DE69326810T2 - Schaltkreis für eine Phakoemulgator-Sonde mit Schalter-Ansteuerung - Google Patents

Schaltkreis für eine Phakoemulgator-Sonde mit Schalter-Ansteuerung

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Phakoemulsifikation, und spezieller betrifft sie Ansteuerungsschaltungen für Phakoemulsifikationssonden.
  • Die Verwendung von Ultraschall-Handstücken oder -sonden zum Entfernen von Linsentrübungen im menschlichen Auge ist wohlbekannt. Typischerweise nutzt dieser, als Phakoemulsifikation bezeichnete Vorgang Ultraschallsonden zum Zerstören von Linsentrübungen im Auge, kombiniert mit einem Absaugen der sich ergebenden Rückstände. Ultraschall-Phakoemulsifikationssonden enthalten herkömmlicherweise einen piezoelektrischen Kristall (Kristalle), der an einem Sondenkörper befestigt ist. Der Kristall wird durch eine elektrische Spannungsquelle betrieben und wandelt die elektrische Leistung in Ultraschallleistung um, die durch die Sonde an die Linsentrübung ausgegeben wird.
  • Das Ausmaß der durch die Sonde ausgegebenen Leistung ist eine Funktion der Frequenz und der Amplitude des ansteuernden elektrischen Signals, und es befindet sich typischerweise unter Steuerung durch den die Sonde verwendenden Chirurgen. Es ist bekannt, dass die Frequenz des angelegten elektrischen Signals auf die Resonanzfrequenz der Sonde eingestellt werden sollte, um eine wirkungsvolle Leistungswandlung zu erzielen.
  • Bekannte Ansteuerungsschaltungen für Phakoemulsifikationssonden wirken ausreichend, jedoch könnten sie verbessert werden. Z. B. zeigen bekannte Ansteuerungsschaltungen ein Niveau des Energieverbrauchs, das höher ist, als es wünschenswert ist. Dieses hohe Niveau des Energieverbrauchs wirkt nicht nur ineffizient, sondern es führt auch zu anderen Mängeln. Höherer Energieverbrauch erzeugt mehr Wärme, benötigt die Nutzung größerer Wärmesenken als es wünschenswert ist, erhöht das Gesamtgewicht und die Größe des Bauteils und benötigt möglicherweise zusätzliche Kühllüfter oder andere Einrichtungen zum Abführen der Überschusswärme.
  • Der Stand der Technik offenbart eine Anzahl von Phakoemulsifikationssonden- Systemen, wie dasjenige, das im US-Patent Nr. 4,587,958 offenbart ist. Dieses US-Patent Nr. 4,587,958 offenbart ein Phakoemulsifikationssonden- System mit einem Ultraschallhandstück mit einem Wandler zum Umwandeln elektrischer Leistung in Ultraschallleistung zur Ausgabe an den Patienten, einer Treiberschaltungseinrichtung zum Zuführen elektrischer Leistung zum Ultraschallhandstück-Wandler, einer Einrichtung zum Erfassen der durch die Ansteuerungsschaltungseinrichtung zum Ultraschallhandstück-wandler gelieferten elektrischen Leistung und zum Liefern elektrischer Signale, die die Größe der durch die Ansteuerungsschaltungseinrichtung gelieferten elektrischen Leistung anzeigen, einer von Hand betätigbaren Eingabeeinrichtung zum Liefern eines Signals, das das vom Benutzer gewünschte Wandlerleistungsniveau für das Phakoemulsifikationssonden-System anzeigt, und einer Steuerungsschaltungseinrichtung, die auf das das gewünschte Wandlerleistungsniveau anzeigende Signal und auf Signale reagiert, die die Größe der gelieferten elektrischen Leistung anzeigen, um Steuersignale an die Ansteuerungsschaltungseinrichtung zum Steuern der abgegebenen Leistung und zum Steuern des Wirkungsgrads der Leistungsabgabe zu liefern.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Unter den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen der Erfindung kann das Bereitstellen einer Ansteuerungsschaltung für eine Phakoemulsifikationssonde mit verbessertem Wirkungsgrad genannt werden.
