[发明专利]用于驱动具有线性放大器的超声波机头的系统和方法

说明书

一种用于电动手术工具(330)的控制台(50)。控制台包括将驱动信号供应给手术工具的变压器(250)。具有有源电阻器(162、184)的线性放大器(115)选择性地将变压器的初级绕组的端部连接在地和开路状态之间。来自变压器绕组的反馈电压调节有源电阻器的电阻。

技术领域

本发明总体上涉及一种超声波驱动手术工具系统。更具体地，本发明涉及一种具有控制台的超声波工具系统，该控制台能够在宽频率范围和宽电压范围下输出驱动信号。

背景技术

超声波手术器械是用于执行某些医疗和手术过程的有用的手术器械。通常，超声波手术工具包括机头，机头包含至少一个压电驱动器。尖端机械地耦合到驱动器并且从设置有驱动器的壳体或外壳向前延伸。尖端有头部。头部设有特征，其通常是齿或凹槽，尺寸确定为完成特定的医疗/手术任务。机头是超声波工具系统的一部分。该系统还包括一个控制台。控制台向驱动器供应AC驱动信号。在驱动信号施加到驱动器时，驱动器周期性地膨胀和收缩。驱动器的膨胀/收缩在尖端(更具体地在尖端的头部)引起类似的运动。当尖端如此移动时，认为尖端是振动的。尖端的振动头部被施加在组织上以执行特定的手术或医疗任务。例如，将一些尖端头部施加在硬组织上。一种硬组织形式是骨骼。当这种类型的尖端头部振动时，尖端头部的来回振动去除、锯开相邻的硬组织。将其它尖端头部设计抵靠软组织放置。当这个尖端头部振动时，齿通常通过切割动作去除组织。其它超声波尖端通过在组织和周围流体中引发空穴来去除组织。空穴由于尖端头部来回移动而发生。具体而言，由于这些振动，在紧邻组织定位的流体中形成小空穴。这些空穴是具有极低压力的非常小的区域。在形成组织的细胞的内含物与这些空穴之间产生压力差。由于该压力差的大小，细胞壁破裂。这些细胞壁的破裂，去除、消融形成组织的细胞。

超声波尖端的头部通常相对较小。一些头部直径小于1.0cm。超声波工具基本上仅去除与施加头部的位置相邻的组织。由于其头部相对较小的表面积，超声波机头被证明是用于精确去除硬组织和软组织的有用工具。

一些超声波尖端设有通孔。在向这种类型的尖端施加驱动信号的同时，通过该孔进行抽吸。抽吸吸走由组织去除过程产生的碎屑。这就是为什么一些超声波工具有时被称为超声波抽吸器。

对于有时被称为机头或工具的超声波手术器械，为了有效地起作用，具有适当特性的驱动信号应该被施加到工具。如果驱动信号不具有适当的特性，那么尖端头部可能会经受小于最佳振幅的振动。如果机头处于这种状态，那么机头在给定时刻除去组织的能力可以明显降低。

确保超声波机头有效操作的一种手段是将处于机头的谐振频率下的驱动信号施加到机头。当驱动信号处于给定的电压或电流下时，与处于非谐振的频率的相同电压的施加相比，施加处于谐振频率的驱动信号在尖端中引起振幅大的振动。

另外的其它超声波工具系统被设计为施加处于机头的反谐振频率下的驱动信号。反谐振频率可以是机头具有最高阻抗的频率。有时希望施加处于机头的谐振频率和反谐振频率之间的频率下的驱动信号。

此外，尖端振动的幅度还与驱动信号的电位、电压有关。通常，尖端振动的幅度与驱动信号的电压成比例。然而，通常电压一旦超出，将不会导致尖端振动的幅度增加。

控制台的内部是产生驱动信号的部件。通常，与控制台集成的部件可以分解为四个主要的子组件。第一子组件包括感测部件。这些部件监测发送到机头的驱动信号的特性。输入/输出组件用作界面，外科医生通过界面输入关于要施加到机头的驱动信号的特性的命令，并且在界面上显示关于系统操作状态的信息。第三组件是控制器。控制器基于用户输入的命令和来自感测部件的信号生成控制信号。控制器还生成在输入/输出组件上呈现的信息。

由控制器生成的控制信号被施加到控制台部件的第四子组件(放大器)。这是因为，由于形成控制器的部件的限制，控制信号典型地具有10伏或更小，并且通常为5伏或更小的电位。对于引起换能器的所需收缩和膨胀的驱动信号，信号典型地需要具有至少500伏，并且通常为1000伏的电位。许多控制台的放大器放大控制信号，所以放大器产生的输出信号处于输出信号可以用作施加到机头的驱动信号的电位。