JP2012135203A - 電気外科発電機出力電力の調節のための電気外科発電機制御器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入力電力を受信するように構成されるDC−DCバックコンバータと、DC−DCバックコンバータおよびDC−ACブーストインバータと通信するインダクタと、一次巻線と、二次巻線とを有する変圧器であって、変圧器は、出力電力を負荷に伝送するように構成され、DC−ACブーストインバータは、インダクタから入力を受信し、変圧器の該一次巻線にAC電力を移送するように構成される、変圧器と、DC−DCバックコンバータおよびDC−ACブーストインバータの両方を制御するように構成される電気外科発電機(ESG)であって、制御は、電気外科発電機の電気的パラメータに部分的に基づく、電気外科発電機(ESG)とを備えている、電気外科発電機。
【選択図】図1
Description
(関連出願の参照)
この出願は、2010年12月23日に出願された、表題が「DUAL CURRENT−MODE CONTROLLER FOR REGULATION OF ELECTROSURGICAL GENERATOR OUTPUT POWER」である米国仮出願第61/426,985号の本出願である。この出願はまた、2011年9月2日に出願された、表題が「CONSTANT POWER SOURCE BY NONLINEAR CARRIER−CONTROL OF A BUCK CONVERTER FOR USE IN AN ELECTROSURGICAL GENERATOR」である米国仮出願第61/530,528号の本出願である。上記で特定された出願の内容のすべては、その全体があらゆる目的のために参照によって本明細書に援用される。
電気外科発電機は、アーク切断および凝固を行う外科手術の実施において一般的に用いられる。外科手術発電機は、高周波電流を生成して、金属刃と比較して限定された失血および高められた切断制御で組織を切断する。標準の業界の慣習は、電気外科発電機が、いくつかのサイクルにわたり交流(AC)出力電力を測定し、平均をとり、低帯域幅制御ループを用いて、パルス幅変調(PWM)コンバータのデューティサイクルを調整し、固定出力インピーダンス共鳴インバータの搬送波を変調して所望の出力特性を達成することである。しかしながら、フィードバック制御ループおよびいくつかのサイクル平均は、待ち時間の問題を引き起こす。
電気外科発電機の出力と患者の組織との間にアークを形成するために高周波インバータを用いて、冒された細胞にジュール加熱を誘導し得、このことは、切断、凝固、および切開の所望の外科手術効果をもたらす。例示的実施形態において、電気外科は、電気外科発電機によって生成されるジュール加熱を利用する。電気外科発電機は、正確な電源出力特性を生成し、その電源出力特性に対して最大電圧および電流の制限が追加される。電気外科発電機の電圧および電流の制限は、プロセスの安全性に寄与する。さらに例示的実施形態において、電圧および電流の制限は、様々な外科手術用途において望まれ得る特定の組織効果をもたらすように構成される。
(項目1)
入力電力を受信するように構成されるDC−DCバックコンバータと、
該DC−DCバックコンバータおよびDC−ACブーストインバータと通信するインダクタと、
一次巻線と、二次巻線とを有する変圧器であって、該変圧器は、出力電力を負荷に伝送するように構成され、該DC−ACブーストインバータは、該インダクタから入力を受信し、該変圧器の該一次巻線にAC電力を移送するように構成される、変圧器と、
該DC−DCバックコンバータおよび該DC−ACブーストインバータの両方を制御するように構成される電気外科発電機(ESG)であって、制御は、該電気外科発電機の電気的パラメータに部分的に基づく、電気外科発電機(ESG)と
を備えている、電気外科発電機。
(項目2)
上記電気的パラメータは、インダクタ電流または上記DC−ACブーストインバータからの上記AC電力の電圧を含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目3)
上記電気外科発電機は、選択された電圧および電流の制限内で動作するように構成される、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目4)
上記電気外科発電機は、3つのモードで動作し、該モードの選択は、負荷のインピーダンスの変化に応答する、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目5)
上記3つのモードは、定電圧モードと、定電流モードと、定電力モードとを含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目6)
上記ESG制御器は、
インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iC(t)と比較するように構成される電流モード制御器と、
出力電圧Vout(t)を基準電圧Vmaxと比較するように構成される電圧モード制御器と、
所定の制限に基づいて動作モードを決定し、動作モードインディケータを生成するように構成されるモードセレクタと、
