DE69923618T2

DE69923618T2 - Verfahren zur Optimierung eines piezoelektrischen Antriebs, insbesondere für eine Vorrichtung zur Phaco-emulgierung, mittels dynamischer Bestimmung ihrer elektromechanischen Eigenschaften und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE69923618T2
Application number: DE69923618T
Authority: DE
Inventors: Giov. Battista Angelini; Gualtiero Regini
Original assignee: Optikon 2000 SpA
Current assignee: Optikon 2000 SpA
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: ATE289071T1; JP4294150B2; JPH11309171A; EP0945732A3; ES2237900T3; EP0945732A2; ITRM980202A0; EP0945732B1; DE69923618D1; IT1299401B1; ITRM980202A1; US6175180B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich weitgehend sowohl auf ein Verfahren zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs durch dynamische Bestimmung seiner elektromechanischen Eigenschaften als auch auf eine Vorrichtung, insbesondere einen Phacoemulsifikator, umfassend einen piezoelektrischen Antrieb, der mittels eines derartigen Verfahrens gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Besonderen auf ein Verfahren zur Anwendung in einer Vorrichtung, umfassend einen piezoelektrischen Antrieb, welches es ermöglicht, die elektrische Erregung des besagten Antriebs während seines Betriebs zu optimieren und dadurch die Steuerung der Amplitude seiner mechanischen Schwingungen sicherzustellen und die Effizienz dieser Vorrichtung unter variablen Belastungen und Umgebungsbedingungen zu maximieren.
Es ist bekannt, dass Instrumente, welche mit piezoelektrischen Antrieben versehen sind, in verschiedenen medizinischen chirurgischen Gebieten äußerst weit verbreitet sind. Eine nicht erschöpfende Liste von derartigen Anwendungsgebieten schließt auch die ophtalmische Chirurgie ein, in welcher die besagten Instrumente zur Entfernung des grauen Stars eingesetzt werden; die Neurochirurgie, für Operationen zur Tumorentfernung ebenso wie die Zahnbehandlung.
Nur in der Absicht der Veranschaulichung, nicht um zu beschränken, wird in der folgenden Beschreibung Bezug auf solche Instrumente genommen, die unter dem Namen Phacoemulsifikationsgeräte bekannt sind, im Anwendungsgebiet der ophtalmischen Chirurgie für Operationen zur Entfernung des grauen Stars.
Die Entfernung des grauen Stars ist eine der üblichsten Eingriffe auf dem Gebiet der ophtalmischen Chirurgie und unter den möglichen Techniken, derartige Eingriffe vorzunehmen, wird die Phacoemulsifikation zunehmend verbreitet.
Die sogenannte Phacoemulsifikationstechnik sorgt für das Einführen einer Nadel durch einen kleinen Schnitt, um die kristalline Fläche zu erreichen und um den grauen Star mit Hilfe einer mechanischen Aktion der Nadel, die in Ultraschallfrequenzen und mit einer Amplitude von einigen zehn Mikrometern oszilliert, in kleine Stücke zu zerbröckeln. Diese kleinen Teile werden anschließend mit Hilfe eines Aspiratorsystems, das mit derselben oszillierenden Nadel verbunden ist, aus dem Auge des Patienten entfernt.
Die entfernten Materialvolumina werden gleichzeitig durch eine physiologische Kochsalzlösung ersetzt, welche durch eine Leitung koaxial zur Nadel abgegeben wird, die im Allgemeinen durch ein kurzes Silikonrohr gebildet ist, das außen an der besagten Nadel angeordnet ist, und welche zusätzlich die wichtige Funktion hat, einem direkten Kontakt zwischen der besagten oszillierenden Nadel und dem Augengewebe, wie die Hornhaut (Cornea) oder die Lederhaut (Sclera) vorzubeugen, und die dabei die lokalen Gewebe vor Überhitzung schützt, was deren lokalen Gewebstod (Nekrose) bewirken könnte.
Die konventionellen Phacoemulsifikationsgeräte umfassen ein Antriebselement, umfasst von einem Stapel von zwei oder mehreren Keramiken aus piezoelektrischem Material, welche aus mechanischer Sicht seriell zueinander und aus elektrischer Sicht parallel zueinander angeordnet sind. Der besagte Keramikstapel ist mechanisch mit einem Paar metallischer Massen verbunden, in der Regel aus Titan oder Stahl, wobei eine von diesen der Reihe nach mit der besagten Nadel verbunden ist. Diese Keramikelemente sind durch eine sinusförmige Spannung erregt und verändern entsprechend aufgrund eines inversen piezoelektrischen Effekts ihre eigene Geometrie und generieren oszillierende mechanische Spannungen, welche mit dem besagten Paar von metallischen Massen verbunden sind, welche der Reihe nach eine oszillierende axiale Verschiebung auf den Punkt der Nadel, die an dem betroffenen grauen Star agiert, übertragen.
Das System, umfassend die besagten Keramiken, das Paar metallischer Massen und die Nadel, die wie ein Oszillator, der axial bei seiner eigenen charakteristischen Frequenz in Resonanz tritt, agiert, wird bestimmt durch die Geometrie und durch die Masse des Systems. Insbesondere sind in dem besagten System ortsfeste Wellen eingerichtet und die so generierten ortsfesten Wellen weisen einen Punkt maximaler Verschiebung oder einen „Wellenbauch (antinode)" auf, der sich mit dem Scheitelpunkt des Punktes deckt und einen statischen Punkt oder „Sattelpunkt (node)", der mit dem Mittelpunkt des keramischen Stapels übereinstimmt.
