双输出电外科手术发生器和电外科手术系统的制作方法

本公开文本涉及用于同时在多个频率下给外科手术能量装置供能的系统和方法。具体而言，本公开文本涉及一种发生器，其被配置成在特定频率和规定的振幅下同时给一个或更多个输出端供能，以适于在第一频率下给第一装置供能，在第二频率下给第二装置供能，第二频率不同于第一频率。

背景技术：

电外科手术涉及将高射频(rf)电流应用于手术部位，以切割、消融、脱水或凝固组织。在单极电外科手术中，源或有源电极将射频交流电从rf发生器输送给靶组织。患者回路电极远离有源电极布置，以将电流传导回发生器。

在双极电外科手术中，回路电极和有源电极相互紧靠对方布置，使得在两个电极之间(如，在电外科手术钳的情况下)形成电流。以这种方式，所应用的电流限于定位在电极之间的身体组织。因此，双极电外科手术通常涉及这样的器械的使用，其中期望在布置于器械(如，钳或类似器械)上的两个电极之间集中输送电外科手术能。

已经证实，超声手术装置可止血、有效地解剖组织，横向热损失最小，产生的烟雾少。不同于要求电流通过患者的电外科手术装置，超声手术装置的操作方法是，通过使用在共振频率下被驱动的超声换能器的超声电极施加机械运动。

电外科手术装置和超声装置由于其固有的操作特性均具有合适的用处。因此，需要一种被配置成同时操作两种类型的器械的系统和发生器来提供新的和改善的外科手术技术和应用。

技术实现要素：

本公开文本提供了一种双输出发生器，其被配置成输出不同频率下的两种或多种波形，从而可让双输出发生器提供适于超声手术器械的低频输出和适于电外科手术器械的高频输出，同时将剩下的所有频率(非两种选定的低频和高频)降低为零。

根据本公开文本的实施例，提供了一种双输出电外科手术发生器。该发生器包括被配置成输出dc波形的电源和联接到电源上的逆变器。逆变器包括至少一个在开关角下操作的开关元件。该发生器还包括控制器，该控制器联接到所述逆变器，被配置成调制所述开关角，以产生第一频率下的第一波形和第二频率下的第二波形。

根据本公开文本的另一实施例，提供了一种电外科手术系统。该系统包括双输出电外科手术发生器，发生器具有被配置成输出dc波形的电源和联接到电源上的逆变器。逆变器包括至少一个在开关角下操作的开关元件。发生器还包括控制器，该控制器联接到所述逆变器，被配置成调制所述开关角，以产生第一频率下的第一波形和第二频率下的第二波形。该发生器还包括输出第一波形的第一输出端和输出第二波形的第二输出端。该系统还包括联接到第一输出端，可由第一波形激励的第一器械、和联接到第二输出端上，可由第二波形激励的第二器械。

根据上述实施例的方面，第一器械是包括可由第一波形激励的换能器的超声器械。第二器械是包括至少一个电极的电外科手术器械，所述电极被配置成接触组织并将第一波形传递给组织。

根据上述实施例的一个方面，第一器械是包括至少一个第一电极的第一电外科手术器械，所述第一电极被配置成接触组织并将第一波形传递给组织，第二器械是包括至少一个第二电极的电外科手术器械，所述第二电极被配置成接触组织并将第二波形传递给组织。

