作为手持器具的机械阻抗的函数来驱动超声手持器具的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上设及超声驱动的手术手持器具。更具体而言，本发明设及将驱动信 号作为手持器具的机械部件的阻抗的变化的函数而施加到手持器具。
【背景技术】
[0002] 超声手术仪器是用于执行某些医疗和手术流程的有用的手术仪器。通常，超声手 术工具包括手持器具，手持器具包含至少一个压电驱动器。顶端(tip)机械禪合到驱动器并 且从驱动器设置在的外壳或壳体向前延伸。顶端具有头部。头部具备特征，该特征通常是被 规格W完成特定医疗/手术任务的齿部或凹槽(flute)。超声工具系统还包括控制台。控制 台向驱动器供应AC驱动信号。一旦向驱动器施加驱动信号，驱动器就周期性地扩张和收缩。 驱动器的扩张/收缩诱导顶端的类似运动，更具体而言，诱导顶端的头部的类似运动。当顶 端运样运动时，顶端被视为正在振动。紧靠组织来施加顶端的正在振动的头部W执行特定 手术或医疗任务。例如，紧靠硬组织来施加一些顶端头部。硬组织的一种形式是骨头。当振 动该类型的顶端头部时，顶端头部的来回振动移除、银开邻近的硬组织。还将其它的顶端头 部设计为紧靠软组织而放置。当该顶端头部振动时，齿部通常通过切割动作来移除组织。一 些超声工具还通过在组织和周围液体中诱导空化来移除组织。空化作为顶端头部来回运动 的结果而发生。具体而言，作为运些振动的结果，小空孔、空腔形成在组织和周围液体中。运 些空腔是具有极低压力的非常小的区域。压力差产生于形成组织的细胞的内容物和运些空 腔之间。由于该压力差的相对大的大小，细胞壁破裂。运些细胞壁的破裂移除形成组织的细 胞、使其脱离。
[0003] 超声顶端的头部通常相对小。一些头部具有小于1.0cm的直径。超声工具本质上只 移除与施加头部处邻近的组织。因此，由于它们的头部的相对小的表面面积，超声手持器具 已经被证明是精准移除硬组织和软组织两者的有用的工具。
[0004] 对于超声手术仪器(有时被称为手持器具或工具），为了有效地起作用，应该向工 具施加具有合适特性的驱动信号。如果驱动信号不具有合适特性，顶端头部可能经历小于 最佳振幅的振动和/或可能不尽可能快地振动。如果手持器具在任一状态，手持器具在给定 瞬间移除组织的能力可能明显地降低。
[0005] 确保超声手持器具有效操作的一个方式是向手持器具施加在手持器具的共振频 率处的驱动信号。当驱动信号在给定电压或电流处时，施加在共振频率处的驱动信号诱导 顶端的振动，与施加在偏共振的频率处的相同电压相比，该振动处于相对大的振幅。
[0006] 还将其它超声工具系统设计为施加在手持器具的抗共振频率处的驱动信号。抗共 振频率可W是手持器具将具有最高阻抗时所处的频率。
[0007] 申请人的SONOPET超声吸引器（SONOPET敏叫化aSonic Aspirator)包括控制 台，控制台具有被设计为生成可变的驱动信号并且向附接的手持器具施加该可变的驱动信 号的部件。共振电路在控制台的内部。在制造控制台时，将该共振电路的电感和电容设定为 基于要与控制台一起使用的特定手持器具的阻抗的函数。将由控制台输出的驱动信号的特 性设定为跨过此阻抗电路的电压的函数。
[000引对于许多流程，SONOPET控制台（S0N0PET Console)输出驱动信号，该驱动信号如 果不基本等同于手持器具的机械部件的共振频率，则至少接近于该共振频率。然而，在许多 正常使用情形中，超声手持器具可能承受显著的机械负载。例如，当紧靠骨头按压顶端时， 该情形可能发生。在此情形中，顶端上放置的机械负载可能使手持器具的机械部件的阻抗 显著变化。如果该事件发生，则控制台可能不能够输出在手持器具的机械部件的共振频率 附近的频率处的驱动信号。
