專利名稱：電外科發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于向電外科器械提供射頻(RF)功率的電外科發(fā)生器(electrosurgical generator)，并且主要涉及一種具有串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的發(fā)生器。
背景技術(shù)：
按照慣例，電外科發(fā)生器利用包括電壓源的配置，該其中該電壓源通過一個限定了50至500歐姆之間的匹配輸出阻抗的耦合電容器耦合到電外科器械。這種配置產(chǎn)生了在匹配阻抗處具有最大功率值的功率對負(fù)載阻抗特性，并且在峰值的每一側(cè)功率都逐漸下降。實際上，當(dāng)實施電外科手術(shù)時，負(fù)載阻抗可以在很寬范圍內(nèi)變化，導(dǎo)致了不可預(yù)測的臨床效果。
為解決該問題，已知一種能夠提供寬范圍阻抗匹配的RF輸出級。這具有快速負(fù)載阻抗變化可能產(chǎn)生大輸出電壓偏移的缺點。一種替換方法是，響應(yīng)反饋信號來控制向RF輸出級的直流(DC)供電，以使得傳送的功率實際上是連續(xù)的。這可以通過調(diào)節(jié)電源DC電壓、或者通過維持供給的DC功率恒定來實現(xiàn)。這些技術(shù)導(dǎo)致了實際上在某一阻抗范圍內(nèi)平坦的功率對負(fù)載阻抗特性，但是一個局限是，當(dāng)開始切割或汽化(與組織切割相反)組織時，難以控制能量傳送。為了利用射頻功率來切割或汽化組織，需要使由組織或周圍液體帶來的初始低阻抗負(fù)載變?yōu)檩^高阻抗，以便激起電弧。傳送太多能量可能造成手術(shù)部位附近的燒傷、過多煙霧或器械故障。傳送太少能量造成大的延遲，并且可能造成有害的組織凝結(jié)。
還已知利用電外科發(fā)生器以很高電壓向雙極性電外科器械提供脈沖電外科功率，例如當(dāng)切除被浸入諸如鹽水的導(dǎo)電液體中的手術(shù)部位的組織時，該高電壓為大約1千伏峰到峰電壓。器械可以具有有源電極，該有源電極位于要與要治療的組織鄰近或接觸的器械最末端；以及返回電極，該返回電極被設(shè)置為從有源電極返回、并具有用于和導(dǎo)電液體進(jìn)行電連接的液體接觸面。為實現(xiàn)組織切除，使有源電極周圍的導(dǎo)電液體汽化，以造成在電極上放電弧。當(dāng)器械經(jīng)歷低負(fù)載阻抗時，用于在變化的負(fù)載阻抗情況下實現(xiàn)組織切割或汽化的高壓尤其需要發(fā)生器。實際上，如上所述，在這種情況下難以可靠地開始放電弧而沒有有害效果。已經(jīng)采取措施，通過減小電極尺寸以及通過例如涂敷氧化層以使電極表面變粗糙，來增加有源電極處的功率密度，并因此提高開始放電弧的可靠性。后一種技術(shù)具有以下效果捕獲不規(guī)則表面中的蒸汽，作為增加功率密度的手段。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種器械在高壓下的操作易于造成有源電極的腐蝕。腐蝕速率隨供電電壓增加而增加，并且也通過減小電極尺寸以及提供變粗糙的表面而加劇，如剛才所述。
己公開的歐洲專利申請No.EP1053720A1披露了一種用于產(chǎn)生高電外科電壓的發(fā)生器。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，一種用于向電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，其中輸出級在輸出線處的輸出阻抗小于 歐姆，在此P是以瓦為單位的發(fā)生器最大連續(xù)RF輸出功率。當(dāng)發(fā)生器被配置成用于濕區(qū)域(wetfield)外科，例如供被浸入諸如鹽水的導(dǎo)電液體中的器械的一個或多個電極使用時，最大連續(xù)功率優(yōu)選地大約為300W至400W。因此，如果最大輸出功率是400W，則輸出阻抗小于10歐姆。干區(qū)域(dryfield)電外科，即正常地不浸沒電極的電外科，需要較少的RF輸出功率。在該情況下，可以這樣配置發(fā)生器，以致最大連續(xù)RF輸出功率大約為16W，在該情況下輸出阻抗小于50歐姆。在這兩種情況下，在利用用于切割或汽化組織的輸出電壓進(jìn)行操作、即在至少300V峰值的電壓下進(jìn)行操作的時候，獲得這些數(shù)字。輸出阻抗優(yōu)選地小于 歐姆，這在以上功率輸出處產(chǎn)生5歐姆至25歐姆的最大輸出阻抗值。
將要理解，當(dāng)發(fā)生器的RF輸出是脈沖的時候，即當(dāng)RF能量以脈沖串形式、一般作為RF正弦波被提供給負(fù)載時，最大連續(xù)功率是在幾個這樣的脈沖串內(nèi)測量的平均功率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，這樣配置輸出網(wǎng)絡(luò)，以致輸出線的輸出電流的最大上升速率小于每微秒 安培，P的定義如上。
因此，對于用于濕區(qū)域電外科的400W典型最大連續(xù)RF功率，一般，在輸出線在發(fā)生器最大功率設(shè)定下發(fā)生短路時的輸出電流幅度的最大上升速率小于5A/μs。在用于干區(qū)域電外科的P典型值為16W的情況下，輸出電流幅度的上升速率小于1A/μs。
在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選發(fā)生器中具有保護(hù)電路，該保護(hù)電路響應(yīng)實質(zhì)上指示例如由輸出線短路造成的輸出電流過載的預(yù)定電狀態(tài)，以便中斷供給串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的RF功率。該保護(hù)電路足夠快地響應(yīng)短路，以致在與被傳送RF功率的僅僅20個周期相對應(yīng)的時期內(nèi)切斷向輸出網(wǎng)絡(luò)的RF功率供給。該保護(hù)電路優(yōu)選地可以快得多地操作，以便在3個周期甚至1個周期內(nèi)中斷功率傳送。串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的作用是，在故障狀態(tài)下，例如當(dāng)輸出線上出現(xiàn)極低阻抗或短路時，延遲電流的增大。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只在幾個RF周期之后，從開路到短路的阻抗轉(zhuǎn)變就導(dǎo)致了RF功率器件的有效短路。通過安排保護(hù)電路進(jìn)行快速響應(yīng)，能夠在這發(fā)生以前禁止輸出級。一般地，保護(hù)電路足夠快地響應(yīng)輸出線短路的發(fā)生，以便在由于短路而使通過射頻功率器件的電流上升到額定最大電流之前，禁止射頻功率器件。
具有較低輸出阻抗的RF輸出級的使用意謂，RF電壓輸出實質(zhì)上直接與施加于輸出級的DC供電電壓相關(guān)(具體地說，與輸出級所包含的一個或多個RF功率器件相關(guān))。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，每個RF功率器件都以開關(guān)方式操作，結(jié)果方波輸出被施加于串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)。輸出線的可變均方根(RMS)電壓與供電電壓成正比。從而，最大峰到峰輸出電壓由DC供電電壓確定，并且結(jié)果在該實施例中不需要到控制輸出電壓的動態(tài)反饋。
