JP2005531367A - 温度制御プローブを制御する方法と装置 - Google Patents
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Abstract
医療処置に有役な熱エネルギー制御器システムは、プローブに結合された制御器と、プローブ温度を変化させる発熱素子とを備える。制御器は、制御器の動作が選択されたプローブ設定に応じて自己変更するように種々のプローブのタイプに対する使用者の選択可能な設定を可能にする不連続アルゴリズムを格納するメモリを備える。プローブ出力パワーPoutはプローブ温度が目標温度のしきい値内に速やかに入らせる1つのモードでは一定である。次に、制御器は、比例・積分・微分(PID)アルゴリズムPout=Kp・P+Ki・I+Kd・Dを用いてPoutを動的に変化させることができる。ここで、フィードバックループ係数Kp,Ki,Kdは、使用者が設定した所望の目標温度と検出プローブ温度との差を表す誤差関数e(t)の大きさにより動的に変化できる。都合のよいことには、目標温度にオーバーシュートなしに速やかに到達でき、プローブシステムが関節鏡視下組織処置において特に有効になる。
Description
系属出願との関係
これは、「温度制御プローブを制御する方法と装置」という名称で、2000年12月14日に提出された同時系属米国特許出願第09/738,944号の部分継続出願であり、その同時系属出願は「温度制御器プローブを制御する方法と装置」という名称で1999年4月21日に提出された米国特許出願第09/296,690号、つまり(1999年12月19日に発行された)米国特許第6,162,217号の継続出願である。
これは、「温度制御プローブを制御する方法と装置」という名称で、2000年12月14日に提出された同時系属米国特許出願第09/738,944号の部分継続出願であり、その同時系属出願は「温度制御器プローブを制御する方法と装置」という名称で1999年4月21日に提出された米国特許出願第09/296,690号、つまり(1999年12月19日に発行された)米国特許第6,162,217号の継続出願である。
発明の分野
この発明は一般的に医療用プローブ装置に関し、特に、その温度が熱的に不連続な環境で制御され医療処置中に組織に与えられる熱エネルギーを変化させるプローブに関する。
この発明は一般的に医療用プローブ装置に関し、特に、その温度が熱的に不連続な環境で制御され医療処置中に組織に与えられる熱エネルギーを変化させるプローブに関する。
発明の背景
人体で最も豊富な組織は柔軟組織であり、最も柔軟な組織はコラーゲンである。実際、腱や靭帯の有機体の90%以上はコラーゲンである。関節の接続組織は、柔軟組織、一般にコラーゲン組織から構成される。関節の柔軟組織が損傷をうけると、その回復経過は長く、痛みを伴うことが多い。
人体で最も豊富な組織は柔軟組織であり、最も柔軟な組織はコラーゲンである。実際、腱や靭帯の有機体の90%以上はコラーゲンである。関節の接続組織は、柔軟組織、一般にコラーゲン組織から構成される。関節の柔軟組織が損傷をうけると、その回復経過は長く、痛みを伴うことが多い。
損傷をうけた関節の柔軟組織の処置を行う公知の方法は、強い運動,切開手術,関節鏡技術を含む。現行の処置を用いると、傷ついた関節を有する多くの人々は、長い痛み,運動の喪失,神経障害,進行する関節炎を被る。多くの損傷した関節における柔軟組織は、損傷関節をその機能の十分な範囲まで戻すまでには決して回復しない。
関節のコラーゲン組織のような柔軟組織に熱エネルギーを与えて組織を変化又は操作して熱治療中に治療上の応答を与えようと試みることは、当該技術において公知である。とくに、傷ついた関節の柔軟組織に制御された熱エネルギーを与えることによって、コラーゲン組織が縮み、不安定な関節を強化する。
柔軟組織のリハビリ的な熱処置用の医療プローブは、当該技術で知られている。これらのプローブの例は、レーザプローブと高周波加熱プローブを含む。これらのプローブは、コラーゲン組織のような柔軟組織のリハビリ的熱処置の基本的な要求を満たすが、多くは温度のオーバーシュートやアンダーシュートの変動を被り、予測できない温度変化をもたらす。
多くの存在する温度制御の方法論は、例えば、前述の「温度制御器プローブを制御する方法と装置」という米国特許第6,162,217(1999年)号に開示されているような連続アルゴリズムであるアルゴリズムに依存している。連続アルゴリズムを基本とする方法は、それ自体が連続であるシステム、つまり、媒体温度,媒体整合性,ヘッド負荷,冷却効果などが急激に変化しないシステムにおいて、うまく温度を制御することができる。
他のアプローチは、熱的に不安定な環境においてプローブから均一なエネルギーを与えようとする試みにおいてほとんど成功していないように見える。例えば、ラテックスの米国特許第5,458,596号は、柔軟組織の制御された萎縮のために熱を用いる基端と先端を有するプローブの例を開示している。しかし、他の従来技術のプローブと異なることなく、プローブ温度は、プローブからの熱が処置される組織の塊の中に放散される時に不安定になる。これは、ヒートシンクとして働き所望の目標温度を維持するための追加のエネルギー入力を要求する密集した組織を処置するときに、とくにわずらわしい。ヒートシンク効果を補償しようとして追加のエネルギーを与えることによって、所望温度に達する前に減衰不足効果を引起す。
一般的にシステムは減衰ファクタが1より大きい時に過剰減衰であり、そのシステムは低速応答時間を有する。システムは、その減衰ファクタが正確に1であるときに臨界的に減衰する。システムは、その減衰ファクタが1より小さいときに減衰不足になる。減衰不足のシステムでは、「リンギング(ringing)」が問題になり、柔軟組織の安全な加熱には高すぎる温度が瞬間的に与えられることになる。これが起きると、柔軟組織に対する損傷が、焦げることや融除、又は損傷を引き起こす柔軟組織上への望まない有害な影響の導入から生じる。
一般的に、医療プローブは、プローブの中の熱電対のような温度センサからの実際の温度測定と、一組の所定目標温度とに基づいてプローブパワー出力を制御する制御器に取付けられている。制御器は、温度センサによって検出される温度を監視する回路を備えるシステムの一部である。温度制御されるプローブは正確な凝塊を与えて損傷,焦げおよび泡立ちを除去するように設計される。異なる形態を有する異なるサイズのプローブが、肩,膝,くるぶし,手首および肘を含む種々の関節サイズを処置するために利用できる。
プローブが使用されるシステムの正確な温度制御が、柔軟組織の種々のタイプの熱治療の間、要求される。例えば、体温を物理的手段によって上昇させることによって患部柔軟組織の処置として形成された高体温の間、エネルギー供給電極用の好ましい材料が熱的に高応答性の材料であるため、従来技術のプローブには円滑で矛盾のない加熱を与えることが難しいものがある。そのような材料は一般的に大量の熱エネルギーを保持しない。開始時に、制御器は速やかにプローブを加熱して目標温度に到達させるが、オーバーシュートの問題を生じる。熱の印加中大きい組織の塊に接触するプローブは、周囲の組織塊の大きい温度差によりプローブ温度に減衰不足の変動を引き起こす傾向がある。同様に、当業者は、柔軟組織温度における所望の減少期間に同様の問題が生じることを認識するであろう。
さらに、種々のプローブは種々の動作特性を有する。大きいプローブを用いる用途は、所望温度に到達してそれを維持するために、通常、比較的大きい量のパワーを必要とする。脊椎プローブのように小さいプローブを用いる用途は、よく制御された正確で安定した温度を必要とする。しかしながら、一般的な従来技術の制御器は、異なるタイプのプローブに対してパワー出力を制御するために同じ方法を使用し、オーバーシュートおよびアンダーシュート問題の一因となっている。