  • Eine zweite Aufgabe ist die Bereitstellung einer derartigen Sondenansteuerungsschaltung mit verringerter Größe und verringertem Gewicht.
  • Eine dritte Aufgabe ist die Bereitstellung einer derartigen Sondenansteuerungsschaltung mit verringerter Größe und verringertem Gewicht.
  • Andere Aufgaben und Merkmale werden nachfolgend teilweise erkennbar, und teilweise wird auf sie hingewiesen.
  • Ein erfindungsgemäßes Phakoemulsifikationssonden-System beinhaltet die im Anspruch 1 genannten Merkmale.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Phakoemulsifikationsson den-Systems; und
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, das die im System von Fig. 1 vorkommenden Spannungspegel veranschaulicht.
  • Ähnliche Bezugszeichen kennzeichnen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Teile.
    • Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Gemäß den Zeichnungen enthält ein erfindungsgemäßes Phakoemulsifikationssonden-System 11 ein Ultraschallhandstück oder eine Sonde 13 mit einem distalen Ende einer Größe, die in das Einführen des Auges eines Patienten zum Emulsifizieren von Linsentrübungen und dergleichen geeignet ist. Zu den Zwecken der Erfindung kann das Handstück 13 von beliebigem herkömmlichem piezoelektrischem Design sein, und es enthält einen herkömmlichen Wandler zum Wandeln elektrischer Leistung in Ultraschallleistung zur Abgabe an den Patienten (nicht dargestellt).
  • Es ist eine Ansteuerungsschaltung 15 vorhanden, um dem Wandler des Ultraschallhandstücks 13 elektrische Leistung zuzuführen. Die Spannung (in Fig. 1 mit VAPL bezeichnet) und der Strom (mit IAPL bezeichnet), wie sie tatsächlich von der Ansteuerungsschaltung geliefert werden, werden durch eine herkömmliche Spannungs- und Strommessschaltung 17 erfasst, und von der Messschaltung werden elektrische Signale, die die angelegte Spannung VAPL und den zugeführten Strom repräsentieren, an einen Steuerungscomputer 19 geliefert. Der Steuerungscomputer 19 kann ein herkömmlicher Mikroprozessor sein, der geeignet programmiert ist, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen.
  • Zusätzlich zu den Eingangssignalen VAPL und IAPL empfängt der Computer 19 ein Eingangssignal (mit F gekennzeichnet) von einer von Hand betätigten Eingabevorrichtung 21. Die Eingabevorrichtung 21 ist ein herkömmliches Fußpedal, durch das der Chirurg den Computer anzeigt, die Ausgangsleistung der Sonde 13 zu erhöhen oder zu erniedrigen.
  • Zu den Zwecken der Erfindung verfügt der Steuerungscomputer 19 über drei Ausgangssignale (mit V, A und "FREQ" gekennzeichnet), die an die Ansteuerungsschaltung 15 geliefert werden. In der Technik ist es bekannt, Steuerungssignale A und "FREQ" zu liefern, um die Ausgangsleistung auf das ge wünschte Niveau und auf die Resonanzfrequenz der Sonde einzustellen. Die Erfindung betrifft nicht nur das Steuerungssignal "FREQ", das so variiert werden kann, wie es im Stand der Technik angegeben ist. Vielmehr beschäftigt sie sich mit den Steuerungssignalen A und V.
  • Die Steuerungssignale A und "FREQ" vom Steuerungscomputer werden an einen herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillator 23 geliefert, dessen Ausgangssignal an einen Verstärker 25 der Klasse B geliefert wird. Die Spannung für den Verstärker der Klasse B wird von einem Schaltregler 27 erhalten, und das Ausgangssignal des Verstärkers 25 wird zum Betreiben eines Wandlers 29 geliefert. Das Ausgangssignal des Wandlers 29 wird an die Sonde geliefert, und dieses Ausgangssignal wird durch die oben beschriebene Messschaltung 17 erfasst.
