DE60109555T2

DE60109555T2 - Verfahren und Systeme zur Erkennung von Quervibrationen in einem Ultraschallhandstück

Info

Publication number: DE60109555T2
Application number: DE60109555T
Authority: DE
Inventors: Eitan T. Cincinnati Wiener; William T. Cincinnati Donofrio; Allan L. Cincinnati Friedman
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-02-16
Also published as: EP1201195A1; US20030216766A1; DE60109555T8; US7244262B2; AU8151201A; CA2359400A1; CA2359400C; EP1201195B1; AU780276B2; DE60109555D1; US6679899B2; US20020052616A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein Ultraschall-Chirurgiesysteme und insbesondere Verfahren zum Erfassen von Schwingungen im Quermodus in einem Ultraschallhandstück oder einer Ultraschallklinge.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Es ist bekannt, daß elektrische Skalpelle und Laser als ein chirurgisches Instrument verwendet werden können, um die doppelte Funktion des gleichzeitigen Bewirkens einer Inzision und einer Hämostase des Weichgewebes, durch Verätzen von Gewebe und Blutgefäßen, auszuführen. Jedoch verwenden derartige Instrumente sehr hohe Temperaturen, um die Gerinnung zu erreichen, wodurch eine Verdampfung und Dunst wie auch das Entstehen von Spritzern hervorgerufen wird. Ferner führt die Verwendung derartiger Instrumente oft zu relativ großen Bereichen, in denen ein thermischer Gewebeschaden vorliegt.
Das Schneiden und Ätzen von Gewebe mittels chirurgischer Klingen, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten durch Ultraschallantriebsmechanismen schwingen, ist ebenso wohl bekannt. Eines der Probleme, die mit derartigen Ultraschallschneideinstrumenten verbunden ist, sind die unkontrollierten und ungedämpften Schwingungen und die Wärme wie auch die Materialermüdung, die sich aus diesen ergibt. In der Umgebung eines Operationssaales wurden Versuche unternommen, um dieses Wärmeproblem durch Einbeziehen von Kühlsystemen mit Wärmeaustauschern zu regeln, um die Klinge zu kühlen. Bei einem bekannten System erfordert das Ultraschallschneide- und Gewebezerteilungssystem bspw. ein Kühlsystem, das um eine Hülle erweitert ist, in der Wasser zirkuliert, und Mittel zum Spülen der und Absaugen von der Schnittstelle enthält. Ein weiteres bekanntes System erfordert das Liefern von kryogenen Flüssigkeiten an die Schneidklinge.
Es ist bekannt, den Strom, der an den Wandler abgegeben wird, zu begrenzen, als ein Mittel, um die darin erzeugte Wärme zu begrenzen. Jedoch könnte dies zu einer unzureichenden Leistung für die Klinge zu einer Zeit führen, wenn diese für die effektivste Behandlung des Patientens gebraucht wird. US-Patent Nr. 5,026,387, an Thomas erteilt, die an den Übertragungsempfänger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist, offenbart ein System zum Steuern der Wärme in einem Ultraschallchirurgieschneide- und Hämostasesystem ohne die Verwendung eines Kühlmittels durch Steuern der Antriebsenergie, die der Klinge zugeführt wird. In dem System entsprechend diesem Patent ist ein Ultraschallgenerator bereitgestellt, der ein elektrisches Signal einer bestimmten Spannung, eines bestimmten Stroms und einer bestimmten Frequenz, bspw. 55.500 Zyklen pro Sekunde, erzeugt. Der Generator ist über ein Kabel mit einem Handstück verbunden, das piezokeramische Elemente enthält, die einen Ultraschallwandler bilden. Als Reaktion auf einen Schalter auf dem Handstück oder einen Fußschalter, der mit dem Generator über ein weiteres Kabel verbunden ist, wird das Generatorsignal dem Wandler zugeführt, wodurch eine Längsschwingung von dessen Elementen hervorgerufen wird. Eine Struktur verbindet den Wandler mit einer Chirurgieklinge, die auf diese Weise mit Ultraschallfrequenzen schwingt, wenn das Generatorsignal an dem Wandler anliegt. Die Struktur ist so ausgelegt, daß sie an einer bestimmten Frequenz in Resonanz schwingt, wodurch die Bewegung verstärkt wird, die durch den Wandler eingeleitet wird.
Das Signal, das dem Wandler zur Verfügung gestellt wird, wird gesteuert, um eine Leistung auf Abruf an den Wandler als Reaktion auf ein kontinuierliches oder periodisches Erfassen eines Belastungszustands (Gewebekontakt oder Zurückziehen) der Klinge zu liefern. Dementsprechend schaltet die Vorrichtung von einem Ruhezustand mit einer geringen Leistung automatisch auf einen Schneidezustand mit einer wählbaren höheren Leistung, abhängig davon, ob das Skalpell in Kontakt mit Gewebe ist oder nicht. Ein dritter Gerinnungsmodus mit hoher Leistung ist manuell wählbar, wobei eine automatische Rückführung auf eine Ruheleistungsstufe vorgenommen wird, wenn die Klinge nicht in Kontakt mit Gewebe ist. Da die Ultraschallleistung nicht kontinuierlich der Klinge zugeführt wird, erzeugt diese weniger Umgebungswärme, leitet jedoch eine ausreichende Energie in das Gewebe für Inzisionen und Verätzungen, wenn notwendig.
Das Steuersystem in dem Thomas-Patent ist von analoger Art. Ein Phasenregelkreis (der einen spannungsgesteuerten Oszilator, einen Frequenzteiler, einen Netzschalter, ein passendes Netzwerk und einen Phasendetektor umfaßt), stabilisiert die Frequenz, die an dem Handstück anliegt. Ein Mikroprozessor steuert die Leistungsmenge durch Abtasten der Frequenz, des Stromes und der Spannung, die an dem Handstück anliegt, weil sich diese Parameter mit der Belastung an der Klinge ändern.
Der Verlauf der Leistung über der Belastung in einem Generator in einem typischen Ultraschall-Chirurgiesystem, wie z. B. dem in dem Thomas-Patent beschriebenen, weist zwei Abschnitte auf. Der erste Abschnitt weist eine positive Neigung steigender Leistung auf, wenn die Belastung steigt, was eine konstante Stromzuführung anzeigt. Der zweite Abschnitt weist eine negative Steigung abfallender Leistung auf, wenn die Belastung steigt, was eine konstante oder gesättigte Ausgangsspannung anzeigt. Der geregelte Strom für den ersten Abschnitt wird durch die Gestaltung der elektronischen Komponenten festgelegt und die Spannung des zweiten Abschnittes ist begrenzt durch die maximale Ausgangsspannung der Gestaltung. Diese Anordnung ist nicht flexibel, da die Leistung-über-Belastung-Merkmale des Ausganges eines solchen Systemes nicht für verschiedene Arten von Handstückwandlern und Ultraschallklingen optimiert werden können. Die Leistung herkömmlicher analoger Ultraschallleistungssysteme für chirurgische Instrumente wird beeinflußt durch Toleranzen der Komponenten und deren Variabilität in der Generatorelektronik, aufgrund von Änderungen in der Betriebstemperatur. Insbesondere können Temperaturveränderungen erhebliche Änderungen in Schlüsselsystemparametern, wie z. B. Frequenzregelbereich, Antriebssignalstufe und anderen Systemleistungsmerkmalen hervorrufen.
Um ein Ultraschall-Chirurgiesystem auf eine effiziente Weise zu bedienen, wird anfangs die Signalfrequenz, die an dem Wandler des Handstückes anliegt, einen Bereich überstreichen, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Ist diese einmal gefunden, stellt sich der Generatorphasenregelkreis auf die Resonanzfrequenz ein, überwacht den Wandlerstrom im Vergleich zu dem Phasenwinkel der Spannung fortwährend und hält eine resonante Schwingung des Wandler dadurch aufrecht, daß dieser mit der Resonanzfrequenz betrieben wird. Eine Schlüsselfunktion derartiger Systeme ist es, den Wandler über Belastungs- und Temperaturänderungen, die die Resonanzfrequenz ändern, resonant schwingend zu halten. Jedoch haben diese herkömmlichen Ultraschallantriebssysteme eine geringe oder gar keine Flexibilität in Bezug auf eine adaptive Frequenzsteuerung. Eine derartige Flexibilität ist der Schlüssel für die Fähigkeit des Systems, ungewünschte Resonanzen zu unterdrücken. Diese Systeme können insbesondere nur nach Resonanzen in einer Richtung suchen, d. h. bei steigenden und abfallen den Frequenzen, und ihr Suchmuster ist starr. Das System kann nicht: (i) über andere Resonanzmodi springen oder irgendwelche heuristischen Entscheidungen, wie z. B. welche Resonanzfrequenz zu überspringen oder einzustellen ist, treffen und (ii) eine Abgabe der Leistung nur sicherzustellen, wenn die geeignete Einstellung auf eine Frequenz erfolgt ist.
Die Ultraschallgeneratorsysteme des Standes der Technik weisen ebenso eine geringe Flexibilität in Bezug auf die Amplitudensteuerung auf, die es dem System ermöglichen würde, adaptive Steuerungsalgorithmen und Entscheidungsfindungen zu verwenden. Diesen starren Systemen fehlt z. B. die Fähigkeit, heuristische Entscheidungen in Bezug auf den Ausgang des Antriebs, bspw. Strom oder Frequenz, auf der Grundlage der Belastung der Klinge und/oder des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung zu treffen. Dies beschränkt ferner die Fähigkeit des Systems, optimale Wandlerantriebssignalstufen für eine konsistente und effiziente Leistung festzulegen, was die Lebensdauer des Wandlers erhöhen und sichere Betriebszustände für die Klinge sicherstellen würde. Ferner verringert die fehlende Kontrolle über die Amplituden- und Frequenzsteuerung die Fähigkeit des Systems, Diagnosetests von dem Wandler/Klingen-System durchzuführen und überhaupt eine Fehlersuche zu unterstützen.
