水下操作的電外科發生器和系統的製作方法
2023-04-28 00:00:56
專利名稱：水下操作的電外科發生器和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電外科發生器，特別用於供給電外科能量，但並不僅只屬於所謂水下電外科。本發明還涉及一種由發生器和電極組件結合組成的電外科系統。
本說明書中所用術語「水下電外科」係指採用帶一個或多個在操作部位被浸入液體的處置電極的電外科器械所實施的外科，一般說來，引入液體是為了膨脹包含操作部位的體腔，或者用以從該部位衝洗掉血液。另一種情況是，可以用浸入自然生成的體液的電極或電極組件實施外科。本發明特別用於泌尿科、子宮頸檢查以及關節內窺鏡檢查的場合。但應予理解的是，本發明的特點在於，還可用於不包含電極浸沒的電外科中。
在我們共同的未決歐洲專利申請No.96304558.8(0754437)中描述了水下電外科和腔內外科，即至少通過侵入體腔的外科手術入口來處置活體組織的外科的背景技術，本說明書中將它的內容引為參考文獻。
因為電流在被處置組織及導電液體周圍的流動所產生的熱量趨於引起液體沸騰，所以難於實現那種對應用部位始終浸入液體的組織的有效電外科處置。將電外科能量加給所述電極的同時，隨著存在於發生器的負載電阻抗的較大變化，引起由水蒸氣替代所述液體斷續包圍工作電極。雖然通過使用非導電液體可以緩和這種變化，但不能使之完全消失，因為在操作部位排出體液使液體的電導率增高。組織種類不同也會使負載的阻抗變化。這些都影響到難於控制電外科的輸出，去對所處置的組織產生穩定的效果。於是，通常採用高功率，以克服這種行為的變化。
按照本發明的第一方面，一種電外科發生器，用於給電子設備提供射頻電能，該發生器包括射頻輸出級，此級至少有一對電外科輸出線端，用於將射頻能量傳送給所述設備；與輸出級連接的電源，用於給輸出級提供電能；控制電路，它包括檢測裝置，用於生成代表輸出線端兩端表現的射頻峰值輸出電壓的檢測信號，其中所述輸出級包括連到所述輸出線端的串聯諧振輸出電路和連到所述諧振輸出電路的轉換裝置，而且，其中控制電路可以改變所述轉換裝置的轉換時間間隔，從而響應預定的檢測信號條件，減少傳送的射頻能量。在本發明的優選實施例中，所述串聯諧振輸出電路包括一個電感和一個電容器的串聯組合，並將其連到轉換裝置，使被轉換的射頻輸出波形顯示於所述串聯組合兩端；所述發生器的輸出線端連到所述串聯諧振電路，用以接收顯示於電感或電容器(最好是電感)兩端的射頻電壓。可將所述串聯組合連接在轉換裝置與接地點或一對電能供送裝置的供送端之一的之間；發生器的一個輸出線端被連到電感與電容器之間的接點，而其另一線端最好連到所述接地點或所述一個供送端。採用連到轉換裝置的電容器和連到接地點或供送端的電感，最好通過一個其值比串聯諧振組合的電容小的耦合電容器將所述輸出線端連到所述電感與電容器的接點。另外，所述轉換裝置可包括被連接成橋式結構的半導體開關；所述串聯組合被連到所述轉換裝置的反相節點之間。
為了在比如連到發生器的各電極區域的液體汽化時實現功率的快速減少，把所述轉換裝置和控制電路安排成可以使轉換裝置的工作時間減少到造成在已達到預定射頻峰值輸出電壓閾值的100μs內送出的電能至少減少50％的程度(在這種情況下，術語「峰值輸出電壓，，包括關於峰-峰基線測得的電壓)。換句話說，所述發生器響應表示峰值輸出電壓或峰-峰輸出電壓值的檢測信號。所述轉換裝置可以包括一對電子開關，以推挽串接方式布置於所述電源的供送端之間，採用使串聯諧振輸出電路連接到所述電子開關的接點處。於是，為減少輸出的電能，在射頻的每半個周期，使每個開關(通常是功率MOSFET)的工作時間減少，以造成所需的能量減少。
通過在使輸出功率減少一個大於產生汽化需要增加的量意義上造成控制過衝，使蒸汽泡能夠破裂。這就使得能夠在導電液體的場合下，特別是在食鹽水溶液中實施外科手術。可以發生負載阻抗大而快速的變化，而基本上不會引起不希望有的電外科影響。例如，當需要產生電外科脫水時，可以防止由於本設備電極區域周圍食鹽水的汽化所引致阻抗的任何增大，否則所述設備在為有效地脫水所需功率水平下可能導致不希望有的電弧。當需要電外科組織切割或組織汽化時，可採用輸出電壓的限制避免電極灼熱和/或過度的組織汽化。
為避免所述轉換裝置中所用半導體功率器件過載，最好由一個在與所述串聯諧振輸出電路諧振頻率不同的頻率下工作的振蕩器驅動所述轉換裝置。通過振蕩器在高於串聯諧振輸出電路的諧振頻率的激振頻率下工作，可以使與切割或汽化相關聯的較高阻抗下適合的功率增大，而當振蕩器的工作使得在比所述諧振電路諧振頻率低的頻率下激振該諧振電路，更適合於包含較低負載阻抗的電外科脫水。
