JP6438695B2 - 電気外科用発電機 - Google Patents

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Description

背景
技術分野
本開示は、電気外科用発電機に関する。より詳しくは、本開示は、一定電源を生み出すために、非線形制御電流での電流プログラム制御を利用する電気外科用発電機に関する。
関連技術の背景
電気外科は、組織を切断、切除、または凝固させるために、外科術部位への高無線周波数電流の印加を含む。単極（ｍｏｎｏｐｏｌａｒ）電気外科において、ソース電極または活性電極は、無線周波数交流を電気外科用発電機から標的組織に送達する。患者のリターン電極は、電流を発電機に伝導し戻すために活性電極から離れて置かれる。
双極（ｂｉｐｏｌａｒ）電気外科において、リターン電極および活性電極は、２つの電極（例えば、電気外科用鉗子の場合）間に電気回路が形成されるように互いに極めて接近して置かれる。この態様において、印加される電流は、電極間に位置決めされる身体組織に限定される。従って、双極電気外科は、一般に、器具の使用を含み、器具（例えば、鉗子など）に位置決めされている２つの電極間での電気外科用エネルギーの集中した送達を達成することが所望される。鉗子は、脈管または組織を把持し、締め付け、圧縮するために、その顎の間の機械的作用に依存するプライヤー様の器具である。電気外科用鉗子（開放または内視鏡）は、締め付けられた組織における止血を達成するために、機械的締め付け動作および電気エネルギーを利用する。鉗子は、電気外科用エネルギーを締め付けられた組織に印加する電気外科用伝導性表面を含む。伝導性プレートを通して組織に印加される電気外科用エネルギーの強度、周波数および持続時間を制御することによって、外科医は、組織を凝固、焼灼、および／または密封することができる。しかし、上の例は、例示目的のためのみであり、他の多くの公知の双極電気外科用器具が存在し、それらは、本開示の範囲内である。
上に概説された電気外科手順は、フィードバックベースの制御システムにおいて様々な組織パラメーターおよびエネルギーパラメーターを利用し得る。組織へのエネルギーの送達を改善する引き続きの必要性が存在する。
概要
認識され得るように、一定電源を生み出すために、非線形制御電流での電流プログラム制御を利用する電気外科用発電機は、外科手術場面において、有用であり得る。
本開示の局面は、電気外科用発電機を提供し、この電気外科用発電機は、ＤＣ波形および非線形搬送制御電流を出力するように構成されている１つ以上のコンバーターを含む。１つ以上のブーストインバーターは、コンバーターに連結されており、ＤＣ波形を変換して、少なくとも１つの電気外科波形を発生させるように構成されている。１つ以上のインダクターは、コンバーターおよびブーストインバーターと直列で接続されている。インダクターは、インダクター電流を出力するように構成されている。１つ以上のコントローラーは、コンバーターおよびブーストインバーターに連結されており、インダクター電流と非線形制御電流との比較に基づいて、少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルのパルス持続時間を制御することによって、インダクター電流を所定の値に維持するように構成されている。
コンバーターは、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーター、ＤＣ−ＤＣバックスクエアード（ｂｕｃｋ−ｓｑｕａｒｅｄ）コンバーター、およびＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーターが挙げられるが、これらに限定されないＤＣ−ＤＣコンバーターであり得る。さらに、ブーストインバーターは、ＤＣ−ＡＣブーストインバーターであり得る。コンバーターおよび／またはブーストインバーターは、Ｈ−ブリッジトポロジーにおいて配置されている複数の切換え要素を含み得る。
コントローラーは、コンバーターのデューティサイクルおよびブーストインバーターのデューティサイクルを調整することにより、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている。コンバーターは、コンバーターのデューティサイクルにおいて動作させられる１つ以上の第１の切換え要素を含み得、ブーストインバーターは、ブーストインバーターの第２のデューティサイクルにおいて動作させられる１つ以上の第２の切換え要素を含み得る。コントローラーは、電流プログラムモードにおいて、コンバーターを制御し、かつ、ブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電流モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成され得る。あるいは、コントローラーは、非線形搬送制御モードにおいて、コンバーターを制御し、かつ、ブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成され得る。非線形搬送制御モードにおいて、コントローラーは、ＤＣ波形の各サイクルの経過時間と期間の長さとの比に基づいて、セットポイント電流を計算する。
コントローラーは、電流プログラムモードにおいて、ブーストインバーターを制御し、かつ、コンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成され得る。コントローラーは、コンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持し、かつ、ブーストインバーターのデューティサイクルを１００％未満に維持することにより、一定電圧モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成され得る。コントローラーは、少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを調整して、少なくとも１つの電気外科波形の電力を制御するように構成され得る。
コントローラーは、少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルに基づいて、一定電流モード、一定電圧モード、および一定電力モードの間で少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成され得る。あるいは、コントローラーは、電気外科用発電機の変圧器の一次巻線の電圧およびインダクター電流をモニタリングすることによって、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードの間で少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成され得る。
本開示の局面は、電気外科用発電機を制御する方法を提供する。最初に、少なくとも１つのコンバーターからＤＣ波形および非線形搬送制御電流が出力され得る。その後、ブーストインバーターは、ＤＣ波形を変換して、少なくとも１つの電気外科波形を発生させるように利用され得る。その後、インダクター電流は、コンバーターおよびブーストインバーターと直列で接続されている１つ以上のインダクターから出力され得る。インダクター電流は、インダクター電流と非線形制御電流との比較に基づいて、コンバーターのデューティサイクルのパルス持続時間を制御することによって、所定の値に維持される。
ＤＣ−ＤＣバックコンバーター、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーター、ＤＣ−ＤＣバックスクエアードコンバーター、およびＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーターは、コンバーターのために利用され得る。さらに、ＤＣ−ＡＣブーストインバーターは、コンバーターのために利用され得る。コンバーターおよびブーストインバーターは、Ｈ−ブリッジトポロジーにおいて配置されている複数の切換え要素を備え得る。
コンバーターのデューティサイクルおよびブーストインバーターのデューティサイクルは、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように調整され得る。
コンバーターは、コンバーターのデューティサイクルにおいて動作させられる１つ以上の第１の切換え要素を備え得る。ブーストインバーターは、少なくとも１つのブーストインバーターの第２のデューティサイクルにおいて動作させられる１つ以上の第２の切換え要素を備え得る。
コンバーターは、電流プログラムモードにおいて制御され得、ブーストインバーターのデューティサイクルは、約１００％に維持されることにより、一定電流モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させ得る。
