Ansteuerung des Leistungsverstärkers, er wird aber als Generator für das Steuersignal der Harmonischen-Meß­ einrichtung verwendet. In der Lichtbogen-Meßeinrichtung ist ein phasengesteuerter Gleichrichter enthalten, dessen Steuersignal phasenstarr zu der harmonischen Frequenz sein muß, die gleich­ gerichtet werden soll. Wollte man dieses Steuersignal aus der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom des Leistungsverstär­ kers gewinnen, so müßte man einen Frequenzvervielfacher verwen­ den. Frequenzvervielfacher sind aber technisch sehr viel auf­ wendiger als Frequenzteiler. Aus diesem Grund wird der Hilfsos­ zillator mit einer phasengesteuerten Schaltung auf die momen­ tane Frequenz des Leistungsverstärkers synchronisiert und die Steuerspannung aus dem Hilfsoszillator abgeleitet. Wie später noch gezeigt wird, kann man mit sehr einfachen Mitteln die Steuerspannung für die Harmonischen-Meßeinrichtung aus dem Hilfsoszillator gewinnen, wenn man z.B. einen internen Oszilla­ tor auf der n-fachen Harmonischen schwingen läßt und die Steu­ erspannung für den Leistungsverstärker mit einem n:1-Frequenz­ teiler gewinnt.
Natürlich tritt auch hier die endliche Regelgeschwindigkeit ei­ ner Phasenregelschleife auf. Da der Regelvorgang für den Licht­ bogen aber um etwa zwei Größenordnungen langsamer ablaufen kann als die Frequenznachregelung für den Leistungsverstärker, bringt dieser Effekt für die Harmonischen-Meßeinrichtung keine Nachteile.
In der Hochfrequenzchirurgie werden die Hochfrequenzgeneratoren intermittierend betrieben. Der Hochfrequenz-Chirurgiegenerator ist als Gerät zwar während der ganzen Operation eingeschaltet, Hochfrequenzleistung soll er aber immer nur kurzzeitig zum Schneiden oder Koagulieren abgeben. Das bedeutet, daß alle Hilfsspannungen des Gerätes zwar über einen großen Zeitraum zur Verfügung stehen, der eigentliche Hochfrequenzgenerator aber immer nur durch Betätigen eines Schalters vorübergehend einge­ schaltet wird. Bei den folgenden Ausführungen ist deshalb zwi­ schen zwei Arten von "Einschalten" zu unterscheiden. Zunächst muß das gesamte Gerät mit allen Hilfsspannungen und evtl. vorhan­ denen peripheren Funktionen mit Hilfe eines Netzschalters in Be­ trieb genommen werden. Der in dem Gerät enthaltene eigentliche Hochfrequenzgenerator wird erst danach mit Hilfe eines Fuß- oder Handschalters aktiviert, wenn aktuell geschnitten oder ko­ aguliert wird. Dabei wird der Hochfrequenzgenerator nicht durchgehend eingeschaltet, sondern intermittierend. Die weite­ ren Erklärungen über die Anschwinghilfe beziehen sich immer auf das Aktivieren des Hochfrequenzgenerators, nachdem das Gesamt­ gerät bereits eingeschaltet war und im allgemeinen bereits frü­ here Aktivierungen vorausgegangen waren.
Bei jedem Einschalten des Hochfrequenzgenerators muß ein An­ schwingvorgang ausgelöst werden. Der Hilfsoszillator, der als Anschwinghilfe dient, muß den Leistungsverstärker so ansteuern, daß die Rückkopplungsschaltung dem Ausgangskreis genügend große Ströme oder Spannungen auf der Betriebsfrequenz entnehmen kann, um die Selbsterregung aufrecht zu erhalten.
Ein besonderes schnelles Anschwingen erhält man, wenn die Fre­ quenz des Hilfsoszillators möglichst genau der Momentanfrequenz nach Umschaltung auf Selbsterregung entspricht. Der Hilfsoszil­ lator wird daher von der Phasenregelschaltung über eine Hal­ teschaltung (Sample-and-Hold) so angesteuert, daß er nur dann, wenn der eigentliche Hochfrequenzgenerator schwingt, d.h. mit Spannungs- oder Stromrückkopplung arbeitet, auf die momentane Betriebsfrequenz des Hochfrequenzgenerators synchronisiert wird. Diese Schaltung sorgt dafür, daß der Hilfsoszillator in den Arbeitspausen des Hochfrequenzgenerators auf der zuletzt eingestellten Frequenz weiterschwingt. Bei einer erneuten Akti­ vierung des Hochfrequenzgenerators gibt dann der Hilfsoszilla­ tor die letzte aktuelle Frequenz des Hochfrequenzgenerators als Anschwinghilfe an den Leistungsverstärker ab. Diese Frequenz hat den wahrscheinlichsten Wert der Frequenz, mit der der Hoch­ frequenzgenerator nach dem Umschalten auf Selbsterregung wei­ terschwingen wird.
