電外科發(fā)生器和電外科系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型旨在改進電外科過程中向組織傳送的能量。本實用新型涉及電外科發(fā)生器和電外科系統(tǒng)。公開一種電外科發(fā)生器。該發(fā)生器包括：RF輸出級，其配置為產(chǎn)生包括多個周期的至少一個電外科波形；耦合到所述RF輸出級的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器配置為測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；以及控制器，其耦合到所述至少一個傳感器和所述RF輸出級，所述控制器包括具有電壓限制器或電流限制器中的至少一個的比例-積分-微分控制器，所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述RF輸出級的電壓-電流特性使所述RF輸出級飽和。本實用新型能夠改進電外科過程中向組織傳送的能量。
【專利說明】電外科發(fā)生器和電外科系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本公開涉及電外科系統(tǒng)和操作電外科發(fā)生器的方法。更具體來說，本公開涉及用于控制由適用于電弧切割和凝結的射頻諧振逆變器產(chǎn)生的電外科波形的系統(tǒng)、方法和設備。

【背景技術】
[0002]電外科包括將高射頻電流施加到手術部位以切割，燒蝕或凝結組織。在單極電外科中，源電極或有源電極將射頻交流電流從電外科發(fā)生器傳送到目標組織，并且返回電極將該電流傳導回到發(fā)生器。病人返回電極的位置遠離有源電極，以將電流傳導回到發(fā)生器。
[0003]在雙極電外科中，返回電極和有源電極位置彼此靠近，使得在兩個電極之間形成電路(例如，在電外科鑷子的情形中)。這樣，所施加的電流被限制在位于電極之間的身體組織。因此，雙極電外科通常包括例如鑷子等器械的使用，其中希望在位于該器械上的兩個電極之間實現(xiàn)電外科能量的聚焦傳送。鑷子是鉗狀器械，其依賴于其鉗爪之間的機械作用來抓住、夾緊并壓迫血管或組織。電外科鑷子(開放的或內(nèi)窺鏡)使用機械夾緊作用和電能在被夾緊的組織上實現(xiàn)止血。該鑷子包括電外科導電表面，其將電外科能量施加到被夾緊的組織。通過控制經(jīng)由導電板施加到組織的電外科能量的強度、頻率和持續(xù)時間，外科醫(yī)生可以凝結，燒灼和/或封閉組織。然而，上述例子僅是用于說明的目的，并且在本公開的范圍內(nèi)存在許多其他已知的雙極電外科器械。
[0004]以上概述的電外科過程可以使用基于反饋的控制系統(tǒng)中的各種組織和能量參數(shù)。改進向組織傳送的能量的需要在持續(xù)。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型旨在改進電外科過程中向組織傳送的能量。
[0006]本公開提供一種用于控制電外科發(fā)生器的方法。所述方法包括:通過RF輸出級產(chǎn)生至少一個電外科波形，所述RF輸出級包括耦合到RF逆變器的脈沖寬度調(diào)制器，所述RF逆變器耦合到用于輸出DC電流的功率源；通過至少一個電極將所述至少一個電外科波形施加到組織，所述至少一個電外科波形包括多個周期；測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；計算電壓極限和電流極限中的至少一個；以及基于所述電壓極限或所述電流極限中的至少一個向所述脈沖寬度調(diào)制器提供控制信號，以基于所述RF輸出級的電壓-電流特性使所述RF輸出級飽和。
[0007]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述RF輸出級包括耦合到控制器的至少一個切換元件。
[0008]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述控制器包括比例-積分-微分控制器和脈沖寬度調(diào)制器，其中所述脈沖寬度調(diào)制器配置為向所述至少一個切換元件輸出所述控制信號，并且基于所述比例-積分-微分控制器的輸出調(diào)節(jié)所述控制信號的占空比。
[0009]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述控制器配置為基于測得的電壓和電流確定阻抗。
[0010]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述阻抗提供所述輸出。
[0011]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述比例-積分-微分控制器包括電壓限制器功能。
[0012]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述比例-積分-微分控制器包括電流限制器功能。
[0013]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述方法還包括在耦合到所述RF輸出級的功率源產(chǎn)生DC電流；以及基于所述電壓極限或所述電流極限中的至少一個向所述功率源提供所述控制信號，以基于所述RF輸出級的電壓-電流特性使所述RF輸出級飽和。
[0014]本公開還提供一種電外科發(fā)生器，包括:RF輸出級，其配置為產(chǎn)生包括多個周期的至少一個電外科波形；耦合到所述RF輸出級的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器配置為測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；以及控制器，其耦合到所述至少一個傳感器和所述RF輸出級，所述控制器包括具有電壓限制器或電流限制器中的至少一個的比例-積分-微分控制器，所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述RF輸出級的電壓-電流特性使所述RF輸出級飽和。
