CN108024823A - 用于控制超声工具的***和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了利用控制台(22)来控制超声手术工具(20)的***(10)和方法(12)。第一驱动信号(40)被施加到所述超声手术工具(20)。采集由于将第一驱动信号(40)施加到所述超声手术工具(20)而引起的谐波信号(44)的特性。基于所述谐波信号(44)的特性来生成消除信号(70)。所述第一驱动信号(40)和所述消除信号(70)被组合以产生正弦的第二驱动信号(80)。所述第二驱动信号(80)被施加到所述超声手术工具(20)，使得由于施加所述第二驱动信号(80)而引起的所述谐波信号(44)的存在相对于由于施加所述第一驱动信号(40)而引起的所述谐波信号(44)的存在得以减少。

Description

用于控制超声工具的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请主张于2015年7月15日提交的美国临时专利申请No.62/192838的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于控制超声手术工具的***和方法，并且更具体地，涉及减少由手术工具的操作引起的不希望的信号的存在。
背景技术
超声手术工具(例如超声抽吸器)通常包括含有超声换能器的手持件和耦合到换能器以与组织接口的端部。控制台或发生器连接到手术工具，以通过向换能器输出特定的驱动信号来控制手术工具。手术工具用于开放式或微创手术流程以提供组织的凝结等。
对于许多端部/换能器组合，换能器由具有频率分量的正弦驱动信号驱动。超声端部通常被设计为在仅具有单个主导振动模式(例如纵向)的频率分量下操作。
端部的振动运动直接与行业中被称为机械电流的相关。当机械电流与手持件电压同相时，端部以共振方式工作。由于换能器以具有频率分量的正弦信号驱动，因此到手持件的电流是具有频率分量的正弦曲线。
一些传统的超声端部和手持件组合自然地表现出引起谐波失真的一个或多个谐波信号。这种谐波信号可能导致手持件的电流相对于手持件的电压表现出可变的相移。在传统的***中，手持件的电压和电流都存在显著的谐波失真。谐波信号导致手持件的电压和电流表现出额外的频率分量，例如谐波，导致电压和电流波形是不纯的正弦曲线。这种谐波会产生端部的不希望的振动。所述不希望的振动对手术工具的性能有负面影响。例如，这种不希望的振动增加了端部上的应力，并在某些位置产生不希望的过热。由于疲劳和对周围组织的热加热，这种不希望的过度热量减少了端部的寿命。此外，***必须在更高的电压下操作，以克服由于过热导致的温度升高发生变化的端部声学特性的额外负载效应。反过来，控制台的性能也会降低，因为不希望的振动能量会从手持件发送回控制台。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于控制超声手术工具以减少由驱动超声手术工具引起的谐波信号的存在的控制台。所述控制台被配置为向所述超声手术工具施加第一驱动信号。所述控制台采集由于将第一驱动信号施加到超声手术工具而引起的所述谐波信号的特性。所述控制台基于所述谐波信号的所述特性来生成消除信号。所述控制台组合所述第一驱动信号和所述消除信号以产生第二驱动信号，其中，所述第二驱动信号是正弦的。所述控制台被配置为将所述第二驱动信号施加到所述超声手术工具，使得由于施加所述第二驱动信号而引起的所述谐波信号的存在相对于由于施加所述第一驱动信号而引起的所述谐波信号的存在得以减少。
本发明还提供了一种控制超声手术工具以减少由于驱动所述超声手术工具而引起的谐波信号的存在的方法。所述方法包括用第一驱动信号来驱动所述超声手术工具。采集由于利用所述第一驱动信号驱动所述超声手术工具而引起的谐波信号的特性。所述方法包括基于所述谐波信号的所述特性来生成所述消除信号。所述第一驱动信号和所述消除信号被组合以产生第二驱动信号，其中，所述第二驱动信号是正弦的。所述方法包括利用所述第二驱动信号驱动所述超声手术工具，使得利用所述第二驱动信号驱动所述超声手术工具而引起的所述谐波信号的存在相对于利用所述第一驱动信号驱动所述超声手术工具而引起的所述谐波信号的存在得以减少。
另外，本发明提供了一种控制超声手术工具以减少谐波信号的存在的方法。所述谐波信号包括频率、相位和幅度。所述方法包括用第一驱动信号来驱动所述超声手术工具，采集由于利用所述第一驱动信号驱动所述超声手术工具而引起的所述谐波信号的特性，并产生具有与所述谐波信号的频率类似的频率、相对于所述谐波信号的相位偏移180度的相位、以及等于或大于所述谐波信号的幅度的消除信号。所述方法还包括输出所述第二驱动信号以驱动所述超声手术工具，其中，所述第二驱动信号是正弦的并且基于所述第一驱动信号和所述消除信号的组合。
所述***和方法可以有利地减少谐波信号的存在，由此减少由手术工具的振动发生的谐波失真。通过减少谐波信号的存在，所述***和方法可以有效地降低手术工具(即手持件/端部组合)的阻抗，维持端部的特定振动位移所需的功率和电压，端部的加热，发送回控制台的能量，和/或不希望的(例如谐波)振动频率。这些修改继而可以改善手术工具的组织切除性能。
此外，通过减少谐波信号的负面影响，该***和方法增加了通用性，以使用经常表现出的谐波失真的各种类型和形状的超声工具和端部。该***和方法还允许同时控制端部的两个不同谐振模式以增加切割性能(例如双模式控制)。
在阅读随后的描述之后，本发明的其他特征和优点将容易领会，因为其变得更好理解。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的控制台和超声手术工具的透视图。
