使用增益補償全橋拓撲結構的電外科發生器及其控制系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2014年4月9日、名稱為"使用增益補償全橋拓撲結構的電外 科發生器及其控制系統"的中國專利申請201420173413. 5的分案申請。
技術領域
[0002] 本公開涉及電外科系統，更確切地說，涉及在利用全橋拓撲結構的電外科發生器 中跨越不同的運行條件實現增益補償的電路。
【背景技術】
[0003] 在外科手術中使用電外科發生器向患者的組織傳送電能。當電極連接到發生器 時，電極能夠用于以高頻電能切割、凝結或密封患者的組織。在正常手術期間，來自發生器 的交變電流通過穿過患者的組織和體液在主動電極與返回電極之間流動。
[0004] 電能的波形通常被調整為增強其切割、凝結或密封組織的能力。不同的波形對應 于發生器的不同運行模式，并且每種模式都給予外科醫生各種操作優勢。模式可以包含切 害J、凝結、二者混合、干燥、密封或噴霧。外科醫生可以隨著外科手術的進展容易地選擇和改 變不同的運行模式。
[0005] 在每種運行模式中，重要的是調控向患者傳送的電外科能量以實現期望的手術效 果。超過正確劑量的應用可能導致組織破壞，并且可能延長愈合。低于期望劑量的能量功 率的應用抑制外科手術。因此，期望對于被治療的組織類型控制從電外科發生器輸出的能 量。
[0006] 隨著外科手術的進展將會遇到不同類型的組織并且每種獨特的組織都需要更多 或更少的功率以適應頻繁變化的組織阻抗。因為遇到不同類型的組織和體液，阻抗變化和 輸出功率的電外科控制的響應時間必須足夠快以允許外科醫生無縫地治療組織。此外，在 電外科治療期間能夠使同一組織類型脫水，從而其阻抗將在很短的時間區間內發生巨大的 改變。輸出功率的電外科控制也不得不應對這樣的阻抗變化。
[0007] 電外科發生期間常用三種標準控制模式。組織阻抗低時，發生器控制電流限度。組 織阻抗中等時，發生器控制功率限度。組織阻抗最高時，發生器控制電壓限度。一般來說， 電壓、電流和功率限度描述了電外科模式。無論控制電壓、電流或功率，發生器都必須在整 個阻抗范圍內采用穩定的控制回路。
[0008] 在現有技術的電外科發生器的設計中，來自AC電源的電壓進行整流以提供DC電 壓。逆變器級將DC電壓轉換回其頻率適用于期望的組織效果的AC電壓。此級的輸出是能 被控制電壓、電流或功率的AC波形，以向組織傳送正確的能量。
[0009] 配置可變DC電源的常見技術應用相移全橋拓撲結構，其中輸出功率經由脈沖寬 度調制的輸入信號的占空比中的變化來控制。在任何單一運行點，相移全波橋逆變器的增 益都為線性。不過，由于定位點的改變、負載的改變、阻抗的改變和其他參數的改變，運行點 可以在很寬的范圍內變化。因此，逆變器級的整體增益能顯著變化。這能夠對能量到組織 的受控傳送有影響。 【實用新型內容】
[0010] 所公開的系統用于控制使用增益補償全橋拓撲結構的電外科發生器。在實施例 中，所公開的系統包括求和單元，該求和單元被配置為接收RF定位點信號和計算的輸出信 號，以及產生對應于RF定位點信號與計算的輸出信號之間的差的第一誤差信號。與求和單 元可操作地通信的阻抗增益補償單元被配置為接收第一誤差信號和對應于負載阻抗的阻 抗信號，以及根據阻抗校正計算產生第二誤差信號。與阻抗增益補償單元可操作地通信的 補償器接收第二誤差信號以及產生相位控制信號。在實施例中，補償器包括比例-積分-微 分（PID)控制器。
