超聲手術(shù)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本公開涉及超聲手術(shù)設(shè)備。該設(shè)備包括：輸出具有一頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器；接收所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且以所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所述頻率振蕩的振蕩結(jié)構(gòu)；檢測(cè)所述振蕩結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)并且輸出表示所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的橋電路；接收由所述橋電路輸出的所述信號(hào)、基于所接收的信號(hào)來確定所述振蕩結(jié)構(gòu)在振蕩時(shí)所處的瞬時(shí)頻率并且確定維持所述振蕩結(jié)構(gòu)以其共振頻率振蕩所必需的頻率調(diào)整量并且還確定從所述橋電路接收的信號(hào)的質(zhì)量并且確定接觸所述振蕩結(jié)構(gòu)的材料類型的微控制器，所述質(zhì)量即Q值。一實(shí)施例的目的是改進(jìn)對(duì)于設(shè)備的溫度檢測(cè)以及對(duì)于組織類型的檢測(cè)。一實(shí)施例的效果是改進(jìn)了對(duì)于設(shè)備的溫度檢測(cè)以及對(duì)于組織類型的檢測(cè)。
【專利說明】超聲手術(shù)設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及超聲手術(shù)器械，并且更具體地涉及估計(jì)該超聲手術(shù)器械的溫度和區(qū)分由該超聲手術(shù)器械操作的組織的類型。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲器械被有效地用于許多醫(yī)學(xué)狀況的處理，諸如組織的去除和脈管的燒灼和封閉。利用超聲波的切割器械沿著切割刀片的縱軸利用超聲換能器生成振動(dòng)。通過沿著刀片的長(zhǎng)度布置共振波，在刀片的端部產(chǎn)生高速縱向機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這些器械是有利的，因?yàn)閭魉偷降镀亩瞬康臋C(jī)械振動(dòng)在切割器官組織時(shí)非常有效并且同時(shí)使用通過超聲頻率產(chǎn)生的熱能凝固組織。這樣的器械特別適用于微創(chuàng)程序，諸如內(nèi)窺鏡或腹腔鏡程序，其中刀片穿過套管針到達(dá)手術(shù)部位。
[0003]對(duì)于切割刀片的每一性質(zhì)(例如，長(zhǎng)度、材料、尺寸)，存在沿著刀片的長(zhǎng)度產(chǎn)生共振的一個(gè)或多個(gè)(周期性)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。共振在手術(shù)程序期間導(dǎo)致刀片尖端的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)，并且由此導(dǎo)致最優(yōu)性能。然而，產(chǎn)生有效的切割刀片驅(qū)動(dòng)信號(hào)并不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，施加于切割工具的頻率、電流和電壓必須全部動(dòng)態(tài)地受控，因?yàn)檫@些參數(shù)隨著布置于刀片的變化負(fù)載以及隨著由工具的使用導(dǎo)致的溫度差異而改變。
[0004]出于各種理由，檢測(cè)切割刀片和沿著超聲手術(shù)器械的其他點(diǎn)的溫度會(huì)是有用的，包括用作用于控制超聲器械的反饋機(jī)構(gòu)。并且，因?yàn)橛杀竟_設(shè)想的類型的超聲器械可用于內(nèi)窺鏡和腹腔鏡手術(shù)，其中外科醫(yī)生感受在超聲器械的刀片處正在發(fā)生什么的能力受到限制，因此提供溫度信息確保了外科醫(yī)生可以采用必要的程序以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的手術(shù)結(jié)果。
[0005]傳統(tǒng)上，已經(jīng)通過布置于手術(shù)器械的遠(yuǎn)端處的刀片附近的熱偶來進(jìn)行溫度測(cè)量。然而，熱偶需要單獨(dú)附接于超聲手術(shù)器械，這會(huì)產(chǎn)生問題。即使在附接時(shí)，熱偶需要最少兩個(gè)導(dǎo)線(至少部分由不同金屬構(gòu)成)，這兩個(gè)導(dǎo)線從熱偶的熱結(jié)點(diǎn)沿著該裝置的長(zhǎng)度引導(dǎo)至電壓計(jì)和處理部件。
[0006]用于識(shí)別組織的當(dāng)前系統(tǒng)依賴于包括超聲、CAT和MRI的高成本的掃描機(jī)構(gòu)，或者較低成本的但是受限于視場(chǎng)的方法，諸如通過腹腔鏡的光學(xué)成像。