従って、付設されるプローブのタイプに応じて制御器に動作を変化させ、プローブによる組織の処置中に温度のオーバーシュートおよび振動を、削除しないのであれば減少させることが好ましい方法と装置が必要とされる。さらに好ましくは、そのような方法と装置は、オーバーシュートすることや所望目標温度を超えることなく、そして熱出力パワーを早まって減ずることなく、処置下の組織に十分な熱エネルギーを速やかに生成することである。さらに、そのようなプローブは、関節鏡視下環境のような熱的に不連続な環境においてさえ、連続的に制御可能であるべきである。
この発明は、プローブへのパワー出力を連続的に制御し、医師又は他の医療従業者によってプローブで処置される組織において目標温度を維持するシステムに関連する方法と、システムと、コンピュータプロセッサにより実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体とを提供する。さらに、そのようなプローブは、関節鏡視下環境のような不連続な環境において、うまく使用される。
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしに目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
(a)少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)しきい値入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を動的に選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が所望目標プローブ温度より低いときに、Poutを出力パワー制御信号とし、K4を定数としてPout=K4により部分的に定義可能であり、プローブ温度が前記所望目標プローブ温度のしきい値範囲内にあるとき、Poutを出力パワー制御信号、Kpを制御関数に関連する比例ゲインファクタ、Kiを制御関数に関する積分ゲインファクタ、Kdを制御関数に関連する微分ゲインファクタ、P,I,Dを制御関数に関連する比例、積分、微分関数として
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
により部分的に定義可能である閉ループ不連続制御関数を前記制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して、前記Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する高低を備える方法が提供される。
(a)少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)しきい値入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を動的に選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が所望目標プローブ温度より低いときに、Poutを出力パワー制御信号とし、K4を定数としてPout=K4により部分的に定義可能であり、プローブ温度が前記所望目標プローブ温度のしきい値範囲内にあるとき、Poutを出力パワー制御信号、Kpを制御関数に関連する比例ゲインファクタ、Kiを制御関数に関する積分ゲインファクタ、Kdを制御関数に関連する微分ゲインファクタ、P,I,Dを制御関数に関連する比例、積分、微分関数として
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
により部分的に定義可能である閉ループ不連続制御関数を前記制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して、前記Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する高低を備える方法が提供される。
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしにプローブにおける目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
(a)少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が前記所望目標温度に近づく速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法が、さらに提供される。
(a)少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が前記所望目標温度に近づく速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法が、さらに提供される。
そのシステムは、制御器と、プローブと、プローブを制御器に結合する機構とを備える。プローブは発熱又は冷却を行うことができる発熱素子を備え、プローブにおける温度を検出する温度センサも備える。システムと制御器は、プローブ用の少なくとも1つの選択可能なプローブ設定を備えることによって異なるタイプのプローブを好適に効果的に収容し、制御器の動作が選択されたプローブ設定に応じて変更される。これによってプローブ出力がオーバーシュートすることなく、また目標温度を超えることなく制御され所望の目標温度が効果的に維持される。
そのシステムは、少なくとも1組のプローブ設定を格納するメモリを備え、格納された各設定は、好ましくは少なくとも1つのゲインパラメータを備え、プローブ用の所定の動作特性に対応する。実際問題として、目標温度と、プローブ用の所望の組の動作特性に対応する第1プローブ設定が受入れられ、1組のプローブ設定が第1プローブ設定に応じて選択される。検出温度は所望目標温度と比較され、誤差信号が生成される。選択された組のプローブ設定からのゲインパラメータを用いる制御関数が誤差信号に適用され、出力制御信号を生成する。比例・積分・微分(PID)アルゴリズムが所望の目標温度に到達するための出力制御信号に応じて、発熱素子に与えられるパワーを変化させる。
この好ましい実施態様は、米国特許第6,162,217で記述されたものを超えており、特に不連続な環境において実質的なオーバーシュートなしに、又は所望の目標温度を超えることなしに迅速に所望の目標温度に到達する。温度は米国特許第6,162,217号によってうまく制御できたが、そのような制御は熱的に連続な環境において最もよく機能し、実際、上述の方法は連続アルゴリズムを使用した。
しかし、或る用途、例えば関節鏡視下環境においては、プローブチップが機械的に制御されず、医療従業者によって予想不能に操作されるので、不連続プローブが変化を生じる。プローブが移動するとき、異なる組織の生地が出合うので、不連続プローブが変化を生じる。さらに、室温で塩水の流れを制御する関節鏡ポンプがオン・オフし、組織の接触圧が変化する。従って、この発明は、親出願および米国特許第6,162,217号に用いた連続アルゴリズムに対して、不連続アルゴリズムとして説明されるものを用いている。
動作の1つのモードにおいて、この発明は、測定されるプローブ温度がしきい値目標プローブ温度の所望範囲に入るまで、一定パワーPoutを最初に出力する不連続アルゴリズムを用いる。そのつなぎ目において、アルゴリズムは、
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
として定義される変形された比例・積分・微分(又はPID)アルゴリズムを解く。ここで、Kpは比例ゲインファクタ,Kiは積分ゲインファクタ,Kdは微分ゲインファクタ,P,I,Dは比例,積分,微分関数である。PIDアルゴリズムは、良好な粒度(granularity)又は分解能(resolution)で所望のプローブ温度を、実質的に超えることなく、維持する。
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
