用於相位預測的阻抗損耗模型校準和補償的系統和方法
2023-08-05 00:22:31
專利名稱：用於相位預測的阻抗損耗模型校準和補償的系統和方法
技術領域：
本發明一般涉及電外科學。更具體來說，本發明涉及用於補償損耗以獲取無繩或固定電抗的有線電外科系統中的準確的電氣測量值的系統和方法。
背景技術：
電外科手術涉及施加高頻電流以在外科手術過程中切割或改變生物組織。電外科手術是使用電外科生 成器、有源電極，以及返回電極來執行的。電外科生成器(也簡稱為電源或波形發生器)生成通過有源電極施加於病人的組織並通過返回電極返回到電外科生成器的交流電(AC)。交流電電流通常具有高於100千赫的頻率以避免肌肉和/或神經刺激。在執行電外科手術過程中，由電外科生成器生成的交流電電流通過位於有源電極和返回電極之間的組織來傳導。組織的阻抗將與交流電電流相關聯的電能(也簡稱為電外科能量)轉換為熱量，該熱量使組織溫度上升。電外科生成器通過控制提供給組織的電能(即，單位時間的電能)來控制組織的發熱。雖然有許多其他可變因素影響組織的總的發熱，但是，增大的電流密度通常導致發熱增多。電外科能量通常用於切割、分割、燒蝕、凝結和/或密封組織。電外科生成器包括控制在某個時間段內施加於組織的功率的控制器。施加於組織的功率是基於功率測量值和由用戶設置的功率級別或實現期望的組織效果所期望的功率級別來控制的。功率測量值是通過測量由電外科生成器的RF輸出級生成的RF信號的電壓和電流並基於測量到的電壓和電流來計算功率而獲得的。然而，由電外科生成器的傳感器測量到的電壓和電流可能由於將電外科生成器的RF輸出級連接到電外科儀器的電極的傳輸線路中的RF阻抗損耗而與施加於組織的實際電壓和電流不相同。結果，功率計算可能不準確，並可能導致對施加於組織的電外科能量的不適當的控制。RF阻抗損耗對功率和阻抗計算的影響可以通過更準確地採樣電壓和電流之間的相位來降低。然而，此方法要求較大的計算複雜性以及更昂貴的高速硬體。
發明內容
本發明的系統和方法基於預測的相位值來準確地確定施加於組織的實際功率和/或組織部位處的實際阻抗。所公開的用於預測相位值的方法簡單，要求低計算複雜性，並可以使用常用的微處理器、現場可編程門陣列(FPGA)或數位訊號處理器(DSP)來實現。一方面，本發明公開了補償電外科設備中的損耗的方法的特徵。根據此方法，傳感由電外科設備生成並施加於組織部位的電外科信號的電壓和電流，以獲取傳感的電壓和傳感的電流。接下來，基於傳感的電壓和傳感的電流預測相位值，以獲取預測的相位值。然後，基於傳感的電壓、傳感的電流、預測的相位值以及與電外科設備相關聯的至少一個阻抗損耗模型參數，計算組織部位處的至少一個度量。組織部位處的至少一個度量可以通過下列操作來計算:(I)基於預測的相位值將傳感的電壓轉換為複合電壓值，(2)基於預測的相位值將傳感的電流轉換為複合電流值以及，(3)基於複合電壓值、複合電流值以及至少一個損耗模型參數，計算組織處的至少一個度量。至少一個阻抗損耗模型參數可以包括源阻抗參數和漏阻抗參數。可以通過基於傳感的電壓和傳感的電流來計算傳感的阻抗值，並基於傳感的阻抗值來預測相位值，預測相位值。可以基於傳感的阻抗值的諸如三階多項式函數之類的多項式函數來預測相位值。組織部位處的至少一個度量可以是負載電流並可以通過下列操作來計算:(I)將傳感的電流乘以源阻抗參數，以獲取源阻抗電壓值，(2)將傳感的電壓減去源阻抗電壓值，以獲取負載電壓值，(3)將負載電壓值除以漏阻抗參數，以獲取洩漏電流值以及，(4)將傳感的電流減去洩漏電流值，以獲取負載電流。