Der Stromkreis, der das sinusförmige Signal zur Erregung des Systems generiert, sollte daraufhin angepasst sein, sowohl die Frequenz, als auch die Amplitude des Erregungssignals zu steuern. Insbesondere sollte die Erregungsfrequenz immer mit der immanenten mechanischen Frequenz des Systems übereinstimmen, während die Amplitude des Signals die auf das System übertragene Leistung regelt. Als eine generelle Regel wird die Amplitude des Erregungssignals durch den Chirurgen reguliert, welcher diese in Abhängigkeit sowohl von der Härte des betroffenen grauen Stars als auch von anderen Operationsbedingungen anpasst.
Vor diesem Hintergrund haben alle konventionellen Phacoemulsifikationsgeräte unterschiedliche Probleme hinsichtlich der Schwierigkeiten, die bei einer effizienten Steuerung der Frequenz und der Amplitude des Erregungssignals auftreten.
Tatsächlich ist eines der Probleme in Verbindung mit derartigen Phacoemulsifikationsgeräten auf die Tatsache zurückzuführen, dass der graue Star eine Lastwirkung auf das mechanische System, umfassend die besagte oszillierende Nadel, ausübt: Wenn der Nadelpunkt den grauen Star berührt, verändert sich nicht nur die charakteristische Frequenz des Systems, sondern auch die Oszillationsamplitude zeigt ein abnehmendes Verhalten und entsprechend nimmt auch der emulgierende Effekt ab.
Als eine allgemeine Praxis, die darauf abzielt, während der Kontaktphase zwischen dem Nadelpunkt und dem grauen Star eine Oszillationsamplitude zu erreichen, die ausreicht, in jedem Fall die erwünschte emulsifizierende Wirkung zu generieren, überträgt der die Erregung generierende Stromkreis eine höhere Leistung zu dem betreffenden System. Wie dem auch sei, da der besagte Stromkreis generell die dynamischen Veränderungen des mechanischen Systems nicht wahrnimmt, hat das eine extrem große Oszillationsamplitude zur Folge, wenn der Nadelpunkt nicht in Kontakt mit dem grauen Star steht.
Eine derartig übermäßige Oszillationsamplitude verursacht eine Vielzahl an Nachteilen.
An erster Stelle treten Phänomene der Hohlraumbildung auf und diese Phänomene verursachen einerseits die Bildung von kleinen Luftblasen und lokale Siedevorgänge, welche beachtlich das Sichtfeld des Chirurgen begrenzen, wodurch er dazu gedrängt wird, wiederholt die emulsifizierenden Aktionen auf der kristallinen Fläche zu unterbrechen, um die Blasen selbst abzusaugen und andererseits reduzieren diese die Lebensdauer der Komponenten des Phacoemulsifikationsgerätes, die an der Hohlraumbildung beteiligt sind.
Darüber hinaus kann im Falle von Oszillationen von besonders großen Amplituden die Reibung zwischen dem oszillierenden Punkt und dem koaxialen kurzen Silikonrohr eine derartige lokale Erhitzung verursachen, dass die Augengewebe, die in Kontakt mit dem kurzen Rohr selbst stehen, beschädigt werden.
Schließlich, wenn die Oszillationen des mechanischen Systems übermäßig große Amplituden aufweisen, verursachen diese übermäßig hohe mechanische Spannungen auf den keramischen Komponenten. Dieses kann dann wieder deren Bruch oder Überhitzung zu Temperaturen nahe dem Curie-Depolarisationspunkt verursachen und auf diese Weise ihre piezoelektrischen Eigenschaften verschlechtern.
Es wurden unterschiedliche Lösungen untersucht, um die Auswirkungen der mechanischen Last, die durch den grauen Star auf den besagten piezoelektrischen Oszillator verursacht sind zu minimieren und/oder um die Schwingungen auf dem mechanischen System zu begrenzen, soweit es nicht mit dem grauen Star interagiert.
Die erste Lösung ist eine vollständig mechanische Lösung und sie basiert auf der Verwendung von oszillierenden Massen beachtlicher Dimensionen, gekennzeichnet durch ein hohes Massenträgheitsmoment, um weniger ansprechend für die mechanische Last, geliefert durch den betrachteten grauen Star, zu sein. Wie dem auch sei, eine derartige Lösung löst das Problem nicht vollständig und fügt darüber hinaus weitere Nachteile hinzu. Tatsächlich vermindern das vermehrte Gewicht und die großen Abmessungen die Eigenschaften der manuellen Steuerbarkeit des Phacoemulsifikationsgerätes durch den Chirurgen. Darüber hinaus wird eine größere Menge an Leistung benötigt, um diese Massen in oszillierendem Zustand zu erhalten und, als eine Folge hieraus, werden größere Mengen an Wärme erzeugt.
Die zweite Lösung basiert auf der Messung der Elongation des oszillierenden Systems während der Erregung durch Einsatz eines Verlagerungssensors und/oder eines Beschleunigungssensors, wie ein oder mehrere weitere piezoelektrische Keramiken die, wenn sie durch die oszillierenden Massen gepresst werden, ein Signal erzeugen, das durch den direkten piezoelektrischen Effekt proportional zur Elongation selbst ist. Ein analoger oder digitaler Stromkreis verwendet ein derartiges Signal, um ein Antwortsignal zu produzieren, mit dem Ziel, die Amplitude der erregenden Oszillation zu steuern, um die Amplitude der mechanischen Oszillation zu stabilisieren und somit unabhängig von der anliegenden Last zu machen. Irgendwie hat auch diese Lösung einige Nachteile. Zunächst hat sie den Nachteil, dass sie die Komplexität der Konstruktion des Phacoemulsifikationsgerätes erhöht und deshalb seine Dauer bis zum Ausfall verkürzt. Zweitens agieren die passiven Keramiken, die als Sensoren verwendet werden, als zusätzliche Komponenten des oszillierenden mechanischen Systems, wobei es seine Effizienz sowie die Dauer bis zum Ausfall vermindert. Aufgrund dieser Nachteile wird die obige zweite Lösung nicht in kommerziell verfügbare Phacoemulsifikationsgerätes übernommen.
