JP2017127639A - 二重出力ジェネレータの高調波制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents

二重出力ジェネレータの高調波制御のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二重出力ジェネレータの高調波制御のためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】同時に、複数の周波数で外科手術用エネルギーデバイスに給電するためのシステムおよび方法に関する。二重出力ジェネレータ２００は、異なる周波数で２つ以上の波形を出力するように構成される。特に、この二重出力ジェネレータは、超音波外科手術用器具に適切であり得る低周波数出力、および電気外科手術用器具に適切であり得る高周波出力を提供するように構成され、その一方、２つの選択された低周波数および高周波数以外の残りの周波数のすべての振幅をほぼゼロに低減する。【選択図】図３

Description

（発明の分野）
（背景）
本開示は、同時に、複数の周波数で外科手術用エネルギーデバイスに給電するためのシステムおよび方法に関する。特に、本開示は、第１のデバイスを第１の周波数でおよび第２のデバイスを第１の周波数と異なる第２の周波数で給電するために好適な規定された周波数および調整された振幅で１つまたはそれを上回る出力を同時に給電するように構成される、ジェネレータに関する。
（関連技術の背景）
電気外科手術は、組織を切断、切除、乾燥、または凝固させるための外科手術用部位への高周波電流（「ＲＦ」）の印加を伴う。単極電気外科手術は、電源または活性電極が、ＲＦジェネレータから標的組織に高周波交流電流を送達する。患者帰還電極が、電流をジェネレータに戻して伝導するように、活性電極から遠隔に留置される。
双極電気外科手術では、帰還および活性電極は、（例えば、電気外科手術用鉗子の場合に）電気回路が２つの電極の間に形成されるように、相互に近接近して留置される。このように、印加される電流は、電極間に位置付けられる身体組織に限定される。したがって、双極電気外科手術は、概して、器具、例えば、鉗子または同等物の上に位置付けられた２つの電極間で電気外科手術用エネルギーの集中送達を達成することが望ましい、器具の使用を伴う。
超音波外科手術用デバイスはまた、最小側方熱損傷および低噴煙発生を伴って、止血および組織の効率的解剖を提供することが実証されている。電流が患者を通して流れることを要求する、電気外科手術用デバイスと異なり、超音波外科手術用デバイスは、共鳴周波数で駆動される超音波変換器を使用して、超音波プローブを通して機械的運動を印加することによって、動作する。
電気外科手術用および超音波デバイスはそれぞれ、それらの固有の動作特性に起因して、それらの所望の使用を有する。故に、新しくかつ改良された外科手術用技法および用途を提供するために、両タイプの器具を同時に動作させるように構成される、システムおよびジェネレータの必要性がある。
（要旨）
本開示は、異なる周波数で２つまたはそれを上回る波形を出力するように構成され、二重出力ジェネレータが、２つの選択された低および高周波数以外の全残りの周波数の振幅を約ゼロに低減させながら、超音波外科手術用器具に好適であり得る、低周波数出力と、電気外科手術用器具に好適であり得る、高周波数出力とを提供することを可能にする、二重出力ジェネレータを提供する。
本開示のある実施形態によると、二重出力電気外科手術用ジェネレータが、提供される。ジェネレータは、ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、電力供給源に結合される、インバータとを含む。インバータは、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む。ジェネレータはまた、インバータに結合され、切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラを含む。
本開示の別の実施形態によると、電気外科手術用システムが、提供される。本システムは、ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、電力供給源に結合される、インバータとを有する、二重出力電気外科手術用ジェネレータを含む。インバータは、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む。ジェネレータはまた、インバータに結合され、切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラを含む。ジェネレータはさらに、第１の波形を出力する第１の出力と、第２の波形を出力する第２の出力とを含む。本システムはまた、第１の出力に結合され、第１の波形によって励起可能な第１の器具と、第２の出力に結合され、第２の波形によって励起可能な第２の器具とを含む。
前述の実施形態のある側面によると、第１の器具は、第１の波形によって励起可能な変換器を含む、超音波器具であって、第２の器具は、組織に接触し、第２の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの電極を含む、電気外科手術用器具である。
前述の実施形態の一側面によると、第１の器具は、組織に接触し、第１の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの第１の電極を含む、第１の電気外科手術用器具であって、第２の器具は、組織に接触し、第２の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも第２の１つの電極を含む、第２の電気外科手術用器具である。
前述の実施形態のいずれかのある側面によると、第１の周波数は、基本周波数であって、第２の周波数は、基本周波数の高調波周波数であって、第２の周波数は、第１の周波数より高い。
