具有自动设定点控制的超声波治疗器具的制作方法

本发明具体涉及在牙科领域中使用的超声波治疗器具，例如，用于刮除牙石、生物薄膜去除或钻孔(空腔或制备假体)的器具，或涉及外科领域(例如：颌面外科和口腔科，或整形外科)。这种器具包括以超声波频率振动的器械。

背景技术：

超声波治疗器具通常包括手术机头、插入件或超声波工具以及超声波发生器。机头具有压电换能器，所述压电换能器由远端部和压电电机构成，超声波插入件固定于所述远端部，所述压电电机连接到超声波发生器并且机械接合到所述远端部。压电电机向插入件传输超声波，该超声波根据由超声波发生器发送到压电电机的电流和电压设定点信号而定义。这些设定点信号在治疗开始时设定，设定点信号的值根据待进行的治疗的类型而确定。例如，在牙科领域，用于牙周清创的电流和电压设定点远低于刮除牙石所需的设定点。因此，对于每种类型的牙科治疗，存在用于控制超声波的合适的设定点。

然而，在治疗期间，超声波插入件可能遇到具有不同硬度的介质或材料。例如，插入件可能遇到较软的组织(例如，牙龈、肌肉等)和较硬的组织(例如，骨骼)。用于任何一种类型的治疗的设定点的值都是相同的，并且无论在治疗期间插入件遇到的介质或材料如何，设定点的值都适用。

因此，在任何指定的治疗期间，都可能发生设定点(其确定由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度)对于插入件所遇到的介质或材料不合适或不是最佳的情况，例如，当插入件与非常坚固的材料接触时，这可能导致损坏与插入件接触的易损部分或导致缺乏有效处理的风险。

技术实现要素：

本发明的一个目的是弥补上述缺点并且提出一种能够调整发送到换能器的设定点信号从而与超声波插入件所接触的材料的硬度相匹配的解决方案。

这个目的通过一种超声波治疗器具而实现，所述超声波治疗器具包括至少一个手术机头、超声波插入件以及超声波发生器，所述机头包括由远端部和压电电机构成的压电换能器，所述远端部固定有超声波插入件，所述压电电机连接到超声波发生器并且机械地接合到远端部，所述压电电机向插入件传输超声波，该超声波根据由超声波发生器发送到压电电机的电流和电压设定点信号而定义；

所述超声波治疗器具的特征在于，其进一步包括用于控制设定点信号的幅度的模块，所述模块配置为：

-计算压电换能器中控制信号的频率和阻抗的变化量；

-将超声波信号的阻抗变化量与预定的阻抗变化值进行比较；

-将超声波信号的频率变化量与预定的频率变化值进行比较；

-当计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值并且计算出的超声波信号的频率变化量大于预定的频率变化值时，增大由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度；

-当计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值并且计算出的超声波信号的频率变化量小于预定的频率变化值时，减小由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度。

因此，本发明的牙科治疗器具能够检测与超声波插入件接触的材料的硬度变化，并且能够根据材料的硬度自动地改变发送到换能器的设定点信号的幅度。因此，本发明的器具为从业者的操作提供了自动辅助，从而，从业者因此受益于使用该器具而获得的提高的安全性和更高的效率。

本发明的显着之处在于，其能够在不需要为机头提供附加的传感器的情况下检测硬度变化。具体地，根据换能器中阻抗和频率的变化来检测硬度的变化，该变化取决于与超声波插入件接触的材料。因此，插入件用作传感器，从而优化了测量精度。

计算压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗的变化量包括：测量压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗在确定的时段内的至少两个平均值，计算超声波信号的频率的测量的两个平均值之间的超声波信号的频率的变化，计算超声波信号的阻抗的测量的两个平均值之间的超声波信号的阻抗的变化。可以每100毫秒(ms)测量一次压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗的平均值。在这种情况下，根据本发明的方法的一方面，预定的频率变化值可以等于12赫兹(hz)，并且预定的阻抗变化值可以等于26欧姆(ω)。

根据本发明的器具的另一方面，当计算出的超声波信号的频率变化量大于预定的频率变化值并且计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值时，由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度增大20％。同样地，当计算出的超声波信号的频率变化量小于预定的频率变化值并且计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值时，由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度降低20％。

本发明还提供一种控制超声波治疗器具中的设定点信号的方法，所述超声波治疗器具包括至少一个手术机头、超声波插入件以及超声波发生器，所述机头包括由远端部和压电电机构成的压电换能器，所述远端部固定有超声波插入件，所述压电电机连接到超声波发生器并且机械地接合到远端部，所述压电电机向插入件传输超声波，所述超声波根据由超声波发生器发送到压电电机的电流和电压设定点信号而定义；