图2是根据本发明的一个实施例的控制台和手术工具的部件的示意性方框图。
图3是示出根据一个示例的由控制台施加到手术工具的第一驱动信号的输出的波形的绘图。
图4图示了根据一个示例的手术工具的手持件和端部的组合的机电电路模型的示例。
图5是由图3的第一驱动信号在应用谐波消除方法之前引起的手持件的电压和电流的波形的绘图。
图6是图5的手持件电压的波形的快速傅里叶变换的绘图。
图7是图5的手持件电流的波形的快速傅立叶变换的绘图。
图8是图4的机电电路模型，其进一步示出了由于施加第一驱动信号所引起的谐波信号对电路的每个分支中的电流的基波驱动频率和谐波频率的相应贡献。
图9是根据本发明的一个实施例的控制超声手术工具以减少由于利用图3的第一驱动信号驱动超声手术工具而产生的谐波信号的存在的方法的流程图。
图10是示出基频和谐波频率分量的手持件电流的快速傅立叶变换的波形的绘图。
图11是示出基频和谐波频率分量的手持件电流的波形的绘图。
图12是图11的分离出的手持件电流的基频分量的波形的绘图。
图13是图11的分离出的手持件电流的谐波频率分量的波形的绘图。
图14是被配置为减小图13的谐波频率分量的消除信号的波形的绘图。
图15是示出由控制台施加第二驱动信号的输出的波形的绘图，其中，所述第二驱动信号是基于图12的基频分量(第一驱动信号)和图14的消除信号的组合生成的。
图16是图18的手持件电压的波形的快速傅立叶变换的图。
图17是图18的手持件电流的波形的快速傅立叶变换的图。
图18是由图15的在应用谐波消除方法之后的第二驱动信号引起的手持件的电压和电流的波形的绘图。
图19是展示该方法对控制手持件和端部组合的重要参数的有利效果的表格。
具体实施方式
I、***概述
参考附图，其中，遍及所有附图，相同的附图标记指示相同或对应的部分，通篇示出了用于控制超声手术工具20以减少由于驱动超声手术工具20而引起的谐波信号的存在的***10和方法12的各方面。
如图1中所示，***10包括超声手术工具20和用于控制超声手术工具20的控制台22。手术工具20被连接到控制台22。手术工具20的示例包括但不限于医疗设备，包括但不限于超声抽吸器、超声密封器、超声切割器等。
手术工具20包括手持件21。如图2所示，换能器24容纳在手持件21内。换能器24可以包括适合于将电能转换成机械能的任何合适的元件或部件，例如压电陶瓷元件。手术工具20还包括端部26，所述端部26具有被配置为接合组织的远端。组织的接合的示例可以包括切割和/或密封组织。端部26可以耦合到换能器24。
手术工具20可以利用各种可互换的端部26。端部26可以永久地或可拆卸地固定到手持件21。端部26可以具有任何合适的功能和构造，并且可以包括例如软组织消融端部和精细切骨端部。优选的端部26的实例包括但不限于用于软组织的 Straighttm、和用于硬组织的 Clawtm、 Knifetm和 Paynertm。
在一个实施例中，控制台22包括存储器28、控制器30和放大器32。存储器28被配置为存储与手术工具20的控制有关的数据。存储器28可以是任何合适类型的存储器，诸如非易失性存储器、ROM、EEPROM、RAM、闪存等。控制台22可以具有存储在存储器28上的任何合适的固件或软件以便于控制手术工具20。控制器30连接到存储器28。控制器30可以包括用于执行存储在存储器28中的指令的一个或多个处理器。控制器30与放大器32通信，用于向手术工具20输出信号。在一个实施例中，放大器32是线性放大器。
控制器30可以与采样模块34、信号发生器36和信号组合器38通信。在图2中，采样模块34、信号发生器36和信号组合器38是控制器30的一部分或者与控制器30集成在一起。替代地，采样模块34、信号发生器36以及信号组合器38中的任何一个或其组合可以物理地定位于控制器30的外部，使得它们在物理上与控制器30分离。此外，在一些情况下，采样模块34、信号发生器36和信号组合器38中的任一项可以被组合，使得它们由相同的组件集成或由相同的软件实现。采样模块34可以与快速傅立叶变换(FFT)模块37通信并且可以包括快速傅立叶变换(FFT)模块37。
采样模块34、信号发生器36、FFT模块37和信号组合器38中的任何一个可以包括存储在控制台22上的存储器28中的可执行指令以供一个或多个处理器执行。下面详细描述采样模块34、信号发生器36、FFT模块37和信号组合器38的功能。
II、第一驱动信号和谐波信号
控制台22被配置为将第一驱动信号40施加到超声手术工具20，并且更具体而言，施加到换能器24。换能器24将第一驱动信号40的电能转换成机械能。第一驱动信号40从控制台22中的放大器32输出，放大器32放大第一驱动信号40。第一驱动信号40的电压是低电压。例如，第一驱动信号40的电压在0-100V AC之间，更特定地在0-10V AC之间，更加特定地在0-5V AC之间。放大器32根据需要将第一驱动信号40的电压放大到1000V AC以维持期望的机械电流。手术工具20的控制台22可以包括任何合适的开关或按钮以允许操作者选择性地控制第一驱动信号40。
