專利名稱：利用空化效應(yīng)的脈沖超聲功率輸送系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及外科手術(shù)中組織去除系統(tǒng)的領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及在外科手術(shù)(如晶狀體乳化)過程中經(jīng)過調(diào)制的脈沖式超聲功率的輸送。
背景技術(shù)：
晶狀體乳化手術(shù)已成功地用來治療某些眼疾，如白內(nèi)障。晶狀體乳化手術(shù)利用很小的角膜切口來插入至少一個晶狀體乳化手動外科器械、或機(jī)頭的尖端。該機(jī)頭包括乳化針，該乳化針放入切口內(nèi)以后即被超聲驅(qū)動，從而乳化眼晶狀體，或?qū)變?nèi)障分解成小碎片。其后可以利用相同的機(jī)頭或其他的機(jī)頭以受控方式除去破碎的白內(nèi)障碎片。然后外科醫(yī)師可以通過切口把晶狀體植入眼中。切口能夠愈合，而對于患者來說結(jié)果通常是顯著地改善了視力。
可以知道，流體通過流體注入或抽出系統(tǒng)流入和流出患者，以及晶狀體乳化機(jī)頭的功率控制，對于所執(zhí)行的手術(shù)過程來說非常關(guān)鍵。各種醫(yī)學(xué)上認(rèn)可的技術(shù)已用于外科手術(shù)中的晶狀體去除部分。在這些技術(shù)之中，一種流行的技術(shù)是利用單個機(jī)頭將晶狀體乳化、沖洗和抽吸同時結(jié)合在一起。這種方法包括形成切口、插入手動外科器械，以乳化白內(nèi)障或眼晶狀體。同時伴隨這種乳化，機(jī)頭提供用于沖洗乳化晶狀體的液體，以及用于抽吸乳化晶狀體和所引入的液體的真空。
目前可獲得的晶狀體乳化系統(tǒng)包括變速蠕動泵、真空傳感器、可調(diào)節(jié)的超聲功率源、以及具有操作員選定的、用來控制抽吸速率、真空和超聲功率水平的預(yù)先設(shè)置的可編程微處理器。晶狀體乳化機(jī)頭通過電纜與控制臺相互連接，用于驅(qū)動和控制壓電換能器。通過導(dǎo)管給眼部提供沖洗液，并能夠通過機(jī)頭從眼中回收抽吸液。機(jī)頭的中空乳化針通?？赏ㄟ^晶體中的壓電效應(yīng)沿其縱軸驅(qū)動或觸發(fā)，其中，壓電效應(yīng)是由施加于晶體上的AC電壓所產(chǎn)生。被驅(qū)動的晶體的移動由機(jī)頭內(nèi)的機(jī)械共振系統(tǒng)加以放大，以致連接于其上的乳化針的移動直接依賴于晶體被驅(qū)動的頻率，最大移動發(fā)生在共振頻率時。該共振頻率部分取決于與其相互連接的乳化針的質(zhì)量，該乳化針通常通過晶體加以振動。
用于晶狀體乳化機(jī)頭的典型頻率范圍是在約25kHz至約50kHz之間。每個晶狀體乳化機(jī)頭存在的頻率窗口可通過特定的機(jī)頭阻抗和相位來表征。上述頻率窗口受到上限頻率和下限截止頻率的限制。該窗口的中心通常是機(jī)頭電相位達(dá)到最大值的點。
機(jī)頭的功率傳輸效率由公式(V*I)(COSΦ)給出，其中Φ是相角。利用此功率傳輸效率方程，當(dāng)相位最接近0度時將出現(xiàn)最有效的機(jī)頭工作點。因此，最佳機(jī)頭功率傳輸效率需要控制電源頻率以達(dá)到盡可能接近零度的相位值。由于超聲機(jī)頭的相位角還依賴于換能器的負(fù)載，因而使得實現(xiàn)這一目標(biāo)變得復(fù)雜化了。換能器負(fù)載通過使機(jī)頭系統(tǒng)(包括乳化針)機(jī)械共振產(chǎn)生。乳化針與眼內(nèi)組織和液體的接觸可對壓電晶體產(chǎn)生負(fù)載，同時伴隨操作相角的變化。
因此，在操作機(jī)頭的整個過程中都應(yīng)對相位角進(jìn)行確定和測量，以調(diào)節(jié)驅(qū)動電路、達(dá)到最佳相角、以及通過晶狀體乳化機(jī)頭把恒定的能量傳輸?shù)浇M織?？梢酝ㄟ^監(jiān)測機(jī)頭電信號和調(diào)節(jié)頻率來提供機(jī)頭的自動調(diào)整，從而保持與選定參數(shù)的一致性。用于晶狀體乳化機(jī)頭的控制電路可以包括用于測量電壓和電流之間相位的電路，通常被稱為相位檢測器。由于相移依賴于機(jī)頭的工作頻率，因而如果獨立于晶狀體乳化機(jī)頭的工作頻率測量相移，則會產(chǎn)生困難，并且在相移測量中的時間延遲需要復(fù)雜的校準(zhǔn)電路，以保證機(jī)頭的靈敏調(diào)整。
晶狀體乳化機(jī)頭的功率控制對于成功的晶狀體乳化手術(shù)非常關(guān)鍵。某些先前的系統(tǒng)，基于施加于機(jī)頭壓電換能器的電壓和由壓電換能器引起的電流之間的相角和/或提供給機(jī)頭的功率脈沖的振幅，來著手對晶狀體乳化機(jī)頭的功率控制的要求。這種典型構(gòu)造可針對具體的機(jī)頭加以調(diào)整，并且功率可在外科醫(yī)師/操作員的控制下以連續(xù)方式或一連串的連續(xù)脈沖來施加。例如，該系統(tǒng)可以施加功率150ms，然后停止功率350ms，并在功率施加的必要持續(xù)時間內(nèi)重復(fù)這種開/關(guān)系列過程。在此實例中，功率通過晶狀體乳化機(jī)頭的壓電晶體施加到乳化針，使超聲功率發(fā)射150ms，接著停止對晶體、機(jī)頭、以及乳化針施加功率350ms?？梢灾?，雖然在此實例中施加功率達(dá)150ms，但這種功率的施加包括以通常約25kHz和50kHz之間的頻率向壓電晶體施加正弦波形，因而并不真正是“恒定的”。在此150ms期間功率的施加可稱為恒定施加25kHz至50kHz正弦波。在某些情況下，外科醫(yī)師/操作員可能希望施加這些功率脈沖一段時間、然后停止施加功率、然后以該種或另外的功率設(shè)置重復(fù)施加功率。脈沖的頻率和持續(xù)時間通常是可控的，這與施加于作用區(qū)域的脈沖流的長度一樣。未施加功率的時間段使得能夠在作用區(qū)域內(nèi)形成空穴，籍此可以利用由機(jī)頭或抽吸裝置提供的抽吸作用除去碎片。
另外，外科醫(yī)師/操作員可能希望采用某些已知的步驟，如“雕刻(sculpt)”步驟以破碎晶狀體、或“劈裂(chop)”步驟以收集晶核并保持對碎片的有力抓持。這些專門的“劈裂或象限除去”步驟通常要求在大約50毫秒至200毫秒的恒定時間段施加功率或能量。
功率施加的開/關(guān)有利于把白內(nèi)障破碎成碎片，并能比較有效地將其除去。晶狀體乳化機(jī)頭中的超聲驅(qū)動乳化針在使用過程中會變熱，這一部分是由于晶狀體乳化機(jī)頭尖端的機(jī)械移動所引起的摩擦熱。在某些情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上述以連續(xù)方式施加功率到作用區(qū)域的方法可在作用區(qū)域產(chǎn)生并不是不顯著的熱量。經(jīng)過乳化針的沖洗/抽吸液可以用來散熱，但在晶狀體乳化期間必須小心避免眼組織的過熱，并且，在某些步驟中液體循環(huán)不能耗散足夠的熱量。由于發(fā)熱而損害作用區(qū)域的危險可成為相當(dāng)大的負(fù)作用。
此外，以上述方式施加功率可以在某些情況下引起湍流和/或顫動，以及引起顯著的流動問題，例如，需要大量使用液流來緩解所述區(qū)域和除去顆粒。此外，施加恒定的能量還可能引起晶核碎片被推離機(jī)頭的尖端，這是由于施加的能量所形成的空穴引起的。在這樣的空穴環(huán)境中收集和去除碎片在許多情況下可能很困難。形成的這些效應(yīng)不是所希望的，并且應(yīng)降低到可能的最小程度。
2002年10月21目提交的美國專利申請10/278,775中披露了一種在這種環(huán)境下可有效應(yīng)用的系統(tǒng)，該專利的發(fā)明人是Kadziauskas等人，并已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人Advanced Medical Optics公司。′775申請?zhí)峁┝死迷陂L時間段內(nèi)分布以短暫停間隔這樣一種相對簡單的功率施加方式的超聲功率輸送，每次長時間的功率施加后是漫長的休息時間。這種設(shè)計能夠使能量的施加不會產(chǎn)生與先前恒定施加功率相關(guān)的發(fā)熱問題。
某些發(fā)展已說明，通過采用那些與環(huán)境中的空化有關(guān)的有益效應(yīng)，可以獲得除那些在′775申請的設(shè)計中說明的有益效應(yīng)以外的有益效應(yīng)。某些類型的空化在某些情況下可以有助于阻塞的破碎。因此理解和使用空化的有益效應(yīng)可以有助于在晶狀體乳化步驟中除去晶核，而沒有與先前設(shè)計相關(guān)的熱問題。