  • Der Schaltregler 27 liefert eine Versorgungsspannung (mit VADJ bezeichnet) an den Verstärker 25, die eine Funktion des anderen Steuerungssignals vom Computer 19, d. h. des Steuerungssignals V, ist. Im allgemeinen wird das Steuerungssignal V dazu verwendet, den Wirkungsgrad beim Zuführen der Leistung zu kontrollieren, insbesondere zum wesentlichen Minimieren des Energieverbrauchs des Verstärkers, während das Steuerungssignal A dazu verwendet wird, das Niveau der an die Sonde ausgegebenen Leistung zu steuern.
  • Die Funktion des Systems 11 ist die folgende: während der Verwendung des Systems 11 (nach einer anfänglichen Einstellung des Steuerungssignals "FREg", um die Resonanzfrequenz der Sonde 13 aufzufinden, empfängt der Steuerungscomputer 19 ein Signal F vom Fußpedal 21, das das Niveau der Leistung repräsentiert, die der Benutzer an die Sonde 13 zu liefern wünscht. Der Computer 19 stellt daraufhin das Amplitudensteuerungssignal A für den spannungsgesteuerten Oszillator 23 ein, um der Sonde Leistung ungefähr auf dem gewünschten Niveau zuzuführen. Die tatsächlich angelegte Spannung und der zugeführte Strom VAPL und IAPL werden erfasst, und sie repräsentierende Signale werden an den Computer 19 geliefert, um die Regelungsschleife zwischen der Ansteuerungsschaltung und dem Computer 19 zu schließen. Der Computer benutzt diese Information betreffend die tatsächlich zugeführte Leistung zum Einstellen des Steuerungssignals A nach Bedarf zum Zuführen der gewünschten Leistung, wie sie dem Eingangssignal F entspricht, an die Sonde.
  • Obwohl die Steuerung des Signals A dazu führt, dass der Sonde die gewünschte Leistung zugeführt wird, wird keine Steuerung über den Wirkungsgrad der Ansteuerungsschaltung 15 erzielt. Um diesen Wirkungsgrad zu kontrollieren, und um dadurch den Energieverbrauch wesentlich zu minimieren, stellt der Computer 19 ferner das Steuerungssignal V für den Schaltregler 27 ein. Der Schaltregler (vorzugsweise ein spannungsverstärkender Regler, obwohl andere Arten von Schaltreglern ebenfalls verwendet werden könnten) wird mit einer festen Spannung (mit VFIXED gekennzeichnet) versorgt, die er so einregelt, wie dies durch das Steuerungssignal V angewiesen wird. Die Einstellung des Steuerungssignals V sorgt dafür, dass sich die Ausgangsversorgungsspannung VADJ des Schaltreglers auf kontrollierte Weise ändert.
  • Der Wert der Versorgungsspannung VADJ wird wie folgt bestimmt. Gemäß Fig. 2 ist die Spannung VB das dem Wandler 29 zugeführte Signal. Dieses Signal ist eine Sinuswelle der Amplitude VP. So weist die Spannung VB eine Spitze- Spitze-Amplitude von 2·VP auf. Der Verstärker 25 der Klasse· B arbeitet auf solche Weise, dass Folgendes gilt: VB = VADJ/2 + VP · sinwt. Der Computer steuert den Schaltregler 27 in solcher Weise, dass die Versorgungsspannung VADJ auf dem Pegel VADJ = 2·VP + 2·VM verbleibt, wenn VP auf das Fußpedalsignal F hin variiert wird. VM ist die vom Verstärker der Klasse B erforderliche Mindestspannung, damit das Signal ohne wesentliche Verzerrung korrekt durchgelassen wird. Wenn VADJ größer als dieser Wert (2'VP + VM) wäre, würde im Verstärker 25 überschüssige Leistung umgewandelt. Wenn VADJ kleiner als dieser Wert wäre, wäre das Signal verzerrt.