保護(hù)電路優(yōu)選地能夠在上述預(yù)定電狀態(tài)開始之后的一個半RF周期內(nèi)禁止輸出級。優(yōu)選地，預(yù)定電狀態(tài)指示輸出級中超過預(yù)定電平的瞬時電流，并且保護(hù)電路的響應(yīng)速度是這樣的，以致在瞬時電流超過預(yù)定電平的相同RF周期內(nèi)檢測到瞬時電流突破預(yù)定電平?？梢酝ㄟ^這樣的電流感測電路來執(zhí)行這種檢測，該電流感測電路包括串聯(lián)耦合一個或多個RF功率器件和串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)之間、并且典型地為變流器的拾取裝置(pick-up arrangement)；以及具有耦合到拾取裝置(例如耦合到變壓器的次級繞組)的第一輸入和耦合到參考電平源的第二輸入的比較器。參考電平源可以是基本上沒有濾波的瞬時電流的電壓表示，以便促使比較器輸出的狀態(tài)在閾值首先被超過的相同二分之一RF周期內(nèi)、或者在隨后的二分之一RF周期內(nèi)發(fā)生變化，這取決于是否在比較器前面應(yīng)用了全波整流。對于濕區(qū)域電外科，預(yù)定瞬時輸出電平優(yōu)選地為至少5A，并且典型地為15A。比較器的輸出耦合到禁止電路，以便當(dāng)響應(yīng)通過拾取裝置感測的超過參考源所設(shè)置的預(yù)定電平的瞬時電流、而使比較器輸出的狀態(tài)改變時，禁止一個或多個功率器件。保護(hù)電路的電流斷開方式不限于阻抗。
一般，只需要使功率傳送中斷短時間。因此，保護(hù)電路包括單穩(wěn)態(tài)級，并且可以響應(yīng)預(yù)定狀態(tài)的檢測、使功率器件禁用由單穩(wěn)態(tài)級的時間常數(shù)確定的有限時期，該時間常數(shù)典型地小于發(fā)生器工作頻率的20個周期。
優(yōu)選地，發(fā)生器具有耦合到一個或多個功率器件的RF源，該RF源包括定義發(fā)生器工作頻率的振蕩器。串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)被調(diào)諧到該工作頻率。一般，這樣配置RF源，以致工作頻率基本上是恒定的(例如在任何給定的治療周期期間)。
這樣設(shè)置優(yōu)選的發(fā)生器，以致對于給定用戶設(shè)置，RMS RF輸出電壓基本上在 歐姆至1000歐姆的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)，其中P的定義如上。因而，例如在RF能量的每個脈沖串期間的RMS RF輸出電壓常數(shù)被維持在最大值的20％以內(nèi)。作為輸出網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)諧振配置的結(jié)果，可以部分地實現(xiàn)這一點。
為維持低阻抗下的恒定峰值輸出電壓，根據(jù)本發(fā)明的特殊優(yōu)選特征，輸出級的RF電源包括電荷存儲元件，該電荷存儲元件優(yōu)選地為超過1mF的電容器，輸出器件受脈沖調(diào)制電路的脈沖調(diào)制(pulsing)，以致這些輸出器件以脈沖串的形式提供RF能量，并且響應(yīng)耦合到該電容器的電壓感測電路的輸出來控制脈沖串的定時、尤其是每個脈沖串的終止。輸出級的DC供電電壓優(yōu)選地為100V或更大。為避免供電電壓的大幅度衰減，電壓感測電路和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成，當(dāng)感測的電壓降到預(yù)定電平以下時終止RF能量的單個脈沖，典型地這樣設(shè)置該預(yù)定電平，以致當(dāng)電壓下降5％至20％之間的預(yù)定百分值時脈沖終止發(fā)生，該預(yù)定百分值典型地與輸出線傳送的、降到各個脈沖起始電壓值以下25V至100V之間的值的峰值RF電壓相對應(yīng)。對于濕區(qū)域電外科，每個脈沖期間傳送的RF能量典型地為60焦耳，對于干區(qū)域電外科，每個脈沖期間傳送的RF能量典型地為2焦耳。峰值功率典型地達(dá)到至少1kW，優(yōu)選地為4kW。
優(yōu)選濕區(qū)域發(fā)生器的極高峰值功率性能(超過1kW)允許在組織切割或汽化周期開始時發(fā)生的阻抗轉(zhuǎn)變非?？斓赝瓿?，因為只有超過放電弧所需電壓的電壓才被傳送。這大大減小了某些現(xiàn)有技術(shù)發(fā)生器的延遲和有害凝結(jié)效果?；旧虾愣ǖ碾妷簜魉蛯?dǎo)致切割或汽化以一致速率發(fā)生，而與組織類型或接合(engagement)的變化無關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于向電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件、用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線、以及耦合在RF功率器件和所述輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，該發(fā)生器進(jìn)一步包括響應(yīng)輸出線短路的保護(hù)電路，其中輸出級的輸出阻抗小于 歐姆，在此P是以瓦為單位的發(fā)生器最大運(yùn)續(xù)RF輸出功率，以及其中保護(hù)電路足夠快地響應(yīng)所述短路，以便在由于短路而使通過功率器件的電流上升到額定最大電流之前禁止功率器件?？梢栽谂c少于3個RF周期相對應(yīng)的時期內(nèi)，響應(yīng)輸出線短路的發(fā)生，來禁止所述或每個功率器件。
本發(fā)明的另一方面提供一種用于向用于在濕區(qū)域電外科中切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，以及其中輸出級輸出線的輸出阻抗小于10歐姆。
本發(fā)明的又一方面提供一種用于向用于在干區(qū)域電外科中切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，以及其中輸出級輸出線的輸出阻抗小于50歐姆。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，其中該發(fā)生器被配置成能夠在 歐姆至1000歐姆的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)維持至少300V的峰值輸出電壓，在此P是以瓦為單位的額定輸出功率。在國際電工技術(shù)委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-2-2中定義了該額定輸出功率。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，其中該發(fā)生器進(jìn)一步包括耦合到RF輸出級的電源級，該電源級具有能夠存儲以焦耳為單位的發(fā)生器最大連續(xù)功率P(以瓦為單位)的3％至30％的儲能電容器。
