DE60102341T2

DE60102341T2 - Verfahren zur Berechnung der Kapazität eines Wandlers um die Temperatur des Wandlers zu bestimmen

Info

Publication number: DE60102341T2
Application number: DE60102341T
Authority: DE
Inventors: Kenneth S. Kramer; Eitan T. Wiener; William T. Donofrio; Kevin Houser; Faster B. Stulen
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: AU785386B2; EP1208803B1; US20020062132A1; AU8151601A; EP1208803A2; DE60102341D1; ES2217094T3; US7077853B2; EP1208803A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen chirurgische Ultraschallsysteme und insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Ultraschallwandlers.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, daß elektrische Skalpelle und Laser als chirurgische Instrumente zur Erfüllung einer Doppelfunktion, d.h. zur Ausführung von Schnitten in weichem Gewebe und gleichzeitig zur Bewirkung der Hämostase von weichem Gewebe durch Kauterisieren von Gewebe und Blutgefäßen verwendet werden können. Jedoch verwenden derartige Instrumente sehr hohe Temperaturen, um die Koagulation zu erreichen, wodurch Verdampfungen und Dämpfe sowie Spritzer verursacht werden. Zusätzlich führt die Verwendung derartiger Instrumente häufig zu relativ ausgedehnten Zonen von thermisch geschädigtem Gewebe.
Das Schneiden und Kauterisieren von Gewebe mit Hilfe von mit hoher Geschwindigkeit vibrierenden chirurgischen Klingen durch Ultraschallantriebsmechanismen ist ebenfalls bekannt. Ein mit derartigen Ultraschallschneideinstrumenten verbundenes Problem sind unkontrollierte oder ungedämpfte Schwingungen und die Hitze sowie die daraus resultierende Materialermüdung. In der Umgebung eines Operationsraums wurden Versuche unternommen, dieses Erwärmungsproblem durch Einbeziehung von Kühlungssystemen mit Wärmeaustauschern zur Kühlung der Klinge zu kontrollieren. Bei einem bekannten System erfordert beispielsweise das Ultraschallschneide- und Gewebezerstückelungssystem ein mit einem Wasserzirkulationsmantel erweitertes Kühlungssystem und eine Einrichtung zur Bewässerung und zum Absaugen des Schneideortes. Bei anderen Systemen ist die Zufuhr von Tieftemperaturfluiden zur Schneideklinge erforderlich.
Es ist bekannt, den zum Wandler zugeführten Strom als ein Mittel zur Begrenzung der in diesem erzeugten Hitze zu beschränken. Jedoch könnte dies gerade dann in einer unzureichenden Leistungszufuhr zur Klinge resultieren, wenn diese für die wirkungsvollste Behandlung des Patienten erforderlich ist. Im US-Patent 5,026,387 von Thomas ist ein System zur Steuerung der Wärme in einem chirurgischen Ultraschallschneide- und Hämostasesystem ohne Verwendung eines Kühlmittels durch Steuern der zur Klinge zugeführten Ansteuerungsleistung offenbart. Beim System gemäß diesem Patent wird ein Ultraschallgenerator vorgesehen, der ein elektrisches Signal mit einer bestimmten Spannung, einem bestimmten Strom und einer bestimmten Frequenz, z.B. 55,500 Schwingungen pro Sekunde erzeugt. Der Generator ist über ein Kabel mit einem Handstück verbunden, das piezokeramische Elemente enthält, die einen Ultraschallwandler bilden. In der Reaktion auf einen am Handstück vorgesehenen Schalter oder einen Fußschalter, der durch ein weiteres Kabel mit dem Generator verbunden ist, wird das Generatorsignal an den Wandler angelegt, wodurch eine Längsvibration seiner Elemente hervorgerufen wird. Der Wandler ist über eine Anordnung mit einer chirurgischen Klinge verbunden, die somit mit Ultraschallfrequenzen zu Schwingungen angeregt wird, wenn das Generatorsignal an den Wandler angelegt wird. Die Anordnung ist so gestaltet, daß sie bei der ausgewählten Frequenz resonant schwingt, womit die durch den Wandler initiierte Bewegung verstärkt wird.
Das zum Wandler zugeführte Signal wird so gesteuert, daß je nach Anforderung am Wandler in Reaktion auf das kontinuierliche oder periodische Abtasten des Lastzustandes (Kontakt mit dem Gewebe oder Zurückziehen) Leistung zur Klinge zugeführt wird. Als ein Ergebnis geht die Vorrichtung automatisch von einem Leerlaufzustand mit niedriger Leistung in einen wählbaren Schneidezustand mit hoher Leistung über, abhängig davon, ob das Skalpell sich in Kontakt mit dem Gewebe befindet oder nicht. Ein dritter Koagulationsmodus mit hoher Leistung ist manuell mit einer automatischen Rückkehr in einen Leerlaufleistungspegel, wenn sich die Klinge nicht im Kontakt mit dem Gewebe befindet, auswählbar. Da die Ultraschalleistung zur Klinge nicht kontinuierlich zugeführt wird, erzeugt sie weniger Umgebungswärme, gibt jedoch ausreichend Energie an das Gewebe für Schnitte und zur Kauterisierung ab, wenn dies notwendig ist.
Das Steuerungssystem im Patent von Thomas ist analoger Bauart. Ein Phasenregelkreis (der einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Frequenzteiler, einen Leistungsschalter, ein Anpassungsnetz und einen Phasendetektor umfaßt) stabilisiert die an das Handstück angelegte Frequenz. Ein Mikroprozessor steuert den Betrag der Leistung durch Abtasten der an das Handstück angelegten Frequenz, des Stroms und der Spannung, da sich diese Parameter mit der Last an der Klinge ändern.
Die Leistungs-Last-Kurve eines Generators in einem typischen chirurgischen Ultraschallsystem, wie dem, das im Patent von Thomas beschrieben ist, umfaßt zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt hat eine positive Steigung mit zunehmender Leistung, wenn die Last zunimmt, was eine konstante Stromzufuhr anzeigt. Der zweite Abschnitt hat eine negative Steigung mit abnehmender Leistung, wenn die Last zunimmt, was eine konstante oder gesättigte Ausgangsspannung anzeigt. Der regulierte Strom für den ersten Abschnitt ist durch die Konstruktion der elektronischen Komponenten festgelegt und die Spannung des zweiten Abschnitts ist durch die maximale Ausgangsspannung der Konstruktion begrenzt. Diese Anordnung ist unflexibel, da die Leistungs-Last-Eigenschaften des Ausgangs eines derartigen Systems nicht für verschiedene Typen von Wandlern von Handstücken und Ultraschallklingen optimiert werden können. Die Leistung herkömmlicher analoger Ultraschalleistungssysteme für chirurgische Instrumente wird durch die Abweichungen der Komponenten und ihre Unterschiede bei der Generatorelektronik aufgrund von Änderungen der Betriebstemperatur beeinflußt. Insbesondere können Temperaturänderungen starke Schwankungen bei den Schlüsselparametern des Systems, wie beispielsweise dem Frequenzverriegelungsbereich, dem Pegel des Antriebssignals und anderen Leistungsmeßgrößen des Systems verursachen.
Um ein chirurgisches Ultraschallsystem in effizienter Weise zu betreiben, wird bei der Inbetriebnahme die Frequenz des zum Wandler des Handstücks zugeführten Signals in einem Bereich variiert, um die Resonanzfrequenz festzustellen. Sobald sie ermittelt ist, rastet der Generator Phasen-geregelt auf die Resonanzfrequenz ein, überwacht weiterhin den Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung des Wandlers und hält den Wandler durch Ansteuern desselben mit der Resonanzfrequenz im Schwingungszustand. Eine Hauptfunktion derartiger Systeme besteht darin, den Wandler über Last- und Temperaturänderungen, die die Resonanzfrequenz ändern, im Resonanzschwingungszustand zu halten. Jedoch weisen diese herkömmlichen Ultraschallantriebssysteme eine geringe bis gar keine Flexibilität in Bezug auf eine adaptive Frequenzsteuerung auf. Eine derartige Flexibilität ist der Schlüssel dafür, daß ein System unerwünschte Resonanzen unterscheiden kann. Insbesondere können diese Systeme nach Resonanzen nur in einer Richtung suchen, d.h. mit zunehmender oder abnehmender Frequenz, und wobei ihr Suchmuster festgelegt ist. Das System kann nicht (i) über andere Reso nanzmoden springen oder heuristische Entscheidungen fällen, wie beispielsweise welche Resonanz übersprungen werden soll, oder auf welche eingerastet werden soll und (ii) eine Leistungszufuhr nur dann sicherstellen, wenn eine entsprechende Phasenverriegelung erzielt wurde.