Eine dritte vorgeschlagene Lösung, die auf die Steuerung der Oszillationen des betroffenen mechanischen Systems zielt, wurde durch das US-Patent Nr. 4,223,676 offenbart. Eine derartige Lösung sorgt für den Effekt einer indirekten Ermittlung des Wertes der mechanischen Last, die auf den Nadelpunkt agiert, basierend auf einer Messung der Schwankung der Resonanzfrequenz des Systems, verursacht durch die Last selbst. Wie auch immer, die letztere Lösung scheint nicht sehr verlässlich zu sein, weil die Schwankungen der Resonanzfrequenz des Systems nicht nur durch das Vorhandensein der mechanischen Last verursacht sind, sondern auch durch die Veränderungen der Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel ein Anstieg der Temperatur, der eine Expansion des Oszillators verursacht. Das US- Patent Nr. 5447051 offenbart eine Prüfmethode und ein Gerät, um nachzuweisen, dass ein piezoelektrischer Wandler, der als Kraftmesser eingesetzt ist, am allermeisten im Anschluss an seine Installation und Einsatz oder beabsichtigten Einsatz in einem System für sein beabsichtigtes Ziel zweckmäßig ist.
In diesem Zusammenhang schlägt die vorliegende Erfindung eine neue Lösung vor, die es ermöglicht, die Frequenz und die Amplitude des Erregungssignals eines piezoelektrischen Antriebs effektiv zu steuern, um gleichzeitig alle oben genannten Probleme zu lösen.
Es ist dafür Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die elektrischen Erregungseigenschaften eines piezoelektrischen Antriebs während seines Einsatzes in einfacher und verlässlicher Art und Weise zu optimieren und darüber hinaus die Steuerung der Amplitude seiner mechanischen Oszillation sicherzustellen und die Effizienz des Gerätes unter veränderlichen Lasten und Umgebungsbedingungen zu maximieren.
Im Hinblick auf das oben Ausgeführte ist spezifischer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Optimierung der Antriebsfunktion eines piezoelektrischen Antriebs, umfassend einen piezoelektrischen Wandler, angetrieben durch Spannungssignale, vorzugsweise über ein sinusförmiges Signal, mehr bevorzugt über ein sinusförmiges Signal mit Ultraschallfrequenz, wobei der besagte piezoelektrische Wandler zwei Pole aufweist und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Ermittlung des elektromechanischen Verhaltens des piezoelektrischen Antriebs die Antriebstätigkeit des besagten Wandlers zyklisch unterbrochen wird, um die charakteristischen Parameter seiner freien Bewegung zu ermitteln, und zwar bevorzugt durch Ermittlung der Frequenz und der Amplitude des Signals, das von dem besagten Wandler an den Enden der beiden Pole erzeugt wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann auch das Amplitudenverhalten des an den Enden der besagten zwei Pole generierten Signals während der Unterbrechungen der besagten Antriebstätigkeit ermittelt werden.
Wiederum entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Dauer der Unterbrechungen der Antriebstätigkeiten von einem Minimalwert variiert werden, der gleich der Summe des Löschungsintervalls der Übergangsphase, welche sich zwischen der Unterbrechung der Antriebstätigkeit und der Entwicklung freier Oszillation des Wandlers erstreckt, und der Periode eines einzelnen freien Oszillationszyklus, vorzugsweise entsprechend einem sinusförmigen Zyklus, und einem maximalen Wert, der gleich der erforderlichen Zeit für die Amplitude des Signals ist, das an den Enden der besagten zwei Pole erzeugt wird, um auf –40 dbB von dem Wertes, der zu Beginn der Unterbrechung der Antriebstätigkeit genommen wurde, abzusinken, ist.
Vorzugsweise variiert die Wiederholungsfrequenz der besagten Unterbrechungen entsprechend der Erfindung zwischen 2 Hz und 1000 Hz, das Antriebssignal hat eine Frequenz entsprechend 40 kHz und die Dauer der Unterbrechungen variiert von einem minimalen Wert von 50 Mikrosekunden und einem maximalen Wert von 2 Millisekunden.
Es ist ein weiterer spezieller Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Gerät, vorzugsweise ein Phacoemulsifikationsgerät, zur Durchführung des besagten Verfahrens zu realisieren, dadurch gekennzeichnet, dass es einen piezoelektrischen Wandler umfasst, angetrieben durch eine Wechselspannung, mechanisch verbunden mit einer Nadel und aufweisend zwei Pole sowie elektronische Komponenten zur Durchführung aller erforderlichen Operationen zur Ausführung des besagten Verfahrens, wie es hier beschrieben werden wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben durch Veranschaulichung, aber nicht durch Begrenzung, in Verbindung mit einem Phacoemulsifikationsgerät, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der
1 ein Diagramm eines elektronischen Stromkreises zur Steuerung und Erregung eines piezoelektrischen Wandlers zeigt, der als Antrieb agiert, gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 die Wellenform eines Spannungssignals zeigt, das an den Enden des piezoelektrischen Wandlers aus 1 anliegt.