至少一個度量可以包括負載電流、負載電壓、功率、負載阻抗，或這些度量的任何組合。在另一方面，本發明公開了電外科設備的特徵。電外科設備包括至少一個向組織施加電外科能量的電極，通過傳輸線路電耦接到至少一個電極的電外科能量輸出級。電外科能量輸出級生成電外科能量。電外科設備還包括耦接到電外科能量輸出級的電壓傳感器和電流傳感器。電壓傳感器傳感電外科能量的電壓，以獲取傳感的電壓，電流傳感器傳感電外科能量的電流，以獲取傳感的電流。電外科設備還包括存儲與傳輸線路相關聯的至少一個阻抗損耗模型參數的存儲器，以及耦接到電壓傳感器、電流傳感器，以及存儲器的處理器。處理器(I)基於傳感的電壓和傳感的電流計算傳感器阻抗值，(2)基於傳感器阻抗值預測相位值，以獲取預測的相位值，(3)檢索至少一個阻抗損耗模型參數，以及，(4)基於傳感的電壓值、傳感的電流值，預測的相位值以及至少一個阻抗損耗模型參數，計算組織處的至少一個度量。至少一個度量可以包括負載電壓、負載電流、功率、負載阻抗，或這些度量的任何組合。處理器可以基於傳感的阻抗值的諸如三階多項式函數之類的多項式函數，來預測相位值。至少一個阻抗損耗模型參數可以包括源阻抗參數和漏阻抗參數。
參考各個附圖描述了本發明的各實施例，其中:圖1是根據本發明的各實施例的電外科系統的組件的透視圖；圖2是根據本發明的各實施例的與校準計算機系統進行通信的電外科系統的框圖；圖3是根據本發明的各實施例的與校準計算機系統進行通信的可攜式手持式電外科系統的框圖；圖4是根據本發明的某些實施例的校準阻抗損耗模型參數的方法的流程圖；圖5是圖4的計算阻抗損耗模型參數的方法的流程圖；圖6是根據本發明的其他實施例的校準阻抗損耗模型參數，即，源阻抗參數和漏阻抗參數的方法的流程圖；圖7是根據本發明的某些實施例的圖6的計算源阻抗參數的方法的流程圖。圖8是根據本發明的某些實施例的圖6的計算漏阻抗參數的方法的流程圖。圖9是根據本發明的某些實施例的圖6的計算源阻抗參數和漏阻抗參數的方法的流程圖；圖10是根據本發明的某些實施例的圖7和9的反向計算源阻抗參數的方法的流程圖；圖11是根據本發明的某些實施例的圖8和9的反向計算漏阻抗參數的方法的流程圖；圖12是根據本發明的各實施例的電外科系統中的補償損耗的方法的流程圖；圖13是根據本發明的某些實施例的圖12的計算至少一個度量的方法的流程圖；圖14是根據本發明的某些實施例的圖12的預測相位值的方法的流程圖；以及圖15是根據本發明的其他實施例的圖12的計算至少一個度量的方法的流程圖。
具體實施例方式本發明的系統和方法校準與電外科系統內的傳輸線路相關聯的阻抗損耗模型。這些系統和方法涉及傳感施加於耦接到電外科系統的輸出端的測試負載的電壓和電流，計算傳感的阻抗，基於傳感的阻抗預測電壓和電流之間的相位，以及基於測量的電壓和電流、電壓和電流之間預測的相位以及測試負載的預定阻抗來計算內部阻抗值。本發明的系統和方法還使用已校準的阻抗損耗模型來補償電外科系統的傳輸線路中的阻抗損耗。這些系統和方法涉及傳感由電外科系統生成並施加於組織部位的電外科信號的電壓和電流，基於傳感的電壓和傳感的電流預測相位值，基於傳感的電壓、傳感的電流、預測的相位值以及與電外科系統的傳輸線路或電纜相關聯的至少一個阻抗損耗模型參數，計算組織部位處的至少一個度量。圖1是包括根 據本發明的各實施例的校準和補償系統和方法的電外科系統100的透視圖。電外科系統100包括用於生成電外科能量的電外科生成器102，以及電連接到生成器102的並在外科手術過程向組織提供電外科能量的各種電外科儀器112，114。如下面進一步詳細描述的，生成器102包括測量阻抗並計算提供給組織的能量的電子線路(例如，模擬和數字電路)。