图3图示了针对具有锐角接头和微小直端部26的一个特定手持件21的第一驱动信号40的一个示例，该特定手持件21以80mA机械电流在空气中以25.5kHz电压正弦波驱动信号来驱动。具体地说，图3是第一驱动信号40的电压输出。第一驱动信号40具有正弦波形。换句话说，第一驱动信号40具有呈现平滑重复振荡的波形。因此，第一驱动信号40不是脉冲或方形波形。第一驱动信号40的波形的正弦特性对于在端部26中提供超声振荡是重要的。第一驱动信号40的正弦波形包括与第一驱动信号40的波长λ1有关的频率分量。频率分量是基波(一次谐波)驱动频率41分量。基波驱动频率41分量也可以被称为期望的谐振频率。在这个示例中，基波驱动频率41分量是25.5kHz。本领域技术人员认识到，基波驱动频率41分量可以是任何合适的频率，例如包括25至55kHz范围内的频率。第一驱动信号40还包括相位“P1”和幅度“a1”。控制台22被配置为使用信号发生器36来生成第一驱动信号40。
第一驱动信号40包括若干特性。第一驱动信号40的特性通常与第一驱动信号40的波形有关。第一驱动信号40的任何特性可以是基于时域或频域的特性。例如，关于图3所示的时域，第一驱动信号40的特性可以包括波长λ1，相位'P1'和幅度'a1'中的至少一个。关于频域，如下面描述的图6和图7中所示，第一驱动信号40的特性可以包括第一驱动信号40的频率、幅度和相位中的至少一个。例如，频率是基波驱动频率41分量。第一驱动信号40的特性可以是预定的或已知的。替代地，可以测量第一驱动信号40的特性。例如，第一驱动信号40的特性可以从与第一驱动信号40的施加有关的电流或电压读数导出，如下所述。本领域的技术人员可以理解，第一驱动信号40的任何特性可以单独地或组合地从时域和频域参数导出。
图4图示了手持件21和端部26的组合的机电电路模型的示例。在图4中，Vs是来自控制台22的输出驱动电压(电压源)。在下文中，输出驱动电压被称为手持件电压VHP。在图4中，Rs是控制台的串联电阻。通过Rs的电流是源电流is，在下文中被称为手持件电流iHP。手持件电流iHP可以通过手持件21的阻抗来确定。该阻抗可以根据手持件21的一个或多个特征来导出。例如，阻抗由手持件26的负载、手持件21的声学性质、被切除的组织的声学性质、换能器24的性质、手持件21的振动等引起。
如图4所示，静态手持件电容为Co，通过静态电容Co的电流为ico。振动谐振模式由系列Rm，Lm和Cm表示，其中，im表示期望的机械电流。期望的机械电流im由手持件21上的应变引起。端部26的振动运动直接与期望的机械电流im相关。这样，端部26振动的位移随着机械电流im增加而增加。当期望的机械电流im与手持件电压VHP同相时，端部26以谐振操作。
图4的模型基于标准的Butterworth-VanDyke模型，但通过捕获通用部件X及其对模型的影响而得以改进。通用部件X是理论部件，其创建由于将第一驱动信号40施加到手术工具20、更具体地手持件21和端部26的组合而引起的谐波信号44。谐波信号44可以包括任何更高阶的谐波，诸如基波驱动频率41分量的二阶、三阶或四阶谐波，或其任何组合。谐波信号44通常是不希望的信号，因为谐波信号44导致谐波失真。在下文中，谐波信号44的频率被称为谐波频率43分量。谐波信号44可以是基于手持件21和端部26的特定组合自然发生的。在一些情况下，谐波信号44在达到端部26的最小阈值位移之前不出现。这种行为被认为是非线性行为。通过通用部件X的电流ix表示不希望的机械电流。在该模型的一些版本中，通用部件X可以是取决于所需的机械电流im或与所需的机械电流im相关的振动电流源。
图5图示了在应用本文描述的谐波消除方法12之前的手持件电流iHP和手持件电压VHP的波形以及谐波信号44对手持件电流iHP和电压VHP波形的示例性影响。由于第一驱动信号40是正弦曲线并且具有信号频率分量，所以手持件电流iHP和手持件电压VHP因此是正弦曲线并且具有信号频率分量。在这种情况下，手持件电流iHP的波形相对于手持件电压VHP呈现可变的相移Φ，因为基波驱动频率41分量伴随有谐波频率43分量。由于手持件电流iHP和手持件电压VHP呈现多个频率分量，因此波形不是纯正弦的。手持件电流iHP和手持件电压VHP根据使用的特定端部26等而不同。
图6和图7图示了针对来自图5的手持件电压VHP和手持件电流iHP的每个波形的相应快速傅立叶分析。分析识别出对图5中所示的观察到的失真最负责的频率(或多个频率)。在这个示例中，FFT分析揭示了基波驱动频率41分量(即25.5kHz)伴随有来自谐波信号44的额外的谐波频率43分量(例如51kHz)。谐波信号44对产生的谐波失真负责。对于手持件电压VHP，谐波频率43分量表现出基波驱动频率41分量的幅度的40％以上的幅度。对于手持件电流iHP，谐波频率43分量具有基波驱动频率41分量的幅度的90％以上的幅度。应该理解，图6和7示出了谐波频率43分量的一个示例。这样，谐波频率43分量可以不同于图6和图7的谐波频率并且可以具有与图6和图7中的谐波频率不同的幅值。
对数据的进一步分析揭示了手持件电压VHP和手持件电流iHP的波形中的谐波信号44之间的相位角θ是103°。该相位角θ大于90°，这给出负的功率因子，其指示手持件21和端部26组合产生51kHz的功率(而不是在控制台产生51kHz功率)。在这种情况下，由于手持件21和端部26组合的非线性振动行为，25.5kHz的振动引起51kHz的振动。51kHz振动使换能器24中的压电元件移动，从而将一些机械能转换成51kHz的谐波频率43分量的电能。
图8示出了基波驱动频率41分量和谐波频率43分量对来自图4的电路的每个分支中的电流的相应贡献。贡献是基于Rm相对于Co的阻抗为低值的假设以及Rm，Lm，Cm的串联阻抗在谐波频率43分量处具有相对高的阻抗的假设。在图8中，基波驱动频率41分量和谐波频率43分量各自对手持件电流iHP有显著贡献。基波驱动频率41分量通过静态电容Co和期望的机械电流im而对电流ico有显著贡献。相反，谐波频率43分量通过静态电容和所需的机械电流im实际上对电流ico没有贡献。然而，对于不希望的机械电流ix，基波驱动频率41分量实际上没有贡献，而谐波频率43分量具有显著贡献。如此，基于该模型，存在于手持件电流iHP中的谐波信号44直接与通过通用部件X的不期望的机械电流ix的存在相关。