Einige begrenzte Diagnosetests, die in der Vergangenheit durchgeführt wurden, umfassen das Senden eines Signals an den Wandler, um eine Bewegung der Klinge hervorzurufen, um das System in Resonanz oder irgendeinen anderen Schwingungsmodus zu bringen. Die Reaktion der Klinge wird sodann bestimmt durch Messen des elektrischen Signals, das an den Wandler abgegeben wird, wenn das System in einem dieser Moden ist. Das Ultraschallsystem, das in der europäischen Patentanmeldung EP 1 199 047 (Anmeldung Nr. 01308901) (Aktenzeichen des Anwalts: P028404EP) (die eine Priorität aus USSN 09/693621 beansprucht) beschrieben ist und gleichzeitig mit dieser Anmeldung angemeldet wurde, besitzt die Fähigkeit, die Antriebsfrequenz des Ausgangs zu überstreichen, die Frequenzantwort des Ultraschallwandlers und der Klinge zu überwachen, Parameter aus dieser Antwort zu extrahieren und diese Parameter für Systemdiagnosen zu verwenden. Dieses Überstreichen der Frequenz und der Antwortmessmodus werden über einen digitalen Code derart erreicht, daß die Ausgangsantriebsfrequenz mit einer hohen Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit abgestuft werden kann, die es bei Ultraschallsystemen gemäß des Standes der Technik nicht gibt.
Ein weiteres Problem, das mit den Ultraschallsystemen des Standes der Technik verbunden ist, sind ungewünschte Schwingungen in dem Handstück oder der Klinge. Ultraschallklingen schwingen ebenso entlang einer Achse, die senkrecht zu der Längsachse der Schwingung des Handstückes oder der Klinge ist. Derartige Schwingungen werden Schwingungen im Quermodus genannt. Wenn die Längsschwingung in der Z-Richtung eines X, Y, Z-Koordinatensystems liegt, werden Schwingungen entlang einer Y-Achse der Klinge „Klappenmodus" Querschwingungen („flap mode") und Schwingungen entlang einer X-Achse der Klinge „Hakenmodus" Querschwingungen („hook mode") genannt. Klingen haben typischerweise eine Scheide, die ihren Klingenabschnitt umgibt.
Schwingungen im Quermodus erzeugen Wärme, die zu hohen Klingen- und/oder Klingenscheidentemperaturen führt. Dies kann Gewebe, das einen gewünschten, schmalen Schnitt umgibt, oder dem Gerinnungsbereich schaden, wodurch die Heilungs- und die Erholungszeit des Patienten nachteilig beeinflußt wird. Ferner können Schwingungen im Quermodus Defekte in der Klingenspitze hervorrufen. Die Schwingungen können ferner Fehler in dem Handstück, wie z. B. beschädigte Wandlerscheiben, anzeigen. Obwohl übermäßige Schwingungen im Quermodus oft störend laut sind, wird ein Bediener diese solange wie möglich ignorieren. Es ist daher vorteilhaft, Schwingungen im Quermodus zu erfassen, um ungewünschte Auswirkungen zu vermeiden, wie z. B. einen Gewebeschaden, der durch eine überhitzte Klinge auftreten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In dieser Schrift sind Verfahren zum Erfassen von Schwingungen im Quermodus in einem Ultraschallwandler oder einer Ultraschallklinge offenbart. Mit diesen Verfahren wird die Leistung, die an ein Handstück oder eine Klinge abgegeben wird, in verschiedenen Leistungsstufen überwacht, um festzustellen, ob sie sich wie erwartet ändert, wenn die Leistungsstufen, die an dem Handstück oder der Klinge anliegen, geändert werden. (Leistungsstufen sind mit bestimmten Strömen, mit denen der Generator das Handstück oder die Klinge antreibt, verbunden, unabhängig von Belastungsänderungen an der Klinge.)
Schwingungen im Quermodus werden durch (nichtlineare) Wechselwirkungen von Längsschwingungen mit dem Handstück oder der Klinge angeregt. Diese Schwingungen verbiegen die Klinge, wodurch das Erzeugen von Wärme hervorgerufen wird, wodurch Energie von den gewünschten Längsschwingungen verloren geht. Dieser Energieverlust äußerst sich in einem Anstieg der Handstück- oder Klingenimpedanz, wodurch ein Anstieg der Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, notwendig ist, um den erforderlichen Strom durch den Wandler des Handstückes aufrechtzuhalten.
Die nichtlineare, mechanische Kopplung der Energie von Längsschwingungen zu Querschwingungen ist nur oberhalb bestimmter Energie-/Versatzschwellwerte schätzbar. Wenn die Impedanz, die bei einer niedrigen „Referenz"-Leistungsstufe vorliegt, kleiner ist als die Impedanz des gleichen Handstückes oder Klinge bei einer höheren Leistungsstufe, dann sind Querschwingungen mehr als wahrscheinlich vorhanden. In Ausführungsformen wird eine Leistungsmessung bei einer niedrigen Leistungsstufe, die getestet wird, verwendet, um eine zu erwartende Leistung bei einer höheren Leistungsstufe zu berechnen.
Eine Referenzmessung des Leistungsverbrauchs bei Einstellung einer niedrigen Leistungsstufe wird ausgeführt. Diese Messung wird verwendet, um akzeptable/nicht akzeptable Leistungsverbrauchsstufen für die Einstellung einer hohen Leistungsstufe zu bilden. Die Messung der Referenzleistungsstufe ist wichtig, weil die Impedanz des Wandlers oder der Klingen, die der Generator wahrnimmt, von der verwendeten Klinge abhängt.
Entsprechend der Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Querschwingungen in einem Ultraschallhandstück bereitgestellt, wie in dem angefügten Anspruch 1 ausgeführt.
Entsprechend der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Erfassen von Querschwingungen in einem Ultraschallhandstück bereitgestellt, wie in dem angefügten Anspruch 15 definiert.
Entsprechend einer offenbarten Ausführungsform wird, während die Klinge frei in der Luft gehalten wird, die Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, bei Einstellung einer niedrigen Leistungsstufe gemessen, bei der der Antriebsstrom gering ist und keine Querschwingungen hervorruft. Unter Verwendung des Wertes, der bei Einstellung einer niedrigen Antriebsstromstufe erhalten wurde, wird die erwartete Leistung bei einer zweiten hohen Leistung berechnet und verwendet, um einen akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert für eine zweite Messung bei Einstellung der hohen Leistungsstufe festzulegen. Als nächstes wird die tatsächliche Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, bei Einstellung der hohen Leistungsstufe gemessen und es erfolgt eine Festlegung, ob das Handstück oder die Klinge Schwingungen im Quermodus aufweist, abhängig davon, ob die tatsächlich gemessene Leistung bei Einstellung der hohen Leistungsstufe den festgelegten ak zeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert überschreitet. Wenn dies der Fall ist, wird der Betrieb des Generators verhindert, ein „Schwingungen im Quermodus liegen in dem Handstück oder der Klinge vor"-Fehlercode wird in dem Generator gespeichert und eine „Fehlerhaftes Handstück"-Nachricht wird auf der LCD der Konsole angezeigt.
Entsprechend einer weiteren offenbarten Ausführungsform überstreicht, während die Klinge frei in der Luft gehalten wird, die Höhe des Antriebsstroms einen Bereich von einem minimalen Antriebsstrom bis zu einem maximalen Antriebsstrom. Während des Überstreichens des Stromes werden die Wandlerspannung- und Stromantriebssignale überwacht und in einen nicht flüchtigen Speicher, der sich in dem Generator befindet, gespeichert. Unter Verwendung der gespeicherten Spannungs- und Stromdaten wird die Leistung, die an den Wandler abgegeben wird, berechnet und die Ansprechkurven der abgegebenen Leistung über den Antriebsstrom sowie der Impedanz des Handstückes oder der Klinge über den Antriebsstrom erzeugt. Unter Verwendung der erzeugten Ansprechkurven wird eine Extrapolation ausgeführt, um festzustellen, ob das Handstück oder die Klinge Schwingungen im Quermodus ausführt. Wenn dies der Fall ist, wird der Betrieb des Generators verhindert, ein „Schwingungen im Quermodus liegen in dem Handstück oder der Klinge vor"-Fehlercode wird in dem Generator gespeichert und eine „Fehlerhaftes Handstück"-Nachricht wird auf der LCD der Konsole angezeigt.
In einer alternativen, offenbarten Ausführungsform wird eine mehrstufige-Antriebsleistung-über-abgegebene-Leistung-Beziehung und/oder eine mehrstufige-Antriebsleistung-über-Impedanz-Beziehung verwendet, um mögliche Quermodenprobleme zusammen mit einem „Übersteuern" des Handstückes bei einer Leistungsantriebsstufe oder bei mehreren Leistungsantriebsstufen, die über den normalen Bereich von verwendeten Leistungsstufen hinausgeht bzw. hinausgehen, zu erfassen oder vorherzusagen. Diese "übersteuerten" Leistungsstufen sind besonders effektiv bei der schnellen Identifizierung von problematischen oder möglicherweise problematischen Quermodenzuständen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, bei mehreren Frequenzen gemessen, während ein Antriebssignal hoher Leistung dem Handstück zugeführt wird. Alternativ wird ein „Übersteuern" verwendet. Hier werden drei Frequenzen, d. h. eine erste Frequenz, eine zweite Frequenz und eine dritte Frequenz gemessen, die nahe aneinanderliegen. Die erste Frequenz ist die primäre Resonanzfrequenz, die auch als die Haupt- oder beabsichtigte Längsresonanzfrequenz des Handstückes oder der Klinge bezeichnet wird. Die zweite Frequenz befindet sich geringfügig unterhalb der ersten Frequenz. Die dritte Frequenz befindet sich geringfügig oberhalb der ersten Frequenz. Die erwartete Impedanz oder Leistung erhöht sich etwas bei sowohl der zweiten wie auch der dritten Frequenz. Wenn die Impedanz oder Leistung wesentlich höher oder höher als erwartet ist, zeigt dieser Umstand das Vorhandensein einer Querresonanz an, die eine ungewünschte Wärme erzeugen kann und/oder die Ultraschallenergie verringern kann, die an das Gewebe abgegeben wird. In diesem Fall wird eine Warnung oder ein Alarm durch die Generatorkonsole erzeugt. Falls notwendig, erfolgt eine Einschränkung der Funktionalität oder eine vollständige Abschaltung des Handstückantriebes.