[0007]因此，存在對(duì)于超聲手術(shù)器械的溫度檢測(cè)的改進(jìn)方法的需要以及進(jìn)一步的對(duì)于組織類型檢測(cè)的改進(jìn)方法的需要。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]為滿足上述需要，本實(shí)用新型的一實(shí)施例的目的是提供一種改進(jìn)對(duì)于超聲手術(shù)設(shè)備的溫度檢測(cè)以及對(duì)于組織類型的檢測(cè)的超聲手術(shù)設(shè)備。
[0009]根據(jù)本公開的一方面，提供一種超聲手術(shù)設(shè)備，其特征在于，其包括:輸出具有一頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器；接收所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且以所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所述頻率振蕩的振蕩結(jié)構(gòu)；檢測(cè)所述振蕩結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)并且輸出表示所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的橋電路；接收由所述橋電路輸出的所述信號(hào)、基于所接收的信號(hào)來確定所述振蕩結(jié)構(gòu)在振蕩時(shí)所處的瞬時(shí)頻率并且確定維持所述振蕩結(jié)構(gòu)以其共振頻率振蕩所必需的頻率調(diào)整量并且還確定從所述橋電路接收的信號(hào)的質(zhì)量并且確定接觸所述振蕩結(jié)構(gòu)的材料類型的微控制器，所述質(zhì)量即Q值。
[0010]根據(jù)一實(shí)施例，將所確定的Q值與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的Q值進(jìn)行比較以確定與所述振蕩結(jié)構(gòu)接觸的所述材料。
[0011]根據(jù)一實(shí)施例，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的所述Q值區(qū)分開選自由濕潤(rùn)組織、干燥組織、致密組織、骨骼和金屬對(duì)象組成的組中的材料類型。
[0012]根據(jù)一實(shí)施例，所確定的Q值考慮由所述振蕩結(jié)構(gòu)的端部處的端部執(zhí)行器施加于所述材料的夾持壓力。
[0013]根據(jù)一實(shí)施例，在檢測(cè)到特定Q值時(shí)，所述超聲手術(shù)設(shè)備確定所述超聲手術(shù)設(shè)備的刀片部分正在接觸所述振蕩結(jié)構(gòu)的端部執(zhí)行器。
[0014]根據(jù)本公開的一方面的效果是提供了一種改進(jìn)對(duì)于設(shè)備溫度的檢測(cè)以及對(duì)于組織類型的檢測(cè)的超聲手術(shù)設(shè)備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]在此參照附圖描述主題器械的各種實(shí)施例，在附圖中:
[0016]圖1是超聲手術(shù)系統(tǒng)的部件的圖示，該超聲手術(shù)系統(tǒng)具有框圖形式的分離的電源、控制、驅(qū)動(dòng)和匹配部件；
[0017]圖2是示出圖1的超聲手術(shù)系統(tǒng)的圖；
[0018]圖2A是示出根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的超聲手術(shù)器械的圖；
[0019]圖3是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的超聲外科術(shù)后器械的電路框圖；
[0020]圖4是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于換能器的基本串聯(lián)電路模型的電路圖；
[0021]圖5是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)換能器的運(yùn)動(dòng)電流的結(jié)合圖4的換能器的電路圖；
[0022]圖6是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的換能器的基本并聯(lián)電路模型的電路圖；
[0023]圖7是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)換能器的運(yùn)動(dòng)電流的結(jié)合圖6的換能器的電路圖；
[0024]圖8是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)換能器的運(yùn)動(dòng)電流的結(jié)合圖4的換能器的電路圖；
