超声手术设备的制作方法
【专利摘要】本公开涉及超声手术设备。该设备包括：输出具有一频率的驱动信号的信号发生器；接收所述驱动信号并且以所述驱动信号的所述频率振荡的振荡结构；检测所述振荡结构的机械运动并且输出表示所述机械运动的信号的桥电路；接收由所述桥电路输出的所述信号、基于所接收的信号来确定所述振荡结构在振荡时所处的瞬时频率并且确定维持所述振荡结构以其共振频率振荡所必需的频率调整量并且还确定从所述桥电路接收的信号的质量并且确定接触所述振荡结构的材料类型的微控制器，所述质量即Q值。一实施例的目的是改进对于设备的温度检测以及对于组织类型的检测。一实施例的效果是改进了对于设备的温度检测以及对于组织类型的检测。
【专利说明】超声手术设备
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及超声手术器械，并且更具体地涉及估计该超声手术器械的温度和区分由该超声手术器械操作的组织的类型。
【背景技术】
[0002]超声器械被有效地用于许多医学状况的处理，诸如组织的去除和脉管的烧灼和封闭。利用超声波的切割器械沿着切割刀片的纵轴利用超声换能器生成振动。通过沿着刀片的长度布置共振波，在刀片的端部产生高速纵向机械运动。这些器械是有利的，因为传送到刀片的端部的机械振动在切割器官组织时非常有效并且同时使用通过超声频率产生的热能凝固组织。这样的器械特别适用于微创程序，诸如内窥镜或腹腔镜程序，其中刀片穿过套管针到达手术部位。
[0003]对于切割刀片的每一性质(例如，长度、材料、尺寸)，存在沿着刀片的长度产生共振的一个或多个(周期性)驱动信号。共振在手术程序期间导致刀片尖端的最优运动，并且由此导致最优性能。然而，产生有效的切割刀片驱动信号并不是简单的任务。例如，施加于切割工具的频率、电流和电压必须全部动态地受控，因为这些参数随着布置于刀片的变化负载以及随着由工具的使用导致的温度差异而改变。
[0004]出于各种理由，检测切割刀片和沿着超声手术器械的其他点的温度会是有用的，包括用作用于控制超声器械的反馈机构。并且，因为由本公开设想的类型的超声器械可用于内窥镜和腹腔镜手术，其中外科医生感受在超声器械的刀片处正在发生什么的能力受到限制，因此提供温度信息确保了外科医生可以采用必要的程序以实现最优的手术结果。
[0005]传统上，已经通过布置于手术器械的远端处的刀片附近的热偶来进行温度测量。然而，热偶需要单独附接于超声手术器械，这会产生问题。即使在附接时，热偶需要最少两个导线(至少部分由不同金属构成)，这两个导线从热偶的热结点沿着该装置的长度引导至电压计和处理部件。
[0006]用于识别组织的当前系统依赖于包括超声、CAT和MRI的高成本的扫描机构，或者较低成本的但是受限于视场的方法，诸如通过腹腔镜的光学成像。
[0007]因此，存在对于超声手术器械的温度检测的改进方法的需要以及进一步的对于组织类型检测的改进方法的需要。
实用新型内容
[0008]为满足上述需要，本实用新型的一实施例的目的是提供一种改进对于超声手术设备的温度检测以及对于组织类型的检测的超声手术设备。
[0009]根据本公开的一方面，提供一种超声手术设备，其特征在于，其包括:输出具有一频率的驱动信号的信号发生器；接收所述驱动信号并且以所述驱动信号的所述频率振荡的振荡结构；检测所述振荡结构的机械运动并且输出表示所述机械运动的信号的桥电路；接收由所述桥电路输出的所述信号、基于所接收的信号来确定所述振荡结构在振荡时所处的瞬时频率并且确定维持所述振荡结构以其共振频率振荡所必需的频率调整量并且还确定从所述桥电路接收的信号的质量并且确定接触所述振荡结构的材料类型的微控制器，所述质量即Q值。
[0010]根据一实施例，将所确定的Q值与存储在存储器中的Q值进行比较以确定与所述振荡结构接触的所述材料。
[0011]根据一实施例，存储在存储器中的所述Q值区分开选自由湿润组织、干燥组织、致密组织、骨骼和金属对象组成的组中的材料类型。
[0012]根据一实施例，所确定的Q值考虑由所述振荡结构的端部处的端部执行器施加于所述材料的夹持压力。