根据上述任何实施例的方面，第一频率是基频，第二频率是该基频的谐频，第二频率高于第一频率。

根据上述任何实施例的另一方面，发生器还包括低频滤波器和高频滤波器，低频滤波器联接到逆变器，被配置成输出第一波形，高频滤波器联接到逆变器，被配置成输出第二波形。

根据上述任何实施例的又一方面，逆变器包括布置成h桥拓扑结构的四个开关元件，每个开关元件可以是宽带隙场效应晶体管。

附图说明

在结合随后的详细描述考虑时，通过参照附图可理解本公开文本，附图如下：

图1是根据本公开文本的实施例的外科手术系统的透视图；

图2示出了根据本公开文本的实施例的图1中的双输出发生器的前视图；

图3示出了根据本公开文本的实施例的图2中的双输出发生器的示意图；

图4示出了根据本公开文本的实施例的图2中的双输出发生器的电路示意图；

图5是图1中的双输出发生器的dc-ac逆变器的另一实施例的示意图；

图6示出了根据本公开文本的实施例的用于产生正弦低频波形和高频波形的单极开关角波形的图；

图7示出了根据本公开文本的实施例的用于产生正弦低频波形和高频波形的双极开关角波形的图；

图8是由图6中的单极开关角波形产生的波形的谐频的条线图；和

图9是由图7中的双极开关角波形产生的波形的谐频的条线图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本公开文本的具体实施例。在下面的描述中，没有详细描述公知的功能或结构，以防不必要地使本公开文本晦涩难理解。本领域的技术人员将能理解到，本公开文本可适于与内窥镜器械、腹腔镜器械或开放式器械一起使用。也应该意识到，不同的电和机械连接以及其他的考虑因素可适用于每个具体类型的器械。

根据本公开文本的发生器可在多种频率下操作超声和电外科手术器械。具体而言，发生器可用于单极和/或双极电外科手术程序，例如包括切割、凝固、消融和血管闭合程序。发生器可包括用于与各种超声和电外科手术器械(如，超声解剖器和止血钳、单极器械、回路电极板、双极电外科手术钳、脚踏开关等)接口的多个输出端。此外，发生器包括被配置成产生射频能的电路，所述射频能特别适于给在各种电外科手术模式(如，切割、混合、凝固、分裂和止血、用电灼治疗、喷雾等)和程序(如，单极、双极、血管闭合程序)中操作的超声器械和电外科手术装置供能。

图1是根据本公开文本的双输出系统10的一个说明性实施例的部件的透视图。系统10包括一个或更多个单级电外科手术器械20，单级电外科手术器械20具有一个或更多个用于处理患者组织的有源电极23(如，电外科手术切割探头、消融电极等)。发生器200通过连接到其有源终端230(图3)上的输送线24输送电外科手术射频交流电给器械20，可让器械20切割、凝固、热消融或非热消融和/或以其他方式处理组织。交流电通过回路电极板26，经由回路线28，在发生器200的回路终端232(图3)处返回到发生器200。对于单级操作，系统10可包括多个回路电极板26，它们在使用时设置在患者身上，以通过最大化与患者接触的总面积来最小化组织受损机会。此外，发生器200和回路电极板26可被配置成检测组织与患者的接触，以确保两者之间充分接触。

系统10还可包括一个或更多个双极电外科手术器械，如，具有一个或更多个用于处理患者组织的电极的双极电外科手术钳30。电外科手术钳30包括壳体31、以及设置在轴32远端处的相对布置的钳爪构件33和35。钳爪构件33和35中分别设置有一个或更多个有源电极34、和回路电极36。有源电极34和回路电极36通过电缆38连接到发生器200，电缆38包括可分别联接到有源终端230和回路终端232(图3)的输送线24和回路线28。电外科手术钳30通过设置在电缆38端部处的插塞联接到发生器200的端口上，该端口具有连接到有源终端230和回路终端232上的引线(如，引脚)，其中，插塞包括来自于输送线24和回路线28的触头，下面将对其进行更详细的描述。

系统10还包括超声手术器械40，其包括壳体42，超声换能器44设置在壳体42中。超声手术器械40还包括细长轴46，末端执行器48设置在细长轴46的远端。远端的末执行器48包括可移动的钳爪构件50和探头52。超声换能器44通过电缆54连接到发生器200，电缆54包括分别联接至有缘终端234和回路终端236(图3)的输送线56和58。超声探头52联接到超声换能器44，使得当超声换能器44响应于来自发生器200的rf电流而被致动时，超声换能器44在探头52内产生可用于封闭和/或切割组织的超声机械运动。