Anstelle des Überwachens der Impedanz oder der Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, können zum Vergleich andere Variablen überwacht werden, wie z. B. die Phase, der Strom, die Spannung, ein Leistungsfaktor oder dergleichen. Anstelle eines Vergleichens der primären Frequenzmessungen mit sowohl einer geringfügig höheren wie auch einer geringfügig niedrigeren Frequenzmessung, kann der Vergleich alternativ nur an der „zweiten Frequenz" oder nur an der „dritten Frequenz" durchgeführt werden. Dementsprechend wird das Überwachungsverfahren in Fällen beschleunigt, bei denen das Überwachen von zusätzlichen Frequenzen nicht notwendig ist oder nicht gebraucht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird, während die Klinge frei in der Luft oder auf Gewebe gehalten wird, die Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, an der ersten und der zweiten Frequenz gemessen. Unter Verwendung der Werte, die an der ersten und zweiten Frequenz genommen werden, wird die erwartete Leistung bei einer dritten Frequenz, einer vierten Frequenz und einer fünften Frequenz berechnet und verwendet, um einen akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert für eine tatsächlich gemessene dritte Leistung durch eine tatsächlich gemessene fünfte Leistung festzulegen. Als nächstes wird die tatsächliche Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, an der dritten, vierten und fünften Frequenz gemessen. Es erfolgt eine Festlegung, ob das Handstück oder die Klinge eine Schwingung im Quermodus ausführt, abhängig davon, ob irgendeine der tatsächlich gemessenen Leistungen die gebildeten akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwerte überschreitet. Wenn dies der Fall ist, wird der Betrieb des Generators verhindert und eine Alarm-/Warnnachricht und/oder ein hörbarer Alarm/eine hörbare Warnung wird erzeugt. Anstelle des Überwachens der Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, werden in alternativen Ausführungsformen andere Variablen für Vergleichszwecke überwacht, wie z. B. die Phase, die Impedanz, der Strom, die Spannung, der Leistungsfaktor, der Phasenrand oder dergleichen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird festgelegt, ob eine Querfrequenz nahe der beabsichtigen Antriebsresonanz auftritt, und Schwierigkeiten, die mit der Erfassung von Quermoden, die durch die primäre oder Hauptresonanzantriebsfrequenz bei einer hohen Leistung angeregt werden, werden abgebaut.
Die Verfahren geben einen Hinweis darauf, ob ein Handstück, das die Leistungsstufentests nicht bestanden hat, Schwingungen im Quermodus aufweisen wird, wenn es verwendet wird. Ferner beseitigen die Verfahren die Notwendigkeit, die genaue Art der Klinge, die mit dem Handstück während eines Diagnosetests verwendet wird, zu kennen.
Entsprechend der Erfindung wird ferner ein Ultraschall-Chirurgiesystem bereitgestellt, wie es in dem angefügten Anspruch 21 definiert ist.
Entsprechend der Erfindung ist ferner ein Ultraschall-Chirurgiesystem bereitgestellt, wie es in dem angefügten Anspruch 23 definiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die voranstehenden und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden augenscheinlicher anhand der detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Beschreibung folgend unter Bezug auf die beiliegenden Figuren erfolgt, von denen:
1 eine Darstellung einer Konsole eines Ultraschall-Chirurgieschneide- und Hämostasesystemes wie auch eines Handstückes und eines Fußschalters, in denen die Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert sind, ist;
2 eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch das Ultraschallskalpellhandstück des Systems der 1 ist;
3a und 3b Blockschaltbilder sind, die einen Ultraschallgenerator zum Implementieren der Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigen;
4 eine Tabelle ist, die die Einstellung des maximalen Stromes, der mit verschiedenen Leistungsstufen verbunden ist, mit denen das Handstück angetrieben wird, zeigt;
5a und 5b sind Flußdiagramme, die das Verfahren einer offenbarten Ausführungsform zeigen;
6a und 6b sind Flußdiagramme, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen;
7 ist ein Flußdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8a und 8b sind Flußdiagramme, die das Verfahren einer weiteren offenbarten Ausführungsform zeigen;
9 ist eine Darstellung eines Diagrammes des Leistungsverbrauches des Wandlers oder der Klinge bei Einstellung verschiedener Generatorleistungsstufen, wenn keine Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen;
10 ist eine Darstellung eines Diagramms des Leistungsverbrauches des Wandlers oder der Klinge bei Einstellung verschiedener Generatorleistungsstufen, wenn Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen;
11 ist eine Darstellung eines Diagramms der Wandler- oder Klingenimpedanz bei Einstellung verschiedener Generatorleistungsstufen, wenn keine Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen; und
12 ist eine Darstellung eines Diagramms der Wandler- oder Klingenimpedanz bei Einstellung verschiedener Generatorleistungsstufen, wenn Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Darstellung eines Systems zum Implementieren der Verfahren entsprechend der Erfindung. Mittels eines ersten Satzes von Drähten in einem Kabel 20 wird elektrische Energie, d. h. ein Antriebsstrom, von der Konsole 10 an ein Handstück 30 geleitet, wo diese eine Ultraschalllängsbewegung einer chirurgischen Einrichtung, wie z. B. einer scharfen Skalpellklinge 32, hervorruft. Diese Klinge kann für die gleichzeitige Präparation und Verätzung des Gewebes verwendet werden. Die Bereitstellung des Ultraschallstromes an das Handstück 30 kann unter der Kontrolle eines Schalters 34 stehen, der auf dem Handstück angeordnet ist, das mit dem Generator in der Konsole 10 über Drähte in dem Kabel 20 verbunden ist. Der Generator kann ebenso über einen Fußschalter 40, der mit der Konsole 10 über ein weiteres Kabel 50 verbunden ist, gesteuert werden. Somit kann ein Chirurg ein elektrisches Ultraschallsignal dem Handstück zuführen, wodurch eine Längsschwingung der Klinge mit einer Ultraschallfrequenz hervorgerufen wird, durch Bedienen des Schalters 34 auf dem Handstück mit seinem Finger oder durch Bedienen des Fußschalters 40 mit seinem Fuß.
Die Generatorkonsole 10 umfaßt eine Flüssigkristallanzeigeeinrichtung 12, die verwendet werden kann, um die ausgewählte Schneidleistungsstufe auf verschiedene Weisen anzuzeigen, wie z. B. in Prozent der maximalen Schneidleistung oder in numerischen Leistungsstufen, die mit der Schneidleistung verbunden sind. Die Flüssigkristallanzeigeeinrichtung 12 kann ebenso verwendet werden, um andere Parameter des Systems anzuzeigen. Ein Netzschalter 11 wird verwendet, um die Einheit einzuschalten. Während diese sich aufwärmt, ist das „Standby"-Licht 13 erleuchtet. Wenn diese betriebsbereit ist, ist die „Bereit"-Anzeige 14 erleuchtet und das Standby-Licht geht aus. Wenn die Einheit die maximale Leistung bereitstellen soll, ist der MAX-Knopf 15 gedrückt. Wenn eine geringere Leistung gewünscht wird, ist der MIN-Knopf 17 in Betrieb gesetzt. Die Leistungsstufe wird durch den Knopf 16 eingestellt, wenn MIN in Betrieb gesetzt ist.
Wenn dem Ultraschallhandstück durch Bedienung eines der Schalter 34 oder 40 Leistung zugeführt wird, wird die Anordnung eine Längsschwingung des chirurgischen Skalpells oder Klinge mit ca. 55,5 kHz hervorrufen und das Ausmaß der Längsbewegung wird sich proportional zu der zugeführten Antriebsleistungsmenge (Strom) ändern, die von dem Bediener einstellbar gewählt werden kann. Wenn eine relativ hohe Schneidleistung zugeführt wird, ist die Klinge ausgelegt, sich in einem Bereich von ca. 40 bis 100 Mikrometer mit der Ultraschallschwingungsrate zu bewegen. Eine derartige Ultraschallschwingung der Klinge wird Wärme erzeugen, wenn die Klinge Gewebe berührt, d. h. die Beschleunigung der Klinge durch das Gewebe wandelt die mechanische Energie der sich bewegenden Klinge in thermische Energie in einem sehr engen und lokalen Bereich um. Diese lokale Wärme erzeugt einen engen Gerinnungsbereich, der das Bluten in kleinen Blutgefäßen, wie z. B. derjenigen, die kleiner als 1 Millimeter im Durchmesser sind, verringert oder beseitigt. Die Schneideffizienz der Klinge wie auch das Ausmaß der Hämostase werden sich ändern mit der zugeführten Antriebsleistungsstufe, der Schneidrate des Chirurgen, der Art des Gewebetypes und der Vaskularität des Gewebes.
Wie genauer in 2 gezeigt, nimmt das Ultraschallhandstück 30 einen piezoelektrischen Wandler 36 zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie auf, das zu einer Längsschwingungsbewegung der Enden des Wandlers führt. Der Wandler 36 ist in Form eines Stapels von keramischen piezoelektrischen Elementen gebildet, wobei ein Bewegungsnullpunkt entlang irgendeines Punktes des Stapels gebildet ist. Der Wandlerstapel ist zwischen zwei Zylindern 31 und 33 angeordnet. Zusätzlich ist ein Zylinder 35 an dem Zylinder 33 befestigt, der wiederum an dem Gehäuse an einem weiteren Bewegungsnullpunkt 37 angeordnet ist. Ein Trichter 38 ist mit einer Seite ebenso an dem Nullpunkt und mit der anderen Seite an einem Verbindungsstück 39 befestigt. Die Klinge 32 ist an dem Verbindungsstück 39 befestigt. Die Klinge 32 ist an dem Verbindungsstück 39 befestigt. Dies führt dazu, daß die Klinge 32 in Längsrichtung mit einer Ultraschallfrequenzrate mit dem Wandler 36 schwingen wird. Die Enden des Wandlers erreichen ein Bewegungsmaximum, wobei ein Abschnitt des Stapels einen bewegungsfreien Knoten bildet, wenn der Wandler mit einem maximalen Strom bei der Resonanzfrequenz des Wandlers angetrieben wird. Jedoch wird sich der Strom, der die maximale Bewegung hervorruft, mit jedem Handstück ändern und ist ein Wert, der in einem nicht flüchtigen Speicher des Handstückes gespeichert ist, so daß das System diesen verwenden kann.