[0015]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述RF輸出級包括耦合到配置為輸出DC電流的功率源的RF逆變器。
[0016]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述RF逆變器包括耦合到所述控制器的至少一個切換元件。
[0017]根據(jù)上述實施例的其他方面，所述控制器包括脈沖寬度調(diào)制器，其配置為向所述至少一個切換元件輸出控制信號，并且基于所述比例-積分-微分控制器的輸出調(diào)節(jié)所述控制信號的占空比。
[0018]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述控制器配置為基于測得的電壓和電流確定阻抗。
[0019]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述阻抗提供所述輸出。
[0020]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述控制器還配置為增加所述至少一個電外科波形的電流，以增加放電的發(fā)生。
[0021]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述發(fā)生器還包括具有耦合到所述RF輸出級的AC-DC轉換器的功率源，其中所述RF輸出級包括DC-AC逆變器。
[0022]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述控制器耦合到所述DC-AC逆變器。
[0023]根據(jù)上述實施例的其它方面，所述功率源還包括耦合到所述AC-DC轉換器和所述RF輸出級的DC-DC轉換器，所述DC-DC轉換器耦合到所述控制器并且可由所述控制器來控制。
[0024]本公開還提供一種電外科系統(tǒng)，包括:電外科發(fā)生器，其具有配置為輸出DC電流的功率源；耦合到所述功率源的RF輸出級，所述功率源包括配置為從所述DC電流產(chǎn)生包括多個周期的至少一個電外科波形的至少一個切換元件；耦合到所述RF輸出級的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器配置為測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；以及耦合到所述至少一個傳感器以及所述RF輸出級或所述功率源中至少一個的控制器，所述控制器包括具有電壓限制器或電流限制器中的至少一個的比例-積分-微分控制器，所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述RF輸出級的電壓-電流特性使所述RF輸出級或所述功率源中的至少一個飽和。
[0025]所述系統(tǒng)還包括配置為耦合到所述電外科發(fā)生器并且向組織施加所述至少一個電外科波形的至少一個電外科器械。
[0026]根據(jù)上述實施例的其它方面，其中所述控制器配置為基于測得的電壓和電流確定阻抗，并且所述比例-積分-微分控制器配置為基于所述阻抗提供所述輸出。
[0027]本實用新型能夠改進電外科過程中向組織傳送的能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下面結合附圖描述本公開的各種實施例，其中:
[0029]圖1是根據(jù)本公開的電外科系統(tǒng)的一個示例性實施例的各部件的立體圖；
[0030]圖2是根據(jù)本公開的電外科發(fā)生器的一個實施例的前視圖；
[0031]圖3是根據(jù)本公開的圖2的電外科發(fā)生器的實施例的示意性框圖；
[0032]圖4A和圖4B是根據(jù)本公開的圖2的電外科發(fā)生器的其他示例性實施例的示意性框圖；
[0033]圖5是示出根據(jù)本公開的電壓源的實施例的放電的電壓和電流標繪曲線；
[0034]圖6是示出根據(jù)本公開的電流源逆變器的實施例的放電的電壓和電流的標繪曲線.
[0035]圖7A是示出根據(jù)本公開的實施例的電壓和電流源的理想輸出的電壓和電流的標繪曲線；
[0036]圖7B是示出根據(jù)本公開的實施例的電壓和電流源的無損輸出的電壓和電流的標繪曲線；
[0037]圖7C是示出根據(jù)本公開的實施例的電壓源和電流源的理想、無損和電弧輸出的電壓和電流的重疊的標繪曲線；
[0038]圖7D是示出根據(jù)本公開的實施例的電壓和電流源的理想和無損輸出的功率和阻抗的標繪曲線；
[0039]圖8是根據(jù)本公開的實施例的發(fā)生器輸出的恒定功率標繪曲線；
[0040]圖9是示出根據(jù)本公開的實施例的放電的電壓和電流的標繪曲線；
[0041]圖10是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0042]圖11是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0043]圖12是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0044]圖13是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0045]圖14是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0046]圖15是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0047]圖16是根據(jù)本公開的實施例的圖2的發(fā)生器的RF放大器的示意圖；