在本發(fā)明的另一方面，每脈沖的能量傳送(以焦耳為單位)在最大連續(xù)RF輸出功率(以瓦為單位)的1％至10％之間。
本發(fā)明也包括一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括RF輸出級，該RF輸出級具有至少一個RF功率器件；用于向電外科器械傳送RF功率的至少一對輸出線；以及耦合在RF功率器件和所述一對輸出線之間的串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，以及其中該發(fā)生器進(jìn)一步包括耦合到輸出級的脈沖調(diào)制電路，該脈沖調(diào)制電路用于以這樣一種方式對被傳送的RF功率進(jìn)行脈沖調(diào)制，以致當(dāng)在脈沖期間的峰值輸出電壓被維持在大于300V的值的時候輸出線上存在的負(fù)載阻抗減小時，輸出線上產(chǎn)生的電壓波峰因數(shù)增大。對于濕區(qū)域電外科，輸出級的輸出阻抗優(yōu)選地小于10歐姆，并且在 歐姆至1000歐姆(典型地從10歐姆到1000歐姆)的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)波峰因數(shù)按至少2∶1的比值變化。對于干區(qū)域電外科，輸出阻抗小于50歐姆，并且在 歐姆至50千歐(典型地從50歐姆到50千歐)的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)波峰因數(shù)按至少2∶1的比值變化。
“波峰因數(shù)”表示峰值電壓與RMS電壓之比。在脈沖輸出波形的情況下，在多個脈沖內(nèi)進(jìn)行測量。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，一種電外科發(fā)生器，包括RF能量源、有源輸出端、返回輸出端、位于RF能量源和有源輸出端之間的隔直流電容器、以及用于RF能量源的脈沖調(diào)制電路，其中RF能量源和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成在輸出端產(chǎn)生脈沖RF輸出信號，該輸出信號具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，信號具有至少3A的峰值電流。
利用這種發(fā)生器，即使在較低負(fù)載阻抗的情況下，也有可能開始放電弧。一旦形成電弧，負(fù)載阻抗就傾向于上升，結(jié)果可以利用連續(xù)RF輸出波形維持放電弧。有源電極處的增加功率密度可用于汽化，同時減小電極腐蝕。
脈沖長度優(yōu)選地在0.5ms至5ms之間，脈沖占空系數(shù)典型地在1％至20％之間，并且優(yōu)選地在2％至20％之間。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選發(fā)生器具有諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，并且可以操作以便例如至少在治療周期的初期產(chǎn)生至少1千瓦、并且典型地至少為3千瓦或4千瓦的峰值功率。通過在發(fā)生器中提供用于將輸出電壓限于大約900V至1100V峰到峰的值的裝置，可以實現(xiàn)電極腐蝕性能的改善。
在優(yōu)選的發(fā)生器中，RF能量源和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成，在初期在輸出端產(chǎn)生具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度的脈沖RF輸出信號，并且在后期在輸出端產(chǎn)生恒定功率RF輸出信號。
不同的使發(fā)生器結(jié)束上述操作初期、并開始所謂的后期的方法是可行的。這樣設(shè)置一個發(fā)生器實施例，以致在初期開始之后的預(yù)定時間間隔、從初期到后期的轉(zhuǎn)換自動發(fā)生。在替換實施例中，發(fā)生器具有用于在發(fā)生器使用過程中監(jiān)測有源輸出端和返回輸出端之間的負(fù)載阻抗的裝置，并且被設(shè)置成，當(dāng)輸出阻抗的大小增大預(yù)定因數(shù)、典型地為5至20并且優(yōu)選地為10，或者當(dāng)輸出阻抗大小超過預(yù)定閾值時，促使轉(zhuǎn)換到后期。
優(yōu)選的發(fā)生器使用涉及上述電荷存儲元件的第三轉(zhuǎn)換技術(shù)。在該情況下，RF能量源包括RF輸出級，并且發(fā)生器具有包括用于向輸出級提供功率的、諸如大電容器的電荷存儲元件的電源。當(dāng)治療周期包括初期和后期，如上所述，則電容器用于至少在初期提供功率。和電容存儲元件相關(guān)聯(lián)的是用于感測通過電荷存儲元件提供給輸出級的電壓的電壓感測電路，這樣安排發(fā)生器，以致響應(yīng)電壓感測電路所感測的供電電壓達(dá)到預(yù)定電壓閾值、而結(jié)束治療或開始后期。的確，有可能利用相同電壓感測電路來控制單個脈沖的長度和定時。在該情況下，電壓感測電路形成上述脈沖調(diào)制電路的一部分，并且響應(yīng)供電電壓達(dá)到上述電壓閾值而至少確定由輸出級在初期產(chǎn)生的脈沖的開始定時。有可能將輸出級所產(chǎn)生的脈沖的前沿和后沿都設(shè)置成，通過分別降到相應(yīng)電壓閾值以下和超過相應(yīng)閾值以上的供電電壓，來確定該脈沖前沿和后沿。
電荷存儲電容器優(yōu)選地為至少1000μF，并且有利地具有超過5焦耳的容量。
如上所述，優(yōu)選發(fā)生器具有調(diào)諧的輸出。的確，具有諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的發(fā)生器獲得了良好結(jié)果，發(fā)生器負(fù)載曲線(即被傳送的功率對負(fù)載阻抗的曲線)在50歐姆以下的負(fù)載阻抗處具有峰值。通過將輸出網(wǎng)絡(luò)形成為包括電感器和電容器的串聯(lián)組合的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，來幫助將峰值功率電平傳送到低負(fù)載阻抗中，從該電容器得到輸出網(wǎng)絡(luò)的輸出?？梢酝ㄟ^耦合電容器以及任選的升壓變壓器，從串聯(lián)組合的電感器和電容器之間的節(jié)點，將輸出取出到發(fā)生器的所有輸出端。雖然有可能改為從電感器得到輸出，但是從電容器得到輸出具有減小開關(guān)瞬態(tài)的優(yōu)點。作為進(jìn)一步替換例，發(fā)生器可以使其輸出端連接到諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，以致實際上當(dāng)負(fù)載連接到端子時，它作為阻抗與形成諧振組合的電感器和電容器串聯(lián)，例如串聯(lián)在電感器和電容器之間。
諧振輸出網(wǎng)絡(luò)典型地在50歐姆至500歐姆的范圍內(nèi)在輸出端提供源阻抗。
相當(dāng)重要的是，因為由于耦合電容器、使輸出網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率可以隨負(fù)載阻抗而變，因此RF源可以包括可變頻率RF振蕩器，當(dāng)連接到匹配負(fù)載阻抗、即連接到等于其源阻抗的負(fù)載阻抗時，輸出頻率有利地被限制在輸出網(wǎng)絡(luò)諧振頻率以下的最大值。