Die Teile des Handstückes sind so ausgelegt, daß die Kombination mit derselben Resonanzfrequenz schwingen wird. Die Elemente sind insbesondere so ausgelegt, daß die sich ergebende Länge eines jeden derartigen Elementes eine halbe Wellenlänge beträgt. Eine Vor- und Zurückbewegung in Längsrichtung wird verstärkt, wenn der Durchmesser, der näher an der Klinge 32 ist, des akustischen Montagetrichters 38 abnimmt. Daher sind der Trichter 38 wie auch die Klinge oder das Verbindungsstück so geformt und dimensioniert, daß die Klingenbewegung verstärkt und eine harmonische Schwingung in Resonanz mit dem restlichen akustischen System, das die maximale Vor- und Zurückbewegung des Endes des akustischen Montagetrichters 38 nahe der Klinge 32 hervorruft, bereitgestellt wird. Eine Bewegung an dem Wandlerstapel wird durch den Trichter 38 in eine Bewegung von ca. 20 bis 25 Mikrometer verstärkt. Eine Bewegung an dem Verbindungsstück 39 wird durch die Klinge 32 in eine Klingenbewegung von ca. 40 bis 100 Mikrometer verstärkt.
Das System, daß das elektrische Ultraschallsignal zum Antreiben des Wandlers in dem Handstück erzeugt, ist in den 3a und 3b dargestellt. Dieses Antriebssystem ist flexibel und kann ein Antriebssignal bei einer gewünschten Frequenz und Leistungsstufeneinstellung erzeugen. Ein DSP 60 oder ein Mikroprozessor in dem System wird verwendet, um die geeigneten Leistungsparameter und die Schwingungsfrequenz zu überwachen wie auch ein Bereitstellen der geeigneten Leistungsstufe in entweder dem Schneide- oder dem Gerinnungsbetriebsmodus hervorzurufen. Der DSP 60 oder Mikroprozessor speichert ebenso Computerprogramme, die verwendet werden, um Diagnosetests von Komponenten des Systems, wie z. B. des Handstückes oder der Klinge, durchzuführen.
Unter der Kontrolle eines in dem DSP oder Mikroprozessor 60 gespeicherten Programmes, wie z. B. eines Phasenkorrekturalgorithmus, kann z. B. die Frequenz während des Aufwärmens auf einen bestimmten Wert innerhalb eines Bereiches, bspw. 20 kHz bis 70 kHz, eingestellt werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Frequenz während des Aufwärmens auf 50 kHz eingestellt. Es kann dann ein Überstreichen bis zu einer bestimmten Rate vorgenommen werden, bis eine Änderung in der Impedanz, die ein Annähern an die Resonanz anzeigt, erfaßt wird. Dann kann die Überstreichrate verringert werden, so daß das System die Resonanzfrequenz, bspw. 55 kHz, nicht überschreitet. Die Überstreichrate kann dadurch erreicht werden, daß die Frequenzänderung in Inkrementen, bspw. 50 Zyklen, erfolgt. Wenn eine langsamere Rate gewünscht wird, kann das Programm das Inkrement verkleinern, bspw. auf 25 Zyklen, was sowohl adaptiv auf der gemessenen Größe der Wandlerimpedanz wie auch der Phase beruhen kann. Natürlich kann eine schnellere Rate erreicht werden durch Erhöhen der Größe des Inkrements. Ferner kann die Überstreichrate verändert werden durch Verändern der Rate, mit der das Frequenzinkrement aktualisiert wird.
Wenn bekannt ist, daß ein ungewünschter Resonanzmodus, bspw. bei 51 kHz, vorliegt, kann das Programm ein Überstreichen der Frequenz nach unten, bspw. von 60 kHz aus, hervorrufen, um die Resonanz zu finden. Ferner kann das System von 50 kHz aus überstreichen und 51 kHz überspringen, wo sich die ungewünschte Resonanz befindet. Auf jeden Fall weist das System ein großes Ausmaß an Flexibilität auf.
Im Betrieb stellt der Bediener eine bestimmte Leistungsstufe ein, mit der das chirurgische Instrument verwendet werden soll. Dies erfolgt mit Hilfe des Leistungsstufenwählschalters 16 auf der vorderen Bedienplatte der Konsole. Der Schalter erzeugt Signale 150, die dem DSP 60 zugeführt werden. Der DSP 60 zeigt dann die ausgewählte Leistungsstufe an durch Senden eines Signales durch die Leitung 152 (3b) an die Anzeige 12 der vorderen Bedienplatte der Konsole.
Um das Schwingen der chirurgischen Klinge tatsächlich zu bewirken, aktiviert der Bediener den Fußschalter 40 oder den Schalter 34 des Handstückes. Diese Aktivierung leitet ein Signal durch die Leitung 154 in 3a. Dieses Signal bewirkt, daß Leistung von einem Gegentaktverstärker 78 an den Wandler 36 geliefert wird. Wenn der DSP oder Mikroprozessor 60 sich auf die Wandlerresonanzfrequenz des Handstückes eingestellt hat und die Leistung erfolgreich dem Wandler des Handstückes zugeführt wurde, wird ein hörbares Antriebssignal durch die Leitung 156 geleitet. Dies bewirkt das Ertönen einer hörbaren Anzeige in dem System, die dem Bediener mitteilt, daß Leistung an das Handstück geliefert wird und daß das Skalpell aktiv und betriebsbereit ist.
5a und 5b sind Flußdiagramme, die das Verfahren einer offenbarten Ausführungsform darstellen. Wenn ein funktionstauglicher Wandler mit Klinge frei in der Luft stehend angetrieben werden, ist die Impedanz, die von dem Generator gemessen wird, unabhängig von dem Antriebsstrom, der der speziellen Leistungsstufe entspricht, die verwendet wird, und der Verlauf der Leistungsstufe über die abgegebene Leistung folgt einer quadratischen Beziehung. Beim Messen der Leistung, die bei einer einzelnen, niedrigen Referenzleistungsstufe abgegeben wird, bei der keine Querschwingungen angeregt werden können, aufgrund der ge ringen Leistungsstufe oder des geringen Antriebsstromes, kann die erwartete Leistung, die bei anderen Leistungsstufen abgegeben wird, anhand der vermessenen einzelnen niedrigen Referenzleistungsstufe extrapoliert werden. Diese mathematische Beziehung bleibt unabhängig von der Art der Klinge, die mit dem Hand verwendet wird, zutreffend. In dieser Schrift umfaßt der Ausdruck Leistung die Leistung und jede ihrer Komponenten, umfassend Spannung, Impedanz und Strom. Die Leistung bedingt ebenso jede andere Komponente, die sich als Funktion von der Leistung ändert, wie z. B. die Temperatur des Wandlers.
Typische maximale Leistungsstufen, die von dem Ultraschallgenerator verwendet werden, um das Handstück oder die Klinge anzutreiben, sind in 4 gezeigt. Handstück- und Klingenkombinationen, die ein Querverhalten bei Stufe 5 aufweisen, zeigen kein Quermodenverhalten bei den Leistungsstufen 1 oder 2 auf und zeigen nur in sehr seltenen Fällen ein Quermodenverhalten bei der Leistungsstufe 3. Eine Handstück/Klingen-Kombination wird gelegentlich ein Quermodenverhalten bei der Leistungsstufe 4 zeigen. Ein Querverhalten wird angezeigt, wenn die Leistung in einer Handstück/Klingen-Kombination für eine gegebene Belastung (in diesem Fall wenn die Klinge freistehend betrieben wird) größer ist als erwartet für die bestimmte Leistungsstufe, die an der Klinge anliegt.
Jede Leistungsstufe ist mit einem bestimmten Strom verbunden, mit dem der Generator den Wandler des Handstückes antreibt und über Belastungsänderungen die Klinge reguliert. Wenn der Wandler oder die Klinge keine Querschwingungen aufweist, wird ein Erhöhen der Leistungsstufe nicht die Wandler-/Klingenimpedanz, die von dem Generator gemessen wird, erhöhen. In diesem Fall folgt der erwartete Anstieg der Leistung, die an den Wandler oder die Klinge abgegeben wird, einer bekannten Beziehung (d. h. die abgegebene Leistung als eine Funktion des Antriebsstromes). Diese Beziehung ist zutreffend in Fällen, bei denen die Höhe der Wandler-/Klingenimpedanz, die von dem Generator gemessen wird, unabhängig von dem Antriebsstrom, der mit der Einstellung der Leistungsstufe des Generators verbunden ist (bspw. wenn Querschwingungen nicht vorliegen), ist. Die mathematische Beziehung der abgegebenen Leistung als eine Funktion der Antriebsstromstufe und der Wandler-/Klingenimpedanz ist eine quadratische Beziehung, wie in 9 gezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die quadratische Beziehung: PL = (IL)2·Z, Gleichung 1 wobei P_L die an den Wandler oder die Klinge abgegebene Leistung ist, I_L der Strom ist, der an den Wandler abgegeben wird (voreingestellt für jede der fünf Leistungsstufen), und Z der Realteil der Impedanz ist.
Wenn der Wandler oder die Klinge Querschwingungen aufweisen, wird ein Erhöhen der Leistungsstufe ein Anstieg der Wandler-/Klingenimpedanz, die von dem Generator gemessen wird, bewirken. Wenn Querschwingungen vorliegen, wird daher die tatsächliche Leistung, die an den Wandler oder die Klinge abgegeben wird, die erwartete Leistung überschreiten. Im allgemeinen liegen Querschwingungen bei niedrigen Leistungsstufen nur selten vor. Dies ermöglicht es, die Leistung einer Referenzleistungsverbrauchsmessung bei Einstellung einer niedrigen Leistungsstufe zu verwenden, um akzeptable/nicht akzeptable Leistungsverbrauchsstufen bei Einstellung einer hohen Leistungsstufe aufzustellen. Die Referenzleistungsstufenmessung ist eine notwendige Messung, weil die Wandler-/Klingenimpedanz, die von dem Generator gemessen wird, von der verwendeten Klinge abhängt. Ein genauer Hinweis auf das Vorliegen von Schwingungen im Quermodus ist, wenn der Leistungsverbrauch größer ist als der erwartete Schwellwert bei hohen Leistungsstufen (siehe 10).