Die Ultraschallgeneratorsysteme des Stands der Technik weisen auch hinsichtlich der Amplitudensteuerung eine geringe Flexibilität auf, die dem System die Verwendung adaptiver Steuerungsalgorithmen und einer Entscheidungsfindung ermöglichen würde. Beispielsweise sind diese festgelegten Systeme nicht in der Lage, heuristische Entscheidungen hinsichtlich des Ausgangssteuerungssignals, z.B. bezüglich des Stroms oder der Spannung, basierend auf der Last an der Klinge und/oder des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung zu treffen. Auch die Fähigkeit des Systems, optimale Ansteuerungssignalpegel für den Wandler für eine beständige wirksame Leistung einzustellen, mit der die Nutzungslebensdauer des Wandlers erhöht würde und sichere Betriebsbedingungen für die Klinge sichergestellt werden können, wird dadurch begrenzt. Des weiteren ist aufgrund des Mangels der Steuerung der Amplitude und Frequenz, im allgemeinen die Möglichkeit mit dem System diagnostische Tests des Wandler-/Klingensystems durchzuführen und eine Fehlersuche zu unterstützen, reduziert.
Bei der Verwendung von chirurgischen Ultraschallgeneratoren ist ein Zugang zur Temperatur des Wandlers von besonderer Bedeutung. Die Temperatur des Wandlers kann dazu verwendet werden, die Gesamtleistung des chirurgischen Ultraschallsystems zu optimieren, sowie die Gesamtsicherheit des Systems während des Gebrauchs zu verbessern, um zu bestimmen, ob es sicher ist, das Handstück zu verwenden oder zu ergreifen. Beispielsweise kann während der Verwendung des chirurgischen Ultraschallsystems, wie beispielsweise bei der Durchführung einer Operation, die Impedanz des Wandlers anwachsen, so daß die elektrischen Verluste im Wandler ansteigen, was zu sehr hohen Temperaturen des Handstücks führen kann. Es ist daher von Vorteil, die Temperatur des Wandlers zu kennen, um unerwünschte Effekte zu verhindern, wie beispielsweise die Verletzung einer Bedienperson in Folge eines Ergreifens eines heißen Handstücks, oder um Schaden am Patienten in Folge des Freiliegens von unverhüllten Oberflächen des Handstücks zu verhindern.
Das Messen der Temperatur des Wandlers ist relativ einfach. Herkömmlicher Weise werden Thermoelemente, Thermistoren und andere klassische Temperatursensoren verwendet, um die Temperatur des Wandlers für Steuerungszwecke und aus Sicherheitsgründen zu messen. Je doch erhöht sich durch diese Verfahren der Preis des Handstücks und führt zu einer Hinzufügung von Drähten und Anschlüssen, die die Zuverlässigkeit des chirurgischen Ultraschallsystems potentiell reduzieren können. Ein anderer Weg, um die Temperatur des Wandlers zu bestimmen, besteht darin, die Shunt-Kapazität des Wandlers (C₀) zu messen und sie zur Berechnung der Temperatur des Wandlers zu verwenden.
Ein Wandler mit oder ohne Klinge besitzt immer nicht resonante Frequenzen, bei welchen C₀ des Wandlers gemessen werden kann. Jedoch ändern sich die speziellen nicht resonanten Frequenzen abhängig davon, welche Klinge daran befestigt ist, und in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Wandlers. Mit einer bekannten nicht resonanten Frequenz kann die Messung von C₀ relativ einfach und schnell durchgeführt werden. Falls jedoch die Resonanzfrequenzen der Klinge zuerst identifiziert werden müssen und dann C₀ bei nicht resonanten Frequenzen gemessen werden soll, ist ein beträchtlicher Aufwand an Zeit und Einsatz erforderlich. In einem derartigen Fall gestaltet sich die Bestimmung von C₀ schwierig, da sich die Frequenz, bei der C₀ gemessen wird, vorzugsweise bei einer nicht resonanten Frequenz befindet. Typischerweise kommen die speziellen nicht resonanten Frequenzen, die zur Messung von C₀ verwendet werden, fast immer bei einer bestimmten Klinge vor. Falls jedoch die Konstruktion der Klinge verändert wird, kann die Erfassung dieser speziellen nicht resonanten Frequenzen nicht gewährleistet werden. Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Gewährleistung einer Isolation von C₀ gegenüber Resonanzen oder Frequenzen in der Nähe von Resonanzen, um die Temperatur des Wandlers/der Klinge zu bestimmen.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein Verfahren zur Berechnung der Kapazität eines Wandlers (C₀), ohne die exakte Resonanzfrequenz einer Wandler/Klingenkombination zu kennen. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur des Wandlers ohne Verwendung eines Temperatursensors oder dergleichen. Das Verfahren der Erfindung wird durch Durchlaufen eines breiten Frequenzbereichs erreicht, der resonante und nicht resonante Frequenzen enthält, wobei C₀ gemessen werden kann. Ein vordefinierter Frequenzbereich wird unabhängig von der Resonanzfrequenz einer speziellen Wandler-/Klingenkombination eingestellt. C₀ des Wandlers/der Klinge wird bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen im vorbestimmten Frequenzbereich gemessen, um sicherzustellen, daß ungültige Messungen von C₀ außer Acht gelassen werden, und die Temperatur des Wandlers wird, basierend auf gültigen Messungen von C₀, berechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anpassungsfähig, da C₀ unabhängig von eventuell auftretenden Schwankungen der Resonanzfrequenzen der Klinge identifiziert werden kann. Auf diese Weise gewährleistet das Verfahren eine größere Freiheit bei der Konstruktion für zukünftige Wandler- und Klingengestaltungen, da der Ort einer "ruhigen" nicht resonanten Zone in einem bestimmten Frequenzbereich nicht erforderlich ist. Durch Anwenden einer ausgewählten Mittelung von C₀ und von Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen können mit der vorliegenden Erfindung Messungen von C₀ erzielt werden, die genauer als mit einer einzelnen Messung von C₀ erhaltene Messungen sind. Darüber hinaus wird durch außer Acht lassen von Messungen von C₀, die durch Resonanzen bei bestimmten Frequenzen gestört erscheinen, und indem eine Konzentration lediglich auf bestimmte potentiell gültige Werte von C₀ erfolgt, eine schnelle Berechnung und genaue Identifizierung der Shunt-Kapazität erreicht. Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung des Handstücks die gemessene Kapazität bei einer nicht resonanten Frequenz (d.h. C₀ bei einer Frequenz, bei der es sich nicht um eine Resonanz handelt) in einem permanenten Speicher gespeichert, der sich im Handstück befindet (d.h. in einem IC-Speicher im Stecker, Kabel oder Körper des Handstücks).
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird am Handstück eine Messung zur Bestimmung seiner Impedanz Z_HP vorgenommen. Ein Vergleich zur Bestimmung, ob die Phase des Handstücks sich innerhalb zulässiger Grenzen befindet, wird durchgeführt. Falls sich der Absolutwert der Phase des Handstücks unter einem vorbestimmten Wert befindet, wird der Pegel der Antriebsfrequenz um einen festen Betrag erhöht. Falls andererseits der Absolutwert der Phase des Handstücks über dem vorbestimmten Wert liegt, wird Z_HP des Handstücks mehrmals gemessen.
Ein mittlerer Wert von C₀ wird für jeden Pegel der Antriebsfrequenz des Generators für jede nicht resonante Frequenz berechnet. Die Antriebsfrequenz wird erhöht und es wird eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Antriebsfrequenz über einer maximalen Frequenz liegt, oder ob die Gesamtzahl der Messungen von Z_HP über einer vorbestimmten Anzahl liegt. Falls eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird der Mittelwert der bei jeder Antriebsfrequenz gemessenen Werte von C₀ berechnet. Falls andererseits die Antriebsfrequenz unter der maximalen Frequenz liegt oder die Gesamtzahl der Messungen von Z_HP niedriger ist als die vorbestimmte Zahl, werden zusätzliche Werte von C₀ bestimmt. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die maximale Frequenz 44,5 kHz.