[0013]根据一实施例，在检测到特定Q值时，所述超声手术设备确定所述超声手术设备的刀片部分正在接触所述振荡结构的端部执行器。
[0014]根据本公开的一方面的效果是提供了一种改进对于设备温度的检测以及对于组织类型的检测的超声手术设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]在此参照附图描述主题器械的各种实施例，在附图中:
[0016]图1是超声手术系统的部件的图示，该超声手术系统具有框图形式的分离的电源、控制、驱动和匹配部件；
[0017]图2是示出图1的超声手术系统的图；
[0018]图2A是示出根据本公开的示例性实施例的超声手术器械的图；
[0019]图3是根据本公开的示例性实施例的超声外科术后器械的电路框图；
[0020]图4是根据本公开的示例性实施例的用于换能器的基本串联电路模型的电路图；
[0021]图5是根据本公开的示例性实施例的用于监测换能器的运动电流的结合图4的换能器的电路图；
[0022]图6是根据本公开的示例性实施例的换能器的基本并联电路模型的电路图；
[0023]图7是根据本公开的示例性实施例的用于监测换能器的运动电流的结合图6的换能器的电路图；
[0024]图8是根据本公开的示例性实施例的用于监测换能器的运动电流的结合图4的换能器的电路图；
[0025]图9是根据本公开的示例性实施例的用于监测换能器的运动电流的结合图6的换能器的电路图；
[0026]图10是根据本公开的示例性实施例的图2A的超声手术系统的部件的图示，该超声手术系统具有框图形式的集成的电源、控制、驱动和匹配部件；
[0027]图11是根据本公开的示例性实施例的相比于相位的与加热相关联的超声手术器械的频率响应的波德图；
[0028]图12是根据本公开的示例性实施例的相比于阻抗的与加热相关联的超声手术器械的频率响应的波德图；
[0029]图13是根据本公开的示例性实施例的用于获取超声手术器械的共振频率的简化启动例程；[0030]图14是根据本公开的示例性实施例的用于根据频率响应来检测超声手术器械的温度的系统的流程图；
[0031]图15是根据本公开的示例性实施例的包括共振器的超声手术器械的波导和刀片的一部分的放大轮廓图；[0032]图16是根据本公开的示例性实施例的描绘超声手术器械相对于相位的在操作于空气中时和在抓取组织时的质量“Q”的差异的波德图；以及
[0033]图17是根据本公开的示例性实施例的描绘超声手术器械相对于阻抗的在操作于空气中时和在抓取组织时的质量“Q”的差异的波德图。
【具体实施方式】
[0034]以下参照附图描述本公开的具体实施例。在以下描述中，未详细描述公知的功能或构造以避免不必要的细节模糊本公开。
[0035]应理解，所公开的实施例仅是本公开的示例，其可以体现为各种形式。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而应仅仅作为权利要求的基础以及作为用于教示本领域技术人员以实际上任何合适的详细结构不同地采用本公开的代表性基础。并且，在此使用的术语和短语并非旨在限制；而是相反，旨在提供对本公开的可理解的描述。
[0036]在本公开被公开和描述之前，应理解在此使用的术语用法仅是用于描述具体实施例的目的而非旨在限制。在本文件中，在此使用的术语“一”或“一个”定义为一个或多于一个。在此使用的术语“多个”定义为两个或多于两个。在此使用的术语“另一”定义为至少第二个或更多个。在此使用的术语“包括”和/或“具有”定义为包括(即，开放式语言)。在此使用的术语“耦合”定义为连接，并不必然是直接地以及并不必然是机械地。关系术语，诸如第一和第二、顶部和底部等可单独用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必然要求或暗示这样的实体或动作之间任何实际的这样的关系或顺序。术语“包括”或其任何其他的变型旨在覆盖非排他的包括，使得包括所列举的元件的过程、方法、制品或设备并非包括仅仅那些元件，而是可以包括未明确列举的或对于这样的过程、方法、制品或设备而言固有的其他元件。以“包括…..一”开头的元件，在没有更多限制的情况下，并不排除包括该元件的过程、方法、制品或设备中存在额外的相同元件。