コンバーターは、非線形搬送制御モードにおいて制御され得、ブーストインバーターのデューティサイクルは、約１００％に維持されることにより、一定電力モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させ得る。非線形搬送制御モードにおいて、セットポイント電流は、ＤＣ波形の各サイクルの経過時間と期間の長さとの比に基づいて計算される。
コンバーターは、電流プログラムモードにおいて制御され得、コンバーターのデューティサイクルは、約１００％に維持されることにより、一定電力モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させ得る。コンバーターのデューティサイクルは、約１００％に維持され得、ブーストインバーターのデューティサイクルは、１００％未満に維持されることにより、一定電圧モードにおいて少なくとも１つの電気外科波形を動作させ得る。
少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルは、少なくとも１つの電気外科波形の電力を制御するために調整され得る。少なくとも１つの電気外科波形の動作は、少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルに基づいて、一定電流モード、一定電圧モード、および一定電力モードの間で切換えられ得る。あるいは、少なくとも１つの電気外科波形の動作は、電気外科用発電機の変圧器の一次巻線の電圧およびインダクター電流をモニタリングすることによって、一定電流モード、一定電圧モード、および一定電力モードの間で切換えられ得る。
本発明は、例えば以下の項目を提供する。
（項目１）
電気外科用発電機であって、該電気外科用発電機は、
ＤＣ波形および非線形搬送制御電流を出力するように構成されている少なくとも１つのコンバーターと、
該少なくとも１つのコンバーターに連結されている少なくとも１つのブーストインバーターであって、該少なくとも１つのブーストインバーターは、該ＤＣ波形を変換して、少なくとも１つの電気外科波形を発生させるように構成されている、少なくとも１つのブーストインバーターと、
該少なくとも１つのコンバーターおよび少なくとも１つのブーストインバーターと直列で接続されている少なくとも１つのインダクターであって、該少なくとも１つのインダクターは、インダクター電流を出力するように構成されている、少なくとも１つのインダクターと、
該少なくとも１つのコンバーターおよび該少なくとも１つのブーストインバーターに連結されている少なくとも１つのコントローラーであって、該少なくとも１つのコントローラーは、インダクター電流と該非線形制御電流との比較に基づいて、該少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルのパルス持続時間を制御することによって、該インダクター電流を所定の値に維持するように構成されている、少なくとも１つのコントローラーと
を含む、電気外科用発電機。
（項目２）
上記少なくとも１つのコンバーターは、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーター、ＤＣ−ＤＣバックスクエアードコンバーター、およびＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーターからなる群から選択されるＤＣ−ＤＣコンバーターであり、上記少なくとも１つのブーストインバーターは、ＤＣ−ＡＣブーストインバーターである、上記項目に記載の電気外科用発電機。
（項目３）
上記少なくとも１つのコンバーターおよび少なくとも１つのブーストインバーターは、Ｈ−ブリッジトポロジーにおいて配置されている複数の切換え要素を含む、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目４）
上記少なくとも１つのコントローラーは、上記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルおよび上記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを調整することにより、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つにおいて上記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目５）
上記少なくとも１つのコンバーターは、該少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルにおいて動作させられる少なくとも１つの第１の切換え要素を含み、上記少なくとも１つのブーストインバーターは、該少なくとも１つのブーストインバーターの第２のデューティサイクルにおいて動作させられる少なくとも１つの第２の切換え要素を含む、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目６）
上記少なくとも１つのコントローラーは、電流プログラムモードにおいて、上記少なくとも１つのコンバーターを制御し、かつ、上記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電流モードにおいて上記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目７）
上記少なくとも１つのコントローラーは、非線形搬送制御モードにおいて、上記少なくとも１つのコンバーターを制御し、かつ、上記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて上記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目８）
上記非線形搬送制御モードにおいて、上記少なくとも１つのコントローラーは、上記ＤＣ波形の各サイクルの経過時間と期間の長さとの比に基づいて、セットポイント電流を計算する、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目９）
上記少なくとも１つのコントローラーは、電流プログラムモードにおいて、上記少なくとも１つのブーストインバーターを制御し、かつ、上記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて上記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目１０）
上記少なくとも１つのコントローラーは、上記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持し、かつ、上記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを１００％未満に維持することにより、一定電圧モードにおいて上記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目１１）
上記少なくとも１つのコントローラーは、上記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを調整して、上記少なくとも１つの電気外科波形の電力を制御するように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目１２）
上記少なくとも１つのコントローラーは、上記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルに基づいて、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つの間で上記少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（項目１３）
上記少なくとも１つのコントローラーは、上記電気外科用発電機の変圧器の一次巻線の電圧および上記インダクター電流をモニタリングすることによって、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つの間で上記少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成されている、上記項目のうちのいずれか一項に記載の電気外科用発電機。
（摘要）
