专利名称：用于相位预测的阻抗损耗模型校准和补偿的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电外科学。更具体来说，本发明涉及用于补偿损耗以获取无绳或固定电抗的有线电外科系统中的准确的电气测量值的系统和方法。
背景技术：
电外科手术涉及施加高频电流以在外科手术过程中切割或改变生物组织。电外科手术是使用电外科生 成器、有源电极，以及返回电极来执行的。电外科生成器(也简称为电源或波形发生器)生成通过有源电极施加于病人的组织并通过返回电极返回到电外科生成器的交流电(AC)。交流电电流通常具有高于100千赫的频率以避免肌肉和/或神经刺激。在执行电外科手术过程中，由电外科生成器生成的交流电电流通过位于有源电极和返回电极之间的组织来传导。组织的阻抗将与交流电电流相关联的电能(也简称为电外科能量)转换为热量，该热量使组织温度上升。电外科生成器通过控制提供给组织的电能(即，单位时间的电能)来控制组织的发热。虽然有许多其他可变因素影响组织的总的发热，但是，增大的电流密度通常导致发热增多。电外科能量通常用于切割、分割、烧蚀、凝结和/或密封组织。电外科生成器包括控制在某个时间段内施加于组织的功率的控制器。施加于组织的功率是基于功率测量值和由用户设置的功率级别或实现期望的组织效果所期望的功率级别来控制的。功率测量值是通过测量由电外科生成器的RF输出级生成的RF信号的电压和电流并基于测量到的电压和电流来计算功率而获得的。然而，由电外科生成器的传感器测量到的电压和电流可能由于将电外科生成器的RF输出级连接到电外科仪器的电极的传输线路中的RF阻抗损耗而与施加于组织的实际电压和电流不相同。结果，功率计算可能不准确，并可能导致对施加于组织的电外科能量的不适当的控制。RF阻抗损耗对功率和阻抗计算的影响可以通过更准确地采样电压和电流之间的相位来降低。然而，此方法要求较大的计算复杂性以及更昂贵的高速硬件。
发明内容
本发明的系统和方法基于预测的相位值来准确地确定施加于组织的实际功率和/或组织部位处的实际阻抗。所公开的用于预测相位值的方法简单，要求低计算复杂性，并可以使用常用的微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)来实现。一方面，本发明公开了补偿电外科设备中的损耗的方法的特征。根据此方法，传感由电外科设备生成并施加于组织部位的电外科信号的电压和电流，以获取传感的电压和传感的电流。接下来，基于传感的电压和传感的电流预测相位值，以获取预测的相位值。然后，基于传感的电压、传感的电流、预测的相位值以及与电外科设备相关联的至少一个阻抗损耗模型参数，计算组织部位处的至少一个度量。组织部位处的至少一个度量可以通过下列操作来计算:(I)基于预测的相位值将传感的电压转换为复合电压值，(2)基于预测的相位值将传感的电流转换为复合电流值以及，(3)基于复合电压值、复合电流值以及至少一个损耗模型参数，计算组织处的至少一个度量。至少一个阻抗损耗模型参数可以包括源阻抗参数和漏阻抗参数。可以通过基于传感的电压和传感的电流来计算传感的阻抗值，并基于传感的阻抗值来预测相位值，预测相位值。可以基于传感的阻抗值的诸如三阶多项式函数之类的多项式函数来预测相位值。组织部位处的至少一个度量可以是负载电流并可以通过下列操作来计算:(I)将传感的电流乘以源阻抗参数，以获取源阻抗电压值，(2)将传感的电压减去源阻抗电压值，以获取负载电压值，(3)将负载电压值除以漏阻抗参数，以获取泄漏电流值以及，(4)将传感的电流减去泄漏电流值，以获取负载电流。至少一个度量可以包括负载电流、负载电压、功率、负载阻抗，或这些度量的任何组合。在另一方面，本发明公开了电外科设备的特征。电外科设备包括至少一个向组织施加电外科能量的电极，通过传输线路电耦接到至少一个电极的电外科能量输出级。电外科能量输出级生成电外科能量。电外科设备还包括耦接到电外科能量输出级的电压传感器和电流传感器。电压传感器传感电外科能量的电压，以获取传感的电压，电流传感器传感电外科能量的电流，以获取传感的电流。电外科设备还包括存储与传输线路相关联的至少一个阻抗损耗模型参数的存储器，以及耦接到电压传感器、电流传感器，以及存储器的处理器。处理器(I)基于传感的电压和传感的电流计算传感器阻抗值，(2)基于传感器阻抗值预测相位值，以获取预测的相位值，(3)检索至少一个阻抗损耗模型参数，以及，(4)基于传感的电压值、传感的电流值，预测的相位值以及至少一个阻抗损耗模型参数，计算组织处的至少一个度量。至少一个度量可以包括负载电压、负载电流、功率、负载阻抗，或这些度量的任何组合。处理器可以基于传感的阻抗值的诸如三阶多项式函数之类的多项式函数，来预测相位值。至少一个阻抗损耗模型参数可以包括源阻抗参数和漏阻抗参数。