[0048]圖17示出根據(jù)本公開的實施例的用于控制圖2的發(fā)生器的輸出的作為阻抗標繪曲線的函數(shù)的占空比；以及
[0049]圖18示出根據(jù)本公開的實施例的用于控制圖2的發(fā)生器的輸出的作為阻抗標繪曲線的函數(shù)的功率。

【具體實施方式】
[0050]下面參照附圖描述本公開的具體實施例。在以下描述中，不具體描述公知的功能或構造以免本公開被不必要的細節(jié)遮蓋。
[0051]根據(jù)本公開的發(fā)生器可以進行單極和/或雙極電外科過程，包括，例如，切割、凝結、消融和血管封閉過程。該發(fā)生器可以包括用于與各種電外科器械(例如，單極器械、返回電極、雙極電外科鑷子、腳踏開關等)接口的多個輸出端。此外，該發(fā)生器包括電子電路，該電子電路配置為產(chǎn)生專門適用于各種電外科模式(例如，切割、融合、凝結、通過止血法分割、電灼、噴霧等)和過程(例如，單極、雙極、血管封閉)的射頻能量。在實施例中，該發(fā)生器可以嵌入，集成或耦合到電外科器械，以提供一體化的電外科設備。
[0052]圖1是根據(jù)本公開的雙極和單極電外科系統(tǒng)I的示意圖。系統(tǒng)I可以包括具有用于治療病人組織的一個或多個有源電極3 (例如，電外科切割探針、消融電極等)的一個或多個單極電外科器械2。電外科交流電流由發(fā)生器200經(jīng)由連接到發(fā)生器200的有源端子230 (圖3)的電源線4提供給器械2，從而使器械2切割，凝結，消融和/或治療組織。該交流電流通過返回電極6經(jīng)由返回線8在發(fā)生器200的返回端子32 (圖3)返回到發(fā)生器200。對于單極操作,系統(tǒng)I可以包括多個返回電極墊6,這些返回電極墊6使用時設置在病人身體上，以通過與病人身體的總接觸面積最大化使組織損傷的機會最小化。另外，發(fā)生器200和返回電極墊6可以配置為監(jiān)視所謂的“組織-病人“接觸，以確保其間存在足夠的接觸，進一步使組織損傷的機會最小化。
[0053]系統(tǒng)I還可以包括一個或多個雙極電外科器械，例如，具有用于治療病人組織的一個或多個電極的雙極電外科鑷子10。電外科鑷子10包括外殼11和設置在桿12末端的相對鉗爪構件13和15。該鉗爪構件13和15分別包括設置于其中的一個或多個有源電極14和一個返回電極16。有源電極14和返回電極16通過電纜18連接到發(fā)生器200，電纜18包括分別耦合到有源端子和返回端子230、232的電源線和返回線4、8(圖3)。電外科鑷子10經(jīng)由設置在電纜18端部的插頭，在與有源端子和返回端子230和232 (例如，管腳)具有連接的連接器處耦合到發(fā)生器200，其中該插頭包括來自電源線和返回線4、8的觸頭，下面將更詳細地描述。
[0054]參考圖2，示出了發(fā)生器200的前表面240。發(fā)生器200可以是任何適當?shù)念愋?例如，電外科、微波等)，并且可以包括多個連接器250-262，以適應各種類型的電外科器械(例如，電外科鑷子10等)。
[0055]發(fā)生器200包括用戶接口 241，用戶接口 241具有一個或多個顯示屏或信息面板242。244、246，用于向用戶提供各種輸出信息(例如，強度設置、治療完成指示等)。每個屏242、244、246與對應的連接器250-262相關聯(lián)。發(fā)生器200包括適當?shù)妮斎肟刂萍?例如，按鈕、啟動器、開關、觸摸屏等)，用于控制發(fā)生器200。顯示屏242、244、246還配置為顯示電外科器械(例如，電外科鑷子等)的對應菜單的觸摸屏。用戶通過簡單地觸摸對應的菜單選項來調(diào)節(jié)輸入。
[0056]屏242控制單極輸出和連接到連接器250和252的裝置。連接器250配置為耦合到單極電外科器械(例如，電外科器械2)，連接器252配置為耦合到腳踏開關(未示出)。腳踏開關用于提供附加的輸入(例如，重復發(fā)生器200的輸入)。屏244控制單極和雙極輸出以及連接到連接器256和258的裝置。連接器256配置為耦合到其他單極器械。連接器258配置為耦合到雙極器械(未示出)。
[0057]屏246控制由可以插入到連接器260和262中的鑷子10進行的雙極封閉過程。發(fā)生器200通過連接器260和262輸出適合于封閉由鑷子10抓住的組織的能量。具體來說，屏246輸出允許用戶輸入用戶限定的強度設置的用戶界面。用戶限定的設置可以是允許用戶調(diào)節(jié)參數(shù)的任何設置，該參數(shù)可以是一個或多個能量輸送參數(shù)，如功率、電流、電壓、能量等，或者是封閉參數(shù)，如能量速率限制器、封閉持續(xù)時間等。用戶限定的設置被發(fā)送到控制器224，在此該設置可以保存在存儲器226中。在實施例中，強度設置可以是數(shù)字標度，例如，從I到10或者從I到5。在實施例中，強度設置可以與發(fā)生器200的輸出曲線相關聯(lián)。強度設置可以專用于所使用的每個鑷子10，使得各種器械向用戶提供與鑷子10相對應的專用強度標度。
[0058]圖3示出配置為輸出電外科能量的發(fā)生器200的示意性框圖。發(fā)生器200包括控制器224、功率源227和射頻(RF)放大器228。功率源227可以是高電壓DC功率源，其連接到AC源(例如，線電壓)并且經(jīng)由導線227a和227b向RF放大器228提供高電壓DC功率，然后RF放大器228將高電壓DC功率轉換為治療能量(例如，超聲、電外科或微波)，并且將該能量傳送到有源端子230。該能量經(jīng)由返回端子232返回。有源和返回端子230和232通過隔離變壓器229耦合到RF放大器228。RF放大器228配置為以多個模式工作，在此期間發(fā)生器200輸出具有專用的占空比、峰值電壓、波峰因數(shù)等的對應波形?？梢韵氲?，在其他實施例中，發(fā)生器200可以基于其他類型的適當功率源拓撲結構。