Als Kriterium für die Umschaltung zwischen Strom- und Span­ nungsrückkopplung wird der Betrag der angeschlossenen Lastimpe­ danz verwendet. Ein charakteristischer Wert R c für die Lastim­ pedanz, bei dem die Umschaltung zweckmäßigerweise erfolgen soll, kann für jeden nach der Erfindung aufgebauten Hochfre­ quenzgenerator z.B. experimentell bestimmt werden. Dabei können getrennt die Bereiche der Lastimpedanz ermittelt werden, in denen jeweils Stromrückkopplung oder Spannungsrückkopplung den stabilsten Betrieb ergeben. Als chrakteristische Impedanz kann dann ein zwischen den Stabilitätsgrenzen liegender Wert genom­ men werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß Stromrückkopplung ge­ wählt werden muß, wenn die Blindleistung im Serienresonanzkreis wesentlich größer ist als die Blindleistung im Parallelreso­ nanzkreis. Umgekehrt muß Spannungsrückkopplung gewählt werden, wenn die Blindleistung im Parallelresonanzkreis wesentlich größer ist als im Serienresonanzkreis. Die Verteilung der Blindleistung auf die beiden Resonanzkreise hängt aber vom ak­ tuellen Wert der Lastimpedanz ab. Als zweckmäßige Umschalt­ grenze hat sich dabei die Lastimpedanz herausgestellt, bei der die Blindleistungen in beiden Schwingkreisen gerade gleich sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der charakteristische Wert der Lastimpedanz, bei dessen Unter- oder Überschreitung auf Strom- oder Spannungsrückkopplung umgeschal­ tet wird, daher so gewählt, daß er ungefähr der Gleichung
R c =
entspricht, wenn L s die Induktivität des Serienresonanzkreises und C p die Kapazität des Parallelresonanzkreises ist. Bei die­ ser charakteristischen Impedanz sind die Blindleistungen in beiden Schwingkreisen gerade gleich.
In vielen Anwendungsfällen der Hochfrequenzchirurgie stimmt das mittlere Impedanzniveau des Patientenstromkreises nicht mit den Betriebsdaten der Verstärkerelemente im Leistungsverstärker des Hochfrequenzgenerators überein. In diesen Fällen kann die Spule des Parallelresonanzkreises in bekannter Weise als Über­ trager ausgebildet sein. Mit einem solchen Übertrager kann z.B. die Impedanz des Patientenstromkreises an Verstärkerelemente mit hohen zulässigen Spitzenströmen aber kleiner Spannungsfe­ stigkeit angepaßt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist daher die Induktivität des Parallelresonanzkrei­ ses als Übertrager ausgebildet, wobei die Kapazität des Paral­ lelkreises der Primärseite, d.h. der dem Leistungsverstärker zugewandten Seite dieses Übertragers parallel geschaltet ist. Damit die Rückkopplung erfindungsgemäß wieder über den Zweig mit der größeren Blindleistung erfolgt, muß dabei die Umschal­ tung zwischen Spannungs- oder Stromrückkopplung bei einem cha­ rakteristischen Wert der Lastimpedanz von ungefähr
Rc=ü 2 *
erfolgen, wenn ü das Spannungs-Übersetzungsverhältnis des Über­ tragers ist.
In manchen Fällen kann es zusätzlich erwünscht sein, daß die Kapazizät des Parallelresonanzkreises parallel zur Sekundär­ wicklung des Übertragers liegt. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn die Ausgangsimpedanz des Hochfrequenzgenerators bei den zur Generatorfrequenz harmonischen Frequenzen asymptotisch nach Null gehen soll, was bei der zuvor beschriebenen Anordnung we­ gen der unvermeidlichen Streuinduktivität des Übertragers nicht gegeben ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird daher die Induktivität des Parallelresonanzkreises als Übertra­ ger ausgebildet, und die Kapazität des Parallelkreises der Se­ kundärseite dieses Übertragers parallel geschaltet. In diesem Fall erfolgt die Umschaltung der Rückkopplung auf Spannungs- oder Stromrückkopplung dann, wenn die Lastimpedanz einen cha­ rakteristischen Wert über- oder unterschreitet der ungefähr der Gleichung
R c =ü *
entspricht, wenn ü das Übersetzungsverhältnis des Übertragers ist.
Zur Einstellung der richtigen Rückkopplungsart muß die momentan wirksame Lastimpedanz wenigstens näherungsweise bekannt sein und mit dem charakteristischen Wert, bei dem eine Umschaltung erfolgen soll, verglichen werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist dazu eine Meßanordnung zur Erfassung der Aus­ gangsspannung des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu pro­ portionalen Größe und eine Meßanordnung zur Erfassung des Aus­ gangsstromes des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu propor­ tionalen Größe vorhanden. Die Meßfaktoren der beiden Meßanord­ nungen sind dabei so voreingestellt, daß ihre Ausgangssignale ungefähr dann gleich sind, wenn die an den Hochfrequenzgenera­ tor angeschlossene Impedanz den charakteristischen Wert hat. Außerdem ist eine Komparatorschaltung vorhanden, die die Aus­ gangssignale der beiden vorher beschriebenen Meßanordnungen miteinander vergleicht. Das Ausgangssignal dieser Komparator­ schaltung springt dann um, wenn die Lastimpedanz entweder größer oder kleiner als der beschriebene charakteristische Wert wird und kann daher für die Umschaltung zwischen Spannungs- und Stromrückkopplung im Rückkopplungszweig des Hochfrequenzgenera­ tors verwendet werden.
Ein Hochfrequenzgenerator nach der Erfindung verwendet einen Leistungsverstärker, der im Schaltbetrieb arbeitet. Solche Lei­ stungsverstärker haben eine sehr niedrige Quellimpedanz. Ihre Ausgangsspannung ist daher über sehr weite Bereiche der Lastim­ pedanz nahezu konstant. Eine weitere Eigenart von Schaltver­ stärkern ist die Tatsache, daß die Hochfrequenz-Ausgangsspan­ nung proportional zur Betriebsgleichspannung des Leistungsver­ stärkers ist. Diese Eigenschaft wird in einer Ausgestaltung der Erfindung genutzt. Dabei ist die Meßanordnung zur Erfassung der Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators so gestaltet, daß sie eine zur Ausgangsspannung proportionale Größe durch Messung der Versorgungsgleichspannung des Leistungsverstärkers erfaßt.