[0025]圖9是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于監(jiān)測(cè)換能器的運(yùn)動(dòng)電流的結(jié)合圖6的換能器的電路圖；
[0026]圖10是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的圖2A的超聲手術(shù)系統(tǒng)的部件的圖示，該超聲手術(shù)系統(tǒng)具有框圖形式的集成的電源、控制、驅(qū)動(dòng)和匹配部件；
[0027]圖11是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的相比于相位的與加熱相關(guān)聯(lián)的超聲手術(shù)器械的頻率響應(yīng)的波德圖；
[0028]圖12是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的相比于阻抗的與加熱相關(guān)聯(lián)的超聲手術(shù)器械的頻率響應(yīng)的波德圖；
[0029]圖13是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于獲取超聲手術(shù)器械的共振頻率的簡(jiǎn)化啟動(dòng)例程；[0030]圖14是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的用于根據(jù)頻率響應(yīng)來檢測(cè)超聲手術(shù)器械的溫度的系統(tǒng)的流程圖；
[0031]圖15是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的包括共振器的超聲手術(shù)器械的波導(dǎo)和刀片的一部分的放大輪廓圖；[0032]圖16是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的描繪超聲手術(shù)器械相對(duì)于相位的在操作于空氣中時(shí)和在抓取組織時(shí)的質(zhì)量“Q”的差異的波德圖；以及
[0033]圖17是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的描繪超聲手術(shù)器械相對(duì)于阻抗的在操作于空氣中時(shí)和在抓取組織時(shí)的質(zhì)量“Q”的差異的波德圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下參照附圖描述本公開的具體實(shí)施例。在以下描述中，未詳細(xì)描述公知的功能或構(gòu)造以避免不必要的細(xì)節(jié)模糊本公開。
[0035]應(yīng)理解，所公開的實(shí)施例僅是本公開的示例，其可以體現(xiàn)為各種形式。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為限制性的，而應(yīng)僅僅作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)以及作為用于教示本領(lǐng)域技術(shù)人員以實(shí)際上任何合適的詳細(xì)結(jié)構(gòu)不同地采用本公開的代表性基礎(chǔ)。并且，在此使用的術(shù)語和短語并非旨在限制；而是相反，旨在提供對(duì)本公開的可理解的描述。
[0036]在本公開被公開和描述之前，應(yīng)理解在此使用的術(shù)語用法僅是用于描述具體實(shí)施例的目的而非旨在限制。在本文件中，在此使用的術(shù)語“一”或“一個(gè)”定義為一個(gè)或多于一個(gè)。在此使用的術(shù)語“多個(gè)”定義為兩個(gè)或多于兩個(gè)。在此使用的術(shù)語“另一”定義為至少第二個(gè)或更多個(gè)。在此使用的術(shù)語“包括”和/或“具有”定義為包括(即，開放式語言)。在此使用的術(shù)語“耦合”定義為連接，并不必然是直接地以及并不必然是機(jī)械地。關(guān)系術(shù)語，諸如第一和第二、頂部和底部等可單獨(dú)用于區(qū)分一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作與另一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作，而不必然要求或暗示這樣的實(shí)體或動(dòng)作之間任何實(shí)際的這樣的關(guān)系或順序。術(shù)語“包括”或其任何其他的變型旨在覆蓋非排他的包括，使得包括所列舉的元件的過程、方法、制品或設(shè)備并非包括僅僅那些元件，而是可以包括未明確列舉的或?qū)τ谶@樣的過程、方法、制品或設(shè)備而言固有的其他元件。以“包括…..一”開頭的元件，在沒有更多限制的情況下，并不排除包括該元件的過程、方法、制品或設(shè)備中存在額外的相同元件。