Unter Bezugnahme auf 1 kann festgestellt werden, dass das Handstück des Phacoemulsifikationsgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung, wie alle konventionellen Phacoemulsifikationsgeräte, einen piezoelektrischen Wandler 1 umfasst, der mechanisch mittels einem – nicht gezeigten – Paar metallischer Massen, vorzugsweise aus Titan oder Stahl, mit einer Nadel 2 verbunden ist. Der Wandler 1, der spannungsbetrieben ist, weist zwei Pole auf, einer von diesen kann mit der Stromkreis-Masse kurzgeschlossen werden, bezeichnet durch Referenznummer 1a, und er ist unter Verwendung einer oder mehrerer piezoelektrischer Keramikmaterialien hergestellt, die mechanisch in Serie angeordnet sind und elektrisch parallel angeordnet sind. Die mechanische Verbindung zwischen Wandler 1 und Nadel 2 ist derart, dass jegliche Deformation der besagten Keramiken eine axiale Verschiebung der besagten Nadel 2 erzeugt.
Der Wandler 1 ist mittels der besagten Pole 2a mit einem Erregerstromkreis 3 verbunden sowie mit einem Leistungs- (oder Amplituden-) Detektor 4, mit einem Frequenzdetektor 5 und mit einem Amplitudenverhalten-Detektor 6.
Der besagte Erregerstromkreis 3 umfasst einen ersten Eingangspol 3a, einen zweiten Eingangspol 3b, einen dritten Eingangspol 3c und einen Ausgangspol 3d, welcher an die Pole 1a des besagten Wandlers 1 angeschlossen ist und auf eine hohe Impedanz geschaltet werden kann. Insbesondere verstärkt der besagte Erregerstromkreis zu einer Höhe, gesteuert durch ein Signal, das an dem besagten ersten Eingangspol 3a anliegt, und ein sinusförmiges Signal, das an dem zweiten Eingangspol 3b anliegt und versorgt den Ausgangspol 3d, wenn dieser nicht in einem hohen Impedanzzustand ist, mit einem sinusförmigen Signal zum Antrieb des besagten Wandlers 1, der als Antrieb agiert. Ein geeignetes Signal, das an dem besagten dritten Eingangspol 3c anliegt, stellt den besagten Ausgangspol 3d in seinem hohen oder niedrigen Impedanzzustand ein.
Eine andere Ausgestaltung des Phacoemulsifikationsgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart ergänzt werden, dass sie eine elektronische Schalteinheit umfasst, um den Erregerstromkreis 3 von dem Wandler 1 zu trennen.
Das sinusförmige Signal, das an dem zweiten Eingangspol 3b anliegt, kommt von dem Ausgangspol 7b eines Frequenzsynthesizers 7. Ein derartiger Synthesizer 7 empfängt an seinem Eingangspol 7a ein Signal, welches dazu bestimmt ist, die Frequenz des zu erzeugenden sinusförmigen Signals zu Steuern. Die Genauigkeit und die Stabilität des besagten Synthesizers sind abhängig von dem Durchlassbereich des piezoelektrischen Wandlers 1. In der bevorzugten Ausführungsform des Phacoemulsifikationsgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet der Synthesizer in einem Frequenzbereich von 38 kHz bis 43 kHz, mit einer Auflösung von 10 Hz.
Der Leistungsdetektor 4 umfasst einen ersten Eingangspol 4a, verbunden mit Polen 1a des Wandlers 1, einen zweiten Eingangspol 4b und einen Ausgangspol 4c. Der besagte Detektor 4 ermittelt die Amplitude des oszillierenden Spannungssignals, das an dem ersten Eingangspol 4a anliegt und versorgt den besagten Ausgangspol 4c mit einem entsprechenden Signal, das dessen Wert darstellt. Insbesondere schaltet ein geeignetes Signal an dem zweiten Eingangspol 4b die derartige Detektion ein oder aus.
Der Frequenzdetektor 5 umfasst einen ersten Eingangspol 5a, verbunden mit Polen 1a des Wandlers 1, einen zweiten Eingangspol 5b und einen Ausgangspol 5c. Der Detektor 5 ermittelt die Frequenz des oszillierenden Spannungssignals, das an seinem ersten Eingangspol 5a anliegt und versorgt den Ausgangspol 5c mit einem entsprechenden Signal, das diese darstellt. Insbesondere schaltet ein geeignetes Signal an dem zweiten Eingangspol 5b die derartige Detektion ein oder aus.
Der Amplitudenverhalten-Detektor 6 umfasst einen ersten Eingangspol 6a, verbunden mit Polen 1a des Wandlers 1, einen zweiten Eingangspol 6b und einen Ausgangspol 6c. Der Detektor 6 ermittelt das Verhalten der Amplitude, insbesondere der Dämpfungsrate des oszillierenden Spannungssignals, das an seinem ersten Eingangspol 6a anliegt und versorgt den Ausgangspol 6c mit einem entsprechenden Signal, das diese darstellt. Insbesondere schaltet ein geeignetes Signal an dem zweiten Eingangspol 6b die derartige Detektion ein oder aus, durch Regelung des Zeitfensters, in dem das Amplitudenverhalten des Signals, dass an dem ersten Eingangspol anliegt, berücksichtigt wird.