Dementsprechend wird, durch Steuerung des Programmes, das in dem DSP oder dem Mikroprozessor 60, der in den 3a und 3b gezeigt ist, gespeichert ist, ein offenbartes Verfahren durch Verwendung des Ultraschallgenerators implementiert, um das Handstück oder die Klinge anzuregen, während diese(s) frei in der Luft gehalten wird, wie in Schritt 500 gezeigt. Während die Klinge weiterhin frei in der Luft gehalten wird, wird die Leistung, die an das Handstück oder die Klinge abgegeben wird, bei der Leistungsstufe 1 gemessen, wie in dem Schritt 510 gezeigt. Die gemessene Leistung, die an das Handstück oder die Klinge bei der Stufe 1 abgegeben wird, wird verwendet, um die zu erwartende Leistung bei der Leistungsstufe 5 zu berechnen und um einen akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert für die Leistungsstufe 5, basierend auf der erwarteten Leistung, festzulegen, wie in dem Schritt 520 gezeigt. Die akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwerte werden als fester Prozentsatz oberhalb der berechneten, zu erwartenden Leistungen, die gemessen werden, wenn keine Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen, festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Schwellwert auf ca. 10% oberhalb der zu erwartenden, gemessenen Leistung festgelegt.
Die tatsächliche Leistung, die an das Handstück oder die Klinge bei der Leistungsstufe 5 abgegeben wird, wird gemessen, wie in dem Schritt 530 gezeigt. Als nächstes wird die tatsächlich gemessene Leistung verglichen mit dem akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert für die Leistungsstufe 5, wie in Schritt 540 gezeigt. Wenn die tatsächlich gemessene Leistung größer ist als der entsprechende akzeptable/nicht akzeptable Schwellwert (Schritt 550), dann wird der Betrieb des Generators verhindert, ein „Schwingungen im Quermodus liegen in dem Handstück oder der Klinge vor"-Fehlercode wird in dem Generator gespeichert und eine „Fehlerhaftes Handstück"-Nachricht wird auf der LCD-Anzeige der Konsole angezeigt, wie in Schritt 555 gezeigt. Auf der anderen Seite, wenn keine der tatsächlich gemessenen Leistungen größer als der akzeptable/nicht akzeptable Schwellwert ist, ist das Handstück oder die Klinge funktionstauglich, da diese(s) keine Schwingungen im Quermodus aufweist, wie in Schritt 560 angezeigt.
Um die Impedanzmessungen und Phasenmessungen zu erhalten, werden der DSP 60 und die anderen Schaltkreiselemente der 3a und 3b verwendet. Insbesondere liefert der Gegentaktverstärker 78 das Ultraschallsignal an einen Leistungstransformator 86, der wiederum das Signal über eine Leitung 85 in dem Kabel 26 an den piezoelektrischen Wandler 36 in dem Handstück leitet. Der Strom in der Leitung 85 und die Spannung in dieser Leitung werden von einem Strommessschaltkreis 88 und Spannungsmessschaltkreis 92 erfaßt. Die Strom- und Spannungsmesssignale werden an einen Spannungsmittelwertschaltkreis 122 und Strommittelwertschaltkreis 120 gesendet, die den Mittelwert dieser Signale bilden. Die mittlere Spannung wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 126 in einen Digitalwert umgewandelt, der in den DSP 60 geleitet wird. Auf ähnliche Weise wird das Strommittelwertsignal von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 124 in einen Digitalwert umgewandelt, der in den DSP 60 geleitet wird. In dem DSP wird fortlaufend das Verhältnis von Spannung zu Strom berechnet, um die aktuellen Impedanzwerte anzugeben, wenn die Frequenz sich ändert. Eine signifikante Änderung der Impedanz tritt auf, wenn sich die Resonanz nähert.
Die Signale von dem Strommessschaltkreis 88 und dem Spannungsmessschaltkreis 92 werden auch Nulldurchgangsdetektoren 100, 102 zugeführt. Diese produzieren einen Impuls, wann immer die jeweiligen Signale einen Nulldurchgang aufweisen. Der Impuls von dem Detektor 100 wird einer Phasenerfassungslogik 104 zugeführt, die einen Zähler umfassen kann, der von diesem Signal gestartet wird. Der Impuls aus dem Detektor 102 wird auf ähnliche Weise einem Logikschaltkreis 104 zugeführt und kann verwendet werden, um den Zähler anzuhalten.
Daher ist der Zählerwert, der von dem Zähler erreicht wird, ein digitaler Wert in der Leitung 104, der den Phasenunterschied zwischen dem Strom und der Spannung wiedergibt. Die Größe dieser Phasendifferenz ist ebenso ein Hinweis auf die Resonanz. Diese Signale können als Teil eines Phasenregelkreises verwendet werden, der ein Einstellen der Generatorfrequenz auf der Resonanz bewirkt, bspw. durch Vergleichen des Phasendelta mit einem Phaseneinstellpunkt in dem DSP, um ein Frequenzsignal zu erzeugen, um einen direkten-digitalen-Synthese-Schaltkreis (direct digital synthesis circuit – DDS circuit) 128 zu steuern, der den Gegentaktverstärker 78 antreibt.
Ferner können die Impedanz- und Phasenwerte, wie zuvor beschrieben, in einer Diagnosephase des Betriebes verwendet werden, um festzustellen, ob die Klinge lose ist. In einem derartigen Fall versucht das DSP nicht, die Phase auf die Resonanz einzustellen, sondern treibt das Handstück mit besonderen Frequenzen an und mißt die Impedanz und Phase, um festzustellen, ob die Klinge fest ist.
6a und 6b sind Flußdiagramme, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen. Wenn ein funktionstauglicher Wandler mit Klinge frei in der Luft oder in Gewebe angetrieben werden, folgt der Verlauf der Frequenz über der abgegebenen Leistung einer bekannten Beziehung. Dementsprechend kann beim Messen der Impedanz des Handstückes an drei benachbarten Frequenzen (d. h. eine bei der primären Resonanz und eine oberhalb und eine unterhalb der primären Resonanz, geringfügig außerhalb der Resonanz), die erwartete Impedanz des Handstückes bei anderen Frequenzen anhand dieser vorangehenden Messungen extrapoliert werden. Typischerweise gibt es eine derartige relative Beziehung für eine Vielzahl von Klingen und Scheren.
Ein Vorteil des Verwendens einer derartigen Frequenzverlagerung, um Querresonanzen zu erfassen, ist, daß der Test ausgeführt werden kann, während die Klinge im Gewebe ist. Die Verlagerung weg von der primären Resonanz ist sehr kurz. Daher ändert sich die Gewebebelastung während der kurzfristigen Verlagerung nicht zusehends. Dadurch beeinflussen die Auswirkungen der Gewebebelastung die Resonanzfrequenzen und die sich ergebenden Möglichkeiten, Quermoden zu erfassen, nicht wesentlich. Dementsprechend kann das Diagnoseverfahren ausgeführt werden, während das System verwendet wird, insbesondere bei Stufe 5 oder 4, wo am wahrscheinlichsten Probleme mit der von Quermoden erzeugten Wärme auftreten. Das Verfahren entsprechend der Erfindung kann periodisch ausgeführt werden, z. B. alle 10 Sekunden, während der Generator das Handstück oder die Klinge antreibt, während einer vom Bediener eingeleiteten Diagnose und/oder zu anderen gewünschten Zeiten, wie z. B. während die Klinge frei in der Luft gehalten wird oder in Kontakt mit Gewebe ist.
Während der Verwendung, wie z. B. während der Verwendung bei der Stufe 5 und/oder der Stufe 4, die wahrscheinlicher eine erhebliche Querbewegung anregen oder hervorrufen als während der Verwendung bei der Stufe 1, Stufe 2 oder Stufe 3, wird die Antriebsfrequenz für einen kurzen Zeitraum periodisch geringfügig von der primären Resonanz weg bewegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird die primäre Resonanz um ca. 50 bis 500 Hertz geändert und der kurze Zeitraum beträgt ca. 10 Millisekunden bis 0,5 Sekunden. Wenn sich die Ausgangsleistung, der Ausgangsstrom oder andere Parameter wesentlich verschieben (d. h. die Impedanz sich bspw. zusehends erhöht), dann wird eine Querfrequenz mittels einer Anregung von der primären Frequenz angetrieben oder ist kurz davor, angetrieben zu werden. Zum Beispiel kann der Generator die Klinge mit der primären, beabsichtigen Resonanz antreiben und, wenn eine Quermodusresonanz nahe liegt, ist es sehr wahrscheinlich, daß diese mehr von der geringfügigen Frequenzverschiebung in Richtung dieser Quermodenresonanz angeregt wird. Selbst eine geringfügige Verschiebung von der primären Resonanz ruft eine erhebliche Energiekopplung mit irgendeiner nahen Quermodenresonanz hervor. Der Unterschied in der Impedanz und/oder der Leistung ändert sich, wenn die Verschiebung von der primären Resonanz zu der geringfügig von der Resonanz abweichenden Frequenz gemessen und mit einer erwarteten Impedanzänderung für ein geeignet funktionierendes System ohne Querzustände verglichen wird. Wenn eine Quermodenresonanz problematisch ist oder kurz davor ist, problematisch zu werden, werden sich die geringfügig abweichenden Resonanzimpedanzänderungen von einem funktionstauglichen Handstück gegenüber einem problematischen Handstück mit Quermoden unterscheiden. In der bevorzugten Ausführungsform sind die gemessenen Änderungen die Leistungsstufe, die Stromstufe, die Impedanz, die Phase oder dergleichen.
Der Vergleich mit einem geeignet funktionierenden System ohne Quermodenzustände kann sich gründen auf ausgebildete akzeptable/nicht akzeptable Kriterien und/oder auf das Ausführen einer Messung, wenn zuerst eine bestimmte Klinge verwendet wird, um eine Grundlinienmessung zu erhalten, die verläßlich ist. Die nächsten Querfrequenzen werden z. B. bestimmt durch ein Überstreichen der normalen Umgebung der Antriebssignalfrequenz der erwarteten primären Resonanz und Identifizieren jedweder Resonanzen, die existieren. Ein der artiges Überstreichen wird ausgeführt, wenn eine Klinge zum ersten Mal auf einem Handstück installiert wird. Folgend treibt der Generator periodisch das Handstück oder die Klinge mit diesen bestimmten Querfrequenzen an, um jedwede Verschiebung zu überwachen, die auftritt. Wenn die Art der Klinge, die an dem Handstück befestigt ist, bekannt ist, können die ausgebildeten akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwerte für diese Klinge alternativ genauer bestimmt werden, ohne daß ein Überstreichen für die tatsächlich verwendete Klinge vor der Verwendung notwendig ist.