[0059]控制器224包括可操作地連接到存儲器226的處理器225，存儲器226可以包括暫時性存儲器(例如，RAM)和/或非暫時性存儲器(例如，閃存介質(zhì)、盤介質(zhì)等)。處理器225包括可操作地連接到功率源227和/或RF放大器228的輸出端口，允許處理器225根據(jù)開環(huán)和/或閉環(huán)控制方案控制發(fā)生器200的輸出。閉環(huán)控制方案是反饋控制環(huán)路，其中多個傳感器測量各種組織屬性和能量屬性(例如，組織阻抗、組織溫度、輸出功率、電流和/或電壓等)，并且向控制器224提供反饋。然后控制器224向功率源227和/或RF放大器228發(fā)信號，以分別調(diào)節(jié)DC和/或功率源。本領域的技術人員會理解，可以使用適于進行本文描述的計算和/或指令集的任何邏輯處理器(例如，控制電路)來代替處理器225，包括但不限于現(xiàn)場可編程門陣列、數(shù)字信號處理器以及它們的組合。
[0060]根據(jù)本公開的發(fā)生器200包括多個傳感器280，例如，RF電流傳感器280a和RF電壓傳感器280b。發(fā)生器200的各部件，即，RF放大器228、RF電流和電壓傳感器280a和280b可以設置在印刷電路板(PCB)上。RF電流傳感器280a耦合到有源端子230，并且提供由RF放大器228提供的RF電流的測量值。RF電壓傳感器280b耦合到有源和返回端子230和232，并且提供由RF放大器228提供的RF電壓的測量值。在實施例中，RF電流和電壓傳感器280a和280b可以耦合到有源和返回導線228a和228b，有源和返回導線228a和228b分別將有源和返回端子230和232互連到RF放大器228。
[0061 ] RF電流和電壓傳感器280a和280b分別向控制器224提供感測到的RF電壓和電流信號，然后控制器224可以響應于感測到的RF電壓和電流信號調(diào)節(jié)功率源227和/或RF放大器228的輸出?？刂破?24還從發(fā)生器200、器械2和/或鑷子10的輸入控制件接收輸入信號?？刂破?24使用該輸入信號調(diào)節(jié)由發(fā)生器200輸出的功率，并且/或者進行其他控制功能。
[0062]圖4A示出基于S段高效率脈沖寬度調(diào)制逆變器的放大器200的另一實施例。在共同擁有的美國專利公報2006/0161148號中公開了基于使用該配置的模擬脈沖寬度調(diào)制器的示例性實施例，該專利公報的全部內(nèi)容通過引用包含在本公開中。在該示例性實施例中，功率源227是耦合到如上所述的AC能量源的固定輸出AC-DC轉換器227c，功率源227又耦合到RF放大器228。
[0063]圖4B示出基于改進的Kahn振幅調(diào)制技術的發(fā)生器200的另一個實施例。在該示例性實施例中，功率源227是通過可變DC-DC轉換器227d進一步增強的固定輸出AC-DC轉換器227c。功率源227的可變DC-DC轉換器227d可以配置為任何適當?shù)耐負浣Y構，包括但不限于諧振、非諧振、同步、非同步、降壓、升壓、降壓-升壓等。
[0064]繼續(xù)參考圖4A-4B，RF放大器228可以包括耦合到諧振匹配網(wǎng)絡304的DC-AC逆變器302。如圖4A中所示，RF放大器228的控制輸入可以是基于模擬的PWM或者基于數(shù)字的DPWM 314。在S段高效率脈沖寬度調(diào)制技術中，通過改變逆變器工作頻率(例如，472kHz)上的脈沖寬度并且根據(jù)諧振匹配網(wǎng)絡304來改變發(fā)生器輸出振幅，以將輸出平滑為大約正弦形狀。DPWM 314耦合到振蕩器319，振蕩器319可以是模擬電壓控制的振蕩器(VCO)或者數(shù)字控制的振蕩器(NCO)。在本實施例中，振蕩器319以適合于控制DC-AC逆變器302的射頻(“RF”)(例如，治療頻率)工作。DP麗314耦合到RF放大器304的逆變器302。DPWM 314配置為控制RF放大器304的一個或多個切換部件，以將DC電流轉換為RF電流，稍后進一步詳細描述。
[0065]如圖4B中所示，來自PWM或基于數(shù)字的DPWM 314的控制輸入被提供給功率源227。在改進的Kahn技術中，在DC-AC逆變器302對RF放大器228的輸入是固定的脈沖寬度(例如，對于優(yōu)化的效率，在472kHz)，這導致經(jīng)過諧振匹配網(wǎng)絡304之后大約為正弦輸出，并且通過改變功率源227的輸出來改變發(fā)生器輸出振幅。在本實施例中，由DPWM 314控制功率源227。DPWM 314耦合到振蕩器319，振蕩器319可以是模擬電壓控制的振蕩器(VOC)或者數(shù)字控制的振蕩器(NCO)。對DC-AC逆變器302的輸入可以由振蕩器317提供，振蕩器317可以是模擬電壓控制的振蕩器(VCO)或者數(shù)字控制的振蕩器(NCO)。振蕩器317以適合于控制DC-AC逆變器302的射頻(“RF”)(例如，治療頻率)工作，振蕩器319以適合于控制功率源227的切換(“SW”)頻率工作。
[0066]繼續(xù)參考圖4A-4B，除了上述差別以外，其他部件和設計相同，可以根據(jù)任何適當?shù)耐負浣Y構配置逆變器302，包括但不限于半橋、全橋、推挽式等。諧振匹配網(wǎng)絡304可以是單?；螂p模諧振網(wǎng)絡，具有LC (電感-電容)濾波器/諧振器與用于匹配RF放大器228的輸出的其他無源電部件的任何適當組合。RF放大器228還包括多個模式繼電器306。模式繼電器306耦合到多個連接器250-262，用于控制向需要的連接器提供電外科能量，使得只有需要的連接器250-262在任何特定時間被供電。