該動作モードインディケータを受信し、上記ESG制御器による該動作モードの選択を容易にするように構成されるステアリングロジックと
を備えている、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目7)
上記所定の制限は、電圧制限と、電流制限とを含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目8)
上記所定の制限は、デューティサイクル制限を含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目9)
上記電気外科発電機は、実質的に速示の制御で動作する、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目10)
上記実質的に速示の制御は、1〜2サイクル、1〜10サイクル、10〜100サイクルのうちの少なくとも1つ内における速示制御である、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目11)
上記実質的に速示の制御は、100〜500kHzの動作帯域幅を有する、上記項目のいずれかに記載の電気外科発電機。
(項目12)
電気外科発電機の電気外科発電機(ESG)制御器であって、該ESG制御器は、
インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iC(t)と比較するように構成される電流モード制御器であって、該電流モード制御器は、第1のデューティサイクルd1でスイッチング波形σ(t)を生成するように構成される、電流モード制御器と、
出力電圧Vout(t)を基準電圧Vmaxと比較するように構成される電圧モード制御器であって、該電圧モード制御器は、該電気外科発電機の定電圧モードを容易にするために第2のデューティサイクルd2を生成するように構成される、電圧モード制御器と、
モードセレクタであって、信号入力を比較し、動作モードインディケータを生成するように構成される、モードセレクタと、
該動作モードインディケータを受信し、該ESG制御器による該動作モードの選択を容易にするように構成されるステアリングロジックであって、該ステアリングロジックは、2つのデューティサイクル信号を該電気外科発電機に提供する、ステアリングロジックと
を備え、
該ステアリングロジックは、該第1のデューティサイクルd1、該第2のデューティサイクルd2、および2つの固定値のデューティサイクルの様々な組み合わせに基づいて該2つのデューティサイクル信号を提供することによって、該動作モードの選択を容易するようにさらに構成される、電気外科発電機(ESG)制御器。
(項目13)
上記制御電流制限iC(t)は、ユーザによって設定されるかまたはルックアップ表によって提供される、上記項目のいずれかに記載のESG制御器。
(項目14)
インダクタ電流iL(t)を基準電流制限iC(t)と比較することは、該基準電流制限iC(t)に整合するように該インダクタ電流iL(t)を調整することを容易にする、上記項目のいずれかに記載のESG制御器。
(項目15)
上記電圧モード制御器は、コンパレータと、補償器と、パルス幅変調器(PWM)とを備え、該電圧モード制御器は、該コンパレータにおいて上記出力電圧Vout(t)を上記基準電圧Vmaxと比較し、該コンパレータの出力は、該補償器と通信し、該補償器は、該PWMを駆動するエラー信号を出力し、該PWMは、上記第2のデューティサイクルd2を生成する、上記項目のいずれかに記載のESG制御器。
電気外科発電機は、出力電力の調節を改善することによって、意図しない組織損傷を減少させ得る。電気外科発電機は、サイクル中、電力を制御し得、アーキングが起った場合、電力の変化に反応する。電圧源は、特に、通常の電気外科使用中、大きい制御不能なパワーエクスカーションを有する傾向があることを明示する。パワーエクスカーションの大きさは、様々な要因に依存し得る。例示的電気外科発電機制御方式は、いくらかのサイクル内において所定の電力を正確に供給することによって熱拡散を減少させるかまたは最小限にする。さらに、定電圧モードによって提供される迅速かつ正確な調節は、意図しない組織の炭化を減少させるかまたは最小限にする。従って、熱拡散および炭化の減少は、傷跡を減少させ、治癒時間を短縮することによって、結果として、より良い外科手術の成果をもたらす。電気外科発電機制御器は、電気外科発電機の電気的パラメータに部分的に基づいて、DC−DCバック(buck)コンバータおよびDC−ACブーストコンバータ
の両方を制御するように構成され得る。
例示的実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分に詳細に本明細書に説明されるが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態が実現され得、また論理の電気的および機械的変更がなされ得ることは理解されるべきである。従って、次の詳細な説明は、例示の目的のためのみに提示される。
出力電圧Vout(t)を基準電圧Vmaxと比較する。コンパレータ321の出力は補償器322に通信され、補償器322は次にPWM323を駆動する誤差信号を出力する。様々な実施形態において、補償器322の出力はPWM323への入力信号であり、PWMは信号のデューティサイクルd2を設定する。