として定義される変形された比例・積分・微分(又はPID)アルゴリズムを解く。ここで、Kpは比例ゲインファクタ,Kiは積分ゲインファクタ,Kdは微分ゲインファクタ,P,I,Dは比例,積分,微分関数である。PIDアルゴリズムは、良好な粒度(granularity)又は分解能(resolution)で所望のプローブ温度を、実質的に超えることなく、維持する。
多くの用途において、係数Kp,Ki,Kdは一定で、これらの係数は、測定されたパラメータ、例えば温度、あるいはインピーダンス、あるいは測定された電圧の大きさによって動的に変化することができる。
従って、この発明は、プローブ温度を、所望の目標プローブ温度に近い設定点の値まで大きさで速やかに上昇させ、その後、さらに微細な制御粒度でPIDアルゴリズムにより制御する。その結果、オーバーシュートは最小になる。
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサを有するプローブのパワー出力を動的に制御するためのシステムに関連して用いられるコンピュータプロセッサによって実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体がさらに提供される。前記メモリは少なくとも1つのゲインパラメータと、前記プローブ用の対応する所定動作特性とをプローブ用の対応する所定動作特性とを備える少なくとも1組のプローブ用設定を有し、前記システムは目標プローブ温度がプローブにおいて維持されるように機能し、前記ソフトウェアは、前記プロセッサによって実行されるとき、
(a)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(b)所望の組のプローブ用動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(c)前記第1プローブ設定に応じて、プローブ設定の少なくとも1組から1組の設定を選択し、
(d)センサにより検出された温度と目標温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(e)1つのモードにおいてプローブを一定のパワーPoutで作動させ、第2のプローブ温度において目標温度に実際に接近し、閉ループシステムの現在の特性が目標温度に、それを超えることなく到達するか否かを決定する閉ループ不連続制御関数を制御器に与え、
(f)誤差信号e(t)の大きさを用いて制御関数の少なくとも1つのファクタを動的に制御し、出力パワー制御信号Poutを決定し、
(g)Poutに応じて発熱素子へのパワー出力を制御して目標温度を維持する工程を実行する。
(a)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(b)所望の組のプローブ用動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(c)前記第1プローブ設定に応じて、プローブ設定の少なくとも1組から1組の設定を選択し、
(d)センサにより検出された温度と目標温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(e)1つのモードにおいてプローブを一定のパワーPoutで作動させ、第2のプローブ温度において目標温度に実際に接近し、閉ループシステムの現在の特性が目標温度に、それを超えることなく到達するか否かを決定する閉ループ不連続制御関数を制御器に与え、
(f)誤差信号e(t)の大きさを用いて制御関数の少なくとも1つのファクタを動的に制御し、出力パワー制御信号Poutを決定し、
(g)Poutに応じて発熱素子へのパワー出力を制御して目標温度を維持する工程を実行する。
この発明の他の特徴と利点は、好ましい実施態様が添付図に関連して詳述された次の記載から明らかになるであろう。
好ましい実施態様の詳細な説明
この発明の現在好ましい実施態様は、図15に示される。しかし、図15をよく理解するためには、まず、図1〜図14を考慮することが有役である。図1〜図14は米国特許第6,162,217号に記載された発明に適用可能であり、かつ、この発明をよく理解させる。‘217号特許に記載された発明は、親発明、又は、‘217号特許の発明としてここに引用される。
この発明の現在好ましい実施態様は、図15に示される。しかし、図15をよく理解するためには、まず、図1〜図14を考慮することが有役である。図1〜図14は米国特許第6,162,217号に記載された発明に適用可能であり、かつ、この発明をよく理解させる。‘217号特許に記載された発明は、親発明、又は、‘217号特許の発明としてここに引用される。
さて、図1に戻ると、現在好ましい発明は、親発明と同様に、プローブ16と、プローブに結合された温度制御器20(又はジェネレータ20)とを備える。図1に示すように、発熱素子22はプローブ16のプローブチップ24に取付けられている。発熱素子22は、プローブ16により処置される組織の温度を、加熱又は冷却によって変えるために用いることができる。発熱素子22は、組織に高周波エネルギーを伝達するトランスデューサ、組織に熱エネルギーを伝達する抵抗発熱素子、および液体窒素で又は電気的に例えばペルチェ素子で冷却する素子を含む冷却素子の少なくとも1つを、制限なしに備える。模範的なプローブとエネルギー伝達システムは、ラックス他の米国特許第5,458,596号にさらにくわしく記載されているので、この特許は引用によってここに取り込まれる。
図1を参照すると、熱電対のような温度センサ26は周囲温度を検出する。検出された温度は制御器20に入力され、制御器20は発熱素子22に供給される電力量を制御し、プローブチップ24の温度を変化させるか、又は、例えば、組織への高周波エネルギーの伝達中にプローブにより処置される組織の温度を変化させる。
なお、熱エネルギーは柔軟組織を処置するために用いることができ、好ましい実施態様では、温度制御器20は、柔軟組織の処置において熱エネルギーを調整するために医師によって用いられる医療システムの一部である。目標物の温度を設定するために、医師(又は他の医療従業者)は、制御器20上のノブ又はデジタルスイッチのような制御部28を操作する。目標物の温度はディスプレイ30上に表示される。制御器の動作特性の選択は、医師が複数位置スイッチ32、例えば指回し式スイッチや他のスイッチ式選択器を調整することによって行うことができる。
動作特性の選択は、プローブ16のタイプと、プローブを用いた熱治療を受ける組織のタイプとによって決定される。換言すれば、各スイッチの位置は、プローブと組織との組合せと関連することが好ましい。医師は所望の動作特性とスイッチの位置を、制御器20のメーカーから、例えば制御器メーカーによって提供される取扱説明書(IFU)から、得ることができる。この方法で、医師は、種々のプローブに対して所望の又は目標とする温度と動作特性の両方を設定することができる。
図2は、制御器20を、さらに詳細に示す。制御器20は、メモリ36,制御部28,ディスプレイ30,スイッチ32,プローブ16に取付けられた電源40を制御する電力制御回路38につながるプロセッサ34を備えることが好ましい。プロセッサ34は、通常、マイクロプロセッサと、制御部28,ディスプレイ30,スイッチ32および電力制御回路38につながる周辺ポートとを備える。メモリは通常、半導体メモリからなるが、その代わりに(又は追加して)他のタイプのメモリ、例えば磁気ディスクメモリおよび光記録メモリからなってもよい。
この発明の親発明および好ましい実施態様は、種々の形の、いわゆる比例,積分,微分、つまりPIDを備える。図2に示すように、メモリ36は、PID温度制御ルーチン又は手順42,PID生成手順43(後述する),プローブ設定1〜プローブ設定Nで示されるNセットのプローブ設定44〜46,温度プロファイル47およびスイッチ設定テーブル48を格納する。