可以將發(fā)生器和雙極性電外科器械結(jié)合起來形成電外科系統(tǒng)，該電外科器械至少具有耦合到發(fā)生器有源輸出端的有源電極、以及耦合到發(fā)生器返回輸出端的返回電極。本發(fā)明特別應(yīng)用于以下電外科系統(tǒng)該電外科系統(tǒng)中，雙極性電外科器械具有被形成為導(dǎo)電的、優(yōu)選地為U形環(huán)的有源電極。這種環(huán)常常用于切除組織樣本，但是在實現(xiàn)鹽水汽化和放電弧方面，對發(fā)生器提出了特殊要求。
根據(jù)本發(fā)明第十一方面，一種電外科系統(tǒng)，包括具有RF能量源的發(fā)生器；以及耦合到發(fā)生器、并具有帶有至少一對電極的電極組件的雙極性電外科器械，其中發(fā)生器適于在初期將RF功率作為脈沖調(diào)制RF信號傳送給電極組件，在和這對電極一起使用時，該脈沖調(diào)制RF信號具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度。
再次，該電外科系統(tǒng)可以適于在初期將RF能量作為脈沖調(diào)制RF信號傳送給電極組件，在和這對電極一起使用時，該脈沖調(diào)制RF信號具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度，并且該電外科系統(tǒng)可以適于在后期將RF能量作為連續(xù)功率RF信號傳送給電極組件。峰值電流優(yōu)選地為至少3A。
現(xiàn)在將參考附圖舉例描述本發(fā)明，其中圖1所示為包括根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器和雙極性電外科器械的電外科系統(tǒng)的總體圖；圖2A和2B分別是形成圖1所示的雙極性器械一部分的環(huán)電極組件的透視圖和側(cè)視圖；圖3所示為發(fā)生器主要部件的框圖；圖4是形成發(fā)生器一部分的RF輸出級的簡化電路圖；圖5是圖1發(fā)生器的說明性負(fù)載曲線；圖6是RF輸出級的更詳細(xì)電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的替換電外科發(fā)生器的框圖；圖8是替換發(fā)生器的諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的電路圖；以及圖9是圖7發(fā)生器的負(fù)載曲線。
具體實施例方式
參考圖1，發(fā)生器10具有輸出插座10S，該輸出插座10S用于通過接線繩14向內(nèi)窺鏡附件12形式的電外科器械提供射頻(RF)輸出。可以從器械12通過繩14中的控制連接執(zhí)行發(fā)生器的啟動，或者可以借助于如圖所示通過腳踏開關(guān)接線繩18獨立連接到發(fā)生器10背面的腳踏開關(guān)單元16，來執(zhí)行發(fā)生器的啟動。在所示的實施例中，腳踏開關(guān)單元16具有兩個分別用于選擇發(fā)生器的凝結(jié)模式和切割模式的腳踏開關(guān)16A和16B。發(fā)生器前面板具有分別用于設(shè)置在顯示器24中指示的凝結(jié)和切割功率電平的按鈕20和22。按鈕26被提供作為用于在凝結(jié)和切割模式之間進(jìn)行選擇的交替裝置。器械12包括具有雙電極結(jié)構(gòu)、并意欲在鹽水區(qū)域中使用的可拆開環(huán)電極組件28。
器械12包括具有雙電極結(jié)構(gòu)、并意欲在鹽水區(qū)域中使用的可拆開環(huán)電極組件28。圖2A和2B是電極組件28的末端放大視圖。在其最末端，組件28具有從一對電極組件臂32下垂的U形環(huán)電極30，這對電極組件臂32并排地被安裝在要咬到內(nèi)窺鏡上的夾子34中。環(huán)電極30是有源電極。每一個臂32都被形成為同軸電纜，在所有情況下該同軸電纜的暴露導(dǎo)電外罩都形成返回電極36。在被浸入鹽水場中的操作中，環(huán)電極30典型地用于切割組織樣本，在環(huán)電極12A和返回電極36的液體接觸面之間形成的電外科電壓促進(jìn)環(huán)電極30周圍的鹽水液體的汽化，并且由此形成通過蒸汽包封的放電弧。
環(huán)電極30包括具有氧化涂層的合成鉬錸導(dǎo)線，該合成鉬錸導(dǎo)線用于促進(jìn)電極/液體界面中的阻抗增加，并因此增加電極表面的功率密度。
環(huán)的寬度典型地在2.5mm至4mm的范圍內(nèi)，并且導(dǎo)線的直徑典型地在0.20至0.35mm的范圍內(nèi)。
在開始汽化和形成電弧方面，該環(huán)電極組件提出了對發(fā)生器的特殊要求。
通過減小導(dǎo)線直徑以及形成氧化層來改進(jìn)該電極組件的放電弧(“點火”)啟動的努力易于增加腐蝕速率或?qū)е颅h(huán)在機(jī)械上易壞。
應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器不限于和環(huán)電極組件一起使用，也不限于在濕區(qū)域外科中使用。
現(xiàn)在將參考圖3更詳細(xì)地描述發(fā)生器。發(fā)生器具有振蕩器40形式的RF源，該振蕩器40可以連接到RF輸出級42。輸出級42包括形成功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與驅(qū)動電路44一部分的MOSFET功率橋(power birdge)、電流感測元件46和諧振輸出網(wǎng)絡(luò)48。振蕩器40被配置成在基本上恒定的RF頻率操作，并且輸出網(wǎng)絡(luò)48被調(diào)諧到那個頻率。一般地說，耦合到一個或多個RF功率器件的RF源限定發(fā)生器的工作頻率，并且輸出網(wǎng)絡(luò)(如下所述，該輸出網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)諧振的)被調(diào)諧到該工作頻率。在本發(fā)明的該實施例中，工作頻率基本上是恒定的。
通過電源干線(supply rail)58、從DC電源50向RF輸出級42供電，或者更具體地說，向功率MOSFET供電。4.7mF儲存電容器60連接在電源干線58和地之間。電源干線58上的電壓由電壓感測電路62感測，該電壓感測電路62控制串聯(lián)在RF振蕩器40和功率MOSFET與驅(qū)動電路44中的驅(qū)動器件之間的第一傳輸門64。
輸出級42中的電流感測元件46是串聯(lián)變流器，該變流器的次級繞組耦合到比較器66的第一輸入，該比較器66在其另一輸入接收來自參考輸入68的參考信號。比較器的輸出控制單穩(wěn)態(tài)元件70，單穩(wěn)態(tài)元件70又控制與振蕩器40和功率MOSFET與驅(qū)動電路44中的驅(qū)動器之間的路徑中的門電路64串聯(lián)耦合的第二傳輸門72。輸出網(wǎng)絡(luò)48向輸出終端74提供RF功率，輸出終端74實際上是一對輸出線，如下所述。就RF能量被突發(fā)地供給受操作為脈沖調(diào)制電路一部分的電壓感測電路62與門電路64組合的控制的輸出線74來說，發(fā)生器的操作正常是脈沖的。當(dāng)啟動發(fā)生器時，至少在與輸出線74交叉耦合的負(fù)載阻抗較低的時候，由于儲存電容器60的放電，使得電源干線58上的電壓傾向于下降。當(dāng)電源干線58上的DC供電電壓下降到預(yù)設(shè)值時，電壓感測電路62的輸出改變狀態(tài)，并且傳輸門64被驅(qū)動到其開路狀態(tài)，由此禁止功率MOSFET與驅(qū)動電路44。然后，當(dāng)電源干線電壓達(dá)到較高的第二預(yù)設(shè)值時，儲存電容器60再充電，并且電壓感測電路62使門電路64重新連接振蕩器40。這樣，有可能控制在每個脈沖中傳送的能量數(shù)量。