最好將參照上面的控制電路布置成通過減少電子開關在射頻輸出信號每個周期內的導通時間，使輸出功率在輸出電壓達到預定的檢測信號閾值之後大約小於20μs的時間內至少減少50％。實現導通時間的這種選擇，與供給電壓的任何變化無關。實際上，使用單獨一個控制變量，即峰值輸出電壓或峰-峰值輸出電壓，使輸出功率的減少得以被實現，所述變量與供給電壓無關並與傳送的輸出功率無關，當然，傳送的輸出功率隨負載阻抗及供給的電壓變化。因此，按照多種情況，功率減少的啟動發生在預設的輸出電壓閾值相同但輸出功率及負載阻抗值不同的情況下。
首先通過在達到輸出閾值時使功率元件各周期的導通時間重複產生從峰值水平快速降低到谷值水平，繼而使所述導通時間逐漸增大，直到導通時間再次達到它的峰值水平，則可實現直接控制射頻輸出級的方法；在所述逐漸增大的過程中，要監視射頻輸出電壓。
所述輸出級最好包括具有高Q值的輸出諧振電路，所述Q值高到足以除去來自該級的開關部件的轉換噪音，而不過分減慢對達到預定閾值的輸出電壓的響應。通常，所述Q值至少為1，並且還足以達到波峰因數低於1.5，波峰因數是輸出電壓波形的幅值與有效值之比。
本發明的另一方面包括一種水下電外科用的發生器，其輸出阻抗在100Ω到250Ω範圍，最好在130Ω到190Ω之間。這種發生器的射頻輸出級可以產生CW(連續波)輸出，即具有100％佔空因數，或者沒有在頻率低於r.f.振蕩頻率條件下的通/斷脈衝寬度調製。實際上，所述輸出級可以作為開路級工作。
按照本發明的第二方面，給出一種電外科系統，包括一個用於產生射頻能量的發生器，和一個至少有一個浸入導電液體中使用的電極的電外科器械，其中，所述發生器包括輸出級，此級至少含有一個射頻功率元件、一個串聯諧振輸出電路和至少一對被安排用以接收所述功率元件的射頻能量的輸出連接端，所述一對連接端之一連到所說的電極；所述發生器還包括控制級，此級能減少所述功率元件響應超過預定檢測信號閾值的檢測信號在每個射頻周期內的導通時間，所述檢測信號表示發生器輸出連接端兩端所表現的電壓，從而在導電液體蒸發時，快速地減少傳送給所述電極結構的射頻能量。所述電極結構可包括一個前端處置電極和一個置於該前端電極附近的接觸液體的電極，此二電極都被所述導電液體包圍而使用，而且它們的每一個各自連到所述一對輸出連接端之一，使所述控制級在所述前端電極處的導電液體汽化時能減少功率元件的導通時間。給所述電外科器械設置一個電極結構，它有並列的第一和第二電極，用於浸入導電液體中，所述第一和第二電極分別形成在器械最前端處的組織接觸電極和與被置於該組織接觸電極附近的回流電極。
利用方式選擇控制電路，本系統至少可在組織脫水方式與組織切割或汽化方式之間轉換。在這種情況下，控制級可自動工作，以調節供給所述電極結構的射頻能量，以便在選擇脫水方式時，將峰值發生器的輸出電壓限制在第一值，以及在選擇切割或汽化方式時，將其限制在至少一個第二值，所述一個或多個第二值都高於第一值。第一和第二值最好是分別在150v到200v和250v到600v的範圍內，這些電壓都是峰值電壓。
可將所述方式選擇控制電路連到驅動所述功率元件的發生器的振蕩器，使得在組織脫水方式下振蕩器的振蕩頻率低於所述串聯諧振輸出電路的諧振頻率，而在組織切割或汽化方式下則高於該諧振頻率，用以像上面所述的那樣，分別在較低阻抗和較高的阻抗情況下改善輸出功率。
按照本發明的第三方面，給出一種電外科發生器，用於將射頻輸出功率提供給電外科器械，所述發生器包括射頻輸出級，此級至少有一對用於將射頻能量傳送給所述器械的電外科輸出連接端，一個用於對所述輸出級提供射頻信號的射頻振蕩器，以及包含檢測裝置的控制電路，所述檢測裝置用於生成表示所述輸出連接端導出的射頻信號的檢測信號，其中所述輸出級包括一個連到所述輸出連接端的串聯諧振輸出電路，該串聯諧振輸出電路的諧振頻率不同于振蕩器的工作頻率；並且所述控制電路給出一個反饋信號，用以控制傳送的射頻能量。
以下將通過參照附圖舉例說明本發明，其中
圖1是表示本發明電外科系統的示意圖；圖2是用於組織脫水的第一種電極組件的局部視圖，表示在使用中被浸入導電液體內；圖3是負載特性曲線，表示在導電液體中使用情況下，按照被送出的輸出功率由圖2所示的電極組件引起負載阻抗的變化；圖4是用於組織汽化的第二種電極組件的局部視圖，表示在使用中被浸入導電液體內；圖5是按照本發明的一種發生器的組合電路和方框圖；圖6是波形圖7是圖5發生器部分控制電路的方框圖；圖8是與發生器在脫水方式工作時有關的電能與負載阻抗的關係曲線；圖9是用於組織切割或汽化方式時的類似曲線；以及圖10是按照本發明的另一種發生器的組合電路和方框圖。
本發明的優選實施例是要供形成雙極式電外科用的，它具有浸入導電液體，如生理食鹽水中的多個電極。使用由發生器和一種器械組成的系統實施電外科，所述器械具有雙電極結構，在被處置的組織與一個電極(下稱「回流電極」)之間以食鹽水為導體。將另一個電極直接作用於組織上。該另一電極以下稱為「有效電極」。
