CN101801319B - 晶状体乳化装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶状体乳化装置，包括：具有用于乳化晶状体的割尖的机头，其中所述工具夹具设置有偏转所述割尖的压电元件；调节器，其输入被电连接至所述工具夹具，用于接收与以其固有频率持续振荡的工具夹具的压电元件上产生的电压成正比的实际值，所述调节器适于对比所述实际值和预定目标值，因而确定激励变量；功率放大器，其输入被连接至调节器以便接收所述激励变量，并且其输出被连接至所述工具夹具，其中所述工具夹具可以与所述实际值的接收同时被激励并且可以实现对于工具夹具的功率输出，使得可以获得直接反馈耦合，因而使得工具夹具可以用对应于激励变量的割尖的偏转持续地以其固有频率振荡。

Description

晶状体乳化装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及乳化晶状体的晶状体乳化装置，操作晶状体乳化装置的方法和具有这样的晶状体乳化装置的晶状体乳化***。

背景技术

今天，白内障的手术治疗占统治地位地利用晶状体乳化进行。这涉及眼睛的模糊的晶状体利用中空的针被打破(乳化)为小的部分，中空的针在超声范围振荡，使得所述部分可以被针吸走。接着，操作者***人造晶状体作为已经以该方式被打破的晶状体的替代品。进行这样的晶状体乳化的基本模块是包含所述中空针或者割尖的机头。打破眼睛的模糊的晶状体的所需要的超声振荡可以利用设置有压电元件的机头而被产生。当电压被施加至所述压电元件时，压电效应允许带来长度的改变，使得连接至压电陶瓷的针可以在纵向被偏转。

为了对于割尖实现尽可能大的振幅，压电元件在机头的共振频率区中工作。在零负载状态中，具有割尖的机头的共振频率可以被非常精确地确定。但是，一旦割尖与要被乳化的晶状体接触，质量比改变，这意味着共振频率漂移。为了在各情形中尽可能地在共振频率区中工作，US 6,997,935B2提出了检测被施加的电压和电流流动之间的相位以便操作压电元件并且调节所述相位，使得根据方程

获得尽可能高的功率。为了使

采用尽可能高的绝对值，必须使

或者

这样的情形在共振情形中出现。但是，如果考虑割尖的机械负载中的改变的共振频率漂移，则相位角而是在0和-π/2或者0和+π/2之间的范围。根据US 6,997,935B2，当相位角

已经被检测时，激励频率被调节使得割尖的激励频率匹配固有频率ω₀。

共振频率漂移的原因不仅是由晶状体碎片的改变的负载(质量的改变)，而且是在冗长的操作期间机头的加热和压电陶瓷元件的老化并且因而其物理性质的改变。这些参数可以以任何形式重叠，使得必须进行永久的重新调整。这样的方法的优点是相关的放大器(数字放大器)的相对简单的设计和相位角不复杂的确定。但是，缺点是相对慢的调节，由于相位角的确定持续地要求电压和电流对于时间分布的多个连续的测量点的检测。此外，原理上它永远不可能实现精确的共振情形。割尖总是在受迫振荡下工作，该受迫振荡从不精确地对应于机头的固有频率。尽管频率差别可能小，但是伴随的反应功率相对高，由于机械功率与频率成平方正比。被提供的电能因而不被最佳地转换为机械能并且因而不被转变为割尖的最大振幅。另外，例如质量的改变、加热、老化和制造公差的扰动变量是相互独立的，这意味着既便当机头被仔细地生产，原理上，永远不可能保证在机头的工作期间工作频率与固有频率相同。通常，这意味着达不到机头的最佳操作，这反映在相对高比例的反应功率中。

因而，本发明的目的是提出晶状体乳化装置和操作这样的装置的方法和具有这样的装置的晶状体乳化***，其中在乳化过程期间发生尽可能小的比例的反应功率，从而获得比在现在已知的晶状体乳化装置中更高水平的效率。

发明内容

目的通过根据独立权利要求1的装置，根据权利要求10的方法和根据权利要求16的***而实现。在从属权利要求中描述了有利的实施例。

根据本发明的晶状体乳化装置具有：

具有乳化晶状体的割尖的机头，其中所述机头设置有偏转割尖的压电元件；调节器，其输入被电连接至机头，以便接收与在以固有频率持续振荡的机头的压电元件上产生的电压成正比的实际值，其中调节器适于对比实际值和规定的目标值并且因而确定受到控制的变量；功率放大器，其输入被连接至调节器以便接收受到控制的变量，并且其输出被连接至机头，其中在实际值被接收的同时，机头可以被激励并且功率可以被输出至机头，使得可以实现直接的反馈并且因而机头可以符合受到控制的变量的割尖的偏转，持续地以其固有频率振荡。