電外科生成器102包括多個輸出端,例如,端子104和106,用於與各種電外科儀器，例如，返回板110、單極有源電極112，以及雙極電外科鉗114連接。返回板110和單極有源電極112被用來執行單極電外科過程，雙極電外科鉗被用來執行雙極電外科過程。電外科生成器102包括為各種電外科模式(例如，切割、凝結、或燒蝕)和過程(例如，單極、雙極、或容器密封)生成射頻能量的電子線路。電外科儀器112、114包括用於對病人的組織進行醫治的一個或多個電極(例如，電外科切割探針或燒蝕電極(未示出))。電外科能量，例如，射頻(RF)電流，由電外科生成器102通過供電線路116提供給單極有源電極112，供電線路116連接到電外科生成器102的有源端子104，可使單極有源電極112凝結、密封、燒蝕和/或以別的方式對組織進行醫治。電外科電流通過返回板110的返回線路118從組織返回到生成器102到電外科生成器102的返回端子106。有效端子104和返回端子106可以包括被配置為與位於單極有源電極112的供電線路的末端和返回板110的返回線路118的末端的插頭(未示出)連接的連接器(也未示出)。返回板110包括被配置為通過最大化與病人的組織的總的接觸面積來最小化組織損傷的風險的返回電極120和122。另外，電外科生成器102和返回板110可以被配置為監視組織與病人的接觸，以確保在返回板110和病人之間存在足夠的接觸，以最小化組織損傷的風險。電外科系統100還包括具有用於醫治病人的組織的電極124，126的雙極電外科鉗114。雙極電外科鉗114包括相對的頜構件134，136。第一頜構件134包括有源電極124，第二頜構件136包括返回電極126。有源電極124和返回電極126可通過電纜128連接到電外科生成器102，電纜128包括供電線路130和返回線路132。供電線路130可連接到有效端子104，返回線路132可連接到返回端子106。雙極電外科鉗114通過位於電纜128末端的插頭(未顯式地示出)連接到電外科生成器102的有源端子104和返回端子106。電外科生成器102可以包括多個連接器，以適應各種類型的電外科儀器(例如，單極有源電極112和雙極電外科鉗114)。電外科生成器102還可以包括開關機構(例如，中繼器)以在連接器之間切換RF能量的供應。例如，當單極有源電極112連接到電外科生成器102時，開關機構將RF能量的供應只切換到單極插頭。有源端子104和返回端子106可以耦接到電外科生成器102的多個連接器(例如，輸入端和輸出端)以給各種儀器提供電能。電外科生成器102包括用於控制電外科生成器102的合適的輸入控制項(例如，按鈕、激活器、開關，或觸控螢幕)。另外，電外科生成器102可以包括一個或多個用於給用戶提供各種輸出信息(例如，強度設置和治療完成指示器)的顯示屏幕。控制項可使用戶調整RF電能的參數(例如，功率或波形)，以便它們適用於特定任務(例如，凝結、組織密封，或切割)。電外科儀器112和114還可以包括可以與電外科生成器102的某一輸入控制項重複的多個輸入控制項。將輸入控制項放置在電外科儀器112和114處可以保證在外科手術過程中更加容易和更快地修改RF能量參數，而不要求與電外科生成器102的交互。圖2是包括圖1的生成器102和校準計算機系統240的電外科系統200的框圖。電外科系統100的生成器102包括控制器220、高壓電源202，以及射頻輸出級206，它們一起操作以生成通過電外科儀器 230的電極209，210向組織施加的電外科信號。