電気外科用発電機が提供される。電気外科用発電機は、ＤＣ波形および非線形搬送制御電流を出力するように構成されている少なくとも１つのコンバーターを含む。少なくとも１つのブーストインバーターは、少なくとも１つのコンバーターに連結されており、ＤＣ波形を変換して、少なくとも１つの電気外科波形を発生させるように構成されている。少なくとも１つのインダクターは、少なくとも１つのコンバーターおよび少なくとも１つのブーストインバーターと直列で接続されており、インダクター電流を出力するように構成されている。コントローラーは、少なくとも１つのコンバーターおよび少なくとも１つのブーストインバーターに連結されており、インダクター電流と非線形制御電流との比較に基づいて、少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルのパルス持続時間を制御することによって、インダクター電流を所定の値に維持するように構成されている。
本開示の様々な実施形態は、本明細書中で図面を参照して記載される。
図１は、本開示に従う、電気外科システムの１つの例示的実施形態の構成要素の斜視図である。 図２は、本開示に従う、電気外科用発電機の１つの実施形態の正面図である。 図３は、本開示に従う、図２の電気外科用発電機の実施形態の概略的ブロック線図である。 図４は、本開示に従う、図２の電気外科用発電機のＤＣ−ＤＣコンバーターおよびＤＣ−ＡＣインバーターの概略的ブロック線図である。 図５は、本開示に従う、所望の出力特性の図式描写である。 図６は、本開示に従う、インピーダンスの関数としての、図２の発電機のＤＣ−ＤＣバックコンバーターのデューティサイクルの図式描写である。 図７は、本開示に従う、ＤＣ−ＤＣバックコンバーターのデューティサイクルの関数としての波高因子の図式描写である。 図８は、本開示に従う、ＤＣ−ＤＣバックコンバーターによって出力される非改変波形の図式描写である。 図９は、本開示に従う、ＤＣ−ＤＣバックコンバーターによって出力される改変波形の図式描写である。
詳細な説明
本開示の特定の実施形態は、添付の図面を参照して、以下に記載される。以下の記載において、周知の機能または構築は、本開示を不必要な詳細で不明瞭にすることを避けるために詳細に記載されない。
本開示に従う発電機は、単極電気外科手順および／または双極電気外科手順（例えば、切断、凝固、切除、および脈管密封の手順が挙げられる）を実施し得る。発電機は、様々な電気外科用器具（例えば、単極器具、リターン電極、双極電気外科用鉗子、フットスイッチなど）との相互作用のための複数の出力を含み得る。さらに、発電機は、電子回路網を含み、この電子回路網は、様々な電気外科用モード（例えば、切断、ブレンド、凝固、止血を伴う分割、高周波療法、スプレーなど）および手順（例えば、単極、双極、脈管密封）に特に適している無線周波数エネルギーを発生させるように構成されている。実施形態において、発電機は、埋め込まれ得るか、統合され得るか、または他の方法で電気外科用器具に連結され得、オールインワンの電気外科用装置を提供する。
図１は、本開示に従う、双極および単極電気外科システム１０の概略的例示である。システム１０は、患者の組織を処置するための１つ以上の活性電極１４（例えば、電気外科用切断プローブ、切除電極（複数可）など）を有する１つ以上の単極電気外科用器具１２を含み得る。電気外科用交流は、発電機２００の活性端子２３０（図３）に接続されている供給ライン１６を介して、発電機２００によって器具１２に供給され、器具１２が、組織を切断、凝固、切除および／または他の方法で電気外科的に処置することを可能にする。交流は、発電機２００のリターン端子２３２（図３）において、リターンライン２０を介して、リターン電極パッド１８を通って発電機２００に戻る。単極動作について、システム１０は、複数のリターン電極パッド１８を含み得、複数のリターン電極パッド１８は、患者との全体の接触領域を最大にすることにより組織損傷の可能性を最小にするために、使用において、患者に配置される。さらに、発電機２００およびリターン電極パッド１８は、組織と患者との間に十分な接触が存在することを確実にするために、組織対患者の接触をモニタリングするために構成され得る。
システム１０は、１つ以上の双極電気外科用器具（例えば、双極電気外科用鉗子２２）も含み得、１つ以上の双極電気外科用器具は、患者の組織を処置するための１つ以上の電極を有する。電気外科用鉗子２２は、ハウジング２４と、シャフト３０の遠位端に配置されている対向する顎部材２６および２８とを含む。顎部材２６および２８は、それらの中にそれぞれ配置されている１つ以上の活性電極３２およびリターン電極３４を有する。活性電極３２およびリターン電極３４は、ケーブル３６を通して発電機２００に接続され、このケーブル３６は、活性端子２３０およびリターン端子２３２（図３）にそれぞれ連結されている供給ライン３８およびリターンライン４０を含む。電気外科用鉗子２２は、ケーブル３６の端に配置されているプラグを介してコネクターにおいて発電機２００に連結されており、このコネクターは、活性端子２３０およびリターン端子２３２（例えば、ピン）への接続を有し、プラグは、より詳細に下に記載されるように、供給ライン３８およびリターンライン４０からの接点を含む。
図２を参照すると、発電機２００の正面２４０が示されている。発電機２００は、任意の適切なタイプ（例えば、電気外科用、マイクロ波など）であり得、様々なタイプの電気外科用器具（例えば、電気外科用鉗子２２など）を適応させるために、複数のコネクター２５０〜２６２を含み得る。
発電機２００は、ユーザーに多様な出力情報（例えば、強度設定、処置完了インジケーターなど）を提供するために、１つ以上のディスプレースクリーンまたは情報パネル２４２、２４４、２４６を有するユーザーインターフェイス２４１を含む。スクリーン２４２、２４４、２４６の各々は、対応するコネクター２５０〜２６２に関連付けられている。発電機２００は、発電機２００を制御するために、適切な入力制御装置（例えば、ボタン、アクチベータ、スイッチ、タッチスクリーンなど）を含む。ディスプレースクリーン２４２、２４４、２４６は、電気外科用器具（例えば、電気外科用鉗子２２など）について、対応するメニューを表示するタッチスクリーンとしても構成される。そして、ユーザーは、対応するメニューオプションを単にタッチすることによって、入力を調整する。
スクリーン２４２は、単極出力、ならびにコネクター２５０および２５２に接続されているデバイスを制御する。コネクター２５０は、単極電気外科用器具（例えば、電気外科用器具１２）に連結するように構成され、コネクター２５２は、フットスイッチ（示されない）に連結するように構成されている。フットスイッチは、さらなる入力（例えば、発電機２００の複製入力）を提供する。スクリーン２４４は、単極および双極出力、ならびにコネクター２５６および２５８に接続されているデバイスを制御する。コネクター２５６は、他の単極器具に連結するように構成されている。コネクター２５８は、他の双極器具（示されない）に連結するように構成されている。
スクリーン２４６は、コネクター２６０および２６２に差し込まれ得る鉗子１０によって実施される双極密封手順を制御する。発電機２００は、コネクター２６０および２６２を通して、鉗子１０によって把持される組織を密封するのに適したエネルギーを出力する。特に、スクリーン２４６は、ユーザーがユーザー定義の強度設定を入力することを可能にするユーザーインターフェイスを出力する。ユーザー定義の設定は、ユーザーが１つ以上のエネルギー送達パラメーター（例えば、電力、電流、電圧、エネルギーなど）、または密封パラメーター（例えば、エネルギー率リミッター、密封持続時間など）を調整することを可能にする任意の設定であり得る。ユーザー定義の設定は、コントローラー２２４に伝送され、このコントローラー２２４において、設定がメモリー２２６に記録され得る。実施形態において、強度設定は、数目盛であり得る（例えば、１〜１０または１〜５など）。実施形態において、強度設定は、発電機２００の出力曲線と関連付けられ得る。強度設定は、利用される各鉗子２２に特定的であり得、その結果、様々な器具は、鉗子２２に対応する特定の強度目盛をユーザーに提供する。
図３は、電気外科用エネルギーを出力するように構成されている発電機２００の概略的ブロック線図を示している。発電機２００は、コントローラー２２４と、電源２２７と、無線周波数（ＲＦ）増幅器２２８とを含む。電源２２７は、ＡＣ源（例えば、線間電圧）に接続されている高電圧ＤＣ電源であり得、電源２２７は、高電圧ＤＣ電力を、リード２２７ａおよび２２７ｂを介してＲＦ増幅器２２８に提供し、ＲＦ増幅器２２８は、次に、高電圧ＤＣ電力を処置エネルギー（例えば、電気外科用、またはマイクロ波）に変換し、エネルギーを活性端子２３０に送達する。エネルギーは、リターン端子２３２を介してそこに戻される。活性端子２３０およびリターン端子２３２は、絶縁変圧器２２９を通ってＲＦ増幅器２２８に連結されている。ＲＦ増幅器２２８は、複数のモードにおいて動作するように構成され、その間、発電機２００は、特定のデューティサイクル、ピーク電圧、波高因子などを有する対応する波形を出力する。他の実施形態において、発電機２００は、他のタイプの適切な電源トポロジーに基づく場合がある。