[0009] 此外，在现有技术的控制台内部的阻抗电路典型地具有作为将与控制台一起使用 的特定手持器具的函数而设定的电感和电容。如果将具有不同的内部电感、电容和电阻的 手持器具附接到控制台，则W下具有可观的可能性：由控制台输出的驱动信号将不具有便 于手持器具的有效操作的特性。运使得难W(如果不是不可能)将设计为与一个手持器具仪 器一起使用的控制台用作向另一个手持器具提供驱动信号的电源。
【发明内容】
[0010] 本发明设及新的并且有用的超声手术工具系统。本发明的工具系统被设计为在设 计限制内确保：向系统手持器具施加的驱动信号诱导手持器具顶端的振动，该振动具有合 适的振幅。更具体而言，该系统能够在不同的手持器具附接到控制台时设定驱动信号。当手 持器具的阻抗特性作为手持器具的使用的结果而变化时，系统还调整驱动信号的特性。
[0011] 本发明的系统包括手持器具附接到的控制台。控制台生成驱动信号并且向手持器 具提供该驱动信号。控制台设定驱动信号的频率和向手持器具提供的电流。通过调节驱动 信号的电压来设定所提供的电流。将驱动信号的运些特性设定为两个变量和常量的函数。 运些变量的其中之一是驱动信号的电压。第二变量是通过手持器具的电流，驱动信号的电 流。常量是手持器具内部的一个或多个压电驱动器的电容。
[0012] 基于运=个输入，控制台设定驱动信号的频率和电压水平。将驱动信号的频率设 定为尽可能接近地与目标频率匹配。运是为了确保顶端头部的振动在它们最有效的频率 处。将电压设定为提供对顶端头部振动的振幅的控制。
[0013] 在本发明的一些版本中，调整驱动信号W调节向手持器具的机械部件施加的电流 的等效电流。可W调整驱动信号的频率W确保:信号处于与手持器具的机械部件的共振和/ 或抗共振频有关的目标频率处。
[0014] 通过控制台内部的电路来测量驱动信号的电压和电流。
[0015] 因为对于驱动信号的许多逐次调整，驱动器电容保持不变，所W该电容被视为常 量。在本发明的一些版本中，由从与控制台所附接的手持器具集成的存储器中读取的数据 来获得驱动器电容。替代地，基于询问信号组，控制台可W周期性地确定驱动器电容。
[0016] 手持器具的目标频率部分地为手持器具的机械部件的函数。目标频率还是向运些 部件施加的变化的负载的函数。目标频率可W是手持器具的机械部件的共振频率。在本发 明的一些版本中，目标频率是手持器具的机械部件的抗共振频率。在本发明的其它版本中， 目标频率是手持器具的机械部件的共振和抗共振频率之间的频率。在本发明的其它版本 中，目标频率在共振和抗共振频率之间的带之外。
[0017] 因此，本发明的系统的特征是控制台选择性地调整驱动信号。当向手持器具施加 的负载导致目标频率的变化时，调整驱动信号W使其保持在目标频率处或在目标频率附 近。
[0018] 本发明的额外特征是，控制台可W向具有电容不同的驱动器的手持器具提供驱动 信号。同样地，不要求本发明的手持器具只连接到单个特定控制台。
[0019] 在本发明的一些替代版本中，只设定驱动信号的频率。调节该频率W确保:驱动信 号产生向手持器具的机械部件施加的电流的等效电流并且该信号在与运些部件的期望目 标频率接近的频率处。
【附图说明】
[0020] 在权利要求中，用特殊性来指出本发明。根据结合W下附图的W下【具体实施方式】， 来理解本发明的W上和另外的特征和优点。在附图中：
[0021] 图1描绘了包括本发明的特征的超声工具系统的基本部件；
[0022] 图2是系统的工具(手持器具)的机械部件的示意性绘图；
[0023] 图3是本发明的系统的控制台和手持器具部件两者的电气部件的框图；
[0024] 图4A和图4B是流过手持器具的电流和手持器具的不同部件的阻抗的表示。
[0025] 图5描绘了手持器具内部的存储器中存储的数据的类型；
[0026] 图6A和图6B，当被组装在一起时，形成本发明的系统的操作的流程图；
[0027] 图7描绘了当手持器具承受机械负载时，由手持器具内部的部件形成的阻抗电路 可W如何被视为改变形式；
[0028] 图8表示了手持器具驱动器的阻抗和手持器具的机械部件的等效阻抗的替代模 型。
[0029] 图9是当顶端在空气中并且承受负载时，机械电抗的电抗随手持器具的频率而变 化的图形表示；