[0067]處理器225耦合到用戶接口 241，并且配置為響應于用戶輸入更改發(fā)生器200的模式、能量設置和其他參數(shù)。處理器225包括模式初始化器308，其配置為將選定的工作模式初始化。發(fā)生器200配置為以各種模式工作。在一個實施例中，發(fā)生器200可以輸出以下模式:切割、融合、凝結、通過止血法分割、電灼、噴霧以及它們的組合等。每個模式基于預先編程的功率曲線工作，該功率曲線控制由發(fā)生器200在負載(例如，組織)的不同阻抗下輸出的功率的量。每個功率曲線包括由用戶選擇的功率設置和測得的負載阻抗限定的功率、電壓和電流控制范圍。
[0068]在切割模式中，發(fā)生器200可以在從大約100 Ω到大約2000 Ω的阻抗范圍上提供預定頻率(例如，472kHz)的具有多個RF周期的連續(xù)正弦波輸出，波峰因數(shù)大約1.414。該切割模式功率曲線可以包括三個區(qū)域:在低阻抗為恒定電流、在中等阻抗為恒定功率以及在高阻抗為恒定電壓。在融合模式中，該發(fā)生器可以提供具有以第一預定速率(例如，大約26.21kHz)重復出現(xiàn)的突發(fā)脈沖(burst)周期的預定周期性速率的正弦波輸出的交替突發(fā)脈沖，每個突發(fā)脈沖周期包括預定頻率(例如，472kHz)的多個正弦波RF周期。在一個實施例中，該突發(fā)脈沖的占空比可以為大約50%。換句話說，對于每個突發(fā)脈沖周期，50%的時間是有該功率的，并且50%的時間沒有該功率。該正弦波輸出的一個周期的波峰因數(shù)可以為大約1.414。一個突發(fā)脈沖周期的波峰因數(shù)可以為大約2.7。
[0069]通過止血法分割模式可以包括以第二預定速率(例如，大約28.3kHz)重復出現(xiàn)的預定頻率(例如，472kHz)的正弦波輸出的突發(fā)脈沖。該突發(fā)脈沖的占空比可以為大約25%，S卩，每個周期的25%有該功率，該周期剩余的75%沒有該功率。在從大約100Ω至大約2000Ω的阻抗范圍內(nèi)，一個突發(fā)脈沖周期的波峰因數(shù)可以為大約4.3。電灼模式可以包括以第三預定速率(例如，大約30.66kHz)重復出現(xiàn)的預定頻率(例如，472kHz)的正弦波輸出的突發(fā)脈沖。該突發(fā)脈沖的占空比可以為大約6.5%，并且在從大約100Ω至大約2000 Ω的阻抗范圍內(nèi)，一個突發(fā)脈沖周期的波峰因數(shù)可以為大約5.55。噴霧模式可以包括以第四預定速率(例如，大約21.7kHz)重復出現(xiàn)的預定頻率(例如，472kHz)的正弦波輸出的突發(fā)脈沖。該突發(fā)脈沖的占空比可以為大約4.6%，并且在從大約100Ω至大約2000Ω的阻抗范圍內(nèi)，一個突發(fā)脈沖周期的波峰因數(shù)可以為大約6.6。
[0070]處理器225進一步包括模式狀態(tài)控制310，其配置為根據(jù)由模式初始化器308設置的參數(shù)維持發(fā)生器200的能量輸出。模式狀態(tài)控制310通過由電壓和/或電流輸出振幅限制器功能315限制的控制輸出，使用比例-積分-微分(PID)控制環(huán)路312基于來自傳感器280的傳感器信號控制RF放大器228，電壓和/或電流輸出振幅限制器功能315包括在處理器225中實現(xiàn)的PID的飽和與積分抗結束(ant1-windup)能力。
[0071]處理器225包括用于在傳感器280和信號處理器316之間接口的模擬前端(front-end，AFE) 307。AFE 307可以包括多個模擬-數(shù)字轉換器和用于從傳感器接收模擬信號并且將該模擬信號轉換為其數(shù)字副本的其他電路部件。AFE 307向信號處理器316提供數(shù)字化的傳感器信號。信號處理器316還可以基于傳感器信號計算各種能量屬性和/或組織屬性，包括但不限于阻抗、電壓、電流、功率、持續(xù)時間以及瞬時值、平均值、均方根值和它們的組合。
[0072]發(fā)生器200基于RF放大器228的諧振逆變器的電壓-電流特性固有的電流、功率和電壓界限，對各種電外科模式，例如，電弧切割和凝結，提供閉環(huán)控制。當被標繪時，任何諧振逆變器的電壓-電流特性都形成由于諧振網(wǎng)絡的輸出阻抗而由電壓和電流限制區(qū)域限定的橢圓形。逆變器的該輸出阻抗可以設計為在電外科模式工作期間觀測到的預期最小到最大終端電阻(例如，組織的電阻)的幾何平均值的中心。然后可以調(diào)整RF放大器228的工作特性，以符合用戶請求的具體功率設置的最大電壓和電流。
[0073]傳統(tǒng)的發(fā)生器在一些指定的負載電阻范圍內(nèi)，以恒定的功率向組織提供電外科能量。由于開環(huán)控制算法不足以覆蓋各種外科過程期間遇到的寬范圍的組織阻抗，所以已經(jīng)引入閉環(huán)控制算法。在一些實施例中，如共同擁有的美國專利公報2006/0161148號中所公開的，使用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合，該專利公報的全部內(nèi)容通過引用包含在本公開中。