コントローラー２２４は、メモリー２２６に動作可能に連結されているプロセッサー２２５を含み、このメモリー２２６は、一時的なタイプのメモリー（例えば、ＲＡＭ）および／または一時的ではないタイプのメモリー（例えば、フラッシュ媒体、ディスク媒体など）を含み得る。プロセッサー２２５は、電源２２７および／またはＲＦ増幅器２２８に動作可能に連結されている出力ポートを含み、プロセッサー２２５が開制御ループスキームおよび／または閉制御ループスキームのいずれかに従って、発電機２００の出力を制御することを可能にする。閉ループ制御スキームは、複数のセンサーが、多様な組織およびエネルギー特性（例えば、組織インピーダンス、組織温度、出力パワー、電流、および／または電圧など）を測定するフィードバック制御ループであり、コントローラー２２４にフィードバックを提供する。コントローラー２２４は、次に、電源２２７および／またはＲＦ増幅器２２８に信号を送り、ＤＣおよび／または電源をそれぞれ調整する。当業者は、プロセッサー２２５が、本明細書中に記載される計算および／または一連の命令を実施するように適合されている任意の論理プロセッサー（例えば、制御回路）を用いることによって、取って代わられ得ることを認識し、それには、現場でプログラム可能なゲートアレイ、デジタル信号プロセッサー、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
発電機２００は、複数のセンサー２８０（例えば、ＲＦ電流センサー２８０ａ、およびＲＦ電圧センサー２８０ｂ）を含み得る。発電機２００の様々な構成要素、すなわち、ＲＦ増幅器２２８、ＲＦ電流センサー２８０ａ、およびＲＦ電圧センサー２８０ｂは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置され得る。ＲＦ電流センサー２８０ａは、活性端子２３０に連結され、ＲＦ増幅器２２８によって供給されるＲＦ電流の測定値を提供する。ＲＦ電圧センサー２８０ｂは、活性端子２３０およびリターン端子２３２に連結され、ＲＦ増幅器２２８によって供給されるＲＦ電圧の測定値を提供する。実施形態において、ＲＦ電流センサー２８０ａおよびＲＦ電圧センサー２８０ｂは、活性リード２２８ａおよびリターンリード２２８ｂに連結され得、活性リード２２８ａおよびリターンリード２２８ｂは、それぞれ、活性端子２３０およびリターン端子２３２をＲＦ増幅器２２８に相互接続する。
ＲＦ電流センサー２８０ａおよびＲＦ電圧センサー２８０ｂは、それぞれ、感知されたＲＦ電圧信号およびＲＦ電流信号をコントローラー２２４に提供し、コントローラー２２４は、次に、感知されたＲＦ電圧信号およびＲＦ電流信号に応答して電源２２７および／またはＲＦ増幅器２２８の出力を調整し得る。コントローラー２２４はまた、発電機２００、器具１２および／または鉗子２２の入力制御装置からの入力信号を受け取る。コントローラー２２４は、入力信号を利用して、発電機２００によって出力される電力を調整し、および／または発電機２００における他の制御機能を実施する。
図４は、発電機２００の別の実施形態を示しており、この発電機２００は、発電機２００の所望のＡＣ出力を維持するために、近デッドビート制御で動作するように構成されている。本明細書中で用いられる場合、用語「デッドビート」または「近デッドビート」は、波形の約１サイクル〜約１００サイクル、特定の実施形態において、約１０サイクル〜約２５サイクルの出力に対して、発電機２００によってなされる調整を指す。サイクルという用語は、正および負の半周期を有する電気外科の交互する波形の一周期を指す。本開示に従う発電機２００は、約１００ｋＨｚ〜約１，０００ｋＨｚ、特定の実施形態において、約２００ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚの動作周波数を有し得、従って、１００ｋＨｚの所定の周波数において動作する発電機２００は、１秒当たり１００，０００サイクルを有する波形を出力する。出力に対する調整は、同じ周波数（例えば、電気外科波形の１サイクル）、または約０．１の倍数（例えば、電気外科波形１０サイクル毎）でなされ得る。本開示の実施形態に従って、近デッドビート制御は、所望の量の電力のみが電気外科用器具に送達されることを確実にすることによって、故意でない炭化を最小にする。先行技術の発電機において、負荷インピーダンスの変化に対するコンバーターの遅い過渡的応答は、５００サイクル以上について検出されない場合がある電力の過度な送達をもたらし得る。
発電機２００はまた、一定電圧制限モード、一定電流制限モード、一定電力モード、およびそれらの組み合わせのうちの任意のものにおいて動作するように構成されている。モード選択は、一般に、切断される組織と関連付けられるインピーダンスに基づく。異なるタイプの組織（例えば、筋肉および脂肪）は、異なるインピーダンスを有する。電気外科手術に関して、一定電力出力は、組織を均一に蒸発させる傾向があり、清潔な切開をもたらす。一方、一定電圧出力は、組織を爆発的に蒸発させるか、または炭化させる（「黒い凝固」）傾向にあり、一定電流出力は、蒸発させることなく、組織を熱により凝固させる（「白い凝固」）傾向にある。炭化は、外科医が表面組織を迅速に壊すことを望む場合、外科手術的に有用であり、熱凝固は、肝臓またはリンパの管を密封して閉じるために、機械的圧力といつも合わされる。しかし、外科医は、一般に、一定電力出力を用いて操作することを望み、重要なことには、偏りが存在する場合、できるだけ速く一定電力出力を用いることに戻ることを望む。
発電機２００のＡＣ出力に関して、実施形態において、「一定電力」は、各切換えサイクルにおいて送達される平均電力が実質的に一定であることを意味するように定義される。同様に、「一定電圧」および「一定電流」は、ＡＣ電圧または電流の平方自乗平均（ＲＭＳ）値が実質的に固定された値にそれぞれ調節されているモードとして定義される。所望の出力特性の図式描写が、図５に例示されている。図５に示されるように、負荷インピーダンスが増大する場合、電圧が増大し、対応する出力電圧の増大は、領域Ａとして示されている一定電流モードから、領域Ｂとして示されている一定電力モードおよび領域Ｃとして示されている一定電圧モードへの遷移を引き起こす。同様に、負荷インピーダンスが減少し、電流が増大する場合、対応する出力電圧の減少は、一定電圧領域Ｃから一定電力領域Ｂへ、および一定電流領域Ａへの逆の遷移を引き起こす。
図４を再び参照すると、発電機２００は、１つ以上の適切なコンバーター１００を含む。実施形態において、例えば、発電機２００は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａと、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーター１００ｂと、ＤＣ−ＤＣバックスクエアードコンバーター１００ｃと、ＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーター１００ｄ（または出力と直列でのインダクターを含む任意の他のクラスのＤＣ−ＤＣコンバーター）とを含み得る。そうでないと言及されない限り、例示の目的のために、発電機２００は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａとの使用に関して本明細書中に記載される。
ＤＣ−ＤＣバックコンバーターの他に、発電機２００は、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２と、インダクター１０３と、変圧器１０４と、コントローラー２２４とを含む。実施形態において、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａ（または他の前述のコンバーター）およびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、ＲＦ出力ステージ２２８の一部である。例示される実施形態において、ＤＣ電圧源Ｖｇ（例えば、電源２２７）は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａに接続されている。さらに、インダクター１０３は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａとＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２との間に電気的に連結されている。ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の出力は、変圧器１０４の一次巻線に電力を伝送し、それは、変圧器１０４の二次巻線を通って負荷Ｚ（例えば、処置される組織）に伝わる。
ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、切換え要素１０１ａを含み、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、Ｈ−ブリッジトポロジーにおいて配置されている複数の切換え要素１０２ａ〜１０２ｄを含む。実施形態において、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、任意の適切なトポロジーに従って構成され得、それには、半ブリッジ、フルブリッジ、プッシュプルなどが挙げられるが、これらに限定されない。適切な切換え要素は、電圧制御型デバイス（例えば、トランジスター、電界効果トランジスター（ＦＥＴ）、それらの組み合わせなど）を含む。例示される実施形態において、コントローラー２２４は、切換え要素１０１ａおよび１０２ａ〜１０２ｄを介してＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の両方とそれぞれ通信している。コントローラー２２４は、電圧モードコントローラー１１２に関してさらに詳細に下に記載されるように、パルス幅変調信号であり得る制御信号を、切換え要素１０１ａおよび１０２ａ〜１０２ｄに出力するように構成されている。特に、コントローラー２２４は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａの切換え要素１０１ａに供給される制御信号のデューティサイクルｄ１、およびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の切換え要素１０２ａ〜１０２ｄに供給される制御信号のデューティサイクルｄ２を制御するように構成されている。さらに、コントローラー２２４は、発電機２００の電力特性を測定し、測定される電力特性に少なくとも部分的に基づいて、発電機２００を制御するように構成されている。測定される電力特性の例は、インダクター１０３を通る電流およびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の出力における電圧を含む。例示される実施形態において、コントローラー２２４は、各サイクルについて、インダクター電流と非線形搬送制御電流との比較に基づいて、デューティサイクルｄ１を生み出すことによってバックコンバーター１００ａを制御する。
本開示に従って、コントローラー２２４は、電流モードコントローラー１１１と、電圧モードコントローラー１１２と、モード選択機１１３と、舵取り論理１１４とを含む。モード選択機１１３は、発電機２００の所望の動作モードを決定するために、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）とインダクター電流ｉＬ（ｔ）とを比較して制限を設定する。動作モードは、図５に例示されるように、一定（または最大）電流Ｉｍａｘ（例えば、一定電流領域Ａ）、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａからの一定電力Ｐ１、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２からの一定電力Ｐ２（例えば、一定電力領域Ｂ）、もしくは一定（または最大）電圧Ｖｍａｘ（例えば、一定電圧領域Ｃ）の動作モード、またはそれらの組み合わせであり得る。モード選択機１１３の出力選択は、舵取り論理１１４に通信される。例示される実施形態において、舵取り論理１１４は、電流モードコントローラー１１１および電圧モードコントローラー１１２のうちの少なくとも１つのうちのどれが使用可能にされるかを制御する。さらに、舵取り論理１１４は、どの変換ステージが電流モードコントローラー１１１および／または電圧モードコントローラー１１２の出力を受け取るかを選択する。
実施形態において、舵取り論理１１４は、所望の出力特性のどの部分が生じさせられているかに依存して、一定電力のために、電流モード制御により、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａ（および／または他の前述のコンバーター）を動作させること、またはＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２を動作させることのいずれかに切換える。電圧モードコントローラー１１２および／または電流モードコントローラー１１１は、電流モード制御に対して、デューティサイクルｄ１および／またはｄ２を調整する。さらに、舵取り論理１１４は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよび／またはＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の各々が受け取るデューティサイクルを選択する。
電流モードコントローラー１１１は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）を非線形搬送制御電流ｉＣ（ｔ）（例えば、所望の設定点電流）と比較する。例示される実施形態において、非線形搬送制御電流ｉＣは、Ｐｓｅｔ（例えば、所望の電力設定点）の選択によって設定され、それはユーザーによってなされ得るか、またはルックアップ表によって提供され得る。例示される実施形態において、電流モードコントローラー１１１は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）を電流制限信号（Ｉ）または電力制限信号（Ｐ１）のいずれかと比較するために、ラッチ回路を使用する。ラッチ回路のための制御信号は、舵取り論理１１４から通信されるモード信号である。ラッチ回路の入力は、クロック信号と、電流制限信号（Ｉ）または電力制限信号（Ｐ１）とのいずれかである。電流モードコントローラー１１１の出力の選択は、発電機２００の電流モードに応答しているものである。発電機２００の動作モードは、モード選択機１１３によって通信され得る。切換え波形ｄ（ｔ）は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）が非線形搬送制御電流ｉＣ（ｔ）よりも低い場合、切換え期間の開始において、「高」に切換えられる。さらに、切換え波形ｄ（ｔ）は、非線形搬送制御電流ｉＣ（ｔ）を超えるインダクター電流ｉＬ（ｔ）に応答して「低」に切換えられる。換言すると、非線形搬送制御電流ｉＣ（ｔ）に対するインダクター電流ｉＬ（ｔ）の比較は、前に記載されるように、バックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１のパルス持続時間を調整することを容易にする。
一定電流を発電機２００から発生させ、制御するために、インダクター電流ｉＬ（ｔ）の平均値は、固定された制御電流制限Ｋ＊Ｐｓｅｔと実質的に等しいものであるように設定される。小さいインダクター電流リップル、換言するとΔｉＬ＜＜ＩＬについて、電流モードコントローラーは、インダクター電流ｉＬ（ｔ）をおおよそ一定の値に調節し、それは、固定された制御電流制限と実質的に等しい。実施形態において、電流モードコントローラー１１１は、約１サイクル〜約１００サイクル内、実施形態において、約２サイクル〜約２０サイクル内、さらなる実施形態において、約３サイクル〜約１０サイクル内に電流を調整することによって、おおよそ一定の値のインダクター電流ｉＬ（ｔ）を維持することをができる。この低サイクル調整は、上に記載されるように、近デッドビートまたはデッドビート制御を提供する。
図４を続けて参照すると、コントローラー２２４の電圧モードコントローラー１１２は、コンパレーター１２１と、補償器１２２と、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１２３とを含む。電圧モードコントローラー１１２は、コンパレーター１２１において、出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）を参照電圧Ｖｍａｘと比較する。コンパレーター１２１の出力は、補償器１２２に通信され、補償器１２２は、次に、ＰＷＭ１２３を駆動するエラー信号を出力する。補償器１２２の出力は、ＰＷＭ１２３を通過し、ＰＷＭ１２３は、特定のモードにおける信号のデューティサイクルｄ２を設定する。