III、第二驱动信号与谐波信号的减少
***10和方法12减少前述谐波信号44的存在。如图9所示，方法12可包括在步骤200将第一驱动信号40施加到超声工具20。在步骤202，采集由于将第一驱动信号施加40到超声手术工具20而引起的谐波信号44的至少一个特性。在步骤206处，基于所采集的谐波信号44的特性来生成消除信号70。在步骤208，控制台22组合第一驱动信号40和消除信号70以产生第二驱动信号80，其中，所述第二驱动信号80是正弦的。在步骤210，控制台22将第二驱动信号80施加到超声手术工具20。由于施加第二驱动信号50而引起的谐波信号44的存在相对于由于施加第一驱动信号40而引起的谐波信号44的存在减少。下面详细描述该方法12的具体步骤。
控制台22执行步骤202以采集谐波信号44的特性。谐波信号44的特性可以是基于时域或频域的特性。例如，关于时域，谐波信号44的特性可以包括(参照图13)波长λ2，相位“P2”和幅度“a2”中的至少一个。关于频域，如下面描述的图6和图7所示，例如，谐波信号44的特性可以包括谐波信号44的频率、幅度和相位中的至少一个。例如，谐波信号44的频率是谐波频率43分量，更具体地说是第二谐波频率(例如51kHz)。本领域的技术人员可以理解，谐波信号44的任何特性可以单独地或组合地从时域和频域采集。
如所描述的，第一驱动信号40的特性可以是预定的或已知的。因此，可以在不同的时刻确定第一驱动信号40的特性和谐波信号44的特性。替代地或额外地，如果第一驱动信号40的特性未知，则控制台22可以执行步骤202以进一步采集第一驱动信号40的特性。换句话说，第一驱动信号40的特性和谐波信号44的特性可以在相同的时刻或在不同的时刻确定。
在一个实施例中，控制台22部分地通过生成与施加第一驱动信号40相关的电流和电压样本来采集谐波信号44的特性。更具体地，电压样本基于手持件电压VHP，并且电流样本基于手持件电流iHP。谐波信号44的特性与谐波信号44的波形相关。因此，谐波信号44的特性出现在电流和电压样本中，并且可以从电流和电压样本中提取。
在一个示例中，控制台22通过测量或者以已知的静态电容值Co开始来采集谐波信号44的特性。第一驱动信号40的基频41分量的电压和电流的幅度和相位是预定的或已知的，并且可以从存储器28访问。已知该信息，控制台22以第一驱动信号40如所配置地在基频41分量(例如，25.5kHz)处的相对低的振动水平驱动手持件21和端部26。控制台22可以通过使用跟踪算法以监测共振来保持以基频41分量驱动手持件21和端部26。跟踪算法由控制器30实现。控制器30在手持件21和端部26振动时连续地测量和/或计算手持件21和端部26的共振。跟踪算法被配置为如果所测量的谐振偏离期望的共振，则进行适当的调整以实现设计的共振。跟踪算法可以在手术工具20的操作期间连续实施。本领域技术人员认识到可以实现任何合适的跟踪算法。
控制台22使用采样模块34来采集由施加第一驱动信号40而引的电流和电压样本。控制台22通过对手持件电流iHP和手持件电压VHP进行采样来采集电流和电压样本，例如，诸如以上在图5所示。替代地，控制台22可以监测和/或采样手持件21和端部26的阻抗以导出电流和电压样本。控制台22被配置为使用包括模数转换设备等来对电流和电压样本进行转换以供进一步分析。本领域技术人员理解，控制台22不需要产生波形，例如在图5中，以对第一驱动信号40和/或谐波信号44的特性进行采样或分析。取而代之，可以基于诸如二进制值之类的非可视数据来生成和分析样本。控制台22可以在向手术工具20施加第一驱动信号40的过程中或之后采集样本。所采集的样本可以存储在存储器28中，使得控制器30可以在采集样本之后的任何合适的时间访问样本。
控制台22分析样本以采集谐波信号44的特性。通过采集谐波信号44的特性，控制台22可以测量手持件电流iHP和手持件电压VHP两者中的失真(例如在第二谐波频率43处)。在一个示例中，控制台22使用FFT分析技术来采集谐波信号44的特性。这里，控制台22，更具体地FFT模块37执行电流和电压样本的FFT。控制台22可以在施加任何驱动信号期间实时采集并处理电流和电压样本。
图10示出了采样的手持件电流iHP的FFT的示例，示出了25.5kHz和51kHz频率分量与频谱的其余部分相比表现出显著的幅度。如果控制台22确定基于样本的测量失真明显较低，则控制台22可以继续增加机械电流im，直到达到不可接受的谐波振动。这里，控制台22增加机械电流im，直到谐波频率43分量(第二谐波)的幅度几乎与基波驱动频率41分量的幅度一样大，即25.5kHz。
可以基于以上描述的图6和图7另外地理解谐波信号44的特性，图6和图7图示了表示在所描述的示例中执行FFT的结果的绘图。为了简单起见，不重复图6和图7的内容。本领域的技术人员可以理解，FFT可以产生指示变换的数据，并且因此为采集谐波信号44的特性无需生成例如图6、
图7和10中的绘图。因此，在特定实施例中，为了有效地生成第二驱动信号80，执行电流和电压波形的FFT，并且因此，FFT不仅仅用于诊断目的。