控制器220包括數位訊號處理器(DSP)222、主處理器224，以及存儲器226。控制器220可以是任何合適的微控制器、微處理器(例如，哈佛或馮諾依曼體系結構)、PLD、PLA或其他數字邏輯。存儲器226可以是易失性、非易失性、固態、磁性或其他合適的存儲器。控制器220還可以包括充當主處理器224及電外科生成器102內的其他電路(例如，放大器和緩存器)之間的接口的各種電路。控制器220接收被主處理器224和/或DSP222使用的各種反饋信號，以生成控制生成器102的各種子系統(包括HVPS202和RF輸出級206)的控制信號。這些子系統被控制以生成用於對組織執行外科手術過程的具有期望的特徵的電外科能量，在圖2中通過負載234 (ZlMd)來表示。生成器102包括從交流電(AC)源203接收電源的AC/DC電源205。AC/DC電源將AC轉換為直流電(DC)，並將DC提供到能量轉換電路204。然後，能量轉換電路204基於從控制器220接收到的控制信號，將第一能量級的DC電源轉換為第二，不同的能量級的DC電源。能量轉換電路204將第二不同的能量級提供到RF輸出級206。RF輸出級206顛倒DC電源，以產生向組織施加的高頻交流電電流(例如，RF AC)。例如，RF輸出級206可以使用包含在RF輸出級206內的升壓變壓器(未示出)的初級端的推挽電晶體來生成高頻交流電電流。
電外科生成器102包括被配置為準確地確定組織部位處的電壓、電流、阻抗以及功率的測量電路，以便控制器220可以使用此反饋信息來準確地控制電外科輸出的特徵。此測量電路包括耦接到RF輸出級206的輸出端的電壓傳感器211和電流傳感器212。電壓傳感器211傳感RF輸出級206的輸出端上的電壓,並將表不傳感的電壓213的模擬信號提供到模擬數字轉換器(ADC) 215，後者將模擬信號轉換為數字形式。類似地，電流傳感器212傳感RF輸出級206的輸出端的電流，並將表示傳感的電流214的模擬信號提供到另一個ADC215，後者將模擬信號轉換為數字形式。DSP222接收傳感的電壓和傳感的電流數據,並使用它來計算組織部位處的阻抗和/或功率。控制器220的主處理器224執行使用傳感的電壓、傳感的電流、阻抗和/或功率的算法，以控制HVPS202和/或RF輸出級206。例如，主處理器224可以基於計算出的功率和期望的功率級別(可以是由用戶選擇的)來執行PID控制算法，以確定在組織部位處實現和維護期望的功率級別應該由RF輸出級206提供的電流量。為準確地控制施加於組織的電外科能量，控制器220需要準確地傳感組織處的電壓和電流。然而，由電壓傳感器211傳感的電壓和由電流傳感器212傳感的電流，可能由於與在RF輸出級206和電極209，210之間連接的第一和第二傳輸線路221，223相關聯的RF阻抗損耗而不準確。換言之，由電壓和電流傳感器211，212在RF輸出級206測量的電壓和電流可能由於RF阻抗損耗 而與負載(即，組織)處的實際電壓和電流231，232不相同。這些RF阻抗損耗可以被建模為與第一傳輸線路221串聯的源阻抗252和在第一傳輸線路221和第二傳輸線路223之間連接的漏阻抗254。源阻抗252和漏阻抗254的此布局構成阻抗損耗模型250。從RF輸出級206輸出的(並分別由電壓和電流傳感器211,212傳感的)電壓和電流表不分別施加於阻抗損耗模型250的輸入電壓255 (Vin)和輸入電流256 (Iin)。此外，從生成器102輸出的並提供給負載234(ZlMd)的電壓和電流還分別表示從阻抗損耗模型250輸出的輸出電壓257 (Vout)和輸出電流258 (1ut)。