さらに、モード選択機１１３は、エンコーダーを含み、複数の比較を実施する。特に、図５に関して、モード選択機１１３は、発電機２００が一定電流出力領域（Ａ）、一定電力出力領域（Ｂ）の領域Ｐ１、一定電力出力領域（Ｂ）の領域Ｐ２、または一定電圧出力領域（Ｃ）において動作しているかどうかを決定するために、電圧比較信号および電流比較信号を使用する。さらに、モード選択機１１３からの出力モード信号は、舵取り論理１１４におけるスイッチ位置を制御する。出力電圧Ｖｏｕｔ（ｔ）が第１の電圧制限Ｖｌｉｍｉｔ＿１、第２の電圧制限Ｖｌｉｍｉｔ＿２、および第３の電圧制限Ｖｌｉｍｉｔ＿３を超える場合、エンコーダーは、一定電圧モードを選択する。モード選択機１１３からの一定電圧モード信号は、舵取り論理１１４のスイッチの位置を、図５および下の表１に例示されるような「Ｖ」位置にし、表１は、動作モードによるＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルを示している。認識され得るように、以下の動作モードはまた、他の前述のコンバーターとともに利用され得る。
様々な代替の実施形態において、動作モードの選択は、デューティサイクルに部分的に基づく。例えば、発電機２００がＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａを用いて一定電力モードで動作しており、デューティサイクルが１００％活性（または、例えば、１００％未満の任意の固定されたデューティサイクル）に到達した場合、コントローラー２２４は、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２を用いて、一定電力領域Ａに切換えるように構成され得る。ブーストインバーターへの切換えは、発電機２００がより高い範囲のインピーダンスにわたって動作することを可能にする。
一定電力出力モードに関して、一定ＡＣ電力出力は、デューティサイクルｄ１およびデューティサイクルｄ２のうちの一方または両方を所望の値に設定することによって達成される。さらに、発電機２００は、第１の一定電力領域Ｐ１または第２の一定電力領域Ｐ２のいずれかにおいて、一定ＡＣ電力出力で動作する。様々な実施形態において、舵取り論理１１４のコンバーターのスイッチは、負荷のインピーダンスに依存して、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａまたはＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２を用いて、一定電力を発生させる。さらに、様々な実施形態において、発電機２００は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよび／またはＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の両方を同時に動作させ得、それは、高電圧かつ低電力を有する一定電力出力をもたらす。
定常状態において、および第１の一定電力領域Ｐ１における動作において、インダクター電流ｉＬ（ｔ）は、電流モードコントローラー１１１において、非線形搬送制御電流ｉＣ（ｔ）と比較される。ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１のパルス持続時間は、電流モードコントローラー１１１を用いて変化させられる。デューティサイクルの様々なパルス持続時間は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）を制御し、インダクター電流ｉＬ（ｔ）は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａと接触している負荷に対して応答的である。負荷のインピーダンスが変化する場合、インダクター１０３にわたる電圧、およびインダクター１０３を通る電流も変化する。前に記載されるように、デューティサイクルの開始時に、デューティサイクルの活性部分が開始させられる。非線形搬送制御電流を超えるインダクターフィードバック信号に応答して、デューティサイクルは、非活性部分に切換わる。デューティサイクルは、デューティサイクルの終わりまで非活性部分にとどまり、デューティサイクルの終わりの際に、活性部分において、次のデューティサイクルが始まる。代替の実施形態において、インダクターフィードバック信号と非線形搬送制御電流との比較中、制御電流がインダクター電流を超えると、デューティサイクルは、活性部分に切換わる。例示される実施形態に従って、発電機２００は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａを用いて一定電力を発生させる。
定常状態において、および第２の一定電力領域Ｐ２における動作において、Ｖ１（ｔ）の平均電圧は、一定入力電圧Ｖｇに応答して一定であり、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、インダクター１０３にわたって平均電圧が存在しないので、固定されたデューティサイクルにおいて運転させられる。電流プログラムモード制御の使用は、ｉＬ（ｔ）の平均電流をもたらし、ｉＬ（ｔ）の平均電流は、デッドビートまたは近デッドビート制御を用いて、おおよそ固定された値に調節される。ｉＬ（ｔ）を調節するために、デューティサイクルｄ２は、ｉＬ（ｔ）を固定された値に維持するように、電流モードコントローラーによって変化させられる。固定された電圧および電流が与えられると、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の入力における電力も一定である。それに従って、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、ほとんど損失がなく、入力電力とおおよそ等しい出力電力をもたらす。入力電力は、一定であるので、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の出力電力も一定である。
一定電圧出力モードに関して、一定電圧出力は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１を固定された値に設定することによって達成され、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルｄ２は、電圧モード制御される。例示される実施形態において、電圧モード制御は、センサーネットワークを用いてＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の出力電圧を測定することを含み、感知された出力電圧を電圧モードコントローラー１１２における制御ループに供給し、測定された出力電圧と参照出力電圧との間の相対的な差に基づいて、コンバーターのデューティサイクルコマンドを調整する。換言すると、デューティサイクルｄ２は、Ｖｌｉｍｉｔに一致するように、出力電圧を増大または減少させるように設定される。Ｖｌｉｍｉｔは、ユーザーによって、またはルックアップ表中の値に基づいて設定され得る。あるいは、ブーストインバーターは、出力電圧のフィードバックなしで、固定されたデューティサイクルにおいて運転させられ得る。
一定電流出力モードに関して、一定電流出力は、固定されたデューティサイクルｄ２でＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２を動作させ、電流モード制御のＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａを動作させることによって達成させられる。電流モード制御は、バックコンバーター１００ａの出力が一定電流であるように、平均インダクター電流を正確に制御する。１つの一定電流の実施形態において、電流モードコントローラー１１１は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）を、Ｋ＊Ｐｓｅｔによって設定される一定電流ｉｃと比較し、Ｋ＊Ｐｓｅｔは、使用中にユーザーによって設定される一定電流である。様々な実施形態において、Ｐｓｅｔは、設計段階中に設定される。
換言すると、コントローラー２２４は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）を固定された値に維持するために、デューティサイクルｄ１を変化させるように構成されている。結果として、一定電流出力モードは、その大きさが、近デッドビートスピードで調節されたＡＣ出力電流を生じる。例示的実施形態において、一定電力、一定電圧、または一定電流の３つのモードを実装している発電機２００は、ＡＣ出力特性の非常に速い、非常に正確な調節を生じる。様々なモードは、モニタリングされた特性によって影響され、一方で、他のモードは、同じモニタリングされた特性に応答する必要はない。特に、コントローラー２２４は、モニタリングされた特性（例えば、インダクター電流および電圧）に部分的に基づいて、動作モード間で切換わり得る。換言すると、電流モード制御に対してコンバーターのどのステージを選択するかは、出力の無関係な測定値、平均、またはフィードバックを必要とすることなく、最小限のフィードバックで達成される。また、前に言及されたように、コントローラー２２４は、インダクター電流を参照電流と等しいおおよそ一定値に調節することによって、近デッドビート制御を実施する。