電流感測元件46、比較器66、單穩(wěn)態(tài)元件70和第二傳輸門72一起充當(dāng)保護(hù)電路，以使電路44中的MOSFET功率器件免于例如由輸出線74的短路造成的過量電消耗。輸出網(wǎng)絡(luò)48中的能量存儲延遲了輸出線74的短路到功率MOSFET與驅(qū)動電路44中的功率器件的傳送。
電流感測元件46和比較器66檢測的電路狀態(tài)是，在電路44中的功率MOSFET和輸出網(wǎng)絡(luò)48之間流動的電流上升到能夠指示輸出線74的短路的電平。當(dāng)電流達(dá)到如比較器66所檢測的預(yù)設(shè)電流電平時，比較器輸出改變狀態(tài)，并且單穩(wěn)態(tài)元件70使第二傳輸門72變成開路，由此禁止功率MOSFET與驅(qū)動器級44。單穩(wěn)時間常數(shù)典型地被設(shè)置為0.5秒或更少，這允許產(chǎn)生報警信號來警告用戶。然而，由于串聯(lián)諧振電路中的能量存儲，有可能保護(hù)單穩(wěn)時間常數(shù)大約為400kHz工作頻率下的20個RF周期的RF功率器件。
在圖4的簡化電路圖中，原則上顯示了輸出級42的配置。參考圖4，圖3所示的功率MOSFET與驅(qū)動器級44具有包括第一對推挽場效應(yīng)晶體管(FET)功率器件Q1、Q2和第二對推挽FET功率器件Q3、Q4的功率MOSFET橋，每一對都具有各自的輸出節(jié)點，當(dāng)這兩對被驅(qū)動成具有180°相位差時，每一對各自的輸出節(jié)點在串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)48的輸入產(chǎn)生具有振蕩器40(圖2)的頻率的方波。每一對功率MOSFET Q1、Q2及Q3、Q4都耦合在電源干線58和地之間。因此，因為當(dāng)被驅(qū)動為“通”時，每一個MOSFET都是虛短路，所以施加于輸出網(wǎng)絡(luò)48的電壓實際上在地和電源干線電壓之間擺動。圖3所示的儲存電容器60當(dāng)然與各對功率MOSFET并聯(lián)，如圖4所示。
輸出網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)諧振的，因為電感器L1和諧振電容器C1分別串聯(lián)耦合在第一對功率MOSFET和第二對功率MOSFET的輸出節(jié)點76、78。在該實施例中，負(fù)載電阻器RL串聯(lián)在電感器L1和電容器C1之間，該負(fù)載電阻器RL實際上由耦合在輸出線74和跨越電外科器械電極組件的組織和/或液體之間的電外科器械構(gòu)成。如上所說明的，由電感器L1和電容器C1形成的串聯(lián)諧振調(diào)諧電路充當(dāng)能量存儲器件，如果負(fù)載電阻器RL下降到極低值，則該能量存儲器件使功率MOSFET橋Q1至Q4的節(jié)點之間的電流增大延遲。該諧振配置的另一特征在于，只不過當(dāng)然是有條件的，一旦網(wǎng)絡(luò)48的諧振頻率和振蕩器級40(圖3)的工作頻率的諧振頻率相同，它在一個頻率下是低阻抗，這意謂被傳送的輸出信號幾乎只由功率MOSFET所產(chǎn)生的波形基本分量組成。
以上參考圖4描述的輸出配置賦予發(fā)生器的特性之一是，在RF能量的每一脈沖串或脈沖期間、它具有近似恒定的電壓負(fù)載曲線，如圖5中顯示的功率對負(fù)載阻抗負(fù)載曲線所示。該特性尤其適于組織切割或汽化，因為它提供了在低阻抗下所需的高功率、而沒有電壓過沖。通過功率MOSFET到電源干線和地的直接耦合，以及通過儲存電容器60，來提供所需的低輸出阻抗和高電流，即使升壓變壓器耦合在串聯(lián)諧振元件L1、C1和輸出線74之間。有可能利用該配置將發(fā)生器輸出線74的輸出阻抗保持為2歐姆或更小。對于故障狀態(tài)下的峰值電流傳送，這意味著需要諸如以上提到的保護(hù)電路。
圖6中更詳細(xì)地顯示了RF輸出級42。如圖6所示，電流感測元件46是變流器，該變流器串聯(lián)耦合在功率MOSFET橋的輸出節(jié)點76、78之一和串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)的元件L1、C1之一之間，在該情況下串聯(lián)耦合在節(jié)點76和電感器L1之間。在該優(yōu)選的發(fā)生器中，電源干線58上的正常DC供電電壓大約為120V。為激起電弧以便執(zhí)行組織切割或汽化，可能需要超過380V的峰值電壓。因此，為絕緣起見，RF輸出網(wǎng)絡(luò)48包括升壓絕緣變壓器TR1，以便將峰值輸出電壓提升到500V峰值區(qū)。變壓器TR1的初級繞組具有與之并聯(lián)，以便產(chǎn)生被調(diào)諧到工作頻率的并聯(lián)諧振電路的調(diào)諧電容器C2，從而充當(dāng)并聯(lián)陷波器。這改善了被供給輸出線74的功率信號中的諧撥排斥，尤其是當(dāng)輸出阻抗高時，由此產(chǎn)生的益處是RFI(RF干擾)的減少。
通過變壓器TR1次級繞組和輸出線74之一之間的耦合電容器C3，來提供隔直流。
輸出網(wǎng)絡(luò)48的實際諧振頻率是幾個元件的結(jié)果，這些是(1)由集總的電感器L1和調(diào)諧電容器C1代表的主調(diào)諧元件，(2)變壓器漏電感和交叉耦合電容，(3)隔直流電容C3，以及(4)輸出線74和電外科器械自己之間的連接電纜(未顯示)的電感和電容性負(fù)載。故障狀態(tài)下電流增大的延遲歸因于該調(diào)諧配置中的能級。在諧振情況下，該配置具有可以由串聯(lián)電阻表示的有限損耗，雖然該串聯(lián)電阻很小。然而，動態(tài)地，諧振輸出網(wǎng)絡(luò)中的能級不可能立即變化。在工作頻率下的幾個RF周期之后，從開路到短路的阻抗轉(zhuǎn)變只給開關(guān)級帶來短路。圖3所示的比較器66能夠在從輸出線74開始的轉(zhuǎn)變的1至1.5個周期內(nèi)檢測這種阻抗變化。上述的迅速響應(yīng)，以及允許功率MOSFET與驅(qū)動電路44在損壞發(fā)生以前被斷開，具有以下效果在短路器件傳送的能量數(shù)量非常小。