基于上述，希望能提供一種采用那些與空化有關(guān)的益處、并將那些與先前組織去除系統(tǒng)有關(guān)的缺點降至最小程度的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種在包括流體的外科環(huán)境內(nèi)進(jìn)行的外科手術(shù)過程中輸送能量的方法。該方法包括以足以在流體內(nèi)引起瞬時空化的第一能量水平施加能量，以及在流體內(nèi)獲得瞬時空化以后的預(yù)定時間段提供能量。所述的提供能量包括以低于第一能量水平的第二能量水平施加能量。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種在與流體關(guān)聯(lián)應(yīng)用的組織去除過程中輸送超聲能量的方法。該方法包括以能夠在流體內(nèi)引起瞬時空化的高能量振幅水平施加能量，以及以低能量振幅水平提供能量，從而達(dá)到將由于超聲能量傳輸引起的組織損傷降至最小的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種外科設(shè)備，包括向包括流體的外科區(qū)域施加瞬時能量的裝置。該瞬時能量施加裝置以足以在流體內(nèi)引起瞬時空化的振幅和時間段施加能量。所述設(shè)備還包括在所述時間段以后將瞬時能量降低到較低振幅的能量水平的裝置，從而降低與能量相關(guān)的損傷的風(fēng)險。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種在晶狀體乳化程序中把經(jīng)過調(diào)制的超聲能量提供給眼區(qū)的方法。該方法包括以適合于在眼區(qū)的流體內(nèi)引起瞬時空化的較高能量水平對眼區(qū)施加能量；能量施加進(jìn)行第一預(yù)定時間；在第一預(yù)定時間以后降低對眼區(qū)施加的能量；等待第二預(yù)定時間；以及對眼區(qū)重復(fù)上述施加和降低步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種設(shè)備，包括機(jī)頭，具有乳化針和用于超聲振動該乳化針的電裝置；電源裝置，用于向機(jī)頭電裝置提供脈沖電功率；輸入裝置，用于使操作員能夠選擇電脈沖的振幅；用于從機(jī)頭乳化針提供流體的裝置；以及控制裝置，用于在伴隨有流體的外科環(huán)境中進(jìn)行的外科手術(shù)過程中控制供給機(jī)頭的功率。該控制裝置通過以足以在流體內(nèi)引起瞬時空化的一定水平施加功率一段時間、以及在該時間段后將功率降低到較低水平來控制所供給的功率，從而降低損傷的可能性。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了一種設(shè)備，包括機(jī)頭，具有乳化針和用于超聲振動該乳化針的電裝置；電源裝置，用于向機(jī)頭電裝置提供脈沖電功率；輸入裝置，用于使操作員能夠選擇電脈沖的振幅；用于從機(jī)頭乳化針提供流體的裝置；以及控制裝置，用于控制提供給機(jī)頭的功率。該控制裝置通過以適合于在本設(shè)備采用的外科環(huán)境內(nèi)引起瞬時空化的一定水平施加功率一段時間來控制所供給的功率。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供了在一定環(huán)境中輸送超聲能量的方法。該方法包括開始以足以在該環(huán)境內(nèi)引起瞬時空化的一定水平施加超聲能量一段時間，以及在開始施加以后的第二非零低超聲能量期間降低所施加的超聲能量。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供了一種在包括氣泡的環(huán)境內(nèi)輸送超聲能量的方法。該方法包括在上述環(huán)境內(nèi)施加相對較高水平的超聲能量，從而足以在其中引起瞬時空化。該瞬時空化包括在所述環(huán)境內(nèi)由于與超聲能量相關(guān)的力引起的氣泡的相對快速膨脹和強(qiáng)烈崩潰。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，根據(jù)下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對優(yōu)選具體實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的所有方面的這些以及其他的目的和優(yōu)點將變得顯而易見。


本發(fā)明通過實施例而不是限制的方式、并參照附圖加以說明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的晶狀體乳化系統(tǒng)的功能方框圖；圖2是包括以大于一定壓力向機(jī)頭提供沖洗液的裝置的晶狀體乳化系統(tǒng)的可替換方面的功能方框圖；圖3是說明具有可變抽吸速率的晶狀體乳化系統(tǒng)的阻塞-未阻塞模式的操作流程圖；圖4是說明具有可變超聲功率水平的晶狀體乳化系統(tǒng)的阻塞-未阻塞模式的操作流程圖；圖5是說明晶狀體乳化系統(tǒng)的可變占空因數(shù)脈沖功能的操作流程圖；圖6是說明具有可變沖洗速率的晶狀體乳化系統(tǒng)的阻塞-未阻塞模式的操作流程圖；圖7是表示施加于壓電晶狀體乳化機(jī)頭的電壓的正弦波和所形成的進(jìn)入機(jī)頭的電流之間的90度相移的曲線圖；
圖8是典型的壓電晶狀體乳化機(jī)頭的相位關(guān)系和阻抗的曲線圖；圖9是適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的改進(jìn)相位檢測器電路的方框圖；圖10是在不同機(jī)頭/乳化針負(fù)載情況下作為頻率的函數(shù)的相位關(guān)系曲線圖；圖11是利用相角來以最大相位模式操作控制機(jī)頭/乳化針參數(shù)的相位控制晶狀體乳化系統(tǒng)的功能方框圖；圖12是利用相角并借助負(fù)載檢測方法來控制機(jī)頭/乳化針參數(shù)的相位控制晶狀體乳化系統(tǒng)的功能方框控制圖；圖13是脈沖控制晶狀體乳化系統(tǒng)的功能方框控制圖；圖14示出了由功率水平控制器和計算機(jī)通過機(jī)頭提供的脈沖的不同超聲能量脈沖特性；圖15是在不同水平功率設(shè)置下在流體中施加連續(xù)能量的系統(tǒng)的信號強(qiáng)度圖；圖16示出了針對在不同水平功率設(shè)置下在流體中施加連續(xù)能量的系統(tǒng)而繪制的在噪聲層(noise floor)除去后的信號強(qiáng)度以及空穴行程(cavitation excursion)；圖17示出了采用周期性功率施加設(shè)置的系統(tǒng)的表現(xiàn)；圖18比較了連續(xù)操作和周期性功率施加的信號強(qiáng)度；
圖19示出了連續(xù)操作信號強(qiáng)度和周期性微脈沖能量施加信號強(qiáng)度之間的比較；圖20示出了不同能量施加設(shè)置的相對于時間的相對空化能量；圖21示出了根據(jù)本設(shè)計的波形；圖22a～i示出了根據(jù)本設(shè)計的波形的可替換實例；圖23是計算和輸送本發(fā)明的增強(qiáng)超聲能量波形的概念方框圖；以及圖24示出了在存在阻塞或其他在流動、壓力、真空條件下監(jiān)測到的變化的情況下提供的一組典型的波形。
具體實施例方式
裝置圖1以方框圖形式示出了晶狀體乳化系統(tǒng)，通常用附圖標(biāo)號字10表示。該系統(tǒng)具有控制單元12，由圖1中的虛線表示，包括變速蠕動泵14，用于提供真空源；脈沖式超聲功率源16；以及微處理計算機(jī)18，用于向泵速控制器20和超聲功率水平控制器22提供控制輸出。真空傳感器24向計算機(jī)18提供表示蠕動泵14輸入端上的真空水平的輸入。適當(dāng)?shù)耐L(fēng)由通風(fēng)裝置26提供。
相位檢測器28向計算機(jī)18提供輸入，該輸入表示施加于機(jī)頭/乳化針30的電壓的正弦波和形成的進(jìn)入機(jī)頭30的電流之間的相移。表示機(jī)頭30的方框包括乳化針和電裝置，該電裝置通常是壓電晶體，用于超聲振動所述乳化針?？刂茊卧?2通過線路32供給功率到晶狀體乳化機(jī)頭/乳化針30。沖洗液源34通過管路36流體連接于機(jī)頭/乳化針30。沖洗液和超聲功率通過機(jī)頭/乳化針30施加到由方框38示意表示的患者的眼部、或作用范圍或區(qū)域。可替換地，可以通過獨立于機(jī)頭的分流(分離)通路把沖洗源送到眼38。通過控制單元蠕動泵14并通過管路/機(jī)頭乳化針40和管路42對眼38進(jìn)行抽吸。設(shè)置在機(jī)頭30上的開關(guān)43可以用作一種能使外科醫(yī)師/操作員經(jīng)本文所述的計算機(jī)18、功率水平控制器22以及超聲功率源16來選擇輸送到機(jī)頭的電脈沖的振幅的裝置。任何合適的輸入裝置，如腳踏開關(guān)(未示出)都可以用來代替開關(guān)43。