In vielen Anwendungsfällen der Hochfrequenzchirurgie arbeitet der Hochfrequenzgenerator mit annähernd konstanter Ausgangs­ spannung. In solchen Fällen kann bei der Bestimmung der momen­ tanen Lastimpedanz auf die Messung der Ausgangsspannung ver­ zichtet werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist daher zur Bestimmung der Lastimpedanz nur eine Meßanordnung zur Erfassung des Ausgangsstromes des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu proportionalen Größe vorhanden. Außerdem ist eine Komparatorschaltung vorhanden, die das Ausgangssignal die­ ser Meßanordnung mit einem Sollwert vergleicht, der so gewählt ist, daß er dem Ausgangssignal der Meßanordnung im Fall der charakteristischen Lastimpedanz gleich ist. Das Ausgangssignal der Komparatorschaltung springt dann wieder um, wenn die Lastimpedanz den charakteristischen Wert über- oder unter­ schreitet und wird daher zur Umschaltung zwischen Spannungs- und Stromrückkopplung im Rückkopplungszweig des Hochfrequenz­ generators verwendet.
Die Erfinder haben bei Messungen an mehreren nach der Erfindung aufgebauten Hochfrequenzgeneratoren festgestellt, daß eine ex­ akte Einhaltung des charakteristischen Impedanzwertes zur Um­ schaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopplung nicht not­ wendig ist, sondern gewisse Abweichungen zulässig sind. Um ein zu häufiges Umschalten bei einer Lastimpedanz zu vermeiden, de­ ren Wert zufällig um den charakteristischen Wert herum schwankt, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur Steuerung des Umschaltvorganges der Rückkopplung eine Kom­ paratorschaltung verwendet, die eine Hysterese aufweist.
Der Hilfsoszillator hat seine Hauptfunktion in der Bereitstel­ lung des Steuersignals für den phasengesteuerten Gleichrichter in der Harmonischen-Meßeinrichtung. Darüber hinaus dient er bei jeder Aktivierung des Hochfrequenzgenerators als Anschwing­ hilfe. Dazu wird er nach der ersten Aktivierung auf die jeweils aktuelle Frequenz des Hochfrequenzgenerators synchronisiert. Damit er auch bei der ersten Aktivierung eine sinnvolle Start­ hilfe geben kann, ist der Hilfsoszillator in einer Ausgestal­ tung der Erfindung so dimensioniert, daß er bis zur ersten Ak­ tivierung des Hochfrequenzgenerators eine Frequenz abgibt, die der mittleren Betriebsfrequenz des Hochfrequenzgenerators ent­ spricht.
Wie bereits mehrfach beschrieben wurde, muß die Harmonischen- Meßeinrichtung mit einer Steuerspannung beaufschlagt werden, die die gleichzurichtende harmonische Frequenz besitzt. Diese Steuerspannung kann besonders einfach gewonnen werden, wenn der Hilfsoszillator einen internen Oszillator verwendet, der auf der n-fachen Generatorfrequenz schwingt, wenn n die Ordnungs­ zahl der gleichzurichtenden Harmonischen ist. Für die An­ schwinghilfe und den Frequenzvergleich in der Phasenregelschal­ tung enthält der Hilfsoszillator dann einen n:1-Frequenzteiler.
Der Lichtbogen zwischen Chirurgiesonde und Gewebe ist insbeson­ dere bei automatisch leistungsgeregelten Hochfrequenzgenerato­ ren nahezu symmetrisch. Er erzeugt daher vorwiegend ungeradzah­ lige harmonische Frequenzen. Die erzeugten Amplituden der har­ monischen Frequenzen nehmen mit der Ordnungszahl ab. Aus diesem Grund wird in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Hilfsoszil­ lator verwendet, der einen internen Hilfsoszillator mit einer Schwingfrequenz aufweist, die der dreifachen Generatorfrequenz entspricht.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind noch Zeichnungen beigefügt. Es zeigen:
Fig. 1 Vereinfachtes Blockschaltbild eines automatisch lei­ stungsgeregelten Hochfrequenzgenerators nach der Er­ findung.
Fig. 2 Blockschaltbild eines automatisch leistungsgeregelten Hochfrequenzgenerators mit ausführlicherer Darstellung der Bestandteile der Erfindung.
Fig. 3 Ortskurven der vom Leistungsverstärker gesehenen Ein­ gangsimpedanz des Ausgangsfilters für verschiedene Werte eines reellen Lastwiderstandes R Last .
In Fig. 1 ist das vereinfachte Blockschaltbild eines Hochfre­ quenzgenerators nach der Erfindung dargestellt. Im Leistungs­ verstärker 1 wird, nach entsprechender Ansteuerung über den Steuereingang E, die notwendige Hochfrequenzleistung erzeugt. U 1 ist die komplexe Amplitude der Grundwelle der Ausgangsspan­ nung und I 1 die komplexe Amplitude der Grundwelle des Ausgangs­ stromes. Mit Hilfe des Modulators 2 kann diese Hochfrequenzlei­ stung geregelt werden. Da der Leistungsverstärker 1 als Schalt­ verstärker arbeitet, kann seine Hochfrequenz-Ausgangsleistung mit einer Veränderung der wirksamen Betriebsspannung geregelt werden. In dem gezeichneten Beispiel arbeitet der Modulator da­ her mit einer Veränderung der Betriebsspannung U B .
Im Moment des Anschwingens wird der Leistungsverstärker 1 von einem Hilfsgenerator 3 über einen Schalter 4 fremd angesteuert. Wegen der notwendigen Umschaltgeschwindigkeit wird dieser Schalter 4 in der Regel ein elektronischer Schalter sein.