为了确定谐波信号44的特性，控制台22可以进一步比较第一驱动信号40的特性和谐波信号44的特性。在一个示例中，控制台22确定第一驱动信号40的相位P1和谐波信号44的相位P2之间的差异。替代地，控制台22确定基频41分量处的手持件电压VHP的相位与谐波频率43分量处的手持件电流iHP的相位之间的差异。换句话说，控制台22确定第二谐波频率下的手持件电流iHP相对于一次谐波频率下的手持件电压VHP的相位。第二谐波频率下的手持件电流iHP相对于一次谐波频率下的手持件电压VHP的相位也被称为相位角。
为了实现这一点，对于手持件电压VHP和手持件电流iHP中的至少一个，控制台22将基频41分量与谐波频率43分量分离。例如，图11示出了采样的手持件电流iHP，其类似于图5中所示的手持件电流iHP。所采样的手持件电流iHP的波形包括两个频率分量，即基频41分量和谐波频率43分量。
图12图示了从手持件电压VHP提取的基频41分量的波形。值得注意的是，在这个示例中，图12的波形与图3中的第一驱动信号40的源波形相同。也就是说，包含隔离的基频41分量的波形等同于在引入由于施加第一驱动信号40而引起的谐波信号44之前的第一驱动信号40的源波形。
图13图示了从图11中的手持件电流iHP提取的谐波频率43分量的分离出的波形。因此，图3示出与所得到的第一驱动信号40的施加隔离的谐波信号44。如图所示，谐波信号44具有包括与谐波信号44的波长λ2相关的频率分量的正弦波形。谐波信号44还包括相位“P2”和幅度“a2”。
在一个实施例中，控制台22通过计算相位角来确定在基频41分量处的手持件电压VHP的相位与在谐波频率43处的手持件电流iHP的相位之间的差异。在该示例中，使用手持件电压VHP和手持件电流iHP的特定频率、相位和幅度，控制台22使用以下公式来计算相位角：
[1]iHP＝0.08·sin(2π·25.5kHz·t+0)+0.083·sin(2π·51kHz·t-90)
这里，控制台22确定手持件电流iHP的谐波频率44(51.5kHz)与基频41分量(25.5kHz)处的手持件电压VHP异相-90°。确定相位角为-90°异相使得控制台22能够校准消除信号70。主要地，消除信号70的相位相对于谐波信号44的相位偏移180度，以在数学上抵消谐波信号44的幅度。消除信号70以第一驱动信号40为参考。消除信号70的电流自然地与消除信号70的电压同相。发现的谐波电流的波形关于第一驱动信号40偏移90度。为了使消除信号70抵消谐波信号44，消除信号70相对于第一驱动信号40沿相反方向偏移90度(-90)。结果，消除信号70的相位相对于谐波信号44的相位偏移180度。
在步骤206，方法12包括基于谐波信号44的特性利用控制台22生成消除信号70。消除信号70被配置为减少谐波信号44的存在，从而使谐波信号的影响最小化。在一个实施例中，消除信号70被设计为使得其对减少谐波信号44的存在具有最大的效果。实际上，消除信号70基于不期望的机械电流ix的一个或多个特性。相应地，消除信号70使不希望的机械电流ix中谐波信号44的存在最小化。换句话说，在这里描述的示例中，消除信号70使第二谐波频率43分量处的不期望的机械电流ix最小化，从而使手持件电流iHP中的谐波失真最小化。控制台22被配置为使用信号发生器36来生成消除信号70。与生成的消除信号70有关的数据可以被存储在存储器28中。
图14示出消除信号70的波形的一个示例。如图所示，消除信号70具有包括与消除信号70的波长λ3有关的频率分量的正弦波形。消除信号70还包括相位“P3”和幅度“a3”。
在一个实施例中，控制台22基于谐波信号44的频率来生成消除信号70。例如，消除信号70的频率可以被设计为使谐波信号44最小化。更具体地，控制台22生成消除信号70，使得消除信号70的频率类似于谐波信号44的频率。这样，图14中的消除信号70的波长λ3与图13中的谐波信号44的频率λ2相同。更具体地说，在这个示例中，消除信号70的频率被设置为谐波信号44的确定频率，即51kHz。通过具有与谐波信号44相同的频率，消除信号70直接靶向谐波频率43分量以减小其影响而不影响基波驱动频率41分量或以其他方式引入其他不希望的频率。本领域技术人员认识到，可能有消除信号70的频率可能与谐波频率43分量相似、但不完全相同的情况。例如，消除信号70的频率可以比谐波频率43大或小几百赫兹，以考虑谐波信号44的残余效应。在另一个示例中，消除信号70的频率可以比谐波频率43大或小1kHz。
消除信号70可以被进一步设计为使得消除信号70的相位P3相对于谐波信号44的相位P2偏移。在一个实施例中，消除信号70的相位P3被设计为使得谐波信号44最小化。在一个示例中，消除信号70的相位P3相对于谐波信号44的相位P2偏移了180度。这样，图14中的消除信号70的相位P3相对于图13中的谐波信号44的相位P2偏移半个周期。通过使相位P3相对于谐波信号44的相位P2偏移180度，消除信号70使其对谐波信号44的消除效应最大化，因为消除信号70的幅度a3与谐波信号44的幅度a2相反，如图14所示。本领域技术人员理解，可能存在消除信号70的相位P3相对于谐波信号44的相位P2偏移并非180度的角度的情况。例如，消除信号70的相位P3可以偏移180度的任何(正的或负的)奇数倍，例如540度，-180度等。
消除信号70可以进一步被设计为使得消除信号70的幅度a3相对于谐波信号44的幅度a2进行调整。在一个实施例中，如图14所示，消除信号70的幅度a3等于谐波信号44的幅度a2。通过使消除信号70的幅度a3等于谐波信号44的幅度a2，消除信号70使其对谐波信号44的消除效应最大化。即，消除信号70的幅度a3与谐波信号44的幅度a2相等并相反(基于相位偏移)，如图14所示。