圖2示出了可選的晶狀體乳化系統(tǒng)50，其結(jié)合有圖1所示系統(tǒng)10的所有要素，其中相同的標(biāo)記符號表示如圖1所示的相同構(gòu)件。除沖洗液源34以外，還提供了第二沖洗液源35，沖洗液源34、35分別通過管路34a、35b連接于進(jìn)入機(jī)頭/乳化針30的管路36，以及連接于閥門59。閥門59的作用是響應(yīng)通過線路52來自功率水平控制器22的信號交替地將管路34A和源34以及管路35A和源35連接于機(jī)頭/乳化針30。
如圖所示，沖洗液源34、35設(shè)置在機(jī)頭/乳化針30上方的不同高度，這提供了在多個壓力下將沖洗液引入機(jī)頭的方式，其中容器35中的流體的水頭(head)大于容器34中的流體的水頭。包括不同長度線44、46的吊帶49，當(dāng)連接于支撐物48時，提供了一種將容器34、35設(shè)置在機(jī)頭/乳化針30上方的不同高度的方式。
使用位于不同高度的沖洗液容器是用于提供不同壓力的沖洗液的典型方法，并且可選的，分開的泵可以裝備有，例如，分開的循環(huán)管路(未示出)。這樣的容器和泵可以在得到來自功率控制器22的命令后以不連續(xù)的壓力向機(jī)頭/乳化針30提供沖洗液。
操作計算機(jī)18借助來自上述真空傳感器24的信號，將輸入管路47中的預(yù)設(shè)真空水平響應(yīng)給蠕動泵14。控制單元響應(yīng)于機(jī)頭30的阻塞-未阻塞條件進(jìn)行的操作示于圖3的流程圖中。如圖3所示，如果機(jī)頭抽吸管路40變得阻塞時，由真空傳感器24檢測到的真空水平可能增加。計算機(jī)18可以對抽吸速率、真空水平以及超聲功率水平提供操作員可設(shè)置的限度。如圖3所示，當(dāng)由真空傳感器24檢測到的真空水平由于機(jī)頭抽吸管路40的阻塞而達(dá)到預(yù)定水平時，計算機(jī)18向泵速控制器20提供信號以改變?nèi)鋭颖?4的速率，蠕動泵的速率進(jìn)而改變抽吸速率。取決于阻塞機(jī)頭/乳化針30的材料的特性，蠕動泵14的速率可以被增加或降低。當(dāng)阻塞材料被打碎后，真空傳感器24記錄下真空水平的下降，使計算機(jī)18將蠕動泵14的速率改變到未阻塞操作速率。
除通過改變?nèi)鋭颖?4的速率來改變抽吸速率這個晶狀體乳化參數(shù)以外，超聲功率源16的功率水平也可以作為機(jī)頭30的阻塞或未阻塞條件的函數(shù)而變化。圖4以流程圖形式示出了利用計算機(jī)18和功率水平控制器22來控制超聲功率源功率水平的基本形式。圖4的流程圖相應(yīng)于圖3的流程圖，只是改成了超聲功率水平這一晶狀體乳化參數(shù)。
典型晶狀體乳化機(jī)頭的阻抗隨頻率而變化，或換言之，機(jī)頭是電抗性的(reactive)。作為頻率函數(shù)的典型機(jī)頭相位和阻抗的相關(guān)性示于圖8。在圖8中，曲線64表示作為頻率函數(shù)的、機(jī)頭的電流和電壓之間的相差，而曲線66表示作為頻率函數(shù)的機(jī)頭的阻抗變化。對于典型的頻率范圍，如在大約25kHz至大約50kHz的范圍內(nèi)，該阻抗在“Fr”處低而在“Fa”處高。
機(jī)頭的自動調(diào)整通常需要監(jiān)測機(jī)頭電信號，并調(diào)節(jié)頻率以保持與選定參數(shù)的一致性。為了補(bǔ)償發(fā)生在晶狀體乳化機(jī)頭尖端的負(fù)載(loading，荷載)，當(dāng)檢測到負(fù)載時可以增加施加給機(jī)頭的驅(qū)動電壓，而當(dāng)除去負(fù)載時則降低施加到機(jī)頭的驅(qū)動電壓。在這種類型的系統(tǒng)中，相位檢測器通常是控制器的一部分。在這樣的傳統(tǒng)相位檢測器中，典型的輸出是電壓，它與電壓和電流波形的對準(zhǔn)(alignment)中的差成正比，例如，如圖7所示的-90度。如圖8所示，當(dāng)使用機(jī)頭時，波形的相位發(fā)生變化，因而輸出波形也發(fā)生變化。
至今，用于測量電相位的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)已用來讀出與相位以及與頻率成比例的電壓。這種類型的電路可以加以校正以便用來以單一頻率使用。改變頻率可以引起校正數(shù)據(jù)不正確。如也可以在單頻率系統(tǒng)中所看到的，經(jīng)校正的相位值會由于電路參數(shù)的變化會發(fā)生漂移。
另一種可用的方法是利用微處理器來比較相位檢測器輸出值和頻率檢測器的輸出值，并計算真實相位。這種方法相當(dāng)復(fù)雜，并且受到單個電路的漂移以及分辨率極限的影響。圖9所示的方框圖70代表適于根據(jù)本設(shè)計來操作的經(jīng)過改進(jìn)的相位檢測器。示出的各個功能塊包括典型設(shè)計的傳統(tǒng)技術(shù)水平的電路和用于產(chǎn)生由如下文所述的各個方框表示的功能的構(gòu)件。
該系統(tǒng)利用用于施加到晶狀體機(jī)頭的電壓信號的衰減器76、以及用于機(jī)頭30電流的電流檢測電阻器78和固定增益放大器，把來自晶狀體乳化機(jī)頭30的電壓輸入72和電流74轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男盘?。其后，該系統(tǒng)將AC電壓信號80和AC電流信號82傳遞到比較器84、86，該比較器把晶狀體乳化電壓和電流的模擬表示轉(zhuǎn)換成邏輯水平時鐘信號。
該系統(tǒng)把來自比較器84的輸出傳到D觸發(fā)器集成電路90，該電路將頻率除以2。然后該系統(tǒng)把集成電路90的輸出92傳到構(gòu)造為積分器94的運算放大器。積分器94的輸出96為鋸齒波形，其最終振幅與機(jī)頭頻率成反比。定時發(fā)生器98使用與電壓信號同步的時鐘以產(chǎn)生模-數(shù)轉(zhuǎn)換定時，并產(chǎn)生在每個循環(huán)結(jié)束時復(fù)位積分器的定時。該系統(tǒng)經(jīng)過線路96把此信號傳到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。
電壓前沿-電流后沿檢測器100利用D觸發(fā)器集成電路采分離機(jī)頭電壓信號的前沿。此信號用作引發(fā)信號，來啟動機(jī)頭30電壓和機(jī)頭30電流之間的定時過程。前沿-電流后沿檢測器100的輸出102是一脈沖，其與機(jī)頭30電壓波形的前沿和機(jī)頭電流波形的下降沿的時間差成比例。
該系統(tǒng)使用了另一個積分器電路104，用于獲自前沿-電流后沿檢測器100的機(jī)頭相位信號102。積分器電路104的輸出106是鋸齒波形，該鋸齒波形中峰值振幅與初現(xiàn)晶狀體乳化電壓的前沿和初現(xiàn)機(jī)頭電流波形的后沿的時間差成正比。該系統(tǒng)把積分器電路104的輸出106傳到模擬輸入或模-數(shù)(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)集成電路110。到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器110的正基準(zhǔn)輸入96是與工作頻率成反比的電壓。相電壓信號96與電壓初現(xiàn)的前沿和電流初現(xiàn)的后沿之間的相差成正比，以及與工作頻率成反比。在這種構(gòu)造中，兩個信號頻率基準(zhǔn)電壓96和相電壓106在頻率范圍內(nèi)彼此跟蹤，使得模-數(shù)轉(zhuǎn)換器110的輸出產(chǎn)生與工作頻率無關(guān)的相位。
在這種構(gòu)造中，系統(tǒng)計算機(jī)18(參見圖1和圖2)設(shè)置有實時數(shù)字相位信號，其中0至255計數(shù)將一致地表示0至359度的相位。由于而不管使用的頻率如何測量結(jié)果都是一致的，因而無需任何形式的校正。例如，使用工作頻率為38kHz和47kHz的AMP、上升時間為150×105V/sec的積分器、以及具有256計數(shù)的8比特模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以維持恒定的比率，并且頻率的變化不會影響結(jié)果。這在以下的實施例中加以說明。
實施例138KHz操作1時鐘周期＝1/F@38KHz＝26.32×10-6S