Um zu bestimmen, ob sich die Temperatur des Transducers innerhalb zulässiger Grenzen befindet, wird eine Berechnung durchgeführt, um einen rechnerischen Wert für C₀ zu bestimmen. Der rechnerische Wert wird mit einem Wert von C₀ verglichen, der im permanenten Speicher bei der Herstellung des Handstücks gespeichert wurde. Falls der rechnerische Wert für C₀ größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert über dem Wert von C₀, der im permanenten Speicher gespeichert ist, ist die Temperatur des Wandlers zu hoch und es wird eine Warnung für den Nutzer ausgegeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistung am Handstück so lange verringert, bis die Shunt-Kapazität unter den vorbestimmten Schwellwert fällt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Messungen am Handstück in festen Frequenzintervallen vorgenommen, um dessen Impedanz Z_HP in jedem Frequenzintervall zu bestimmen. Unter Verwendung der während der Impedanzmessung erhaltenen Datenpunkte wird dann ein Kurvenfit ausgeführt, um eine Kurvenfitgleichung zu erhalten.
Diese Gleichung wird für eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter Frequenzwerte gelöst, um eine Gruppe unterschiedlicher Impedanzwerte zu erhalten. Die Shunt-Kapazität wird für jeden der unterschiedlichen Impedanzwerte berechnet. Der maximale berechnete Kapazitätswert und der minimale berechnete Shunt-Kapazitätswert werden weggelassen. Dann wird ein Mittelwert der verbleibenden Werte berechnet, um dadurch die hohen und niedrigen Werte zu "Glätten" und um einen endgültigen Shunt-Kapazitätswert zu erhalten.
Falls die Shunt-Kapazität basierend auf dem Verhältnis C₀/Temp größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, ist die Temperatur des Wandlers zu hoch und ein Warnsignal wird für den Nutzer produziert. Alternativ wird die zum Handstück zugeführte Leistung so lange reduziert, bis die Shunt-Kapazität unter den vorbestimmten Schwellwert fällt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der vorbestimmte Schwellwert ein fester Wert über der Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge bei Raumtemperatur und der feste Wert ist 462 pF.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Grad der Änderung der gemessenen Shunt-Kapazität (C₀) des Wandlers gemessen und mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Falls der Grad der Änderung größer ist als der vorbestimmte Schwellwert, befindet sich der Wandler/die Klinge an der Schwelle zu einer Überhitzung, oder wird sich in kurzer Zeit dort befinden. C₀ des Wandlers wird gemessen, wenn ein Chirurg das Handstück unter Verwendung des Fußschalters des Ultraschallgenerators oder des Schalters am Handstück zum ersten Mal betätigt. Eine zweite Messung wird ausgeführt, wenn der Chirurg einen der Schalter losläßt. Die Differenz zwischen den beiden Messungen wird berechnet und durch eine Zeitdifferenz geteilt, um einen Wert zu erhalten, der den Grad der Änderung der Kapazität wiedergibt. Hier handelt es sich bei der Zeitdifferenz um die Zeit zwischen den Zeitpunkten, zu welchen der Chirurg den Fußschalter betätigt und freigibt. Falls der Wert des Grades der Änderung der Shunt-Kapazität einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, der im Speicher gespeichert ist, wird ein Warnsignal für den Chirurgen erzeugt, bevor die Temperatur des Wandlers zu hoch wird und eine Verletzungsgefahr für den Chirurgen oder Patienten darstellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur des Wandlers ohne die Verwendung von Temperatursensoren bestimmt. Dies wird durch Verwenden eines permanenten Speichers erreicht, der sich im Handstück befindet, um die Gesamtleistungsfähigkeit und Sicherheit des Systems zu verbessern. Die gemessene Kapazität bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz (d.h. die Shunt-Kapazität (C₀) bei einer Frequenz, die nicht die Resonanzfrequenz ist) wird im permanenten Speicher gespeichert. Eine lineare Regressionsanalyse der Werte der Kapazität des Wandlers in Abhängigkeit von einer Änderung mit der Temperatur und der Verwendung des Handstücks wird ebenfalls im permanenten Speicher im Generator gespeichert.
Vor und/oder während der Aktivierung des Handstücks "liest" der Generator die Raumtemperaturkapazitätsdaten aus dem Handstück aus. Die tatsächliche Kapazität des Handstücks wird dann erfindungsgemäß gemessen und die tatsächliche Temperatur des Wandlers wird unter Verwendung einer Polynomkurve berechnet, die im permanenten Speicher des Generators gespeichert ist. Die Temperaturdaten werden dann zur Bestimmung verwendet, ob eine Aktivierung des Handstücks sicher ist und zur Bestimmung der zu erwartenden Parameterniveaus während der diagnostischen Messungen. Auf diese Weise wird ein Mittel zur indirekten Messung der Temperatur des Wandlers erhalten. Zusätzlich wird die Notwendigkeit von Temperatursensoren, Drähten und Anschlüssen zur Durchführung von Temperaturmessungen beseitigt.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine größere Gestaltungsfreiheit für die Konstruktion zukünftiger Wandler und Klingen erreicht, da ein Ort für eine "ruhige" nicht resonante Zone in einem bestimmten Frequenzbereich nicht erforderlich ist. Durch Beseitigen der Notwendigkeit Resonanzfrequenzen messen zu müssen, kann durch die Erfindung die Geschwindigkeit zur Bestimmung von C₀ deutlich gesteigert und erhöht werden. Durch Verwenden einer selektiven Mittelung von C₀ und Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen können mit der vorliegenden Erfindung genauere Messungen von C₀ erhalten werden als mit einer einzigen Messung von C₀. Durch das Aussortieren von Messungen von C₀, die durch Resonanzen bei bestimmten Frequenzen gestört erscheinen und durch eine Konzentration auf potentiell eindeutige gültige Werte von C₀ wird eine schnelle Berechnung und eine genaue Identifizierung der Shunt-Kapazität erreicht. Darüber hinaus wird der "Abtastprozeß" dadurch verbessert, daß Resonanzen und/oder Resonanzzonen, die sich neben den Frequenzen befinden, bei welchen Messungen von C₀ ausgeführt werden, vermieden werden. Zusätzlich liefert das Verfahren eine indirekte Messung der Temperatur des Wandlers und die Notwendigkeit von Temperatursensoren, Drähten und Anschlüssen, um Temperaturmessungen durchzuführen, wird beseitigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die im Folgenden mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angegeben ist, in welchen:
1 eine Darstellung einer Konsole für ein chirurgisches Ultraschallschneide- und Hämostasesystems sowie eines Handstücks und eines Fußschalters ist, in dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert ist;
2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch das Ultraschallskalpellhandstück des Systems von 1 ist;
3(a) und 3(b) Blockdiagramme sind, die einen Ultraschallgenerator zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen;
4 eine schematische Darstellung einer Wandleransteuerungselektronik eines Netztransformators aus 3(b) ist;
5 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
6 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
7 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
8(a) und 8(b) Ablaufdiagramme zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind; und
9 eine Graphik ist, in der die Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur für ein mit einer Testspitze versehenes Handstück ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Darstellung eines Systems zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit Hilfe einer ersten Gruppe von Drähten in einem Kabel 26 wird elektrische Leistung, d.h. Ansteuerungsstrom von einer Konsole 10 zu einem Handstück 30 zugeführt, in dem einer chirurgischen Vorrichtung, wie beispielsweise einer scharfen Skalpellklinge 32 eine longitudinale Ultraschallbewegung verliehen wird. Die Klinge kann gleichzeitig zum Schneiden und Kauterisieren von Gewebe verwendet werden. Die Versorgung des Handstücks 30 mit einem Ultraschallstrom kann der Steuerung durch einen Schalter 34 unterliegen, der sich am Handstück befindet, das mit dem Generator in der Konsole 10 über Drähte im Kabel 26 verbunden ist. Der Generator kann auch mit einem Fußschalter 40 gesteuert werden, der mit der Konsole 10 mit einem weiteren Kabel 50 verbunden ist. Bei einem Gebrauch kann somit ein Chirurg ein elektrisches Ultraschallsignal an das Handstück anlegen, wodurch die Klinge zu longitudinalen Schwingungen mit einer Ultraschallfrequenz angeregt wird, indem er den Schalter 34 am Handstück mit seinem Finger oder den Fußschalter 40 mit seinem Fuß betätigt.