[0030] 图10是向手持器具的机械部件添加可变阻抗的示意性表示；
[0031] 图11是向手持器具的机械部件添加可变阻抗如何影响运些部件的电抗的图形表 示；
[0032] 图12是描绘了可W如何将数据从与本发明的顶端集成的存储器供应到控制台的 框图；
[0033] 图13描绘了顶端内部的存储器中存储的数据的类型；
[0034] 图14表示了手持器具驱动器的阻抗和手持器具的机械部件的等效阻抗的替代模 型;并且
[0035] 图15A和图15B共同形成了描绘调节本发明的超声手术工具系统的替代过程步骤 的流程图。
【具体实施方式】
[0036] I.系统概述和硬件
[0037] 现在参考图1和图2,总体上描述包括本发明的特征的超声工具系统30。系统30包 括手持器具32。手持器具32包括形成手持器具的近端的主体或壳体34。（"近"被理解为朝向 握着手持器具的执业医师、远离手持器具所施加的位置。"远"被理解为远离执业医师、朝向 手持器具所施加的位置。）
[0038] 一个或多个振动的压电驱动器40(示出了四个)设置在壳体34之内。每个驱动器40 由运样的材料形成：当向驱动器施加电流时，该材料经历短暂的扩张或收缩。运些扩张/收 缩在驱动器40的纵轴上，该轴在驱动器的近有向面和远有向面之间延伸。一对引线41延伸 远离每个驱动器40。引线41附接到驱动器的相对的近有向面和远有向面。许多但是并非全 部手持器具32,包括圆盘形状的压电驱动器40。将运些驱动器40首尾相连布置为堆叠体。引 线41是系统30的部件，其中，驱动信号形式下的电流施加到驱动器40。绝缘圆盘37(示出了 一个)将连接到相邻驱动器40的相邻导线41彼此分离。在图2中，驱动器40被示为彼此间隔 开。运是为了便于图示部件。实际上，绝缘圆盘37和驱动器紧密地邻接。
[0039] 柱体(post)39纵向延伸穿过绝缘圆盘37和驱动器40。柱体39沿着驱动器的共线纵 轴延伸穿过驱动器。看不到的是，通过绝缘圆盘37和驱动器40内部的孔，并且柱体39延伸穿 过绝缘圆盘37和驱动器40内部的孔。柱体39从最近放置的驱动器40和最远放置的驱动器两 者向外凸出。
[0040] 近端块36附接到最近放置的驱动器40的近有向面。柱体39的暴露的近端部分固定 地附接到块36。如果柱体39被穿过，那么块36可W是螺帽。
[0041] 角部42从最远放置的驱动器40的远有向面向前延伸。尽管未示出，但是绝缘圆盘 37可W存在于运些部件之间。角部42具有基部，其具有约等于驱动器40的直径的直径。从驱 动器向远端延伸，角部42的直径减小。柱体39的暴露的远端部分贴附到角部42。如果柱体39 被穿过，可W用被穿过的接纳柱体39的闭合端孔(未标识出）来形成角部基部。手持器具32 被构造为使得驱动器40的堆叠体被压缩在近块36和角部42之间。
[0042] 顶端48从角部42的远端向前延伸。由颈圈44表示的禪合组件，典型地可移除地将 顶端48保持在角部42和手持器具32的剩余部分。禪合组件的结构不是本发明的部分。顶端 48包括细长的杆部（stem)50。杆部50是顶端的部分，通过禪合组件，杆部50附接到角部42。 杆部50延伸朝向手持器具壳体34。顶端48被形成为在杆部50的远端具有头部52。一些顶端 头部52具有光滑表面。一些头部52由齿部53形成。头部52的几何结构不是本发明的部分。顶 端头部52是手持器具32的向被执行流程的患者上的位置施加的部分。
[0043] -些顶端48具备齿部，齿部被设计为直接施加到硬组织、骨头。当该类类型来回 时，齿部W常规银条切割组织的相同方式切割组织。
[0044] 套筒(sleeve)55,在图2中被描绘为环，典型地设置在顶端杆部之上。套筒55典型 地从杆部附接到角部42的地方附近的位置延伸到约0.5cm靠近头部52的位置。共同构建手 持器具32、顶端48W及套筒55,使得套筒定义液体流导管（conduit),该导管在顶端的外表 面和周围的套筒的