Die Filterelemente Serienkreis, Parallelkreis und ein eventuell vorhandener Übertrager, sowie die Auskopplung von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers sind in dem Kop­ pelfilter 5 zusammengefaßt. Dem Koppelfilter 5 werden zwei Si­ gnale entnommen, die aus dem Ausgangsstrom I 1 bzw. der Aus­ gangsspannung U 1 des Leistungsverstärkers abgeleitet sind.
Das ODER-Glied 6 stellt nun fest, ob entweder die Ausgangsspan­ nung oder der Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers deutlich von Null abweichen, d.h. ob der Anschwingvorgang eingeleitet ist. Sobald dies der Fall ist, wird der Schalter 4 vom ODER- Glied 6 umgeschaltet, d.h. die Ansteuerung des Leistungsver­ stärkers von Fremdansteuerung auf Selbsterregung geändert. Als Rückkopplungsspannung wird dabei vom Schalter 7 entweder das von der Ausgangsspannung U 1 oder das vom Ausgangsstrom I 1 des Leistungsverstärkers 1 abgeleitete Signal ausgewählt, je nach­ dem ob der Momentanwert der Lastimpedanz Z Last größer oder kleiner als der charakteristische Widerstand R c ist. Die Um­ schaltung des Schalters 7 wird in diesem Beispiel mit Hilfe des Impedanzindikators 8 vorgenommen, der aus den beiden dem Kop­ pelfilter entnommenen Signalen feststellt, welche Bedingung die momentane Lastimpedanz erfüllt. Auch der Schalter 7 wird in der Regel ein elektronischer Schalter sein.
Im Ausgangskreis des Leistungsverstärkers 1 ist weiterhin ein Koppelelement 9 enthalten, mit dem aus dem Ausgangskreis eine oder mehrere der harmonischen Frequenzen entnommen werden, die von einem eventuell an der Chirurgiesonde brennenden Lichtbogen erzeugt werden. Eine dieser Frequenzen wird von dem phasenge­ steuerten Gleichrichter 10 in ein Steuersignal für den Modula­ tor 2 umgewandelt. Dazu wird der phasengesteuerte Gleichrichter 10 noch mit einer Steuerspannung beaufschlagt, die dem Hilfsos­ zillator 3 entnommen wird. Der Hilfsoszillator 3 besteht dafür aus einem Oszillator 11, der auf der n-fachen Betriebsfrequenz schwingt, und einem n:1-Frequenzteiler 12, an dessen Ausgang die Betriebsfrequenz entsteht. Die Steuerspannung für den pha­ sengesteuerten Gleichrichter 10 wird dabei dem Oszillator 11 entnommen.
Die Grundfrequenz des Oszillators 11 und damit der Teilungsfak­ tor n des Frequenzteilers 12 werden so gewählt, daß n die ge­ wünschte Ordnungszahl der gleichzurichtenden, vom Lichtbogen erzeugten harmonischen Frequenz ist. In der Praxis wird n vor­ zugsweise den Wert 3 haben, da die dritte Harmonische in der Regel die größte Amplitude aller vom Lichtbogen erzeugten har­ monischen Frequenzen aufweist.
Das Steuersignal des phasengesteuerten Gleichrichters 10 muß al­ lerdings starr mit der momentanen Betriebsfrequenz des Lei­ stungsverstärkers 1 verknüpft sein. Aus diesem Grund ist eine Phasenregelschleife vorgesehen, die aus dem phasengesteuerten Gleichrichter 13 und dem Halteverstärker ("Sample-and-Hold Ver­ stärker") 14 besteht. Mit dieser Phasenregelschleife wird im gezeichneten Beispiel das Ausgangssignal des Frequenzteilers 12 verglichen und der Oszillator 11 so nachgesteuert, daß die bei­ den vom phasengesteuerten Gleichrichter 13 verglichenen Signale frequenz- und phasenstarr zueinander sind. Damit ist auch das Steuersignal des phasengesteuerten Gleichrichters 10 frequenz- und phasenstarr zur gleichzurichtenden Harmonischen.
Der Halteverstärker 14 schaltet das Phasenregelsignal nur dann auf den Oszillator 11 durch, wenn der Hochfrequenzgenerator im Selbsterregungsmode arbeitet. Dies wird mit dem Steuersignal aus dem ODER-Glied 6 bewirkt.
In Fig. 2 ist ein etwas ausführlicheres Blockschaltbild eines automatisch leistungsgeregelten Hochfrequenzgenerators nach der Erfindung dargestellt. In diesem Blockschaltbild ist gezeigt, in welcher Form das an den Ausgang des Leistungsverstärkers 1 angeschlossene Ausgangsfilter aufgebaut ist. Es enthält einen in Serie geschalteten Serienresonanzkreis, der aus L s und C s besteht, und einen parallel geschalteten Parallelresonanzkreis, der aus C p und L p besteht. Am Ausgang des Filters ist die Lastimpedanz Z Last über ein Koppelglied 9 angeschlossen. Dem Koppelglied 9 können in der oben beschriebenen Weise die vom Lichtbogen an der Chirurgiesonde erzeugten harmonischen Fre­ quenzen entnommen werden.
In diesem Beispiel sind auch etwas ausführlicher die Möglich­ keiten für die Gewinnung der Rückkopplungssignale und der Schaltsignale gezeigt. In Serie zum Serienresonanzkreis C s /L s liegt in diesem Ausführungsbeispiel ein Wandlerglied zur Erzeu­ gung einer geeigneten Spannung für die Stromrückkopplung, das in diesem Beispiel aus einem Stromwandler 15 und einem Verstär­ ker 16 besteht. In diesem Zweig sind aber auch andere Schal­ tungsvarianten möglich, wie z.B. ein kleiner Serienwiderstand an Stelle des Stromwandlers im Ausgangsstromkreis des Lei­ stungsverstärkers 1. Parallel zum Parallelresonanzkreis C p /L p liegt ein Wandlerglied zur Erzeugung einer geeigneten Spannung für die Spannungsrückkopplung, das in diesem Beispiel aus dem Verstärker 17 besteht. Die Verstärker 16 und 17 weisen die im Blockschaltbild angegebenen Verstärkungen v I 1 und v U 2 auf, die so eingestellt sind, daß sich später eine passende Ansteuer­ spannung für den Leistungsverstärker ergibt. Wegen der hohen Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 1 wird die Verstär­ kung des im Spannungsrückkopplungszweiges liegenden Verstärkers 17 in der Regel v U 2<1 sein.