對于I的1周期的部分＝90度＝26.32×10-6S用4除＝6.59×10-6S對于一個參考周期的積分器輸出＝(150×103V/S)×(26.32×10-6S)＝3.95伏來自90度循環(huán)時間的積分器輸出＝(150×103V/S)×(6.59×10-6S)＝0.988伏從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字計數(shù)＝3.95伏/256計數(shù)＝0.0154伏/計數(shù)對于在38KHz下90度A/D計數(shù)的實際數(shù)目＝0.988/0.0154＝64計數(shù)實施例247KHz操作1時鐘周期＝1/F@47KHz＝21.28×10-6S對于I的1周期的部分＝90度＝21.28×10-6S用4除＝5.32×10-6S對于一個參考周期的積分器輸出＝(150×103V/S)×(21.28×10-6S)＝3.19伏來自90度循環(huán)時間的積分器輸出＝(150×103V/S)×(5.32×10-6S)＝0.798伏從A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字計數(shù)＝3.19伏/256計數(shù)＝0.0124伏/計數(shù)對于在47KHz下90度模-數(shù)計數(shù)的實際數(shù)目＝0.798/0.0124＝64計數(shù)這表示本系統(tǒng)的基線操作，即把晶狀體乳化機(jī)頭調(diào)整到一般可接受水平的能力。
能量輸送以下部分總的來說處理的是多種類型的輸送微脈沖能量，其通常用來有效地進(jìn)行晶狀體乳化程序。參照圖5，示出了描述用來產(chǎn)生作為選定功率水平的函數(shù)的變化脈沖占空因數(shù)而對超聲功率源16進(jìn)行的基本控制的流程圖。每個功率脈沖可以具有少于20毫秒的持續(xù)時間。如圖5所示，僅作為說明，運行33％的脈沖占空因數(shù)，直到功率水平超過預(yù)設(shè)的閾值；在這種情況下，該預(yù)設(shè)閾值為33％。在那時，脈沖占空因數(shù)被增加到50％，直到超聲功率水平超過閾值50％，在此點脈沖占空因數(shù)被增加到66％。當(dāng)超聲功率水平超過閾值66％時，電源繼續(xù)運行，即，100％占空因數(shù)。雖然在圖5中說明了33、50、以及66的百分比，但應(yīng)當(dāng)明了，也可以選擇其他百分比水平以及不同的占空因數(shù)以限定不同占空因數(shù)改變點。在這種構(gòu)造中的脈沖持續(xù)時間可以少于20毫秒。這種控制與本文描述的跟蹤機(jī)制一道可以使能量的脈沖在持續(xù)時間上少于20毫秒。
參照圖13，少于20毫秒的快速脈沖持續(xù)時間具備適當(dāng)?shù)哪芰?，從而用動能或機(jī)械能對組織進(jìn)行切割。然后可以關(guān)閉超聲能量脈沖足夠長的時間，以在觸發(fā)下一脈沖前顯著降低產(chǎn)生的熱水平。外科醫(yī)師/操作員可以響應(yīng)于選定的脈沖振幅、沖洗液和抽吸液流動速率，經(jīng)過開關(guān)143和控制單元22以線性方式改變脈沖振幅，從而控制脈沖占空因數(shù)。如上文所述，提供不運行持續(xù)時間或循環(huán)，以在觸發(fā)其后的脈沖之前確保散熱。這樣，振幅增加將增加尖端加速度，因而提高組織的散熱水平，減少熱生成。即，外科醫(yī)師/操作員可以利用線性功率控制來選擇切入組織密度所必要的正確的加速度，同時控制單元可提供在少于20毫秒的脈沖寬度內(nèi)的相應(yīng)變化和“停止時間”，以防止由放熱引起的組織代償失調(diào)。依賴于選擇的晶狀體乳化機(jī)頭(總瓦數(shù))或晶狀體乳化尖端(尺寸、重量)對控制單元進(jìn)行編程。這種快速脈沖發(fā)送的使用類似于激光用非常短的持續(xù)時間脈沖進(jìn)行的操作。這種構(gòu)造中的脈沖可以具有約25和2000脈沖/每秒之間的重復(fù)率。
參照圖5，如果機(jī)頭抽吸管路38被阻塞，那么由真空傳感器24檢測的真空水平將增加。計算機(jī)18具有操作員可設(shè)置的限度，用于控制哪個沖洗液供給32、33將連接于機(jī)頭30。雖然示出的是兩個沖洗液源、或容器32、33，但也可以使用任意數(shù)目的容器。
如圖6所示，當(dāng)由真空傳感器24檢測的真空水平達(dá)到預(yù)定水平時，由于抽吸機(jī)頭管路38阻塞的結(jié)果，計算機(jī)會控制閥門38，使閥門控制各個容器34、35和機(jī)頭/乳化針30之間的流體連通。
依賴于阻塞機(jī)頭/乳化針30的材料的特性，如上文所述，以及醫(yī)師的需要和技術(shù)，機(jī)頭提供的沖洗液的壓力可以被增加或降低。當(dāng)阻塞材料被清除時，真空傳感器24可以記錄下真空水平的下降，使閥門38切換到容器34、35，從而使壓力保持在未阻塞水平。
可以使用一個以上的容器，如用閥門相互連接的三個容器(未示出)，以從如上文所述與容器系統(tǒng)相連接的三個容器的任何一個選擇沖洗液。
除改變作為真空度函數(shù)的晶狀體乳化機(jī)頭/乳化針30參數(shù)以外，機(jī)頭的阻塞或未阻塞狀態(tài)可以基于由機(jī)頭/乳化針借助于相移的變化或相曲線形狀的變化檢測到的負(fù)載的變化加以確定。圖10示出了在各種機(jī)頭30負(fù)載情況下作為頻率函數(shù)的相角無負(fù)載(最大相位)、輕負(fù)載、中等負(fù)載、以及重負(fù)載。
參照表示最大相位模式操作的圖11，確定實際相位并與最大相位比較。如果實際相位等于、或大于最大相位，那么進(jìn)行正常的抽吸功能。如果實際相位小于最大相位，則改變抽吸速率，并且抽吸速率變化與相位變化成比例。圖12表示在小于最大負(fù)載下的操作，該操作中結(jié)合了負(fù)載(參見圖10)檢測。
如表示最大相位模式操作的圖11所示，如果機(jī)頭抽吸管路40被阻塞，通過相位檢測傳感器28檢測的相位將減小(參見圖10)。對于抽吸速率、真空水平、以及超聲功能水平，計算機(jī)18具有操作員可設(shè)置的限度。如圖11所說明的，當(dāng)由相位檢測器28檢測的相位由于機(jī)頭抽吸管路40阻塞而達(dá)到預(yù)定水平時，計算機(jī)18指示泵速控制器20改變?nèi)鋭颖?4的速率，進(jìn)而改變抽吸速率。
取決于阻塞機(jī)頭/乳化針30的材料的特性，蠕動泵14的速率可以被增加或降低。當(dāng)阻塞材料被破碎后，相位檢測器28記錄相角的增加，使計算機(jī)18將蠕動泵14的速率改變到未阻塞操作速率。
除通過變化蠕動泵14的速率來改變抽吸速率的晶狀體乳化參數(shù)以外，超聲功率源16的功率水平和/或占空因數(shù)也可以作為如上文所述的機(jī)頭30的阻塞或未阻塞條件的函數(shù)而變化。
微脈沖增強(qiáng)操作圖14表示用于先前操作的不同的脈沖特性。按照圖14，脈沖的操作可以是如圖A所示的以約25kHz至約50kHz之間的頻率恒定施加功率，或如圖B所示的每80毫秒一個脈沖，40毫秒開(on)和40毫秒關(guān)(off)，其表示每秒12.5個脈沖?？蛇x擇的，超聲功率輸送可以每40ms發(fā)生一次，20ms開和20ms關(guān)，如圖C所示。圖D表示每20ms施加功率，10ms開和10ms關(guān)。也可以采用其他非周期性分布，如圖E所示，其中每40ms中周期性地施加功率10ms，剩余的30ms為停止時間。
當(dāng)超聲功率以恒定功率水平施加于機(jī)頭和乳化針一段時間時，這些功率施加間隔表示連續(xù)的恒定周期。此外，雖然在圖中功率可能看起來以連續(xù)的DC施加類型進(jìn)行施加，但這些圖表明，包括正弦波形的功率的實際施加以通常在約25kHz和50kHz之間的頻率施加于壓電晶體。因而功率的施加不是真正“恒定的”。在150ms期間功率的施加可稱為25kHz至50kHz正弦曲線的恒定施加。
空化本設(shè)計通過采用空化的有益效應(yīng)和相應(yīng)地施加能量，提供對圖14波形的增強(qiáng)。外科環(huán)境中的空化可以定義為在如鹽水、水、或其他可應(yīng)用流體的流體中微氣泡的劇烈崩潰。空化是細(xì)胞和細(xì)胞核可以在超聲外科系統(tǒng)(包括晶狀體乳化器)中破碎或切割的主要方式。以上介紹的系統(tǒng)可以通過提供一系列形成聲壓力場的聲壓力波產(chǎn)生空化，所述聲壓力波發(fā)射自晶狀體乳化器機(jī)頭30的尖端。聲壓力波是晶狀體乳化器尖端以工作頻率(如大約38kHz的頻率)來回振動的結(jié)果。
空化是微氣泡在工作液中的生成、振動、以及崩潰。在晶狀體乳化或其他外科手術(shù)情況下，氣泡通過從外科超聲尖端發(fā)射的聲波產(chǎn)生，因而可以稱作聲空化。這些氣泡的劇烈崩潰可以產(chǎn)生大部分的力，其破碎核或產(chǎn)生組織碎片的切割或劈裂特征。在壓力場影響下的其他氣泡移動，如以下討論的共振，也可以產(chǎn)生所希望的生物效應(yīng)。
在這種超聲環(huán)境中，聲壓力與聲源強(qiáng)度Qs或尖端的體積速度成正比，其是有效尖端面積A(通常圓環(huán))乘以尖端速度。尖端速度是尖端振幅δ和2π乘以工作頻率的積。尖端與流體中的聲波波長相比相對較小，并在工作頻率時作為聲音的點輻射器或單極源。