[0037]如在此使用的，术语“大约”或“大致”适用于所有数值，无论是否明确指出。这些术语通常指的是本领域技术人员将认为等同于所记载的值(即，具有相同功能或结果)的数值范围。在许多情况下，这些术语可以包括对于最接近的有效数字取整的数值。在本文件中，术语“纵向”应理解为意味着在与正在描述的对象的伸长方向相对应的方向。最后，如在此使用的，术语“远侧”和“近侧”是从用户或外科医生的有利位置来考虑的，因此手术器械的远侧端部是在使用时最远离外科医生的部分，而近侧端部是大体上最接近用户的部分。
[0038]应理解，在此描述的本公开的实施例可以包括一个或多个传统处理器以及与特定的非处理器电路和其他元件结合来控制该一个或多个处理器以实施在此描述的超声手术器械的一些、大部分或全部功能的唯一存储的程序指令。非处理器电路可以包括但不限于信号驱动器、时钟电路、电源电路以及用户输入和输出元件。可替换地，在每一个功能或特定功能的一些组合被实现为定制逻辑电路的一个或多个特定应用的集成电路中，或者在由制造商或用户使得可更新的定制逻辑电路能够使用的现场可编程门阵列(FPGA)中，一些或全部功能可以由不具有存储的程序指令的状态机实现。当然，也可以使用这三个方案的组合。因此，在此已经描述了用于这些功能的方法和装置。
[0039]在此使用的术语“程序”、“软件应用”等定义为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。“程序”、“计算机程序”或“软件应用”可以包括子例程、函数、程序、目标方法、目标实现、可执行应用程序、小应用程序、小服务程序、源代码、目标代码、共享库/动态加载库和/或设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。
[0040]图1示出用于对端部执行器施加超声机械运动的已知电路的示意框图。该电路包括电源102、控制电路104、驱动电路106、匹配电路108、换能器110，并且还包括手柄112和紧固于手柄112并由套管120支撑的波导114 (以虚线图示)。波导114在其远侧端部终止于刀片118。换能器110、波导114和刀片118形成基本共振于相同频率的振荡结构。被称为“端部执行器”117的夹持机构暴露波导114的刀片部分118并使其能够与组织和其他物质接触。通常，端部执行器117是枢转臂，其动作为对于臂与刀片118之间的组织进行抓取或夹持。然而，在一些装置中，不存在端部执行器117。
[0041]驱动电路104产生高电压自振荡信号。驱动电路104的高电压输出馈入匹配电路108，匹配电路108包含信号平滑部件，该信号平滑部件进而产生馈入换能器110的驱动信号(波)。对于换能器110的振荡输入使换能器110的机械部分以沿着波导114建立共振的幅度和频率来回运动。为了共振器械及其部件的最优共振和使用寿命，施加至换能器110的驱动信号应该如实际上能够实现的正弦波一样平滑。为此，选择匹配电路108、换能器110和波导114以彼此结合地工作并且全部与彼此频率敏感。
[0042]因为需要相对高电压(例如，100V或更大)来驱动典型的压电换能器110，一个常用的电源是通常高达15A、120V AC的电力干线(例如，壁装电源插座)。因此，许多已知的超声手术器械与图1和2所示的相似并且利用台面箱(countertop box) 202,台面箱202带有插入电力干线206的电线204以用于供电。通过在匹配电路108的输出与驱动电路106之间构建闭合环路的锁相环路(PLL)维持共振。为此，在现有技术的装置中，台面箱202总是包含全部的驱动和控制电子装置104、106和匹配电路108。电源线208将来自箱202的正弦波形传递至手柄112内的换能器110，并且从而传递至波导114。通过监测和维持施加至换能器的恒定电流，共振经常处于变化的波导114负载状况。