Die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker 16 und 17 werden dem elektronischen Umschalter 7 zugeführt, von dem sie entspre­ chend der momentanen Lastimpedanz für die jeweilige Rückkopp­ lungsart ausgewählt werden.
Der Hochfrequenzgenerator wird in diesem Beispiel dadurch ein­ geschaltet, daß dem Leistungsverstärker 1 über den Schalter 18 und den Modulator 2 die Betriebsspannung U B zugeführt wird. Dies wird mit Hilfe eines Fuß- oder Fingerschalters entweder im Betrieb "Schneiden" oder "Koagulieren" sein, wozu eine entspre­ chende Aktivierungsschaltung 19 vorgesehen ist. Es wird davon ausgegangen, daß das gesamte Hochfrequenzgerät mit den eventu­ ell vorhandenen peripheren Einrichtungen und den Hilfsspannun­ gen zu diesem Zeitpunkt bereits eingeschaltet war. Durch das Betätigen des Schalters 18 wird dann die Abgabe von Hochfre­ quenzleistung gestartet. In diesem Augenblick muß also das An­ schwingen des Hochfrequenzgenerators initiiert werden. Dazu ist der Hilfsoszillator 3 über den elektronischen Schalter 4 und die Impulsformer- bzw. Vorverstärker-Stufe 20 an den Eingang E des Leistungsverstärkers 1 geschaltet. Der Hilfsoszillator 3 ist in diesem Beispiel auf die mittlere Betriebsfrequenz, d.h. auf die Soll-Resonanzfrequenzen f s des Serienresonanzkreises und f p des Parallelresonanzkreises abgestimmt, die in der Regel als gleich angenommen werden können. Mit dieser Frequenz schwingt der Hochfrequenzgenerator an. Sobald jedoch eine der von den Verstärkern 16 und 17 aus dem Ausgangsstrom I 1 oder der Ausgangsspannung U 1 abgeleiteten Spannungen deutlich von Null verschieden ist, wird der elektronische Schalter 4 auf Selbst­ erregung, d.h. auf Rückkopplung umgeschaltet. Dies wird im vor­ liegenden Beispiel mit Hilfe der Gleichrichter 21 und 22 und der elektronischen ODER-Schaltung 6 bewerkstelligt.
Der Ausdruck "deutlich von Null verschieden" soll dabei so ver­ standen werden, daß die von den Verstärkern 16 und 17 aus dem Ausgangsstrom oder der Ausgangsspannung des Leistungsverstär­ kers 1 abgeleiteten Spannungen zur Ansteuerung des Leistungs­ verstärkers 1 ausreichen müssen. Wegen der hohen möglichen Schleifenverstärkungen sind dafür aber relativ kleine Span­ nungswerte ausreichend.
Die Schwellen der ODER-Schaltung 6 sind also so eingestellt, daß ihr Ausgangssignal umspringt, wenn die jeweilige Eingangs­ spannung eine für die Ansteuerung des Leistungsverstärkers 1 ausreichende Amplitude signalisiert.
Der elektronische Auswahlschalter 7 soll den Rückkopplungszweig erfindungsgemäß auf Stromrückkopplung schalten, wenn die Lastimpedanz den charakteristischen Wert unterschreitet, und auf Spannungsrückkopplung, wenn die Lastimpedanz den charakte­ ristischen Wert überschreitet. Dazu ist in dem Beispiel der Fig. 2 ein weiterer Zweig aus einem Stromwandler 23, einem Ver­ stärker 24, einem Gleichrichter 25 und einem Komparator 26 vor­ gesehen. Mit dem Stromwandler 23 wird ein dem Laststrom I 2 pro­ portionales Signal abgegriffen, das mit dem Verstärker 24 in der Amplitude angepaßt und im Gleichrichter 25 gleichgerichtet wird. Danach wird es vom Komparator 26 mit dem Ausgangssignal des Gleichrichters 22 verglichen. Die Verstärkungen v U 2 des Verstärkers 17 und v I 2 des Verstärkers 24 sind dabei so einge­ stellt, daß das Ausgangssignal des Komparators 26 dann um­ springt, wenn die Lastimpedanz den charakteristischen Wert durchläuft. Um dauerndes Umspringen des Komparators 26 zu ver­ meiden, wenn sich die Lastimpedanz längere Zeit genau auf dem Wert der charakteristischen Impedanz befindet, ist der Kompara­ tor 26 in diesem Beispiel mit einer Hysterese versehen.
In Fig. 2 ist weiterhin die Ansteuerung der Phasenregelschleife für den Hilfsoszillator 3 ausführlicher dargestellt. Der Hilfs­ oszillator 3 muß immer dann frei schwingen, wenn der Hochfre­ quenzgenerator entweder keine Leistung abgibt oder sich im An­ schwingen befindet. Die Phasensynchronisation muß dagegen ein­ geschaltet werden, wenn der Hochfrequenzgenerator mit Span­ nungs- oder Stromrückkopplung arbeitet. Aus diesem Grund wird im Beispiel der Fig. 2 das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 6 mit Hilfe eines UND-Gliedes noch mit dem Aktivierungssignal des Einschalters 18 verknüpft. Damit wird der Halteverstärker 14 der Phasenregelschleife nur zu den beschriebenen Zeiten durch­ geschaltet.