通过抽出和放大以固有频率振荡的机头的所产生的电压，以固有频率振荡的割尖的振幅被增加。因而这样的装置自动地以固有频率振荡，既便当它受到外部影响的影响，例如晶状体碎片的质量的改变，或者受到内部的影响，例如压电陶瓷的加热。扰动变量仅导致固有频率漂移。而***则总连续以固有频率振荡。在本文中，重要的是实际值被检测并且同时机头可以被激励。因而不存在其中机头被关闭的检测模式。在实际值的检测期间，机头被持续地并且没有中断地提供以目标变量，并且因而获得对于机头的功率的输出。这意味这可以实现直接的反馈，其中来自机头的输出变量，即实际值，可以被直接地提供给调节器的输入。在打开状态，机头总是被激励，并且在该状态中，压电元件上产生的电压的实际值总是被检测。这样的调节非常快，由于现在不必探测相位角。反应功率可以被显著地减小，这意味着更高水平的效率被实现。

优选，调节器和机头具有布置于其间的变压器，其输入被连接至机头并且其输出被连接至调节器。变压器允许高质量的信号传递，并且同时可以使其输出的电压显著地低于其输入电压。由于压电陶瓷经常在高电压范围(上至1000V)工作，这样的变压器的使用允许在低压范围中获得DC-隔离的转换。

晶状体乳化装置还可以为一种形式，使得压电元件可以被电脉冲所激励，使得与白噪声相比，实现割尖较大的振荡振幅。该研究的基础是机头和割尖以其固有频率振荡，既便没有能量的供给，但是振幅非常小。在该情形中，机头以其固有频率在被称作“白噪声”中振荡。在调节过程开始时，额外的电脉冲允许割尖的振幅增加，使得产生的电压到达足够高的绝对值以便可以容易地被调节器处理。

优选由放大器所提供的能量可以被重复地完全中断，使得对应的具体时间跟随着静止相。由于在乳化期间，与割尖接触的晶状体和其它部分(例如角膜)，由于超声振荡而被加热，所以过高的温度可以引起对于眼睛的损伤。在一些情形中，可以引起角膜烧伤。在这样的实施例中，以最大效率被提供给本发明的晶状体乳化装置的能量在静止相期间不被提供，这意味着机头，割尖和包围它们的部分可以利用与抽吸或冲洗流体的传导和/或热交换而冷却下来。在整个乳化过程期间，因而对于眼睛实现了低热负载，而以高水平的效率实现乳化。有利的是，装置可以***作，使得每一秒可以获得一定数量的静止相，静止相的数量至少是1并且不多于机头的固有频率的绝对值的百分之一。对于40kHz的固有频率，因而存在不多于每秒400个静止相。

另外，有利的是，提供给机头的能量可以从一振荡相至下一振荡相在水平上被改变。这意味着可以允许存在要求不同的最小的能量供给的不同硬度的模糊的晶状体的事实。

符合本发明的另一实施例，由放大器所提供的能量可以被调节，使得第一振荡相跟随着第二振荡相，第一振荡相中割尖在可以被用于乳化晶状体的振幅工作，第二振荡相中割尖在不可以用于乳化晶状体的振幅工作。在第二振荡相期间，能量的提供因而不完全被中断。因而，当第二振荡相流逝时，对于乳化的下一振荡相的振荡启动时间可以被缩短。

具有割尖的机头优选具有在20和100kHz之间、尤其优选40kHz的固有频率，并且可以***作，使得割尖在乳化期间输出在0和3.4瓦之间的机械功率。

目的还通过操作前述晶状体乳化装置的方法而被实现，其中由放大器所提供的能量重复地被完全中断，使得对应的振荡相跟随着静止相。这促进了被超声振荡所加热的部分的热负载的减小。方便的是，装置***作使得每秒存在一定数量的静止相，静止相的数量至少是1并且不多于机头的固有频率的绝对值的百分之一。

符合根据本发明的又一实施例，由放大器所提供的能量被调节使得第一振荡相跟随着第二振荡相，第一振荡相中割尖在可以被用于乳化晶状体的振幅工作，第二振荡相中割尖在不被用于乳化晶状体的振幅工作。结果，对于将割尖的振幅从最大值降低至对于乳化不显著的值需要较短的时间。相似地，将振幅再次从该低振幅值快速地增加至最大值需要较短的时间。

优选，符合根据本发明的一研究，提供给机头的能量从一振荡相至下一振荡相在水平上被改变。符合又一实施例，第二振荡相所需的能量由来自在第一振荡相期间所提供的能量的残留能量形成。