[0043]图3描绘了根据本公开的一个实施例的超声手术器械300的框图。在图3中，超声手术器械300包括微处理器302、时钟330、存储器326、电源304 (例如，电池)、开关306(例如，一个或多个M0SFET)、驱动电路308 (PLL)、变压器310、信号平滑电路312 (也称为匹配电路并且可以是例如槽路(tank circuit))、感测电路314、换能器316以及终止于超声切割刀片318的波导320。如在此使用的，“波导运动生成组件”是至少包括换能器316，但也可以包括诸如驱动电路308 (PLL)、换能器310、信号平滑电路312和/或感测电路314的其他部件的子组件。
[0044]作为对于依赖于如图2所示的AC干线206的替换，图3中示出的实施例利用仅源自电池或电池组的电力，电池或电池组小到足以适配于手柄112内或者附到用户(例如在腰带处)的小盒子内。现有技术的电池技术提供数厘米高度和宽度以及数毫米厚度的强大电池。[0045]在图3的实施例中，电池304的输出馈入处理器302并对其供电。处理器302接收并输出信号，并且如以下将描述的，根据定制逻辑电路或根据由处理器302执行的计算机程序来运行。装置300也可以包括存储计算机可读指令和数据的主存储器，优选为随机存取存储器(RAM)。
[0046]电池304的输出也进入开关306，其具有由处理器302控制的占空比。通过控制开关306的接通时间，处理器302能够指定最终传递至换能器316的电力总量。在一个实施例中，开关306是电控金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)，尽管其他开关、场效应晶体管(FET)和切换配置也是适用的。并且，本领域技术人员将认识到虽然以单数形式描述，但是开关306可利用2个或更多的M0SFET。开关306的输出馈入驱动电路308，其包含例如相位检测PLL和/或低通滤波器和/或压控振荡器。开关306的输出由处理器302采样以确定输出信号的电压和电流(在图3中分别称为AD2Vin和AD3Iin)。这些值在反馈架构中被用于调节开关306的脉冲宽度调制。例如，取决于来自开关306的所需的和实际的输出，开关306的占空比可以从大约20%变化到大约80%。
[0047]接收来自开关306的信号的驱动电路308包括振荡电路，该振荡电路将开关306的输出转变为具有例如55kHZ的单个超声频率的电信号(在图3中称为VC0)。如以下将解释的，平滑方式的该超声波形最终馈入换能器316以沿着波导320产生共振正弦波。在电流和电压在换能器316的输入处基本同相时实现共振。为此，驱动电路308使用PLL以感测输入至换能器316的电流和电压并且将该电流和电压彼此同步。这一感测在线328上执行，其中电流相位与“运动的”电压的相位匹配，和/或电流相位将输入电压相位与“运动的”电流的相位匹配。以下将详细地并且结合附图解释测量运动的电压的概念和技术。
[0048]在驱动电路308的输出处是变压器310，其能够使低电压信号逐步提高到较高电压。注意，在变压器310之前的所有上游切换以低(即电池驱动的)电压执行。这至少是部分由于驱动电路308有利地使用低接通电阻MOSFET切换装置的事实。低接通电阻MOSFET开关是有益的，因为它们产生比传统MOSFET装置低的热并且允许更高的电流通过。因此，切换级(变压器之前)可以特征化为低电压/高电流。
[0049]在本公开的一个实施例中，变压器310将电池电压逐步提高到120V RMS0变压器在现有技术中是已知的，并且因此在此不详细解释。变压器310的输出类似于方波400，该波形是不期望的，因为其对于特定部件，特别是换能器316，有害。方波还在部件之间生成干扰。本公开的匹配电路312实质上减小或消除了这些问题。
[0050]有时称为“槽路”的波整形或匹配电路312使自变压器310输出的方波平滑并将该波转变为驱动波(例如，正弦波)。在本公开的一个实施例中，匹配电路312是串联L-C电路并且受到Kirchhoff电路法则的公知原理控制。然而，在此可以使用任何匹配电路。自匹配电路312输出的平滑正弦波500随后馈入换能器316。当然，可以从匹配电路312输出不是平滑正弦波的其他驱动信号。