様々な実施形態において、定AC電力出力は、デューティサイクルd1を固定値に設定し、デューティサイクルd2を変化させることによって電流プログラムのブーストインバータとしてDC−ACブーストインバータ段を作動させることによって達成される。前述のように、電気外科発電機制御器310は、制御電流制限iCに等しいおおよそ一定の値にインダクタ電流を調節することによって速示に近い制御を行う。例示の目的のために、図4は、定電力出力モードにおける電気外科発電機の例示的概略図を表す。
様々な実施形態において、また再び図3を参照すると、定電圧出力は、DC−DCバックコンバータ101のデューティサイクルd1を固定値に設定することによって、またDC−ACブースト回路102のデューティサイクルd2の電圧モード制御を用いて、達成される。例示的実施形態において、電圧モード制御は、センサネットワークでDC−ACブースト回路102の出力電圧Vout(t)を測定することと、感知された出力電圧Vout(t)を電圧モード制御器312において制御ループに供給することと、測定された出力電圧Vout(t)と基準出力電圧Vmaxとの間の相対差(relative difference)に基づいてコンバータのデューティサイクルコマンドを調整することとを伴う。換言すると、デューティサイクルd2は、Vmaxに整合するように出力電圧を増加させるかまたは減少させるように設定される。例示的実施形態において、Vmaxは、ユーザによってかまたはルックアップ表における値に基づいて、設定され得る。
例示的実施形態において、定電流出力は、固定デューティサイクルd2および電流モード制御DC−DCバックコンバータ101においてDC−ACブースト回路102を動作させることによって達成される。例示的実施形態において、電流モード制御は、バックコンバータ101の出力が定電流であるように平均インダクタ電流を正確に制御する。一実施形態において、電流モード制御器111は、インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iCと比較し、ここで制御電流制限iCは、所望の固定値である。換言すると、電気外科発電機制御器310は、固定値にインダクタ電流iL(t)を維持するために、デューティサイクルd1を変化させるように構成される。様々な例示的実施形態において、Vout(t)の場合と同様に、iL(t)は、推定された値ではなく、センサによって測定される。その結果、定電流出力モードはAC出力電流を生成し、AC出力電流の大きさは速示に近い速度で調節される。
様々な実施形態において、定電力、定電圧、または定電流の3つのモードを実装する電気外科発電機システムは、AC出力特性の非常に速く非常に正確な調節をもたらす。様々なモードは、測定された特性によって影響を与えられ、一方、他のモードは、同じ測定された特性に応答する必要がない。具体的には、電気外科発電機制御器310は、測定された出力電圧Vout(t)に部分的に基づいて動作モード間において切り替わり得る。さらに、電気外科発電機制御器310は、測定された出力電圧Vout(t)に基づいて、定電圧モードで動作パラメータを調整し得る。換言すると、コンバータのどの段を電流モード制御に選択するかは、最小のフィードバックで、非本質的な測定、平均値算出、または出力のフィードバックの必要なく、達成され得る。
様々な実施形態に従って、また図5を参照すると、ESG制御システム510を有する電気外科発電機500は、電流モード制御器511と、電圧モード制御器512と、モードセレクタ513と、ステアリングロジック514とを備えている。様々な実施形態において、電気外科発電機500の動作モードは、定(もしくは最大)電流Imax、バックコンバータからの定電力P1、ブーストインバータからの定電力P2、または定(もしくは最大)電圧Vmaxのうちの1つである。これらのモードは、図6を参照して例示的実施形態に示される。モードセレクタ513の出力選択は、ステアリングロジック514に通信される。例示的実施形態において、ステアリングロジック514は、イネーブルにされる電流制御器511および電圧モード制御器512のうちの少なくとも1つのどれでも制御する。さらにステアリングロジック514は、どの変換段が電流モード制御器511および/または電圧モード制御器512の出力を受信するかを選択し得る。様々な実施形態において、ステアリングロジック514は、定電力領域(P1またはP2)のどの部分が現在動作モードであるかに従って、DC−DCバックコンバータ101またはDC−ACブーストインバータ102のいずれかを動作させるかを切り替える。例えば、電圧モード制御器512および/または電流モード制御器511は、動作モード(定電流モード、定電圧モード、定電力P1もしくは定電力P2)に対してデューティサイクルd1および/またはd2を調整し得る。さらにステアリングロジック514は、DC−DCバックコンバータ101および/またはDC−ACブーストインバータ102の各々が受信するデューティサイクルを選択する。