Vorzugsweise sind der Erregerstromkreis 3, die Detektoren 4, 5 und 6 und der Synthesizer 7 mit digitalen Schnittstellen versehen, nicht zuletzt so weit die Steuersignale betroffen sind. Deshalb sind die Signale, die an den ersten und dritten Polen 3a und 3c des Erregerstromkreises 3 beziehungsweise an dem zweiten Eingangspol 4b und an dem Ausgangspol 4c des besagten Detektors 4, an dem zweiten Eingangspol 5b und an dem Ausgangspol 5c des besagten Detektors 5, an dem zweiten Eingangspol 6b und an dem Ausgangspol 6c des besagten Detektors 6 sowie an dem Eingangspol 7a des besagten Synthesizers 7 allesamt digitale Signale.
Das Phacoemulsifikationsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst zusätzlich eine Steuerungs- und Prozesseinheit 8, bestehend aus einem Prozessor oder einem digitalen Signalprozessor (DSP). Die besagte Steuerungs- und Prozesseinheit 8 erzeugt alle digitalen Steuersignale für die oben beschriebenen Komponenten und modifiziert diese gemäß des Verarbeitungsvorgangs, der auf den von den besagten Detektoren 4, 5 und 6 erhaltenen digitalen Signalen ausgeführt wird. Insbesondere umfasst die Einheit 8:
einen ersten Eingangspol 8a, verbunden mit dem Ausgangspol 4c des Leistungsdetektors 4,
einen zweiten Eingangspol 8b, verbunden mit dem Ausgangspol 5c des Frequenzdetektors 5,
einen dritten Eingangspol 8c, verbunden mit dem Ausgangspol 6c des Amplitudenverhalten-Detektors 6,
einen ersten Ausgangspol 8d, verbunden mit dem zweiten Eingangspol 4b, mit dem zweiten Eingangspol 5b beziehungsweise mit dem zweiten Eingangspol 6b des Leistungsdetektors 4, des Frequenzdetektors 5 beziehungsweise des Amplitudenverhalten-Detektors 6,
einen zweiten Ausgangspol 8e, verbunden mit dem ersten Eingangspol des Erregerstromkreises 3,
einen dritten Ausgangspol 8f, verbunden mit dem Eingangspol 7a des besagten Synthesizers 7, und
einen vierten Ausgangspol 8g, verbunden mit dem dritten Eingangspol 3c des Erregerstromkreises 3 (insbesondere kann das Signal, das an dem vierten Ausgangspol 8g anliegt mit dem Signal, das an dem ersten Ausgangspol 8d anliegt, übereinstimmen).
Das Phacoemulsifikationsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es, die Schwingungsamplitude, die mechanische Resonanzfrequenz und die Effizienz des piezoelektrischen Wandlers 1 zu messen, der als Antrieb agiert, der Triebkraft zur Nadel 2 während deren Operation und unter allen mechanischen Lastbedingungen liefert, durch Nutzung des besagten piezoelektrischen Wandlers 1 als Detektor der elektromechanischen Eigenschaften des Systems, bestehend aus dem Wandler 1 selbst, der Nadel 2 und auch durch die mechanische Last, verursacht durch den grauen Star. Die besagte Steuerungs- und Prozesseinheit 8 ist programmiert, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen, gemäß dessen der besagte Wandler 1 ausschließlich als Antrieb agiert, in einer ersten Operationsphase bezeichnet als Übertragungsmodus oder Modus TX, oder ausschließlich als ein Sensor, in einer zweiten Operationsphase bezeichnet als Empfangsmodus oder Modus RX.
Während des Modus RX überträgt die besagte Einheit 8 geeignete Signale zu dem besagten Erregerstromkreis 3 und zu dem besagten Synthesizer 7, um den Erregerstromkreis 3 zu veranlassen, den besagten piezoelektrischen Wandler 1 mit einer Antriebsspannung mit Ultraschallfrequenz zu versorgen, die ausreichend ist, die besagten piezoelektrischen Keramiken durch einen inversen piezoelektrischen Effekt in Schwingung zu versetzen.
Die besagte Einheit 8 schaltet durch Modifizierung des an dem vierten Ausgangspol 8g anliegenden Signals zyklisch den Erregerstromkreis 3 mit seinem Ausgangspol 3d in einen Zustand hoher Impedanz und unterbricht auf diese Weise folglich die Antriebsspannung des Wandlers 1, der in den Operationsmodus RX schaltet.
Während der Operation im RX Modus setzt das mechanische System, bestehend aus dem Wandler 1, der Nadel 2 und möglicherweise der mechanischen Last, verursacht durch den grauen Star, die freie Oszillation in der eigenen charakteristischen Frequenz fort. Die Oszillation des besagten Wandlers 1 erzeugt an den Enden der Pole 1a durch einen direkten piezoelektrischen Effekt eine Spannung, die eine Frequenz aufweist, die gleich der freien Frequenz des mechanischen Systems ist und eine Amplitude, die proportional der Amplitude der mechanischen Schwingungen ist. Deshalb operiert der besagte Wandler 1 während der Operation im RX Modus als ein Sensor. Es wird für die Fachwelt offensichtlich sein, dass die besagte Oszillationsspannung, die an den Enden der Pole 1a anliegt, eine Amplitude aufweist, welche als Funktion von der Zeit abnehmend ist.