[0051]换能器316是将电信号转换为物理运动的机电装置，这样的装置的一个示例由压电晶体的叠置体形成。在更广的意义上，换能器316有时定义为将信号从一种形式转换为另一种形式的任何装置。在本公开中，驱动波(正弦波)输入至换能器316，换能器316随后将物理运动赋予波导320。如将示出的，这一运动在波导320上建立共振波，从而导致波导320的端部处的运动。[0052]在换能器316由压电晶体的叠置体形成的示例性实施例中，每个压电晶体通过绝缘体与下一个压电晶体分离。压电晶体随着施加至所有晶体的同时正弦电压而改变它们的纵向尺度，使得该叠置体作为一个单元扩展和收缩。这些扩展和收缩处于由驱动电路308产生的驱动信号的频率下。换能器316的运动诱生沿着波导320的长度的正弦波，从而纵向移动在波导320的端部处的尖端刀片318。理想上，刀片318尖端处于“腹点(ant1-node)”，因为其是正弦波的移动点。波导320的最终运动在波导320的端部处的刀片318中产生“拉锯(sawing)”运动，从而提供能够容易地切过诸如组织和骨骼的许多材料的切割运动。波导320在这样受到激励时还生成大量摩擦热量，该热量被传导在波导320正在切割的组织内。这一热量足以立即烧灼正在切割的组织内的血管。
[0053]如果施加至换能器316并且沿着波导320行进的驱动信号未处于超声手术器械的共振频率，则最后的腹点将不出现于波导320的刀片318处。在这样的情况下，波导320的刀片318可横向于波导320的纵轴而运动。虽然刀片318的非共振运动通常是不期望的，但是在特定应用中，这样的非共振运动对于特定的时间段并且为了实现特定的手术结果会是期望的。
[0054]本公开利用驱动电路308中的PLL以通过监测馈入换能器316的运动电流与运动电压波形之间的相位并且将校正信号发送回到驱动电路308来确保波导302的运动保持沿着波导320的共振。在特定实施例中，换能器316可在不同平面中切割，从而产生刀片的扭转或缠绕运动而不是拉锯运动。
[0055]图2A描绘本公开的实施例可以实现的另一装置，示出了电池操作的手持超声手术装置250。与图1和2所示的实施例一样，超声手术器械250的远侧端部(即，在使用时该装置的最远离用户的端部)包括结合有刀片部分118的端部执行器117。端部执行器117和刀片118形成在套管120的远侧端部，套管120包围形成在套管120内并连接至刀片118的波导114。
[0056]由电池252为超声手术装置250供电。在图2A中描绘的示例中，电池形成为超声手术装置250的内部部件。特别是，电池252在连接至装置的剩余部分时形成手柄。在替换设置中，电池可拆除地容纳于手柄的隔间内。在2008年11月12日提交的共同转让的美国申请序列号12/269,629中详细描述了对于电池的各种替换设置及其在超声手术器械250中的结合，在此通过引用完整引入。电池本身由一个或多个可再充电的电池单元形成。例如，电池可包括串联连接的每电池具有单元大致3.7V的标称电压的四个电池单元，从而导致大致15V的标称电池电压。电池252可以是所谓的“智能电池”，意味着其包括如何充电和放电的许多功能受连接至电池252的外壳内的电池单元的一个或多个微控制器控制，如由智能电池系统实施者论坛(SBS-1F)于1998年12年11日首次公布的智能电池数据规格书，修订1.1所描述的。
[0057]集成的换能器和发生器(TAG)部件256容纳发生器和换能器两者。如电池252那样，TAG256可拆除地连接至超声手术器械250。因此，在一些实施例中，仅仅电池252和TAG256是可再使用的，而超声手术装置250的剩余部分(包括套管120、波导114和端部执行器117)是一次性的。参照图2A，TAG256的发生器部分从电池252获取DC能量并将其转化为AC (即，正弦形式)并控制所转换的能量以对TAG256的超声换能器部分供电并且由此驱动形成在套管120内的波导114并最终驱动刀片118，如以上参照图3所描述的，或者如以下将参照图10更详细地讨论的。