圖1示出這樣的一個系統。發生器10具有輸出插口10S，經連接電纜14以機頭12的形式為器械提供射頻(RF)輸出。可以經連接電纜14中的控制連接頭由機頭12或者藉助腳踏轉換裝置16實現發生器的運行，有如所示的那樣，所述腳踏轉換裝置16分開經腳踏開關連接電纜18連到發生器10的後部。在所示的實施例中，腳踏轉換裝置16有兩個腳踏開關16A和16B，分別用於選擇發生器的脫水方式和汽化方式。發生器前部面板有按鈕20和22，分別用於設定在顯示器24上指示的脫水功率和汽化功率水平。設置按鈕26作為另外的用於在脫水與汽化方式之間選擇的裝置。
機頭12裝有可拆的雙電極結構電極組件28，如圖2的局部視圖所示。
圖2是電極組件28前端的放大視圖。在其最前端處，該組件具有有效電極30，在本實施例中，它由一系列與中心導體32相連的金屬絲組成。這些金屬絲由不鏽鋼製成。有效電極30的附近是回流電極36，並由沿縱向和徑向展開的絕緣體34與後者隔開。回流電極36作為套管38共軸地布置在內部導體32周圍，所述套管38隨著管軸40延伸到組件28的最近端，在那裡它在機頭12中連到連接電纜14中的導體。類似地，內部導體32延伸到所述機頭並連到電纜14中的導體。電極組件28具有絕緣外皮42，它覆蓋管軸40，並終結於絕緣體34附近，留下作為回流電極36而露出的管軸40的前端。
在作為脫水裝置工作時，如圖2所示，將電極組件28加於待處置的組織44上，使操作部位浸入生理食鹽水溶液(0.9％w/v)，這裡表示為包圍電極組件28前端部分的液滴46。液體浸泡著有效電極30和回流電極36。
再參看圖2，組成有效電極30的金屬絲都與該電極組件的內部導體32電連接在一起，形成一個整體的有效電極。絕緣體34是一個絕緣套筒，它的前端部分暴露在有效電極30的露出部分附近。通常，此套筒由陶瓷材料製成，以耐受電弧的損傷。回流電極終結在絕緣體36端部的嵌縫短段處，使得它既沿徑向又沿軸向和與組織接觸的有效電極30隔開。回流電極的表面面積明顯地比有效電極30的大。在電極組件的前端，回流電極的直徑通常在1mm到3mm範圍內，回流電極露出部分的縱向延伸通常在1mm到5mm之間，與有效電極的縱向間隔在1mm到5mm之間。
實際上，電極組件是雙極式的，只有電極30中的一個實際延伸到裝置的前端。這意味著，在正常情況下，回流電極保持與被處置組織間隔開，電流路徑流經組織和與回流電極36接觸的導電液體而存在於兩個電極之間。
就雙極式電外科能量的傳送而言，可以將導電液體46看作為組織的低阻抗區域。由發生器10產生的射頻電流經組織44和浸泡的導電液體46在有效電極30與回流電極36之間流動。圖2所示的特定電極布置最適合於組織脫水。
各電極間的軸向及徑向分離避免了普通雙極式布置的小間隔，在這種布置中，兩個電極都是接觸組織的。於是，就存在一些不希望有的電弧越過絕緣表面的危險，這種情況使得脫水處置能有比較高的能量消耗，而在切割組織或者組織汽化的情況下，防止可以導致內部電極絕緣性的損害的過大的電弧。
可以通過構成部分設備12所形成的導管(未示出)提供浸泡的食鹽水。所以，本發明製成處置浸入導電液體介質的組織用的電外科系統，它包括帶有機頭的電外科器械和器械手柄，在手柄的端部有電極組件，所述組件包括露出於器械最遠端的組織接觸電極和回流電極，回流電極與組織接觸電極電絕緣，並有位於組織接觸電極露出部分附近的液體接觸表面；所述系統還包括與所述器械的電極組件相連的射頻發生器，導電液體(如生理食鹽水溶液)儲存器，還有導管，它通常是內窺鏡的必要部分，用於將所述液體從儲存器傳送到電極組件區域。傳送液體的壓力可由一個泵提供，它構成整個設備的一部分。
由於在電極組件28的這個實施例中有效電極30是由不鏽鋼金屬絲製成刷形的，所以該電極是可彎曲的，給出使組織復原的效果，這使電極對組織表面使用角度有很大的自主性。電極30的可彎曲性還導致與所加的壓力有關的有效電極的不同接觸面積，使得能夠改變在整個組織表面脫水的寬度的變化，同時減少處置的時間。
藉助經緊靠有效電極30底下並在該電極周圍區域的組織44外層流過有效電極30與導電液體46之間的射頻電流可以實現脫水。當如圖2所示那樣採用與導電液體46接觸的兩個電極，將發生器的輸出阻抗設定在與電極組件的負載阻抗相當的水平。為了對組織脫水維持這種配合狀態，以下面將要描述的方式使發生器的輸出功率得到自動控制，以基本上防止尺寸明顯的蒸汽泡出現在有效電極30處，從而避免隨之而來的負載阻抗增大。按照這種方式，雖然因熱脫水而使組織液被除去，仍可由導電液體使有效電極持續地被浸溼，使阻抗達到對應於導電液體開始沸騰的上限點。因而，本系統能夠為脫水傳送較高的能量，而沒有不希望有的導電液體汽化，去導致不希望有的組織影響。
現在參照圖3的曲線描述在電極30和36被浸泡在導電液體46中時電極組件的電氣特性。