定電圧出力中、DC−ACブーストインバータ102においてデューティサイクル制限を実装することは、概してオープンループでDC−ACブーストインバータ102を作動させることとなる。様々な実施形態において、DC−ACブーストインバータ102のデューティサイクルd2を最大デューティサイクルdmaxに制限することは、結果として、直接測定を用いるモード遷移と比較して、不十分な定常状態出力電圧調節をもたらすが、1サイクル当りのベースで過渡オーバーシュートのリスクがほとんどないかまたは全くなく、ピーク出力電圧を制限するという重要な利点を提供する。様々な電気外科用途に対して、最大出力電圧Vout(t)の定常状態値は、任意の時間の間にこの出力モードで動作することはまれであるので、重要性がより少ない。しかしながら、1サイクル当りの過渡電圧制限は、起り得る望ましくないアーキングを制限する手段として非常に有用であり得る。さらに様々な実施形態において、最大デューティサイクルは、出力電圧測定を線形にする必要がなくまたは補償器を同調させる必要がなく、容易に変化させられ得、この例示的実施形態において、直接測定がなされないのでいかなるセンサも必要ではない。
例示的実施形態において定AC電力出力は、デューティサイクルσ1およびデューティサイクルσ2のうちの1つまたは両方を所望の値に設定することによって、達成される。さらに電気外科発電機500は、第1の定電力領域P1または第2の定電力領域P2のいずれかにおいて定AC電力出力で動作する。様々な実施形態において、コンバータは、負荷のインピーダンスに従って、ブーストインバータ102またはバックコンバータ101を用いて定電力を生成する合間に切り替える。さらに様々な実施形態において、電気外科発電機100は、ブーストインバータ102およびバックコンバータ101の両方を同時に動作し得、このことは、結果として、高電圧および低電力を有する定電力出力をもたらす。
例示的実施形態において、定電圧出力は、DC−DCバックコンバータ101のデューティサイクルσ1を固定値に設定することによって達成され、DC−ACブーストインバータ102のデューティサイクルσ2は、電圧モード制御される。例示的実施形態において、電圧モード制御は、センサでDC−ACブーストインバータ102の出力電圧Vout(t)を測定することと、感知された出力電圧を電圧モード制御器512において制御ループに供給することと、測定された出力電圧と基準出力電圧との間の相対差に基づいてコンバータのデューティサイクルコマンドを調整することとを伴う。換言すると、デューティサイクルσ2は、Vmaxに整合するように出力電圧を増加させるかまたは減少させるように設定される。例示的実施形態において、Vmaxは、ユーザによってかまたはルックアップ表における値に基づいて、設定され得る。代替の実施形態において、ブーストインバータは、出力電圧のフィードバックなしで、固定デューティサイクルにおいて作動させられる。
例示的実施形態において、定電流出力は、固定デューティサイクルσ2および電流モード制御DC−DCバックコンバータ101においてDC−ACブーストインバータ102を動作させることによって達成される。例示的実施形態において、電流モード制御は、バックコンバータ101の出力が定電流であるように平均インダクタ電流を正確に制御する。一定電流実施形態において、電流モード制御器511は、インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iC(t)と比較する。様々な実施形態において、制御電流制限iC(t)は、選択された固定値であり得るか、またはK*Psetによって設定され得、ここで、K*Psetは、使用中、ユーザによって設定される定電流である。様々な実施形態において、Psetは、設計段階時に設定される。換言すると、ESG制御スステム510は、固定値にインダクタ電流iL(t)を維持するために、デューティサイクルσ1を変化させるように構成される。その結果、定電流出力モードはAC出力電流を生成し、AC出力電流の大きさは速示に近い速度で調節される。
電気外科発電機300の遷移モードと同様に、例示的実施形態において、電気外科発電機500もまた、定電力、定電圧、または定電流の3つのモードを実装して、AC出力特性の非常に速く非常に正確な調節をもたらす。様々なモードは、測定された特性によって影響を与えられ、一方、他のモードは、同じ測定された特性に応答する必要がない。具体的には、ESG制御システム510は、インダクタ電流および電圧などの測定された特性に部分的に基づいて動作モード間において切り替わり得る。換言すると、コンバータのどの段を電流モード制御に選択するかは、最小のフィードバックで、非本質的な測定、平均値算出、または出力のフィードバックの必要なく、達成され得る。また前述のように、ESG制御システム510は、基準電流に等しいおおよそ一定の値にインダクタ電流を調節することによって速示に近い制御を行う。
3つのモード間の遷移は、例示的実施形態において、変圧器104の一次巻線の電圧およびインダクタ電流をモニタリングすることによって決定される。さらにモード間の遷移を決定することはまた、変圧器104の一次巻線の電圧および電流に基づき得る。様々な実施形態において、ESG制御システム510は、出力電圧Vout(t)が増加すると、定電流から定電力に、定電圧にモードを遷移させる。