再次參考圖3，并且尤其參考電壓感測和輸出級脈沖調(diào)制電路62、64，可以利用以上參考圖5和圖6描述的輸出級來實現(xiàn)的極高峰值功率具有以下好處在向低阻抗傳送功率的期間，在發(fā)生器啟動的時刻之后，儲存電容器60的電壓逐漸減小。電容器值被選擇為大得足以確保，能夠在RF能量的一個脈沖串中產(chǎn)生在組織切割或汽化周期開始時發(fā)生的從低到高負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)變。典型地，在初始猝發(fā)期間傳送的能量數(shù)量在干燥環(huán)境下大約為1焦耳，并且在潮濕環(huán)境下在10至20焦耳之間。RF脈沖或猝發(fā)中的實際能量受電壓感測電路62中設(shè)置的一個或多個閾值控制，具體地說，受脈沖啟動和脈沖終止之間的供電電壓差控制。因為輸出級具有極低輸出阻抗，因此該電壓差顯現(xiàn)為輸出處傳送的RF電壓的變化。從而，使電容器60足夠大(在該實施例中為4.7mF)，以致于電壓變化只代表輸出處絕對電壓的較小比例。因而，如果傳送的輸出電壓是峰值電壓為500V的正弦波，則這樣選擇電源干線58上的供電電壓、電容器60的大小以及變壓器TR1升壓比，以致于在RF脈沖串期間輸出壓降不超過100V峰值(20％)。在該優(yōu)選的實施例中，輸出壓降大約為50V峰值或10％。
阻止向輸出提供較低電壓的作用之一是，在組織切割或汽化期間，不允許電壓降到不希望的凝結(jié)效果發(fā)生的電平。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選發(fā)生器允許這樣改變饋給儲存電容器60的DC能量，使得能夠改變切割電壓存在于輸出處的時期。實際上，由于發(fā)生器的低輸出阻抗，該時期與存儲的能量成正比。
根據(jù)感測的儲存電容器電壓閾值來控制RF能量脈沖串或脈沖的控制方法允許使用極低占空系數(shù)，由此允許在低平均功率下執(zhí)行組織切割或汽化。的確，有可能利用低于5瓦的平均功率(在幾個電容器充電和放電周期內(nèi)平均)進(jìn)行操作。因此，該發(fā)生器在低功率以及高功率應(yīng)用中都有用。
現(xiàn)在將參考圖7來描述供以上參考圖1所述的系統(tǒng)中使用的替換發(fā)生器。該發(fā)生器具有包括電壓控制振蕩器(VCO)40A的可變頻率RF源。在該例子中，VCO饋給1比2分頻電路級40B，1比2分頻電路級40B又饋給功率驅(qū)動器級44A，功率驅(qū)動器級44A驅(qū)動功率橋44B形式的RF輸出級。功率橋44B饋給諧振輸出網(wǎng)絡(luò)80，諧振輸出網(wǎng)絡(luò)80在輸出端74傳送發(fā)生器輸出信號。實際上，功率驅(qū)動器級44A和功率橋44B可以具有和以上參考圖3描述的發(fā)生器的功率MOSFET與驅(qū)動電路44相同的配置。功率橋44B從DC電源50的電源干線58接收其DC供電，但是驅(qū)動器級44A具有較低供電電壓。對于功率橋44B，典型的供電電壓為最大180V，對于驅(qū)動器級44A，典型的供電電壓最大為16.5V。
為將VCO 40A和1比2分頻電路級40B組合的頻率變成輸出網(wǎng)絡(luò)80的諧振頻率，將RF源的上述部件耦合在鎖相環(huán)路中，該鎖相環(huán)路包括耦合在功率橋44B和輸出網(wǎng)絡(luò)80之間，以便感測輸出網(wǎng)絡(luò)的輸入引線中的電流相位的相位感測元件82。該電流相位信號被施加于相位比較器84的一個輸入，并且相位比較器84的另一輸入接收代表經(jīng)由延遲級86從1比2分頻電路級40B的輸出得到的VCO 40A輸出的信號，當(dāng)RF信號通過功率驅(qū)動器和功率橋時，延遲級86補(bǔ)償RF信號的延遲。
如在最先描述的發(fā)生器中，從附于儲存電容器60上的DC電源干線58向RF輸出級44B供電，這允許輸出級44B在短的時期內(nèi)汲取大電流，即大大高于連接到DC電源干線58的電源(未顯示)的額定電流的電流。從而，電源干線58上的電壓將在大電流汲取期間下降。這種電壓變化被耦合到電源干線58的電壓感測級62所感測。電壓感測電路62具有耦合到線88中的第一傳輸門64的控制輸出，線88將VCO 40A的分頻輸出耦合到功率驅(qū)動器44A的輸入。
如前所述，這樣配置電壓感測級62和門電路64，以致于當(dāng)電源干線58上的電壓(供給功率橋44B的電壓)下降到預(yù)定電壓閾值以下時，門電路64被操作，以中斷VCO 40A和功率驅(qū)動器44A之間的信號路徑。當(dāng)電源干線電壓再次上升時，門電路64恢復(fù)到其導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電壓上升到上述閾值或第二閾值電壓以上時，這可以發(fā)生。
在信號線88中和電壓操作門64串聯(lián)的第二傳輸門72具有連接到0.5秒單穩(wěn)態(tài)元件70的輸出的控制輸入，單穩(wěn)態(tài)元件70受包括輸出網(wǎng)絡(luò)80輸入引線之一中的電流感測元件46和比較器66的電流感測電路系統(tǒng)觸發(fā)。當(dāng)功率橋輸出電流超過預(yù)定閾值時，這些元件起作用，以使到功率橋驅(qū)動器44A的信號線88中斷0.5秒。
參考圖8，諧振輸出網(wǎng)絡(luò)80包括線內(nèi)電感器(in-line inductance)L和槽路電容器C1的串聯(lián)組合。經(jīng)由第一耦合電容器C2從槽路電容器C1(去掉開關(guān)噪聲)獲得輸出。該第一耦合電容器C2經(jīng)由升壓比為1∶2的升壓匹配變壓器T耦合到輸出(由端子74表示)。變壓器T的次級繞組經(jīng)由第二耦合電容器C3耦合到輸出端。在該實施例中，L大約為0.47μH，槽路電容器大約為10nF，并且兩個耦合電容器C2和C3合作(它們之一經(jīng)由變壓器T)形成大約為23nF的耦合電容。
將要理解，當(dāng)輸出端74開路時，輸出網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率由L和C1的串聯(lián)組合確定。當(dāng)輸出端74短路時，諧振頻率由L和由C1、C2、C3、T代表的網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)組合確定。在給定值的情況下，短路諧振頻率大約為開路諧振頻率的0.55倍。
串聯(lián)調(diào)諧輸出級的特征之一是，峰值功率傳送固有地在極低和極高阻抗下發(fā)生。參考圖9，諧振時的串聯(lián)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)負(fù)載曲線(即傳送的功率對負(fù)載阻抗)由虛線A指示。在端子74(圖7和圖8)的負(fù)載阻抗為大約200歐姆時，網(wǎng)絡(luò)80具有最小功率傳送，這可以被認(rèn)為是“匹配條件”。將要注意，具有負(fù)斜率的曲線A部分緊跟在曲線長主要部分近似為雙曲線的路徑之后，這意謂曲線這部分的形狀類似于圖9的曲線圖上的恒壓線。
本申請人已認(rèn)識到，當(dāng)應(yīng)用于電外科發(fā)生器的輸出級時，對于某一負(fù)載阻抗范圍內(nèi)的給定恒壓極限，這種特性允許使輸出功率達(dá)到最大值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出電壓上升到大約900V至1100V峰到峰閾值以上時，在導(dǎo)電液體中操作的電外科器械的有源電極的腐蝕顯著增加。通過安排輸出網(wǎng)絡(luò)48的負(fù)載曲線，以便在大約1000V峰到峰(340Vrms)處跟隨近似恒壓曲線，被傳送到變化負(fù)載阻抗中的功率可以接近于那個電壓理論上可達(dá)到的最大值。