為補償向傳感器數據中引入錯誤的阻抗損耗，電外科系統200校準與阻抗損耗模型250的源阻抗252和漏阻抗254相關聯的源阻抗和漏阻抗損耗模型參數，然後，基於這些參數來計算新的傳感的電壓和電流。新的傳感的電壓和電流表示對組織處的電壓和電流的精確測量。校準過程涉及傳感施加於耦接到電外科系統的輸出端的測試負載的電外科信號的電壓和電流，傳感電壓和電流之間的相位，以及，基於傳感的電壓、傳感的電流、傳感的相位以及測試負載的預定阻抗，計算源阻抗損耗模型參數和漏阻抗損耗模型參數。利用來阻抗計來測量測試負載的預定阻抗。通過可連接到生成器102的控制器220的外部校準計算機系統240來計算阻抗損耗模型參數。校準計算機系統240包括處理器242、存儲器244以及通信接口 245。處理器242通過通信接口 245來訪問包括傳感器電壓值、傳感器電流值、以及預測的相位值的測量數據，並將測量數據存儲在存儲器244中。然後，處理器242基於測量數據來執行校準過程以計算阻抗損耗模型參數。在執行校準過程之後，處理器242將阻抗損耗模型參數加載到控制器220的存儲器226中。在某些實施例中，校準計算機系統240的功能由生成器102的控制器220執行。在操作過程中，主處理器224訪問存儲器226以檢索已經校準的阻抗損耗模型參數，並將它們提供到DSP222。DSP222使用已經校準的阻抗損耗模型參數和電壓、電流，以及相位測量數據，來計算組織部位處的準確的電壓、電流、阻抗和/或功率。校準和補償過程的準確性部分地取決於相位的準確性。相位可以通過採樣傳感的電壓和傳感的電流和計算傳感的電壓和傳感的電流之間的相位來確定。然而，此方法要求複雜的算法和昂貴、功耗大並且高速的硬體。根據本發明的各實施例，電外科系統200的內部傳輸線路221，223以及外部電纜207,208在物理上以這樣的方式排列，使得可以使用一次方程和便宜、低功率以及低速的硬體,來預測施加於組織的電壓和電流之間的相位。具體而言，內部傳輸線路221，223和外部電纜207，208被這樣配置，使得它們具有固定的並且已知的阻抗(S卩，阻抗的虛部)。例如，內部傳輸線路221，223的匝數被指定，以便它們具有固定並且已知的阻抗。如此，如果外部阻抗變化(例如，組織阻抗的變化)由電阻而不是電抗的變化來支配，則可以基於傳感的外部阻抗來預測傳感的電壓和傳感的電流之間的相位，如下列公式所示:
權利要求
1.一種補償電外科設備中的損耗的方法，包括: 傳感由所述電外科設備生成並施加於組織部位的電外科信號的電壓和電流，以獲取傳感的電壓和傳感的電流； 基於所傳感的電壓和所傳感的電流預測相位值，以獲取預測的相位值；以及基於所傳感的電壓、所傳感的電流、所預測的相位值以及與所述電外科設備相關聯的至少一個阻抗損耗模型參數，計算所述組織部位處的至少一個度量。
2.如權利要求1所述的方法，其中計算所述組織處的所述至少一個度量包括: 基於所預測的相 位值將所傳感的電壓轉換為複合電壓值； 基於所預測的相位值將所傳感的電流轉換為複合電流值；以及基於所述複合電壓值、所述複合電流值以及所述至少一個損耗模型參數，計算所述組織處的至少一個度量。
3.如權利要求1所述的方法，其中預測所述相位值包括: 基於所傳感的電壓和所傳感的電流計算傳感的阻抗值；以及 基於傳感的阻抗值預測所述相位值。
4.如權利要求3所述的方法，其中預測所述相位值包括基於所傳感的阻抗值的多項式函數來預測所述相位值。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述多項式函數是三階多項式函數。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個阻抗損耗模型參數包括源阻抗參數和漏阻抗參數。