Die Generatorkonsole 10 umfaßt eine Flüssigkristallbildanzeigevorrichtung 12, die zur Darstellung des zum Schneiden gewählten Leistungspegels auf verschiedene Weise, wie beispielsweise als Prozentsatz der maximalen Schneideleistung oder als numerische Leistungspegel, die der Schneideleistung zugeordnet sind, verwendet werden kann. Die Flüssigkristallbildanzeigevorrichtung 12 kann auch als Anzeige anderer Parameter des Systems verwendet werden. Der Leistungsschalter 11 wird zum Einschalten der Einheit verwendet. Während des Aufwärmens derselben leuchtet das "standby"-Licht 13. Sobald sie betriebsbereit ist, leuchtet die "ready"-Anzeige 14 und das Standby-Licht erlischt. Falls die Einheit mit der maximalen Leistung versorgt wird, leuchtet die MAX-Anzeige. Falls ein niedrigerer Pegel gewählt wird, leuchtet die MIN-Anzeige. Der Leistungspegel wird mit dem Knopf 16 eingestellt, wenn MIN aktiv ist.
Falls ein diagnostischer Test ausgeführt werden soll, wird dieser mit dem "Test"-Knopf 19 begonnen. Aus Sicherheitsgründen muß der Knopf 19 in Kombination mit dem Schalter 34 des Handstücks oder dem Fußschalter 40 gedrückt werden, um sicherzustellen, daß ein Test nicht begonnen wird, solange sich die Klinge in Kontakt mit dem Chirurgen oder anderem Personal befindet. Auch muß der "hand activation"-Knopf 18 auf der Fronttafel unter Verwendung des Knopfes 18 ausgewählt oder eingeschaltet werden, falls der Handschalter 34 anstelle des Fußschalters 40 in Betrieb genommen werden soll.
Wenn das Ultraschallhandstück durch Betätigen eines der Schalter 34 oder 40 mit Leistung versorgt wird, wird das chirurgische Skalpell oder die Klinge zu longitudinalen Schwingungen mit ungefähr 55,5 kHz durch die Anordnung angeregt und der Betrag der longitudinalen Bewegung variiert proportional zum Betrag der zugeführten Antriebsleistung (Strom), die einstellbar vom Benutzer ausgewählt wird. Wenn eine relativ hohe Schneideleistung zugeführt wird, bewegt sich die Klinge konstruktionsgemäß in einem Bereich von ungefähr 40 bis 100 Mikrometer longitudinal mit der Ultraschallvibrationsgeschwindigkeit. Eine derartige Ultraschallvibration der Klinge erzeugt beim Kontakt der Klinge mit Gewebe Wärme, d.h. die Beschleunigung der Klinge durch das Gewebe wandelt die mechanische Energie zur Bewegung der Klinge in thermische Energie in einem sehr schmalen und lokalisierten Bereich um. Diese lokalisierte Wärme erzeugt eine schmale Koagulationszone, die eine Blutung bei kleinen Gefäßen wie beispielsweise solchen mit einem Durchmesser von einem Millimeter reduziert oder beseitigt. Die Schneideeffizienz sowie das Ausmaß der Hämostase variiert mit dem Pegel der zugeführten Antriebsleistung, der Schneidegeschwindigkeit des Chirurgen, der Art des Gewebetyps und der Vaskularität des Gewebes.
Wie in weiteren Einzelheiten in 2 dargestellt ist, beherbergt das Ultraschallhandstück 30 einen piezoelektrischen Wandler 36 zum Umwandeln elektrischer Energie in mechanische Energie, woraus eine longitudinale Vibrationsbewegung der Enden des Wandlers resultiert. Der Wandler 36 hat die Form eines Stapels keramischer piezoelektrischer Elemente mit einem Bewegungsnullpunkt, der sich an einem bestimmten Punkt längs des Stapels befindet. Der Wandlerstapel ist zwischen zwei Zylindern 31 und 33 angeordnet. Zusätzlich ist ein Zylinder 35 am Zylinder 33 befestigt, der am Gehäuse an einem anderen Bewegungsnullpunkt 37 montiert ist. Ein Horn 38 ist an einer Seite ebenfalls am Nullpunkt und auf der anderen Seite an einem Koppler 39 befestigt. Die Klinge 32 ist am Koppler 39 befestigt. Im Ergebnis vibriert die Klinge 32 in der longitudinalen Richtung mit dem Wandler 36 bei einer Ultraschallfrequenz. Die Enden des Wandlers erreichen an einem Abschnitt des Stapels, der einen bewegungslosen Knoten darstellt, die maximale Bewegung, wenn der Wandler mit maximalem Strom bei seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird. Jedoch variiert der die maximale Bewegung liefernde Strom bei jedem Handstück und ist ein Wert, der im permanenten Speicher im Handstück gespeichert ist, so daß er vom System verwendet werden kann.
Die Teile des Handstücks sind so gestaltet, daß die Kombination derselben mit der selben Resonanzfrequenz oszilliert. Insbesondere sind die Elemente so abgestimmt, daß die resultierende Länge jedes derartigen Elements eine halbe Wellenlänge umfaßt. Die longitudinale Vor- und Zurückbewegung wird dadurch verstärkt, daß der Durchmesser des akustischen Montagehorns 38 mit zunehmender Nähe zur Klinge 32 abnimmt. Somit sind das Horn 38 sowie die Klinge/der Koppler so gestaltet und dimensioniert, daß die Bewegung der Klinge verstärkt wird und eine harmonische Resonanzschwingung mit dem übrigen akustischen System erfolgt, wodurch die maximale Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Endes des akustischen Montagehorns 38 in der Nähe der Klinge 32 erzeugt wird. Eine Bewegung am Wandlerstapel wird durch das Horn 38 in eine Bewegung von ungefähr 20 bis 25 Mikrometer verstärkt. Eine Bewegung am Koppler 39 wird durch die Klinge 32 in eine Klingenbewegung von ungefähr 40 bis 100 Mikrometer verstärkt.
Das System, mit dem die elektrischen Ultraschallsignale zur Ansteuerung des Wandlers im Handstück erzeugt werden, ist in 3(a) und 3(b) dargestellt. Dieses Antriebssystem ist fle xibel und es kann ein Ansteuerungssignal bei einer gewünschten Frequenz- und Leistungspegeleinstellung erzeugt werden. Ein DSP 60 oder Mikroprozessor im System wird zur Überwachung der geeigneten Leistungsparameter und der Vibrationsfrequenz sowie dazu verwendet, daß der geeignete Leistungspegel entweder im minimalen oder maximalen Betriebsmodus zugeführt wird. Der DSP 60 oder Mikroprozessor speichert auch Computerprogramme, die dazu verwendet werden, diagnostische Tests von Komponenten des Systems, wie beispielsweise des Wandlers/der Klinge durchzuführen.
Es kann beispielsweise unter der Steuerung eines im DSP oder Mikroprozessors 60 gespeicherten Programms, wie beispielsweise eines Phasenkorrekturalgorithmus die Frequenz während der Inbetriebnahme auf einen bestimmten Wert, wie beispielsweise 50 kHz eingestellt werden. Es kann dann erreicht werden, daß sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach oben verschiebt, bis eine Änderung der Impedanz detektiert wird, die eine Annäherung an eine Resonanz kennzeichnet. Dann kann die Durchlaufgeschwindigkeit reduziert werden, so daß das System die Resonanzfrequenz z.B. bei 55 kHz nicht überschreitet: Die Durchlaufgeschwindigkeit kann dadurch erzielt werden, daß die Frequenz in Inkrementen von z.B. 50 Schwingungen geändert wird. Falls eine niedrigere Geschwindigkeit gewünscht wird, kann das Inkrement durch das Programm z.B. auf 25 Schwingungen verringert werden, wobei beide Werte adaptiv auf der gemessenen Größe der Impedanz und der Phase des Wandlers basieren können. Selbstverständlich kann eine höhere Geschwindigkeit durch Vergrößern der Größe des Inkrements erreicht werden. Des weiteren kann die Durchlaufgeschwindigkeit durch Ändern der Geschwindigkeit, mit der das Frequenzinkrement aktualisiert wird, geändert werden.