在這種環(huán)境中，低頻聲傾向于以球狀方式輻射，并且聲壓級與離尖端的距離成反比下降。位于距離以頻率ω*(2πf)脈動的單極源r處的壓力場由以下方程給出p=(jρ0ck4π)(Qs)e-jkrr---(1)]]>其中，ρo和c是介質(zhì)的密度和聲速，k是波數(shù)或ω/c，而Qs是源強(qiáng)度。利用方程(1)，壓力可以表示為p=jρ0ω2Aδe-jkr4πr---(2)]]>按照方程(2)，壓力與尖端面積、位移、以及工作頻率的平方有關(guān)。方程(2)為確定具有不同的尺寸、頻率、以及位移的尖端之間的壓力等效提供了一般性的指導(dǎo)。
聲源強(qiáng)度Qs可以計算如下。假定實心圓形的平尖端，在24,500Hz下工作，半徑為1.44mm，以及振幅為100μm(尖端行程200μm)Qs＝面積*速度＝(πr2)*ω*δ＝π*(0.00144)2*(2*π*24,500)*(100*10-6)Qs＝100×10-6米3/秒 (3)此實例中的總聲功率W可以計算如下
W＝ρo×c×k2×(Qs)2/8π(4)其中k＝ω/c＝(2*π*f)/c＝2*π*24,500/1500≌100(5)W＝1000*1500*1002*(10*10-6)2/8π≌6聲瓦當(dāng)聲音通過例如水、鹽水、或其他液體的流體時，聲音會遇到微氣泡。暴露于波的“拉伸”或“稀疏”或“負(fù)”部分的氣泡具有膨脹的傾向。暴露于波的“壓縮”或“正”部分的氣泡傾向于減小尺寸或稍微收縮。當(dāng)氣泡由于力差處于增大狀態(tài)時，氣體擴(kuò)散進(jìn)入氣泡。當(dāng)氣泡減小尺寸時，氣體傾向于分散、或擴(kuò)散出來。因為縮小氣泡的表面積小于增大氣泡的表面積，所以與在循環(huán)的“增大”部分期間擴(kuò)散開的氣體相比，在循環(huán)的這個部分中傾向于擴(kuò)散開的氣體較少。隨著時間的流逝，氣泡的尺寸傾向于增加，該現(xiàn)象稱作修正擴(kuò)散(rectified diffusion)。如果壓力變化不顯著，增大和收縮狀態(tài)之間的尺寸差異就不會足夠顯著到提供明顯的凈氣體流入。
當(dāng)氣泡尺寸由于修正擴(kuò)散增加時，這些氣泡可以達(dá)到這樣的尺寸，其中作用于氣泡的流體動力，如氣體壓力、表面張力等，達(dá)到動態(tài)平衡或與施加的聲場共振。在動態(tài)平衡的情況下，氣泡可以劇烈振動、崩潰以及分裂開。當(dāng)壓力顯著時會發(fā)生氣泡的這種振動和崩潰。在壓力足以產(chǎn)生修正擴(kuò)散的情況下，較小的氣泡將傾向于連續(xù)增加尺寸、振動、然后崩潰。氣泡也可以分裂而沒有完全崩潰，導(dǎo)致更小的氣泡，然后這些氣泡尺寸增加，并繼續(xù)此過程。這種現(xiàn)象可以稱作穩(wěn)定空化。
穩(wěn)定空化產(chǎn)生氣泡的集或云，其傾向于在壓力場存在時以相對穩(wěn)定的方式操作。在穩(wěn)定空化中，許多氣泡分裂開而沒有完全、劇烈的崩潰。誘導(dǎo)穩(wěn)定空化不能很好適合于細(xì)胞和細(xì)胞核切割。
瞬時空化可以定義為劇烈的氣泡崩潰。當(dāng)氣泡在邊界(如細(xì)胞壁)附近劇烈崩潰時，氣泡在細(xì)胞壁上消耗掉大量的壓力。此效應(yīng)類似于水錘，其產(chǎn)生集中在較小區(qū)域內(nèi)的非常高的壓力和溫度。這些高壓/高溫條件可破壞組織，并使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)變性。瞬時空化起因于相對聲驅(qū)動頻率具有非常特定的尺寸的氣泡的快速膨脹和劇烈崩潰。這種快速膨脹和劇烈崩潰起因于驅(qū)動波形的力。瞬時空化對驅(qū)動波形聲壓級很敏感，這是因為低于某個閾值水平不可能發(fā)生瞬時空化。在該閾值以上，只要可獲得合適尺寸的氣泡，就可產(chǎn)生瞬時空化(生成瞬時空穴)。
空化現(xiàn)象的絕對閾值通常具有頻率依賴性。在產(chǎn)生空化時，本文描述的構(gòu)造把來自驅(qū)動的、低頻超聲波形的能量變成氣泡的機(jī)械操作。發(fā)射自晶狀體乳化尖端的驅(qū)動波形可以稱為抽運波(pumpingwave)。當(dāng)發(fā)生更多的空化時，會從抽運波吸收更多的能量。在低聲壓級，如低于空化閾值時，發(fā)射自尖端的低頻壓力大約與尖端偏移(行程)成正比。在這種低壓情況下，幾乎沒有壓力可用于沖擊細(xì)胞壁或細(xì)胞核。因為晶狀體乳化尖端的振動而可能存在某種機(jī)械沖擊，因而可以引起摩擦放熱。驅(qū)動行程水平的增加傾向于增加空化活性。進(jìn)一步的驅(qū)動振幅增加導(dǎo)致輻射的低頻壓力不再具有跟蹤振幅的能力。這種壓力和振幅之間的去相關(guān)作用由于能量傳輸以致形成空化而發(fā)生。當(dāng)驅(qū)動振幅進(jìn)一步增加時，低頻壓力場可減弱。這樣的壓力場減弱是氣泡遮蔽尖端并起屏蔽壓力場的墊層(緩沖)的作用的結(jié)果。這種墊層可以改變流體的局部聲性能。因而當(dāng)驅(qū)動振幅增加時，抽吸能和空化能量的比率會發(fā)生變化。
圖15示出了施加恒定水平能量的系統(tǒng)施加于流體的總的能量，即，連續(xù)施加功能一段時間，如2.0秒。具有多倍高振幅尖峰的信號1502是具有低功率設(shè)置的信號，而呈現(xiàn)更低的、不連貫特性的信號1501具有更高的功率設(shè)置。低功率信號1502呈現(xiàn)相對較大的信號偏移，表示瞬時空化。在瞬時峰之間，低功率信號1502的信號水平大約位于噪聲層(noise floor)。不連貫的高功率信號1501呈現(xiàn)較低的峰值水平，但在噪聲層以上為連續(xù)信號，表示穩(wěn)定的空化。
圖16中示出了對圖15的系統(tǒng)除去噪聲層并作出了空穴的行程圖。兩個波形，高功率信號1601和低功率信號1602，在所示時間顯示幾乎相同的總的空化能量。因而雖然瞬時空化較少頻繁地發(fā)生，但瞬時空化傾向于向區(qū)域或環(huán)境釋放更大的能量。
圖17示出了以較短的脈沖(shorter burst，短脈沖串)施加功率的系統(tǒng)的響應(yīng)，如大約0.15毫秒開接著是大約0.35毫秒關(guān)。圖17說明噪聲閾值處理后的表現(xiàn)。起初的兩個脈沖1701和1702從顯著的瞬時空化開始，但這種瞬時空化傾向于較快地下降。與連續(xù)施加功率相比，圖18示出了長脈沖發(fā)送，0.15毫秒開接著是0.35毫秒關(guān)。長脈沖發(fā)送信號1802和連續(xù)信號1801在這段時間具有類似的總空化能量，但脈沖響應(yīng)1802使用少于大約一半的驅(qū)動功率。這種更低驅(qū)動功率可獲自以少于大約一半的時間供給能量的系統(tǒng)。
圖19說明在環(huán)境中施加連續(xù)功率1901和短脈沖串1902。該短脈沖期間1902采用一系列脈沖，如重復(fù)施加能量6ms以及停止24ms，總時間為0.2秒，然后施加微小的(de minimis)功率0.5秒，如零功率。圖19說明在該短脈沖期間1902中，幾乎驅(qū)動頻率能量的每個脈沖都傾向于產(chǎn)生瞬時空化。脈沖串之間的時間被認(rèn)為能使流體充分移動，從而以足夠尺寸的氣泡、或溶解的氣體補(bǔ)充該區(qū)域，因而產(chǎn)生再次容納瞬時空化的環(huán)境。
在本系統(tǒng)中，基于在有短時間能量輸送的情況下對行為的觀察，空化涉及如圖20所示的能量輸送。圖20表示在晶狀體乳化環(huán)境中的各種能量施加以及總的空化能量。按照圖20，通常需要2至3毫秒，以便空化能量上升到最大值。2至3毫秒表示晶狀體尖端達(dá)到完全需要的行程以及空化過程(具體地說是瞬時空化)開始所需要的時間。一旦開始后，輸送的能量傾向于下降，這意味著從瞬時轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定的空化。在6毫秒以后，機(jī)頭處于去能狀態(tài)，并且尖端的僅有的剩余“振蕩(ringing)”引起空化。
圖20中的虛線表示在連續(xù)施加能量的情況下獲得的能量讀數(shù)，如圖15、16、18、以及19所示。按照圖20，在連續(xù)模式中空化能量水平顯著較低。
調(diào)制能量輸送如下所述，本設(shè)計采用了穩(wěn)定空化和瞬時空化。用短暫脈沖施加功率，這些短暫脈沖對于上述晶狀體環(huán)境具有分開的能量水平。具體來說，可以采用如示于圖21的波形。其他類似的波形也可以采用，并取決于遇到的環(huán)境，包括但不限于晶狀體條件、尖端尺寸、工作頻率、流體條件、以及阻塞條件。圖21示出了調(diào)制脈沖輸送，其通過以30瓦的初始能量2101輸送初始功率短暫的時間，如2ms。30瓦表示到機(jī)頭的輸入。第二時期2102表示以15瓦輸送功率2ms。第三時期2103表示以特定的水平(如10瓦)輸送一段時間，在此實例中為3毫秒。安排調(diào)制或梯形功率輸送的目的是使乳化針的沖程盡可能快的到達(dá)產(chǎn)生瞬時空化所必需的距離以上。在達(dá)到引起瞬時空化所需要的功率閾值以后，可以降低脈沖剩余部分的功率。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以采用其他定時和功率實施過程。圖22a～f中提供了功率方案的實例，其中功率水平和定時是變化的。改變時間和功率的目的是在提供的環(huán)境中盡快獲得瞬時空化，而不產(chǎn)生顯著的熱量。圖22a顯示兩級調(diào)制脈沖，30瓦2ms(毫秒)以及15瓦4ms。圖22b是2.5ms 35瓦脈沖，接著是1ms 25瓦脈沖，接著是1ms 15瓦脈沖，接著是1ms 5瓦脈沖。圖22c顯示25瓦脈沖2ms、15瓦脈沖0.5ms、以及10瓦脈沖2.5ms。圖22d是20瓦脈沖3ms以及10瓦脈沖3ms。圖22e顯示40瓦脈沖1.8ms、25瓦脈沖2ms、以及15瓦脈沖3ms。圖22f是30瓦脈沖3.5ms、25瓦脈沖0.5ms、20瓦脈沖0.5ms、15瓦脈沖0.5ms、以及10瓦脈沖1ms。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)具體情況也可以采用其他持續(xù)時間。