有利的是，处于白噪声或者仅在低振幅振荡的压电元件被电脉冲所激励，使得与白噪声或低振幅振荡相比，割尖实现较大的振荡振幅。这允许实现较好的信号处理。

该目的还通过具有如上所述的晶状体乳化装置、冲洗装置、抽吸装置和操作晶状体乳化装置、冲洗装置和抽吸装置的控制装置的晶状体乳化***而实现。

附图说明

下面将参考附图更为详细地解释本发明的进一步的优点和典型实施例，其中：

图1示出了根据现有技术的晶状体乳化***的示意图；

图2示出了根据本发明的晶状体乳化装置的示意图；

图3示出了根据为其频率的割尖的最大和最小振幅的分布的图；

图4示出了示出根据本发明的晶状体乳化装置的振荡启动和振荡衰减响应的图；

图5示出了示出在根据本发明的晶状体乳化装置的工作期间的振荡过程的图；

图6示出了根据本发明的方法的操作晶状体乳化装置的实施例的图；和

图7示出了根据本发明的又一实施例的方法的操作晶状体乳化装置的图。

具体实施方式

图1示意性地示出了晶状体乳化的***100。该***具有晶状体乳化装置1，它具有机头2，包含于机头2中的压电元件3和与机头2耦合的割尖4。压电元件3被连接至适于促进压电元件3的纵向膨胀的电源5。使用控制器6检测作为时间和相关的相位角

的函数的电压和电流分布，其中所述激励频率ω被改变使得相角

被提供以尽可能低的绝对值。具有改变的激励频率ω的该信号被提供给电源5，电源5恰当地操作压电元件。晶状体乳化装置1被连接至冲洗***10和抽吸***14。冲洗***10具有冲洗容器11，冲洗容器11具有引出的冲洗线12，冲洗线12入口可以被冲洗阀13所控制。冲洗液体通过割尖4流动至具有要被治疗的晶状体7的眼睛8。当割尖4利用超声振荡乳化晶状体7时，冲洗流体和被乳化的颗粒被抽吸***运走。这是通过被连接至抽吸泵16的线15完成的，通过线15的流能够利用抽吸阀17被分离。被抽吸的流体和被乳化的颗粒随后被提供给容器18。阀13和17和泵16利用控制装置操作。

在根据本发明的晶状体乳化装置1中，在电压分布和电流分布之间没有检测到相位漂移

。而是，正比于以固有频率振荡的机头2的压电元件中所产生的电压的实际值被检测，所述实际值通过线20被提供给调节器21，见图2。调节器21适于比较预定的目标值22(例如代表用户使用脚踏板规定的振荡振幅的电压)与实际值，并且随后确定提供给功率放大器24的受控变量23。功率放大器24的输出被连接至机头，使得机头可以以割尖的放大的偏转在其固有频率振荡。该放大的振荡继而产生以与上述相同的方式直接反馈所放大的电压。该种闭控制环在几遍之后增加割尖的振幅，所述割尖总是在其固有频率振荡。

短时间之后，振幅可以变得这样大，使得出现通常所说的共振灾难，使得压电陶瓷不再能够传递振幅并且变得被损坏。为了避免这样，需要提供合适的功率调节。当有共振灾难的威胁时，因而可以设置功率放大器的增益因子小于1。在该情形中，可以操作根据本发明的晶状体乳化装置，使得割尖的振幅面对改变的条件(例如由于加热、器件的老化和由于对应的晶状体碎片的质量的改变引起)总是恒定的。割尖的振幅分别直接地与用作控制变量的产生的电压成正比。

如同在“IEC NWIP Requirements for lens removal and vitrectomy devicesfor ophthalmic surgery，201.12.4.101.7Hazardous output for ultrasonic averagevelocity of TIP”中所述，割尖的最大可容许速度被限制为20m/s。因而可以对于调节器21，规定正比于振幅的产生电压作为目标限制值。

在静止状态中，机头2以其割尖4在其固有频率振荡，振幅非常小。该状态被称为所谓“白噪声”。如果以该非常小的振幅为基础生成的产生的电压对于进一步用调节器21处理过小，则机头可以通过外部脉冲被激励，从而获得较高的振幅和产生的电压。但是，产生的电压也可以相对地高，使得它们不再适于用调节器21进一步处理。因为这个原因，变压器25也可以被提供，它带来电压的变换，保证高信号传输率。