Unter der Kontrolle des Programmes, das in dem DSP oder dem Mikroprozessor 60, der in den 3a und 3b gezeigt ist, gespeichert ist, wird das Verfahren der Erfindung implementiert durch Verwenden der Ultraschallantriebseinheit, um das Handstück oder die Klinge mit der primären Resonanzfrequenz anzutreiben, wie in dem Schritt 600 angezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die primäre Resonanzfrequenz 55 kHz.
Die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, wird gemessen, wie in dem Schritt 610 angezeigt. Die primäre Antriebsfrequenz wird um ca. 200 Hz nach unten verschoben, wie in dem Schritt 620 angezeigt. Eine Messung der Impedanz des Handstückes wird ausgeführt, wie in dem Schritt 630 angezeigt. Es erfolgt eine Überprüfung, um festzustellen, ob die Impedanz des Handstückes an der primären Resonanz nicht mehr als 20% kleiner ist als die Impedanz des Handstückes, die bei 200 Hz unterhalb der primären Frequenz gemessen wurde, wie in dem Schritt 640 angezeigt.
Wenn die Impedanz des Handstückes an der primären Resonanz mehr als 20% kleiner als die Impedanz, die bei 200 Hz unterhalb der primären Frequenz gemessen wurde, ist, dann wird eine Warnung oder ein Alarm erzeugt, um anzuzeigen, daß eine Querfehlfunktion vorliegt, wie in dem Schritt 650 angezeigt. Wenn die Impedanz des Handstückes an der primären Resonanz nicht mehr als 20% kleiner als die Impedanz des Handstückes bei 200 Hz unterhalb der primären Frequenz ist, wird die Antriebsfrequenz nach oben um ca. 200 Hz über die primäre Resonanzfrequenz verschoben, wie in dem Schritt 660 angezeigt. Die Impedanz des Handstückes wird gemessen, wie in dem Schritt 670 angezeigt. Es erfolgt eine Überprüfung, um festzustellen, ob die Impedanz des Handstückes an der primären Resonanz nicht mehr als 20% kleiner als die Impedanz des Handstückes, die bei 200 Hz oberhalb der primären Frequenz gemessen wurde, ist, wie in dem Schritt 680 angezeigt.
Wenn die gemessene Impedanz des Handstückes an der primären Resonanz nicht mehr als 20% kleiner als die Impedanz des Handstückes, die bei 200 Hz oberhalb der primären Frequenz gemessen wurde, ist, dann wird eine Pause eingeleitet (Schritt 685) und es erfolgt ein Sprung zurück zu dem Schritt 600. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Pause ca. 10 Sekunden. Wenn auf der anderen Seite die Impedanz des Handstückes bei der primären Resonanz mehr als 20% kleiner als die Impedanz des Handstückes, die bei 200 Hz oberhalb der primären Frequenz gemessen wurde, ist, dann erfolgt ein Sprung zu dem Schritt 650, wo die Warnung oder der Alarm erzeugt wird, um anzuzeigen, daß eine Querfehlfunktion in dem Handstück oder der Klinge vorliegt. Alternativ kann die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, gemessen werden, wobei ein konstanter Antrieb verwendet wird. Wenn Schwingungen im Quermodus vorliegen, wird die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, zusehends größer.
7 ist ein Flußdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wenn ein funktionstauglicher Wandler und eine funktionstaugliche Klinge angetrieben werden, während diese frei in die Luft gehalten werden, folgen der Verlauf der abgegebenen Leistung über die Antriebsstromstufe und der Verlauf der Impedanz des Handstückes oder der Klinge die Antriebsstromstufe einer bekannten mathematischen Beziehung. In dem Falle des Verlaufs der Impedanz des Handstückes oder der Klinge über dem Antriebsstrom ist die mathematische Beziehung eine ungefähr gerade Linie (d. h. die Impedanz, die von dem Generator gemessen wird, ist unabhängig von der Antriebsstromstufe) und in dem Fall des Verlaufs der abgegebenen Leistung über der Antriebsstromstufe ist die mathematische Beziehung quadratisch, wie in 9 gezeigt. Diese mathematischen Beziehungen bleiben unabhängig von der Art der Klinge, die mit dem Handstück verwendet wird, gültig.
Liegt ein Querverhalten vor, so folgen der Verlauf der abgegebenen Leistung über der Antriebsstromstufe und der Verlauf der Impedanz des Handstückes oder der Klinge über der Antriebsstromstufe nicht den bekannten mathematischen Beziehungen. Ein Querverhalten wird angezeigt, wenn die Leistung in die Wandler- und Klingenkombination für eine gegebene Belastung (in diesem Fall während die Klinge freistehend betrieben wird oder frei in die Luft gehalten wird) größer ist als erwartet für die bestimmte Leistungsstufe, die an der Klinge anliegt (d. h. eine höhere Impedanz und höhere Leistung), wie in 10 gezeigt.
Unter der Kontrolle des Programmes, das in dem DSP oder dem Mikroprozessor 60, der in den 3a und 3b gezeigt ist, gespeichert ist, während die Klinge freistehend in der Luft gehalten wird, ist das Verfahren der Erfindung implementiert durch Verwenden der Ultraschallantriebseinheit, um die Antriebsstromstufe, die dem Handstück oder der Klinge zugeführt wird, von einer minimalen Antriebsstromstufe bis zu einer maximalen Antriebsstromstufe zu überstreichen, wie in dem Schritt 700 angezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die minimale Stromstufe 100 mA RMS (Effektivwert) und die maximale Stromstufe 425 mA RMS (Effektivwert).
Während des Überstreichens des Stromes werden die Höhe der Wandlerspannung und die Höhe des Antriebsstromes überwacht und in einen nicht flüchtigen Speicher, der in dem Generator angeordnet ist, gespeichert, wie in dem Schritt 710 angezeigt. Unter Verwendung der gespeicherten Spannungs- und Stromdaten wird die Leistung, die an den Wandler abgegeben wird, berechnet und die Ansprechkurve der abgegebenen Leistung über die Antriebsstromstufe und die Ansprechkurve der Impedanz des Handstückes oder der Klinge über die Antriebsstromstufe werden erzeugt, wie in dem Schritt 720 angezeigt.
Unter Verwendung der erzeugten Ansprechkurven wird eine Extrapolation ausgeführt, um festzustellen, ob das Handstück oder die Klinge Schwingungen im Quermodus aufzeigen, die Wärme erzeugen können, wie in dem Schritt 730 angezeigt. Die Extrapolation umfaßt ein Überprüfen der erzeugten Ansprechkurven, um festzustellen, ob diese eine Beziehung darstellen, die äquivalent ist zu einer geraden Linie (bspw. für die Impedanzvergleiche) oder eine Beziehung, die quadratisch (bspw. für die Leistungsvergleiche) ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die quadratische Beziehung in Übereinstimmung mit Gleichung 1. Wenn ein Querverhalten vorliegt (Schritt 740), d. h. die Kurven nicht den erwarteten mathematischen Beziehungen folgen (d. h. die Beziehungen werden überschritten), wird der Betrieb des Generators verhindert, ein „Schwingungen im Quermodus liegen in dem Handstück oder der Klinge vor"-Fehlercode wird in dem Generator gespeichert und eine „Fehlerhaftes Handstück"-Nachricht wird auf der LCD der Konsole angezeigt, wie in dem Schritt 745 angezeigt. Auf der anderen Seite, wenn die Verläufe mit den erwarteten mathematischen Beziehungen konsistent sind, dann ist das Handstück oder die Klinge funktionstauglich, da diese(s) keine Schwingungen im Quermodus aufweist, wie in dem Schritt 750 angezeigt.
8a und 8b sind Flußdiagramme, die das Verfahren einer weiteren offenbarten Ausführungsform zeigen. Unter der Kontrolle des Programmes, das in dem DSP oder dem Mikroprozessor 60, der in den 3a und 3b gezeigt ist, gespeichert ist, wird das Verfahren implementiert durch Verwenden des Ultraschallgenerators, um das Handstück oder die Klinge anzuregen, während diese(s) frei in die Luft gehalten wird, wie in dem Schritt 800 angezeigt. Während die Klinge weiterhin frei in der Luft gehalten wird, wird die Impedanz des Handstückes oder der Klinge bei der Leistungsstufe 1 gemessen, wie in dem Schritt 810 angezeigt. Unter Verwendung der gemessenen Impedanz des Handstückes oder der Klinge bei der Stufe 1 wird die erwartete Impedanz für die Leistungsstufe 5 berechnet und ein akzeptabler/nicht akzeptabler Schwellwert wird für die Leistungsstufe 5 basierend auf der erwarteten Impedanz berechnet, wie in dem Schritt 820 angezeigt. Die akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwerte werden als ein fester Prozentsatz oberhalb der berechneten erwarteten Leistung, die gemessen wird, wenn keine Querschwingungen in dem Handstück oder der Klinge vorliegen, festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Schwellwert auf ca. 10% oberhalb der erwarteten gemessenen Impedanz festgelegt.