参考各个附图描述了本发明的各实施例，其中:图1是根据本发明的各实施例的电外科系统的组件的透视图；图2是根据本发明的各实施例的与校准计算机系统进行通信的电外科系统的框图；图3是根据本发明的各实施例的与校准计算机系统进行通信的便携式手持式电外科系统的框图；图4是根据本发明的某些实施例的校准阻抗损耗模型参数的方法的流程图；图5是图4的计算阻抗损耗模型参数的方法的流程图；图6是根据本发明的其他实施例的校准阻抗损耗模型参数，即，源阻抗参数和漏阻抗参数的方法的流程图；图7是根据本发明的某些实施例的图6的计算源阻抗参数的方法的流程图。图8是根据本发明的某些实施例的图6的计算漏阻抗参数的方法的流程图。图9是根据本发明的某些实施例的图6的计算源阻抗参数和漏阻抗参数的方法的流程图；图10是根据本发明的某些实施例的图7和9的反向计算源阻抗参数的方法的流程图；图11是根据本发明的某些实施例的图8和9的反向计算漏阻抗参数的方法的流程图；图12是根据本发明的各实施例的电外科系统中的补偿损耗的方法的流程图；图13是根据本发明的某些实施例的图12的计算至少一个度量的方法的流程图；图14是根据本发明的某些实施例的图12的预测相位值的方法的流程图；以及图15是根据本发明的其他实施例的图12的计算至少一个度量的方法的流程图。
具体实施例方式本发明的系统和方法校准与电外科系统内的传输线路相关联的阻抗损耗模型。这些系统和方法涉及传感施加于耦接到电外科系统的输出端的测试负载的电压和电流，计算传感的阻抗，基于传感的阻抗预测电压和电流之间的相位，以及基于测量的电压和电流、电压和电流之间预测的相位以及测试负载的预定阻抗来计算内部阻抗值。本发明的系统和方法还使用已校准的阻抗损耗模型来补偿电外科系统的传输线路中的阻抗损耗。这些系统和方法涉及传感由电外科系统生成并施加于组织部位的电外科信号的电压和电流，基于传感的电压和传感的电流预测相位值，基于传感的电压、传感的电流、预测的相位值以及与电外科系统的传输线路或电缆相关联的至少一个阻抗损耗模型参数，计算组织部位处的至少一个度量。图1是包括根 据本发明的各实施例的校准和补偿系统和方法的电外科系统100的透视图。电外科系统100包括用于生成电外科能量的电外科生成器102，以及电连接到生成器102的并在外科手术过程向组织提供电外科能量的各种电外科仪器112，114。如下面进一步详细描述的，生成器102包括测量阻抗并计算提供给组织的能量的电子线路(例如，模拟和数字电路)。电外科生成器102包括多个输出端,例如,端子104和106,用于与各种电外科仪器，例如，返回板110、单极有源电极112，以及双极电外科钳114连接。返回板110和单极有源电极112被用来执行单极电外科过程，双极电外科钳被用来执行双极电外科过程。电外科生成器102包括为各种电外科模式(例如，切割、凝结、或烧蚀)和过程(例如，单极、双极、或容器密封)生成射频能量的电子线路。电外科仪器112、114包括用于对病人的组织进行医治的一个或多个电极(例如，电外科切割探针或烧蚀电极(未示出))。电外科能量，例如，射频(RF)电流，由电外科生成器102通过供电线路116提供给单极有源电极112，供电线路116连接到电外科生成器102的有源端子104，可使单极有源电极112凝结、密封、烧蚀和/或以别的方式对组织进行医治。电外科电流通过返回板110的返回线路118从组织返回到生成器102到电外科生成器102的返回端子106。有效端子104和返回端子106可以包括被配置为与位于单极有源电极112的供电线路的末端和返回板110的返回线路118的末端的插头(未示出)连接的连接器(也未示出)。返回板110包括被配置为通过最大化与病人的组织的总的接触面积来最小化组织损伤的风险的返回电极120和122。