Außerdem wird in Fig. 2 noch beispielhaft die unterschiedliche Behandlung der Leistungsregelung für Schneiden und Koagulieren gezeigt. Beim Schneiden soll die Leistungsregelung so erfolgen, daß die Schlagweite des Lichtbogens zwischen der Chirurgiesonde und dem Gewebe konstant ist. Dies ist dann erfüllt, wenn die Amplituden der vom Lichtbogen erzeugten harmonischen Ströme oder Spannungen auf einen konstanten Wert geregelt werden. Dazu wird in diesem Beispiel das Ausgangssignal des phasengesteuer­ ten Gleichrichters 10 mit einem Tiefpaß 28 gefiltert und einem Regelverstärker 29 zugeführt. Der Regelverstärker 29 vergleicht dieses Signal mit einer Vergleichsspannung, die von einem Soll­ wertgeber 30 geliefert wird und führt das verstärkte Differenz­ signal dem Modulator 2 zu. Damit ist die Regelschleife für die Leistungsregelung geschlossen. Mit dem Sollwertgeber 30 kann nun die gewünschte Schlagweite des Lichtbogens zwischen der Chirurgiesonde und dem Gewebe, d.h. die gewünschte Schneidwir­ kung eingestellt werden. Der Hochfrequenzgenerator gibt dann in jedem Zeitmoment genau soviel Leistung ab, wie für die ge­ wünschte Schneidwirkung gerade beötigt wird.
Beim Koagulieren soll kein Lichtbogen auftreten, weil sonst wieder Schneidwirkung einsetzen kann. Beim Koagulieren wird da­ her die Regelschleife von der Aktivierungsschaltung 19 entspre­ chend umgeschaltet. Sie kann entweder ganz außer Betrieb ge­ setzt werden, wobei die Aktivierungsschaltung 19 dann den Schalter 18 in der Regel im Pulsbetrieb aktiviert. Dem Fachmann sind aber auch Lösungen bekannt, bei denen der Regelverstärker 29 im Koagulationsbetrieb auf Lichtbogenerkennung umgeschaltet wird und dieser den Hochfrequenzgenerator über den Modulator 2 für eine bestimmte Zeitdauer abschaltet, sobald über das Ent­ stehen harmonischer Frequenzen das Auftreten eines Lichtbogens erkannt wird.
Bei Hochfrequenzgeneratoren nach der Erfindung arbeitet der Leistungsverstärker 1 im Schaltbetrieb. Da die Verstärkerele­ mente des Leistungsverstärkers 1 bei diesem Betrieb abwechselnd extrem hochohmig und extrem niederohmig sind, hat die Ausgangs­ spannung U 1 eine vernachlässigbar kleine Phasenverschiebung ge­ genüber der Steuerspannung des Leistungsverstärkers 1. Bei Stromrückkopplung wird die Steuerspannung aus dem Ausgangsstrom I 1 des Leistungsverstärkers 1 gewonnen. Achtet man darauf, daß die Phasenverschiebung im Strom-Rückkopplungszweig sehr gering ist, so hat man im Fall der Stromrückkopplung extrem geringe Phasenverschiebung zwischen Ausgangsstrom I 1 und Ausgangsspan­ nung U 1. Die Frequenz stellt sich dabei automatisch so ein, daß diese Bedingung erfüllt ist. Es handelt sich hierbei vornehm­ lich um die aktuelle Resonanzfrequenz des Serienresonanzkrei­ ses. Veränderungen der Bauelemente L p und C p sowie Verstimmun­ gen durch die Blindelemente der Lastimpedanz und Verstimmungen des Parallelresonanzkreises werden dabei automatisch berück­ sichtigt. Die Stromrückkopplung ergibt also geringstmögliche Verluste in den Verstärkerelementen des Leistungsverstärkers 1 und damit höchstmöglichen Wirkungsgrad, kleinste Überschwinger und sichersten Betrieb. Für die gewünschten Wirkungen der Hoch­ frequenzleistung spielen die dabei auftretenden geringen Fre­ quenzverschiebungen u.a. keine Rolle wie bereite früher be­ schrieben wurde.
Trotzdem ist es vorteilhaft, auf Spannungsrückkopplung umzu­ schalten, wenn die Lastimpedanz die charakteristische Impedanz R c überschreitet. Dies soll mit Hilfe der Fig. 3 näher erläutert werden. Fig. 3 zeigt die Ortskurven der vom Leistungsverstärker 1 gesehenen Eingangsimpedanz des Ausgangsfilters für vier ver­ schiedene Werte der Lastimpedanz. Der Einfachheit halber sind hier für die Lastimpedanz nur reelle Werte R Last angenommen. Das Beispiel ist für einen Fall gezeichnet, bei dem
= 1 kOhm
gilt. Da die Resonanzfrequenzen f s des Serienresonanzkreises und f p des Parallelresonanzkreises nominell gleich sind, gilt
L s * C s =L p * C p
und damit auch
= 1 kOhm
Die charakteristische Impedanz R c wäre in diesem Beispiel also 1 kOhm. Die vier Ortskurven in Fig. 3 sind für die Lastimpedan­ zen 0.2 kOhm, 1 kOhm, 1.2 kOhm und 3 kOhm gezeichnet. Jede Orts­ kurve hat bei der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises und des Parallelresonanzkreises einen Schnittpunkt mit der re­ ellen Achse. Diese Frequenz ist in Fig. 3 jeweils als die ge­ wünschte Betriebsfrequenz f B bezeichnet. Wenn die Lastimpedanz den Wert der charakteristischen Impedanz allerdings übersteigt, so bildet die Ortskurve der Eingangsimpedanz eine Schleife mit zwei weiteren Schnittpunkten mit der reellen Achse. Bei Strom­ rückkopplung würde der Hochfrequenzgenerator nun nicht mehr die gewünschte Betriebsfrequenz f B , sondern eine der beiden anderen Frequenzen mit reeller Eingangsimpedanz einstellen. Bei dieser Frequenz fließen hohe Blindströme durch die Verstärkerelemente des Leistungsverstärkers, die verfügbare Leistung und der Wir­ kungsgrad nehmen rapide ab. Dafür steigt die Verlustleistung in den Verstärkerelementen des Leistungsverstärkers und die Be­ triebssicherheit ist gefährdet. Bei geringfügigen Überschrei­ tungen der charakteristischen Impedanz ist dieser Effekt noch nicht sehr ausgeprägt, wie die Ortskurve für R Last=1.2 kOhm zeigt. Deshalb sind gewisse Toleranzen für die Umschaltschwelle zugelassen.