在首先加給電能的情況下，發生器存在一個初始負載阻抗r，它由電極的幾何形狀和導電液體的電導率決定。當有效電極觸到組織時，r的值改變。r值越高，導電液體汽化的傾向越大。隨著電能在組織和導電液體中擴散，導電液體的溫度增大。在生理食鹽水的情況下，電導率的溫度係數為正，而相應的阻抗係數為負，因而使阻抗最初是下降。於是，圖3的曲線表示隨著傳送的能量增大，負載阻抗下降，所述阻抗通過點A降到最小點B，直接與電極接觸的食鹽水在這一點達到沸點。此時有效電極表面上形成小氣泡，同時阻抗開始升高，如從點B到點C抬升的曲線所示的那樣。因此，一旦達到沸點，所述設備就顯示阻抗的正功率係數佔優勢。
隨著蒸汽泡的形成，到食鹽水界面餘下的有效電極處(有效電極未被蒸汽泡遮蓋的露出區域)的能量密度增大，這進一步加重了界面生成更多的蒸汽泡和更高的能量密度。這是一種劇變的情況，平衡點只能出現在電極被完全包圍在蒸汽中的情況下。於是，對於給定的變量設置，存在一個與C點對應的能量閾值，在這一點，達到這種新的平衡。
基於上述，就能理解，圖3中點B和C之間的區域表示所能達到的脫水能量的上限。
在形成包圍電極的蒸汽泡的時候，阻抗升高到約為1kΩ，有如圖3中D點所示那樣；實際阻抗值與多個系統變量有關。此後，通過穿過所述蒸汽泡在有效電極與蒸汽/食鹽水界面之間放電，使蒸汽得以被保持。
這種工作情況為圖4所表示，該圖表示另一種電極組件28A，它具有半球形或球形電極30A，代替圖2實施例的刷形電極30。如前所述，由插入的絕緣體34A使回流電極36A與有效電極30A前後相接地被隔開。球形電極首選用於組織汽化。
當處於汽化平衡狀態時，通過穿過蒸汽泡在有效電極30A與蒸汽至食鹽水界面之間放電52，使圖4中參考標號50所表示的蒸汽泡得以被保持。大部分能量消耗發生在這個蒸汽泡內，隨之便是有效電極的發熱。在這種傳導過程中，能量消耗的量是所傳送能量的函數。從圖3將能理解，在比導致蒸汽泡形成所需的功率水平低很多的情況下，可使由虛線表示的汽化方式得以被保持。阻抗/能量特性必然要顯示出滯後。在已建立起汽化方式的情況下，這可以被保持在一個比較寬的能量水平範圍，有如D點兩側展開的傾斜的特性部分所表示的那樣。然而，增加傳送的輸出能量，超出D點所表示的輸出能量，會引起電極溫度的迅速升高，可能損毀電極。為了使蒸汽泡破裂，回到脫水方式，需要能量明顯地減少，回到A點，使有效電極與正在恢復的食鹽水之間直接接觸，並使阻抗明顯地下降。有效電極處的能量密度也下降，致使食鹽水的溫度降到沸點以下，隨之電極再次處於穩定的脫水平衡。
此後將要描述的發生器具有既保持脫水方式又保持汽化方式的性能。同時，一般地說，圖2和4所表示的電極組件可被用於兩種方式中的每一種方式，圖2的刷形電極因其較寬的潛在有效範圍，最好用於脫水方式，而圖4的球形電極因其有效電極/回流電極表面積之比很小，最好用於汽化方式。有如圖4所見到的那樣，在蒸汽泡50相交於組織表面時，發生組織汽化，最好使電極組件在組織表面上方保持一很小的間隔(通常為1mm-5mm)。
如果發生器有足夠的輸出阻抗，則因為可使輸出電壓隨之突然升高，所以在傳送的能量達到圖3中C點表示的程度時出現劇變情況。隨著增大能量消耗並且有效電極30周圍不存在冷卻液體，電極溫度迅速升高，必然損傷電極。這還會代替所需要的脫水而發生不能控制的組織破壞。為此，最佳的發生器有一個輸出的源阻抗，它至少近似與電極結構在潮溼情況下的負載阻抗匹配。
以下描述最佳發生器，它能用於脫水電外科，而基本上沒有不希望有的細胞破壞，也能用於電外科切割或汽化，而基本上沒有電極的灼熱。雖然主要地是供在導電液體膨脹介質中操作用的，但在其它電外科過程中，如存在氣態膨脹介質的過程中，或者可能發生快速的負載阻抗改變的過程中也有應用。
參照圖5，所述發生器包括射頻(RF)振蕩器60，它在大約400kHz上下，從300kHz直到HF範圍的任何合理的頻率條件下工作。振蕩器60推動功率輸出級62，它由兩個功率MOSFET-T1和T2組成，以推挽布置的方式連接在兩個供送端Vs和0v之間；該二電能供送端由電能供送級64驅動。
電晶體T1和T2由脈衝寬度控制器64以轉換的方式被驅動，而控制器本身由振蕩器60驅動。於是每個電晶體T1、T2在RF振蕩器60的每個周期內接收一個選通脈衝，這些脈衝都是定時的，使T1在振蕩器一種極性的半周期內被轉換，並根據所需的輸出功率控制選通脈衝的寬度。
連接到由電晶體T1、T2表示的兩個電子開關之間接點的是由電容器Cr和電感Lr組成的串聯諧振輸出電路。這兩個元件的串聯諧振頻率約為400kHz，不過一般地與振蕩器60的工作頻率不一樣。經耦合電容器Cc連接到電容器Cr和電感Lr之間接點的是供給所述發生器輸出端66、68的輸出振蕩變壓器65初級繞組的一端。所述初級繞組的另一端接到一個供送端，在這種情況下為接地點0v。耦合電容器Cc比電容器Cr小。
串聯諧振電路Cr-Lr對各開關的連接是直接的不存在插入的第二個串聯諧振電路，如並聯諧振電路，而且對各開關表現的負載阻抗(在關於激振頻率考慮其變化時)在串聯諧振電路的諧振頻率下表現出最小值佔支配定位。
與每個電晶體T1、T2的源極和漏極並聯連接的分別是能量再生二極體D1、D2。