替代地，如果期望的话，消除信号70可以进一步被设计为使得消除信号70的幅度a3大于或小于谐波信号44的幅度a2。例如，在一个实例中，消除信号70的幅度a3是谐波信号44的幅度a2的两倍。本领域技术人员理解，可能存在根据在本文中没有具体描述的各种其他水平可以相对于谐波信号44的幅度a2设置消除信号70的幅度a3的情况。在一个实施例中，消除信号70的相位a3可以被设计为使谐波信号44最小化。
在其他实施例中，消除信号70的幅度a3基于被设计用于监测消除信号70的幅度变化对谐波信号44的影响的幅度调整算法来确定。例如，幅度调整算法可以以相对低幅度a3开始并增加幅度a3，直到谐波频率43分量被最小化。控制台22可以使用反馈回路来监测对谐波频率43分量的影响。
本领域的技术人员意识到，控制台22可以基于谐波信号44的任何特性中的至少一个或其组合来生成消除信号70。例如，消除信号70可以基于谐波信号44的频率和幅度a2，而不是谐波信号44的相位P2来生成。可选地，可以基于谐波信号44的频率和相位P2而不是谐波信号44的幅度a2来生成消除信号70。在设计消除信号70时不考虑谐波信号44的一些特性的这种情况下，消除信号70可以例如基于替代或缺省频率、相位或幅度来生成。
在步骤208中，控制台22组合第一驱动信号40和消除信号70以产生第二驱动信号80。换句话说，控制台22通过组合消除信号70和原始或源第一驱动信号40(没有产生的谐波信号44)来产生第二驱动信号80。控制台22使用信号组合器38来将这两个信号相加。控制台22可以从存储器28访问关于第一驱动信号40和消除信号70的信息。
图15图示了在本文中描述的示例的第二驱动信号80的输出驱动电压。像第一驱动信号40一样，第二驱动信号80是正弦曲线以促进手术工具20的适当超声操作。
消除信号70有效地与手持件电压VHP相组合。这样，第二驱动信号80的输出驱动电压可以被理解为修改的手持件电压VHP’，即，相对于第一驱动信号40的原始手持件电压VHP被修改。图15中的第二驱动信号80基于25.5kHz的第一驱动信号40(图12)和51kHz消除信号70(图14)的组合。这样，第二驱动信号80的电压输出包含25.5kHz的驱动信号和51kHz的消除信号。换句话说，消除信号70提供第二频率分量77以适应主驱动电压VHP的基频41分量。该第二频率分量77处于第二谐波频率43分量，其相移与谐波频率43分量相比有180°异相，从而有效地使谐波频率43分量最小化。
控制台22，并且更具体而言，信号组合器38被配置为使用数学运算来组合第一驱动信号40和消除信号70。对于本文中描述的示例，信号组合器38使用以下等式[2]来组合信号：
[2]vHP′＝A·sin(2π·f1·t)+B消除_amp·sin(2π·f2·t+θ消除_相位)
更具体地，输入第一驱动信号40和消除信号70的相应的频率、相位和幅度，等式[2]表示如下：
[2]vHP′＝25·sin(2π·25.5kHz·t)+8·sin(2π·51kHz·t+90)
在步骤210，控制台22将第二驱动信号80施加到超声手术工具20。类似于第一驱动信号40，控制台22被配置为将第二驱动信号40施加到超声手术工具20，并且更具体而言，施加到换能器24。即，放大器32放大第二驱动信号80的电压，并且换能器24将第二驱动信号80的电能转换为机械能。
通过并入消除信号70，第二驱动信号80被具体设计为展现谐波信号44的减少。第二驱动信号80驱动换能器24以创建抵抗不希望的振动运动的力。该反作用力有效地消除了不希望的振动。实际上，由施加第二驱动信号80引起的谐波信号44的存在相对于由施加第一驱动信号40引起的谐波信号44的存在减少。更具体地，在施加第二驱动信号80之后谐波信号44在不期望的机械电流ix中的存在减少。换言之，在本文描述的示例中，在施加第二驱动信号80之后，在第二谐波频率43分量处的不期望的机械电流ix被最小化，从而最小化手持件电流iHP中的谐波失真。
在一些实施例中，控制台22被配置为在手术工具20的操作期间重复地生成消除信号70。例如，控制台22可以输出“n”个驱动信号(例如，第一，第二，第三驱动信号等等)并且采集由于施加每个“第n”个驱动信号而引起的谐波信号(如果存在的话)的特性。控制台22可以跟踪谐波失真并且在贯穿端部26的使用期间或贯穿手术流程中提供“n”个消除信号。在这种情况下，每个“第n个”驱动信号、每个“第n个”消除信号和每个所得到的谐波信号可以彼此不同。在一些实施例中，控制台22继续该过程直到控制台22确定谐波信号44处于适当的水平。例如，控制台22可以继续该过程，直到控制台22确定谐波信号44低于预定阈值(例如，谐波频率43分量的幅度小于基频41分量的幅度的5％)或直到谐波信号44被消除。
控制台22在尝试生成消除信号70或每个“第n个”消除信号中可以使用任何合适的方法来测量和跟踪谐波信号44水平。在一个示例中，控制台22使用针对Co的已知值来计算手持件电流iHP中的谐波频率43分量。当最小化为接近零时，电流ico至Co中的谐波频率43分量表示剩余的不希望的运动电流ix。
图15图示了在应用谐波消除方法12之后经修改的手持件电流iHP’和手持件电压VHP’的波形。相比于图5中的波形，谐波信号44对图15中的波形的影响大幅度减少。在施加第二驱动信号80之后，手持件电流iHP’的波形相对于手持件电压VHP’呈现最小的相移φ，因为基波驱动频率41分量明显不受谐波频率43分量的影响。此外，由于手持件电流iHP’和手持件电压VHP’仅主要表现出一个频率分量，即基波驱动频率41分量，因而波形基本上是正弦的。