前述の実施形態のいずれかの別の側面によると、ジェネレータはさらに、インバータに結合され、第１の波形を出力するように構成される、低周波数フィルタと、インバータに結合され、第２の波形を出力するように構成される、高周波数フィルタとを含む。
前述の実施形態のいずれかのさらなる側面によると、インバータは、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される４つの切替要素を含み、切替要素はそれぞれ、ワイドバンドギャップ電界効果トランジスタであってもよい。
例えば、本発明は以下を提供する。
（項目１）
二重出力電気外科手術用ジェネレータであって、
ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、
上記電力供給源に結合されるインバータであって、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む、インバータと、
上記インバータに結合され、上記切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラと、
を備える、ジェネレータ。
（項目２）
上記第１の周波数は、基本周波数である、上記項目に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目３）
上記第２の周波数は、上記基本周波数の高調波周波数である、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目４）
上記インバータに結合され、上記第１の波形を出力するように構成される、低周波数フィルタをさらに備える、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目５）
上記インバータに結合され、上記第２の波形を出力するように構成される、高周波数フィルタをさらに備える、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目６）
上記インバータは、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される４つの切替要素を含む、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目７）
上記切替要素はそれぞれ、ワイドバンドギャップ電界効果トランジスタである、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目８）
上記第２の周波数は、上記第１の周波数より高い、上記項目のいずれかに記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
（項目９）
電気外科手術用システムであって、
ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、
上記電力供給源に結合されるインバータであって、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む、インバータと、
上記インバータに結合され、上記切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラと、
上記第１の波形を出力する第１の出力と、
上記第２の波形を出力する第２の出力と、
を含む、二重出力電気外科手術用ジェネレータと、
上記第１の出力に結合され、上記第１の波形によって励起可能な第１の器具と、
上記第２の出力に結合され、上記第２の波形によって励起可能な第２の器具と、
を備える、システム。
（項目１０）
上記第１の器具は、上記第１の波形によって励起可能な変換器を含む、超音波器具である、上記項目に記載の電気外科手術用システム。
（項目１１）
上記第１の器具は、組織に接触し、上記第１の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの第１の電極を含む、第１の電気外科手術用器具である、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１２）
上記第２の器具は、組織に接触し、上記第２の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの第２の電極を含む、第２の電気外科手術用器具である、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１３）
上記第１の周波数は、基本周波数である、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１４）
上記第２の周波数は、上記基本周波数の高調波周波数である、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１５）
上記二重出力電気外科手術用ジェネレータはさらに、上記インバータに結合され、上記第１の波形を出力するように構成される、低周波数フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１６）
上記二重出力電気外科手術用ジェネレータはさらに、上記インバータに結合され、上記第２の波形を出力するように構成される、高周波数フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１７）
上記インバータは、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される４つの切替要素を含む、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１８）