[0037]如在此使用的，術(shù)語“大約”或“大致”適用于所有數(shù)值，無論是否明確指出。這些術(shù)語通常指的是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為等同于所記載的值(即，具有相同功能或結(jié)果)的數(shù)值范圍。在許多情況下，這些術(shù)語可以包括對(duì)于最接近的有效數(shù)字取整的數(shù)值。在本文件中，術(shù)語“縱向”應(yīng)理解為意味著在與正在描述的對(duì)象的伸長(zhǎng)方向相對(duì)應(yīng)的方向。最后，如在此使用的，術(shù)語“遠(yuǎn)側(cè)”和“近側(cè)”是從用戶或外科醫(yī)生的有利位置來考慮的，因此手術(shù)器械的遠(yuǎn)側(cè)端部是在使用時(shí)最遠(yuǎn)離外科醫(yī)生的部分，而近側(cè)端部是大體上最接近用戶的部分。
[0038]應(yīng)理解，在此描述的本公開的實(shí)施例可以包括一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)處理器以及與特定的非處理器電路和其他元件結(jié)合來控制該一個(gè)或多個(gè)處理器以實(shí)施在此描述的超聲手術(shù)器械的一些、大部分或全部功能的唯一存儲(chǔ)的程序指令。非處理器電路可以包括但不限于信號(hào)驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘電路、電源電路以及用戶輸入和輸出元件?？商鎿Q地，在每一個(gè)功能或特定功能的一些組合被實(shí)現(xiàn)為定制邏輯電路的一個(gè)或多個(gè)特定應(yīng)用的集成電路中，或者在由制造商或用戶使得可更新的定制邏輯電路能夠使用的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)中，一些或全部功能可以由不具有存儲(chǔ)的程序指令的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以使用這三個(gè)方案的組合。因此，在此已經(jīng)描述了用于這些功能的方法和裝置。
[0039]在此使用的術(shù)語“程序”、“軟件應(yīng)用”等定義為設(shè)計(jì)用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行的指令序列。“程序”、“計(jì)算機(jī)程序”或“軟件應(yīng)用”可以包括子例程、函數(shù)、程序、目標(biāo)方法、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、可執(zhí)行應(yīng)用程序、小應(yīng)用程序、小服務(wù)程序、源代碼、目標(biāo)代碼、共享庫(kù)/動(dòng)態(tài)加載庫(kù)和/或設(shè)計(jì)用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上執(zhí)行的其他指令序列。
[0040]圖1示出用于對(duì)端部執(zhí)行器施加超聲機(jī)械運(yùn)動(dòng)的已知電路的示意框圖。該電路包括電源102、控制電路104、驅(qū)動(dòng)電路106、匹配電路108、換能器110，并且還包括手柄112和緊固于手柄112并由套管120支撐的波導(dǎo)114 (以虛線圖示)。波導(dǎo)114在其遠(yuǎn)側(cè)端部終止于刀片118。換能器110、波導(dǎo)114和刀片118形成基本共振于相同頻率的振蕩結(jié)構(gòu)。被稱為“端部執(zhí)行器”117的夾持機(jī)構(gòu)暴露波導(dǎo)114的刀片部分118并使其能夠與組織和其他物質(zhì)接觸。通常，端部執(zhí)行器117是樞轉(zhuǎn)臂，其動(dòng)作為對(duì)于臂與刀片118之間的組織進(jìn)行抓取或夾持。然而，在一些裝置中，不存在端部執(zhí)行器117。
[0041]驅(qū)動(dòng)電路104產(chǎn)生高電壓自振蕩信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路104的高電壓輸出饋入匹配電路108，匹配電路108包含信號(hào)平滑部件，該信號(hào)平滑部件進(jìn)而產(chǎn)生饋入換能器110的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(波)。對(duì)于換能器110的振蕩輸入使換能器110的機(jī)械部分以沿著波導(dǎo)114建立共振的幅度和頻率來回運(yùn)動(dòng)。為了共振器械及其部件的最優(yōu)共振和使用壽命，施加至換能器110的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該如實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)的正弦波一樣平滑。為此，選擇匹配電路108、換能器110和波導(dǎo)114以彼此結(jié)合地工作并且全部與彼此頻率敏感。