メモリ36に格納された模範的なプローブ設定46は、比例ゲインファクターKp,積分ゲインファクターKi,および微分ゲインファクターKdを備え、不履行目標温度および不履行最大電力値をさらに備えることができる。プロセッサ34は、PID温度制御手順42を実行して、PID生成手順43で実行されるPID制御法を用いてプローブ温度を制御する。次の表1はゲイン設定の好ましい組を示す。
表1を参照すると、DやEのような高いゲイン設定は、医師が組織の大きい領域に熱を加えて組織を横切ってプローブを動かさなければならないという用途に有益である。そのような用途では、熱変動を吸収可能な大量の組織により、程度の高い温度振動が許容されることがある。
A,,B,Cのような低いゲイン設定は、プローブが長期間静止して温度がゆっくり、例えば数分にわたって変化するような用途に有役である。低いゲイン設定は、さらに正確な温度制御を提供する。
図2において、メモリ36はまた、タスクスケジュール49a,目標温度設定手順49b,PID制御手順49c,および目標温度49d(以後、図12〜14を引用して後述する)も格納している。
図3において、スイッチ設定表48は、スイッチ32の各設定を、一組のプローブ設定に結びつけている。次に示す表2は表48用の模範的なスイッチ設定を示し、種々のスイッチ位置間の関係,不履行温度,不履行最大出力電力,ゲイン設定,プローブのタイプを要約している。
今、図4を参照すると、比例−積分−微分(PID)温度制御の1つの実施態様のハードウェア構成が示され、このハードウェア構成ではブロック50が、この発明による制御方法を実行するために用いられるハードウェア構成の部品を明らかにしている。制御システム設計の当業者であれば、ソフトウェア構成によって、開示された制御方法が実行されるということを認めるであろう。例えば、温度制御ブロック50は、PID温度制御手順42のソフトウェアで実行されることが好ましい。しかしながら、説明を容易にするために、この発明の種々の実施態様は、ハードウェア構成に関して説明され、等価のソフトウェアとソフトウェアのフローチャートにより補足される。
なお、制御器20を用いて、医師は、制御部28と、デジタル目標温度信号を出力する付属回路とを用いて所望の温度を設定する。
図4に示すように増幅器52によってデジタル目標温度信号に、一定ゲイン値Ks(Ks≒10)が掛け算される。
図4に示すように増幅器52によってデジタル目標温度信号に、一定ゲイン値Ks(Ks≒10)が掛け算される。
作動中において、プローブチップ24は、プローブ16により処置される組織56の温度を変化させる。温度センサ26、例えば熱電対は、温度における環境の変化を検出し、検出温度に対応するアナログ信号を出力する。アナログ/デジタル(A/D)変換器58はアナログ検出温度信号を、デジタル検出温度値に変換する。また、A/D変換器58は較正され、検出温度信号に所定値、例えば10を掛けて温度信号に合わせる。
第1加算器60は、デジタル目標温度値からデジタル検出温度値を減算することによって誤差値つまり誤差信号E(t)を生成する。
PID生成ブロック61は、3つの信号又は値,つまり、比例値,積分値および微分値を生成する。ソフトウェア構成においては、PID生成ブロック61は、図2のPID生成手順43を用いて実行される。
第1増幅器62は、誤差値に比例ゲインファクタKpを掛けて比例信号又は比例値を生成する。
積分値又は積分信号の生成は次の通りである。
第2加算器64は誤差信号e(t)から非積分ワインドアップ信号を減算し、その出力をスイッチ66を介して積分器68に与える。積分器68は、1/sラプラス変換によって表された調整誤差値を積分し、中間値又は中間信号を生成する。デジタルインプリメンテーションにおいて、積分器68は、台形,オイラー,方形およびルンゲ・クッタのアルゴリズムを無制限に含む複数の公知のアルゴリズムのいずれをも使用できる(ここに説明されるべき他の実施態様に用いられるデジタル積分器は、そのようなアルゴリズムを用いて同じように実行可能である)。第2増幅器70は、積分器68から出力される中間値に積分ゲインファクタKiを掛け算して積分値を生成する。
第2加算器64は誤差信号e(t)から非積分ワインドアップ信号を減算し、その出力をスイッチ66を介して積分器68に与える。積分器68は、1/sラプラス変換によって表された調整誤差値を積分し、中間値又は中間信号を生成する。デジタルインプリメンテーションにおいて、積分器68は、台形,オイラー,方形およびルンゲ・クッタのアルゴリズムを無制限に含む複数の公知のアルゴリズムのいずれをも使用できる(ここに説明されるべき他の実施態様に用いられるデジタル積分器は、そのようなアルゴリズムを用いて同じように実行可能である)。第2増幅器70は、積分器68から出力される中間値に積分ゲインファクタKiを掛け算して積分値を生成する。
微分ユニット72は変換関数を検出温度値に適用して中間微分信号又は値を生成して微分値を生成する。第3増幅器74は中間微分信号又は値に微分ゲインファクタKdを掛け算する。伝達関数は後述されるが、次のようなラプラス変換として表されることが好ましい。
−s/(0.25s+1)
−s/(0.25s+1)
第3の加算器76は、比例値,積分値および微分値を加算してPID制御値又は信号を生成する。
この発明の好ましい実施態様によれば、比例ゲインファクタ,積分ゲインファクタおよび微分ゲインファクタは、PID制御処理の開始前にスイッチ32の設定と、メモリ36内の表と設定の組合せとから決定される。このようにして、PID制御機能と、比例,積分,微分値のゲインは、異なるタイプのプローブの個々の注文に応じることができる。
図4に示すように、PID制御値が所定のしきい値を越えた場合には、クランプ回路78が調整済みのPID制御値を出力する。従って、クランプ回路78は、最大許容電力値を電力制御回路38に出力し、過熱を防止するためにプローブに供給する電力量を制限又はクランプする。PID制御値が所定のしきい値を越えない場合には、クランプ回路78はPID制御値を出力する。1つの実施態様では、PID温度制御手順が、図3の表48の不履行最大電力値から不履行最大許容電力を決定する。他の実施態様では医師が最大許容電力を手動で設定する。
アンチワインドアップ(antiwindup)回路もまた、電力量の制限を助ける。これは、積分器が大きい電力サージを含むことを防止することによってなし遂げられ、積分器に安定した定常状態値、従って、プローブのさらに安定した処理温度をさらに効果的に出力させる。第4加算器82は、PID制御値から調整済みPID制御値を減算してアンチワインドアップ差を生成する。第4増幅器84は、アンチワインドアップ差にアンチワインドアップゲインファクタKw、通常4を掛け算してアンチワインドアップ誤算を生成する。第2加算器64は、誤差値e(t)からアンドワインドアップ誤差を減ずる。
調整済みPID制御値は、通常、PID制御値に等しいので、アンチワインドアップ差は通常は零であり、積分器68に供給される誤差値は影響を受けない。しかし、PID制御値が大きいとき、例えば、電源が最初にオンされたときには、PID制御値は最大許容値を超えてPID制御値がクランプされることがある。この場合には、アンチワインドアップ差は零より大きく、正の値が第2加算器64の正入力に供給され、積分器に供給される誤差値の大きさを減じ、それによって大きいサージの影響を減じる。
実際問題として、医師はプローブ16に供給される電力量を、スイッチ38と66の位置を制御する足踏みスイッチ電力制御86を用いて制御できる。
足踏みスイッチ電力制御86が作動しないとき、零値が、第1スイッチ位置において第1ゼロブロック92を介して積分器68に供給される。同様に、プローブに電力が出力されないように第2ゼロブロック94が、電力制御回路38によって用いられる。足踏みスイッチ電力制御86が作動すると、スイッチ66は第2スイッチ位置へ変化し、第2加算器64の出力を積分器68へ供給させる。さらに、スイッチ38が第2スイッチ位置に変化して出力制御値をクランプ回路78からプローブへ供給させる。