上記切替要素はそれぞれ、ワイドバンドギャップ電界効果トランジスタである、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（項目１９）
上記第２の周波数は、上記第１の周波数より高い、上記項目のいずれかに記載の電気外科手術用システム。
（摘要）
二重出力ジェネレータは、異なる周波数で２つまたはそれを上回る波形を出力するように構成される。特に、二重出力ジェネレータは、２つの選択された低および高周波数以外の全残りの周波数の振幅をほぼゼロに低減させながら、超音波外科手術用器具に好適であり得る、低周波数出力と、電気外科手術用器具に好適であり得る、高周波数出力とを提供するように構成される。
本開示は、後続の詳細な説明と併せて考慮されたときに、添付の図面を参照することによって理解され得る。
図１は、本開示の実施形態による、外科手術用システムの斜視図である。 図２は、本開示の実施形態による、図１の二重出力ジェネレータの正面図である。 図３は、本開示の実施形態による、図２の二重出力ジェネレータの概略ブロック図である。 図４は、本開示のある実施形態による、図２の二重出力ジェネレータの電気概略図である。 図５は、図１の二重出力ジェネレータのＤＣ−ＡＣインバータの別の実施形態の概略図である。 図６は、本開示のある実施形態による、正弦波低周波数波形および高周波数波形を発生させるための単極切替角度波形のプロットである。 図７は、本開示のある実施形態による、正弦波低周波数波形および高周波数波形を発生させるための双極切替角度波形のプロットである。 図８は、図６の単極切替角度波形によって発生される波形の高調波周波数の棒グラフである。 図９は、図７の双極切替角度波形によって発生される波形の高調波周波数の棒グラフである。
（詳細な説明）
本開示の特定の実施形態が、添付の図面を参照して、以下に記載される。以下の説明では、周知の機能または構造は、本開示を不必要に詳細に曖昧化することを回避するために、詳細に説明されない。当業者は、本開示が、内視鏡下器具、腹腔鏡下器具、または開放器具のいずれかと併用するために適合されてもよいことを理解するであろう。また、異なる電気および機械的接続ならびに他の考慮事項が、各特定のタイプの器具に適用されてもよいことを理解されたい。
本開示によるジェネレータは、複数の周波数で超音波および電気外科手術用器具を動作させることができる。特に、ジェネレータは、例えば、切断、凝固、切除、および脈管封止手技を含む、単極および／または双極電気外科手術用手技において使用されてもよい。ジェネレータは、種々の超音波および電気外科手術用器具（例えば、超音波解剖器および止血鉗子、単極器具、帰還電極パッド、双極電気外科手術用鉗子、フットスイッチ等）とインターフェースをとるための複数の出力を含んでもよい。さらに、ジェネレータは、具体的には、種々の電気外科手術用モード（例えば、切断、混成、凝固、止血を伴う分割、放電治療、噴霧等）および手技（例えば、単極、双極、脈管封止）において動作する超音波器具および電気外科手術用デバイスに給電するために好適である、無線周波数エネルギーを発生させるように構成される、電子回路を含む。
図１は、本開示による、二重出力システム１０の一例証的実施形態の構成要素の斜視図である。システム１０は、患者の組織を治療するために、１つまたはそれを上回る活性電極２３（例えば、電気外科手術用切断プローブ、切除用電極等）を有する、１つまたはそれを上回る単極電気外科手術用器具２０を含んでもよい。電気外科手術用交流ＲＦ電流は、ジェネレータ２００の活性端子２３０（図３）に接続される供給ライン２４を介して、ジェネレータ２００によって器具２０に供給され、器具２０が、組織を切断するか、凝固させるか、熱的または非熱的に切除するか、および／または別様に治療することを可能にする。交流電流は、ジェネレータ２００の帰還端子２３２（図３）における帰還ライン２８を介して、帰還電極パッド２６を通してジェネレータ２００に戻される。単極動作に関して、システム１０は、患者との全体的接触面積を最大限にすることによって、組織損傷の機会を最小限にするように、使用時に患者上に配置される、複数の帰還電極パッド２６を含んでもよい。加えて、ジェネレータ２００および帰還電極パッド２６は、十分な接触がその間に存在することを確実にするように、組織／患者接触を監視するために構成されてもよい。
システム１０はまた、１つまたはそれを上回る双極電気外科手術用器具、例えば、患者の組織を治療するための１つまたはそれを上回る電極を有する、双極電気外科手術用鉗子３０を含んでもよい。電気外科手術用鉗子３０は、筐体３１と、シャフト３２の遠位端に配置される対向するジョー部材３３および３５とを含む。ジョー部材３３および３５は、それぞれ、その中に配置される、１つまたはそれを上回る活性電極３４および帰還電極３６を有する。活性電極３４および帰還電極３６は、それぞれ、活性および帰還端子２３０、２３２（図３）に連結され得る、供給および帰還ライン２４、２８を含む、ケーブル３８を通して、ジェネレータ２００に接続される。電気外科手術用鉗子３０は、ケーブル３８の端部に配置されるプラグを介して、活性および帰還端子２３０および２３２への接続を有するポート（例えば、ピン）において、ジェネレータ２００に連結され、プラグは、以下でさらに詳細に説明されるように、供給および帰還ライン２４、２８からの接点を含む。
システム１０はまた、その中に配置される超音波変換器４４を有する筐体４２を含む、超音波外科手術用器具４０を含む。超音波外科手術用器具４０はまた、その遠位端に配置されるエンドエフェクタ４８を有する、伸長シャフト４６を含む。遠位エンドエフェクタ４８は、可動ジョー部材５０と、プローブ５２とを含む。超音波変換器４４は、それぞれ、活性および帰還端子２３４および２３６（図３）に結合される供給ライン５６および５８を含む、ケーブル５４を介して、ジェネレータ２００に接続される。超音波プローブ５２は、超音波変換器４４が、ジェネレータ２００からのＲＦ電流に応答して作動されると、超音波変換器４４が、組織を封止および／または切断するために使用され得る、超音波機械運動をプローブ５２内で発生させるように、超音波変換器４４に結合される。