雖然圖22a～f基本上顯示在特定時間開和關(guān)進(jìn)行的方形波，但波并不必需是方形的。圖22g～i說明了本發(fā)明的可選擇方面，其中圓形波、或分級功率輸送曲線施加于外科手術(shù)區(qū)域。如圖22g～i所示，以及如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，基于提供的環(huán)境輸送足夠的功率以引起瞬時空化，通常通過輸送初始較高功率電涌或能量脈沖，接著從初始電涌能量下降。初始能量電涌的強(qiáng)度和時間依賴于提供的環(huán)境，并且可以呈現(xiàn)類似于或全部或部分基于一些曲線的特性，這些曲線類似于那些示于圖20的對典型晶狀體乳化外科環(huán)境的曲線。
本設(shè)計中的重要要素是，為了使輸送給作用區(qū)域的能量最小，應(yīng)在相對較短的時間內(nèi)在環(huán)境中形成瞬時空化，接著使能量下降容許量。因此，強(qiáng)或高能量初始脈沖之后緊接或立即接著至少一個較低功率的脈沖，是獲得上述所希望的性能的關(guān)鍵調(diào)制功率輸送方法在本文所論述的環(huán)境中，超聲能量的施加可以稱為強(qiáng)或高能量短脈沖，其被施加較短的持續(xù)時間，接著是降低所施加的超聲能量。這樣的波形包括但不限于那些示于圖22a～22i的波形。如圖20所示，空化能量與功率的施加有關(guān)，但事實上空化能量可以發(fā)生在與超聲能量施加時期不同的時期。例如，但不是限制，超聲能量可以施加大約3毫秒，在3毫秒期間達(dá)到峰值，然而所產(chǎn)生的空化能量可以在較后的時間達(dá)到峰值，如在6毫秒?？梢圆捎煤?或觀測更長或更短的時間，而區(qū)分時間段的有效性取決于在其中采用多種時間段的環(huán)境。
根據(jù)上述，依賴于輸出條件，通過超聲裝置在不同的環(huán)境中可以產(chǎn)生瞬時或穩(wěn)定的空化。這種空化可以用于除本文披露的那些環(huán)境以外的不同的環(huán)境，包括但不限于診斷環(huán)境以及化學(xué)處理環(huán)境?？栈部梢杂糜卺t(yī)療處理或增強(qiáng)醫(yī)療處理。醫(yī)療處理的增強(qiáng)可以包括，例如，幫助或加速醫(yī)療處理。就化學(xué)處理而言，以所描述的方式施加能量可傾向于使起因于超聲能量傳輸?shù)臒崃孔钚』?，以及可以傾向于使實現(xiàn)給定化學(xué)結(jié)果所需要的輸入能量最小化。
瞬時空化傾向于需要某些特定條件，以在晶狀體環(huán)境中有效地發(fā)生，包括但不限于在流體中可獲得適當(dāng)尺寸的初始?xì)馀莺?或溶解氣體。當(dāng)由于在連續(xù)功率施加模式中存在低流動或高輸出水平的情況下、適當(dāng)尺寸的氣泡和/或溶解氣體不可獲得時，瞬時空穴傾向于轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定空穴。在瞬時空穴中存在的能量傾向于高于穩(wěn)定空穴中存在的能量。與恒定能量相反，脈沖能量可以提供某些優(yōu)點，如能使流體重新提供適當(dāng)尺寸的氣泡，以促進(jìn)瞬時空穴、消耗和輸送較小的總功率、并具有較小的對組織引起熱損傷的可能性。另外，對于本文描述的晶狀體系統(tǒng)，在脈沖能量輸送模式存在的情況下，空化需要大約2或3毫秒獲得最大值。當(dāng)瞬時空穴轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定空穴時，空穴開始減少。
當(dāng)根據(jù)本論述進(jìn)行編程時，本文描述的能量的脈沖發(fā)送可以用軟件、硬件、固件、或其任何組合、或利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何裝置或儀器來進(jìn)行?？梢杂密浖崿F(xiàn)的本發(fā)明的操作的實例方框圖在圖23中示出，它是圖13的實施的延伸。根據(jù)圖23，在評估脈沖模式是否允許后，該系統(tǒng)評估增強(qiáng)的脈沖模式是否能夠進(jìn)行。如果不允許，該系統(tǒng)則根據(jù)圖13進(jìn)行。
如果允許增強(qiáng)的脈沖模式，則接受要求的設(shè)置。要求的設(shè)置可以包括但不限于總的循環(huán)時間、所希望要執(zhí)行的步驟或功能(雕刻、劈裂等)、提供瞬時脈沖或長連續(xù)時期的功率施加的愿望、所希望的瞬時空化能量施加振幅、所希望的瞬時空化能量施加時間、所希望的低振幅能量水平、所希望的低振幅能量持續(xù)時間、瞬時施加能量脈沖之間的間歇、和/或其他有關(guān)的信息。在確定要求的設(shè)置時可以提供某些查找表，包括但不限于把普遍設(shè)置和所希望設(shè)置的特定性能參數(shù)聯(lián)系起來的表。例如，如果所希望的功能是“劈裂”，那么該系統(tǒng)可以把所希望的“劈裂”功能選擇變成標(biāo)準(zhǔn)化的或預(yù)定的成套性能參數(shù)，如150毫秒“脈沖開”時期，接著是350ms“長停止期”，其中“脈沖開”時期包括1毫秒瞬時空化高能時期，接著是3毫秒低能時期，接著是1毫秒間歇，充分重復(fù)以充滿150毫秒“脈沖開”時期。該系統(tǒng)采用要求的設(shè)置，并將它們變成操作設(shè)置、或操作定時設(shè)置，當(dāng)進(jìn)行超聲能量或功率輸送時，上述操作設(shè)置表示所要求的晶狀體乳化機(jī)頭尖端的操作。
輸入2302表示可選的輸入裝置，如腳踏開關(guān)、電子或軟件開關(guān)、適用于晶狀體乳化機(jī)頭的開關(guān)、或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他輸入裝置，其允許外科醫(yī)師/操作員連接并使超聲功率能夠根據(jù)操作設(shè)置加以應(yīng)用。例如，可以提供腳踏開關(guān)，其發(fā)出開/關(guān)命令，以致當(dāng)按下時功率根據(jù)操作設(shè)置被施加，而當(dāng)未按下時功率則不供給晶狀體乳化機(jī)頭尖端。不同的輸入裝置使不同的操作方式成為可能。例如，可以提供多位置開關(guān)，其允許根據(jù)一個操作設(shè)置施加超聲功率，當(dāng)將開關(guān)移動到另一個位置時則允許根據(jù)不同的操作設(shè)置施加超聲功率?？蛇x擇地，開關(guān)的一個位置可以允許根據(jù)一個操作設(shè)置以一個水平施加功率，而開關(guān)的另一個位置可以使以相同或不同操作定時設(shè)置的較高超聲功率水平成為可能。本文使用的操作設(shè)置指脈沖和/或能量施加的定時以及如本文所述的施加功率的開/關(guān)時期。切換也可以是非線性的，如開關(guān)的一個制動器或裝置，其僅向機(jī)頭30提供沖洗；第二制動器或裝置，其提供泵接通加上沖洗；以及第三制動器或裝置，其提供沖洗和抽吸，其中超聲被引入并可以通過應(yīng)用另外的開關(guān)或腳踏開關(guān)的連接來增加。在這種情況下，按下到第三位置或制動器的腳踏開關(guān)將使操作員或外科醫(yī)師可以根據(jù)基本操作定時設(shè)置和振幅來施加能量，如具有第一瞬時空化誘導(dǎo)振幅的第一操作定時設(shè)置，而進(jìn)一步按下腳踏開關(guān)將允許施加第二操作定時設(shè)置和/或第二振幅。如果希望振幅增加，按下腳踏開關(guān)超過第三制動位置則可以線性地改變振幅從0％的可獲得超聲功率或尖端沖程長度到100％的超聲功率或尖端沖程長度、或0％和100％之間的某個其他值。在本設(shè)計中，在能量施加期間并在100％功率下的振幅范圍通常為約0瓦至35瓦(輸入到機(jī)頭30)。