足踏みスイッチ電力制御86が作動しないとき、零値が、第1スイッチ位置において第1ゼロブロック92を介して積分器68に供給される。同様に、プローブに電力が出力されないように第2ゼロブロック94が、電力制御回路38によって用いられる。足踏みスイッチ電力制御86が作動すると、スイッチ66は第2スイッチ位置へ変化し、第2加算器64の出力を積分器68へ供給させる。さらに、スイッチ38が第2スイッチ位置に変化して出力制御値をクランプ回路78からプローブへ供給させる。
図4に示す伝達関数ユニット72は、図5に示す模範的な微分ユニット72により実行される。伝達関数ユニット72は入力信号Xを受けて値Yを出力する。第5増幅器96は、入力信号Xに値A0を掛け算する。微分ユニット72は、微分関数の効果を抑制する積分器98を備え、それによって、入力信号の大きい変化およびノイズに対する微分ユニット72の感受性を低減させる。なお、積分器98用のデジタルインプリメンテーションは、存在するアルゴリズムを用いて実行される。電源のオン時に、積分器98の出力は零に初期化される。第6増幅器100は積分器出力にA0を掛け算して変形積分信号を生成する。第5加算器102は、掛け算された入力信号から変形積分信号を減算し、第7増幅器104は加算器102の出力にB1を掛け算し、中間積分値を生成する。好ましい実施態様においては、A0は4に等しく、B1は1に等しい。
図6に示すPID制御機能は、アンチワインドアップ機能が異なって実行されるということを除いて、図4に示すそれと同様である。図6において、アンチワインドアップ差は、次の積分を停止させるスイッチとして用いられ、それによって、改良された定常状態処理に帰着する。アンチワインドアップ差が零に等しい時、積分器68は積分することができるが、アンチワインドアップ差が零でないとき、積分器68は積分を停止する。
図6において、第4加算器82はアンチワインドアップ差を生成し、その差はコンパレータ106によって零値107と比較される。コンパレータ106からの出力は、インバータ108によって反転される。インバータ108と足踏みスイッチ制御86からの信号とに応答して、アンドゲート110は、スイッチ66を制御する位置制御信号を生成する。
特に、足踏みスイッチを医師が作動しないとき、足踏みスイッチ電力制御信号は零値を有し、アンドゲート110からの出力はデジタル零値になり、スイッチ66は第1スイッチ位置へ移動して零値を出力し、積分器68の積分動作を妨げる。
しかしながら、足踏みスイッチが作動すると、足踏みスイッチ電力制御信号がデジタルの1の値になり、アンドゲート110がアンチワインドアップ回路に応答する。アンチワインドアップ差が0に等しい時、コンパレータ106がデジタル0の値を出力し、その0の値はインバータ108によってデジタル1に変換される。インバータ108はデジタル1の値を出力するので、アンドゲート110はデジタル1の値を出力し、スイッチ66は図6に示すように第2スイッチ位置に配置され、積分器68は誤差信号e(t)を積分する。
アンチワインドアップ差が0に等しくない時、アンチワインドアップ差は正の値を有し、コンパレータ106はデジタル1の値を出力し、インバータ108は0の値を出力する。インバータ108からの0の値に応答してアンドゲート110はデジタル0の値を出力し、スイッチ66が第1スイッチ位置に配置され積分器68に0値を出力し、それによって積分器68の積分動作を妨げる。
図7に示されるPID制御機能は、誤差信号e(t)が微分ブロック72に供給される点を除いて、図6に示されるものと同等である。
図8は、図4のPID制御方法を実行するために用いられる、図2のPID温度制御手順のフローチャートである。ステップ112において、プローブ設定の組合せと、プローブ設定をスイッチ設定に関連づける表とが前述のようにメモリに与えられる。各組合せは、特定プローブ用の所定動作特性に対応する。ステップ114において、PID温度制御手順42は、目標温度を受入れる。目標温度は、例えばディスプレイ30に関連して医師により設定されることが可能である。PID温度制御器により使用される目標温度値は、ある因数倍、例えば10倍されたセ氏温度で医師により設定された温度である。ステップ16において、PID温度制御手順42は、複数位置のスイッチから、所望の組の動作特性に対応する第1の設定を受入れる。
ステップ118において、PID温度制御手順42は、複数位置のスイッチ設定に応じて特定の組のプローブ設定を選択する。その特定組は、比例,積分および微分ゲインファクタKp,Ki,Kdをそれぞれ上述のように有し、それらはPID生成手順によって用いられる。医師が目標温度を設定しない場合には、選択されたスイッチ設定用にメモリに格納された不履行目標温度が使用される。ステップ119において、PID温度制御手順は、次のサンプル期間の前に、所定の時間だけ待機する。或る実施態様では、その所定時間は20msに等しい。換言すれば、PID温度制御手順は、20ms毎にプローブによって出力された検出温度値をサンプリングする。或る実施態様では、PID温度制御手順は、サンプル期間をトリガーするために割込みを用いる。
ステップ120では、検出温度値が受入れられる。目標温度と同様に、検出温度値は実際のセ氏温度を表わし、10倍される。ステップ122では、目標温度から検出温度を減算することによって誤差値が生成される。
破線によって示されるステップ124〜130は、図2のPID生成手順43において実行され、手順43はPID温度制御手順によって呼び出される。PID生成手順はまた、図4に示されるPID生成ブロック61に対応する。ステップ124では、比例値が、誤差値に特定の比例ゲインパラメータKpを乗ずることによって生成される。ステップ126では、積分値が、誤差値からアンチ積分ワインドアップ値を減算し、減算結果を積分し、積分された調整誤差値に特定の積分ゲインパラメータKiを乗ずることによって生成される。
積分器68は、種々の公知のアルゴリズムを用いて実行可能である。ステップ128では、上述のように微分変換関数を検出温度値に適用し、変換関数の結果に特定の微分ゲインパラメータを乗ずることによって、微分値が生成される。ステップ130では、比例値,積分値,および微分値を合計することによって、出力制御信号が生成される。
ステップ132では、出力制御信号は、出力制御信号が所定しきい値を越えたときに所定出力値までサンプリングされる。その所定しきい値は表2からの不履行設定電力であるか、又はその所定しきい値は医師によって手動設定され得る。また、複数位置スイッチの設定に基づいて、上記テーブルの1つに格納された不履行最大電力値が用いられる。ステップ134では、電力が出力制御信号に応じてプローブの発熱素子へ出力され、ステップ120において、処理がくり返す。
図9は、図8に示す微分値を生成するステップ128の詳細フローチャートである。ステップ136では、現在検出された温度値が第1定数A0倍される。ステップ138では、仮の値がA0倍された現在の検出温度から積分出力値を減ずることによって生成される。最初は、その積分出力値は0であり、各現在の検知温度の示度によって変更される。ステップ140では、その仮の値が第2定数B1倍されて微分値が生成される。ステップ142では、新しい積分値が、以前の検出温度値と現在の検出温度値に基づいて生成される。その積分は、種々の公知のアルゴリズムのいずれかを用いて再び実行できる。新しい積分値は第1定数、A0倍され、次の演算に用いられる他の積分出力値を生成する。上述のように、第1定数A0は4に等しく、第2定数B1は1に等しいことが好ましい。
図8と図9は、誤差値が、検出温度値の代わりに微分処理に入力される別の実施態様を示す。