３つのモード間での遷移は、実施形態において、変圧器１０４の一次巻線の電圧およびインダクター電流をモニタリングすることによって決定される。さらに、モード間の遷移の決定は、インダクター１０３の電圧および電流にも基づく。コントローラー２２４は、出力電圧が増大する場合、モードを、一定電流から一定電力、そして一定電圧に遷移させる。特に、実施形態において、発電機２００は、出力電圧が第１の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿１）よりも小さい場合、一定電流モードにおいて動作する。出力電圧が第１の電圧制限を超える場合、発電機２００は、第１の一定電力モード（ＰＩ）に遷移する。出力電圧が第２の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿２）を超える場合、発電機２００は、第２の一定電力モード（Ｐ２）に遷移する。出力電圧が第３の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿３）を超える場合、発電機２００は、一定電圧モードに遷移し、ここで、出力電圧は、制限され、一定に保たれる。実施形態において、第１の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿１）、第２の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿２）、および第３の電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿３）は、ユーザーによって、または発電機２００（例えば、ルックアップ表から）によって設定される。
同様に、コントローラー２２４は、インダクター電流ｉＬ（ｔ）が増大する場合、一定電圧モードから一定電力モード、そして一定電流モードに遷移する。特に、実施形態において、発電機２００は、インダクター電流が第１の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿１）を超えない場合、一定電圧モードにおいて動作する。インダクター電流が第１の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿１）を超える場合、モードは、第２の一定電力モード（Ｐ２）に遷移する。インダクター電流が第２の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿２）を超える場合、モードは、第１の一定電力モード（Ｐ１）に遷移する。インダクター電流が第３の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿３）を超える場合、発電機２００は、一定電流モードに遷移し、ここで、インダクター電流は、制限され、一定に保たれる。実施形態において、第１の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿１）、第２の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿２）、および第３の電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿３）は、ユーザーによって、または発電機（例えば、ルックアップ表から）によって設定される。
上に記載されるように、一定電流領域Ａを達成するために、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、電流プログラムモード（ＣＰＭ）において制御され、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、約１００％のデューティサイクルｄ２において固定される。一定電力領域Ｂを達成するために、１つの実施形態において、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、非線形搬送制御（ＮＬＣ）モードにおいて制御され、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、約１００％のデューティサイクルｄ２において固定される。他の実施形態において、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、約１００％のデューティサイクルｄ１において固定され得、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、ＣＰＭにおいて制御される。一定電圧領域Ｂを達成するために、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、約１００％のデューティサイクルｄ１において固定され、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、所定のデューティサイクルｄ２において固定され、この所定のデューティサイクルｄ２は、１００％未満であり得る。
一定電流領域Ａ、一定電力領域Ｂ、および一定電圧領域Ｃの間の切換えは、特定の電流制限、電力設定、および電圧制限に対するデューティサイクルｄ１およびｄ２を決定（例えば、実験的または経験的）し、その値をコントローラー２２４によってアクセス可能なルックアップ表に記憶することに基づき得る。各領域の制御スキームは、制御されるＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよび／またはＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルを観測することによって変更される。デューティサイクルｄ１またはｄ２が所定の閾値に達すると、コントローラー２２４は、対応する新しいスキームに変化する。この制御スキームは、ルックアップ表に記憶されている所与の電流、電力、または電圧のセットポイントについて予めプログラムされたデューティサイクルの値を有するコントローラー２２４に依存する。しかし、これは、各個々の発電機２００に対して、実験的に誘導されることが必要な複雑な表（例えば、三次元表）を必要とする。認識され得るように、これは、労働および費用に対して効果の高いものではない場合があり、発電機２００の構成要素許容差ならびに人間の間違いに起因して、エラーの傾向があり得る。さらに、インダクター１０３は、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２をＣＰＭにおいて動作させる場合、電力の的確な制御を達成するために、十分に大きいインダクタンスを有することを必要とし得る。
従って、本開示は、減少した複雑さを有するデューティサイクルｄ１およびｄ２を決定するシステムおよび方法を提供し、このシステムおよび方法は、インダクター１０３の必要とされるインダクターサイズを減少させる一方で電力制御の精度を増大させ、送達される電気外科波形の波高因子（ＣＦ）および電力の独立した動的制御も可能にする。特に、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、波形のＣＦを制御するために使用され得、一方で、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、出力電力を制御するために使用される。この実施形態において、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２は、所与のサイクルに固定され、それは、約０％〜約１００％、実施形態において、約２０％〜約９０％であり得、一方で、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａは、ＮＬＣ制御において運転させられる。