另外，电外科生成器102和返回板110可以被配置为监视组织与病人的接触，以确保在返回板110和病人之间存在足够的接触，以最小化组织损伤的风险。电外科系统100还包括具有用于医治病人的组织的电极124，126的双极电外科钳114。双极电外科钳114包括相对的颌构件134，136。第一颌构件134包括有源电极124，第二颌构件136包括返回电极126。有源电极124和返回电极126可通过电缆128连接到电外科生成器102，电缆128包括供电线路130和返回线路132。供电线路130可连接到有效端子104，返回线路132可连接到返回端子106。双极电外科钳114通过位于电缆128末端的插头(未显式地示出)连接到电外科生成器102的有源端子104和返回端子106。电外科生成器102可以包括多个连接器，以适应各种类型的电外科仪器(例如，单极有源电极112和双极电外科钳114)。电外科生成器102还可以包括开关机构(例如，中继器)以在连接器之间切换RF能量的供应。例如，当单极有源电极112连接到电外科生成器102时，开关机构将RF能量的供应只切换到单极插头。有源端子104和返回端子106可以耦接到电外科生成器102的多个连接器(例如，输入端和输出端)以给各种仪器提供电能。电外科生成器102包括用于控制电外科生成器102的合适的输入控件(例如，按钮、激活器、开关，或触摸屏)。另外，电外科生成器102可以包括一个或多个用于给用户提供各种输出信息(例如，强度设置和治疗完成指示器)的显示屏幕。控件可使用户调整RF电能的参数(例如，功率或波形)，以便它们适用于特定任务(例如，凝结、组织密封，或切割)。电外科仪器112和114还可以包括可以与电外科生成器102的某一输入控件重复的多个输入控件。将输入控件放置在电外科仪器112和114处可以保证在外科手术过程中更加容易和更快地修改RF能量参数，而不要求与电外科生成器102的交互。图2是包括图1的生成器102和校准计算机系统240的电外科系统200的框图。电外科系统100的生成器102包括控制器220、高压电源202，以及射频输出级206，它们一起操作以生成通过电外科仪器 230的电极209，210向组织施加的电外科信号。控制器220包括数字信号处理器(DSP)222、主处理器224，以及存储器226。控制器220可以是任何合适的微控制器、微处理器(例如，哈佛或冯诺依曼体系结构)、PLD、PLA或其他数字逻辑。存储器226可以是易失性、非易失性、固态、磁性或其他合适的存储器。控制器220还可以包括充当主处理器224及电外科生成器102内的其他电路(例如，放大器和缓存器)之间的接口的各种电路。控制器220接收被主处理器224和/或DSP222使用的各种反馈信号，以生成控制生成器102的各种子系统(包括HVPS202和RF输出级206)的控制信号。这些子系统被控制以生成用于对组织执行外科手术过程的具有期望的特征的电外科能量，在图2中通过负载234 (ZlMd)来表示。生成器102包括从交流电(AC)源203接收电源的AC/DC电源205。AC/DC电源将AC转换为直流电(DC)，并将DC提供到能量转换电路204。然后，能量转换电路204基于从控制器220接收到的控制信号，将第一能量级的DC电源转换为第二，不同的能量级的DC电源。能量转换电路204将第二不同的能量级提供到RF输出级206。RF输出级206颠倒DC电源，以产生向组织施加的高频交流电电流(例如，RF AC)。例如，RF输出级206可以使用包含在RF输出级206内的升压变压器(未示出)的初级端的推挽晶体管来生成高频交流电电流。
电外科生成器102包括被配置为准确地确定组织部位处的电压、电流、阻抗以及功率的测量电路，以便控制器220可以使用此反馈信息来准确地控制电外科输出的特征。此测量电路包括耦接到RF输出级206的输出端的电压传感器211和电流传感器212。电压传感器211传感RF输出级206的输出端上的电压,并将表不传感的电压213的模拟信号提供到模拟数字转换器(ADC) 215，后者将模拟信号转换为数字形式。类似地，电流传感器212传感RF输出级206的输出端的电流，并将表示传感的电流214的模拟信号提供到另一个ADC215，后者将模拟信号转换为数字形式。DSP222接收传感的电压和传感的电流数据,并使用它来计算组织部位处的阻抗和/或功率。