電晶體T1、T2按上述方式的轉換使得具有圖6所示波形的RF激勵電壓應用於所述電晶體間的接點65。在兩個串聯諧振元件Cr和Lr的接點處產生一個相應的正弦波形，其振幅與振蕩器頻率和諧振頻率之間的頻率差有關，還與跨接在輸出端66、68間負載70的阻抗有關。
連接在輸出接點66、68間的是電壓閾值檢測器72，它具有連到「導通」時間控制電路74的輸出端72A。
在所述發生器工作過程中，當因外科醫生操縱一個啟動轉換結構而需要電外科能量時，將能量加給電源64，可將所述啟動轉換結構設置在機頭或腳踏開關上(見圖1)。經輸入端72B，根據發生器前部面板上的控制裝置(見圖1)，與電源電壓無關地設定一個恆定的輸出電壓閾值。通常，為了脫水或凝結，將閾值設定在150v到200v之間的脫水閾值。當需要切割或汽化輸出時，將閾值設定在250或300v到600v範圍內的值。這些電壓值均為峰值。它們的峰值意味著，為了脫水，至少有低波頂因素的輸出RF波形是最好的，以便在使所述電壓位於給定值之前給出最大功率。通常要達到1.5或更小的波頂因素。
在最初啟動發生器時，脈衝寬度控制器64(連到「導通」時間控制電路74的)的控制輸出端64I處於「通」狀態，就使組成輸出級62的每個電晶體T1、T2在每個振蕩周期內都被轉換成接通一段最大的導通時間，所說的振蕩周期可以是振蕩輸出的全部半個周期。假設傳送能量是足夠高的，本電外科器械各電極周圍液體介質的溫度(或者在氣態介質內，組織內所含液體的溫度)可以升到液體介質汽化溫度的程度，同時，導致負載阻抗的迅速增大，繼而使加給線端12兩端的輸出電壓迅速增高。如果需要脫水輸出，這是一種不希望有的工作情況。為此，將脫水輸出的電壓閾值設定成在達到該閾值時產生一個送給「導通」時間控制電路74的觸發信號。「導通」時間控制電路74具有實際上迅即降低控制器64產生的選通脈衝寬度的效果，從而實際上迅即減少RF轉換器件T1、T2的「導通」時間。
通過考慮圖7所示的「導通」時間控制電路74的內部結構，就能理解其後的所述器件T1、T2在振蕩器60各個周期「導通」時間的控制。該電路包括RF鋸齒波發生器80(藉助由振蕩器驅動並加給同步輸出端74I的同步信號，使其同步於RF振蕩頻率)，還包括斜波發生器82，利用在達到設定的閾值電壓時由電壓閾值檢測器72的輸出端72B(見圖5)產生的復位脈衝使它復位。此復位脈衝是上面所提到的啟動信號。「導通」時間控制電路74還包括比較器84，用以比較鋸齒波發生器80所產生的鋸齒波電壓和斜波發生器82所產生的斜波電壓，以產生一方波控制信號，加給脈衝寬度控制器64的輸出端64I。有如圖7中的波形圖所表示的那樣，所示鋸齒波和斜波的性質使加給控制器64的方波信號的脈衝信號荷周比在每個復位脈衝之後逐漸增大。於是，在關於輸出電壓達到所設定的電壓閾值的檢測「導通」時間實際上迅即減少之後，RF振蕩器的「導通」時間逐漸增大，回到初始的最大值。連續重複這種循環，直至所述各電極周圍液體的溫度降到使汽化不常發生的程度。
對於操作方式來說，發生器的輸出電壓是重要的。事實上，各種輸出方式單純由輸出電壓，特別是峰值輸出電壓決定。輸出電壓的絕對測量只對多項控制才是必要的。但為了將輸出電壓限制於預定的限定電壓，可在這種發生器中使用簡單的信號項目控制(即使用一個控制變量)。因此，圖5所示的電壓閾值檢測器72使RF峰值輸出電壓與預置的DC閾值電平相比較，並有足夠快的響應時間，在RF的半周期內對「導通」時間控制電路74產生復位脈衝。
當因電晶體T1、T2的轉換而使串聯諧振輸出電路在諧振頻率附近被激發時，電晶體T1、T2間接點處的電壓幅值可以超過電源電壓。在這種情況下，當使兩個電晶體都斷開時，二極體D1、D2將諧振電路的能量回收給電源。採用小於推挽裝置的半波轉換，導通時給予激發，斷開時提供能量回收並抑制激發，就能有中等水平的激發。
進一步考慮發生器的工作之前，回顧圖3的阻抗/功率特性。可以理解，最大臨界控制閾值在脫水過程中是適用的。由於在有效電極處形成的氣泡是不導電的，所以與電極接觸的剩餘食鹽水有較高的能量密度，並因之而有更大的形成蒸汽的傾向。由於有效電極處能量密度的急劇增大，這種不穩定程度導致轉變成具有相同能量水平的汽化方式。結果，有效電極局部的阻抗增大。最大吸收能量與形成蒸汽泡之前最接近的電極情況相符，因為這與最大能量分布及潮溼電極的最大面積相符。所以，為了最大的脫水能量，希望電極保持在潮溼狀態。使用電壓極限檢測導致能量降低，使蒸汽泡能夠破裂，這又提高了有效電極吸收能量的能力。為此，本說明書所描述的發生器包括一個具有較大過衝的控制封閉系統，通過引起峰值輸出電壓降到明顯低於閾值檢測器72設定的峰值輸出電壓，達到預先規定閾值的峰值電壓的反饋激勵造成較大的功率迅即下降。這種控制過衝保證回到所需的潮溼狀態。
在上面參照圖5、6和7描述的發生器中，通過提供給串聯諧振輸出電路的RF能量的迅即降低，發生響應於電壓閾值檢測的功率下降。