Falls bekannt ist, daß bei z.B. einer Frequenz von 51 kHz eine unerwünschte Resonanzmode existiert, kann durch das Programm veranlaßt werden, daß der Frequenzbereich von oben nach unten, z.B. von 60 kHz, durchlaufen wird, um die Resonanz zu finden. Auch kann das System den Frequenzbereich von 50 kHz von unten nach oben durchlaufen und über den Wert bei 51 kHz springen, bei dem sich die unerwünschte Resonanz befindet. In jedem Fall weist das System einen hohen Grad an Flexibilität auf.
Während des Betriebs stellt der Nutzer einen bestimmen Leistungspegel ein, der im chirurgischen Instrument verwendet werden soll. Dies wird mit Hilfe des Leistungspegelwahlschalters 16 auf der Frontplatte der Konsole ausgeführt. Der Schalter erzeugt Signale 150, die zum DSP 60 zugeführt werden. Der DSP 60 zeigt dann den ausgewählten Leistungspegel an, indem über die Leitung 152 (3(b)) ein Signal zur Frontplattenanzeige der Konsole gesandt wird. Ferner erzeugt der DSP bzw. der Mikroprozessor 60 ein digitales Strompegelsignal 148, das mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) 130 in ein analoges Signal umgewandelt wird. Ein Signal, das den mittleren Ausgangsstrom von der Schaltung 120 wiedergibt, wird an den negativen Eingang des Knotens 132 angelegt. Das Ausgangssignal vom Knoten 132 ist ein Stromfehlersignal oder Amplitudensteuerungssignal, das an die Schaltung 128 zur direkten digitalen Synthese (DDS) angelegt wird, um die Amplitude seines Ausgangssignals im Gegensatz zur Frequenz seines Ausgangssignals einzustellen, die durch das Signal auf der Leitung 146 vom DSP bzw. Mikroprozessor 60 gesteuert wird. Aufgrund der Gestaltung des Strompegelsignals 148, DAC 130, Summenknotens 130 und des durch die mittlere Ausgangsspannung 122 gelieferten Signals kann der DSP oder Mikroprozessor 60 den Ausgangsstrom so einstellen, daß damit eine gewünschte Leistungs-Last-Kurve erzeugt werden kann, wenn kein Konstantstrommodus vorliegt.
Um die chirurgische Klinge tatsächlich zu Schwingungen anzuregen, aktiviert der Benutzer den Fußschalter 40 oder den Schalter 34 des Handstücks. Durch diese Aktivierung wird ein Signal auf die Leitung 154 in 3(a) gegeben. Dieses Signal hat die Wirkung, daß Leistung vom Gegentaktverstärker 78 zum Wandler 36 zugeführt wird. Wenn der DSP oder Mikroprozessor 60 auf die Resonanzfrequenz des Handstückwandlers eingerastet ist und Leistung erfolgreich an den Wandler des Handstücks angelegt ist, wird ein Audiosteuerungssignal auf die Leitung 56 gegeben. Dadurch wird im System ein Ton einer Audioanzeige erzeugt, der dem Nutzer mitteilt, daß Leistung zum Handstück zugeführt wird und daß das Skalpell aktiv ist und sich im Betrieb befindet.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsschaltung des Wandlers eines Netztransformators von 3(b). Der Wandler ist durch eine äquivalente elektrische Schaltung dargestellt, wobei die Komponenten C₀, L_S, C_S und R_S eine äquivalente Schaltung T_equiv eines Wandlers bilden, wobei C₀ eine Shunt-Kapazität ist und die elektrische Kapazität der piezoelektrischen Elemente des piezoelektrischen Wandlers 36, der in 2 gezeigt ist, darstellt.
L_S, C_S und R_S sind das elektrische Äquivalent des mechanischen Gesamtsystems und stellen zusammen den mechanischen Teil dar. L_S ist die effektive Masse des Systems, C_S ist die ef fektive Nachgiebigkeit und R_S stellt mit der Reibung, dem internen Materialverlust und/oder der an das Gewebe abgegebenen Leistung in Zusammenhang stehende mechanische Verluste dar.
Die Induktivität Lt ist an die Shunt-Kapazität C₀ bei der Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems, wie beispielsweise bei ungefähr 55,5 kHz angepaßt. Somit heben sich L_t und C₀ bei der Resonanzfrequenz elektrisch auf. Im Ergebnis fließt der gesamte Ansteuerungsstrom durch den mechanischen Teil. Dies hilft dabei, sicherzustellen, daß die Ultraschallauslenkung des Wandlers primär proportional zum Antriebsstrom ist.
Die zwei Widerstände R_p/2 summieren sich in Reihe zu einem Widerstand von R_p. Dieser Widerstand trägt zur Einrichtung einer oberen Grenze der Gesamtimpedanz der Ausgangsschaltung bei und legt auch eine obere Grenze für die Ansteuerungsspannung fest. Bei bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei R_p um einen relativ großen Widerstand. Bei der Resonanz ergibt sich aus der parallelen Kombination von R_p und R_S effektiv R_S, da R_S selbst bei der Koagulation und dem Schneiden von Gewebe viel kleiner ist als R_p.
Durch die Reihenkombination der Kapazitäten C_v1 und C_v2 wird ein Spannungsteiler gebildet. Zusammen wird durch diese Kapazitäten die Hochspannung, mit der typischerweise der Wandler angesteuert wird, auf einen Pegel reduziert, der sich für eine Signalverarbeitung durch integrierte Schaltungen (nicht gezeigt) eignet. Mit einem Transformator V_t wird die reduzierte Spannung mit der Rückkopplungsschaltung gekoppelt (Spannungsabtastung 92 von 3(b)) und für eine Isolation zwischen der Ansteuerungsschaltung und der restlichen Schaltung des Generators gesorgt.
Über die Reihenkombination der Widerstände R₃ und R₄ tritt ein kleiner Spannungsabfall auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Reihenkombination um einen relativ niedrigen Widerstand in der Größenordnung von einigen Ohm. Der Spannungsabfall über R₃ und R₄ ist proportional zum Ansteuerungsstrom. Diese Spannung wird zur Rückkopplungsschaltung (Spannungsabtastung 88 in 3(b)) über einen Transformator I_T zugeführt, mit dem die Ansteuerungsschaltung ebenfalls vom Rest der Schaltung des Generator isoliert wird. Dieses Signal stellt den Strom des im Generator implementierten Steuerungsalgorithmus dar.
R₁ und R₂ werden dazu verwendet, für die Steuerungsschaltung einen minimalen Impedanzpegel zur Verwendung im Steuerungsalgorithmus festzulegen. Der Widerstand ist zwischen den zwei Ausgangsarmen V_out1, V_out2 des Netztransformators aufgeteilt, um eine Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung und von Leckströmen zu unterstützen.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Unter der Steuerung des im in 3(a) und 3(b) gezeigten DSP oder Mikroprozessor 60 gespeicherten Programms wird das erfindungsgemäße Verfahren durch Anlegen eines Ultraschallsignals an den Wandler 36 implementiert, um den Wandler/die Klinge über einen vorbestimmten Frequenzbereich anzusteuern, wie beispielsweise zwischen 34 kHz bis 36 kHz, wie im Schritt 500 veranschaulicht ist. Der vordefinierte Frequenzbereich ist so eingestellt, daß er Frequenzen außerhalb der Resonanz umfaßt, bei welchen C₀ gemessen werden kann und ist unabhängig von einer bestimmten Wandler/Klingen-Kombination eingestellt. Die Bestimmung der Resonanzfrequenz wird nicht während des ersten Anlaufs zur Messung von C₀, ausgeführt. Statt dessen wird C₀ bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen (vorzugsweise zumindest fünf Frequenzen) innerhalb des und verteilt über den vordefinierten Frequenzbereich gemessen, wie im Schritt 510 angegeben ist.
Als nächstes werden die gemessenen Werte von C₀ verglichen, wie im Schritt 520 angegeben ist. Im Schritt 530 wird bestimmt, ob einige der gemessenen Werte von C₀ voneinander um mehr als 10% abweichen. Werte von C₀, die von einer Mehrheit der gemessenen Werte von C₀ beträchtlich abweichen, werden als ungültig betrachtet und fallengelassen und die Werte von C₀, die diesen Test erfüllen, werden als gültig betrachtet, wie im Schritt 532 angegeben ist. Dieses "Filtern" trägt dazu bei, ungültige Werte von C₀ auszusondern, wie beispielsweise Werte von C₀, die durch eine Resonanz oder in der Nähe einer Resonanz nachteilig beeinflußt wurden.