[0042]因?yàn)樾枰鄬?duì)高電壓(例如，100V或更大)來驅(qū)動(dòng)典型的壓電換能器110，一個(gè)常用的電源是通常高達(dá)15A、120V AC的電力干線(例如，壁裝電源插座)。因此，許多已知的超聲手術(shù)器械與圖1和2所示的相似并且利用臺(tái)面箱(countertop box) 202,臺(tái)面箱202帶有插入電力干線206的電線204以用于供電。通過在匹配電路108的輸出與驅(qū)動(dòng)電路106之間構(gòu)建閉合環(huán)路的鎖相環(huán)路(PLL)維持共振。為此，在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，臺(tái)面箱202總是包含全部的驅(qū)動(dòng)和控制電子裝置104、106和匹配電路108。電源線208將來自箱202的正弦波形傳遞至手柄112內(nèi)的換能器110，并且從而傳遞至波導(dǎo)114。通過監(jiān)測(cè)和維持施加至換能器的恒定電流，共振經(jīng)常處于變化的波導(dǎo)114負(fù)載狀況。
[0043]圖3描繪了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的超聲手術(shù)器械300的框圖。在圖3中，超聲手術(shù)器械300包括微處理器302、時(shí)鐘330、存儲(chǔ)器326、電源304 (例如，電池)、開關(guān)306(例如，一個(gè)或多個(gè)M0SFET)、驅(qū)動(dòng)電路308 (PLL)、變壓器310、信號(hào)平滑電路312 (也稱為匹配電路并且可以是例如槽路(tank circuit))、感測(cè)電路314、換能器316以及終止于超聲切割刀片318的波導(dǎo)320。如在此使用的，“波導(dǎo)運(yùn)動(dòng)生成組件”是至少包括換能器316，但也可以包括諸如驅(qū)動(dòng)電路308 (PLL)、換能器310、信號(hào)平滑電路312和/或感測(cè)電路314的其他部件的子組件。
[0044]作為對(duì)于依賴于如圖2所示的AC干線206的替換，圖3中示出的實(shí)施例利用僅源自電池或電池組的電力，電池或電池組小到足以適配于手柄112內(nèi)或者附到用戶(例如在腰帶處)的小盒子內(nèi)?，F(xiàn)有技術(shù)的電池技術(shù)提供數(shù)厘米高度和寬度以及數(shù)毫米厚度的強(qiáng)大電池。[0045]在圖3的實(shí)施例中，電池304的輸出饋入處理器302并對(duì)其供電。處理器302接收并輸出信號(hào)，并且如以下將描述的，根據(jù)定制邏輯電路或根據(jù)由處理器302執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序來運(yùn)行。裝置300也可以包括存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可讀指令和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，優(yōu)選為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。
[0046]電池304的輸出也進(jìn)入開關(guān)306，其具有由處理器302控制的占空比。通過控制開關(guān)306的接通時(shí)間，處理器302能夠指定最終傳遞至換能器316的電力總量。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)306是電控金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)，盡管其他開關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和切換配置也是適用的。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到雖然以單數(shù)形式描述，但是開關(guān)306可利用2個(gè)或更多的M0SFET。開關(guān)306的輸出饋入驅(qū)動(dòng)電路308，其包含例如相位檢測(cè)PLL和/或低通濾波器和/或壓控振蕩器。開關(guān)306的輸出由處理器302采樣以確定輸出信號(hào)的電壓和電流(在圖3中分別稱為AD2Vin和AD3Iin)。這些值在反饋架構(gòu)中被用于調(diào)節(jié)開關(guān)306的脈沖寬度調(diào)制。例如，取決于來自開關(guān)306的所需的和實(shí)際的輸出，開關(guān)306的占空比可以從大約20%變化到大約80%。