図10は、図4に示すPID温度制御手順42のフローチャートであり、図4のアンチワインドアップ機能を実行するために用いられる。ステップ152では、アンチワインドアップ差は、出力制御信号から最大所定クランプ値を減ずることによって決定される。ステップ154では、アンチワインドアップ調整値がアンチワインドアップ差にアンチワインドアップゲインファクタを乗ずることによって生成される。ステップ156において、アンチワインドアップ調整値は誤差値から減算され、変更誤差値を生成し、その変更誤差値はステップ158で積分される。
図11は、図6のアンチワインドアップ機能の異なる実施態様を実行するために用いられる図2のPID温度制御手順のフローチャートである。ステップ162では、アンチワインドアップ差は、出力制御信号から最大所定クランプ値を減ずることによって決定される。ステップ164では、アンチワインドアップ差がゼロでないとき、その手順は誤差値を積分することを中止する。
図12は可変温度設定を実行するために用いられる図2のPID温度制御手順43のフローチャートである。医師は用途によって温度プロファイルの変更を望むことがある。大きい人体の関節を処置するとき、医師はプローブを高出力モードで使用してプローブを速く加熱して目標温度を維持したいと望むことがある。しかしながら、脊椎上を処置するとき、医師は、非常に制御された温度を有しオーバーシュートのない低出力モードを用いることを望むことがある。
この発明のこの実施態様において、医師は複数位置スイッチによって特定の温度プロファイル(図2のブロック47参照)を選択できる。医師はまた、最終目標温度を設定してもよい。図12のステップ172では、PID温度制御手順において、選択されたスイッチ位置は、出力温度まで斜めに上昇するランプパラメータを有する特定の温度プロファイルに対応する。また、図13を参照すると、追加の模範的は温度プロファイルが示されている。各プロファイル176,178は、ランプパラメータ(ランプ1,ランプN),ゲイン設定,最終目標温度を格納する。図12を参照すると、ステップ180では、スイッチ位置に応じて目標温度がランプパラメータに基づいて開始温度に対して初期化される。ランプパラメータに関連するゲインファクタの組が検索され、PID制御手順によって使用されるPID制御ブロックにロードされる。ステップ182では、PID温度制御手順はマイクロプロセッサを形成し、所定間隔で、好ましくは20ms毎に割込みを行う。
ブロック184におけるステップは割込みに応じて実行される。ステップ186では、目標温度が、設定目標温度手順(図2の49b)を用いて設定される。ステップ186が第1の割込みに応じて実行されていると、目標温度はすでに開始温度に対して設定されている。そうではなく、所定時間が連続的な目標温度変化間で経過した場合には、目標温度は目標温度にランプパラメータを加えることによって変更される。目標温度は30秒毎に変更されることが好ましい。ランプパラメータと目標温度との合計が最終目標温度を超えた場合には、目標温度は最終目標温度に設定される。
ステップ188では、PID制御手順(図2の49c参照)が実行され、プローブの温度を制御する。PID制御手順は各割込み時に20ms毎に行われる。PID制御手順は図14においてさらに詳しく示される。ステップ190では、PID温度制御手順は、次の割込みが生じるのを待つ。
好ましくは、マイクロプロセッサは、ラウンドロビン仕事スケジュラーのような仕事スケジュラー(図2の49a)を実行し、割込みを生成し、タスクとして目標温度設定手順とPID制御手順を実行する。目標温度はメモリ(図2の49d参照)に格納され、目標温度設定手順とPID制御手順の両方によってアクセスされる。
他の実施態様では、目標温度設定手順は、目標温度を変更することに加えて、ゲインファクタを変更する。例えば、特定のスイッチ位置の設定に対して、厳密に制御された温度による低電力の用途が所望される。そのスイッチ位置に基づいて、PID温度制御手順は、最終目標温度よりもはるかに低い初期目標温度を設定する。PID温度制御手順もまた、特定のスイッチ位置の設定に関連する所定の組のゲイン値を使用し、割込みが形成される。割込みに応じて、目標温度設定手順とPID制御手順が20ms毎に行われる。
30秒が経過すると、目標温度設定手順は、初期目標温度を所定量、例えば1度だけ増加させ、次の目標温度を生成する。このようにして、目標温度設定手順は、最終所望目標温度に達するまで、中間の目標温度を増加させる。結果的に、プローブの温度は非常によく制御され、オーバーシュートが実質的に回避される。
図14には、図12のステップ188のPID制御手順のフローチャートが示される。PID制御手順は、上述の図8のステップ120〜134を用いる。図10又は11のアンチワインドアップは、図14のPID制御手順と共に使用可能である。
なお、プローブのタイプに依存して、組織温度を増減するために目標温度を設定できる。
従って、この発明の方法と装置は高温および低温プローブを制御して組織を加熱又は冷却することができる。
従って、この発明の方法と装置は高温および低温プローブを制御して組織を加熱又は冷却することができる。
図15に戻ると、PID制御手順の現在好ましい実施態様が示される。図15において前述のエレメントと同じ番号を有するエレメント又はブロックは前述のエレメントに同じであると考えられる。なお、2つの新しいブロック、つまりブロック100と103が追加されている。
この好ましい実施態様の設計目的は、実際のプローブ温度が所望のしきい値の目標プローブ温度に速やかに接近し、その後、実質的な温度のオーバーシュートがなく、好ましくは短い信号時間間隔に対して平坦にならないようにきわめて正確に制御されることである。従って、図15の実施態様では、複数相の不連続制御アルゴリズムが用いられ、実際の測定温度と所望の目標温度との差を制御する。動的に選択可能な不連続アルゴリズムを用いることによって、処置サイクルの特定期間にプローブのパワー出力が最適化される。
最初に、この好ましい実施態様によるプローブは一定パワー出力(Pout)モードで作動され、その期間にプローブ温度が速やかに所望のしきい値目標温度に向かって上昇することができる。この目標温度のしきい値範囲内で、図15のブロック100に示される制御PIDアルゴリズムの不連続領域は、プローブ温度をさらに細かく制御することができる。最終結果は、所望のプローブ温度が、関節鏡環境においてさえ、速やかに到達されて維持されることである。
この新しいアプローチは、図15のブロック100によって示されたこのアルゴリズムに不連続性が存在するという点で、‘217特許に記載された連続PID制御アルゴリズムと異なる。‘217特許における連続アルゴリズムは、かなり予言的であったが、制御メカニズムが目標温度に到達する前にプローブに与える電力を減少させることになるという点で保守的な傾向があった。これに対して、図15のブロック100に示されるPID制御アルゴリズムは、高速上昇手順を用いて目標温度により迅速に到達する傾向を有し、比較的細かい粗さのパワー制御用の最適速度パラメータを与える。
この好ましい実施態様は、
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
として定義できる変形PIDアルゴリズムを実行するよって、オーバーシュート、または超過することなしに所望の目標温度に到達しようと努める。ここでPoutは出力パワー、Kpは比例ゲインファクタ、Kiは積分ゲインファクタ、Kdは微分ゲインファクタ、P,I,Dは、比例,積分,微分関数である。図15に示すフィードバックループに関連して、変形PIDアルゴリズムは、プローブ温度が目標温度に接近する速度を調整でき、Ki・Iファクタは温度差を積分して平均温度が所望の目標温度になるように温度を増加させる傾向がある。その結果は、プローブが処置下にある組織の上を移動したときでも目標温度を越えることなしにプローブ温度を迅速に制御することである。
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