在本優選實施例中，迅即功率下降至少是從DC電源所能得到的功率(或者至少半電壓)的四分之三，或更多。於是，RF級本身得到高速響應。
在典型的脫水事件中，輸出電壓隨負載阻抗增大至達到輸出電壓閾值的點而增加，因此，在「導通」時發生上述在輸出級的迅即下降。這再次導致伴隨上述逐漸增大，RF輸出電壓的迅速下降。當輸出電壓再次達到閾值電壓時，振蕩器「導通」時間再次迅即減少，然後再逐漸增大，使輸出電壓波形重複其先前的圖形。再次達到閾值電壓，輸出電壓再次迅即下降，使「導通」時間能夠再次增大，等等，直至作業點的條件改變，使得不再形成蒸汽。
繼而將會看到，控制電路74、64(圖5)以動態方式工作，在這種情況下，是控制輸出電壓足夠迅速且足夠程度地保持在與脫水所需水平相符的水平，不使組織因電弧而破壞。為限制輸出電壓，避免電極灼熱和/或過度的組織汽化，可使用同樣的技術採用不同的閾值電壓。在後一種情況下，可將電壓限制設定在250v(最好300v)與600v之間的水平。
由於在汽化方式的過程中有效電極處的能量密度高，大多數被傳送的電能消耗在最近電極處。在汽化方式下，希望出現食鹽水發熱最小，但使所有處在有效電極的蒸汽範圍的組織都被汽化。在汽化方式下，有如上面參照圖4描述的那樣，在蒸汽泡內由電弧維持汽化。汽化過程中增大輸出電壓的同時引起組織分離體積增大，這是由於蒸汽泡尺寸的增大之故。在組織汽化過程中，蒸汽泡的破裂有較大的影響，這是因為作為食鹽水周圍較大能量消耗的結果，壞死增大。首先，通過將電極在汽化方式下的阻抗安排成就阻抗而言使器械處於無法匹配的情況，結果是，諧振輸出電路的Q值較大，輸出電壓不會像負載阻抗較低的情況那樣快速地變化；其次，有效電極有較大的熱容量，可維持蒸汽泡較長的時間，由此可以防止蒸汽泡破裂。
通過在汽化方式過程中限制峰值輸出電壓，可以避免不希望有的蒸汽泡尺寸的增大，在汽化方式情況下，這可以通過對電壓閾值檢測器72(如圖5所示)調換不同的閾值電壓而方便地得以實現。
本發明的本優選發生器中的電壓閾值檢測器72的電路和「導通」時間控制電路74(如圖5所示)是有如我們的未決歐洲專利申請No.96304558.8中所描述和表示的那樣。
如上所述，一方面對於脫水，另一方面對於切割或組織汽化，可以加給不同的閾值電壓。因此，如圖5所示那樣，所述發生器包括一個方式選擇控制電路86。實際上，這是由啟動機頭或腳踏開關決定的產生輸出的微信息處理控制系統(未示出)的一部分。於是，對於脫水輸出而言，所示方式選擇控制電路經輸入端72B將閾值檢測器76設定成第一個值，而對於切割或汽化而言，設定一個與之不同的、較高的閾值電壓。通過根據究竟是需要脫水亦或是切割/汽化將RF振蕩器的頻率設定為不同的值，還可以得到多種改善的結果。因此，對於脫水而言，所示方式選擇控制電路經控制輸入端60I將一頻率控制信號加給RF振蕩器，以將振蕩器頻率設定為低於Cr-Lr串聯諧振組合的諧振頻率。相反，當需要切割或組織汽化時，將RF振蕩器設定成其頻率高於所述諧振頻率。較低的頻率具有使功率與負載阻抗特性的關係曲線斜交的效果，從而增大了在低阻抗下可以得到的能量，正如在脫水過程中所遇到的那樣。較高的振蕩器頻率具有使功率與負載阻抗特性的關係曲線拉平並有利於較高阻抗的效果，正如當浸入的液體蒸發時所遇到的那樣。這些功率/負載阻抗的變化以圖解的方式被表示於圖8和圖9中，其中fE和fr分別表示激勵(即振蕩器的)頻率和諧振頻率。
通過在脫水狀態與切割狀態之間不斷地變換，或者通過變換閾值的位置，可以採用混合方式。
可以採用一種替代上面參照圖5描述的發生器，如圖10所示，它具有帶橋式結構轉換裝置的輸出級。在這種情況下，所述轉換裝置包括4個功率MOSFET，它們被布置成兩對兩個電晶體，每一對都布置成推挽結構。第一對是如圖10中的電晶體T3和T4所示，第二對則是如電晶體T5和T6所示。由電容器Cr和電感Lr組成的串聯諧振輸出電路連在兩個推挽對T3、T4和T5、T6各自的接點之間，使得當由脈衝寬度和相位控制電路64以相反的相位驅動此二推挽對時，將射頻功率信號加在串聯組合Cr-Lr兩端。有如圖5的發生器中對電外科器械的輸出是經耦合電容器Cc及隔離變壓器65取自電感Lr那樣，經轉換的射頻輸出電壓表現在線端66、68處，用以連接電外科負載70。另一方面，這種替代的發生器類似於上面參照圖5描述的發生器，並且，在圖10和圖5中，分別對相同的部件使用相同的參考標號。在串聯諧振電路Cr-Lr兩端產生的電壓波形通常與圖5發生器所產生的波形相同，即如圖6所示。但是，在這種替代的發生器的情況下，通過把相位控制功能引入驅動開關電晶體T3-T6的電路64，可使加給每一對電晶體T3、T4和T5、T6的驅動信號間的相位差從180°的最大值向下變，使輸出功率降低。這構成一個改變輸出功率的附加變量。實際上，如果需要，可使所述相位差降到輸出功率為0的程度，這意味著，比如可使從能量供給部分64得到的供給電壓Vs始終保持恆定，以代替使用輔助的降低功率的裝置。