[0074]對于使用電壓源偏置逆變器的閉環(huán)控制，一些模式，如電弧切割和凝結模式，出現(xiàn)獨特的問題。在工作期間，產(chǎn)生電弧以實現(xiàn)期望的外科效果。對于它們的止血效果，高電弧電流是很適當?shù)?；然而，為了限制熱傳遞，還希望也限制電弧。具體來說，在凝結模式中電弧被中斷以提供足夠高的瞬時功率來完成止血，同時保持足夠低的平均功率以使熱擴散最小化。本公開提供的逆變器配置為控制電弧以用由模式狀態(tài)控制件310和/或PID 312進行的最少量的要求的啟發(fā)式或狀態(tài)變化實現(xiàn)這些目標。具體來說，本公開提供的逆變器利用RF放大器228在預定的最大控制輸出振幅的電壓-電流無損輸出特性，通過在所有振幅對所有負載保持零電壓切換，在期望的組織阻抗范圍內(nèi)保持恒定的功率，并且使用PID控制器的飽和與積分抗結束能力限制電流和電壓，從而實現(xiàn)該目標。
[0075]RF放大器228根據(jù)終端負載電阻基本上在其無損電壓-電流輸出特征橢圓內(nèi)工作，作為電壓源、功率源或電流源。參考圖5，在預定頻率(例如，472kHz)的時間標度，例如RF放大器228的電壓源的電弧放電被示出為作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線400和作為時間的函數(shù)的電流標繪曲線410和電壓標繪曲線420。為了簡便，下面只描述正的半個周期。在點401，施加到組織的電壓不足以提供電流流動并且處于次飽和電流區(qū)域。當標繪曲線400、410和420前進到點402并且向點403前進時，根據(jù)湯森效應，該放電過渡到電暈放電，到輝光放電。在該區(qū)域中，相對于其他點，電流仍然相對較低，并且沒有功率被電弧消耗。然而，當電弧躍過電極(例如，電極3)和組織之間的間隙時，電流立即在點404沿著與電壓標繪曲線420上的點403重疊的新負載線流動。從點404到處于峰值的點405，電壓隨電流線性增加。電壓下降到點406之前，電弧持續(xù)而不是自發(fā)地返回到點403。電壓線性下降，直到點407，在此期間電弧熄滅，并且需要重復如上所述的電弧引發(fā)過程。對于負周期，電壓和電流特性類似。如果在電極處不能獲得過量的低頻RF或DC充電從而起到產(chǎn)生非對稱負半周期標繪曲線的偏壓充電的作用，則電弧可能熄滅。
[0076]參考圖6，在預定頻率(例如，472kHz)的時間標度，例如RF放大器228的電流源的電弧放電被示出為作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線500和作為時間的函數(shù)的電流和電壓標繪曲線510、520。為了簡便，下面只描述正的半周期。在相同的峰值電流，與電壓源相t匕，該電流源可以提供更高的輸出功率，例如，功率效率更高。隨著電流增大，電壓相應地增大，直到點501，當電流繼續(xù)增大時，在點502處電壓下降。當電流在點503處減小時，電壓增大到另一個峰值。對于負周期，電壓和電流特征類似。
[0077]例如RF放大器228的功率源的最大功率輸送出現(xiàn)在輸出阻抗與負載阻抗基本相同的匹配阻抗時。理想的電壓源和電流源不具有如圖7A中所示的戴文寧和諾頓等效源阻抗，圖7A示出作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線。添加到理想的戴文寧或諾頓源的無損匹配網(wǎng)絡具有如圖7B中所示的基本橢圓形狀的曲線，圖7B示出作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線。本公開提供的RF放大器228具有連續(xù)可變的電壓-電流響應(例如，特性)，電壓和電流的控制環(huán)路極限同時嘗試涵蓋圖7C中所示的電弧的電壓-電流響應，圖7C示出作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線，其在圖7A和圖7B的理想和無損電壓/電流源的參數(shù)內(nèi)工作，在由負載、用戶設置和/或模式確定的期望電流、電壓或功率點工作，并且利用無損匹配網(wǎng)絡特性限制電壓和電流，而不是像現(xiàn)有技術中那樣主動控制電壓或電流。通過改變DC-AC逆變器302的脈沖寬度，通過改變DC-AC逆變器302的頻率以充分改變諧振匹配網(wǎng)絡304的輸出電阻和電壓傳輸比，通過改變功率源227 DC-DC轉換器的脈沖寬度，或者通過其中的某些組合，可以通過改變DC-AC逆變器302的等效輸出振幅，來改變橢圓電壓-電流響應。負載線與橢圓電壓-電流響應的交點最終確定發(fā)生器在負載中的工作點。
[0078]理想電壓源和電流源的最大功率傳輸還可以由如圖7D中所示的作為阻抗的函數(shù)的功率標繪曲線來表示。對于理想電流源和電壓源，如果輸出裝置飽和度不受限制，則功率連續(xù)增加?？梢酝ㄟ^匹配阻抗來限制功率、電壓以及電流。然而，即使對于良好匹配的電壓源，由于不足的極限值，電弧也可以導致過度的功率輸出。
[0079]在實施例中，可以通過使用非常高的采樣率測量和限制瞬時電流、電壓和/或功率來完成電弧控制，例如與用于限制電流的相應快速電路部件結合的數(shù)字采樣，如下面更詳細地描述的電流返送(foldback)電路。在進一步的實施例中，匹配阻抗可以增加，并且RF放大器228可以作為電流源工作。具體來說，輸出阻抗可以增加到高于電弧形成期間的預期阻抗。輸出阻抗可以比最高預期阻抗高出大約2到6倍，在實施例中，輸出阻抗可以比預期阻抗高出大約4倍。當電壓受到限制時，這提供自然的功率限制功能。
[0080]在另一個實施例中，輸出阻抗可以包括根據(jù)組織類型由用戶和/或發(fā)生器200選擇的多個輸出阻抗。在進一步的實施例中，發(fā)生器200的特征輸出阻抗可以被選擇為最小和最大阻抗的幾何平均值，并且限制DC-AC逆變器302的最大輸出振幅，使得在如圖8中所示的電流極限和電壓極限相符時出現(xiàn)橢圓電壓-電流響應。
[0081]在特定實施例中，RF放大器228可以配置為方波電流源。在圖9中，在預定頻率(例如472kHz)的時間標度，方波電流源的波形特征被示出為作為電壓的函數(shù)的電流標繪曲線900和作為時間的函數(shù)的電流標繪曲線910和電壓標繪曲線920。