参照图2，示出了发生器200的前端面240。发生器200可包括适合各种类型的电外科手术器械(如，单级电外科手术器械20、电外科手术钳30、超声手术器械40等)的多个端口250-262。

发生器200包括用户界面(接口)241，用户界面241具有一个或更多个用于给用户提供各种输出信息(如，强度设置、处理完成指示器等)的显示屏242、244、246。每个显示屏242、244、246与相应端口250-262关联。发生器200包括用于控制发生器200的合适输入控件(如，按钮、触发器、开关、触摸屏等)。显示屏242、244、246也被配置成作为显示用于器械(如，电外科手术钳30等)的相应菜单的触摸屏。因此用户可通过仅触摸相应菜单选项来调节输入。

显示屏242控制连接到端口250和252的装置和单级输出。端口250被配置成联接到单级电外科手术器械(如，电外科手术器械20)，端口252被配置成联接到脚踏开关(未示出)上。脚踏开关提供另外的输入(如，发生器200的重复输入)。显示屏244控制连接到端口256和258上的装置以及单级和双极输出。端口256被配置成联接到其他单级器械上。端口258被配置成联接到双极器械(未示出)。

显示屏246控制可分别插入端口260和262的电外科手术钳30和超声手术器械40。发生器200通过端口260输出的能量适于封闭由电外科手术钳30夹住的组织。具体而言，显示屏246输出的用户界面可让用户输入用户针对每个端口260和262定义的强度设置。用户定义的设置可以是可让用户调节一个或更多个能量输送参数(如，功率、电流、电压、能量等)或封闭操作参数(如，能量率限度、封闭持续时间等)的任何设置。将用户定义的设置传递给控制器224，从而可将该设置存储在存储器226中。在一些实施例中，强度设置可以是数标(numberscale)，如，从1至10或从1至5。在一些实施例中，强度设置可与发生器200的输出曲线相关联。强度设置可专用于正在使用的每个电外科手术钳30，使得各种器械给用户提供对应于电外科手术钳30的特定强度标。

有源终端230和回路终端232以及有源终端234和回路终端236可联接到所需的任一端口250-262上。在一些实施例中，有源终端230和回路终端232可联接到端口250-260，有源终端234和回路终端236可联接到端口262。

图3示出了发生器200的系统方框图，发生器200被配置成输出用于激励第一器械的低频波形和用于激励第二器械的高频波形。具体而言，图3示出发生器200正输出低频波形给超声外科手术器械40的换能器44(图1)，输出高频波形给单极电外科手术器械20和/或电外科手术钳30。发生器200也被配置成输出用于激励合适的任何电外科手术器械的低频能量，输出用于激励另一电外科手术器械的高频能量。在一些实施例中，电外科手术器械可以是相同的(如，单极电外科手术器械20)，使得这两个电外科手术器械的每个在不同的频率下操作。在另一些实施例中，电外科手术器械可以不同，使得其中一个器械(如，单极电外科手术器械20)在低频下操作，另一器械(如，电外科手术钳30)在高频下操作。

发生器200包括控制器224、电源227和双频逆变器228。电源227可以是连接到交流源(如，线路电压)上的高压直流电源，并提供高压直流电给双频逆变器228，然后双频逆变器228将高压直流电转换成处理能量(如，电外科手术或超声能量)，将该能量传输给有源终端230和234。该能量通过回路终端232和236返回到发生器200。具体而言，用于超声器械40的电能通过有源终端234和回路终端236传输，用于激励单极电外科手术器械20和/或电外科手术钳30的电外科手术能通过有源终端230和回路终端232传输。有源终端230、234和回路终端232、236通过隔离变压器229联接到双频逆变器228。