图16和17图示了来自图15的修改的手持件电压VHP’和手持件电流iHP’的每个波形的相应快速傅立叶分析。与图6和图7比较，FFT分析揭示出基波驱动频率41分量(即25.5kHz)基本上不受来自谐波信号44(例如51kHz)的谐波频率43分量的影响。而且，51kHz处的谐波频率43分量的幅度减小。对于手持件电压VHP’，谐波频率43分量的幅度是由第一驱动信号40产生的谐波频率43分量的幅度的25％。对于手持件电流iHP，谐波频率43分量的幅度几乎被消除。
另外，由于机械电流im与端部26的机械位移有关，所以最小化手持件电流iHP中的失真可优先于最小化手持件电压VHP中的失真。因此，虽然与手持件电流的iHP相比手持件电压VHP中存在更多的失真，这两种波形在51kHz频率下展现出显著的改善。
此外，通过使用方法12控制谐波频率43分量，可能有实现端部26的非线性和双模式控制的机会。在本文提供的示例中，非线性行为是这样的，当以基波驱动频率41分量25.5kHz的电压正弦波驱动手术工具20时，手持件21和端部26组合地以谐波频率43分量51kHz振动。控制谐波频率43分量可以允许对端部26的动态控制，从而为外科医生提供对通常难以到达的身体区域的更多的访问。换言之，通过减少谐波信号41分量的负面影响，***10和方法12增加了通用性，以使用经常表现出谐波失真的各种类型和形状的超声工具和端部。***10和方法12还允许同时控制端部26的两个不同谐振模式以提高切割性能(例如双模式控制)。另外，虽然消除信号70减小了谐波信号44，但是消除信号70可以被配置为将附加频率分量引入到第二驱动信号80中以实现对工具20的双模式控制。
图19提供了展示控制手持件21和端部26组合的许多重要参数的显著改进的表格。例如，与施加第一驱动信号期间测量的手持件电压VHP和手持件电流iHP相比，在施加第二驱动信号80期间测量的手持件电压VHP’和手持件电流iHP’减少了22-23％。类似地，与施加第一驱动信号40期间测量的手持件21和端部26的阻抗相比，在施加第二驱动信号80期间测量的手持件21和端部26的阻抗减小了23％。明显，与施加第一驱动信号40期间相比，在施加第二驱动信号80期间测量的51kHz分量处的手持件电流iHP’的相对幅度实际上被消除，即减少了98.8％。此外，这个示例中，施加第二驱动信号80之后以51kHz存在的不希望的机械电流ix是3.4mA。这显著低于施加第一驱动信号40之后在51kHz处存在的不希望的机械电流ix(其为83mA)，由此示出不希望的振动的显著减少。
这些结果清楚地展示，***10和方法12有效地减少了谐波信号44的存在，从而减少了由于手术工具20的振动而发生的谐波失真。通过这样做，***10和方法12明显减小了手术工具20的阻抗，维持端部26的特定振动位移所需的功率和电压，端部26的加热，被发回到控制台22的能量以及谐波频率43分量。继而，***10和方法12大大地改善了手术工具20的组织切除性能。
在前面的描述中已经讨论了几个实施例。然而，本文中讨论的实施例不旨在是穷尽的或将本发明限制为任何特定的形式。已经使用的术语旨在是描述性词语的性质，而不是限制性的。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的，并且本发明可以以与具体描述不同的方式实施。
根据详细的说明，本发明的许多特征和优点是显而易见的，因此，目的是，随附权利要求旨在覆盖本发明的所有这些特征和优点，其落入本发明的真正精神和范围内。此外，由于本领域技术人员可以容易地进行各种修改和变化，因此不希望将本发明限制为所示出和描述的确切的构造和操作，并且因此可以采用落入本发明的范围内的所有适当的修改和等价方案。

Claims (15)

1.一种控制超声手术工具(20)以减少谐波信号(44)的存在的方法(12)，所述方法包括：
利用第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)；
采集由于利用所述第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述谐波信号(44)的特性；
基于所采集的所述谐波信号(44)的特性来生成消除信号(70)；
组合所述第一驱动信号(40)和所述消除信号(70)以产生第二驱动信号(80)，所述第二驱动信号(80)是正弦的；并且
利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)，使得由于利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述谐波信号(44)的存在相对于由于利用所述第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述谐波信号(44)的存在得以减少。
2.根据权利要求1所述的方法(12)，其中，采集所述谐波信号(44)的所述特性还被定义为生成与所述第一驱动信号(40)有关的电流和电压样本，其中，所述谐波信号(44)的所述特性存在于所生成的电流和电压样本中。
3.根据权利要求2所述的方法(12)，其中，采集所述谐波信号(44)的所述特性还被定义为分析所生成的电流和电压样本的快速傅立叶变换以确定所述谐波信号(44)的所述特性，所述特性是所述谐波信号(44)的频率、幅度和相位中的至少一个。