Als nächstes wird bestimmt, ob eine ausreichende Zahl gültiger Werte von C₀ übrigbleibt, um die statistische Gültigkeit sicherzustellen, wie im Schritt 534 angegeben ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Anzahl verbleibender Werte zumindest 3. Falls die Zahl der verbleibenden gültigen Werte von C₀ nicht ausreichend ist, erfolgt ein Rücksprung zum Schritt 510. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schleife fortgesetzt und werden zusätzliche Werte von C₀ gemessen, bis eine ausreichende Zahl verbleibender Werte von C₀ gemessen ist, um eine statistische Gültigkeit sicherzustellen. Sobald eine statistisch gültige Gruppe von Werten von C₀ erhalten wurde, werden die gültigen Werte von C₀ gemittelt, um einen abgeleiteten Wert von C₀ für den Wandler zu erhalten, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob die momentane Temperatur des Wandlers zu hoch ist, wie im Schritt 540 angegeben ist.
Um zu bestimmten, ob die Temperatur des Wandlers sich innerhalb zulässiger Grenzen befindet, wird eine Rechnung gemäß der folgenden Gleichung ausgeführt: ΔC0 = CS – C0, Gl. 1,wobei C₀ die Kapazität bei Raumtemperatur bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz ist, die im permanenten Speicher gespeichert ist, der sich im Handstück befindet.
Falls ΔC₀ basierend auf der in 8 gezeigten C₀/Temp-Beziehung größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, ist die Temperatur des Wandlers zu hoch und es wird ein Warnsignal für den Nutzer ausgegeben. Alternativ wird die zum Handstück zugeführte Leistung so lange reduziert, bis die Shunt-Kapazität unter den vorbestimmten Schwellwert fällt. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem vorbestimmten Schwellwert um einen festen Wert über der Kapazität des Handstücks/der Klinge bei Raumtemperatur, wobei der feste Wert 462 pF ist.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Bei der Herstellung des Handstücks wird die gemessene Kapazität bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz bei Raumtemperatur (d.h. C₀ bei einer Frequenz, die nicht die Resonanzfrequenz ist) im permanenten Speicher, der sich im Handstück befindet, gespeichert (d.h. in einem IC-Speicher im Anschluß, Kabel oder Körper des Handstücks). Unter der Steuerung des im in 3(a) und 3(b) gezeigten DSP oder Mikroprozessor 60 gespeicherten Programms wird das Verfahren durch Anlegen eines Ultraschallsignals an den Wandler 36 implementiert, um den Wandler/die Klinge über einen vorbestimmten Frequenzbereich, wie beispielsweise von 34 kHz bis 44 kHz anzusteuern, wie im Schritt 600 angegeben ist.
An Handstück wird eine Messung vorgenommen, um seine Impedanz Z_HP zu bestimmen, wie im Schritt 610 angegeben ist. Es wird ein Vergleich ausgeführt, um zu bestimmen, ob der Absolutwert der Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom des Ansteuerungs signals des Handstücks größer ist als 89,5°, wie im Schritt 620 angegeben ist. Falls der Absolutwert der Phasendifferenz des Ansteuerungssignals des Handstücks geringer ist als 89,5°, wird die Ansteuerungsfrequenz um 25 Hz inkrementiert, wie im Schritt 625 angegeben ist. Falls andererseits der Absolutwert der Phasendifferenz des Ansteuerungssignals des Handstücks geringer ist als 89,5°, wird Z_HP des Handstücks mehrmals gemessen, wie im Schritt 630 angegeben ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Impedanz 10 Mal gemessen.
Ein mittlerer Wert von C₀ wird bei der Ansteuerungsfrequenz gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
wobei f die Ansteuerungsfrequenz des Generators ist.
Die Ansteuerungsfrequenz wird um 25 Hz inkrementiert, wie im Schritt 650 angegeben ist. Es wird eine Prüfung zur Bestimmung durchgeführt, ob die Ansteuerungsfrequenz größer ist als 44,5 kHz, oder ob die Anzahl der Messungen von Z_HP größer ist als 100, wie im Schritt 660 angegeben ist. Falls das Ergebnis eines der Tests positiv ist, wird der Mittelwert der bei der jeweiligen Antriebsfrequenz gemessenen Werte von C₀ berechnet, wie im Schritt 670 angegeben ist. Falls die Antriebsfrequenz unter 44,5 kHz liegt und die Anzahl der Messungen von Z_HP niedriger ist als 100, folgt ein Rücksprung zum Schritt 610.
Zur Bestimmung, ob die Temperatur des Wandlers sich innerhalb zulässiger Grenzen befindet, wird eine Rechnung gemäß der folgenden Gleichung ausgeführt: ΔC0 = CS – C0 Gl. 3,wobei C_S die Kapazität bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz bei Raumtemperatur ist, die im permanenten Speicher gespeichert ist, der sich im Handstück befindet.
Falls ΔC₀, basierend auf dem Verhältnis von C₀/Temp, das in 8 gezeigt ist, größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, ist die Temperatur des Wandlers zu hoch und es wird ein Warnsignal für den Nutzer ausgegeben. Alternativ wird die zum Handstück zugeführte Leistung so lange reduziert, bis die Shunt-Kapazität unter den vorbestimmten Schwellwert fällt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der vorbestimmte Schwellwert ein festgelegter Betrag über der Kapazität des Handstücks/der Klinge bei Raumtemperatur, wobei der feste Betrag 462 pF ist.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Hier wird die gemessene Änderungsrate der Shunt-Kapazität (C₀) des Wandlers mit einem vorbestimmten Schwellwert über einem Wert der Änderungsrate von C₀ verglichen, der im permanenten Speicher gespeichert ist. Bei der Herstellung des Handstücks wird die bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz gemessene Kapazität bei Raumtemperatur in einem im Handstück angeordneten permanenten Speicher gespeichert. Unter der Steuerung des im in 3(a) und 3(b) gezeigten DSP oder Mikroprozessor 60 gespeicherten Programms wird das Verfahren durch Anlegen eines Ultraschallsignals an den Wandler 36 zur Ansteuerung des Wandlers/der Klinge über einen vorbestimmten Frequenzbereich, wie beispielsweise von 34 kHz bis 36 kHz, implementiert, wie im Schritt 700 angegeben ist.
Der Wert von C₀ des Transducers wird zum ersten Mal gemessen, wenn ein Chirurg das Handstück unter Verwendung des Fußschalters des Ultraschallgenerators oder des Schalters am Handstück aktiviert, wie im Schritt 710 angegeben ist. Eine zweite Messung wird beim Loslassen eines der Schalter durch den Chirurgen ausgeführt, wie im Schritt 720 angegeben ist. Man beachte, daß während der tatsächlichen Verwendung des chirurgischen Ultraschallsystems aufgrund der Zeit, die erforderlich ist, um eine jeweilige Kapazitätsmessung zu verarbeiten, keine Messungen durchgeführt werden.
Als nächstes wird die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Messung berechnet und durch die zeitliche Differenz zwischen den Zeitpunkten, zu welchen die erste und die zweite Messung erhalten wurden, geteilt, um einen Wert zu erhalten, der die Rate der Änderung der Kapazität wiedergibt, wie im Schritt 730 angezeigt ist.
Es wird überprüft, ob die Rate der Änderung des Wertes der Shunt-Kapazität den vorbestimmten Schwellwert über der Rate der Änderung des Wertes von C₀, der im permanenten Speicher gespeichert ist, übersteigt, wie im Schritt 740 angegeben ist. Falls die Rate der Änderung des Wertes der Shunt-Kapazität den vorbestimmten Schwellwert übersteigt, wird dem Chirurgen ein Warnsignal angezeigt, bevor die Temperatur des Wandlers zu groß wird und eine Verletzungsgefahr für den Chirurgen oder einen Patienten bestehen könnte, wie im Schritt 745 angegeben ist. Falls andererseits die Änderungsrate niedriger ist, als der vorbestimmte Wert, wird der Test beendet, wie im Schritt 750 angegeben ist. Man beachte, daß die Änderungsrate des Wertes der Shunt-Kapazität im direkten Verhältnis zur Rate des Temperaturanstiegs des Wandlers steht (s. 8). Bei der bevorzugen Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Schwellwert 120 pF/Min.