  • Es wurde herausgefunden, dass das erfindungsgemäße System für stark erhöhte Wirkungsgrade gegenüber dem Stand der Technik sorgt. Z. B. ist bei einem bekannten System die Versorgungsspannung VS auf einen gewissen Wert fixiert, der ausreichend groß dafür ist, dass die maximale Leistung beim größten Lastwiderstand an die Last geliefert werden kann. Zu Vergleichszwecken sei angenommen, dass beide Systeme (das bekannte und das gemäß Fig. 1) so konzipiert sind, dass sie eine maximale Leistung von 20 W an eine Last im Bereich von 2, 2 Ohm bis 11,1 Ohm ausgeben.
  • Das bekannte System muss eine Versorgungsspannung von 48 V aufweisen, um die maximale Leistung (20 W) an die größte Widerstandslast (11,1 Ohm) ausgeben zu können. Zum Vergleich variiert die beim bekannten System vernichtete Leistung gemäß einer Berechnung von 8,9 W bei 11,1 Ohm (Wirkungsgrad von 68,7%) bis zu 45,1 W bei 2,2 Ohm (Wirkungsgrad von 30,7%). Im Gegensatz dazu verfügt das System von Fig. 1 über eine Leistungsvernichtung, die bei 11,1 Ohm mit der beim bekannten System identisch ist, jedoch bei 2,2 Ohm über eine Leistungsvernichtung von nur 13,6 W (Wirkungsgrad von 59,6%).
  • Dies ist beinahe das Doppelte des Wirkungsgrads des bekannten Systems bei niedrigem Widerstand. Selbst bei einem mittleren Lastwiderstand (ungefähr 4 Ohm) ist das System von Fig. 1 ungefähr 20% wirkungsvoller als das bekannte System.
  • Obwohl die oben genannten Wirkungsgrade theoretisch sind, können sie in der Praxis fast erreicht werden, was dem System von Fig. 1 große praktische Vorteile gegenüber dem Stand der Technik verleiht. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass die oben genannten Wirkungsgrade nur den Verstärker und keinerlei Wirkungsgrade betreffen, wie sie sich aus der Verwendung eines Schaltreglers ergeben.
  • Es ist zu beachten, dass die oben beschriebenen Komponenten nur veranschaulichend sind. Es kann eine beliebige Anzahl ähnlicher Komponenten innerhalb derselben Erfindung verwendet werden. Es können zahlreiche Variationen der vorliegenden Konstruktionen und Verfahren verwendet werden. Die hier angegebenen Beispiele sind lediglich veranschaulichend, und sie sind nicht in beschränkendem Sinn auszulegen.

Claims (6)

1. Phakoemulsifikationssonden-System (11) mit einem Ultraschallhandstück (13) mit einem distalen Ende einer Größe, die zum Einführen in ein Patientenauge zum Emulsifizieren von Linsentrübungen geeignet ist, wobei das Handstück (13) einen Wandler (13) zum Umwandeln elektrischer Leistung oder Ultraschallleistung zur Ausgabe an den Patienten, eine Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) zum Liefern elektrischer Leistung an den Ultraschallhandstück-Wandler (13), eine Einrichtung zum Erfassen (17) der durch die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) an den Ultraschallhandstück-Wandler (13) gelieferten elektrischen Leistung und zum Zuführen elektrischer Signale (VAPL, IAPL), die die Größe der durch die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) gelieferten elektrischen Leistung anzeigen, eine von Hand betätigbare Eingabeeinrichtung (21) zum Liefern eines Signals (F), das das vom Benutzer gewünschte Niveau der Wandlerleistung des Phakoemulsifikationssonden-Systems anzeigt, und eine Steuerschaltungseinrichtung (19) aufweist, die auf das das gewünschte Niveau der Wandlerleistung anzeigende Signal (F) und die Signale (VAPL, IAPL) reagiert, die die Größe der zugeführten elektrischen Leistung anzeigen, um Steuerungssignale (A, V, FREQ) zum Steuern der zugeführten Leistung und zum Steuern des Wirkungsgrads der Leistungszufuhr an die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) zu liefern, dadurch
gekennzeichnet, dass
- die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) eine Verstärkereinrichtung (25), die auf mindestens eines der Steuerungssignale (A, FREQ) reagiert, um Leistung vom gewünschten Niveau zu liefern, und eine Reglereinrichtung (27) aufweist, um der Verstärkereinrichtung (25) eine Versorgungsspannung (VADJ) zu liefern, wobei diese Reglereinrichtung (27) auf ein anderes der Steuerungssignale (V) von der Steuerschaltungseinrichtung (19) reagiert, um die durch die Reglereinrichtung (27) an die Verstärkereinrichtung (25) gelieferte Spitzenspannung (VADJ) so zu variieren, dass der Energieverbrauch des Verstärkers (25) wesentlich minimiert wird.