隔离变压器229包括联接到双频逆变器228的初级绕组229a、联接到低通滤波器304的第一次级绕组229b、和联接到高通滤波器306的第二次级绕组229c。低通滤波器304被配置成仅让由双频逆变器228产生的低频电流通过，然后将低频电流输送给有源终端234和回路终端236。高通滤波器306被配置成仅让由双频逆变器228产生的高频电流通过，然后将高频电流输送给有源终端230和回路终端232。在一些实施例中，低通滤波器304和高通滤波器306可以是电感滤波器/电容滤波器，在其各自的共振频率下被调谐。

双频逆变器228被配置成在多种模式下操作，在这些操作模式期间，发生器200输出的相应波形具有特定的占空比、峰值电压、波峰因子等。可以预想到，在其他实施例中，发生器200可以以其他类型的合适电源拓扑结构为基础。双频逆变器228可以是共振射频放大器或非共振射频放大器。文中使用的非共振射频放大器表示没有任何调谐元件(即，导体、电容器等)、设置在射频逆变器和滤波器304和306之间的放大器。

控制器224包括可操作地联接到存储器(未示出)的处理器(未示出)，存储器可包括易失性介质、非易失性介质、磁介质、光介质或电介质中的一种或多种，如，只读存储器(rom)、随机存储器(ram)、电擦除可编程只读存储器(eeprom)、非易失性随机存储器(nvram)或闪存。处理器可以是适于执行本公开文本中所述的操作、计算和/或指令组的合适的任何处理器(如，控制电路)，包括但不局限于硬件处理器、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)、中央处理单元(cpu)、微处理器以及它们的组合体。本领域的技术人员将意识到，可通过使用适于执行文中所述的计算和/或指令组的任何逻辑处理器(如，控制电路)来取代处理器。

控制器224包括可操作地连接到电源227和/或双频逆变器228的输出端口，从而可让处理器根据开式和/或闭式控制环路方案来控制发生器200的输出。闭环控制方案是反馈控制回路，其中的多个传感器检测各种组织和能量特性(如，组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压，等)，提供反馈给控制器224。控制器224然后控制电源227和/或双频逆变器228，分别调节直流和/或交流电源，包括但不局限于可现场编程门阵列、数字信号处理器以及它们的组合体。

根据本公开文本的发生器200还可包括多个传感器(未示出)。这些传感器可联接到电源227和/或双频逆变器228，可被配置成分别检测输送给双频逆变器228的dc电流和/或由双频逆变器228输出的rf能的特性。发生器200的各种元件，即，双频逆变器228、电流和电压传感器，可设置在印刷电路板(pcb)上。控制器224也从发生器200的输入控件、器械20和/或电外科手术钳30接收输入信号。控制器224使用输入信号来调节由发生器200输出的功率和/或执行控制器上的其他控制功能。

参照图4所示的示意图，发生器200包括dc-dc降压转换器301和双频逆变器228。在该典型实施例中，电源227可连接到dc-dc降压转换器301。此外，电感器303电联接在dc-dc降压转换器301和双频逆变器228之间。双频逆变器228的输出端将电能传递给变压器229的初级绕组229a，电能通过变压器229的次级绕组到达负载，如，正被处理的组织、超声换能器44等。

dc-dc降压转换器301包括开关元件301a，双频逆变器228包括布置成h桥拓扑结构的多个开关元件302a-302d。在一些实施例中，双频逆变器228可根据合适的任何拓扑结构(包括但不局限于半桥、全桥、推挽拓扑结构等)配置。合适的开关元件包括电压受控的装置，如，晶体管、场效应晶体管(fets)、以及它们的组合件等。在一些实施例中，fets可由氮化镓、氮化铝、氮化硼、碳化硅、或其他合适的任何宽带隙材料制成。

图5示出了发生器200的另一实施例，其与图3和4的实施例的不同在于，低通滤波器304和高通滤波器306直接联接到双频逆变器228，而不是分别联接到隔离变压器229的第一次级绕组229b和第二次级绕组229c。低通滤波器304和高通滤波器306分别包括隔离变压器308和310。低通滤波器304联接到隔离变压器308的次级绕组308b，高通滤波器306联接到隔离变压器310的次级绕组310a。有源终端234和回路终端236联接到隔离变压器308的次级绕组308b，有源终端230和回路终端232联接到隔离变压器310的次级绕组310b。