控制器220的主处理器224执行使用传感的电压、传感的电流、阻抗和/或功率的算法，以控制HVPS202和/或RF输出级206。例如，主处理器224可以基于计算出的功率和期望的功率级别(可以是由用户选择的)来执行PID控制算法，以确定在组织部位处实现和维护期望的功率级别应该由RF输出级206提供的电流量。为准确地控制施加于组织的电外科能量，控制器220需要准确地传感组织处的电压和电流。然而，由电压传感器211传感的电压和由电流传感器212传感的电流，可能由于与在RF输出级206和电极209，210之间连接的第一和第二传输线路221，223相关联的RF阻抗损耗而不准确。换言之，由电压和电流传感器211，212在RF输出级206测量的电压和电流可能由于RF阻抗损耗 而与负载(即，组织)处的实际电压和电流231，232不相同。这些RF阻抗损耗可以被建模为与第一传输线路221串联的源阻抗252和在第一传输线路221和第二传输线路223之间连接的漏阻抗254。源阻抗252和漏阻抗254的此布局构成阻抗损耗模型250。从RF输出级206输出的(并分别由电压和电流传感器211,212传感的)电压和电流表不分别施加于阻抗损耗模型250的输入电压255 (Vin)和输入电流256 (Iin)。此外，从生成器102输出的并提供给负载234(ZlMd)的电压和电流还分别表示从阻抗损耗模型250输出的输出电压257 (Vout)和输出电流258 (1ut)。为补偿向传感器数据中引入错误的阻抗损耗，电外科系统200校准与阻抗损耗模型250的源阻抗252和漏阻抗254相关联的源阻抗和漏阻抗损耗模型参数，然后，基于这些参数来计算新的传感的电压和电流。新的传感的电压和电流表示对组织处的电压和电流的精确测量。校准过程涉及传感施加于耦接到电外科系统的输出端的测试负载的电外科信号的电压和电流，传感电压和电流之间的相位，以及，基于传感的电压、传感的电流、传感的相位以及测试负载的预定阻抗，计算源阻抗损耗模型参数和漏阻抗损耗模型参数。利用来阻抗计来测量测试负载的预定阻抗。通过可连接到生成器102的控制器220的外部校准计算机系统240来计算阻抗损耗模型参数。校准计算机系统240包括处理器242、存储器244以及通信接口 245。处理器242通过通信接口 245来访问包括传感器电压值、传感器电流值、以及预测的相位值的测量数据，并将测量数据存储在存储器244中。然后，处理器242基于测量数据来执行校准过程以计算阻抗损耗模型参数。在执行校准过程之后，处理器242将阻抗损耗模型参数加载到控制器220的存储器226中。在某些实施例中，校准计算机系统240的功能由生成器102的控制器220执行。在操作过程中，主处理器224访问存储器226以检索已经校准的阻抗损耗模型参数，并将它们提供到DSP222。DSP222使用已经校准的阻抗损耗模型参数和电压、电流，以及相位测量数据，来计算组织部位处的准确的电压、电流、阻抗和/或功率。校准和补偿过程的准确性部分地取决于相位的准确性。相位可以通过采样传感的电压和传感的电流和计算传感的电压和传感的电流之间的相位来确定。然而，此方法要求复杂的算法和昂贵、功耗大并且高速的硬件。根据本发明的各实施例，电外科系统200的内部传输线路221，223以及外部电缆207,208在物理上以这样的方式排列，使得可以使用一次方程和便宜、低功率以及低速的硬件,来预测施加于组织的电压和电流之间的相位。具体而言，内部传输线路221，223和外部电缆207，208被这样配置，使得它们具有固定的并且已知的阻抗(S卩，阻抗的虚部)。例如，内部传输线路221，223的匝数被指定，以便它们具有固定并且已知的阻抗。如此，如果外部阻抗变化(例如，组织阻抗的变化)由电阻而不是电抗的变化来支配，则可以基于传感的外部阻抗来预测传感的电压和传感的电流之间的相位，如下列公式所示:
权利要求
1.一种补偿电外科设备中的损耗的方法，包括: 传感由所述电外科设备生成并施加于组织部位的电外科信号的电压和电流，以获取传感的电压和传感的电流； 基于所传感的电压和所传感的电流预测相位值，以获取预测的相位值；以及基于所传感的电压、所传感的电流、所预测的相位值以及与所述电外科设备相关联的至少一个阻抗损耗模型参数，计算所述组织部位处的至少一个度量。