[0058]端部执行器由致动器机构254操作。在电池252的方向上(即，接近地)拉动致动器254使端部致动器117闭合，从而例如在端部执行器117中抓取组织。在端部执行器117中夹持组织后，用户按压扳机258以使电力从电池传递至TAG256并开始其振荡。TAG256将其振荡运动传送至容纳在套管120中的波导140并传送至刀片118，使得刀片118以超声手术器械250的共振频率或接近该共振频率振动，以便切割、封闭或凝固在端部执行器117中夹持的组织。TAG256的换能器部分与波导114和刀片118组合一起形成振荡结构。
[0059]图4是包含压电材料的诸如换能器316或TAG256的换能器部分的模型换能器400的示意电路图。压电换能器在现有技术中是公知的。压电材料的质量和刚度在换能器内构建机械共振结构。由于压电效应，这些机械特性使它们自身表现为电等效特性。换言之，在电端子处所见的电共振频率等于机械共振频率。如图4中所示，换能器316的机械质量、刚度和阻尼可以由全部与另一个电容器C1并联的电感器/线圈L、电容器C2和电阻器R的串联配置表示。电等效换能器模型400相当类似于用于晶体的公知模型。
[0060]流入电等效换能器模型400的输入端410的是换能器电流iT。iT的一部分ic流过并联电容器C1，并联电容器C1对于预期频率范围的大部分而言保持基本上静态电容值。iT的剩余部分定义为iM，其简单地是ατ-υ并且是实际工作电流。这一剩余部分电流iM在此称为“运动”电流。即，运动电流是实际执行工作以使波导320运动的电流。
[0061]如以上讨论的，一些已知的设计调节并与总电流iT同步，总电流iT包括并且并不必然是实际造成换能器316的波导320的运动的实际电流量的指示器。例如，当现有技术的装置的刀片从软组织运动至诸如其他组织或骨骼的更致密材料时，电阻R极大地增加。电阻R的这一增加使较少电流iM流过串联配置R-L-C2,而更多电流流过电容元件C115在这样的情况下，波导320 变得缓慢，从而使其性能下降。本领域技术人员可以理解，调节总电流并不是维持恒定波导速度(即，以共振振荡)的有效方式。由此，本公开的一个实施例监测并调节流过换能器316的运动电流iM。通过调节运动电流iM，能够调节波导320的运动距离。
[0062]图5是用于理解如何获得换能器400的运动电流iM的创新电路500的示意电路图。电路500具有换能器400的全部电路元件以及与图4的换能器400并联的附加桥接电容元件CB。然而，选择Cb的值以使得CVCb等于给定比率r。为了效率，对于Cb的所选值应该相对较低。这限制了从iM转移的电流。在电路500的端子502和504之间施加可变电源Vt，从而产生通过电容元件Cb的电流iB、流入换能器400的电流iT、流过电容器C1的电流ic以及最后的运动电流iM。贝1J得到iM=iT_r*iB。这是因为:.^ Wr Cl dVr.^ Wr
【权利要求】
1.一种超声手术设备，其特征在于，其包括: 输出具有一频率的驱动信号的信号发生器； 接收所述驱动信号并且以所述驱动信号的所述频率振荡的振荡结构； 检测所述振荡结构的机械运动并且输出表示所述机械运动的信号的桥电路； 接收由所述桥电路输出的所述信号、基于所接收的信号来确定所述振荡结构在振荡时所处的瞬时频率并且确定维持所述振荡结构以其共振频率振荡所必需的频率调整量并且还确定从所述桥电路接收的信号的质量并且确定接触所述振荡结构的材料类型的微控制器，所述质量即Q值。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其还包括存储器，并且所述微控制器将所确定的Q值与存储在所述存储器中的Q值进行比较以确定与所述振荡结构接触的所述材料。
【文档编号】A61B17/3209GK203483460SQ201320332584
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】A·B·罗斯, D·J·万图尔, D·普里塞 申请人:科维蒂恩有限合伙公司