可以理解，實際上，任何處于本發(fā)明的方針和范圍內(nèi)的操作設(shè)置和操作定時設(shè)置都可以采用。尤其是，該系統(tǒng)使在多個配置或操作定時設(shè)置中的操作成為可能，通常使用者可以借助于計算機(jī)使用每一種。例如，使用者可以利用一個操作定時設(shè)置進(jìn)行劈裂操作，利用另一個操作定時設(shè)置進(jìn)行雕刻操作，以及當(dāng)遇到特殊條件時采用又一個操作定時設(shè)置。這些配置可以動態(tài)地、或“即時地”執(zhí)行。
該系統(tǒng)通常具有幀頻，可以是小于裝置的最小可允許功率開或功率關(guān)時間的任何時間間隔。計數(shù)器對脈沖的數(shù)目計數(shù)，并且如果操作設(shè)置指示以一定幀數(shù)輸送超聲功率，那么一種電子信號形式的指示則在那個幀時被輸送到機(jī)頭尖端。可以采用除示于圖23的實施方式以外的其他實施方式，同時仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖24A說明振幅的自動或使用者控制的變更，其中三種不同的振幅水平具有相同的定時。除不同振幅以外可以獲得交替定時。另外，該系統(tǒng)可以確定接受或遇到如由傳感器檢測到的阻塞的位置，其中傳感器通常位于該系統(tǒng)內(nèi)。如圖3和圖4，機(jī)頭或系統(tǒng)可以采用傳感器來檢測流動或真空(即壓力)條件的變化。由傳感器檢測的流動或真空/壓力條件的變化表明阻塞的存在，在檢測到阻塞存在以后，機(jī)頭或系統(tǒng)可以把阻塞指示反饋到計算機(jī)18。阻塞指示可以引起計算機(jī)18自動地將操作設(shè)置變化為阻塞相關(guān)的操作設(shè)置，如說明于圖24B的操作設(shè)置。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本設(shè)計可以應(yīng)用于進(jìn)行組織抽出的其他系統(tǒng)，如用來除去硬小結(jié)的其他外科手術(shù)，并且并不限于眼或晶狀體乳化步驟。尤其是，應(yīng)當(dāng)明了，通過以本文描述的增強(qiáng)方式施加超聲功率可以進(jìn)行任何類型的硬組織除去、雕刻、或矯形。
雖然為了說明可以有利地應(yīng)用本發(fā)明的方式，已在上文描述了一種方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備用于利用，尤其是，壓電晶狀體乳化機(jī)頭的電壓電流相位關(guān)系來控制傳輸自晶狀體乳化機(jī)頭的超聲功率，以及利用相對較短的脈沖(包括多個短暫功率脈沖，足以在所處的環(huán)境中引起瞬時空化)輸送超聲功率，但應(yīng)當(dāng)明了本發(fā)明并不限于此。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的任何和所有改進(jìn)、變化、或等同替換都應(yīng)認(rèn)為處于如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在包括流體的外科環(huán)境內(nèi)進(jìn)行的外科手術(shù)過程中輸送能量的方法，包括以足以在所述流體內(nèi)引起瞬時空化的第一能量水平施加能量；以及在所述流體內(nèi)獲得所述瞬時空穴以后，以預(yù)定時間段提供能量，所述提供能量包括以低于所述第一能量水平的第二能量水平施加能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預(yù)定時間段小于3毫秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預(yù)定時間段小于1毫秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述提供能量以后的預(yù)定時間段，以第三能量水平提供額外的能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二能量水平基本上為零。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在以所述第二能量水平的提供能量之后，施加微小能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在所述施加微小能量以后，重復(fù)所述施加步驟和提供步驟。
8.一種在與流體關(guān)聯(lián)應(yīng)用的組織去除過程中輸送超聲能量的方法，所述方法包括以能夠在所述流體內(nèi)引起瞬時空化的高能量振幅水平施加能量；以及以低能量振幅水平提供能量，從而達(dá)到將由于超聲能量傳輸引起的有害組織損傷降至最小的效果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，以低能量水平提供能量包括以微小功率水平提供能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括在所述能量提供以后，以第二低能量振幅水平提供額外的能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括在所述能量提供以后停止功率輸送，并在預(yù)定時間段后重復(fù)所述施加步驟和所述提供步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，施加能量發(fā)生的預(yù)定時間段適合于引發(fā)所述瞬時空化。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，施加能量引起具有小于8毫秒持續(xù)時間的空化能量。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，施加能量引起具有小于4毫秒持續(xù)時間的空化能量。
15.一種外科設(shè)備，包括對包括流體的外科區(qū)域施加瞬時能量的裝置，所述瞬時能量施加裝置以足以在所述流體內(nèi)引起瞬時空化的振幅和時間段施加能量；以及在所述時間段后將所述瞬時能量降低到較低振幅能量水平的裝置，從而降低與能量相關(guān)的損傷的風(fēng)險。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，用于降低所述瞬時能量的裝置包括以微小功率水平提供能量的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括在把所述瞬時能量降低到較低振幅能量水平以后，以第二較低振幅能量水平提供額外能量的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括在所述瞬時能量降低以后停止功率輸送的裝置；以及重復(fù)所述施加、降低、以及停止的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括重復(fù)所述施加和降低的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述施加瞬時能量的裝置以小于8毫秒的時間段施加提高水平的瞬時空化能量。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述施加瞬時能量的裝置以小于4毫秒的時間段施加提高水平的瞬時空化能量。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，所述施加裝置包括具有乳化針的晶狀體乳化機(jī)頭以及用于超聲振動所述乳化針的電裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括連接/脫離裝置，其中，當(dāng)要求能量施加時在第一所希望的時間連接所述設(shè)備的操作，以及當(dāng)不要求能量施加時在第二所希望的時間脫離所述設(shè)備的操作。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中，所述連接/脫離裝置包括開關(guān)。
25.一種在晶狀體乳化過程中把經(jīng)過調(diào)制的超聲能量提供給眼區(qū)的方法，所述方法包括以適合于在眼區(qū)的流體內(nèi)引起瞬時空化的高能量水平對所述眼區(qū)施加能量，所述能量施加發(fā)生第一預(yù)定時間段；在所述第一預(yù)定時間段以后降低對所述眼區(qū)施加的能量；等待第二預(yù)定時間段；以及對所述眼區(qū)重復(fù)所述施加步驟和降低步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，完成所述施加和開始所述降低之間的時間基本上為零。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，施加能量導(dǎo)致具有小于8毫秒持續(xù)時間的空化能量。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，施加能量導(dǎo)致具有小于4毫秒持續(xù)時間的空化能量。