Die 8(a) und 8(b) sind Ablaufdiagramme, die eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen. Unter der Steuerung des im in den 3(a) und 3(b) gezeigten DSP oder Mikroprozessors 60 gespeicherten Programms wird das Verfahren durch Anlegen eines Ultraschallsignals an den Wandler 36 implementiert, um den Wandler/die Klinge in einem vorbestimmten Frequenzbereich, wie beispielsweise von 34,5 kHz bis 44,5 kHz anzusteuern, wie im Schritt 800 angegeben ist.
Am Handstück werden in festen Frequenzintervallen Meßwerte genommen, um dessen Impedanz Z_HP in jedem Frequenzintervall zu bestimmen, wie im Schritt 810 angegeben ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt das feste Frequenzintervall 50 Hz. Typischerweise werden im vordefinierten Frequenzbereich bei bekannten Klingen keine Resonanzen festgestellt. Jedoch kann C₀ durch Resonanzen beeinflußt sein, die sich etwas oberhalb oder unterhalb des Durchlaufbereichs befinden. Abhängig davon, ob die Messung oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz ausgeführt wird, bei der Z_HP gemessen wird, ändern Resonanzen in der Umgebung der Frequenz tendenziell den gemessenen Impedanzwert, so daß C₀ vom wahren Wert von C₀ nach oben oder nach unten verschoben wird. Die Wirkung dieser Resonanzen besteht darin, daß Fehler bei der Messung der Shunt-Kapazität (C₀) hervorgerufen werden, wenn diskrete Messungen durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird dieser Effekt durch Verwenden von Datenpunkten abgeschwächt, die im Schritt 810 erhalten werden, um einen Kurvenfit auszuführen, wie im Schritt 820 angegeben ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Kurvenfit um einen Kurvenfit kleinster Quadrate, der gemäß der folgenden Gleichung ausgeführt wird:
wobei a, b und c Konstanten sind, die über den Kurvenfit berechnet werden und f₀ eine feste Frequenz ist, bei der die Impedanz des Handstücks gemessen wird.
Die Beziehung in Gl. 4 wird für eine Anzahl gleich beabstandeter Frequenzwerte gelöst, um eine Gruppe unterschiedlicher Impedanzwerte zu erhalten, wie im Schritt 830 angegeben ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Gesamtzahl von elf gleich beabstandeten Frequenzen über den Durchlaufbereich (d.h. 34,5 kHz, 35,5 kHz... 44,5 kHz) ausgewertet und das feste Frequenzintervall beträgt 1000 Hz.
C₀ wird für jeden der verschiedenen Impedanzwerte berechnet, wie im Schritt 840 angegeben ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Berechnung von C₀ gemäß der folgenden Gleichung durchgeführt:
wobei C₀ die Shunt-Kapazität ist, f₀ eine feste Frequenz ist, bei der die Impedanz des Handstücks gemessen wird, Z_HP die berechnete Impedanz bei der festen Frequenz f₀ ist, R_p ein Wert eines begrenzenden Widerstands ist, C_v1 und C_v2 die Werte von spannungsteilenden Kapazitäten sind, Lt ein im Speicher des Generators gespeicherter Wert ist, der eine Induktivität zur Abstimmung des Wandlers darstellt, C_pcb der Kapazitätsanteil einer Leiterplatte im Generator ist und C_C die Kapazität des Kabels des Handstücks ist.
Der maximale berechnete Wert der Shunt-Kapazität und der minimale berechnete Wert der Shunt-Kapazität werden weggelassen, wie im Schritt 850 angegeben ist. Ein Mittelwert der verbleibenden Werte wird dann berechnet, um hohe und niedrige Werte "zu glätten" und um einen endgültigen Wert der Shunt-Kapazität zu erhalten, wie im Schritt 860 angegeben ist.
Falls C₀ größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert, basierend auf der in 9 gezeigten Beziehung C₀/Temp, ist die Temperatur des Wandlers zu hoch und für den Nutzer wird ein Warnsignal ausgegeben, wie im Schritt 870 angegeben ist. Alternativ wird die dem Handstück zugeführte Leistung solange reduziert, bis die Shunt-Kapazität unter den vorbestimmten Schwellwert fällt. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem vorbestimmten Schwellwert um einen festen Wert über der Kapazität des Handstücks/der Klinge bei Raumtemperatur, wobei der feste Wert 462 pF ist.
Durch Ausführen des Kurvenfits werden durch die Resonanzen erzeugte Fluktuationen der Impedanzmessungen nach oben und nach unten "ausgeglichen", so daß ihr Einfluß (unabhängig von ihrem Ort relativ zum Durchlaufbereich) deutlich reduziert wird. Die "Glättung" der Daten wird durch das Berechnen und Weglassen des hohen und niedrigen Wertes der Shunt-Kapazität und die nachfolgende Mittelung der verbleibenden Werte der Kapazität weiter unterstützt. Im Ergebnis werden auch Meßfehler reduziert.
Man beachte, daß durch den Kurvenfit der Einfluß der Resonanzen auf die gemessene Shunt-Kapazität deutlich reduziert wird, falls eine Resonanz in der Mitte des Durchlaufbereichs auftritt. Bei den betrachteten Ausführungsformen werden lineare (d.h. eine Gleichung erster Ordnung) und quadratische (d.h. eine Gleichung zweiter Ordnung) Kurvenfits verwendet. Jedoch kann jede Art von Kurvenfits verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Gleichung die Daten glättet und ihnen nicht präzise folgt. Beispielsweise ist ein Kurvenfit, der den gemessenen Daten exakt folgt, nicht von Vorteil, da keine Glättung der Daten bewirkt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die gemessene Kapazität bei einer Frequenz außerhalb der Resonanz (d.h. die Shunt-Kapazität (C₀) bei einer Frequenz, die keine Resonanzfrequenz ist) im permanenten im Handstück angeordneten Speicher gespeichert (d.h. in einem IC-Speicher im Stecker, Kabel oder Körper des Handstücks). Eine Analyse mit linearer Regression der Werte der Kapazität des Wandlers, sowie wie diese sich mit der Temperatur und dem Gebrauch des Handstücks verändert, wird ebenfalls im permanenten Speicher im Generator gespeichert.
Vor und während der Aktivierung des Handstücks "liest" der Generator die Raumtemperaturkapazitätsdaten aus dem Handstück. Die tatsächliche Kapazität des Handstücks wird dann erfindungsgemäß gemessen und die tatsächliche Temperatur des Wandlers wird unter Verwendung einer Polynomkurve berechnet (s. beispielsweise 8), die im permanenten Speicher des Generators gespeichert ist.
Die Temperaturdaten werden dann verwendet, um zu bestimmen, ob das Handstück sicher aktiviert werden kann, sowie um zu bestimmen, welche Parameterniveaus während der diagnostischen Messungen erwartet werden können. Es ist verständlich, daß die Messung der tatsächlichen Temperatur für andere Zwecke verwendet werden kann, wie beispielsweise um zu bestimmen, ob das Handstück unter optimalen Bedingungen arbeitet und um Änderungen der Resonanzfrequenz des Handstücks vorherzusagen.
Bei alternativen Ausführungsformen wird der Kurvenfit zusätzlich in den Fällen durchgeführt, in welchen die Größe der Phasendifferenz zwischen der an das Handstück/die Klinge angelegten Spannung und dem Strom dazu verwendet wird, die Daten vor der Berechnung der Kapazität zu filtern.