として定義できる変形PIDアルゴリズムを実行するよって、オーバーシュート、または超過することなしに所望の目標温度に到達しようと努める。ここでPoutは出力パワー、Kpは比例ゲインファクタ、Kiは積分ゲインファクタ、Kdは微分ゲインファクタ、P,I,Dは、比例,積分,微分関数である。図15に示すフィードバックループに関連して、変形PIDアルゴリズムは、プローブ温度が目標温度に接近する速度を調整でき、Ki・Iファクタは温度差を積分して平均温度が所望の目標温度になるように温度を増加させる傾向がある。その結果は、プローブが処置下にある組織の上を移動したときでも目標温度を越えることなしにプローブ温度を迅速に制御することである。
動作の1つのモードにおいて、プローブの出力パワーは一定、例えばP0=k4に保持される。ここでk4は所望の一定の出力の大きさである。誤差信号e(t)は図15のブロック62,64,100への出力として利用可能であり、測定されたパラメータが目標パラメータに近づく方法の基準を与える。測定されるパラメータは、好ましい実施態様では、インピーダンスや電圧、又は利用可能な他のものであってもよく、プローブ温度は重要なパラメータである。
図15のブロック100に関し、I1は重要な測定パラメータ、例えば、プローブチップ温度を表すことができ、m1は所望のしきい値のレジューム(regime)を表すことができる。従って、プローブは最初はP0=k4(定数)で作動されるが、プローブチップの温度が上昇して第1しきい値のレジュームに十分近づくと、不連続PIDアルゴリズムが出力パワーP0、例えば、
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
の制御を行う。
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
の制御を行う。
係数Kp,Ki,Kdは多くの用途において一定でもよいが、この発明では、測定パラメータ、例えばプローブ温度の応答に依存してこれらの係数のいずれか又はすべてが動的に変更される。従って、プローブ温度が第1しきい値温度m1に十分近づいた後に、PIDアルゴリズムにおける係数は、例えば、Kp1,Ki1,Kd1で示される。プローブの温度が第2レジュームに近づくと、係数はKp2,Ki2Kd2などに動的に変更され得る。e(t)の範囲が適当な係数Kp,Ki,Kdのいずれか又はすべてを選択するために用いられることができるということが再び理解される。
望ましい結果は、プローブ温度を所望の目標温度に(それを越えることなく)比較的迅速に近づけた後、動的PIDアルゴリズムによってプローブが熱的パワーを所望速度で、組織表面温度における動的な変動なしに、組織温度の最適な広がりと熱エネルギーの深さで組織を加熱するために熱的パワーを与えることである。従って、‘217号特許による熱制御は熱的安定環境、例えば表面加熱においてプローブ温度を維持するのによい働きをしたが、この発明に用いられる不連続PID機能は、靭帯処置を含む関節鏡的環境に関連したより大きい組織深さにおいて実質的なオーバーシュートなしで、細かい粒状の制御で、プローブ温度を維持できる。
従って、この好ましい実施態様により、図15のブロック100は一組の論理ステートメントを与えて誤差信号e(t)に基づくKp,Ki,Kdの値を決定する。所定の限度Inとmn(nは指標)に比較されるe(t)の関係に依存して、係数Kp,Ki,Kdが異なる値をとる。種々の限度ファクタ、例えばI1,I2……m1,m2……と、係数又はゲインファクタKp1,Kp2,……,Ki1,Ki2,……,Kd1,Kd2は、メモリ36(図3参照)に格納されることが好ましい(図3参照)。
ブロック101において、ブールの論証e(t)>nは、ここに102として示されるパワー出力制御回路の状態を制御する。パワー出力制御回路は、パワーのPID演算量又は103で医師によって選択された最大パワー量のいずれかを供給する。
要するに、最初はプローブは一定のパワー出力レベルP0=k4で作動され、プローブチップ温度を速やかに所望目標温度に接近させる。次に、図15のブロック100に示す不連続PIDアルゴリズムを用いて、アルゴリズムのKp・P部分は、実際のプローブ温度(例えば、センサ26で測定される)と所望目標温度(例えば医師使用制御28によって設定された)との間の差を見る。アルゴリズムのKd・D部分は、プローブ温度が実際に所望目標温度に近づく速度を検査し、アルゴリズムのKd・D部分は現在の設定(これらの設定は動的である)が目標温度にそれを超えることなく結果的に到達するか否かを示す。
上記の動的な解法は、システムの温度応答が比較的大きいオーバーシュートを有するにもかかわらず目標温度に速やかに到達するように調整できるか、又はシステムのゲインファクタが目標温度に到達するために比較的長い時間を要するにもかかわらず最小の温度オーバーシュートになるように調整される他の設計に内在する交換条件の発生を防止するということは、評価されるであろう。
さらに、上記の動的な解法は、プローブが比較的低温、例えば37℃である組織を横切って連続的に移動する関節鏡的処置において使用されることを可能にする。比較的冷たい組織を横切るプローブの動作は、プローブ温度をオーバーシュートなく迅速に所望温度まで上昇することを困難にさせる温度負荷を与える。プローブ温度が目標温度に向かって丁度動き始めたか否か、又はプローブ温度が目標温度に実際きわめて接近したか否かに依存して、アルゴリズムが制御システムを動的に再形成するという図15のPID形態がこの挑戦に遭遇する。
開示された実施態様に対する変形や変更は、特許請求の範囲によって規定された発明の主題を精神から離れることなく行われる。
Claims (24)
- プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしに目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
(a)少なくとも1つのゲインパラメータと、プローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)しきい値入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を動的に選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が所望目標プローブ温度より低いときに、Poutを出力パワー制御信号とし、K4を定数としてPout=K4により部分的に定義可能であり、プローブ温度が前記所望目標プローブ温度のしきい値範囲内にあるとき、Poutを出力パワー制御信号、Kpを制御関数に関連する比例ゲインファクタ、Kiを制御関数に関する積分ゲインファクタ、Kdを制御関数に関連する微分ゲインファクタ、P,I,Dを制御関数に関連する比例、積分、微分関数として
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
により部分的に定義可能である閉ループ不連続制御関数を前記制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して、前記Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法。 - 工程(g)は、e(t)を少なくとも2つの範囲の一方に量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Kp・Ki・Kdの少なくとも2つを選択することを含む請求項1の方法。
- 工程(g)は、e(t)を少なくとも2つの範囲の一方に量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Kp・Ki・Kd用の値を選択することを含む請求項1の方法。
- 工程(g)で決定されたパワー量を無視し、その代わりにe(t)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える工程をさらに備える請求項1の方法。