實際上，在對所謂的“水下(underwater)”電外科有重大意義的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)，可以使發(fā)生器起恒壓電源的作用。這可以利用比圖2A和2B所示的電極組件在潮濕環(huán)境下所代表的負(fù)載阻抗高得多的匹配輸出阻抗來實現(xiàn)，對于4mm環(huán)、該負(fù)載阻抗大約為25歐姆。這轉(zhuǎn)換成340Vrms下大約4.5kW的最大功率。
圖9中的曲線B顯示了利用圖7和圖8所示配置獲得的實際負(fù)載曲線。由于利用電流感測級電路46、比較器66、單穩(wěn)態(tài)元件70和傳輸門72(圖7)強(qiáng)加了限流，在低阻抗處該負(fù)載曲線偏離了串聯(lián)調(diào)諧曲線A。在該實施例中，限流被設(shè)置為大約13安培的電流。在向曲線A負(fù)斜率部分的較低部分，實際負(fù)載曲線B也偏離固有串聯(lián)調(diào)諧負(fù)載曲線A，使得當(dāng)負(fù)載阻抗上升時，傳送的功率遵照連續(xù)負(fù)斜率，由此再次模仿恒壓電源。由于極值功率到極高阻抗中的傳送是不希望的，這后一種偏離是故意的。該偏離的原因是，如上所述和RF頻率輸出的高頻極限強(qiáng)加耦合的輸出網(wǎng)絡(luò)80的諧振頻率移動了，如以下將要描述的。相位比較器84對如相位感測電路82所感測的輸出網(wǎng)絡(luò)80的輸入處的電流相位和1比2分頻電路40B的延遲型式輸出進(jìn)行比較，1比2分頻電路40B又由VCO 40A饋給。因此，VCO的相位和頻率變化、以維持從屬于上述頻率上限的輸出網(wǎng)絡(luò)80輸入的恒定相位。因而，在沒有其它影響的情況下，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，輸出網(wǎng)絡(luò)80被保持為諧振狀態(tài)。
假定鎖相環(huán)路的自由運(yùn)行頻率被設(shè)置成是其最大工作頻率，則鎖相環(huán)路的鎖定特性是這樣的，以致它能夠在對應(yīng)于最小負(fù)載阻抗的最小頻率處轉(zhuǎn)到鎖定狀態(tài)，以便在輸出脈沖的早期部分足夠快地達(dá)到諧振，但是不至于快得使在電流超過預(yù)定電流閾值的時候，限流電路(感測電路46、66、單穩(wěn)態(tài)元件70和傳輸門72)未能跳閘。
現(xiàn)在，如果將輸出載波頻率限于匹配負(fù)載諧振狀態(tài)的頻率以下的值，則當(dāng)負(fù)載阻抗增加并且諧振頻率相應(yīng)地上升時，傳送的功率將減少。實際上，包含VCO 40A(圖7)的鎖相環(huán)路的自由運(yùn)行輸出頻率被設(shè)置成是該最大頻率。這確保輸出網(wǎng)絡(luò)總是代表比負(fù)載阻抗高的源阻抗，如果發(fā)生短路，該較高源阻抗將提供過電壓保護(hù)。
總之，為獲得最佳諧振頻率，將激勵振蕩器(VCO)相位鎖定到諧振輸出網(wǎng)絡(luò)。定義VCO的范圍提供了負(fù)載曲線定義，因為當(dāng)輸出網(wǎng)絡(luò)諧振頻率上升到VCO 40A的分頻輸出最大頻率以上時，傳送的輸出功率降到理論最大值以下。換句話說，通過阻止VCO產(chǎn)生諧振所需的較高頻率，來防止高負(fù)載阻抗下的匹配。因而，在高負(fù)載阻抗下，根據(jù)頻率來控制最大輸出電壓。
從圖9可以看到，在與潮濕或部分潮濕的電極相對應(yīng)的負(fù)載阻抗范圍內(nèi)，傳送的輸出功率超過1kW。一旦汽化和放電弧被啟動，阻抗就上升，并且傳送的功率就下降。為將平均輸出功率維持在200W或更小，當(dāng)負(fù)載阻抗低時，輸出信號是脈沖的。將要理解，在峰值功率超過4kW的情況下，脈沖占空系數(shù)需要下降到大約5％或更低的級別。脈沖重復(fù)率應(yīng)該在5Hz至2kHz之間，并且優(yōu)選地為至少10Hz?？紤]到在電極表面啟動汽化所花的時間，來選擇這些數(shù)字。這意謂，為了進(jìn)入需要最大功率的低阻抗?fàn)顟B(tài)，脈沖具有大約4或5ms的最大長度。典型地，脈沖長度大約為1至2ms。當(dāng)不是必需的時候，優(yōu)選地將發(fā)生器的RF輸出級配置為對來源于分開振蕩器的信號輸出進(jìn)行放大、而不是具有自振蕩輸出級的放大器，以便能夠在上述脈沖長度內(nèi)實現(xiàn)全峰值功率。(在該實施例中，為實現(xiàn)高效率，輸出級44B是被配置為功率開關(guān)橋的放大器。)如果VCO不能在與輸出網(wǎng)絡(luò)80的諧振相對應(yīng)的頻率下操作，如可能在每個脈沖開始時發(fā)生的，則阻止和這種不匹配關(guān)聯(lián)的過大輸出電流，因為串聯(lián)調(diào)諧輸出網(wǎng)絡(luò)只在諧振時才是低阻抗的。
可以以多種方式來執(zhí)行輸出信號的脈沖發(fā)生，包括利用預(yù)定脈沖長度和脈沖重復(fù)率的簡單脈沖調(diào)制。在上述替換發(fā)生器的操作模式下，只有在從治療開始的初期期間，輸出才是脈沖的，此后，即一般在汽化和放電弧已實現(xiàn)并且負(fù)載阻抗處于上界的時候，輸出信號是連續(xù)波(CW)信號。初期的持續(xù)時間可以是固定的，或者可以通過監(jiān)測負(fù)載阻抗并在阻抗超過預(yù)定值的時候終止初期來確定初期的持續(xù)時間。在該實施例中，初期持續(xù)時間和脈沖長度及頻率可以響應(yīng)通過電源干線58上的電源干線電壓測量的傳送能量，動態(tài)地變化。如以上所說明的，僅僅通過允許輸出級44B從電荷儲存器汲取電流來獲得高瞬時功率電平，在此該電荷儲存器為諸如47mF電容器60的大電容器。當(dāng)從電容器60中汲取電荷時，電源干線電壓下降。在脈沖之間，電源干線電壓再次上升。因此，根據(jù)供電電壓電平和電壓感測電路62中設(shè)置的一個或多個閾值之間的關(guān)系，利用門電路64交替地允許和阻止RF信號沿信號線88向功率驅(qū)動器44A的傳遞，發(fā)生器的輸出可以是脈沖的，以便當(dāng)在預(yù)定平均功率極限內(nèi)操作時獲得最大峰值傳送功率。通過以下方式來實現(xiàn)功耗和DC供電電壓的這種平衡這樣設(shè)置電壓閾值，使得當(dāng)電源干線電壓足以達(dá)到最大汽化電壓(例如340V rms)時、RF輸出級被啟動，以及當(dāng)達(dá)到較低閾值時，RF輸出級被切斷。較低閾值定義了對于給定平均功率電平的每脈沖最大能量和重復(fù)率。當(dāng)電極已經(jīng)“點火”時，換句話說，當(dāng)汽化和放電弧已經(jīng)開始時，以上提到的初期終止，以致負(fù)載阻抗上升，并且電源干線電壓保持在一個或多個開關(guān)閾值以上。這樣，有可能在低到20歐姆的阻抗下實現(xiàn)電極周圍導(dǎo)電液體的汽化，而沒有不可接受的電極表面腐蝕。
權(quán)利要求