29.一種設(shè)備，包括機(jī)頭，具有乳化針和用于超聲振動所述乳化針的電裝置；電源裝置，用于向所述機(jī)頭電裝置提供脈沖電功率；輸入裝置，用于使操作員能夠選擇所述電脈沖的振幅；用于從所述機(jī)頭乳化針提供流體的裝置；以及控制裝置，用于在伴隨有流體的外科環(huán)境中進(jìn)行的外科手術(shù)過程中控制供給機(jī)頭的超聲功率，所述控制裝置通過以足以在所述流體內(nèi)引起瞬時空化的水平和時間段施加功率、以及在所述時間段后將功率降低到較低水平來控制所供給的超聲功率，從而降低損傷的可能性。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置在降低功率到所述較低水平以后，以微小功率水平進(jìn)一步提供能量。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置在經(jīng)過所述時間段后將功率降低到所述較低水平以后，以第二較低水平進(jìn)一步提供額外的能量。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置進(jìn)一步包括在將功率降低到所述較低水平以后，停止功率輸送的裝置；以及用于重復(fù)所述施加、降低、以及停止的裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置進(jìn)一步包括用于重復(fù)所述施加和降低的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，施加功率所述時間段導(dǎo)致具有小于8毫秒持續(xù)時間的空化能量。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，施加功率所述時間段導(dǎo)致具有小于4毫秒持續(xù)時間的空化能量。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，所述控制裝置進(jìn)一步包括連接/脫離裝置，其中，當(dāng)要求能量施加時在第一預(yù)期時間連接所述控制裝置的操作，以及當(dāng)不要求能量施加時在第二預(yù)期時間脫離所述設(shè)備的操作。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)備，其中，所述連接/脫離裝置包括開關(guān)。
38.一種設(shè)備，包括機(jī)頭，具有乳化針和用于超聲振動所述乳化針的電裝置；電源裝置，用于向所述機(jī)頭電裝置提供脈沖電功率；輸入裝置，用于使操作員能夠選擇所述電脈沖的振幅；用于從所述機(jī)頭乳化針提供流體的裝置；以及控制裝置，用于控制提供給所述機(jī)頭的振動機(jī)械功率，所述控制裝置通過以適合于在外科環(huán)境內(nèi)引起瞬時空化的水平和時間段施加功率，來控制所供給的振動機(jī)械功率。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置通過在適合于引起瞬時空化的時間段后降低功率來進(jìn)一步控制功率。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置以經(jīng)過所述輸入裝置規(guī)定的振幅施加降低的功率。
41.根據(jù)權(quán)利要求38所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置通過在以適合于引起瞬時空化的水平和時間段施加功率以后輸送微小能量來控制功率。
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括當(dāng)要求能量施加時在第一預(yù)期時間連接所述控制裝置、以及當(dāng)不要求能量施加時在第二預(yù)期時間脫離所述方法的裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的設(shè)備，其中，所述連接裝置包括開關(guān)。
44.一種在環(huán)境中輸送超聲能量的方法，包括開始以足以在所述環(huán)境內(nèi)引起瞬時空化的水平施加超聲能量一段時間；以及在開始施加以后的第二非零低超聲能量期間降低所施加的超聲能量。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法可用于診斷。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法可用于化學(xué)處理。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，所述施加傾向于使產(chǎn)生自超聲能量傳輸?shù)臒嶙钚　?br> 48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，所述施加傾向于使為實現(xiàn)給定化學(xué)結(jié)果所需要的輸入能量最小。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法可用于醫(yī)療處理。
50.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述方法可用于增強(qiáng)醫(yī)療處理。
51.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述施加和降低使起因于超聲能量傳輸?shù)挠泻M織損傷降至最小程度。
52.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，所述瞬時空化包括在所述環(huán)境內(nèi)，由與所述超聲能力關(guān)聯(lián)的力引起的氣泡的相對快速膨脹和強(qiáng)烈崩潰。
53.一種在包括溶解氣體的環(huán)境內(nèi)輸送超聲能量的方法，所述方法包括在所述環(huán)境內(nèi)施加足以在所述環(huán)境中引起瞬時空化的較高水平的超聲能量，所述瞬時空化包括在所述環(huán)境內(nèi)由與所述超聲能力關(guān)聯(lián)的力引起的溶解氣體的相對快速膨脹和強(qiáng)烈崩潰。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，進(jìn)一步包括在施加所述較高水平的超聲能量以后，在所述環(huán)境內(nèi)施加較低水平的超聲能量。
55.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法可用于診斷。
56.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法可用于化學(xué)處理。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，其中，所述施加傾向于使產(chǎn)生自超聲能量傳輸?shù)臒嶙钚　?br> 58.根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，其中，所述施加傾向于使為實現(xiàn)給定化學(xué)結(jié)果所需要的輸入能量最小。
59.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法可用于醫(yī)療處理。
60.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，所述方法用于增強(qiáng)醫(yī)療處理。
61.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其中，所述施加和降低使起因于超聲能量傳輸?shù)挠泻M織損傷降至最小程度。
62.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其中所述施加使起因于超聲能量傳輸?shù)挠泻M織損傷降至最小程度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在外科手術(shù)如晶狀體乳化期間輸送能量的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備包括在外科手術(shù)過程中輸送能量，該輸送能量包括以足以引起瞬時空化的水平和時間段施加能量，以及在施加能量以后的第二非零低能量期間減少施加的能量。
文檔編號A61B18/18GK1758883SQ200480006743
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者肯尼思·E·卡齊奧斯卡斯, 保羅·W·羅克利, 馬克·謝弗 申請人:眼力健有限公司