[0047]接收來自開關(guān)306的信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路308包括振蕩電路，該振蕩電路將開關(guān)306的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂欣?5kHZ的單個(gè)超聲頻率的電信號(hào)(在圖3中稱為VC0)。如以下將解釋的，平滑方式的該超聲波形最終饋入換能器316以沿著波導(dǎo)320產(chǎn)生共振正弦波。在電流和電壓在換能器316的輸入處基本同相時(shí)實(shí)現(xiàn)共振。為此，驅(qū)動(dòng)電路308使用PLL以感測(cè)輸入至換能器316的電流和電壓并且將該電流和電壓彼此同步。這一感測(cè)在線328上執(zhí)行，其中電流相位與“運(yùn)動(dòng)的”電壓的相位匹配，和/或電流相位將輸入電壓相位與“運(yùn)動(dòng)的”電流的相位匹配。以下將詳細(xì)地并且結(jié)合附圖解釋測(cè)量運(yùn)動(dòng)的電壓的概念和技術(shù)。
[0048]在驅(qū)動(dòng)電路308的輸出處是變壓器310，其能夠使低電壓信號(hào)逐步提高到較高電壓。注意，在變壓器310之前的所有上游切換以低(即電池驅(qū)動(dòng)的)電壓執(zhí)行。這至少是部分由于驅(qū)動(dòng)電路308有利地使用低接通電阻MOSFET切換裝置的事實(shí)。低接通電阻MOSFET開關(guān)是有益的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生比傳統(tǒng)MOSFET裝置低的熱并且允許更高的電流通過。因此，切換級(jí)(變壓器之前)可以特征化為低電壓/高電流。
[0049]在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，變壓器310將電池電壓逐步提高到120V RMS0變壓器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且因此在此不詳細(xì)解釋。變壓器310的輸出類似于方波400，該波形是不期望的，因?yàn)槠鋵?duì)于特定部件，特別是換能器316，有害。方波還在部件之間生成干擾。本公開的匹配電路312實(shí)質(zhì)上減小或消除了這些問題。
[0050]有時(shí)稱為“槽路”的波整形或匹配電路312使自變壓器310輸出的方波平滑并將該波轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)波(例如，正弦波)。在本公開的一個(gè)實(shí)施例中，匹配電路312是串聯(lián)L-C電路并且受到Kirchhoff電路法則的公知原理控制。然而，在此可以使用任何匹配電路。自匹配電路312輸出的平滑正弦波500隨后饋入換能器316。當(dāng)然，可以從匹配電路312輸出不是平滑正弦波的其他驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0051]換能器316是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理運(yùn)動(dòng)的機(jī)電裝置，這樣的裝置的一個(gè)示例由壓電晶體的疊置體形成。在更廣的意義上，換能器316有時(shí)定義為將信號(hào)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的任何裝置。在本公開中，驅(qū)動(dòng)波(正弦波)輸入至換能器316，換能器316隨后將物理運(yùn)動(dòng)賦予波導(dǎo)320。如將示出的，這一運(yùn)動(dòng)在波導(dǎo)320上建立共振波，從而導(dǎo)致波導(dǎo)320的端部處的運(yùn)動(dòng)。[0052]在換能器316由壓電晶體的疊置體形成的示例性實(shí)施例中，每個(gè)壓電晶體通過絕緣體與下一個(gè)壓電晶體分離。壓電晶體隨著施加至所有晶體的同時(shí)正弦電壓而改變它們的縱向尺度，使得該疊置體作為一個(gè)單元擴(kuò)展和收縮。這些擴(kuò)展和收縮處于由驅(qū)動(dòng)電路308產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率下。換能器316的運(yùn)動(dòng)誘生沿著波導(dǎo)320的長(zhǎng)度的正弦波，從而縱向移動(dòng)在波導(dǎo)320的端部處的尖端刀片318。理想上，刀片318尖端處于“腹點(diǎn)(ant1-node)”，因?yàn)槠涫钦也ǖ囊苿?dòng)點(diǎn)。波導(dǎo)320的最終運(yùn)動(dòng)在波導(dǎo)320的端部處的刀片318中產(chǎn)生“拉鋸(sawing)”運(yùn)動(dòng)，從而提供能夠容易地切過諸如組織和骨骼的許多材料的切割運(yùn)動(dòng)。波導(dǎo)320在這樣受到激勵(lì)時(shí)還生成大量摩擦熱量，該熱量被傳導(dǎo)在波導(dǎo)320正在切割的組織內(nèi)。這一熱量足以立即燒灼正在切割的組織內(nèi)的血管。