4.根据权利要求2和3中的任一项所述的方法(12)，其中，采集所述谐波信号(44)的所述特性还被定义为利用所生成的电流和电压样本来监测所述谐波信号(44)并且增加到所述超声手术工具(20)的机械电流直到所述谐波信号(44)的所述特性达到预定水平。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法(12)，其中，生成所述消除信号(70)还被定义为生成具有与所述谐波信号(44)的频率类似的频率和相对于所述谐波信号(44)的相位偏移180度的相位的所述消除信号(70)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法(12)，其中，生成所述消除信号(70)还被定义为生成幅度等于或大于所述谐波信号(44)的幅度的所述消除信号(70)。
7.根据权利要求6所述的方法(12)，其中，生成所述消除信号(70)还被定义为生成具有所述谐波信号(44)的幅度的两倍的幅度的所述消除信号(70)。
8.根据权利要求6和7中的任一项所述的方法(12)，其中，生成所述消除信号还被定义为调整所述消除信号(70)的所述幅度，监测调整所述消除信号(70)的幅度如何影响所述谐波信号(44)，并且选择相对于其他幅度对所述谐波信号(44)具有最大消除作用的所述消除信号(70)的幅度。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法(12)，还包括：
利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)；
采集由于利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)而引起的第二谐波信号的特性；
基于所采集的所述第二谐波信号的特性来生成第二消除信号；
组合所述第二驱动信号和所述第二消除信号以产生第三驱动信号，所述第三驱动信号是正弦的；并且
利用所述第三驱动信号来驱动所述超声手术工具(20)，使得由于利用所述第三驱动信号驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述第二谐波信号的存在相对于由于利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述第二谐波信号的存在得以减少。
10.一种用于控制超声手术工具(20)以减少谐波信号(44)的存在的控制台(22)，所述控制台(22)被配置为：
利用第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)；
采集由于将所述第一驱动信号(40)施加到所述超声手术工具(20)而引起的所述谐波信号(44)的特性；
基于所采集的所述谐波信号(44)的特性来生成消除信号(70)；
组合所述第一驱动信号(40)和所述消除信号(70)以产生第二驱动信号(80)，所述第二驱动信号(80)是正弦的；并且
利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)，使得由于施加所述第二驱动信号(80)而引起的所述谐波信号(44)的存在相对于由于施加所述第一驱动信号(40)而引起的所述谐波信号(44)的存在得以减小。
11.根据权利要求10所述的控制台(22)，还被配置为通过生成与所述第一驱动信号(40)有关的电流和电压样本来采集所述谐波信号(44)的所述特性，其中，所述谐波信号(44)的所述特性存在于所生成的电流和电压样本中。
12.根据权利要求10和11中的任一项所述的控制台(22)，还被配置为通过分析所生成的电流和电压样本的快速傅立叶变换来采集所述谐波信号(44)的所述特性以确定所述谐波信号(44)的所述特性，所述特性是所述谐波信号(44)的频率、幅度和相位中的至少一个。
13.根据权利要求10所述的控制台(22)，其中，所述控制台(22)还被配置为通过以下操作来生成所述消除信号(70)：调整所述消除信号(70)的幅度，并且监测调整所述消除信号(70)的所述幅度如何影响所述谐波信号(44)，并且选择相对于其他幅度对所述谐波信号(44)具有最大消除效果的所述消除信号(70)的幅度。
14.根据权利要求10-13中的任一项所述的控制台(22)，还被配置为：
利用所述第二驱动信号(80)驱动所述超声手术工具(20)；
采集由于将所述第二驱动信号(80)施加到所述超声手术工具(20)而引起的第二谐波信号的特性；
基于所述第二谐波信号的特性来生成第二消除信号；
组合所述第二驱动信号(80)和所述第二消除信号以生成第三驱动信号，所述第三驱动信号是正弦的；并且
将所述第三驱动信号施加到所述超声手术工具(20)，使得由于施加所述第三驱动信号而引起的所述第二谐波信号的存在相对于由于施加所述第二驱动信号(80)而引起的所述第二谐波信号的存在得以减小。
15.一种控制超声手术工具(20)以减少谐波信号(44)的存在的方法(12)，所述谐波信号(44)包括频率、相位和幅度，所述方法(12)包括：
利用第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)；
采集由于利用所述第一驱动信号(40)驱动所述超声手术工具(20)而引起的所述谐波信号(44)的特性；
生成消除信号(70)，所述消除信号具有类似于所述谐波信号(44)的频率的频率和相对于所述谐波信号(44)的相位偏移180度的相位以及等于或大于所述谐波信号(44)的幅度；并且
输出第二驱动信号(80)来驱动所述超声手术工具(20)，其中，所述第二驱动信号(80)是正弦并且基于所述第一驱动信号(40)和所述消除信号(70)的组合。
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