所述方法的特征在于，其包括以下步骤：

-计算压电换能器中控制信号的频率和阻抗的变化量；

-将超声波信号的阻抗变化量与预定的阻抗变化值进行比较；

-将超声波信号的频率变化量与预定的频率变化值进行比较；

-当计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值并且计算出的超声波信号的频率变化量大于预定的频率变化值时，增大由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度；

-当计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值并且计算出的超声波信号的频率变化量小于预定的频率变化值时，减小由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度。

根据本发明的方法的另一方面，当计算出的超声波信号的频率变化量大于预定的频率变化值并且计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值时，由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度增大20％。同样地，当计算出的超声波信号的频率变化量小于预定的频率变化值并且计算出的超声波信号的阻抗变化量大于预定的阻抗变化值时，由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号的幅度降低20％。

根据本发明的另一方面，计算压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗的变化量的步骤包括：测量压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗在确定的时段内的至少两个平均值，计算超声波信号的频率的测量的两个平均值之间的超声波信号的频率的变化，计算超声波信号的阻抗的测量的两个平均值之间的超声波信号的阻抗的变化。可以每100ms一次测量压电换能器中的超声波信号的频率和阻抗的平均值。在这种情况下，根据本发明的方法的一方面，预定的频率变化值可以等于12hz，并且预定的阻抗变化值可以等于26ω。

附图说明

通过以下以非限制性示例并参考附图给出的本发明的具体实施方案的描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，在附图中：

图1为超声波牙科治疗器具的示意图；

图2为图1的器具的机头的示意性截面图；

图3为用于控制根据本发明的实施方案的图1的器具的超声波发生器的电子电路的框图；

图4为示出控制根据本发明的实施方案的超声波治疗器具中设定点信号的方法的步骤的流程图；

图5为示出根据本发明的用于控制设定点信号幅度的条件的曲线图；以及

图6为本发明用于控制设定点信号幅度的方法的实现的示例。

具体实施方式

本发明的超声波治疗器具可应用于一般外科领域，更具体地，可应用于牙外科或治疗领域以及骨外科领域(例如，颌面或整形外科)。图1示出了超声波治疗器具100，其包括通过线绳111连接到机头200的超声波发生器110。超声头(sonotrode)或超声波插入件130安装于机头200的顶部或远端部。众所周知，机头200具有换能器(图1中未示出)，所述换能器由压电材料制成并且机械地接合到插入件130，从而向插入件130传输超声波，该超声波根据由超声波发生器发送的电流和电压设定点信号来定义。

图2为示出布置在机头200中的压电换能器220的内部结构的纵向截面图。具体地，所述压电换能器包括近端部230、远端部232以及置于近端部与远端部之间的压电电机222。在当前考虑的示例中，近端部230和远端部232分别对应于反作用体(contremasse)和放大器。反作用体230和放大器232机械地抵靠压电电机222，使得压电电机222机械地受压。

在本示例中，压电电机222由六片环形形状的压电陶瓷224构成，这些压电陶瓷224在反作用体230与放大器232之间在压力下彼此相对地布置。每片陶瓷224覆盖有导电涂层(例如，镀银)，并且七个导电环形板226置于陶瓷224之间，从而将电源电缆228与压电陶瓷224电连接。当压电电机222的陶瓷224受到由连接到超声波发生器的电缆228传输的电信号的作用时，陶瓷224以超声波的形式产生机械振动。然后，这些超声波经由压电换能器220的远端部232传输到安装在远端部232的自由端232a处的超声波插入件130(图2中未示出)。

在本示例中，电绝缘覆盖物240也围绕压电电机222布置，具体用于保护电缆228并使电缆228绝缘。此外，刚性预应力杆233布置在压电换能器220的中心。电绝缘元件235也布置在预应力杆233与压电电机222之间。灌注管234也在预应力杆233的中心形成，从而使液体能够流过机头并从插入件130排出。

根据本发明，在超声波信号的任何阻抗变化超过阻抗变化的预定值时，以及在超声波信号的任何频率变化低于或高于阻抗变化的预定值时，超声波治疗器具还适用于测量压电换能器中超声波信号的阻抗和幅度的变化，并且适用于改变由超声波发生器发送的设定点信号。为此，该治疗器具包括用于处理设定点信号的幅度的模块，该模块配置为执行上述操作。图3为用于控制根据本发明的实施方案的配备有用于处理设定点信号的幅度的模块的超声波发生器的电子控制电路300的框图。控制电路300包括超声波驱动器模块310，该超声波驱动器模块310配置为经由电缆228将电流和电压设定点信号sciu发送到机头中的换能器220，这些信号定义了由换能器的压电电机产生的超声波的频率和幅度，压电电机的振动速度是流过其中的电流的直接函数(fonctiondirecte)，而振动所需的力是电源电压的直接函数。设定点信号sciu最初根据待执行的治疗的类型而定义。电流和电压设定点信号sciu经由磁性模块330传输到换能器，磁性模块330包括变压器(图3中未示出)。由超声波驱动器模块310发送的设定点信号scom由磁性模块转换成电流和电压设定点信号sciu。根据本发明，电子控制电路300还包括用于控制设定点信号的幅度的模块320，该模块测量压电换能器中超声波信号的频率和阻抗的变化量。为此目的，模块320接收分别对应于换能器中的电流和电压的信号imes和umes。换能器220中的电流和电压的图像通过测量注入换能器的电流iinjec的平均值和电压uinjec的平均值而获得。注入的信号iinjec和uinjec来自磁性模块330的初级线圈。在通过相应的模块331和332对这些信号进行缩放和滤波之后，就获得了换能器中的电流imes和电压umes的测量信号。因此，可以在不需要连接到换能器的端子(即，在超声波器具中没有任何附加的接线)的情况下执行换能器中的电流和电压的测量。换能器中的超声波信号的频率和阻抗根据与超声波插入件接触的材料的硬度而变化。通过超声波驱动器模块310所发送的设定点信号scom来获得换能器220中的频率的图像。在通过模块333缩放之后，获得作为换能器中的频率的测量值的信号fmes。