控制器224与dc-dc降压转换器310和双频逆变器228通讯，具体而言，分别与开关元件301a和302a-302d通讯。控制器224被配置成输出控制信号(其可以是脉宽调制信号)给开关元件301a和302a-302d，如公开号为us2014/0254221的待审申请中进一步详细所述，该美国申请的名称为“波峰因子受控的恒功率逆变器”，申请日为2013年12月4日，发明人为johnson等，其全部内容通过引用方式组合在本文中。具体而言，控制器224被配置成对输送给dc-dc降压转换器301的开关元件301a的控制信号d1和输送给双频逆变器228的开关元件302a-302d的控制信号d2予以调制。此外，控制器224被配置成测量发生器200的功率特性，至少部分基于所测的功率特性控制发生器200。所测的功率特性的实例包括经过电感器103的电流和双频逆变器228的输出端处的电压。在典型实施例中，控制器224控制降压转换器301，其方法是，基于每个rf循环中感应电流和非线性载波控制电流之间的比较来产生控制信号d1。

根据本公开文本的发生器200(具体而言，控制器224)被配置成通过使用双频选择性谐波消除(dfshe)调制方法操作双频逆变器228。此外，根据本公开文本的dfshe调制适用于各种dc/ac拓扑结构(如，半桥、全桥)、多电平逆变器和共振逆变器，双频逆变器228是典型的实施例。在dfshe调制中，控制器200发信号给双频逆变器228，产生两种单独的频率，同时减弱不适宜的谐波。控制器224被配置成产生脉宽调制控制信号给开关元件302a-302d。每个控制信号基于每个开关元件302a-302d的开关角，开关元件302a-302d在被致动时产生用于激励转换器44或其他合适的任何器械(如，单极电外科手术器械20或电外科手术钳30)的低频波形。低频波形的基频为大致10khz至大致100khz，在一些实施例中，为大致30khz至大致70khz。低频波形也产生多个谐波波形。因为并非所有的最终波形均合适，因此，除基础波形以外，仅较高的谐波波形之一可使用。具体而言，作为高频波形的第k个谐波波形可用于激励电外科手术器械之一，如，单极电外科手术器械20或电外科手术钳30。因此，选择用于激励开关元件302a-302d的开关角使得产生低频波形和高频波形(其是低频波形的第k个谐波)。

参照图6和7，示出了用于产生双频输出的典型开关角波形。图6示出了用于产生正弦低频波形602和正弦高频波形604的四分之一对称的单极开关角波形600。单极开关角波形600包括与每个开关元件302a-302d(图4和5)的开关角对应的多个脉冲600a,b,c,…n。开关角波形600的脉冲也对应于低频波形602和高频波形604的各自正负循环。

单极开关角波形600的所有正负循环产生低频波形602的正负循环。具体而言，在低频波形602和高频波形604的每个周期，具有持续时间(宽度)不同的多个开关脉冲600a,b,c,…n。文中使用的术语“周期”表示完成一个完整的波形循环所花费的时间。因此，对于低频波形602的每个周期，具有10个开关脉冲600a,b,c,…n，每半个循环/周期具有5个开关脉冲，开关脉冲600a,b,c,…n的持续时间(宽度)不同。类似地，对于高频波形604的每个周期，至少具有持续时间不同的一个完整的开关脉冲和一个部分开关脉冲，如图6所示。控制器224基于低频波形602和高频波形604的合适频率对每个脉冲600a,b,c,…n进行计算。

图7示出了四分之一对称的双极开关角波形700，其用于产生正弦低频波形702和正弦高频波形704。双极开关角波形700包括与每个开关元件302a-302d的开关角对应的多个脉冲700a,b,c,…n。开关角波形700的脉冲也对应于低频波形702和高频波形704的各自正负循环。