在机头中电至机械能的转换产生热量。这样的热量可以从割尖被传递至角膜并且至模糊的晶状体并且可以对于角膜是危险的(例如角膜灼伤)。因而，有利的是，以尽可能高的乳化效率，额外产生的热量可以被减小至最小。这首先可以通过优化效率的水平而被实现，如在根据本发明的晶状体乳化装置的情形中所可以的。进一步的措施可以涉及有意识地作为整体缩减提供的能量。然而只要实现晶状体的乳化，就仅需要提供最小的能量。如果被提供的能量低于阈值，则仅有热量被引入眼睛，乳化不发生。在这样的阈值之上，乳化发生，并且其取决于打碎晶状体之前的振荡周期的数量。因而可以操作根据本发明的晶状体乳化装置，使得对于乳化晶状体足够高的振幅被取作激励割尖的基础，使得能量的提供被完全地中断。因而振荡相跟随着其中基于白噪声的振荡出现的静止相，但是以不变的形式。

图3示出了本发明的实施例的作为时间的函数的割尖的对应的可容许的振幅。该图考虑了割尖的最大速度是20m/s的事实。如果割尖在例如40kHz的频率工作，则最大可容许的振幅是80μm，见曲线30。在40kHz的频率，最小振幅是大约20μm，见曲线31，在甚至更小的振幅工作仅导致低加热，但是不再乳化晶状体。如果割尖在最大振幅S_max工作，则在要被乳化的晶状体中最大纵向应力σ_max根据下式计算：

σ_max＝ρω²S_max ²                          (1)

在该情形中，晶状体材料的密度ρ被假定为1000kg/m3，其中ω是角频率并且S_max是割尖的最大振幅。在频率f＝ω/2π＝40kHz和最大振幅S_max＝80μm，最大纵向应力σ_max是大约0.4MPa。眼睛的晶状体的硬度或者抗断裂性可以被取作选择割尖的合适的振幅的基础。如果被选择的振幅涉及眼睛的晶状体的抗断裂性被达到或者超过，则割尖的单个偏转足以打破晶状体片段。但是，眼睛的晶状体的硬度可以变化很大，并且还可以这样硬使得直至割尖的偏转被重复，打破才被实现。乳化的最小偏转根据下式计算：

S_min＝(εE/ρω²)^1/2                       (2)

其中S_min表示最小的偏转，ε表示晶状体材料的膨胀并且E表示晶状体材料的弹性模量。另外，ρ是晶状体材料的密度并且ω是角频率。如果ε＝0.3，E＝0.084N/mm²，ρ＝1000kg/m³并且ω＝2πf，其中f＝40kHz则在大约20μm获得最小偏转，它意味着最小对最大偏转的比率是大约25％。

被传递至晶状体的割尖的机械功率可以根据下列方程计算：

P＝ρ∏⁴(D²-d²)f³s³                        (3)

在该情形中，ρ是晶状体材料的密度，D是管状割尖的外径，d是割尖的内径，f是具有割尖的机头的固有频率，并且s是割尖的振幅。如果被使用的数值是ρ＝1000kg/m³，D＝1.2mm，d＝0.6mm，f＝40kHz并且s＝80μm，则获得最大机械功率P_max＝3.4W。如果仅有大约20μm的最小振幅(见图3)被提供，则机械功率P_min现在仅是0.054W，即最大绝对值的大约1.6％。如果小于0.054W被提供，乳化不再发生，而是现在仅相对轻微地加热晶状体。如果高于3.4W的机械功率被提供，则对于割尖20m/s的最大速度的规定限制值被超过。

对于操作者重要的是，在尽可能短的时间中以小的热负载乳化的眼睛的晶状体。因而割尖以尽可能大的机械振幅被实施的操作是有利的，以便后续提供冷却前述构件的静止相。在图4中的图示出，直至达到最大振幅的振荡过程启动以及直至达到偏转至0值的振荡衰减的过程。在各情形中割尖在固有频率振荡，在振荡启动过程40期间振幅持续增加(见包络线41的轮廓)。当最大振幅已经达到时，能量提供的中断可以导致振幅的水平的快速降低，见包络线42。在图4中所示出的实例中，在振荡衰减过程43期间，在大约4个振荡周期之后振幅降低至绝对值0。振荡启动和振荡衰减过程所需的时间取决于割尖的频率。在高频比在低频达到最大振幅更快。

对于最佳乳化，振荡的振幅和振荡时间两者都可以被改变。在图5中所示出的实例中，最大振幅在4个振荡周期之后达到，见包络线50。随后跟随着10个振荡周期，见参考标号51，其中割尖可以作用于晶状体上。当这10个振荡周期流逝时，见参考标号52，能量的提供被中断，使得割尖的振幅快速减小，见包络线53。在大约又4个振荡周期之后，割尖的振幅达到绝对值0，见参考标号54。在本文中，重要的是，从开始到结束，以具有割尖的机头的固有频率相应地实现振荡。