繼而，概括地說，橋式結構使得在不僅通過減少各電晶體的「導通」時間，還通過改變兩對電晶體間的相關相位從180°向下變化使器械電極周圍的導電液體蒸發的情況下實現功率快速降低。作為降低輸出功率的附加裝置，還可以進一步從電容器Cr和電感Lr的串聯組合限定的諧振頻率改變RF振蕩器60的激振頻率。
從一般觀點看，提供一種射頻發生器，用於電外科系統，該系統包括一個電極組件，此組件有兩個浸入導電液體的電極。所述發生器具有控制電路，用以使所傳送的射頻輸出功率在達到預定閾值限制的峰值射頻輸出電壓的極小一段周期內快速降低至少50％。按照這種方式，可以在比如沒有明顯的蒸汽生成的食鹽水中實現組織的凝結。可將同樣的峰值電壓限值技術用於組織的汽化方式或切割方式，以限制電極處蒸汽泡的尺寸和防止電極灼熱。本發生器具有帶串聯諧振輸出電路的推輓輸出級，一般地說，由射頻振蕩器按不同於諧振輸出電路的諧振頻率的頻率驅動該輸出級。通過改變形成推輓輸出的開關電晶體對的導通時間，以及通過改變激振頻率與串聯諧振輸出電路的諧振頻率間的頻率間隔，實現功率控制。在另一個實施例中，採用橋式結構，此結構使用兩個推挽對，同時還給出又一個功率控制變量驅動每個電晶體對的信號的相關相位。
權利要求
1.一種電外科發生器，用於給電子設備提供射頻電能，其特徵在於，該發生器包括射頻輸出級，此級至少有一對電外科輸出線端，用於將射頻能量傳送給所述設備；與輸出級連接的電源，用於給輸出級提供電能；以及控制電路，它包括檢測裝置，用於生成代表輸出線端兩端表現的射頻峰值輸出電壓的檢測信號，其中所述輸出級包括連到所述輸出線端的串聯諧振輸出電路和連到所述諧振輸出電路的轉換裝置，而且，其中控制電路可以工作，以改變所述轉換裝置的轉換時間間隔，從而響應預定的檢測信號條件減少傳送的射頻能量。
2.如權利要求1所述的發生器，其特徵在於，所述串聯諧振輸出電路包括一個電感和一個電容器的串聯組合，並將其連到轉換裝置，使被轉換的射頻輸出波形顯示於所述串聯組合兩端；所述發生器的輸出線端連到所述串聯諧振電路，用以接收顯示於電感或電容器兩端的射頻電壓。
3.如權利要求2所述的發生器，其特徵在於，連接所述輸出線端，以接收顯示於所述電感兩端的射頻電壓。
4.如權利要求2所述的發生器，其特徵在於，將所述串聯組合連接在轉換裝置與接地點或一對電能供送裝置的供送端之一的之間；所述發生器的一個輸出線端被連到電感與電容器之間的接點。
5.如權利要求4所述的發生器，其特徵在於，所述電容器連在所述轉換裝置與所述接點之間，而所述電感連到所述接點與在所述一個供送端上的接地點之間。
6.如權利要求2所述的發生器，其特徵在於，所述轉換裝置包括被連接成橋式結構的半導體開關元件，所述串聯組合被連到所述轉換裝置的反相節點之間。
7.如權利要求2至6任一項所述的發生器，其特徵在於，還包括串聯連接的耦合電容器，它被連在所述串聯諧振電路與一個輸出端線之間的信號路徑中。
8.如權利要求7所述的發生器，其特徵在於，所述耦合電容器的值比所述串聯諧振組合的電容值小。
9.如前述任一權利要求所述的發生器，其特徵在於，所述轉換裝置包括一對電子開關，以推挽串接方式布置於所述電源的一對供送端之間，所述串聯諧振輸出電路連接到所述電子開關的接點處。
10.如權利要求9所述的發生器，其特徵在於，所述轉換裝置包括兩對成橋式結構的電子開關，每一對都以推挽串接方式布置於所述供送端之間，所述串聯諧振輸出電路被連在一對開關間的連接點與另一對開關間的連接點之間，將所述兩對開關布置成使之各以相反的相位被驅動。
11.如前述任一權利要求所述的發生器，其特徵在於，將所述轉換裝置連接成使開關電流在射頻下反覆通過所述諧振輸出電路，並將所述控制電路布置並連到所述轉換裝置，以足夠快速地降低轉換裝置的射頻佔空因數，以便在預定的射頻峰值輸出電壓閾值已經達到的100μs內造成被傳送的輸出功率至少減少50％。
12.如權利要求9和11，或者如權利要求10和11所述的發生器，其特徵在於，將所述轉換裝置連接成使開關電流在射頻下反覆通過所述諧振輸出電路，並將所述控制電路布置並連到所述轉換裝置，以足夠快速地降低轉換裝置的射頻佔空因數，以便在預定的射頻峰值輸出電壓閾值已經達到的100μs內造成被傳送的輸出功率至少減少50％，還將所述控制電路布置成驅動每一個電子開關，以便實現部分周期的轉換，從而在每個射頻周期內每一個開關都有可以變化的導通時間，兩個開關的導通時間都是可以足夠快速地被控制的，以便影響所說的在5個射頻周期內至少有50％的功率減少。
13.如權利要求11或12所述的發生器，其特徵在於，所述控制電路包括一個驅動級，此級有一能產生最初加給此驅動級的控制信號的斜波發生器，以降低所述射頻佔空因數，造成經所述輸出線端被傳送的輸出功率至少減少50％，然後再以少許快速的速率逐漸增大所述佔空因數，直至檢測信號表明已再次達到預定的電壓閾值。