[0053]如果施加至換能器316并且沿著波導(dǎo)320行進(jìn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)未處于超聲手術(shù)器械的共振頻率，則最后的腹點(diǎn)將不出現(xiàn)于波導(dǎo)320的刀片318處。在這樣的情況下，波導(dǎo)320的刀片318可橫向于波導(dǎo)320的縱軸而運(yùn)動(dòng)。雖然刀片318的非共振運(yùn)動(dòng)通常是不期望的，但是在特定應(yīng)用中，這樣的非共振運(yùn)動(dòng)對(duì)于特定的時(shí)間段并且為了實(shí)現(xiàn)特定的手術(shù)結(jié)果會(huì)是期望的。
[0054]本公開利用驅(qū)動(dòng)電路308中的PLL以通過監(jiān)測(cè)饋入換能器316的運(yùn)動(dòng)電流與運(yùn)動(dòng)電壓波形之間的相位并且將校正信號(hào)發(fā)送回到驅(qū)動(dòng)電路308來確保波導(dǎo)302的運(yùn)動(dòng)保持沿著波導(dǎo)320的共振。在特定實(shí)施例中，換能器316可在不同平面中切割，從而產(chǎn)生刀片的扭轉(zhuǎn)或纏繞運(yùn)動(dòng)而不是拉鋸運(yùn)動(dòng)。
[0055]圖2A描繪本公開的實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)的另一裝置，示出了電池操作的手持超聲手術(shù)裝置250。與圖1和2所示的實(shí)施例一樣，超聲手術(shù)器械250的遠(yuǎn)側(cè)端部(即，在使用時(shí)該裝置的最遠(yuǎn)離用戶的端部)包括結(jié)合有刀片部分118的端部執(zhí)行器117。端部執(zhí)行器117和刀片118形成在套管120的遠(yuǎn)側(cè)端部，套管120包圍形成在套管120內(nèi)并連接至刀片118的波導(dǎo)114。
[0056]由電池252為超聲手術(shù)裝置250供電。在圖2A中描繪的示例中，電池形成為超聲手術(shù)裝置250的內(nèi)部部件。特別是，電池252在連接至裝置的剩余部分時(shí)形成手柄。在替換設(shè)置中，電池可拆除地容納于手柄的隔間內(nèi)。在2008年11月12日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)12/269,629中詳細(xì)描述了對(duì)于電池的各種替換設(shè)置及其在超聲手術(shù)器械250中的結(jié)合，在此通過引用完整引入。電池本身由一個(gè)或多個(gè)可再充電的電池單元形成。例如，電池可包括串聯(lián)連接的每電池具有單元大致3.7V的標(biāo)稱電壓的四個(gè)電池單元，從而導(dǎo)致大致15V的標(biāo)稱電池電壓。電池252可以是所謂的“智能電池”，意味著其包括如何充電和放電的許多功能受連接至電池252的外殼內(nèi)的電池單元的一個(gè)或多個(gè)微控制器控制，如由智能電池系統(tǒng)實(shí)施者論壇(SBS-1F)于1998年12年11日首次公布的智能電池?cái)?shù)據(jù)規(guī)格書，修訂1.1所描述的。
[0057]集成的換能器和發(fā)生器(TAG)部件256容納發(fā)生器和換能器兩者。如電池252那樣，TAG256可拆除地連接至超聲手術(shù)器械250。因此，在一些實(shí)施例中，僅僅電池252和TAG256是可再使用的，而超聲手術(shù)裝置250的剩余部分(包括套管120、波導(dǎo)114和端部執(zhí)行器117)是一次性的。參照?qǐng)D2A，TAG256的發(fā)生器部分從電池252獲取DC能量并將其轉(zhuǎn)化為AC (即，正弦形式)并控制所轉(zhuǎn)換的能量以對(duì)TAG256的超聲換能器部分供電并且由此驅(qū)動(dòng)形成在套管120內(nèi)的波導(dǎo)114并最終驅(qū)動(dòng)刀片118，如以上參照?qǐng)D3所描述的，或者如以下將參照?qǐng)D10更詳細(xì)地討論的。
[0058]端部執(zhí)行器由致動(dòng)器機(jī)構(gòu)254操作。在電池252的方向上(即，接近地)拉動(dòng)致動(dòng)器254使端部致動(dòng)器117閉合，從而例如在端部執(zhí)行器117中抓取組織。在端部執(zhí)行器117中夾持組織后，用戶按壓扳機(jī)258以使電力從電池傳遞至TAG256并開始其振蕩。TAG256將其振蕩運(yùn)動(dòng)傳送至容納在套管120中的波導(dǎo)140并傳送至刀片118，使得刀片118以超聲手術(shù)器械250的共振頻率或接近該共振頻率振動(dòng)，以便切割、封閉或凝固在端部執(zhí)行器117中夾持的組織。TAG256的換能器部分與波導(dǎo)114和刀片118組合一起形成振蕩結(jié)構(gòu)。
[0059]圖4是包含壓電材料的諸如換能器316或TAG256的換能器部分的模型換能器400的示意電路圖。壓電換能器在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。壓電材料的質(zhì)量和剛度在換能器內(nèi)構(gòu)建機(jī)械共振結(jié)構(gòu)。由于壓電效應(yīng)，這些機(jī)械特性使它們自身表現(xiàn)為電等效特性。換言之，在電端子處所見的電共振頻率等于機(jī)械共振頻率。如圖4中所示，換能器316的機(jī)械質(zhì)量、剛度和阻尼可以由全部與另一個(gè)電容器C1并聯(lián)的電感器/線圈L、電容器C2和電阻器R的串聯(lián)配置表示。電等效換能器模型400相當(dāng)類似于用于晶體的公知模型。