模块320根据信号imes和umes计算换能器中的阻抗。模块320还接收对应于换能器中的频率的信号fmes。因此，模块320可以连续地测量换能器中信号的阻抗和频率，并且可以从中推导出在确定的时间段内的平均值(例如，每100ms一次)。模块320基于两次连续测量来计算阻抗和频率的变化量。

参考图4，接下来描述由用于控制设定点信号的幅度的模块320执行的控制设定点的步骤。如上所述，模块320确定换能器中的信号的阻抗和频率在确定的时间段内的平均测量值，并且计算两个连续平均测量值之间的变化量(步骤s1)。模块320将计算出的阻抗变化量δz与预定的阻抗变化值δzdet进行比较(步骤s2)。如果计算出的阻抗变化量δz小于预定的阻抗变化值δzdet，则模块320保持设定点信号不变。如果计算出的阻抗变化量δz大于预定的阻抗变化值δzdet，则模块320将计算出的频率变化量δf与预定的频率变化值δfdet进行比较(步骤s3和s4)。更确切地说，模块320确定计算出的频率变化量δf是否大于预定的频率变化值δfdet(步骤s3)。如果是，则模块320将控制信号ci和cu发送到设定点信号驱动器模块310，从而使设定点信号驱动器模块310将向换能器220发送的电流和电压设定点信号sciu的幅度增大(步骤s5)。否则，模块320确定计算出的频率变化量δf是否小于预定的频率变化值δfdet(步骤s4)。如果是，则模块320将控制信号ci和cu发送到设定点信号驱动器模块310，从而使设定点信号驱动器模块310将向换能器220发送的电流和电压设定点信号sciu的幅度减小(步骤s6)。否则，模块320保持设定点信号不变。可以以任意顺序执行步骤s3和s4。

任何的设定点信号的幅度的增大或减小都在确定的控制时间段(例如，415ms)内进行。一旦已经经过了该控制时间段，该方法返回到步骤s1。

图5是示出如上所述根据换能器中的超声波信号的阻抗变化量δz和频率变化量δf来控制电流和电压设定点信号的幅度的条件的曲线图。

设定点信号的幅度控制适用于恒定幅度的超声波信号和经调制的超声波信号。如果超声波信号被调制，则调制频率优选地大于或等于确定的值，从而能够确定换能器中的信号的阻抗和频率的平均测量值。例如，当模块320确定100ms的时间段内的平均测量值时，超声波信号的调制频率应该大于或等于25hz。

作为非限制性示例，经实验之后，阻抗变化量的预定值δzdet可以设置为26ω，而频率变化量δfdet的预定值可以设置为12hz，从而能够以每100ms一次来确定换能器中信号的阻抗和频率的平均测量值。仍然作为非限制性示例，任何的设定点信号的幅度都可以以初始设定点的值(即，根据所选择的治疗的类型在超声波治疗器具中设定的值)的20％增大或减小。对于执行牙科治疗的超声波治疗器具，确定上述值。对于其他类型的外科治疗(例如，颌面外科或整形外科)，这些值自然可以是不同的。

图6示出了在超声波牙科治疗器具中根据本发明控制设定点信号的幅度的示例，特别是由供应商销售的用于预植入手术的“piezotomesolo”器具。在图6中，曲线a表示换能器中测量的阻抗变化量δz，曲线b表示换能器中测量的频率变化量δf，曲线c表示对向换能器发送的电流和电压设定点信号的幅度施加的控制。设定点信号的幅度的增大对应于曲线c位于横坐标轴上方的那些部分。设定点信号的幅度的减小对应于曲线c位于横坐标轴下方的那些部分。曲线c与横坐标轴重合的部分对应于不改变设定点信号的幅度的时刻。

可以在对超声波治疗器具应用设置的同时停用用于控制设定点信号的幅度的模块320。