Die tatsächliche Impedanz des Handstückes oder der Klinge bei der Leistungsstufe 5 wird gemessen, wie in dem Schritt 830 angezeigt. Als nächstes wird die tatsächlich gemessene Impedanz mit dem akzeptablen/nicht akzeptablen Schwellwert für die Leistungsstufe 5 verglichen, wie in dem Schritt 840 angezeigt. Wenn die tatsächlich gemessene Impedanz größer ist als der jeweilige akzeptable/nicht akzeptable Schwellwert (Schritt 850), dann wird der Betrieb des Generators verhindert, ein „Schwingungen im Quermodus liegen in dem Handstück oder der Klinge vor"-Fehlercode wird in dem Generator gespeichert und eine „Fehlerhaftes Handstück"-Nachricht wird auf der LCD der Konsole angezeigt, wie in dem Schritt 855 angezeigt. Auf der anderen Seite, wenn keine der tatsächlich gemessenen Impedanzen größer als der jeweilige akzeptable/nicht akzeptable Schwellwert ist, dann ist das Handstück oder die Klinge funktionstauglich, da dieses keine Schwingungen im Quermodus aufweist, wie in dem Schritt 860 angezeigt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird festgestellt, ob der Schaltkreis in einem Querzustand antreibt oder ob Quermoden davor sind, aufzutreten. Während der Verwendung des Systems, bevorzugt beim Betreiben mit der Stufe 5, die geeigneter ist, eine bedeutende Querbewegung anzuregen, wird die Antriebsfrequenz insbesondere periodisch kurzzeitig geändert, so daß diese geringfügig außerhalb der Resonanz (d. h. oberhalb/unterhalb der primären Resonanz/Hauptresonanz) liegt. Dort wird die Klinge weiterhin im wesentlichen mit ihrer Hauptresonanzfrequenz angetrieben. Wenn eine Schwingung im Quermodus nahe liegt, ist es sehr wahrscheinlich, daß diese von der geringfügig verschobenen Antriebsfrequenz stärker angeregt wird. Es ist beabsichtigt, sich nicht zu weit von dem primären Resonanzpeak (bspw. ca. 100 bis 500 Hz) zu entfernen, so daß es weiterhin einen nennenswerten Anteil an Energiekopplung mit der primären Resonanz und ebenso mit irgendwelchen naheliegenden Schwingungen im Quermodus gibt.
Als nächstes erfolgt eine Überprüfung des Unterschiedes in der Impedanz und/oder der Leistung, wenn eine Verschiebung von der primären Resonanzfrequenz zu der geringfügig von der Resonanz abweichenden Frequenz erfolgt. Beispielsweise wird ein Vergleich einer gemessenen Leistungsänderung mit einer erwarteten Leistungsänderung für ein geeignet funktionierendes nicht problematisches System, das keine Quermoden aufweist, ausgeführt. Wenn ein Quermodus problematisch ist, oder kurz davor steht, problematisch zu werden, werden die geringfügig verschobenen Resonanzänderungen eines funktionstauglichen Handstückes oder einer funktionstauglichen Klinge sich von einem problematischen Handstück oder einer problematischen Klinge unterscheiden. Die Überprüfung bei einer geringfügigen Verschiebung von der Resonanz ist kurz und für den Bediener relativ transparent. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Vergleich von Messungen auf der Resonanz und von Messungen bei geringfügiger Abweichung von der Resonanz durchgeführt zwischen der Leistung, der Impedanz, der Phasenverschiebung oder einer weiteren Variablen. Der Vergleich erfolgt mindestens zwischen einer der folgenden Größen: einem Absolutwert, einem Delta, einer Änderungsrate und/oder einer zweiten Ableitung.
Wenn Schwingungen im Quermodus erfaßt werden, kann die Queraktivität abgeschwächt werden durch Verschieben der primären Resonanzantriebsfrequenz derart, daß diese geringfügig aus der Mitte der Resonanzfrequenz verschoben wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz in eine Richtung gegenüber der Quersensitivität verschoben. Die Überprüfung auf eine Queraktivität wird wiederholt und, wenn die Abschwächungen das Querverhalten nicht beenden, der Betrieb des Ultraschallsystems beendet und/oder der Bediener über die ungewünschten Zustände alarmiert. Die vorliegende Ausführungsform stellt ein Mittel bereit, um ein Überhitzen der Klinge, eine Beschädigung der Klinge oder ein Überhitzen des Handstückes zuverlässig zu verhindern.
In einer alternativen offenbarten Ausführungsform wird eine mehrstufige-Antriebsleistungüber-abgegebene-Leistung-Beziehung und/oder eine mehrstufige-Antriebsleistung-über-Impedanz-Beziehung verwendet, um mögliche Quermodenprobleme zu erfassen oder vorherzusagen, zusammen mit einem „Übersteuern" des Handstückes bei einer oder mehreren Leistungsantriebsstufen, jenseits des normalen Bereiches von verwendeten Leistungsstufen. Diese „Übersteuerungs"-Leistungsstufen sind besonders effektiv beim schnellen Identifizieren von problematischen oder möglicherweise problematischen Quermodenzuständen.
In einer weiteren offenbarten Ausführungsform wird die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, bei mehreren Frequenzen gemessen, während ein hohes Leistungsantriebssignal an dem Handstück anliegt. Alternativ wird ein „Übersteuern" verwendet. Hier werden drei Frequenzen, d. h. eine erste Frequenz, eine zweite Frequenz und eine dritte Frequenz, in nächster Nähe zueinander vermessen. Die erste Frequenz ist die primäre Resonanzfrequenz, die auch als Hauptfrequenz oder beabsichtigte Resonanzfrequenz des Handstückes oder der Klinge bezeichnet wird. Die zweite Frequenz befindet sich geringfügig unterhalb der ersten Frequenz. Die dritte Frequenz befindet sich geringfügig oberhalb der ersten Frequenz.
Im allgemeinen ist die Leistungsstufe 5 die maximale Leistung, d. h. Ausgangsleistung während der Verwendung. Diese Leistung ist die größte beabsichtigte Stufe zum Ausführen einer Messung der Leistung, die an das Handstück abgegeben wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch eine Leistung (d. h. ein Strom) jenseits der Stufe 5 kurzzeitig (bspw. 100 Millisekunden) an dem Handstück oder der Klinge angelegt. Diese kurzzeitig angelegte Leistung hat eine geringe Wirkung auf das Gewebe, leitet jedoch eine erheblich größere Leistung in das Handstück, um effektiver mit benachbarten Querresonanzfrequenzen zusammenzuwirken und effektiver mögliche Quermodenprobleme zu identifizieren. Im Ergebnis stellt das „Übersteuern" eine bessere Möglichkeit dar, mögliche problematische Quermoden zu identifizieren, da dieser beabsichtigt übertriebene Antrieb eine verbesserte Möglichkeit mit sich bringt, schnell ein Querresonanzansprechen hervorzurufen, das andernfalls nicht sichtbar wäre oder nicht entsprechend hervorträte, wenn das Antreiben in dem normalen maximalen Bereich, der mit der Leistungsstufe 5 verbunden ist, erfolgte. Alternativ können mehrere „Übersteuerungen" verwendet werden, um schnell Nichtlinearitäten zwischen Leistungsstufen zu identifizieren und dadurch mögliche Quermodenzustände aufzudecken und die Notwendigkeit zu verringern, Messungen mit niedrigeren Betriebsstufen auszuführen.
Alternativ wird das Handstück oder die Klinge vorübergehend mit einer „Übersteuerungs"-Leistungsstufe betrieben, die ca. 10% oberhalb der maximalen Leistungsstufe 5 während des Betriebes liegt. Wenn Quermoden vorliegen oder sich äußern, deckt ein derartiges „Übersteuern" schnell eine erheblich höhere Leistung oder andere Impedanz als normalerweise in Stufe 5 erwartet auf. In einer Ausführungsform beruhen die Vergleiche auf Tabellen von typischerweise erwarteten akzeptablen/nicht akzeptablen Grenzwerten, die über Klingentypen, wie z. B. eine automatische Klingenidentifikation oder ein manuell eingegebener Klingentyp, indiziert sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Vorliegen von Schwingungen im Quermodus bestimmt durch ein Überwachen sowohl der Wandlerantriebsspannung wie auch des Wandlerantriebsstromes, um zu erfassen, ob der Verlauf der Handstück- oder Klingenimpedanz über der Frequenz oder der Verlauf der abgegebenen Leistung über der Frequenz von der erwarteten Kurve, die relativ steil ist, abweichen. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform wird die Frequenz, während die Klinge frei in der Luft oder in Gewebe gehalten wird, von einer minimalen Frequenz bis zu einer maximalen Frequenz überstrichen. Während des Frequenzüberstreichens wird die Höhe der Wandlerspannung und die Höhe des Antriebsstromes überwacht und in einen Speicher, der in dem Generator oder in der Klinge angeordnet ist, gespeichert. Unter Verwendung der gespeicherten Spannungs- und Stromdaten wird die Leistung, die an das Handstück abgegeben wird, berechnet und die Ansprechkurve der abgegebenen Leistung über der Frequenz und die Ansprechkurve der Handstück- oder Klingenimpedanz über der Frequenz erzeugt. Unter Verwendung der erzeugten Ansprechkurven wird eine Extrapolation ausgeführt, um festzustellen, ob das Handstück oder die Klinge Schwingungen im Quermodus aufweist oder sich in einem Grenzbereich befindet und daher kurz davor ist, ein Quermodenverhalten aufzuzeigen. Derartige Quermoden können Wärme an ungewünschten Stellen in dem System erzeugen, was gefährlich sein kann. Wenn festgestellt wird, daß eine Quermodenresonanz vorliegt, wird eine Warnung oder ein Alarm von dem Generator erzeugt, um es dem Bediener zu ermöglichen, das System im Betrieb zu halten oder andere geeignete Schritte vorzunehmen. In alternativen Ausführungsformen beendet der Generator automatisch das Antreiben des Handstückes.
In einer weiteren offenbarten Ausführungsform wird das Vorliegen einer Schwingung im Quermodus erfaßt durch das Berechnen von Verhältnissen der gemessenen Impedanzen bei mehreren Leistungsstufen und Bestimmen, ob Querschwingungen basierend auf den berechneten Verhältnissen vorliegen. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Impedanz bei Stufe 5 gemessen und die Impedanz bei Stufe 1 gemessen. Als nächstes wird das Verhältnis der vermessenen Leistungsstufen mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob Querschwingungen vorliegen. In bevorzugten Ausführungsformen ist der vorbestimmte Schwellwert 1,6.