14.如前述任一權利要求所述的發生器，其特徵在於，還包括一個用以驅動轉換裝置的振蕩器，可使該振蕩器工作在與所述串聯諧振組合的諧振頻率不同的頻率下。
15.一種電外科系統，包括一個用於產生射頻能量的發生器，和一個至少有一個浸入導電液體中使用的電極的電外科器械，其特徵在於，所述發生器包括輸出級，此級至少含有一個射頻功率元件、一個串聯諧振輸出電路和至少一對被安排用以接收所述功率元件的射頻能量的輸出連接端，所述一對連接端之一連到所述的電極；所述發生器還包括控制級，此級能減少所述功率元件響應超過預定檢測信號閾值的檢測信號在每個射頻周期內的導通時間，所述檢測信號表示輸出連接端兩端所表現的峰值輸出電壓，從而在導電液體蒸發時，快速地減少傳送給電極結構的射頻能量。
16.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述電極結構包括一個伸出的處置電極和一個與所述處置電極隔開的接觸液體的電極，此二電極都被所述導電液體包圍而使用，而且它們中的每一個各自連到所述一對輸出連接端之一，使所述控制級在所述處置電極處的導電液體汽化時能減少功率元件的導通時間，從而引起處置電極處的蒸汽泡破裂，並減小電負載阻抗。
17.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述電外科器械有一個電極結構，它有並列的第一和第二電極，用於浸入導電液體中，所述第一和第二電極分別形成在器械最前端處的組織接觸電極和被置於該組織接觸電極附近的回流電極。
18.如權利要求16或17所述的系統，其特徵在於，連接在功率元件與輸出接點之間的串聯諧振電路的諧振頻率不同於所述發生器的工作頻率。
19.如權利要求15至18任一項所述的系統，至少按組織脫水方式和組織切割或汽化方式之一工作，其特徵在於，所述發生器包括一個方式選擇控制電路，所述控制級可自動工作，以調節供給所述電極結構的射頻能量，以便在選擇脫水方式時，將峰值發生器的輸出電壓限制在第一值，以及在選擇切割或汽化方式時，將其限制在至少一個第二值，所述一個或多個第二值都高於第一值。
20.如權利要求18所述的系統，其特徵在於，所述第一和第二值分別在150v到200v和250v到600v的範圍內，這些電壓都是峰值電壓。
21.如權利要求15至18任一項所述的系統，至少按組織脫水方式和組織切割或汽化方式之一工作，並有用於驅動所述功率元件的射頻振蕩器，其特徵在於，所述發生器包括一個連到所述振蕩器的方式選擇控制電路，用以調節振蕩器的振蕩頻率，使得在切割或汽化方式下高於所述串聯諧振輸出電路的諧振頻率，而在脫水方式下低於所述的諧振頻率。
22.如權利要求14和7所述的系統，其特徵在於，所述耦合電容器和串聯諧振電路各元件的值使得振蕩器頻率與諧振頻率之間的差值在1/4(Ccfr/Cr)和(Ccfr/Cr)之間，這裡的Cc是耦合電容，Cr是所述串聯諧振電路的電容元件，fr是諧振頻率。
23.一種電外科發生器，用於將射頻輸出功率提供給電外科器械，其特徵在於，所述發生器包括射頻輸出級，此級至少有一對用於將射頻能量傳送給所述器械的電外科輸出連接端，一個用於對所述輸出級提供射頻信號的射頻振蕩器，以及包含檢測裝置的控制電路，所述檢測裝置用於生成表示從所述輸出連接端導出的射頻信號的檢測信號，其中所述輸出級包括一個連到所述輸出連接端的串聯諧振輸出電路，該串聯諧振輸出電路的諧振頻率不同于振蕩器的工作頻率；所述控制電路給出一個反饋信號，用以控制導出的射頻能量。
24.如權利要求23所述的發生器，其特徵在於，所述輸出級是推輓輸出級，所述控制電路與工作頻率無關地改變形成部分所述輸出級的一個或多個半導體器件的導通時間。
25.如權利要求23或24所述的發生器，其特徵在於，將所述檢測裝置布置成生成表示輸出連接端兩端所表現的射頻峰值輸出電壓的檢測信號。
全文摘要
一種電外科系統用的射頻發生器,該系統包括一個具有被浸入導電液體而使用的電極的電極組件。所述發生器具有控制電路,用於在峰值射頻輸出電壓達到預定的閾值限制的極少周期時間內快速地減少至少傳送輸出功率的50%。按照這種方式,可以在比如沒有明顯蒸汽產生的食鹽水中實施組織凝結。可將限制峰值電壓的方法用於組織脫水方式或組織切割方式,以限制電極處蒸汽泡的尺寸,避免電極灼熱。該發生器具有帶串聯諧振輸出電路的推輓輸出級,由一射頻振蕩器按一般說來與諧振輸出電路的諧振頻率不同的頻率驅動該輸出級。通過改變形成推輓輸出對的開關電晶體的導通時間以及通過改變激振頻率與串聯諧振輸出電路的諧振頻率之間的頻率間隔,實現功率控制。在又一實施例中,採用有兩個推挽對的橋式結構,同時得出又一個功率控制變量:驅動每個電晶體對的信號的相關相位。
文檔編號A61B18/12GK1245410SQ9718165
公開日2000年2月23日 申請日期1997年12月17日 優先權日1996年12月20日
發明者科林·查爾斯·戈布爾 申請人:蓋拉斯醫療有限公司