Während der Operation im RX Modus wird das Signal, das an den Enden der Pole 1a anliegt, durch die Detektoren 4, 5 und 6 analysiert, geeigneter Weise eingeschaltet durch ein Signal, das von dem ersten Ausgangspol 8d der Einheit 8 kommt. Insbesondere die Detektoren 4 und 5 ermitteln die Amplitude und die Frequenz des besagten Signals, während der Detektor 6 die schwindende Amplitude der gedämpften freien Schwingungen des mechanischen Systems, bestehend aus dem Wandler 1, der Nadel 2 und möglicherweise der mechanischen Last, verursacht durch den grauen Star, misst und auf diese Weise eine Messung der Effizienz des gesamten Systems liefert. Am Ende der Zeitperiode, in welcher der besagte Wandler 1 im Modus RX operiert, modifiziert die Einheit 8 in geeigneter Weise das Signal, das an dem ersten Ausgangspol 8d anliegt und alle Informationen sowohl in Bezug auf die Amplitude oder auf die Leistung oder auf die Frequenz des Signals, als auch auf die Effizienz des oben genannten mechanischen Systems werden zu den besagten Detektoren 4, 5 und 6, zu dem zweiten Eingangspol 8b und zu dem dritten Eingangspol 8c der besagten Einheit 8 übermittelt.
Die Einheit 8 verarbeitet die erhaltenen Informationen, um die Frequenz des Erregersignals des besagten Wandlers 1 durch Modifikation des Signals, das an dem Ausgangspol 8f anliegt, zu setzen, um das Handstück bei der richtigen Resonanzfrequenz zu betreiben, um wiederum sowohl dessen Leistung als auch dessen Effizienz zu optimieren und um die Amplitude der Oszillationen als eine Funktion der mechanischen Last des Handstücks zu stabilisieren, durch geeignete Variation der Amplitude des antreibenden sinusförmigen Signals mit Hilfe einer entsprechenden Variation des Signals, das zu dem zweiten Ausgangspol 8e übermittelt wird. Darüber hinaus stabilisiert die besagte Einheit 8 die Verschiebungsamplitude der Nadel 2 des Handstücks und wirkt auf diese Weise den mittel- und langfristigen Veränderungen der Handstückcharakteristik entgegen.
Am Ende der Zeitperiode, in welcher der Wandler im RX Modus operiert, modifiziert die besagte Einheit 8 das Signal, das an dem vierten Ausgangspol 8g anliegt, um den besagten piezoelektrischen Wandler 1 so zu betreiben, dass er wieder im Modus TX als ein Antrieb operiert.
Wie hier nachfolgend beschrieben werden wird, ist die Dauer des Operationsmodus RX vorzugsweise unerheblich in Anbetracht der Wiederholungsperiode der Unterbrechungen, um die Leistungsversorgung des Wandlers 1 nicht signifikant zu senken.
Das Phacoemulsifikationsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart angeordnet werden, dass der Detektor 4 die Amplitude des Signals, das auf den Wandler 1 angewendet wird, auch während der Operation im Modus TX ermitteln kann und dass die erhaltene Information zur Einheit 8 kommuniziert werden kann. Seitdem der Wandler 1, der im Modus RX als Sensor verwendet wird, derselbe Wandler ist, der im Modus TX als Antrieb verwendet wird, kann das Verhältnis V_RX/V_TX zwischen der Amplitude V_RX des Spannungssignals, die durch die freien Schwingungen des Systems erzeugt wird, gemessen im Modus RX und die Amplitude V_TX des Spannungssignals, das verwendet wird, um den Wandler 1 zu erregen, gemessen im Modus TX, durch die Einheit 8 verarbeitet werden, um eine Auswertung der Effizienz des Systems zu erzielen und auf diese Weise die Daten, die von dem besagten Detektor 6 erzielt werden, zu unterstützen oder den besagten Detektor 6 vollständig eliminieren.
Entsprechend kann das Phacoemulsifikationsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung so angeordnet werden, dass der Detektor 5 die Frequenz des Signals, das an den Wandler 1 gerichtet ist, auch während der Operation im TX Modus ermittelt und dass die diesbezügliche Information der Einheit 8 mitgeteilt werden kann. Insbesondere wenn der oben genannte Synthesizer 7 auf einer Frequenz fest eingestellt ist, kann der gemessene Frequenzwert des Antriebssignals genutzt werden, um den Synthesizer selbst zu steuern.
Darüber hinaus kann die Steuer- und Prozesseinheit 8 jeglichen Umstand einer Schwächung der elektromechanischen Effizienz oder jeglichen Fehler in dem Handstück durch Auswertung des Verhältnisses zwischen der gemessenen Spannung und der angewandten Spannung und/oder durch Analyse der Abnahme der freien Oszillationen des besagten Wandlers 1 in nicht erregtem Zustand ermitteln, und/oder sie kann abnormale Nutzungszustände des Handstücks erkennen, wie zum Beispiel dessen Operation in der Luft, indem er diese signalisiert und/oder diese begrenzt und/oder diese verhindert.
Unter jetziger Bezugnahme auf 2 ist es möglich, die Wellenform des Spannungssignals, das an den Polen des piezoelektrischen Wandlers 1 von 1 während der zwei Operationsphasen im Modus RX und im Modus TX zu beobachten. Insbesondere die Wellenform hinsichtlich Modus TX ist gekennzeichnet durch die Referenznummer 10, während die Wellenform hinsichtlich Modus RX durch die Referenznummer 11 gekennzeichnet ist.