図２を参照すると、ジェネレータ２００の正面２４０が示されている。ジェネレータ２００は、複数のポート２５０−２６２を含み、種々のタイプの電気外科手術用器具（例えば、単極電気外科手術用器具２０、電気外科手術用鉗子３０、超音波外科手術用器具４０等）を収容してもよい。
ジェネレータ２００は、ユーザに種々の出力情報（例えば、強度設定、治療完了インジケータ等）を提供するための１つまたはそれを上回るディスプレイ画面２４２、２４４、２４６を有する、ユーザインターフェース２４１を含む。画面２４２、２４４、２４６のそれぞれは、対応するポート２５０−２６２と関連付けられる。ジェネレータ２００は、ジェネレータ２００を制御するための好適な入力制御（例えば、ボタン、起動装置、スイッチ、タッチスクリーン等）を含む。画面２４２、２４４、２４６はまた、器具（例えば、電気外科手術用鉗子３０等）のための対応するメニューを表示する、タッチスクリーンとして構成される。ユーザは、次いで、対応するメニュー選択肢に単に触れることによって、入力を調節する。
画面２４２は、単極出力およびポート２５０ならびに２５２に接続されたデバイスを制御する。ポート２５０は、単極電気外科手術用器具（例えば、電気外科手術用器具２０）に連結するように構成され、ポート２５２は、フットスイッチ（図示せず）に連結するように構成される。フットスイッチは、付加的入力（例えば、ジェネレータ２００の入力を複製する）を提供する。画面２４４は、単極および双極出力ならびにポート２５６および２５８に接続されたデバイスを制御する。ポート２５６は、他の単極器具に連結するように構成される。ポート２５８は、双極器具（図示せず）に連結するように構成される。
画面２４６は、それぞれ、ポート２６０および２６２に差し込まれ得る、電気外科手術用鉗子３０および超音波外科手術用器具４０を制御する。ジェネレータ２００は、ポート２６０を通して、電気外科手術用鉗子３０によって把持される組織を封止するために好適なエネルギーを出力する。特に、画面２４６は、ポート２６０および２６２の各々について、ユーザがユーザ定義強度設定を入力することを可能にする、ユーザインターフェースを出力する。ユーザ定義設定は、ユーザが、電力、電流、電圧、エネルギー等の１つまたはそれを上回るエネルギー送達パラメータ、もしくはエネルギー速度リミッタ、封止持続時間等の封止パラメータを調節することを可能にする、任意の設定であってもよい。ユーザ定義設定は、コントローラ２２４に伝送され、そこで、設定は、メモリ２２６内に保存されてもよい。実施形態では、強度設定は、例えば、１から１０または１から５等の数値尺度であってもよい。実施形態では、強度設定は、ジェネレータ２００の出力曲線と関連付けられてもよい。強度設定は、種々の器具が、電気外科手術用鉗子３０に対応する具体的強度尺度をユーザに提供するように、利用されている各電気外科手術用鉗子３０に特異的であり得る。
活性および帰還端子２３０および２３２ならびに活性および帰還端子２３４および２３６は、所望のポート２５０−２６２のいずれかに結合されてもよい。実施形態では、活性および帰還端子２３０および２３２は、ポート２５０−２６０に結合されてもよく、活性および帰還端子２３４および２３６は、ポート２６２に結合されてもよい。
図３は、第１の器具を励起させるための低周波数波形と、第２の器具を励起させるための高周波数波形とを出力するように構成される、ジェネレータ２００の概略ブロック図を示す。特に、図３は、ジェネレータ２００が、低周波数波形を超音波外科手術用器具４０の変換器４４（図１）に、高周波数波形を単極電気外科手術用器具２０および／または電気外科手術用鉗子３０に出力することを示す。ジェネレータ２００はまた、任意の好適な電気外科手術用器具を励起するための低周波数エネルギーを出力し、かつ別の電気外科手術用器具を励起するための高周波数エネルギーを出力するように構成される。実施形態では、電気外科手術用器具は、２つの電気外科手術用器具がそれぞれ、別個の周波数で動作されるように、同一（例えば、単極電気外科手術用器具２０）であってもよい。さらなる実施形態では、電気外科手術用器具は、器具（例えば、単極電気外科手術用器具２０）のうちの１つが、低周波数で動作され、別の器具（例えば、電気外科手術用鉗子３０）が、高周波数で動作されるように異なってもよい。
ジェネレータ２００は、コントローラ２２４と、電力供給源２２７と、二重周波数インバータ２２８とを含む。電力供給源２２７は、ＡＣ源（例えば、ライン電圧）に接続される、高電圧ＤＣ電力供給源であって、高電圧ＤＣ電力を二重周波数インバータ２２８に提供してもよく、これは、次いで、高電圧ＤＣ電力を治療用エネルギー（例えば、電気外科手術または超音波用）に変換し、エネルギーを活性端子２３０および２３４に送達する。エネルギーは、帰還端子２３２および２３６を介して、そこに帰還される。特に、超音波器具４０のための電気エネルギーは、活性および帰還端子２３４ならびに２３６を通して送達され、単極電気外科手術用器具２０および／または電気外科手術用鉗子３０を励起するための電気外科手術用エネルギーは、活性および帰還端子２３０ならびに２３２を通して送達される。活性端子２３０、２３４および帰還端子２３２、２３６は、絶縁変圧器２２９を通して、二重周波数インバータ２２８に結合される。
絶縁変圧器２２９は、二重周波数インバータ２２８に結合される一次巻線２２９ａと、低域通過フィルタ３０４に結合される第１の二次巻線２２９ｂと、高域通過フィルタ３０６に結合される第２の二次巻線２２９ｃとを含む。低域通過フィルタ３０４は、二重周波数インバータ２２８によって発生される低周波数電流のみを通して通過するように構成され、これは、次いで、活性および帰還端子２３４ならびに２３６に供給される。高域通過フィルタ３０６は、二重周波数インバータ２２８によって発生される高周波数電流のみを通して通過するように構成され、これは、次いで、活性および帰還端子２３０ならびに２３２に供給される。実施形態では、低域通過フィルタ３０４および高域通過フィルタ３０６は、それらの個別の共鳴周波数で同調される、インダクタ／コンデンサフィルタであってもよい。
二重周波数インバータ２２８は、複数のモードで動作するように構成され、その間に、ジェネレータ２００は、具体的デューティサイクル、ピーク電圧、クレストファクタ等を有する、対応する波形を出力する。他の実施形態では、ジェネレータ２００は、他のタイプの好適な電力供給源トポロジに基づいてもよいことが想定される。二重周波数インバータ２２８は、共鳴ＲＦ増幅器または非共鳴ＲＦ増幅器であってもよい。非共鳴ＲＦ増幅器は、本明細書で使用されるように、ＲＦインバータとフィルタ３０４および３０６との間に配置される、任意の同調構成要素、すなわち、導体、コンデンサ等を欠いている、増幅器を示す。
コントローラ２２４は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、またはフラッシュメモリ等の揮発性、不揮発性、磁気、光学、または電気媒体のうちの１つまたはそれを上回るものを含み得る、メモリ（図示せず）に動作可能に接続される、プロセッサ（図示せず）を含む。プロセッサは、限定ではないが、ハードウェアプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、およびそれらの組み合わせを含む、本開示に説明される演算、計算、および／または命令のセットを行うように適合される、任意の好適なプロセッサ（例えば、制御回路）であってもよい。当業者は、プロセッサが、本明細書に説明される計算および／または命令のセットを行うように適合される任意の論理プロセッサ（例えば、制御回路）を使用することによって代用され得ることを理解するであろう。
コントローラ２２４は、電力供給源２２７および／または二重周波数インバータ２２８に動作可能に接続され、プロセッサが、開および／または閉制御ループ方式のいずれかに従って、ジェネレータ２００の出力を制御することを可能にする、出力ポートを含む。閉ループ制御方式は、複数のセンサが、種々の組織およびエネルギー特性（例えば、組織インピーダンス、組織温度、出力電力、電流および／または電圧等）を測定し、フィードバックをコントローラ２２４に提供する、フィードバック制御ループである。コントローラ２２４は、次いで、それぞれ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、デジタル信号プロセッサ、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない、ＤＣおよび／または電力供給源を調節する、電力供給源２２７ならびに／もしくは二重周波数インバータ２２８を制御する。
本開示によるジェネレータ２００はまた、複数のセンサ（図示せず）を含んでもよい。センサは、電力供給源２２７および／または二重周波数インバータ２２８に結合されてもよく、それぞれ、二重周波数インバータ２２８に供給されるＤＣ電流および／または二重周波数インバータ２２８によって出力されるＲＦエネルギーの特性を感知するように構成されてもよい。ジェネレータ２００の種々の構成要素、すなわち、二重周波数インバータ２２８、電流および電圧センサが、印刷回路基板（ＰＣＢ）上に配置されてもよい。コントローラ２２４はまた、ジェネレータ２００、器具２０、および／または電気外科手術用鉗子３０の入力制御から入力信号を受信する。コントローラ２２４は、ジェネレータ２００によって出力される電力を調節するために入力信号を利用し、および／またはその上で他の制御機能を果たす。
図４に示される概略を参照すると、ジェネレータ２００は、ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１と、二重周波数インバータ２２８とを含む。例示的実施形態では、電力供給源２２７は、ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１に接続されてもよい。さらに、インダクタ３０３は、ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１と二重周波数インバータ２２８との間に電気的に結合される。二重周波数インバータ２２８の出力は、電力を変圧器２２９の一次巻線２２９ａを伝送し、これは、変圧器２２９の二次巻線を通して、負荷、例えば、治療されている組織、超音波変換器４４等に渡す。
ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１は、切替要素３０１ａを含み、二重周波数インバータ２２８は、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される複数の切替要素３０２ａ−３０２ｄを含む。実施形態では、二重周波数インバータ２２８は、限定ではないが、ハーフブリッジ、フルブリッジ、プッシュプル、および同等物を含む、任意の好適なトポロジに従って構成されてもよい。好適な切替要素は、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、それらの組み合わせ、および同等物等の電圧制御式デバイスを含む。実施形態では、ＦＥＴは、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、または任意の他の好適なワイドバンドギャップ材料から形成されてもよい。
図５は、低域通過フィルタ３０４および高域通過フィルタ３０６が、それぞれ、絶縁変圧器２２９の第１の二次巻線２２９ｂおよび第２の二次巻線２２９ｃではなく、二重周波数インバータ２２８に直接結合されるという点において、図３および４の実施形態と異なる、ジェネレータ２００の別の実施形態を示す。低域通過フィルタ３０４および高域通過フィルタ３０６の各々は、それぞれ、絶縁変圧器３０８および３１０を含む。低域通過フィルタ３０４は、絶縁変圧器３０８の一次巻線３０８ａに結合され、高域通過フィルタ３０６は、絶縁変圧器３１０の一次巻線３１０ａに結合される。活性端子２３４および帰還端子２３６は、絶縁変圧器３０８の二次巻線３０８ｂに結合され、活性端子２３０および帰還端子２３２は、絶縁変圧器３１０の二次巻線３１０ｂに結合される。
コントローラ２２４は、ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１および二重周波数インバータ２２８の両方、具体的には、それぞれ、切替要素３０１ａおよび３０２ａ−３０２ｄと通信している。コントローラ２２４は、その内容全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、Ｊｏｈｎｓｏｎらによって２０１３年１２月４日に出願された、ＣＯＮＳＴＡＮＴ ＰＯＷＥＲ ＩＶＥＲＴＥＲ ＷＩＴＨ ＣＲＥＳＴ ＦＡＣＴＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬと題され、第ＵＳ２０１４／０２５４２２１号として公開された同時係属中の出願でさらに詳細に説明されるように、パルス幅変調信号であり得る制御信号を切替要素３０１ａおよび３０２ａ−３０２ｄに出力するように構成される。具体的には、コントローラ２２４は、ＤＣ−ＤＣ降圧型コンバータ３０１の切替要素３０１ａに供給される制御信号のｄ１と、二重周波数インバータ２２８の切替要素３０２ａ−３０２ｄに供給される制御信号のｄ２とを変調させるように構成される。加えて、コントローラ２２４は、ジェネレータ２００の電力特性を測定し、少なくとも部分的に、測定された電力特性に基づいて、ジェネレータ２００を制御するように構成される。測定された電力特性の例は、インダクタ１０３を通した電流および二重周波数インバータ２２８の出力における電圧を含む。例示的実施形態では、コントローラ２２４は、ＲＦサイクル毎にインダクタ電流および非線形搬送制御電流の比較に基づいて、制御信号ｄ１を生成することによって、降圧型コンバータ３０１を制御する。
本開示によるジェネレータ２００、特に、コントローラ２２４は、二重周波数選択高調波除去（「ＤＦＳＨＥ」）変調方法を使用して、二重周波数インバータ２２８を動作させるように構成される。さらに、本開示によるＤＦＳＨＥ変調は、ハーフブリッジ、フルブリッジ、マルチレベルインバータ、および共鳴タイプインバータ等の種々のＤＣ／ＡＣトポロジに適用可能であって、二重周波数インバータ２２８は、例示的実施形態である。ＤＦＳＨＥ変調では、コントローラ２００は、二重周波数インバータ２２８に信号伝達し、望ましくない高調波を消滅させながら、２つの個々の周波数を発生させる。コントローラ２２４は、パルス幅変調制御信号を切替要素３０２ａ−３０２ｄに発生させるように構成される。制御信号はそれぞれ、切替要素３０２ａ−３０２ｄの各々の切替角度に基づき、アクティブ化されると、変換器４４または単極電気外科手術用器具２０もしくは電気外科手術用鉗子３０等の任意の他の好適な器具を励起するための低周波数波形を発生させる。低周波数波形は、約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚ、実施形態では、約３０ｋＨｚ〜約７０ｋＨｚの基本周波数を有してもよい。低周波数波形はまた、複数の高調波波形を発生させる。結果として生じる波形の全てが好適であるわけではないため、より高い高調波波形のうちの１つのみが、基本波形に加え、使用されてもよい。特に、高周波数波形である、第ｋ高調波波形は、単極電気外科手術用器具２０または電気外科手術用鉗子３０等の電気外科手術用器具のうちの１つを励起するために使用されてもよい。したがって、切替要素３０２ａ−３０２ｄをアクティブ化するための切替角度は、低周波数波形の第ｋ高調波である、低周波数波形および高周波数波形を発生させるために選択される。
図６および７を参照すると、二重周波数出力を発生させるための例示的切替角度波形が、示される。図６は、正弦波低周波数波形６０２および正弦波高周波数波形６０４を発生させるための四半対称単極切替角度波形６００を示す。単極切替角度波形６００は、切替要素３０２ａ−３０２ｄ（図４および５）の各々についての切替角度に対応する複数のパルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎを含む。切替角度波形６００のパルスはまた、低周波数波形６０２および高周波数波形６０４の各々の正サイクルおよび負サイクルに対応する。
単極切替角度波形６００の正サイクルおよび負サイクルは全て、低周波数波形６０２の正サイクルおよび負サイクルを生成する。特に、低周波数波形６０２および高周波数波形６０４の期間あたり可変持続時間の複数の切替パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎが存在する。用語「期間」は、本明細書で使用されるように、波形の１つの完全サイクルを完了するためにかかる時間を示す。したがって、低周波数波形６０２の各期間について、半サイクル／期間あたり５つずつ、１０の切替パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎが存在し、切替パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎは、異なる持続時間である。同様に、高周波数波形６０４の各々の期間について、図６に図示されるように、異なる持続時間の少なくとも１つの完全および１つの部分的切替パルスが存在する。パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎはそれぞれ、低周波数波形６０２および高周波数波形６０４の所望の周波数に基づいて、コントローラ２２４によって計算される。
図７は、正弦波低周波数波形７０２および正弦波高周波数波形７０４を発生させるための四半対称双極切替角度波形７００を示す。双極切替角度波形７００は、切替要素３０２ａ−３０２ｄの各々に対する切替角度に対応する複数のパルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎを含む。切替角度波形７００のパルスはまた、低周波数波形７０２および高周波数波形７０４のそれぞれの正サイクルおよび負サイクルに対応する。
双極切替角度波形７００の正サイクルおよび負サイクルは全て、低周波数波形７０２の正サイクルおよび負サイクルを生成する。特に、低周波数波形７０２および高周波数波形７０４の期間あたり可変持続時間の複数の切替パルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎが存在する。したがって、低周波数波形７０２の各期間について、半サイクル／期間につき５つずつ、１０の切替パルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎが存在し、切替パルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎは、異なる持続時間である。同様に、高周波数波形７０４の各期間について、図７に図示されるように、異なる持続時間の少なくとも１つの完全および１つの部分的切替パルスが存在する。パルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎは、可変持続時間であって、低周波数波形７０２および高周波数波形７０４の所望の周波数に基づいて、コントローラ２２４によって計算されてもよい。
低周波数波形６０２、７０２および高周波数波形６０４、７０４のそれぞれの周波数は、ユーザインターフェース２４１を使用して、ユーザによって設定されてもよい。コントローラ２２４は、次いで、波形６０２、６０４、７０２、および７０４を発生させるための切替角度を計算してもよい。特に、コントローラ２２４は、例えば、パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎおよび７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎの持続時間の数、周波数、および切替角度の持続時間を計算してもよい。実施形態では、これらの特性は、コントローラ２２４または任意の他の好適なプロセッサのいずれかによって、オフラインで計算されてもよい。
図８および９は、それぞれ、切替角度波形６００および７００によって発生される高調波周波数プロット８００および９００を示す。プロット８００および９００は、それぞれ、波形６００および７００の周波数成分、高調波の数、およびその振幅を図示する、棒グラフである。基本周波数波形は、プロット８００および９００のそれぞれ内の第１の棒として示され、低周波数波形６０２および７０２である。高周波数波形６０４および７０５は、より高い第ｋ高調波波形である。プロット８００および９００はまた、ＤＦＳＨＥ変調方法がまた、低周波数波形６０２、７０２と高周波数波形６０４、７０４との間の高調波波形の全てを除去することを示す。
同時波形６０２、６０４および７０２、７０４の振幅を分離および制御するために、本開示は、ＤＦＳＨＥ変調方法を利用し、これは、基本およびある高調波が、独立して制御されることを可能にする。これはまた、個々の電力調整および望ましくない高調波の除去を可能にし、エネルギー損失および電磁干渉を低減させる。四半対称単極波形６００のパルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎは、本開示によるＤＦＳＨＥアルゴリズムを使用して計算される。本切替角度波形６００または７００のフーリエ展開は、以下の式化（１）を使用して行われてもよい。
２つの構成要素は、すなわち、波形６０２および６０４または波形７０２もしくは７０４であるので、合成されるべきであるのは、低周波数要素およびその第ｋ高調波である。これらの条件下、（１）のフーリエ展開は、以下の式（２）に図示されるような方程式系を形成するように並べ替えられる。
式（２）を解くことによって、所望の二重周波数出力を合成するための切替角度、すなわち、パルス６００ａ、ｂ、ｃ、…ｎまたはパルス７００ａ、ｂ、ｃ、…ｎが求められる。実施形態では、２つの解法ループが、式（２）の卓越した方程式を解くために採用されてもよい。
従来のＰＷＭ変調方式では、基本周波数波形のみが発生および制御される一方、非調整高調波は、フィルタ処理される。しかしながら、本開示によるＤＦＳＨＥ変調では、基本周波数波形、例えば、低周波数波形６０２または７０２と、第ｋ高調波波形、例えば、高周波数波形６０４および７０４の両方が、同時に発生され、正確に変調され、望ましくない高調波、すなわち、所望の周波数間であるか、それを下回る、および／またはその近傍の周波数は、除去される。図８および９に図示されるように、本開示によるＤＦＳＨＥ変調は、低制御周波数と高制御周波数との間の全周波数における波形振幅のゼロへの調整を可能にする。加えて、選択された最高制御周波数を上回る高調波もまた、除去され得る。
さらに、高調波利用技法と異なり、基本波形および第ｋ高調波波形は、変調において分離され、これらの波形の個々の電力調整を提供する。本開示によるＤＦＳＨＥ変調のこれらの特徴は、以前は二重周波数出力を達成するために二重インバータ構成に依拠していた、電気外科手術用ジェネレータにおいて特に有用となる。マルチレベルインバータまたは二重インバータ構成と比較して、本開示によるジェネレータ、システム、および方法の別の利点は、付加的切替デバイスが要求されず、等価な調整性能を達成しながら、全体的コストを有意に削減することである。
本開示のいくつかの実施形態が、図面において示されるか、および／または本明細書に説明されているが、本開示がそれらに限定されることは意図されておらず、本開示は、当分野が許容する限り範囲が広いことを意図しており、明細書も同様に読まれることが意図される。そのため、上記の説明は、限定ではなく、特定の実施形態の単なる例示として解釈されるべきである。当業者は、本明細書に添付の請求項の範囲および精神内で他の修正も想定するであろう。

Claims (19)

  1. 二重出力電気外科手術用ジェネレータであって、
    ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、
    前記電力供給源に結合されるインバータであって、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む、インバータと、
    前記インバータに結合され、前記切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラと、
    を備える、ジェネレータ。
  2. 前記第１の周波数は、基本周波数である、請求項１に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  3. 前記第２の周波数は、前記基本周波数の高調波周波数である、請求項２に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  4. 前記インバータに結合され、前記第１の波形を出力するように構成される、低周波数フィルタをさらに備える、請求項１に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  5. 前記インバータに結合され、前記第２の波形を出力するように構成される、高周波数フィルタをさらに備える、請求項１に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  6. 前記インバータは、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される４つの切替要素を含む、請求項１に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  7. 前記切替要素はそれぞれ、ワイドバンドギャップ電界効果トランジスタである、請求項６に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  8. 前記第２の周波数は、前記第１の周波数より高い、請求項１に記載の二重出力電気外科手術用ジェネレータ。
  9. 電気外科手術用システムであって、
    ＤＣ波形を出力するように構成される、電力供給源と、
    前記電力供給源に結合されるインバータであって、切替角度で動作される、少なくとも１つの切替要素を含む、インバータと、
    前記インバータに結合され、前記切替角度を変調させ、第１の周波数における第１の波形および第２の周波数における二次波形を発生させるように構成される、コントローラと、
    前記第１の波形を出力する第１の出力と、
    前記第２の波形を出力する第２の出力と、
    を含む、二重出力電気外科手術用ジェネレータと、
    前記第１の出力に結合され、前記第１の波形によって励起可能な第１の器具と、
    前記第２の出力に結合され、前記第２の波形によって励起可能な第２の器具と、
    を備える、システム。
  10. 前記第１の器具は、前記第１の波形によって励起可能な変換器を含む、超音波器具である、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  11. 前記第１の器具は、組織に接触し、前記第１の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの第１の電極を含む、第１の電気外科手術用器具である、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  12. 前記第２の器具は、組織に接触し、前記第２の波形をそこに伝送するように構成される少なくとも１つの第２の電極を含む、第２の電気外科手術用器具である、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  13. 前記第１の周波数は、基本周波数である、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  14. 前記第２の周波数は、前記基本周波数の高調波周波数である、請求項１３に記載の電気外科手術用システム。
  15. 前記二重出力電気外科手術用ジェネレータはさらに、前記インバータに結合され、前記第１の波形を出力するように構成される、低周波数フィルタを含む、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  16. 前記二重出力電気外科手術用ジェネレータはさらに、前記インバータに結合され、前記第２の波形を出力するように構成される、高周波数フィルタを含む、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  17. 前記インバータは、Ｈ−ブリッジトポロジに配列される４つの切替要素を含む、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
  18. 前記切替要素はそれぞれ、ワイドバンドギャップ電界効果トランジスタである、請求項１７に記載の電気外科手術用システム。
  19. 前記第２の周波数は、前記第１の周波数より高い、請求項９に記載の電気外科手術用システム。
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