1.一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供射頻(RF)功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括射頻輸出級，該射頻輸出級具有至少一個射頻功率器件，至少一對輸出線，用于向電外科器械傳送射頻功率，以及串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)，該串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)耦合在射頻功率器件和所述一對輸出線之間，以及其中輸出級在輸出線處的輸出阻抗小于200/ 歐姆，在此P是以瓦為單位的發(fā)生器最大連續(xù)射頻輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，進(jìn)一步包括保護(hù)電路，響應(yīng)實質(zhì)上指示輸出電流過載的預(yù)定電狀態(tài)，以便中斷供給輸出網(wǎng)絡(luò)的射頻功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，進(jìn)一步包括響應(yīng)輸出線短路的發(fā)生的保護(hù)電路，以及其中，串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)是這樣的，以致在短路發(fā)生時輸出線的輸出電流的上升速率小于每微秒( )/4安培。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，進(jìn)一步包括響應(yīng)輸出線短路的發(fā)生的保護(hù)電路，以及其中，保護(hù)電路足夠快地響應(yīng)所述短路，以便在由于短路而使通過射頻功率器件的電流上升到額定最大電流之前，禁止射頻功率器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)生器，其中，響應(yīng)輸出線短路的發(fā)生而禁止功率器件，該禁止是在與少于被傳送射頻功率的3個射頻周期相對應(yīng)的時期內(nèi)發(fā)生的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一權(quán)利要求所述的發(fā)生器，其中，預(yù)定電狀態(tài)指示輸出級中超過預(yù)定電平的瞬時電流，以及保護(hù)電路的響應(yīng)速度是這樣的，以致在瞬時電流超過所述電平的射頻周期內(nèi)檢測到所述狀態(tài)。
7.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的發(fā)生器，包括電源級，該電源級耦合到射頻輸出級，該電源包括用于向一個或多個功率器件提供功率的電荷存儲元件，以及被安排成感測通過電荷存儲元件提供給射頻輸出級的電壓的電壓感測電路；以及脈沖調(diào)制電路，該脈沖調(diào)制電路耦合到電壓感測電路，并用于對所述或每個功率器件進(jìn)行脈沖調(diào)制，設(shè)置電壓感測電路和脈沖調(diào)制電路，以致響應(yīng)感測的電壓來控制脈沖定時。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)生器，其中，電壓感測電路和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成，當(dāng)感測的電壓降到預(yù)定電平以下時，終止通過一個或多個射頻功率器件傳送的射頻能量的單個脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)生器，其中，設(shè)置預(yù)定電平，以致當(dāng)電壓下降5％至20％之間的預(yù)定百分值時，脈沖終止發(fā)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的發(fā)生器，其中，設(shè)置預(yù)定電平，以致當(dāng)在輸出線上傳送的峰值射頻電壓下降到各個脈沖的起始電壓值以下25V至100V之間的值時，脈沖終止發(fā)生。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一權(quán)利要求所述的發(fā)生器，其中，電源和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成在輸出端產(chǎn)生脈沖射頻輸出信號，該輸出信號具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)生器，其中，脈沖長度在0.5ms至5ms之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的發(fā)生器，其中，脈沖占空系數(shù)在1％至20％之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一權(quán)利要求所述的發(fā)生器，其中，電源和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成在輸出端產(chǎn)生脈沖射頻輸出信號，該輸出信號在整個脈沖長度內(nèi)都具有至少300V的峰值電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一權(quán)利要求所述的發(fā)生器，其中，電源和脈沖調(diào)制電路被設(shè)置成在初期在輸出端產(chǎn)生具有至少1A的峰值電流、至少300V的同時峰值電壓、5Hz至2kHz之間的調(diào)制速率、以及100μs至5ms之間的脈沖長度的脈沖射頻輸出信號，并且在后期在輸出端產(chǎn)生恒定功率射頻輸出信號。
16.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的電外科發(fā)生器，其中，發(fā)生器用于在濕區(qū)域電外科中向用于切割或汽化組織的電外科器械提供射頻功率，以及輸出級在輸出線的輸出阻抗小于10歐姆。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一權(quán)利要求所述的電外科發(fā)生器，其中，發(fā)生器用于在干區(qū)域電外科中向用于切割或汽化組織的電外科器械提供射頻功率，以及輸出級在輸出線的輸出阻抗小于50歐姆。
全文摘要
一種用于向用于切割或汽化組織的電外科器械提供RF功率的電外科發(fā)生器，其中該發(fā)生器包括RF輸出級(42)，該RF輸出級具有射頻功率橋(Q1，Q2，Q3，Q4)，一對輸出線(74)和串聯(lián)諧振輸出網(wǎng)絡(luò)(48)，其中輸出級(42)在輸出線處的輸出阻抗小于200/歐姆，其中P是以瓦為單位的發(fā)生器最大連續(xù)射頻輸出功率。該發(fā)生器提供改進(jìn)的切割或汽化性能。通過保護(hù)電路響應(yīng)諸如輸出線上的短路而進(jìn)行的快速操作來放置輸出級的過載。在優(yōu)選實施例中，通過從大儲存電容器(60)向功率電橋提供能量，輸出級能夠在至少1kW的峰值保持輸出脈沖。通過控制響應(yīng)儲存電容電壓的每脈沖最大能量，隨著負(fù)載條件的變化動態(tài)第產(chǎn)生脈沖。
文檔編號A61B18/14GK1735383SQ200380108510
公開日2006年2月15日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月9日
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