In einer weiteren offenbarten Ausführungsform werden vorbeugende Maßnahmen verwendet, um das Auftreten von Querresonanzen zu verhindern oder abzumildern. Häufig werden Querresonanzen durch Frequenzen nahe bei oder an der primären Resonanz angeregt. Der „Frequenzunterschied" zwischen derartigen Resonanzen kann sich während des Verwendens aufgrund einer Erwärmung der Klinge verringern, was möglicherweise zu einem unbeabsichtigten Antreiben des Handstückes oder der Klinge mit Querfrequenzen führen kann. Durch ein periodisches Überwachen der nächsten Querresonanzfrequenz kann der Unterschied zwischen derartigen Resonanzfrequenzen bestimmt werden und die relative Wahrscheinlichkeit, das Handstück oder die Klinge versehentlich mit Querfrequenzen anzutreiben, kann gemessen und verwendet werden, mögliche Quermodenprobleme vorauszusehen. Beispielsweise neigen höhere Antriebsstufen dazu, die Klinge schneller aufzuwärmen und somit den Unterschied schneller zu verringern. Diese vorausschauende Information wird verwendet, dann den Antrieb des Wandlers anzuhalten, einen Bediener zu warnen, daß ein mögliches Querproblem bald auftreten kann, oder die primäre Antriebsfrequenz zu ändern, um diese geringfügig weg von der idealen Resonanz zu einer Frequenz, die weiter entfernt von der Querfrequenz liegt, zu bewegen. Die Größe des Unterschiedes, die Änderungsrate des Unterschiedes und/oder die zweite Ableitung des Unterschiedes kann verwendet werden, um die vorausschauende Information über die relative Wahrscheinlichkeit und/oder das Vorhandensein von Quermoden bereitzustellen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung steht der Strom (d. h. die „Leistungsstufe") mit der Leistung über die Beziehung P = I²·Z in Beziehung, wobei der Strom I in rms Ampere angegeben ist und Z der Realteil der Impedanz ist. Daher gilt für eine erste niedrige Stufe P₁ = I 2 / 1·Z₁. Bei einer zweiten hohen Stufe gilt P₂ = I 2 / 2·Z₂. In den Fällen, in denen Z nicht ansteigt (oder abfällt), gilt dementsprechend P₂/P₁ = (I₂/I₁)². In dem Fall, in dem die tatsäch lichen Messungen von P₁ und P₂ zeigen, daß P₂/P₁ > (I₂/I₁)² ist, liegen dementsprechend Querschwingungen in dem Handstück vor.
Durch Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine Anzeige möglich, ob ein Handstück, das die Leistungsstufentests nicht bestanden hat, Schwingungen im Quermodus aufweisen wird. Zusätzlich können, als Folge der mathematischen Beziehung, die unabhängig von dem Klingentyp gültig bleibt, die Verfahren für jede Handstück/Klingen-Kombination verwendet werden. Ferner ermöglichen die Verfahren einen sicheren Betrieb des Handstückes durch Verhindern einer Überhitzung der Klinge, wodurch ein Schaden an der Klinge verhindert oder eine Verletzung einer Person, die das Handstück bedient, verhindert wird.
Obwohl die Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt wurde, sollte festgestellt werden, daß dies durch Darstellung und Beispiel erfolgte und nicht als Begrenzung zu verstehen ist. Der Bereich der vorliegenden Erfindung ist nur durch die Ausdrücke der angefügten Ansprüche zu begrenzen.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Querschwingungen in einem Ultraschallhandstück (30), wobei das genannte Handstück frei in der Luft gehalten wird, mit folgenden Schritten: Aufbringen (600) eines Antriebssignals bei einer primären Resonanzfrequenz auf ein Ultraschallhandstück unter Verwendung eines Ultraschallgenerators; Messen (610) der Impedanz des Handstücks an der primären Resonanzfrequenz; Verlagern (620) der primären Resonanzfrequenz des Antriebssignals; Messen (630) der Impedanz des Handstücks an der verlagerten Resonanzfrequenz; Vergleichen (640) der gemessenen Impedanz bei der primären Resonanzfrequenz mit der Impedanz des Handstücks an der verlagerten Resonanzfrequenz; und wenn die gemessene Impedanz größer ist als eine vorbestimmte Schwelle, Anzeigen (650) einer Nachricht auf einer Flüssigkristallanzeige des Generators.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Verlagerns den Schritt umfaßt: Verlagern (620) der Antriebsfrequenz um eine erste Frequenz nach unten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz etwa 200 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Resonanz etwa 55 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens (640) den Schritt umfaßt: Bestimmen, ob die Impedanz des Handstücks bei der ersten Resonanz nicht mehr als 20% niedriger liegt als die Impedanz des Handstücks an der verlagerten Resonanzfrequenz; und Auslösen (650) eines Alarms, um anzuzeigen, daß eine Fehlfunktion in Querrichtung existiert, wenn die Impedanz des Handstücks bei der ersten Resonanz mehr als 20% niedriger liegt als die Impedanz des Handstücks bei der verlagerten Resonanzfrequenz.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt: Verlagern (660) der Antriebsfrequenz nach oben.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Verlagerns den Schritt umfaßt: Verlagern (660) der Antriebsfrequenz um eine vorbestimmte Frequenz oberhalb der primären Resonanz; und Messen (670) der Impedanz des Handstücks bei der vorbestimmten Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Frequenz etwa 200 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, weiter umfassend den Schritt: Vergleichen (680) der gemessenen Impedanz bei der primären Frequenz mit der gemessenen Impedanz bei der vorbestimmten Frequenz oberhalb der primären Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens (680) den Schritt umfaßt: Bestimmen, ob die Impedanz des Handstücks bei der primären Resonanz nicht mehr als 20% niedriger liegt als die Impedanz des Handstücks bei der vorbestimmten Frequenz oberhalb der primären Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter umfassend den Schritt: Einleiten (685) einer Pause, wenn die Impedanz des Handstücks bei der primären Resonanz nicht mehr als 20% niedriger liegt als die Impedanz des Handstücks bei der vorbestimmten Frequenz oberhalb der primären Frequenz; und Zurückkehren zu dem Schritt des Anlegens (600) des Antriebssignals bei der primären Resonanzfrequenz an das Ultraschallhandstück unter Verwendung des Ultraschallgenerators.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pause zumindest 10 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, weiter umfassend den Schritt: Auslösen (650) eines Alarms, wenn die Impedanz des Handstücks bei der primären Resonanz mehr als 20% niedriger ist als die Impedanz des Handstücks bei der vorbestimmten Frequenz oberhalb der primären Frequenz.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssignal ein konstantes Stromniveau aufweist.
Verfahren zum Erfassen von Quervibrationen in einem Ultraschallhandstück (30), wobei das genannte Handstück frei in der Luft gehalten wird, mit den Schritten: Überstreichen (700) eines Antriebssignals, das eine Spannung und einen Strom aufweist, angelegt an ein Ultraschallhandstück oder eine Schneide, unter Verwendung eines Ultraschallgenerators; Überwachen (710) und Speichern der Spannungen und Ströme, die an das Handstück oder die Klinge angelegt werden, in einem nicht flüchtigen Speicher, der sich in dem Ultraschallgenerator befindet; Berechnen (720) der Leistung, die an das Handstück abgegeben worden ist, auf der Grundlage der gespeicherten Spannungen und der gespeicherten Ströme; Erzeugen (720) von Ansprechkurven auf der Grundlage der gespeicherten Spannungen und der gespeicherten Ströme; Durchführen einer Extrapolation (730) unter Verwendung der Ansprechkurven, um zu bestimmen, ob das Handstück oder die Klinge Quermoden zeigt; und wenn das Handstück oder die Klinge Quermoden (740) zeigt, Anzeigen (745) einer Nachricht auf einer Flüssigkristallanzeige des Generators.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachricht ein „Handstück oder Klinge enthält Schwingungen im Quermodus"-Nachricht ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überstreichens den Schritt umfaßt: Anlegen (700) des Antriebssignals von einem minimalen Antriebsstromniveau bis zu einem maximalen Antriebsstromniveau.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das minimale Antriebsstromniveau etwa 100 ma RMS beträgt, und daß das maximale Antriebsstromniveau etwa 425 ma RMS beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechkurven zumindest eine ist/sind von: Verlauf der abgegebenen Leistung über dem Antriebsstromniveau, und Verlauf der Impedanz des Handstücks oder der Klinge über dem Antriebsstromniveau.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrapolation (730) den Schritt aufweist: Überprüfen der erzeugten Antwortkurven, um festzustellen, ob irgendeine Kurve zumindest folgendes zeigt: eine gerade Linie oder eine Beziehung, die quadratisch ist.
Ultraschall-Chirurgiesystem mit einem steuerbaren Ultraschallenergiegenerator und einem Handstück (30) mit einer Klinge (32), die bei einer Ultraschallresonanzfrequenzrate durch Energie von dem Generator in Schwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator umfaßt: ein Mittel (60, 78, 128) zum Anlegen eines Antriebssignals bei einer primären Resonanzfrequenz an das Handstück; ein Mittel (60, 80, 92) zum Messen der Impedanz des Handstücks bei der primären Resonanzfrequenz; ein Mittel (60) zum Verlagern der primären Resonanzfrequenz des Antriebssignals; ein Mittel (60, 88, 92) zum Messen der Impedanz des Handstücks bei der verlagerten Resonanzfrequenz; ein Mittel (60) zum Vergleichen der gemessenen Impedanz bei der primären Resonanzfrequenz mit der Impedanz des Handstücks bei der verlagerten Resonanzfrequenz; und ein Mittel (60, 152) zum Anzeigen einer Nachricht auf einer Flüssigkristallanzeige (12), wenn die gemessene Impedanz größer als eine vorbestimmte Schwelle ist.
System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß es dafür angepaßt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
Ultraschall-Chirurgiesystem mit einem steuerbaren Ultraschallenergiegenerator und einem Handstück (30) mit einer Klinge (32), die bei einer Ultraschallresonanzfrequenzrate durch Energie an dem Generator in Schwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator umfaßt: ein Mittel (60) zum Überstreichen eines Antriebssignals, das eine Spannung und einen Strom aufweist, angelegt an das Handstück oder die Klinge; einen nicht flüchtigen Speicher zum Überwachen und Speichern von Spannungen und Strömen, die an das Handstück oder die Klinge angelegt werden; ein Mittel (60) zum Berechnen der Leistung, die an das Handstück abgegeben worden ist, auf der Grundlage der gespeicherten Spannungen und der gespeicherten Ströme; ein Mittel (60) zum Erzeugen von Ansprechkurven auf der Grundlage der gespeicherten Spannungen und der gespeicherten Ströme; ein Mittel (60) zum Ausführen einer Extrapolation unter Verwendung der Ansprechkurven, um zu bestimmen, ob das Handstück oder die Klinge Quermoden zeigt; und ein Mittel (60, 152) zum Anzeigen einer Nachricht auf einer Flüssigkristallanzeige (12), wenn das Handstück oder die Klinge Quermoden zeigt.
System nach Anspruch 23, das dazu angepaßt ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20 auszuführen.