当割尖的振幅达到绝对值0时，对于压电元件的能量的提供可以保持被中断某一段时间。当这样的静止相流逝时，可以再次跟随振荡相，见图6。在第一振荡相期间，割尖的振幅增加至其最大绝对值，见包络线61，并且它接着保持在该最大振幅持续覆盖多个振荡周期的一段时间，见参考标号62。随后能量的提供被中断，使得割尖的振幅降低至0，见包络线63。随后跟随着静止相64，它跟随着第二振荡相，见参考标号65。在本文中，在该第二振荡相65中振幅可以低于在第一振荡相62中。这可以再次跟随着静止相66，其继而跟随着下一振荡相67。在该振荡相67期间，振幅可以被选择，它不同于在第一振荡相62和/或第二振荡相65期间的振幅。

为了实现直至最大振幅达到的更快的升高，在操作晶状体乳化装置的方法的另一实施例中，晶状体乳化装置可以在低振荡振幅工作，既便在静止相64或者66期间，使得机头未完全静止。在这段时间中提供的功率相对低，并且加热可以忽略不计。通过示例的方式，残留的能量可以通过返回能量而被使用。该方法的优点是割尖可以更快地从在低振幅振荡被调节为在相对高的振幅振荡。再次，指出在振荡相期间，具有割尖的机头在各情形中以其固有频率振荡。

符合操作晶状体乳化装置的方法的又一实施例，短路减小了振荡衰减时间，见图7。在振荡启动条件之后，见参考标号71，割尖振荡又持续4个周期，例如，见参考标号72。当能量的提供被关闭是，见参考标号73，并且仍然存在的能量已经以目标的方式被释放，割尖振荡衰减的时间74短于正常振荡衰减过程的情形，例如在图5中所示出的。

如果在晶状体乳化期间出现闭塞或者闭塞喷发，则固有频率在短时间内改变。可以使用这样的频率漂移以便探测这样的事件。因而根据本发明的晶状体乳化装置允许这样的过程被非常快地探测，使得另外的子***，例如流体***，可以被非常快地激励。这尤其在眼睛中获得高水平的稳定性。

Claims (11)

1.一种晶状体乳化装置，具有：

具有乳化晶状体的割尖的机头，其中所述机头设置有偏转所述割尖的压电元件；

调节器，其输入被电连接至所述机头以便接收与以固有频率持续振荡的机头的压电元件上所产生的电压成正比的实际值，其中所述调节器适于将所述实际值与预定目标值对比并且因而确定受到控制的变量；

功率放大器，其输入被连接至所述调节器以便接收所述受到控制的变量，并且其输出被连接至所述机头，其中在与实际值被接收的同时，所述机头能够被激励并且功率能够被输出至所述机头，使得能够实现直接的反馈并且因而机头能够以符合所述受到控制的变量的割尖的偏转持续地以其固有频率振荡。

2.根据权利要求1的晶状体乳化装置，其中所述调节器和所述机头具有被连接于其间的变压器，其输入被连接至所述机头并且其输出被连接至所述调节器。

3.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中所述压电元件能够被电脉冲所激励，使得与白噪声相比对于割尖实现较大的振荡振幅。

4.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中由所述放大器所提供的能量能够重复地被完全地中断，使得对应的振荡相跟随着静止相。

5.根据权利要求4的晶状体乳化装置，其中所述装置能够***作使得每一秒能够获得一定数量的静止相，静止相的数量至少是1并且不多于所述机头的固有频率的绝对值的百分之一。

6.根据权利要求4的晶状体乳化装置，其中提供给所述机头的能量从一振荡相至下一振荡相在水平上能够被改变。

7.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中通过所述放大器提供的能量能够被调节使得第一振荡相跟随着第二振荡相，所述第一振荡相中所述割尖在能够被用于乳化晶状体的振幅工作，所述第二振荡相中所述割尖在不能够被用于乳化晶状体的振幅工作。

8.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中具有所述割尖的所述机头具有在20和100kHz之间的固有频率。

9.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中具有所述割尖的所述机头具有40kHz的固有频率。

10.根据权利要求1或2的晶状体乳化装置，其中所述割尖能够***作使得其输出0和3.4瓦之间的机械功率。

11.一种晶状体乳化***，具有根据权利要求1至10中的任一项的晶状体乳化装置、冲洗装置、抽吸装置和操作所述晶状体乳化装置、所述冲洗装置和所述抽吸装置的控制装置。

Images