Die minimale Dauer im Operationsmodus RX sollte sowohl die Vollendung des Schaltübergangsintervalls berücksichtigen, welche sich auf einer Schwingungsperiode des besagten Wandlers 1, angeregt durch eine Ultraschallfrequenz, belaufen könnte, als auch die Ermittlung von mindestens zwei Zyklen der gedämpften Schwingung. Die maximale Dauer des Operationsmodus RX ist abhängig von den Konstruktionsmerkmalen des Handstücks, und sie sollte nicht die erforderliche Zeit für die Amplitude des Signals, das an den Enden der Pole 1a anliegt, überwinden, wie es durch freie Schwingungen des mechanischen Systems erzeugt wird, um zu Werten zu dämpfen, die unter den minimalen Werten liegen, die die Detektoren 4, 5 und 6 ermitteln können. Tatsächlich kann die gesamte Dämpfungsbreite bis zu –40 dB des Initialwertes für das Steuerungssystem verwendbar sein. Zur Veranschaulichung, wenn die Erregerfrequenz gleich 40 kHz ist, kann die Dauer der Operation im Modus RX vorteilhaft variieren von 1 bis 80 freien Schwingungsperioden des Wandlers 1, entsprechend einem Intervall von 25 bis 2000 Mikrosekunden.
Vorzugsweise ist die Dauer der Operation im Modus RX von unwesentlicher Länge in Bezug auf die Wiederholungsperiode der Unterbrechungen, um die Leistung zur Versorgung des Oszillators nicht signifikant zu reduzieren. Insbesondere die Wiederholungsfrequenz der Operationsphase im Modus RX kann im Bereich von 2 bis 1000 Hz liegen, in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung.
Für die Fachwelt ist offensichtlich, dass sowohl die Wiederholungsperiode, als auch die Dauer der Unterbrechungen (Modus RX) entsprechend den Anforderungen in Verbindung mit der Antwortgeschwindigkeit des Steuerungssystems bestimmt werden kann.
Das Handstück, umfassend den besagten Wandler 1, kann auch in diesem oder innerhalb des zwischengeschalteten Anschlussteils, eingesetzt zur Verbindung mit dem besagten Phacoemulsifikationsgerät, einen nichtflüchtigen Speicher enthalten, zum Beispiel eine nichtflüchtige, elektronisch programmierbare und löschbare Einrichtung (EEPROM: Electonically Erasable Programmable Read-Only Memory – elektronisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lesen-Speicher), auf die durch die besagte Steuerungs- und Prozesseinheit 8 mit Schreib- und Lesevorgängen zugegriffen werden kann. Die Besagte Speichereinrichtung ist ausgestaltet zur Speicherung einer Serie an Daten, welche sowohl die elektromechanischen Merkmale des Handstücks, als auch der Handstücksteuerung und der Erregung des elektronischen Stromkreises charakterisieren.
Insbesondere kann die besagte Speichereinheit während ihrer Test-Prozedur programmiert werden, um den Ursprungswert des Verhältnisses von V_RX/V_TX zwischen der Amplitude V_RX des Signals, das an den Enden der Pole 1a im Operationsmodus RX gemessen wurde und der Amplitude V_TX des Signals, das an den Enden der Pole 1a im Operationsmodus TX gemessen wurde, für eine voreingestellte Referenz- Elongation zu speichern. Ein derartiger Ursprungswert kann durch die Einheit 8 während der Betriebslebensdauer des Phacoemulsifikationsgerätes genutzt werden, um die Beständigkeit des Verhältnisses V_RX/V_TX zu überprüfen und um die Notwendigkeit einer Wartung oder eines Austausches des betroffenen Handstücks anzuzeigen, wenn die Abweichung des besagten Verhältnisses von dem Wert, der während des Herstellungsphase gemessen wurde, höher ist, als ein Schwellwert.
Die oben genannte Speichereinheit kann auch programmiert werden zur Speicherung der Proportionalitätskonstante K₀ zwischen einer bestimmter Referenzelongation E₀ und der entsprechenden Amplitude V_RX des Signals, das im Operationsmodus RX gemessen wurde. Insbesondere ist es bei der Fachwelt wohlbekannt, das eine derartige Proportionalitätskonstante K₀ in verschiedenen Handstücken verschiedene Werte annimmt, da sie eine Funktion von vielen Konstruktionsvariablen darstellt. Basierend auf dem Auslesen der Proportionalitätskonstante K₀, die in der besagten Speichereinrichtung gespeichert ist, ermöglicht die Einheit 8 dem Chirurgen direkt die Amplitude der Oszillationen der Nadel 2 in Einheiten von 2 Mikrometer einzustellen.
Die besagte Speichereinrichtung kann auch durch die besagte Einheit 8 am Ende jeder Operation des Handstücks programmiert werden, um die effektiv kumulierte Einsatzzeit des Handstücks selbst zu speichern. In einem solchen Fall könnte die Einheit 8 auch die Notwendigkeit eines periodischen Wartungseingriffs oder des Ersatzes des betroffenen Handstücks anzeigen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der elektronische Stromkreis zur Steuerung und Erregung des piezoelektrischen Wandlers 1 auch in digitaler Technologie ausgeführt sein. Wie auch immer, es sollte verstanden sein, dass der besagte Stromkreis auch vollständig mit analogen Komponenten realisiert werden kann, ohne sich von dem Umfang dieser Erfindung zu entfernen.