7.如權利要求6所述的方法，其中計算所述組織部位處的所述至少一個度量包括: 將所傳感的電流乘以所述源阻抗參數，以獲取源阻抗電壓值； 從所傳感的電壓減去所述源阻抗電壓值，以獲取負載電壓值； 將所述負載電壓值除以所述漏阻抗參數，以獲取洩漏電流值；以及 從所傳感的電流減去所述洩漏電流值，以獲取負載電流值。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個度量包括負載電壓和負載電流。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個度量包括功率。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個度量包括負載阻抗。
11.一種電外科設備，包括: 向組織施加電外科能量的至少一個電極； 通過傳輸線路電耦接到所述至少一個電極的電外科能量輸出級，所述電外科能量輸出級被配置為生成電外科能量； 耦接到所述電外科能量輸出級的電壓傳感器和電流傳感器，所述電壓傳感器被配置為傳感所述電外科能量的電壓，以獲取傳感的電壓，所述電流傳感器被配置為傳感所述電外科能量的電流，以獲取傳感的電流； 存儲器，存儲與所述傳輸線路相關聯的至少一個阻抗損耗模型參數；以及耦接到所述電壓傳感器、所述電流傳感器以及所述存儲器的處理器，所述處理器被配置為: 基於所傳感的電壓和所傳感的電流計算傳感器阻抗值； 基於所述傳感器阻抗值預測相位值，以獲取預測的相位值；檢索至少一個阻抗損耗模型參數；以及 基於所傳感的電壓值、所傳感的電流值、所預測的相位值以及所述至少一個阻抗損耗模型參數，計算所述組織處的至少一個度量。
12.如權利要求11所述的電外科設備，其中所述至少一個度量包括負載電壓和負載電流。
13.如權利要求11所述的電外科設備，其中所述至少一個度量包括功率。
14.如權利要求11所述的電外科設備，其中所述至少一個度量包括負載阻抗。
15.如權利要求11所述的電外科設備，其中所述處理器被配置為基於所傳感的阻抗值的多項式函數來預測所述相位值。
16.如權利要求15所述的電外科設備，其中所述多項式函數是三階多項式函數。
17.如權利要求11所述的電外科設備，所述至少一個阻抗損耗模型參數包括源阻抗參數和漏阻抗參數 。
全文摘要
本發明的系統和方法校準與沒有外部電纜或具有帶有固定或已知電抗的外部電纜的電外科系統相關聯的阻抗損耗模型參數，並通過使用已經校準的阻抗損耗模型參數來補償與電外科設備的傳輸線路相關聯的阻抗損耗，獲取組織部位的準確的電氣測量值。計算機系統存儲一系列不同的測試負載的電壓和電流傳感器數據，計算每一個測試負載的傳感的阻抗值。然後，計算機系統使用每一相應的負載阻抗值，來預測每一負載的相位值。計算機系統基於電壓和電流傳感器數據、預測的相位值、以及測試負載的阻抗值來反向計算包括源阻抗參數和漏阻抗參數的阻抗損耗模型參數。在操作過程中，電外科設備傳感電壓和電流，基於傳感的電壓和電流來預測相位值，並基於傳感的電壓和電流、預測的相位值、源阻抗參數，以及漏阻抗參數，來計算組織部位處的度量值。
文檔編號A61B18/12GK103222891SQ20131002867
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月25日 優先權日2012年1月27日
發明者D·W·赫克爾 申請人:科維蒂恩有限合夥公司