双极开关角波形700的所有正负循环产生低频波形704的正负循环。具体而言，在低频波形702和高频波形704的每个周期，具有持续时间(宽度)不同的多个开关脉冲700a,b,c,…n。因此，对于低频波形702的每个周期，具有10个开关脉冲700a,b,c,…n，每半个循环/周期具有5个开关脉冲，开关脉冲700a,b,c,…n的持续时间(宽度)不同。类似地，对于高频波形704的每个周期，至少具有持续时间(宽度)不同的一个完整的开关脉冲和一个部分开关脉冲，如图7所示。脉冲700a,b,c,…n的持续时间(宽度)不同，可由控制器224基于低频波形702和高频波形704的所需频率计算。

用户可通过使用用户界面241设置低频波形602、702和高频波形604、704的各自频率。控制器224然后可计算用于产生波形602、604、702和704的开关角。具体而言，控制器224可计算开关角的数量、频率和持续时间，如，脉冲600a,b,c,…n和脉冲700a,b,c,…n的持续时间。在一些实施例中，可通过控制器224或其他合适的任何处理器离线地计算这些特性。

图8和9示出了分别由开关角波形600、700产生的谐频图800和900。图800和900是条线图，分别示出了波形600和700的频率含量(频谱)、谐波数量及其振幅。基频波形在图800和900中均示为第一个条线，为低频波形602和702。高频波形604和704是较高的第k个谐波波形。谐频图800和900也说明，dfshe调制方法还消除了低频波形602、702和高频波形604、704之间的所有谐波波形。

为了对同步波形602、604和702、704的振幅进行解耦和控制，本公开文本使用可独立控制基础谐波和某些谐波的dfshe调制方法。这也可对不需要的谐波单独进行功率调节和消除，从而降低能量损失，减少电磁干扰。通过使用根据本公开文本的dfshe算法来计算四分之一对称的单极波形600的脉冲600a,b,c,…n。可通过下面的方程式(1)对该开关角波形600或700进行傅里叶展开。

由于待合成的两个部分，即，波形602和604或波形702或704是低频成分，为第k个谐波，因此，在这些条件下，重新整理方程式(1)的傅里叶展开，形成下面的方程式(2)所示的方程组。

通过对方程式(2)求解，得出开关角，即，脉冲600a,b,c,…n或脉冲700a,b,c,…n，以合成所需的双频输出。在一些实施例中，可使用两个求解回路来求出方程式(2)中的超越方程。

在传统的pwm调制方案中，仅产生和控制基频波形，同时未调节的谐波被过滤。但是，在根据本公开文本的dfshe调制中，基频波形(如，低频波形602或702)和第k个谐波(如，高频波形604和704)两者同时产生，被准确调制，不需要的谐波(即，其频率在所需频率之间、之下和/或附近的谐波)被消除。如图8和9所示，根据本公开文本的dfshe调制可在低受控频率和高受控频率之间的所有频率下将波形振幅调节为零。此外，还可消除高于选定的最高受控频率的谐波。

此外，不同于谐波使用技术，基础谐波波形和第k个谐波波形在调制中被解耦，从而对这些波形独立进行功率调节。根据本公开文本的dfshe调制的这些特性对先前依赖双逆变器配置来实现双频输出的电外科手术发生器特别有用。与多电平逆变器或双逆变器配置相比，根据本公开文本的发生器、系统和方法的其他优点是，不要求额外的开关装置，从而大大降低了总成本，同时可达到相同的调制性能。

尽管在附图中已经示出和/或在文中已经描述了本公开文本的几个实施例，但是并不意味所公开的内容局限于此，而意味本公开文本的范围与本技术领域所允许的范围一样宽，也同样这样理解说明书。因此，上面的描述不应解释为是限制性的，而仅解释为对具体实施例的举例说明。本领域的技术人员将能预想到所附权利要求书的实质范围内的其他改进。