[0011] 本系統包括具有相位預處理模塊的相位增益補償單元，該相位預處理模塊被配置 為接收相位控制信號，對相位控制信號應用相位增益校正函數以產生校正的脈沖寬度調制 驅動信號。相位增益補償單元包括脈沖寬度調制驅動器，該脈沖寬度調制驅動器被配置為 產生第一全橋驅動信號和第二全橋驅動信號。第二全橋驅動信號從第一全橋驅動信號相移 對應于校正的脈沖寬度調制驅動信號的量。與脈沖寬度調制驅動器可操作地通信的全橋逆 變器接收第一全橋驅動信號和第二全橋驅動信號，以及產生具有對應于第一全橋驅動信號 與第二全橋驅動信號之間的相位差的電氣性質的電外科輸出信號。本系統包括傳感器電 路，被配置為感測電外科輸出信號的電氣性質以及產生對應的計算的輸出信號。電氣性質 可以包括但不限于輸出電壓、輸出電流、輸出功率或輸出阻抗。
[0012] 在實施例中，相位控制電路包括被配置為產生第一全橋驅動信號的時鐘。該時鐘 被設置為與脈沖寬度調制驅動器和全橋逆變器的至少一個可操作通信。
[0013] 在實施例中，傳感器電路包括一個或多個傳感器，與全橋逆變器的輸出可操作地 相關聯并被配置為輸出具有第一格式的傳感器信號。傳感器電路包括傳感器單元，該傳感 器單元與一個或多個傳感器可操作地通信并被配置為接收傳感器信號，把傳感器信號從第 一格式轉換為第二格式，并且以第二格式輸出傳感器信號。在實施例中，第一格式可以為模 擬格式而第二格式可以為數字格式。參數計算單元被配置為接收第二格式的傳感器信號以 及根據電外科發生器的運行模式計算輸出信號。在實施例中，電外科發生器的運行模式選 自由以下模式組成的組：針對電壓模式、針對電流模式、針對功率模式和針對阻抗模式。
[0014] 在實施例中，全橋逆變器包括被配置為提供一般為正弦的電外科輸出波形的諧振 網絡。在實施例中，諧振網絡包括帶通濾波器。
[0015] 在實施例中，相位增益校正函數根據反正弦函數執行。
[0016] 在實施例中，根據本發明在針對電壓模式中，其中相移后方波在帶通網絡上 很好地經過濾波使得傅里葉基波是主導諧波，全橋逆變器的穩態輸出可以根據公式
確定，其中扎是與負載結合的諧振回路的電壓傳遞函數。
[0017] 在實施例中，根據本發明在針對電流模式中，其中相移后方波在帶通網絡上 很好地經過濾波使得傅里葉基波是主導諧波，全橋逆變器的穩態輸出可以根據公式
確定。
[0018] 在實施例中，根據本發明在針對功率模式中，其中相移后方波在帶通網絡上 很好地經過濾波使得傅里葉基波是主導諧波，全橋逆變器的穩態輸出可以根據公式
,確定。
[0019] 在實施例中，當電外科發生器處于針對電流運行模式中時，根據公式
執行阻抗校正計算。
[0020] 在實施例中，當電外科發生器處于針對功率運行模式中時，根據公式
執行阻抗校正計算。
[0021] 在實施例中，當電外科發生器處于針對電壓運行模式中時，根據公式
執行阻抗校正計算，其中Z。。是諧振網絡的戴維南等效輸出阻抗（如電 抗）。
[0022] 同樣公開的方法用于在電外科發生器中執行增益補償。所述方法包括以下步驟： 接收RF定位點信號和計算的輸出信號，產生對應于RF定位點信號與計算的輸出信號之間 的差的第一誤差信號，通過對第一誤差信號應用阻抗校正計算而產生第二誤差信號，以比 例-積分-微分控制器產生相位控制信號，對相位控制信號應用相位增益校正函數以產生 校正的脈沖寬度調制驅動信號，產生第一全橋驅動信號，以及產生第二全橋驅動信號，該第 二全橋驅動信號從第一全橋驅動信號相移對應于校正的脈沖寬度調制驅動信號的量。
[0023] 在實施例中，相位增益校正函數根據反正弦函數執行。
[0024] 在實施例中，當控制電壓或電流時相位增益校正函數根據反正弦函數執行。
[0025] 在實施例中，當控制功率時相位增益校正函數通過將補償器的輸出平方并隨后采 用反正