- 工程(f)は、出力制御信号が所定のしきい値を超えるとき、出力制御信号を所定出力値に制限することを含む請求項1の方法。
- 出力制御信号が所定しきい値を超えるとき、積分関数Iの演算が無能にされる請求項1の方法。
- 少なくとも1つのゲインパラメータが、設定された特定の比例ゲインファクタと、設定された特定の積分ゲインファクタとを備える請求項1の方法
- 工程(f)が
(i)誤差信号e(t)に、選択された設定特定比例ゲインファクタを乗ずることによってKp・Pを生成し、
(ii)e(t)を積分し、積分に選択された設定積分ゲインファクタを乗ずることによってKi・Iを生成する、
工程を備える請求項7の方法。 - 少なくとも1つのゲインパラメータが設定された特定の微分がゲインファクタを備え、工程(f)が、微分関数を検出温度に適用して中間信号を生成し、中間信号に選択された設定特定微分ゲインファクタを乗じることによって微分信号を生成し、微分信号を合計して出力制御信号を生成することを含む請求項7の方法。
- 少なくとも1つのゲインパラメータが、設定された特定の比例ゲインファクタ、設定された特定の積分ゲインファクタおよび設定された特定の微分ゲインファクタを備える請求項1の方法。
- アンチワインドアップ調整信号を生成し、誤差信号からアンチワインドアップ調整信号を減じて変形誤差信号を生成し、積分関数Iが変形誤差信号を積分する工程をさらに備える請求項1の方法。
- 出力パワーを上昇させる特定のプロファイルに対応するランプパラメータを受け入れ、ランプパラメータに応じて目標温度を変更する工程をさらに備える請求項1の方法。
- プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしにプローブにおける目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
(a)少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも1組のプローブ用設定をメモリに格納し、
(b)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(c)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(d)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を選択し、
(e)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(f)プローブ温度が前記所望目標温度に近づく速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
(g)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
(h)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法。 - 工程(g)は、e(t)を少なくとも2つの範囲の1つに量子化し、前記範囲の量子化された一方の関数として、前記閉ループに関連する特性係数を選択することを含む請求項13の方法。
- 工程(g)で、決定されたパワー量を無視し、その代わりにe(t)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える工程をさらに備える請求項13の方法。
- 工程(f)は、出力制御信号が所定のしきい値を超えたとき、出力制御信号を所定出力値に制限することを含む請求項13の方法。
- 目標プローブ温度が実質的なオーバーシュートなしにプローブに保持されるようにプローブ発熱素子とプローブ温度センサを有するプローブのパワー出力を動的に制御するシステムであって、プロセッサとメモリとを含む制御器を備え、前記メモリは、前記プローブ用の少なくとも1組の設定を有し、少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性を有し、前記プロセッサにより実行可能な不連続ルーチンを有して前記プロセッサに、
(a)入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
(b)前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第1プローブ設定を受入れ、
(c)前記少なくとも1組のプローブ設定から前記第1プローブ設定に応答して1組の設定を選択し、
(d)前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
(e)プローブ温度が前記目標温度に実際に近づきつつある速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
(f)前記誤差信号e(t)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも1つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
(g)前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を実行させるシステム。 - 工程(e)において、前記制御器は、
Pout=Kp・P+Ki・I+Kd・D
によって部分的に定義し得る動的閉ループ制御関数を表し、Poutは出力パワー制御信号であり、Kpは前記制御関数に関連する比例ゲインファクタであり、Kiは前記制御関数に関連する積分ゲインファクタであり、Kdは前記制御関数に関連する微分ゲインファクタであり、P,I,およびDは前記制御関数に関連する比例,積分,および微分関数である請求項17のシステム。 - 前記プロセッサが、e(t)を少なくとも2つの範囲の1つに量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Kp・Ki・Kdの少なくとも2つを選択する請求項18のシステム。
- 前記プロセッサが、e(t)を少なくとも2つの範囲の1つに量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Kp・Ki・Kd用の値を選択する請求項18のシステム。
- 工程(g)で決定されたパワー量を無視し、その代わりにe(t)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える手段をさらに備える請求項18のシステム。
- プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有するプローブのパワー出力を動的に制御するシステムに関連して用いられるコンピュータプロセッサにより実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体であって、
前記メモリは、少なくとも1つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性を含む少なくとも1組の設定を含み、前記システムは目標プローブ温度がプローブで維持されるように機能し、
前記プロセッサにより実行されるときに前記ソフトウェアは、
(a)入力される目標プローブ温度を受入れ、
前記Kp,KiおよびKdの少なくとも2つを前記範囲の量子化された一方の関数とする媒体。
- 工程(f)で決定されたパワー量を無効にして、その代わりに前記e(t)の関数としてパワーの使用者選択最大量を与える工程をさらに備える請求項22記載のコンピュータ読取り可能媒体。
- 工程(f)は、出力制御信号が所定しきい値を超えるとき、出力制御信号を所定出力値に制限する工程を備える請求項22記載のコンピュータ読取り可能媒体。
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