[0060]流入電等效換能器模型400的輸入端410的是換能器電流iT。iT的一部分ic流過并聯(lián)電容器C1，并聯(lián)電容器C1對(duì)于預(yù)期頻率范圍的大部分而言保持基本上靜態(tài)電容值。iT的剩余部分定義為iM，其簡(jiǎn)單地是ατ-υ并且是實(shí)際工作電流。這一剩余部分電流iM在此稱為“運(yùn)動(dòng)”電流。即，運(yùn)動(dòng)電流是實(shí)際執(zhí)行工作以使波導(dǎo)320運(yùn)動(dòng)的電流。
[0061]如以上討論的，一些已知的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)并與總電流iT同步，總電流iT包括并且并不必然是實(shí)際造成換能器316的波導(dǎo)320的運(yùn)動(dòng)的實(shí)際電流量的指示器。例如，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的裝置的刀片從軟組織運(yùn)動(dòng)至諸如其他組織或骨骼的更致密材料時(shí)，電阻R極大地增加。電阻R的這一增加使較少電流iM流過串聯(lián)配置R-L-C2,而更多電流流過電容元件C115在這樣的情況下，波導(dǎo)320 變得緩慢，從而使其性能下降。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，調(diào)節(jié)總電流并不是維持恒定波導(dǎo)速度(即，以共振振蕩)的有效方式。由此，本公開的一個(gè)實(shí)施例監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)流過換能器316的運(yùn)動(dòng)電流iM。通過調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)電流iM，能夠調(diào)節(jié)波導(dǎo)320的運(yùn)動(dòng)距離。
[0062]圖5是用于理解如何獲得換能器400的運(yùn)動(dòng)電流iM的創(chuàng)新電路500的示意電路圖。電路500具有換能器400的全部電路元件以及與圖4的換能器400并聯(lián)的附加橋接電容元件CB。然而，選擇Cb的值以使得CVCb等于給定比率r。為了效率，對(duì)于Cb的所選值應(yīng)該相對(duì)較低。這限制了從iM轉(zhuǎn)移的電流。在電路500的端子502和504之間施加可變電源Vt，從而產(chǎn)生通過電容元件Cb的電流iB、流入換能器400的電流iT、流過電容器C1的電流ic以及最后的運(yùn)動(dòng)電流iM。貝1J得到iM=iT_r*iB。這是因?yàn)?.^ Wr Cl dVr.^ Wr
【權(quán)利要求】
1.一種超聲手術(shù)設(shè)備，其特征在于，其包括: 輸出具有一頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器； 接收所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且以所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的所述頻率振蕩的振蕩結(jié)構(gòu)； 檢測(cè)所述振蕩結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)并且輸出表示所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的橋電路； 接收由所述橋電路輸出的所述信號(hào)、基于所接收的信號(hào)來確定所述振蕩結(jié)構(gòu)在振蕩時(shí)所處的瞬時(shí)頻率并且確定維持所述振蕩結(jié)構(gòu)以其共振頻率振蕩所必需的頻率調(diào)整量并且還確定從所述橋電路接收的信號(hào)的質(zhì)量并且確定接觸所述振蕩結(jié)構(gòu)的材料類型的微控制器，所述質(zhì)量即Q值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，其還包括存儲(chǔ)器，并且所述微控制器將所確定的Q值與存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的Q值進(jìn)行比較以確定與所述振蕩結(jié)構(gòu)接觸的所述材料。
【文檔編號(hào)】A61B17/3209GK203483460SQ201320332584
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月11日
【發(fā)明者】A·B·羅斯, D·J·萬圖爾, D·普里塞 申請(qǐng)人:科維蒂恩有限合伙公司