さらに、本開示は、電圧制限（Ｖｌｉｍｉｔ＿１、Ｖｌｉｍｉｔ＿２、Ｖｌｉｍｉｔ＿３）および電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿１、Ｉｌｉｍｉｔ＿２、Ｉｌｉｍｉｔ＿３）を用いるよりもむしろ、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルｄ２を固定したままにして、モード選択機１１３によって決定される場合のＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１に基づいて、一定電流領域Ａ、一定電力領域Ｂ、および一定電圧領域Ｃの間で切換えるシステムおよび方法を提供する。特に、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルｄ２が固定されたままで、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａが電力を制御し得るかどうかを決定するために、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａおよびＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２の各々の平均スイッチモデルが、負荷の関数としてＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１を決定するために、定常状態において使用され得る。デューティサイクルｄ１は、ＣＰＭにおいてＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａを動作させるためのものであり、一方で、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２のデューティサイクルｄ２は、測定されたインダクター電流を電流制限（Ｉｌｉｍｉｔ＿１、Ｉｌｉｍｉｔ＿２、Ｉｌｉｍｉｔ＿３）と比較することによりコントローラー２２４によって自動的に制御される。
図６は、インピーダンスの関数としてのＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルのプロットを示し、同図は、ＣＰＭ、ＮＬＣ、および電圧制限モード中のデューティサイクルｄ１についてのインピーダンス制限についてのものである。プロット範囲内の部分は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのダイナミックレンジを例示している。図６のプロットは、電流制限または電圧制限に達すると、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルが、コントローラー２２４にＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａのデューティサイクルｄ１を計算させるよりもむしろ、飽和させられ得ることも例示している。さらに、これは、ＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２が固定されたままで、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａが電力を制御することを可能にし、その結果、デューティサイクルｄ２は、デューティサイクルｄ１の関数として波高因子のプロットを示している図７に例示されるように、デューティサイクルｄ１から独立して波高因子を制御する。
所望の波高因子を達成するための固定された値に、デューティサイクルｄ２を設定することによって、コントローラー２２４は、デューティサイクルｄ１が飽和しない限り、波高因子と、Ｖｒｍｓとを独立して設定し得る。デューティサイクルｄ１およびｄ２は、異なる組織効果を達成するために、コントローラー２２４によって動的に変更され得る。波形の波高因子を変更することは、異なるＲＦモード（例えば、切断および凝固、または多様なブレンドモード）間での変更を可能にする。
さらに、本開示は、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａを制御するための改善されたＮＬＣ波形も提供する。ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａが固定されたＤＣ−ＡＣブーストインバーター１０２とともにＮＬＣ制御において動作させられている間に、電力は、負荷抵抗の増大につれて低下する。これは、インダクター１０３におけるより低いＤＣ電流に対応する。本開示は、負荷抵抗においてＤＣ電流を増大させることを提供し、それにより、不正確性、損失、および／または他の非理想性に対処するようにＮＬＣ波形を修正する。
ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａについて、非改変ＮＬＣ波形は、下の式（Ｉ）に従う。
式（Ｉ）において、Ｐｓｅｔは、電力セットポイントであり、Ｔｓは、切換え要素１０１の切換え期間であり、Ｖｇは、電源２２７によって供給される入力ＤＣ電圧であり、ｔは、時間である。ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａの得られた非改変波形８００は、図８に示され、図８は、短い時間について飽和しており、残りの切換え期間については式（Ｉ）に従う。図８は、インダクター１０３の電流波形ｉＬ（ｔ）８０２も示している。
発電機２００が、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーター１００ｂまたはＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣ １００ｄを利用する実施形態において、非改変ＮＬＣ波形は、下の式（ＩＩ）に従う。
発電機２００がＤＣ−ＤＣバックスクエアード１００ｃを利用する実施形態において、非改変ＮＬＣ波形は、下の式（ＩＩＩ）に従う。
例示の目的のために、ＤＣ−ＤＣバックコンバーター１００ａによって提供されるような改変されたＮＬＣ波形９００が、図９に示され、時間変数（すなわち、時間と期間の比）を含む電力セットポイントを含む。特に、Ｐｓｅｔは、下の式（ＩＶ）を用いて規定され得る。
式（ＩＶ）において、Ｐは、公称セットポイントであり、Ｐｃｏｍｐは、非理想性について補正するために使用される式（ＩＶ）の線形部分の利得である。式（Ｖ）は、時間変数Ｐｃｏｍｐを含み、下に列挙される。
本開示のいつくかの実施形態が図面に示され、および／または本明細書中に記載されてきたが、本開示は当該分野が許容するのと同じくらい範囲が広いこと、および本明細書が同様に読まれることが意図されるので、本開示はそれらの実施形態に限定されることが意図されない。従って、上の記載は、限定するものではなく、単に特定の実施形態の例証と解釈されるべきである。当業者は、ここに添付される特許請求の範囲の趣旨および範囲内の他の改変を想定する。
１００ コンバーター
１０２ ブーストインバーター
１０３ インダクター
２００ （電気外科用）発電機
２２４ コントローラー

Claims (13)

  1. 電気外科用発電機であって、該電気外科用発電機は、
    ＤＣ波形および非線形搬送制御電流を出力するように構成されている少なくとも１つのコンバーターと、
    該少なくとも１つのコンバーターに結合されている少なくとも１つのブーストインバーターであって、該少なくとも１つのブーストインバーターは、該ＤＣ波形を変換することにより、少なくとも１つの電気外科波形を生成するように構成されている、少なくとも１つのブーストインバーターと、
    該少なくとも１つのコンバーターおよび該少なくとも１つのブーストインバーターに直列に接続されている少なくとも１つのインダクターであって、該少なくとも１つのインダクターは、インダクター電流を出力するように構成されている、少なくとも１つのインダクターと、
    該少なくとも１つのコンバーターおよび該少なくとも１つのブーストインバーターに結合されている少なくとも１つのコントローラーであって、該少なくとも１つのコントローラーは、インダクター電流と該非線形搬送制御電流との比較に基づいて、該少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルのパルス持続時間を制御することによって、該インダクター電流を所定の値に維持するように構成されている、少なくとも１つのコントローラーと
    を含み、
    該少なくとも１つのコンバーターは、ＤＣ−ＤＣチョークコンバーターとＤＣ−ＤＣバックスクエアードコンバーターとＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーターとからなる群から選択されるＤＣ−ＤＣコンバーターであり、
    該非線形搬送制御電流ＮＬＣは、
    該発電機が該ＤＣ−ＤＣチョークコンバーターまたは該ＤＣ−ＤＣ反転ＳＥＰＩＣコンバーターを利用する場合には、非改変ＮＬＣ波形が、以下に示す第１の式

    に従い、
    該発電機がＤＣ−ＤＣバックスクエアードコンバーターを利用する場合には、非改変ＮＬＣ波形が、以下に示す第２の式

    に従うように定義されている、電気外科用発電機。
  2. 前記少なくとも１つのブーストインバーターは、ＤＣ−ＡