用于提高電外科發(fā)生器效率的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本申請涉及用于提高電外科發(fā)生器效率的系統(tǒng)和方法。更具體而言，給出了一種提高電外科發(fā)生器效率的方法，該方法包括通過利用逆變器把直流電流(DC)轉(zhuǎn)換成交流電流(AC)來控制電外科發(fā)生器的輸出，并且感測在逆變器的輸出處的電流和電壓。該方法還包括如下步驟：基于感測到的電壓和感測到的電流確定功率電平、確定電外科發(fā)生器的效率以及在電外科發(fā)生器的效率到達(dá)閾值功率效率時，插入預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)。
【專利說明】用于提高電外科發(fā)生器效率的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容涉及電外科。更具體而言，本公開內(nèi)容涉及用于提高電外科發(fā)生器效 率的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電外科涉及在電外科手術(shù)期間應(yīng)用高頻電流來切割或修改生物組織。電外科是利 用電外科發(fā)生器、活動電極和返回電極執(zhí)行的。電外科發(fā)生器（也稱為電源或波形發(fā)生器） 生成交流電流（AC)，該電流通過活動電極施加到患者的組織并且通過返回電極返回到電外 科發(fā)生器。AC通常具有高于100千赫茲（kHz)的頻率，以避免肌肉和/或神經(jīng)刺激。
[0003] 在電外科期間，由電外科發(fā)生器生成的AC被引導(dǎo)通過位于活動和返回電極之間 的組織。組織的阻抗把與AC關(guān)聯(lián)的電能（也稱為電外科能量）轉(zhuǎn)換成熱量，這造成組織溫 度升高。通過控制提供給組織的電功率（即，每單位時間的電能），電外科發(fā)生器控制組織 的發(fā)熱。雖然許多其它變量影響組織的總體發(fā)熱，但是增加的電流密度通常導(dǎo)致增加的發(fā) 熱。電外科能量通常用于切割、解剖、消融、凝結(jié)和/或密封組織。
[0004] 所采用的兩種基本類型的電外科是單極和雙極電外科。這兩種類型的電外科都使 用活動電極和返回電極。在雙極電外科中，外科器械包括在相同器械上或者彼此緊靠的活 動電極和返回電極，通常造成電流流經(jīng)少量的組織。在單極電外科中，返回電極位于患者身 體的其它地方并且通常不是電外科器械本身的一部分。在單極電外科中，返回電極是通常 被稱為返回墊的設(shè)備的一部分。
[0005] 有些電外科發(fā)生器包括基于電外科發(fā)生器的輸出附近的電壓和電流的測量來控 制在某個時段輸送給組織的功率的控制器。這些發(fā)生器使用離散傅立葉變換（DFT)或多相 解調(diào)來計(jì)算電壓和電流測量之間的相差，用于計(jì)算實(shí)數(shù)功率并用于執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。
[0006] 但是，在低功率電平，有些電外科發(fā)生器呈現(xiàn)低效率。因而，需要維持電外科發(fā)生 器效率的改進(jìn)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] -種用于控制電外科發(fā)生器的輸出的方法包括利用逆變器把直流電流（DC)轉(zhuǎn)換 成交流電流（AC)，并且感測在逆變器的輸出處的電流和電壓的步驟。該方法還包括基于感 測到的電壓和感測到的電流確定功率電平、確定電外科發(fā)生器的效率以及在電外科發(fā)生器 的效率到達(dá)閾值功率效率時插入預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)的步驟。
[0008] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，一種電外科發(fā)生器包括耦合到電能源并配置為生成 電外科能量的射頻（RF)放大器，該RF放大器包括：配置為把直流電流（DC)轉(zhuǎn)換成交流電 流的逆變器。電外科發(fā)生器還包括配置為感測所生成的電外科能量的電壓和電流的多個傳 感器以及耦合到RF放大器和多個傳感器的控制器。該發(fā)生器還可以基于感測到的電壓和 感測到的電流確定功率電平、確定電外科發(fā)生器的效率以及在電外科發(fā)生器的效率到達(dá)閾 值功率效率時插入預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)。
[0009] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，一種提高電外科發(fā)生器效率的方法包括基于感測到 的電壓和感測到的電流確定功率電平、基于檢測到的功率電平確定電外科發(fā)生器的效率以 及在電外科發(fā)生器的效率到達(dá)閾值功率效率時逐步投下（drop)預(yù)定整數(shù)個輸出或關(guān)循 環(huán)，該預(yù)定整數(shù)個輸出或關(guān)循環(huán)經(jīng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器隨機(jī)化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 參考附圖描述本公開內(nèi)容的各種實(shí)施例，其中：
[0011] 圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的、包括發(fā)生器的電外科系統(tǒng)的說明；
[0012] 圖2A是根據(jù)本公開內(nèi)容一種實(shí)施例的、包括發(fā)生器電路系統(tǒng)的電外科系統(tǒng)的框 圖，該發(fā)生器電路系統(tǒng)根據(jù)修改后的Kahn技術(shù)和S類發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合；
[0013] 圖2B是根據(jù)本公開內(nèi)容另一種實(shí)施例的、包括發(fā)生器電路系統(tǒng)的電外科系統(tǒng)的 框圖，該發(fā)生器電路系統(tǒng)根據(jù)修改后的Kahn技術(shù)；
[0014] 圖2C是根據(jù)本公開內(nèi)容還有另一種實(shí)施例的、包括發(fā)生器電路系統(tǒng)的電外科系 統(tǒng)的框圖，該發(fā)生器電路系統(tǒng)根據(jù)S類設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0015] 圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的、圖2A發(fā)生器電路系統(tǒng)的控制器的示意性框圖；
[0016] 圖4是根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的、說明在不同諧振組件中切換的電路圖；及
[0017] 圖5A和5B是根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的、說明輸出循環(huán)在預(yù)定時段處的插入的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 圖1說明了根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的電外科系統(tǒng)100。電外科系統(tǒng)100包括生成 治療患者組織的電外科能量的電外科發(fā)生器110。電外科發(fā)生器Iio基于選定的操作模式 (例如，切割、凝結(jié)、消融或密封）和/或感測到的電外科能量的電壓和電流波形生成適當(dāng)電 平的電外科能量。電外科系統(tǒng)100還可以包括對應(yīng)于各種電外科器械的多個輸出連接器。
[0019] 電外科系統(tǒng)100還包括具有用于治療患者組織的電極的單極電外科器械120(例 如，電外科切割探針或消融電極），該單極電外科器械120具有返回墊125。單極電外科器 械120可以經(jīng)多個輸出連接器之一連接到電外科發(fā)生器110。電外科發(fā)生器110可以以射 頻（RF)能量的形式生成電外科能量。電外科能量供應(yīng)給單極電外科器械120,該單極電外 科器械120施加電外科能量來治療組織。電外科能量通過返回墊125返回到電外科發(fā)生器 110。返回墊125提供與患者組織的充分接觸面積，從而最小化由于施加到組織的電外科能 量而造成組織損害的風(fēng)險。此外，電外科發(fā)生器110和返回墊125可以配置為監(jiān)視組織-患 者接觸，以確保返回墊125和患者之間存在充分接觸，以最小化組織損害的風(fēng)險。
[0020] 電外科系統(tǒng)100還包括雙極電外科器械130,該雙極電外科器械130可以經(jīng)多個輸 出連接器之一連接到電外科發(fā)生器110。在雙極電外科器械的操作期間，電外科能量供給器 械的鉗子的兩個爪構(gòu)件之一，例如爪構(gòu)件132,被用來治療組織，并且通過另一個爪構(gòu)件，例 如爪構(gòu)件134,返回到電外科發(fā)生器110。
[0021] 電外科發(fā)生器110可以是任何合適類型的發(fā)生器，并且可以包括多個連接器，以 適應(yīng)各種類型的電外科器械（例如，單極電外科器械120和雙極電外科器械130)。電外科 發(fā)生器110還可以配置為以各種模式操作，諸如消融、切割、凝結(jié)和密封。電外科發(fā)生器110 可以包括切換機(jī)制（例如，中繼器），以便在各種電外科器械可以連接到的連接器之間切換 RF能量的供應(yīng)。例如，當(dāng)電外科器械120連接到電外科發(fā)生器110時，切換機(jī)制把RF能量 的供應(yīng)切換到單極插頭。在實(shí)施例中，電外科發(fā)生器110可以配置為向多個器械同時提供 RF能量。
[0022] 電外科發(fā)生器110包括具有適當(dāng)用戶控制裝置（例如，按鈕、致動器、開關(guān)或觸摸 屏）的用戶接口，用于向電外科發(fā)生器110提供控制參數(shù)。這些控制裝置允許用戶調(diào)整電 外科能量的參數(shù)（例如，功率電平或輸出波形的形狀），使得電外科能量適于特定的外科手 術(shù)（例如，凝結(jié)、消融、組織密封或切割）。電外科器械120和130也可以包括多個用戶控 制裝置。此外，電外科發(fā)生器110可以包括用于顯示關(guān)于電外科發(fā)生器110操作的各種信 息（例如，強(qiáng)度設(shè)置和治療完成指示器）的一個或多個顯示屏。電外科器械120和130還 可以包括多個輸入控制裝置，這些輸入控制裝置可以是電外科發(fā)生器110的某些輸入控制 裝置的冗余。把輸入控制裝置放在電外科器械120和130處允許外科手術(shù)期間電外科能量 參數(shù)的更容易且更快的修改，而無需與電外科發(fā)生器110的交互。
[0023] 圖2A是圖1電外科發(fā)生器中的發(fā)生器電路系統(tǒng)200的框圖。發(fā)生器電路系統(tǒng)200 包括低頻（LF)整流器220、直流-直流（DC/DC)轉(zhuǎn)換器225、RF放大器230、多個傳感器 240、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC) 250、控制器260、硬件加速器270、處理器子系統(tǒng)280,以及用戶接口 (UI) 290。發(fā)生器電路系統(tǒng)200配置為連接到電源210,諸如墻上的電源插座或者其它電源 插座，其中電源生成具有低頻（例如，25Hz、50Hz或60Hz)的交流電流（AC)。電源210把AC 功率提供給LF整流器220,該LF整流器220把AC轉(zhuǎn)換成直流電流（DC)?；蛘?，電源210 和LF整流器220可以用電池或提供DC功率的其它合適的設(shè)備代替。
[0024] 從LF整流器220輸出的DC提供給把DC轉(zhuǎn)換成期望電平的DC/DC轉(zhuǎn)換器225。轉(zhuǎn) 換后的DC提供給RF放大器230,該RF放大器230包括DC-AC (DC/AC)逆變器232和諧振匹 配網(wǎng)絡(luò)234。DC/AC逆變器232把轉(zhuǎn)換后的DC轉(zhuǎn)換成具有適于電外科手術(shù)的頻率（例如， 472kHz、29. 5kHz 和 19. 7kHz)的 AC 波形。
[0025] 用于電外科能量的適當(dāng)頻率可以基于電外科手術(shù)和電外科模式而不同。例如，神 經(jīng)和肌肉刺激在大約每秒100000個循環(huán)（IOOkHz)停止，高于這個點(diǎn)，有些電外科手術(shù)可以 安全地執(zhí)行，即，電外科能量可以以最小的神經(jīng)肌肉刺激經(jīng)過患者到達(dá)目標(biāo)組織。例如，通 常，消融手術(shù)使用472kHz的頻率。其它電外科手術(shù)可以以損害神經(jīng)和肌肉的最小風(fēng)險在低 于IOOkHz的脈沖率，例如29. 5kHz或19. 7kHz，執(zhí)行，就像電灼或噴霧。DC/AC逆變器232 可以輸出具有適于電外科操作的各種頻率的AC信號。
[0026] 如上所述，RF放大器230包括諧振匹配網(wǎng)絡(luò)234。諧振匹配網(wǎng)絡(luò)234耦合到DC/ AC逆變器232的輸出，以便把DC/AC逆變器232處的阻抗匹配到組織的阻抗，使得在發(fā)生器 電路系統(tǒng)200和組織之間存在最大化或最優(yōu)的功率傳送。
[0027] 由RF放大器230的DC/AC逆變器232提供的電外科能量受控制器260的控制。從 DC/AC逆變器232輸出的電外科能量的電壓和電流波形由多個傳感器240感測并且提供給 控制器260,控制器260從DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器278,例如脈寬調(diào)制器（PWM)或數(shù)字脈寬調(diào) 制器（DPWM)，生成控制信號，以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器225的輸出，并且從DC/AC逆變器控制器 276生成控制信號，以控制DC/AC逆變器232的輸出?？刂破?60還經(jīng)用戶接口（UI) 290接 收輸入信號。UI 290允許用戶選擇電外科手術(shù)的類型（例如，單極或雙極）以及模式（例 如，凝結(jié)、消融、密封或切割），或者輸入用于電外科手術(shù)或模式的期望控制參數(shù)。依賴于功 率設(shè)置或期望的外科效果，圖2A的DC/DC轉(zhuǎn)換器225可以是固定的或可變的。當(dāng)其固定時， RF放大器的行為就像在圖2C中示出的S類設(shè)備。當(dāng)其可變時，RF放大器的行為就像在圖 2B中不出的根據(jù)修改后的Kahn技術(shù)的設(shè)備。
[0028] 多個傳感器240感測在RF放大器230的輸出處的電壓和電流。這多個傳感器240 可以包括提供電壓和電流冗余測量的兩個或更多對或組的電壓和電流傳感器。這種冗余性 確保在RF放大器230的輸出處的電壓和電流測量的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在實(shí)施例中， 依賴于應(yīng)用或設(shè)計(jì)需求，這多個傳感器240可以包括更少或更多組電壓和電流傳感器。這 多個傳感器240還可以測量從發(fā)生器電路系統(tǒng)200的其它組件，諸如DC/AC逆變器232或 諧振匹配網(wǎng)絡(luò)234,輸出的電壓和電流。這多個傳感器240可以包括用于測量電壓和電流的 任何已知技術(shù)，包括例如Rogowski線圈。
[0029] 感測到的電壓和電流波形饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC) 250。ADC250采樣感測到的電 壓和電流波形，以獲得電壓和電流波形的數(shù)字樣本。這也常常被稱為模擬前端（AFE)。電壓 和電流波形的數(shù)字樣本被控制器260處理并用來生成控制RF放大器230的DC/AC逆變器 232和DC/DC轉(zhuǎn)換器225的控制信號。ADC 250可以配置為以作為RF頻率整數(shù)倍的采樣頻 率采樣感測到電壓和電流波形。
[0030] 如圖2A的實(shí)施例中所示，控制器260包括硬件加速器270和處理器子系統(tǒng)280。 如上所述，控制器260還耦合到Π 290,該Π 從用戶接收輸入命令并且顯示關(guān)于電外科能 量特性的輸出和輸入信息（例如，選定的功率電平）。硬件加速器270處理來自ADC 250的 輸出并且與處理器子系統(tǒng)280合作來生成控制信號。
[0031] 硬件加速器270包括劑量監(jiān)視與控制（DMC) 272、內(nèi)部功率控制環(huán)路274、DC/AC逆 變器控制器276以及DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器278?？刂破?60的全部或一部分可以由現(xiàn)場可 編程門陣列（FPGA)、專用集成電路（ASIC)、數(shù)字信號處理器（DSP)和/或微控制器實(shí)現(xiàn)。
[0032] DMAC 272從ADC 250接收感測到的電壓和電流波形的樣本，并且計(jì)算平均實(shí)數(shù)功 率和組織阻抗的實(shí)數(shù)部分。然后，DMC 272把實(shí)數(shù)功率和組織阻抗的實(shí)數(shù)部分提供給內(nèi)部 功率控制環(huán)路274,該內(nèi)部功率控制環(huán)路274基于實(shí)數(shù)功率和組織阻抗的實(shí)數(shù)部分當(dāng)中一 個或多個生成用于DC/AC逆變器控制器276的控制信號。DC/AC逆變器控制器276又生成 第一脈寬調(diào)制（PWM)控制信號，以控制DC/AC逆變器232的輸出。
[0033] 處理器子系統(tǒng)280包括外部功率控制環(huán)路282、狀態(tài)機(jī)284,以及功率設(shè)定點(diǎn)電路 286。處理器子系統(tǒng)280基于DMAC 272的輸出和用戶經(jīng)Π 290選定的參數(shù)（例如，電外 科模式）生成第二PWM控制信號。具體而言，由用戶選定的參數(shù)提供給狀態(tài)機(jī)284,狀態(tài)機(jī) 284確定發(fā)生器電路系統(tǒng)200的狀態(tài)或模式。外部功率控制環(huán)路282使用這個狀態(tài)信息和 來自DMC 272的輸出來確定控制數(shù)據(jù)。該控制數(shù)據(jù)提供給功率設(shè)定點(diǎn)電路286,該功率設(shè) 定點(diǎn)電路286基于控制數(shù)據(jù)生成功率設(shè)定點(diǎn)。DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器287使用功率設(shè)定點(diǎn)生 成用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器225的適當(dāng)PWM控制信號，以便把來自LF整流器220的DC輸出 轉(zhuǎn)換成期望的電平。如果用戶不經(jīng)Π 290向狀態(tài)機(jī)284提供操作參數(shù)，則狀態(tài)機(jī)284可以 維持或進(jìn)入缺省狀態(tài)。
[0034] 圖3示出了圖2A硬件加速器270的更詳細(xì)的圖。硬件加速器270實(shí)現(xiàn)發(fā)生器電 路系統(tǒng)200的可能具有特殊處理需求，諸如高處理速度，的那些功能。硬件加速器270包括 圖2A中所示的DMAC 272、內(nèi)部功率控制環(huán)路274、DC/AC逆變器控制器276,以及DC/DC轉(zhuǎn) 換器控制器278。
[0035] DMAC 272包括四個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)控制器312a-312d、數(shù)字信號處理器314、RF 數(shù)據(jù)寄存器316及DMAC寄存器318。ADC控制器312a-312d控制ADC 250(圖2A)的操作， 其中ADC 250把感測到的電壓和電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給實(shí)現(xiàn)各 種過濾和其它數(shù)字信號處理功能的數(shù)字信號處理器314。
[0036] 感測到的電壓和電流是到ADC 250的數(shù)字輸入，其中ADC 250采樣感測到的電壓 和電流。ADC控制器312a-312d向ADC 250提供操作參數(shù)，包括預(yù)定的采樣率，使得ADC以預(yù) 定的采樣率，即，每秒預(yù)定的采樣次數(shù)，或者與RF逆變器頻率一致的預(yù)定的采樣周期，即， RF逆變器頻率的整數(shù)倍的采樣頻率，采樣感測到的電壓和電流。ADC控制器312a-312d控 制ADC 250的操作，其中ADC 250把感測到的電壓和電流波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，數(shù)字 數(shù)據(jù)提供給實(shí)現(xiàn)各種過濾和其它數(shù)字信號處理功能的數(shù)字信號處理器314。
[0037] 感測到的電壓和電流輸入到采樣感測到的電壓和電流的ADC250。ADC控制器 312a-312d向ADC 250提供操作參數(shù)，包括預(yù)定的采樣率，使得ADC以預(yù)定的采樣率，即， 每秒預(yù)定的采樣次數(shù)或者預(yù)定的采樣周期，同時采樣感測到的電壓和電流。ADC控制器 312a-312d可以配置為控制ADC 250,使得采樣周期對應(yīng)于電壓和電流波形的RF頻率的整 數(shù)倍。這常常被稱為相干采樣。
[0038] 通過采樣電壓和電流波形獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)ADC控制器312a_312d提供給數(shù)字信 號處理器314。數(shù)字信號處理器314使用該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算復(fù)數(shù)電壓V ramp、復(fù)數(shù)電流Iramp、實(shí) 數(shù)功率Preal，以及組織阻抗的實(shí)數(shù)部分Z Mal。一般而言，組織阻抗是實(shí)數(shù)或者電阻性的，但 是在組織被"煮（cook)"之后可以具有一個小的電容性分量。另外，電外科發(fā)生器和組織之 間的電纜也具有電容性和電抗性分量。出于這些原因，電外科發(fā)生器通常包括補(bǔ)償這些寄 生現(xiàn)象以便更準(zhǔn)確測量組織阻抗的控制系統(tǒng)。但是，這些控制系統(tǒng)需要計(jì)算效率不高的復(fù) 雜計(jì)算，這對以及時方式或以與RF控制環(huán)路計(jì)算的能力相當(dāng)?shù)母滤俾蕡?zhí)行組織阻抗計(jì) 算導(dǎo)致附加的成本。
[0039] 在圖2B和2C中所繪出的備選實(shí)施例中，硬件加速器不可用并且剛描述過的許多 主要RF測量和控制功能代替地完全駐留在稱為專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP)集成電路的可編程設(shè) 備中，該ASSP集成電路包括至少一個DSP內(nèi)核處理器和多個數(shù)字脈寬調(diào)制器（DPWM)，DPWM 與硬件加速器及其DSP和/或微控制器內(nèi)核的功能基本上相似。
[0040] 在其它實(shí)施例中，還可以有在ASSP中可用的第二微處理器內(nèi)核，包含可以連接到 傳感器的附加 ADC，用于執(zhí)行與RF控制功能分開的冗余劑量監(jiān)視功能。第二處理器還可以 從RF控制器為用戶執(zhí)行用戶接口功能，諸如接收和請求功率設(shè)置、激活請求，等等。ASSP還 可以只利用一個RF控制環(huán)路（或補(bǔ)償器環(huán)路），而不是兩個"內(nèi)部"和"外部"補(bǔ)償器環(huán)路， 來直接控制以下任意一個：功率、電壓、電流、溫度或阻抗。這個環(huán)路可以使用通過利用無擾 動傳送方法和可飽和限制在這些過程變量之間改變的單個比例-積分-微分補(bǔ)償器。
[0041] 圖2B示出了包括根據(jù)修改后的Kahn技術(shù)的發(fā)生器電路系統(tǒng)201的電外科系統(tǒng)。 發(fā)生器電路系統(tǒng)201包括RF放大器241和用于控制RF放大器241把具有期望特性的電外 科能量輸送到要治療的組織247的控制器251。RF放大器241從電源210接收AC或DC。 RF放大器包括AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器242,該轉(zhuǎn)換器把由電源210提供的AC或DC轉(zhuǎn)換成合 適電平的DC。就像在圖2A中，RF放大器241還包括把DC轉(zhuǎn)換成AC的DC/AC逆變器232。 RF放大器241還包括單-或雙-模式諧振匹配網(wǎng)絡(luò)244以及用于切換諧振匹配網(wǎng)絡(luò)244的 模式的模式中繼器248。
[0042] 來自RF放大器241的輸出提供給傳感器246,傳感器246包括電壓傳感器、電流傳 感器和溫度傳感器。從傳感器246輸出的傳感器信號經(jīng)控制器251的模擬前端（AFE) 252提 供給控制器251。AFE調(diào)節(jié)并采樣傳感器信號，以獲得代表傳感器信號的數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)。 控制器251還包括信號處理器253、模式狀態(tài)控制和無擾動傳送單元254、補(bǔ)償器或PID控 制器255、脈寬調(diào)制器（PWM)或數(shù)字脈寬調(diào)制器（DPWM) 256,以及電壓控制的振蕩器或數(shù)值 控制的振蕩器257。
[0043] 信號處理器253接收數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)并執(zhí)行根據(jù)本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法的計(jì) 算和其它功能。除其它的之外，信號處理器253計(jì)算感測到的電壓和電流、阻抗和/或功率 的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分，并且執(zhí)行控制電壓、電流、功率、阻抗和/或功率當(dāng)中一個或多個的功 能。信號處理器253還生成并向模式狀態(tài)控制和無擾動傳送單元254以及補(bǔ)償器或PID控 制器255提供過程變量。模式狀態(tài)控制和無擾動傳送單元254根據(jù)組織效果算法控制用于 單或雙模式諧振匹配網(wǎng)絡(luò)244的模式中繼器248,并且生成并向補(bǔ)償器或PID控制器255提 供系數(shù)和設(shè)定點(diǎn)。
[0044] 補(bǔ)償器或PID控制器255生成控制器輸出變量并且把它們提供給脈寬調(diào)制器 (PWM)或數(shù)字脈寬調(diào)制器（DPWM) 256。脈寬調(diào)制器（PWM)或數(shù)字脈寬調(diào)制器（DPWM) 256從 電壓控制的振蕩器或數(shù)值控制的振蕩器257接收振蕩器信號并且生成用于控制AC/DC或 DC/DC轉(zhuǎn)換器242的控制信號。電壓控制的振蕩器或數(shù)值控制的振蕩器257還生成用于控 制DC/AC逆變器232的控制信號。
[0045] 就像圖2A的發(fā)生器電路系統(tǒng)200,發(fā)生器電路系統(tǒng)201包括用戶接口 290,通過該 用戶接口，用戶可以經(jīng)控制器251的控制器應(yīng)用接口 258控制和/或監(jiān)視發(fā)生器電路系統(tǒng) 201的功能。
[0046] 圖2C示出了包括根據(jù)S類設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)生器電路系統(tǒng)202的電外科系統(tǒng)。不 像圖2B的發(fā)生器電路系統(tǒng)201，發(fā)生器電路系統(tǒng)202不包括AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器242。外 部低頻（LF)整流器220或電池向RF放大器241的DC/AC逆變器232提供適當(dāng)電平的DC。 如圖2C中所示，PWM或DPWM 256從VCO或NCO 257接收振蕩器信號并且生成用于控制DC/ AC逆變器232的控制信號。
[0047] 數(shù)字信號處理器314的輸出經(jīng)RF數(shù)據(jù)寄存器316 (見圖3)提供給圖2A的處理器 子系統(tǒng)280。DMAC 272還包括接收并存儲用于數(shù)字信號處理器314 (見圖3)的相關(guān)參數(shù)的 DMAC寄存器318。數(shù)字信號處理器314還從DC/AC逆變器控制器276的PWM模塊346接收 信號。
[0048] DMAC 272經(jīng)信號線321向內(nèi)部功率控制環(huán)路274并且經(jīng)信號線379向處理器子 系統(tǒng)280提供控制信號。內(nèi)部功率控制環(huán)路274處理控制信號并且向DC/AC逆變器控制器 276輸出控制信號。內(nèi)部功率控制環(huán)路274包括補(bǔ)償器326、補(bǔ)償器寄存器330,及VI限制 器334。信號線321攜帶并向補(bǔ)償器326提供阻抗的實(shí)數(shù)部分。
[0049] 當(dāng)存在用戶輸入時，處理器子系統(tǒng)280接收用戶輸入并且利用經(jīng)信號線379來自 數(shù)字信號處理器314的輸出來處理它。處理器子系統(tǒng)280經(jīng)補(bǔ)償器寄存器330向VI限制 器334提供控制信號，其中VI限制器334對應(yīng)于圖2A中的功率設(shè)定點(diǎn)電路286。然后，VI 限制器334基于用戶輸入和數(shù)字信號處理器314的輸出提供期望的功率分布圖（例如，對 于設(shè)定的電外科模式或操作，功率的最小值和最大值限制），補(bǔ)償器寄存器330還向補(bǔ)償器 326提供其它控制參數(shù)，然后，補(bǔ)償器326組合來自補(bǔ)償器寄存器330和VI限制器334的所 有控制參數(shù)，以便經(jīng)信號線327向DC/AC逆變器控制器276生成輸出。
[0050] DC/AC逆變器控制器276接收控制參數(shù)并輸出驅(qū)動DC/AC逆變器232的控制信號。 DC/AC逆變器控制器276包括縮放單元342、PWM寄存器344,以及PWM模塊346。縮放單元 342通過用一個數(shù)乘以輸出和/或把一個數(shù)加到輸出來縮放補(bǔ)償器寄存器330的輸出?？s 放單元342經(jīng)信號線，341a和341b，從PWM寄存器344接收用于相乘的數(shù)字和/或用于相 加的數(shù)字。PWM寄存器344存儲控制DC/AC逆變器232的幾個相關(guān)參數(shù)，例如，要由DC/AC 逆變器232生成的AC信號的周期、脈寬和相位以及其它相關(guān)參數(shù)。PWM寄存器344把信號 345a-345d發(fā)送到PWM模塊346。PWM模塊346從PWM寄存器344接收輸出并且生成控制圖 2A中RF放大器230的DC/AC逆變器232的四個晶體管的四個控制信號，347a-347d。PWM 模塊346還經(jīng)寄存器同步信號347同步它的信息與PWM寄存器344中的信息。
[0051] PWM模塊346還向內(nèi)部功率控制環(huán)路274的補(bǔ)償器326提供控制信號。處理器子 系統(tǒng)280向PWM模塊346提供控制信號。以這種方式，DC/AC逆變器控制器276可以利用 集成的內(nèi)部輸入（即，由DMAC 272對多個傳感器的處理結(jié)果）和外部輸入（例如，由處理 器子系統(tǒng)280對用戶輸入的處理結(jié)果）控制RF放大器230的DC/AC逆變器232。
[0052] 處理器子系統(tǒng)280還經(jīng)信號線373向DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器278發(fā)送控制信號。DC/ DC轉(zhuǎn)換器控制器278處理控制信號并且生成另一控制信號，使得DC/DC轉(zhuǎn)換器225把直流 電流轉(zhuǎn)換成適于被RF放大器230轉(zhuǎn)換的期望電平。DC/DC轉(zhuǎn)換器控制器278包括PWM寄存 器352和PWM模塊354。PWM寄存器352經(jīng)信號線373從處理器子系統(tǒng)280接收輸出并且像 PWM寄存器344 -樣存儲相關(guān)參數(shù)。PWM寄存器352向PWM模塊354發(fā)送信號353a-353d。 PWM模塊354還向PWM寄存器352發(fā)送寄存器同步信號并且生成控制圖2A中DC/DC轉(zhuǎn)換器 225的四個晶體管的四個控制信號，355a-355d。
[0053] 圖4是根據(jù)本公開內(nèi)容實(shí)施例的、說明在不同諧振組件中切換的電路圖400。電路 圖400說明了模式中繼器248和匹配網(wǎng)絡(luò)244。模式中繼器248允許用戶在不同的操作模 式之間切換。例如，頂部模式中繼器248允許用戶在切割模式和噴霧模式之間切換，而底部 模式中繼器248允許用戶在結(jié)扎模式和混合模式之間切換。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以預(yù)期用于 在多種操作模式之間切換的多個中繼器。此外，對選定的模式，電容器410和電感器420適 當(dāng)?shù)卮_定尺寸。匹配網(wǎng)絡(luò)244包括兩個變壓器430,以改變電路400的相對電壓并提供患者 隔離。
[0054] 前面的描述提供了用于控制電外科發(fā)生器110的輸出的組件和設(shè)備的詳細(xì)介紹。 通常，從DC/AC逆變器輸出（并且隨后施加到患者）的平均功率減小的方式是通過減小由 DC/AC逆變器控制器276(圖2A)輸出的PWM信號的脈寬。但是，當(dāng)以低功率設(shè)置操作時，以 這種方式進(jìn)行的功率控制會導(dǎo)致效率的損失。
[0055] 圖5A繪出了 DC/AC逆變器控制器276 (圖2A)并且尤其是PWM模塊346 (圖3)的 輸出信號，該輸出信號控制DC/AC逆變器232。在圖5A中，初始信號是控制DC/AC逆變器 232的連續(xù)波（CW)。CW的脈沖（S卩，高信號和低信號）具有短脈寬TPWlligh。通過縮短脈寬， 由DC/AC逆變器232輸出并且最終施加到患者的平均功率減小。但是，如以上指出的，由于 平均功率輸出減小，因此當(dāng)使用CW時僅脈寬的減小會導(dǎo)致效率損失。
[0056] 根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例，DC/AC逆變器232的效率可以通過把脈寬拉長到 TPWuw并且從CW過渡到具有50%工作循環(huán)的脈沖波（PW)來增加。換句話說，脈沖只在時 段T的50%期間發(fā)送到DC/AC逆變器232。在圖5A的例子中，在時段T期間，四個脈沖信 號循環(huán)在時段T m中產(chǎn)生，之后在也是四個循環(huán)的時段Irff沒有信號產(chǎn)生，因此Tm和Irff相 等（即，代表相同的時段）。另外，在這個例子中，通過把脈寬TPWu w拉長到大約TPWffigh 的兩倍，DC/AC逆變器232輸出的平均功率可以維持。但是，由于在DC/AC逆變器232處發(fā) 生的切換次數(shù)的減少、這種切換之間時間的增加（S卩，Tpw uto STPWlligil.)以及其中沒有 切換發(fā)生的時段Irff，因此，與僅僅減小CW的脈寬相比，實(shí)現(xiàn)了效率的增加。
[0057] 在備選或附加實(shí)施例中，處于低功率電平的效率可以通過投下或停用至少某個預(yù) 定整數(shù)個輸出循環(huán)來提高。如圖5B中所示，供給DC/AC逆變器232的PW的工作循環(huán)維持 在50%。但是，不是時段T m后面跟著時段Irff的PW，其中Tm和Irff相等，而是I rff的時段 可以在時段T中隨機(jī)散布，如由無信號的時段510表示的。無信號的時段510的累計(jì)時間 等效于I rff (圖5A中所示），并且，當(dāng)電流的振幅保持恒定時，從DC/AC逆變器導(dǎo)致相同的輸 出。
[0058] 圖5A和5B中所繪出的信令方案的結(jié)果是兩個時間參數(shù)被用于實(shí)現(xiàn)期望的平均功 率。第一個參數(shù)是整體工作循環(huán)（示為50% )，由此沒有信號在Irff或者時段T的一半當(dāng) 中供應(yīng)。另一個參數(shù)是在Tm期間供應(yīng)的信號的脈寬（例如，TPW liw )，從而在臨床醫(yī)生期 望使用低功率時導(dǎo)致更大的控制和更高的效率。作為例子，較低的功率可以是電外科發(fā)生 器110的額定功率的10%。
[0059] 應(yīng)當(dāng)指出，效率可以由控制器260確定。但是，在某些情況下，效率不能由控制器 260,而是利用其它外部效率計(jì)算組件/元件，來確定。對于確定效率的備選在線和/或離 線方法，參考標(biāo)題為"DEAD---ΜΕ OPTIMIZATION OF RESONANT INVERTERS"的美國臨時專利 申請No. 61/838, 753 (代理人案號H-EM-OO182PR0 (203-9554PR0))，其全部內(nèi)容通過引用被 結(jié)合于此。例如，系統(tǒng)的效率可以離線地特征化，并且關(guān)循環(huán)可以在對控制參數(shù)，諸如工作 循環(huán)或相位，到達(dá)預(yù)定閾值時或者當(dāng)感測到的功率降至低于某個閾值時插入。
[0060] 而且，任何給定時段內(nèi)被投下的循環(huán)可以通過使用由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定的偽隨機(jī) 序列來隨機(jī)化。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以是，例如，擴(kuò)散頻譜以便減輕任何不期望的頻率的GaloiS 序列。因此，電外科發(fā)生器110的操作的有用范圍可以被擴(kuò)展，同時維持合理的能量轉(zhuǎn)換效 率。
[0061] 應(yīng)當(dāng)理解，所公開的實(shí)施例僅僅是示例本公開內(nèi)容，本公開內(nèi)容可以以各種形式 體現(xiàn)。因此，本文所公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)當(dāng)解釋為限制，而僅僅是作為權(quán)利要求 的基礎(chǔ)并且作為向本領(lǐng)域技術(shù)人員講授如何以不同方式在幾乎任何適當(dāng)?shù)木唧w結(jié)構(gòu)中采 用本公開內(nèi)容的代表性基礎(chǔ)。另外，本文所使用的術(shù)語和短語不是要限制；而是要提供對本 公開內(nèi)容的可理解描述。
[0062] 應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定的實(shí)施例而不是要限制。在本 文檔中，如在本文中所使用的，術(shù)語"一個"定義為一個或多于一個。如在本文中所使用的， 術(shù)語"多個"定義為兩個或多于兩個。如在本文中所使用的，術(shù)語"另一個"定義至少另一 個或多個。如在本文中所使用的，術(shù)語"包括"和/或"具有"定義為"包括"（即，開放式語 言）。如在本文中所使用的，術(shù)語"耦合的"定義為連接的，但不一定是直接連接，并且不一 定是機(jī)械連接。諸如第一和第二、頂部和底部等關(guān)系術(shù)語僅僅是用來區(qū)分一個實(shí)體或動作 與另一個實(shí)體或動作，而不一定需要或暗示這種實(shí)體或動作之間任何真正的這種關(guān)系或次 序。術(shù)語"包括"或者其任何變體都要覆蓋非排他性的包括，使得包括元件列表的過程、方 法、制造品或裝置不僅包括那些元件，而且還包括沒有明確列出或者這種過程、方法、制造 品或裝置固有的其它元件。不作為更多的約束，"包括一個…."進(jìn)行的元件不排除包括該 元件的過程、方法、制造品或裝置中另外完全相同元件的存在。
[0063] 如在本文中所使用的，不管是否明確地指示，術(shù)語"大約"或"近似"都應(yīng)用到所有 數(shù)字值。這些術(shù)語一般指本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為與所述值等效的數(shù)字范圍（即，具有相同 的功能或結(jié)果）。在許多情況下，這些術(shù)語可以包括四舍五入到最近的有效數(shù)字的數(shù)字。在 本文檔中，術(shù)語"縱向"應(yīng)當(dāng)理解為指對應(yīng)于所述對象拉長方向的方向。最后，如在本文中 所使用的，術(shù)語"遠(yuǎn)端"和"近端"是從用戶或外科醫(yī)生的角度來考慮的，因此外科器械的遠(yuǎn) 端是在使用當(dāng)中離外科醫(yī)生最遠(yuǎn)的那部分，而近端通常是離用戶最近的那部分。
[0064] 應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的公開內(nèi)容的實(shí)施例可以包括一個或多個常規(guī)處理器以及唯 一存儲的程序指令，所述程序指令控制一個或多個處理器，結(jié)合某些非處理器電路和其它 元件，來實(shí)現(xiàn)本文所述超聲波外科器械的一些、大部分或全部功能。非處理器電路可以包 括，但不限于，信號驅(qū)動器、時鐘電路、功率源電路，及用戶輸入和輸出元件?；蛘撸恍┗蛉?部功能可以由沒有存儲的程序指令的狀態(tài)機(jī)、在一個或多個專用集成電路（ASIC)中或者 在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)中實(shí)現(xiàn)，其中在ASIC中每個功能或者某些功能的有些組合實(shí) 現(xiàn)為定制邏輯，其中FPGA使得制造商或用戶能夠使用可更新的定制邏輯。當(dāng)然，也可以使 用這三種方法的組合。因而，用于這些功能的方法和政治已經(jīng)在本文描述。
[0065] 根據(jù)以上所述，并且參考各個附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不背離其范圍的情 況下，可以對本公開內(nèi)容進(jìn)行某些修改。雖然本公開內(nèi)容的幾種實(shí)施例已經(jīng)在附圖中示出 和/或在本文中描述，但是本公開內(nèi)容不是要限定于此，因?yàn)楸竟_內(nèi)容的范圍要像本領(lǐng) 域所允許的那樣廣并且本說明書也要同樣閱讀。因此，以上描述不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制，而僅僅 是作為特定實(shí)施例的例證。本領(lǐng)域技術(shù)人員將想像得到屬于所附權(quán)利要求的范圍和主旨的 其它修改。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于控制電外科發(fā)生器的輸出的方法，該方法包括： 利用逆變器把直流電流（DC)轉(zhuǎn)換成交流電流（AC); 感測在逆變器的輸出處的電流和電壓； 基于感測到的電壓和感測到的電流確定功率電平； 確定電外科發(fā)生器的效率；及 在電外科發(fā)生器的效率到達(dá)閾值功率效率時，插入預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)在隨機(jī)的時段處插入。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中隨機(jī)時段是經(jīng)偽隨機(jī)序列生成的，該是偽隨機(jī)序列 由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定的。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括從連續(xù)波模式切換到脈沖波模式。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定工作循環(huán)，以便把確定的功率電平維持在期 望的功率電平。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定脈寬，以便把確定的功率電平維持在期望的 功率電平。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，還包括改變工作循環(huán)，以維持期望的效率。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，還包括改變脈寬，以維持期望的效率。
9. 一種提高電外科發(fā)生器效率的方法，該方法包括： 基于感測到的電壓和感測到的電流確定功率電平； 基于檢測到的功率電平確定電外科發(fā)生器的效率；及 在電外科發(fā)生器的效率到達(dá)閾值功率效率時，逐步投下預(yù)定整數(shù)個關(guān)循環(huán)，該預(yù)定整 數(shù)個關(guān)循環(huán)經(jīng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器隨機(jī)化。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括改變工作循環(huán)，以方便最優(yōu)效率的維持。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括不管投下多少循環(huán)都維持平均功率。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括從連續(xù)波模式切換到脈沖波模式。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括確定工作循環(huán)，以便把確定的功率電平維持在期 望的功率電平。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括改變工作循環(huán)，以維持期望的效率。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括確定脈寬，以便把確定的功率電平維持在期望的 功率電平。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括改變脈寬，以維持期望的效率。
【文檔編號】A61B18/12GK104434300SQ201410491457
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】J·A·吉爾伯特, M·約翰斯頓, A·馬特米勒, J·H·約翰遜 申請人:柯惠有限合伙公司