Überdies wurde die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit besonderem Bezug zu Phacoemulsifikationsgeräten beschrieben. Es sollte verstanden sein, dass die oben genannte Vorrichtung auch jegliches Gerät sein kann, dass einen piezoelektrischen Antrieb umfasst, ohne sich auf diese Weise von dem Gebiet der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden beschrieben und eine Vielzahl von Variationen wurden hier vorstehend vorgeschlagen, aber es sollte ausdrücklich verstanden sein, dass die Fachwelt andere Variationen und Veränderungen machen kann, ohne sich so von dem Gebiet davon zu entfernen, was in den angefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zur Optimierung der Frequenz oder Amplitude eines Erregersignals zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Antriebs mittels dynamischer Bestimmung seiner elektromechanischen Eigenschaften, wobei solch ein piezoelektrischer Antrieb einen spannungsbetriebenen, zweipoligen (1a) piezoelektrischen Umformer (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des besagten Umformers (1) zur Ermittlung der elektromechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Antriebs zyklisch unterbrochen wird, um die charakteristischen Parameter seiner freien Bewegung durch die Ermittlung der Parameter des Signals, das durch den besagten Umformer (1) an den Enden der besagten beiden Pole (1a) generiert wird, zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Umformer (1) durch ein periodisches Signal angesteuert wird und dass die charakteristischen Parameter der freien Oszillationen des besagten Umformers (1) während der Unterbrechungen der Ansteuerungstätigkeit durch die Ermittlung der Frequenz und der Amplitude des Signals, das an den Enden der besagten zwei Pole generiert wird, ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Amplitudenverhalten des Signals, das an den Enden der besagten zwei Pole (1a) generiert wird, während der Unterbrechungen der besagten Ansteuerungstätigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Unterbrechungen der Ansteuerungstätigkeit von einem minimalen Wert, der der Summe des Löschintervalls der Übergangsphase, welche sich zwischen der Unterbrechung der Ansteuerungstätigkeit und der Entwicklung von freien Oszillationen des Umformers (1) erstreckt, und der Periode eines einzelnen freien Oszillationszyklus entspricht, und einem maximalen Wert, der der notwendigen Zeit für die Amplitude des generierten Signals an den Enden der Besagten zwei Pole (1a) variiert, um sich von dem Wert, der zu Beginn der Unterbrechung der Ansteuerungstätigkeit genommen wird, auf –40 dB zu reduzieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte periodische Signal, das den besagten Umformer (1) ansteuert, ein sinusförmiges Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das sinusförmige Erregersignal eine Ultraschallfrequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholungsfrequenz der Unterbrechungen in der Bandbreite von 2 Hz bis 1000 Hz variiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuernde sinusförmige Signal eine Frequenz von 40 kHz aufweist und die Dauer der Unterbrechungen von einem minimalen Wert von 50 Mikrosekunden bis zu einem maximalen Wert von 2 Millisekunden variiert.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen piezoelektrischen Umformer (1), der durch Spannungssignale angesteuert wird und zwei Pole (1a) aufweist, einen Erregerstromkreis (3), einen Amplitudendetektor (4), einen Frequenzdetektor (5), einen Frequenzsynthesizer (7) und eine Steuerungs- und Rechnereinheit (8) umfasst, dass der besagte Umformer (1) durch einen oder mehrere piezoelektrische keramische Materialien hergestellt ist, die von einem mechanischen Standpunkt aus in serieller Relation und von einem elektrischen Standpunkt aus in paralleler Relation zueinander angeordnet sind, dass der besagte Umformer (1) auch mit Hilfe der besagte Pole (1a) mit dem besagten Erregerstromkreis (3), mit dem besagten Amplitudendetektor (4) und dem besagten Frequenzdetektor (5) verbunden ist, dass der besagte Erregerstromkreis (3) ein periodisches Signal, das von dem besagten Synthesizer (7) kommt, verstärkt, dass die besagte Steuerungs- und Rechnereinheit (8) einen Mikroprozessor oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfasst und das Signal empfängt, das mit den Ermittlungen, die durch den besagten Amplitudendetektor (4) und durch den besagten Frequenzdetektor durchgeführt werden, entspricht, dass die Steuerungs- und Rechnereinheit (8) ein Kontrollsignal zur Kontrolle des besagten Erregerstromkreises (3), ein Signal zur Ermöglichung der Verbindung zwischen dem besagten Erregerstromkreis (3) und dem Umformer (1), ein Signal zur Kontrolle der Frequenz des Synthesizers (7), ein Signal zur Ermöglichung des Betriebs des besagten Amplitudendetektors (4) und ein Signal zur Ermöglichung des Betriebs des besagten Frequenzdetektors generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Umformer (1) in einem Handstück enthalten ist, das weiterhin eine nicht-flüchtige Speichervorrichtung umfasst, auf die über Lese- und Schreibzugriffe durch die besagte Steuerungs- und Rechnereinheit (8) zugegriffen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese auch einen Detektor für das Amplitudenverhalten (6) beinhaltet, der mit dem besagten Umformer (1) mit Hilfe der besagten Pole (1a) verbunden ist und dass die besagte Steuerungs- und Rechnereinheit (8) das Signal empfängt, das der Ermittlung des Amplitudenverhaltens, die durch den besagten Detektor für das Amplitudenverhalten (6) durchgeführt wird, entspricht und ein Signal zur Ermöglichung der Ermittlung des Amplitudenverhaltens durch den besagten Detektor für das Amplitudenverhalten (6) generiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Phaco-Emulsifikationsvorrichtung ist und der besagte piezoelektrische Umformer (19) mechanisch mit Hilfe eines Paares metallischer Masse, vorzugsweise aus Titanium oder Stahl, mit einer Nadel (2) gekoppelt ist, wobei eine solche mechanische Kopplung derart ist, dass jegliche Deformation des besagten Umformers (1) eine axiale Verschiebung der besagten Nadel (2) erzeugt.