様々な代替の実施形態において、動作モードの選択は、デューティサイクルに部分的に基づき得る。例えば、電気外科発電機がバックコンバータを用いて定電力モードで動作し、デューティサイクルが100%活動に達する場合、制御器は、ブーストインバータを用いて定電力モードに切り替わるように構成され得る。ブーストインバータへの切り替わりは、電気外科発電機がインピーダンスのより高い範囲にわたって動作することを可能にする。
Claims (15)
- 入力電力を受信するように構成されるDC−DCバックコンバータと、
該DC−DCバックコンバータおよびDC−ACブーストインバータと通信するインダクタと、
一次巻線と、二次巻線とを有する変圧器であって、該変圧器は、出力電力を負荷に伝送するように構成され、該DC−ACブーストインバータは、該インダクタから入力を受信し、該変圧器の該一次巻線にAC電力を移送するように構成される、変圧器と、
該DC−DCバックコンバータおよび該DC−ACブーストインバータの両方を制御するように構成される電気外科発電機(ESG)であって、制御は、該電気外科発電機の電気的パラメータに部分的に基づく、電気外科発電機(ESG)と
を備えている、電気外科発電機。 - 前記電気的パラメータは、インダクタ電流または前記DC−ACブーストインバータからの前記AC電力の電圧を含む、請求項1に記載の電気外科発電機。
- 前記電気外科発電機は、選択された電圧および電流の制限内で動作するように構成される、請求項1に記載の電気外科発電機。
- 前記電気外科発電機は、3つのモードで動作し、該モードの選択は、負荷のインピーダンスの変化に応答する、請求項1に記載の電気外科発電機。
- 前記3つのモードは、定電圧モードと、定電流モードと、定電力モードとを含む、請求項4に記載の電気外科発電機。
- 前記ESG制御器は、
インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iC(t)と比較するように構成される電流モード制御器と、
出力電圧Vout(t)を基準電圧Vmaxと比較するように構成される電圧モード制御器と、
所定の制限に基づいて動作モードを決定し、動作モードインディケータを生成するように構成されるモードセレクタと、
該動作モードインディケータを受信し、前記ESG制御器による該動作モードの選択を容易にするように構成されるステアリングロジックと
を備えている、請求項1に記載の電気外科発電機。 - 前記所定の制限は、電圧制限と、電流制限とを含む、請求項6に記載の電気外科発電機。
- 前記所定の制限は、デューティサイクル制限を含む、請求項6に記載の電気外科発電機。
- 前記電気外科発電機は、実質的に速示の制御で動作する、請求項1に記載の電気外科発電機。
- 前記実質的に速示の制御は、1〜2サイクル、1〜10サイクル、10〜100サイクルのうちの少なくとも1つ内における速示制御である、請求項10に記載の電気外科発電機。
- 前記実質的に速示の制御は、100〜500kHzの動作帯域幅を有する、請求項10に記載の電気外科発電機。
- 電気外科発電機の電気外科発電機(ESG)制御器であって、該ESG制御器は、
インダクタ電流iL(t)を制御電流制限iC(t)と比較するように構成される電流モード制御器であって、該電流モード制御器は、第1のデューティサイクルd1でスイッチング波形σ(t)を生成するように構成される、電流モード制御器と、
出力電圧Vout(t)を基準電圧Vmaxと比較するように構成される電圧モード制御器であって、該電圧モード制御器は、該電気外科発電機の定電圧モードを容易にするために第2のデューティサイクルd2を生成するように構成される、電圧モード制御器と、
モードセレクタであって、信号入力を比較し、動作モードインディケータを生成するように構成される、モードセレクタと、
該動作モードインディケータを受信し、該ESG制御器による該動作モードの選択を容易にするように構成されるステアリングロジックであって、該ステアリングロジックは、2つのデューティサイクル信号を該電気外科発電機に提供する、ステアリングロジックと
を備え、
該ステアリングロジックは、該第1のデューティサイクルd1、該第2のデューティサイクルd2、および2つの固定値のデューティサイクルの様々な組み合わせに基づいて該2つのデューティサイクル信号を提供することによって、該動作モードの選択を容易するようにさらに構成される、電気外科発電機(ESG)制御器。 - 前記制御電流制限iC(t)は、ユーザによって設定されるかまたはルックアップ表によって提供される、請求項12に記載のESG制御器。
- インダクタ電流iL(t)を基準電流制限iC(t)と比較することは、該基準電流制限iC(t)に整合するように該インダクタ電流iL(t)を調整することを容易にする、請求項12に記載のESG制御器。
- 前記電圧モード制御器は、コンパレータと、補償器と、パルス幅変調器(PWM)とを備え、該電圧モード制御器は、該コンパレータにおいて前記出力電圧Vout(t)を前記基準電圧Vmaxと比較し、該コンパレータの出力は、該補償器と通信し、該補償器は、該PWMを駆動するエラー信号を出力し、該PWMは、前記第2のデューティサイクルd2を生成する、請求項12に記載のESG制御器。
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