2. Phakoemulsifikationssonden-System (11) nach Anspruch 1, bei dem die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) einen Oszillator (23) zum Steuern der Frequenz und der Amplitude der durch die Ansteuerungsschaltungseinrichtung (15) gelieferten Spannung aufweist, wobei die Verstärkereinrichtung (25) mit dem Ausgang (VSIG) des Oszillators (23) verbunden ist, um elektrische Leistung vom gewünschten Niveau, wie durch die Steuerungssignale (V, A, FREQ) eingestellt, zu liefern.
3. Phakoemulsifikationssonden-System (11) nach Anspruch 2, bei dem der Oszillator (23) ein Sinusoszillator ist und die Steuerschaltung (19) auf die Eingangssignale (VAPL, IAPL) reagiert, um ein Steuerungssignal (V) an die Reglereinrichtung (27) zu liefern, was zu einer Versorgungsspannung (VADJ) von der Reglereinrichtung (27) führt, die nur geringfügig größer als die gewünschte Spitzenausgangsspannung (VB) der Verstärkereinrichtung (25) ist.
4. Phakoemulsifikationssonden-System (11) nach Anspruch 3, bei dem die Reglereinrichtung (27) durch die Steuerschaltung so (19) gesteuert wird, dass sie eine Versorgungsspannung (VADJ) liefert, die der gewünschten Ausgangsspannung (VB) der Verstärkereinrichtung (25) zuzüglich des Doppelten einer Grenzspannung (VM) entspricht, wobei die Grenzspannung (VM) so gewählt ist, dass sie die Versorgungsspannung (VADJ) minimiert, während die Verstärkereinrichtung (25) das Signal von der Oszillatoreinrichtung (23) ohne wesentliche Verzerrung durchlassen kann, und wobei die Steuereinrichtung (19) sowohl die Versorgungsspannung (VADJ) als auch die gewünschte Ausgangsspannung (VB) der Verstärkereinrichtung (25) steuert.
5. Phakoemulsifikationssonden-System (11) nach Anspruch 1, bei dem die Reglereinrichtung (27) ein Schaltregler (27) ist, dessen Ausgangsspannung (VADJ) durch das zweite Steuerungssignal (V) von der Steuerschaltungseinrichtung (19) gesteuert wird.
6. Phakoemulsifikationssonden-System (11) nach Anspruch 1, bei dem der Ausgang des Verstärkers (25) mit dem Eingang eines Wandlers (29) verbunden ist, der Ausgang des Wandlers (29) so angeschlossen ist, dass er den Ultraschallhandstück-Wandler (13) ansteuert, und die Einrichtung zum Erfassen der dem Ultraschallhandstück (13) zugeführten elektrischen Leistung (17) mit dem Wandler (29) verbunden ist, um die zugeführte elektrische Leistung zu erfassen.
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