[0082]圖10示出作為振幅受限的電流-電壓逆變器的RF放大器328的實施例，其配置為可變地限制峰值電壓，以防止在組織和有源電極2之間的某些距離傳導電弧。RF放大器328產(chǎn)生如圖9中所示的方波電流，并且包括轉換器330，轉換器330經(jīng)由導線227a和227b耦合到可以作為DC或AC源的功率源227，并且還耦合到逆變器332。逆變器332還耦合到變壓器229。轉換器330將功率源227的AC或DC輸出轉換為DC輸出。轉換器330配置為限制電壓峰值，而逆變器332配置為將鏈電感301b的電流削減并轉向。RF放大器328還包括電壓限制電路301，電壓限制電路301具有與電感器301b并聯(lián)耦合的二極管301a。電壓限制電路301被限制到轉換器330的輸出。轉換器330和逆變器332可以配置為任何適當?shù)霓D換器/逆變器組合，包括但不限于隔離的、非隔離的、全橋、半橋、同步、異步、降壓、升壓、降壓-升壓以及它們的組合。
[0083]圖11示出RF放大器328的另一個實施例。轉換器330被示出為半橋逆變器，并且包括第一切換元件330a和第二開關330b。第一切換元件330a設置于導線227a，第二開關330b將導線227a和227b相互連接。通過脈沖寬度調(diào)制器(PWM) 336和比例-積分-微分控制器338控制切換元件330a和330b的工作，從而通過包括飽和和積分抗結束能力的PID控制器338的電壓限制器功能335在該限制器主動限制時限制轉換器330的輸出電壓。PWM 336和PID控制器338可以配置在控制器224內(nèi)。電壓限制器335可以作為軟件算法嵌入在控制器224中。如圖11中所示，逆變器332配置為全橋逆變器，其具有耦合到變壓器229的第一對切換元件331a和331b以及第二對切換元件332a和332b。切換元件331a和332a分別耦合到轉向二極管333a和333c。PID控制器338從電壓限制電路301接收反饋信號，以使PID控制器338響應于此控制切換元件330a、330b、331a、331b、332a、332b。具體來說，PID控制器338控制電流并基于電壓限制器335的指令限制電壓，并且向PWM 336提供控制信號，PWM 336又逐RF周期地向切換元件330a、330b、33la、33lb、332a、332b提供激活信號(例如，開/關時段)。
[0084]圖12示出RF放大器328的另一個實施例，其包括電感-電容-電感(LCL)濾波器/諧振器334，LCL濾波器/諧振器334包括第一和第二電感器334a和334b以及設置在它們之間將導線227a和227b相互連接的電容器334c。從負載的端子來看，LCL濾波器334將轉換器/逆變器輸出的電壓源變換為電流源。
[0085]參考圖13，圖13示出逆變器332的另一個實施例。逆變器332配置為相移同步全橋逆變器，其包括分別與二極管331c、331d、332c、332d鉗位的四個切換元件331a、331b、332a、332b。切換元件331a、331b、332a、332b每個由PWM 336控制，PWM 336可以是與美國專利公報2006/0161148號中所描述的類似的相移調(diào)制器。PWM 336調(diào)制在變壓器次級繞組22%的輸出端子處觀測到的逆變器332的輸出的電流振幅。逆變器332的輸出耦合到具有初級繞組229a和次級繞組229b的變壓器229。另外，逆變器332包括有源鉗位電路340。有源電壓鉗位電路340與濾波器334的輸出端一起耦合到變壓器229的初級繞組229a，從而鎖定在變壓器次級繞組22%的輸出端子處看到的輸出電壓。次級繞組22%耦合到發(fā)生器200的連接器250-256。
[0086]圖14示出具有LC-C濾波器342的逆變器332的另一實施例，LC-C濾波器342具有設置于導線227a的電感器342a和將導線227a和227b相互連接的電容器342b，它們形成耦合到變壓器229的初級繞組229a的LC-C濾波器342的第一部分。第二電容器342c將變壓器229的次級繞組229b的兩個導線相互連接。
[0087]圖15示出配置為相移同步半橋逆變器的逆變器332，其包括分別與二極管331c和331d鉗位(例如，并聯(lián)連接)的切換元件331a和331b以及分別與切換元件331a和331b串聯(lián)耦合的反向偏置二極管33Ie和33If。逆變器332還包括LC濾波器335，LC濾波器335具有電感器335a和與其并聯(lián)連接的電容器335b。PWM 336還調(diào)制逆變器332的輸出的電流振幅，并且如上所述，逆變器332的輸出耦合到變壓器229。另外，逆變器332包括有源鉗位電路340，有源鉗位電路340與濾波器335的輸出一起耦合到變壓器229的初級繞組229a。
[0088]圖16示出RF放大器328的另一個實施例，其包括轉換器330、逆變器332和設置于其間的電壓限制電路301。RF放大器328進一步包括電壓限制器335和功率/阻抗控制337，它們可以作為控制器224內(nèi)的軟件算法來實現(xiàn)。電壓限制器335和功率/阻抗控制337分別從變壓器229的初級繞組229a和次級繞組229b接收反饋。RF放大器328進一步包括分別設置于變壓器229的初級繞組229a和次級繞組229b的第一電容器327a和第二電容器327b。電容器327a和327b配置為與初級繞組229a諧振，以提供RF放大器328的正弦輸出。
[0089]圖10至圖16的RF放大器328配置為在電弧存在時輸出恒定的平均功率。在一個實施例中，可以通過限制使用PWM 336提供給切換元件的PWM信號的占空比最大值，使用恒定的電流功率控制環(huán)路來操作逆變器332?？梢允褂肞ID控制器338來實現(xiàn)該控制環(huán)路。在實施例中，如果電壓極限和電流極限不對應于功率曲線，則可以通過響應于測得的阻抗限制最大占空比來實現(xiàn)恒定的功率控制環(huán)路。