Durch Verwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Notwendigkeit, die Resonanzen des Wandlers vorher zu kennen, beseitigt und somit kann die Geschwindigkeit, mit der C₀ bestimmt wird, deutlich erhöht werden. Durch selektives Mitteln der gemessenen bei verschiedenen Frequenzen erhaltenen Werte von C₀, wird eine sehr genaue Messung von C₀ erzielt. Darüber hinaus kann durch eine Vernachlässigung von Messungen von C₀, die durch Resonanzen gestört erscheinen und durch Konzentration nur auf potentiell eindeutig gültige Werte von C₀ eine schnellere Berechnung und Identifizierung von Werten von C₀ mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Im Ergebnis wird ein Indikator für Probleme erhalten, bevor die Temperatur des Handstücks zu hoch wird.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Wandlers eines Ultraschall-Handstücks, das die folgenden Schritte umfaßt: Bestimmen einer Shunt-Kapazität des Wandlers; Berechnen der Temperatur des Wandlers basierend auf der Shunt-Kapazität des Wandlers; und Vorsehen einer Warnung für einen Benutzer des Handstücks, wenn die Temperatur des Wandlers oder eine Änderungsrate der Temperatur zu hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens die Schritte umfaßt: Anlegen eines Ultraschall-Ansteuersignals in einem vordefinierten Frequenzbereich an den Wandler; Messen der Shunt-Kapazitäten des Wandlers bei Frequenzen im vordefinierten Frequenzbereich; Vergleichen der gemessenen Shunt-Kapazitäten; Bestimmen für alle gemessenen Shunt-Kapazitäten, ob sich eine gemessene Shunt-Kapazität um mehr als einen vorbestimmten Wert ändert; und Mitteln der gemessenen Shunt-Kapazitäten und Berechnen der Temperatur des Wandlers.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt umfaßt: Filtern der gemessenen Shunt-Kapazitäten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Filtern die folgenden Schritte umfaßt: Verwerfen von gemessenen ungültigen Shunt-Kapazitätswerten, die sich um mehr als den vorbestimmten Wert ändern; und Bestimmen, ob eine Anzahl von verbleibenden gemessenen Shunt-Kapazitätswerten größer als eine vordefinierte Anzahl ist; und Zurückkehren zum Schritt des Messens der Shunt-Kapazitäten des Wandlers, wenn die Anzahl der verbleibenden Shunt-Kapazitätswerte geringer als die vordefinierte Anzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die vordefinierte Anzahl 3 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vordefinierte Frequenzbereich ungefähr zwischen 34 kHz und 44 kHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vordefinierte Frequenzbereich so eingestellt ist, daß im vordefinierten Frequenzbereich nicht-resonante Frequenzen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Messens ferner den Schritt umfaßt: Messen von Shunt-Kapazitäten bei verschiedenen unterschiedlichen Frequenzen, die innerhalb des vordefinierten Frequenzbereichs liegen und längs dieses beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Shunt-Kapazitäten bei fünf verschiedenen Frequenzen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Wert ungefähr 10% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Berechnung gemäß der folgenden Beziehung durchgeführt wird: ΔC0 = CS – C0,wobei C_S die Kapazität bei einer Frequenz ist, die außerhalb einer Resonanz liegt, und im Speicher gespeichert ist und C₀ die Shunt-Kapazität ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens ferner die Schritte umfaßt: Anlegen eines Ultraschall-Ansteuersignals an den Wandler in einem vordefinierten Frequenzbereich; Messen der Impedanz des Handstücks; Bestimmen, ob die Phasendifferenz des Handstücks geringer als ein vorbestimmter Wert ist; Messen der Impedanz des Handstücks mit einer vorbestimmten Anzahl von Wiederholungen; Berechnen einer durchschnittlichen Shunt-Kapazität des Handstücks; Inkrementieren des Ansteuersignals um einen eingestellten Frequenzwert; Bestimmen, ob eine der Ansteuerfrequenzen größer als eine voreingestellte Frequenz ist, und ob eine Anzahl von Impedanzmessungen geringer als eine vordefinierte Anzahl ist; und Berechnen eines durchschnittlichen Shunt-Kapazitätswerts bei jeder Ansteuerfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt umfaßt: Inkrementieren des Ansteuersignals um den eingestellten Frequenzwert, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz des Handstücks größer als ein vorbestimmter Wert ist; und Zurückkehren zum Schritt des Messens der Impedanz des Handstücks.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der eingestellte Frequenzwert 25 Hz beträgt und der vorbestimmte Wert 89,5° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der vordefinierte Frequenzbereich ungefähr zwischen 34 kHz und 44 kHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner die Schritte umfaßt: Durchführen einer Berechnung, um zu ermitteln, ob sich das Handstück innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen befindet; und Vorsehen einer Warnung, wenn die Temperatur des Wandlers nicht innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Berechnung gemäß der Beziehung durchgeführt wird: ΔC0 = CS – C0, wobei C_S die Kapazität bei einer Frequenz ist, die außerhalb einer Resonanz liegt und in einem Speicher gespeichert ist, wobei C₀ die Shunt-Kapazität ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die vorbestimmte Zahl 10% ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die durchschnittliche Shunt-Kapazität gemäß der Beziehung berechnet wird:
wobei f die Ansteuerfrequenz des Generators und Z_HP die Impedanz des Handstücks ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die voreingestellte Frequenz 44,5 kHz beträgt und die vordefinierte Anzahl 100 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens ferner die Schritte umfaßt: Anlegen eines Ultraschall-Ansteuersignals in einem vordefinierten Frequenzbereich an das Handstück/die Klinge; Messen einer ersten Shunt-Kapazität des Handstücks, wenn ein Benutzer das Handstück/die Klinge zum ersten Mal aktiviert; Messen einer zweiten Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge, wenn der Operateur das Handstück/die Klinge deaktiviert; Berechnen einer Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, an welchen das Handstück/die Klinge aktiviert/deaktiviert wird, mittels eines Zeitpunktes, an dem die erste gemessene Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge erhalten wird, und eines Zeitpunktes, an dem die zweite gemessene Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge erhalten wird; Berechnen eines Wertes der Änderungsrate der Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge unter Verwendung der berechneten Zeitdifferenz; Bestimmen, ob der Wert der Änderungsrate der Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert über einem Wert, der in einem Speicher gespeichert ist; und Vorsehen einer Warnung für den Benutzer, wenn der Wert der Änderungsrate der Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge größer ist als der vorbestimmte Schwellenwert über dem Wert, der im Speicher gespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der vordefinierte Frequenzbereich zwischen ungefähr 34 kHz und 44 kHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Berechnens den Schritt umfaßt: Teilen einer Differenz zwischen der ersten gemessenen Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge und der zweiten gemessenen Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge durch eine Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem die erste gemessene Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge erhalten wird, und dem Zeitpunkt, an dem die zweite gemessene Shunt-Kapazität des Handstücks/der Klinge erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der vorbestimmte Schwellenwert ein Wert der Änderungsrate der Shunt-Kapazität ist, die im Speicher gespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der vorbestimmte Schwellenwert 120 pF/min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens ferner die Schritte umfaßt: Anlegen eines Ultraschall-Ansteuersignals an den Wandler in einem vorbestimmten Frequenzbereich; Messen einer Handstück-Impedanz bei feststehenden Frequenzintervallen, um für jedes Frequenzintervall eine gemessene Impedanz zu erhalten; Durchführen einer Kuvennäherung basierend auf jeder gemessenen Impedanz für jedes Frequenzintervall, um eine Kurvennäherungsgleichung zu erhalten; Lösen der Kurvennäherungsgleichung bei gleichmäßig voneinander beabstandeten Frequenzwerten, um eine Gruppe verschiedener Impedanzwerte zu erhalten; Berechnen einer Shunt-Kapazität basierend auf jedem der verschiedenen Impedanzwerte; Verwerfen eines maximalen und eines minimalen berechneten Shunt-Kapazitätswerts, um eine verbleibende Gruppe von Shunt-Kapazitäten zu erhalten; und Mitteln der verbleibenden Gruppe von Shunt-Kapazitäten, um einen endgültigen Shunt-Kapazitätswert des Handstücks zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Kurvennäherung gemäß der Beziehung durchgeführt wird:
wobei a, b und c Konstanten sind, die über die Kurvennäherung berechnet werden, und f₀ eine feste Frequenz ist, bei der die Handstück-Impedanz gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der vorbestimmte Frequenzbereich ungefähr zwischen 34,5 kHz und 44,5 kHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das feste Frequenzintervall 50 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Shunt-Kapazität gemäß der Beziehung berechnet wird:
wobei C₀ die Shunt-Kapazität, f₀ eine feste Frequenz ist, bei der die Handstück-Impedanz gemessen wird, Z_HP die Handstück-Impedanz bei der festen Frequenz f₀, R_p ein Wert des begrenzenden Widerstandes ist, C_v1 und C_v2 Werte von spannungsteilenden Kapazitäten sind, Lt ein Wert ist, der in einem Speicher des Generators gespeichert wird, der einen Wandler-Justierinduktor darstellt, C_C eine Kapazität eines Handstückkabels und C_pcb ein Kapazitätsbeitrag einer gedruckten Schaltkreis-Leiterplatte im Generator ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Gruppe der verschiedenen Impedanzwerte elf Impedanzwerte umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die gleichmäßig beabstandeten Frequenzwerte in Intervallen von 1000 Hz zueinander beabstandet sind.