Bei hochohmigen Lastimpedanzen, verglichen mit der charakteri­ stischen Impedanz, bringt eine erfindungsgemäße Umschaltung der Rückkopplung auf Spannungs-Rückkopplung den Hochfrequenzgenera­ tor wieder auf die gewünschte Betriebsfrequenz f B zurück. Dies bringt erhebliche Vorteile hinsichtlich der Verlustleistung, des Wirkungsgrades, der verfügbaren Leistung und der Betriebs­ sicherheit.
Bei einem niederohmigen Leistungsverstärker ist Spannungsrück­ kopplung grundsätzlich problematisch. Aus diesem Grund wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Rückkopplungsspannung aus der Spannung am Parallelresonanzkreis, also hinter dem Serienreso­ nanzkreis zu gewinnen. In allen praktischen Fällen übernimmt dann weiterhin der Serienresonanzkreis die Frequenzführung, d.h. nach der Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsrück­ kopplung schwingt der Hochfrequenzgenerator praktisch mit der gleichen Frequenz weiter.
Es ist weiterhin einleuchtend, daß Fehlabgleiche der Resonanz­ kreise sowie Änderungen der Bauelementewerte bei Alterung über den von der Rückkopplung automatisch durchgeführten Frequenzab­ gleich weitestgehend ausgeglichen werden.

Claims (11)

1. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator für die Hochfrequenz-Chirurgie mit einem im Schaltbetrieb ar­ beitenden Leistungsverstärker zur Erzeugung der notwendigen Hochfrequenzleistung, einer Modulationseinrichtung zur Re­ gelung der Ausgangsamplitude, einem Ausgangsfilter zur Un­ terdrückung anderer Frequenzen als der Generatorfrequenz des Hochfrequenzgenerators, einer Harmonischen-Meßeinrich­ tung zur Messung der zur Generatorfrequenz harmonischen Frequenzen, die von dem zwischen der Chirurgiesonde und dem zu schneidenden oder zu koagulierenden Gewebe entstehenden Lichtbogen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Ausgangsfilter (5) einen ungefähr auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmten in Serie geschalteten Se­ rienresonanzkreis (L s , C s ) und einen ungefähr auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmten parallel geschal­ teten Parallelresonanzkreis (L p , C p ) enthält, wobei der Serienresonanzkreis (L s , C s ) vom Leistungsverstärker (1) aus gesehen das erste Filterelement darstellt,
  • b) die Ansteuerung des Leistungsverstärkers (1) im Moment des Anschwingens von einem Hilfsoszillator (3) erfolgt,
  • c) die Ansteuerung des Leistungsverstärkers (1) nach dem Anschwingen, d.h. wenn im Ausgangskreis des Leistungs­ verstärkers (1) entweder ein von Null deutlich unter­ schiedlicher Strom (I 1) fließt oder eine von Null deut­ lich unterschiedliche Spannung (U 1) herrscht, auf Selbsterregung, d.h. Rückkopplung aus dem Ausgangskreis des Leistungsverstärkers (1) umgeschaltet wird, wobei dann die Ansteuerspannung des Leistungsverstärkers
    • - über ein Wandlerglied (15 und 16) und Impulsformerstu­ fen (20) aus dem den Serienresonanzkreis (L s , C s ) durchfließenden Strom (I 1) gewonnen wird, wodurch Stromrückkopplung entsteht, wenn der Betrag der an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen Lastimpe­ danz (Z Last ) einen charakteristischen, voreingestell­ ten Wert (R c ) unterschreitet
    • - über ein Wandlerglied (17) und Impulsformerstufen (20) aus der am Parallelresonanzkreis (L p , C p ) anliegenden Spannung (U 1) gewonnen wird, wodurch Spannungsrück­ kopplung entsteht, wenn der Betrag der an den Hoch­ frequenzgenerator angeschlossenen Lastimpedanz (Z Last ) einen charakteristischen, voreingestellten Wert (R c ) überschreitet
  • wobei ein elektronischer Schalter (7) für die Umschal­ tung zwischen diesen beiden Möglichkeiten der Rückkopp­ lung vorgesehen ist, der bei schwankenden Lastimpedanzen (Z Last ) auch während des Betriebes die beschriebene Um­ schaltung zwischen Strom- und Spannungsrückkopplung vor­ nimmt, wenn der Betrag der Lastimpedanz (Z Last ) den cha­ rakteristischen, voreingestellten Wert (R c ) über- oder unterschreitet,
  • d) die Frequenz des Hilfsoszillators (3) mit elektronischen Mitteln verstellbar ist, wobei eine phasengesteuerte Schaltung (13) vorhanden ist, die die Frequenz des Hilfsoszillators (3) während des Rückkopplungsbetriebes auf die Generatorfrequenz synchronisiert, und eine Hal­ teschaltung (14) vorhanden ist, die die Frequenz des Hilfsoszillators während der Betriebspausen des Hochfre­ quenzgenerators und während des Anschwingens auf der letzten während des Rückkopplungsbetriebes eingestellten Frequenz hält und
  • e) die Harmonischen-Meßeinrichtung einen phasengesteuerten Gleichrichter (10) enthält, dessen Steuersignal aus der momentanen Frequenz des Hilfsoszillators (3) abgeleitet ist und der eine der im Frequenzgemisch am Ausgang des Hochfrequenzgenerators enthaltene harmonische Frequenz gleichrichtet, und das Ausgangssignal der Harmonischen- Meßeinrichtung dem Modulator (2) als Regelsignal zur Re­ gelung der Ausgangsamplitude des Hochfrequenzgenerators zugeführt ist.
2. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Wert (R c ) der Lastimpedanz (Z Last ), bei dessen Unter- oder Überschreitung auf Strom- oder Span­ nungsrückkopplung umgeschaltet wird, ungefähr der Gleichung R c =entspricht, wenn L s die Induktivität des Serienresonanz­ kreises und C p die Kapazität des Parallelresonanzkreises ist.
3. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L p ) des Parallelresonanzkreises als Über­ trager zur Transformation der an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen Lastimpedanz (Z Last ) nach an sich bekannten Regeln ausgebildet ist, die Kapazität (C p ) des Parallel­ kreises der Primärseite, d.h. der dem Leistungsverstärker (1) zugewandten Seite dieses Übertragers parallel geschal­ tet ist und die Umschaltung der Rückkopplung auf Spannungs- oder Stromrückkopplung erfolgt, wenn die Lastimpedanz (Z Last ) einen charakteristischen Wert (R c ) über- oder un­ terschreitet der ungefähr der Gleichung R c =ü 2 * entspricht, wenn ü das Übersetzungsverhältnis des Übertra­ gers (13) ist.
4. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L p ) des Parallelresonanzkreises als Über­ trager zur Transformation der an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen Lastimpedanz (Z Last ) nach an sich bekannten Regeln ausgebildet ist, die Kapazität des Parallelkreises der Sekundärseite, d.h. der dem Leistungsverstärker abge­ wandten Seite dieses Übertragers parallel geschaltet ist und die Umschaltung der Rückkopplung auf Spannungs- oder Stromrückkopplung erfolgt, wenn die Lastimpedanz (Z Last ) einen charakteristischen Wert (R c ) über- oder unterschrei­ tet der ungefähr der Gleichung R c =ü * entspricht, wenn ü das Übersetzungsverhältnis des Übertra­ gers ist.
5. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) eine Meßanordnung (17 und 22) zur Erfassung der Aus­ gangsspannung (U 2) des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu proportionalen Größe vorhanden ist,
  • b) eine Meßanordnung (24 und 25) zur Erfassung des Aus­ gangsstromes (I 2) des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu proportionalen Größe vorhanden ist,
  • c) die Meßfaktoren (v U 2 und v I 2) der beiden Meßanordnungen (17, 22, 24 und 25) so voreingestellt sind, daß ihre Ausgangssignale ungefähr dann gleich sind, wenn die an den Hochfrequenzgenerator angeschlossene Impedanz (Z Last ) den charakteristischen Wert (R c ) hat und
  • d) eine Komparatorschaltung (26) vorhanden ist, die die Ausgangssignale der beiden vorher beschriebenen Meßan­ ordnungen (17, 22, 24 und 25) miteinander vergleicht, und das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (26) die Umschaltung zwischen Spannungs- und Stromrückkopplung im Rückkopplungszweig des Hochfrequenzgenerators steuert.
6. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zur Erfassung der Ausgangsspannung (U 2) des Hochfrequenzgenerators eine zur Ausgangsspannung (U 2) proportionale Größe durch Messung der Versorgungsgleich­ spannung (U B ) des Leistungsverstärkers (1) erfaßt.
7. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßanordnung (24 und 25) zur Erfassung des Ausgangs­ stromes (I 2) des Hochfrequenzgenerators oder einer dazu proportionalen Größe vorhanden ist, und eine Komparator­ schaltung (26) vorhanden ist, die das Ausgangssignal dieser Meßanordnung (24 und 25) mit einem Sollwert vergleicht, und das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (26) die Um­ schaltung zwischen Spannungs- und Stromrückkopplung im Rückkopplungszweig des Hochfrequenzgenerators steuert, wo­ bei der Sollwert so eingestellt ist, daß die Umschaltung zwischen Spannungs- und Stromrückkopplung ungefähr beim charakteristischen Wert (R c ) der Lastimpedanz (Z Last ) er­ folgt.
8. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (26) eine Hysterese aufweist.
9. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator (3) bis zur ersten Aktivierung des Hochfrequenzgenerators eine Frequenz abgibt, die der mitt­ leren Betriebsfrequenz des Hochfrequenzgenerators ent­ spricht.
10. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator (3) einen elektronisch abstimmbaren Os­ zillator (11) enthält, der auf der n-fachen Generatorfre­ quenz schwingt, und einen n:1-Frequenzteiler (12), der vom Oszillator (11) angesteuert wird, und an dessen Ausgang die Generatorfrequenz entsteht, wobei n die Ordnungszahl der von der Harmonischen-Meßeinrichtung gleichzurichtenden hö­ heren Harmonischen ist.
11. Automatisch leistungsgeregelter Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (11) auf der 3fachen Generatorfrequenz schwingt, und die 3fache Harmonische von der Harmonischen- Meßeinrichtung gleichgerichtet wird.
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