2.如权利要求1所述的方法，其中计算所述组织处的所述至少一个度量包括: 基于所预测的相 位值将所传感的电压转换为复合电压值； 基于所预测的相位值将所传感的电流转换为复合电流值；以及基于所述复合电压值、所述复合电流值以及所述至少一个损耗模型参数，计算所述组织处的至少一个度量。
3.如权利要求1所述的方法，其中预测所述相位值包括: 基于所传感的电压和所传感的电流计算传感的阻抗值；以及 基于传感的阻抗值预测所述相位值。
4.如权利要求3所述的方法，其中预测所述相位值包括基于所传感的阻抗值的多项式函数来预测所述相位值。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多项式函数是三阶多项式函数。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个阻抗损耗模型参数包括源阻抗参数和漏阻抗参数。
7.如权利要求6所述的方法，其中计算所述组织部位处的所述至少一个度量包括: 将所传感的电流乘以所述源阻抗参数，以获取源阻抗电压值； 从所传感的电压减去所述源阻抗电压值，以获取负载电压值； 将所述负载电压值除以所述漏阻抗参数，以获取泄漏电流值；以及 从所传感的电流减去所述泄漏电流值，以获取负载电流值。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个度量包括负载电压和负载电流。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个度量包括功率。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个度量包括负载阻抗。
11.一种电外科设备，包括: 向组织施加电外科能量的至少一个电极； 通过传输线路电耦接到所述至少一个电极的电外科能量输出级，所述电外科能量输出级被配置为生成电外科能量； 耦接到所述电外科能量输出级的电压传感器和电流传感器，所述电压传感器被配置为传感所述电外科能量的电压，以获取传感的电压，所述电流传感器被配置为传感所述电外科能量的电流，以获取传感的电流； 存储器，存储与所述传输线路相关联的至少一个阻抗损耗模型参数；以及耦接到所述电压传感器、所述电流传感器以及所述存储器的处理器，所述处理器被配置为: 基于所传感的电压和所传感的电流计算传感器阻抗值； 基于所述传感器阻抗值预测相位值，以获取预测的相位值；检索至少一个阻抗损耗模型参数；以及 基于所传感的电压值、所传感的电流值、所预测的相位值以及所述至少一个阻抗损耗模型参数，计算所述组织处的至少一个度量。
12.如权利要求11所述的电外科设备，其中所述至少一个度量包括负载电压和负载电流。
13.如权利要求11所述的电外科设备，其中所述至少一个度量包括功率。
14.如权利要求11所述的电外科设备，其中所述至少一个度量包括负载阻抗。
15.如权利要求11所述的电外科设备，其中所述处理器被配置为基于所传感的阻抗值的多项式函数来预测所述相位值。
16.如权利要求15所述的电外科设备，其中所述多项式函数是三阶多项式函数。
17.如权利要求11所述的电外科设备，所述至少一个阻抗损耗模型参数包括源阻抗参数和漏阻抗参数 。
全文摘要
本发明的系统和方法校准与没有外部电缆或具有带有固定或已知电抗的外部电缆的电外科系统相关联的阻抗损耗模型参数，并通过使用已经校准的阻抗损耗模型参数来补偿与电外科设备的传输线路相关联的阻抗损耗，获取组织部位的准确的电气测量值。计算机系统存储一系列不同的测试负载的电压和电流传感器数据，计算每一个测试负载的传感的阻抗值。然后，计算机系统使用每一相应的负载阻抗值，来预测每一负载的相位值。计算机系统基于电压和电流传感器数据、预测的相位值、以及测试负载的阻抗值来反向计算包括源阻抗参数和漏阻抗参数的阻抗损耗模型参数。在操作过程中，电外科设备传感电压和电流，基于传感的电压和电流来预测相位值，并基于传感的电压和电流、预测的相位值、源阻抗参数，以及漏阻抗参数，来计算组织部位处的度量值。
文档编号A61B18/12GK103222891SQ20131002867
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月25日 优先权日2012年1月27日
发明者D·W·赫克尔 申请人:科维蒂恩有限合伙公司