[0090] 在其他實施例中，可以使用如圖17中所示的作為阻抗曲線的函數(shù)的占空比。該占空比與阻抗曲線針對如占空比標繪曲線600和從其外推的恒定功率標繪曲線602所示的任何測得的阻抗值，提供恒定的功率、電壓和/或電流控制。標繪曲線602或者恒定電流和恒定電壓標繪曲線可以被線性化為標繪曲線600，以匹配控制曲線。在其他實施例中，可以使用其他傳遞函數(shù)關于占空比控制映射阻抗與功率之間的關系。占空比標繪曲線600可以作為查找表和/或可由控制器224執(zhí)行的軟件來實現(xiàn)，從而允許針對測得的的阻抗的輸入值控制占空比。在實施例中，PID控制器338可以基于測得的阻抗通過調(diào)節(jié)占空比來控制發(fā)生器200的輸出，從而實現(xiàn)期望的放電特性。
[0091 ] 在電外科波形是脈動式的實施例中，當檢測到電弧放電時，發(fā)生器200可以增加電外科波形的脈沖之間的時間(例如，降低占空比)，以使電極3冷卻。在另一個實施例中，發(fā)生器200可以減小電流以防止電極3過熱。相反地，縮短脈沖之間的時間可被用于確保在需要電弧時(例如，切割時)產(chǎn)生電弧?？梢酝ㄟ^自動地或者響應于用戶輸入(例如，輸入脈沖延遲)執(zhí)行硬件和/或軟件來體現(xiàn)對發(fā)生器200的調(diào)節(jié)。在進一步的實施例中，發(fā)生器200配置為檢測電極3和組織之間的電阻性接觸(例如，OV同時具有0A)，并且增加功率和/或電壓以引起電弧放電，或者降低功率或電壓以熄滅電弧放電。
[0092] 盡管在附圖中示出并且/或者在本文中描述了本公開的若干個實施例，但是本公開不意圖局限于此，本公開的范圍應當像本領域所允許的那樣寬，并且也應當以這種方式閱讀本說明書。因此，以上描述不應理解為限制性的，而僅應當理解為對具體實施例的舉例說明。在所附權利要求的范圍和精神內(nèi)，本領域的技術人員會想到的其他修改。
【權利要求】
1.一種電外科發(fā)生器，包括: 尺？輸出級，被配置為產(chǎn)生包括多個周期的至少一個電外科波形； 耦接到所述即輸出級的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器被配置為測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；以及 控制器，耦接到所述至少一個傳感器和所述即輸出級，所述控制器包括具有電壓限制器和電流限制器中的至少一個的比例-積分-微分控制器，所述比例-積分-微分控制器被配置為基于所述即輸出級的電壓-電流特性使所述即輸出級飽和。
2.根據(jù)權利要求1所述的電外科發(fā)生器，其中所述即輸出級包括耦接到被配置為輸出00電流的功率源的即逆變器。
3.根據(jù)權利要求2所述的電外科發(fā)生器，其中所述即逆變器包括耦接到所述控制器的至少一個切換元件。
4.根據(jù)權利要求3所述的電外科發(fā)生器，其中所述控制器包括脈沖寬度調(diào)制器，所述脈沖寬度調(diào)制器被配置為向所述至少一個切換元件輸出控制信號，并且基于所述比例-積分-微分控制器的輸出調(diào)節(jié)所述控制信號的占空比。
5.根據(jù)權利要求4所述的電外科發(fā)生器，其中所述控制器被配置為基于測得的電壓和電流確定阻抗。
6.根據(jù)權利要求5所述的電外科發(fā)生器，其中所述比例-積分-微分控制器被配置為基于所述阻抗提供所述輸出。
7.根據(jù)權利要求1所述的電外科發(fā)生器，其中所述控制器還被配置為增大所述至少一個電外科波形的電流，以增加放電的發(fā)生。
8.根據(jù)權利要求1所述的電外科發(fā)生器，還包括具有耦接到所述即輸出級的…-0(:轉換器的功率源，其中所述即輸出級包括00八逆變器。
9.根據(jù)權利要求8所述的電外科發(fā)生器，其中所述控制器耦接到所述00八逆變器。
10.根據(jù)權利要求8所述的電外科發(fā)生器，其中所述功率源還包括耦接到所述…-0(:轉換器和所述即輸出級的000(:轉換器，所述000(:轉換器耦接到所述控制器并且能夠由所述控制器來控制。
11.一種電外科系統(tǒng)，包括: 電外科發(fā)生器，包括: 被配置為輸出IX:電流的功率源； 耦接到所述功率源的即輸出級，所述功率源包括被配置為從所述IX:電流產(chǎn)生包括多個周期的至少一個電外科波形的至少一個切換元件； 耦接到所述即輸出級的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器被配置為測量所述至少一個電外科波形的電壓和電流；以及 耦接到所述即輸出級和所述功率源中至少一個以及所述至少一個傳感器的控制器，所述控制器包括具有電壓限制器和電流限制器中的至少一個的比例-積分-微分控制器，所述比例-積分-微分控制器被配置為基于所述即輸出級的電壓-電流特性使所述即輸出級和所述功率源中的至少一個飽和；以及 被配置為耦接到所述電外科發(fā)生器并且向組織施加所述至少一個電外科波形的至少一個電外科器械。
12.根據(jù)權利要求11所述的電外科系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為基于測得的電壓和電流確定阻抗，并且所述比例-積分-微分控制器被配置為基于所述阻抗提供所述輸出。
【文檔編號】A61B18/12GK204158485SQ201420116989
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2013年3月15日
【發(fā)明者】J·A·吉爾伯特, J·H·約翰遜, E·J·拉爾遜, B·L·羅伯茨, B·M·范斯萊克 申請人:柯惠有限合伙公司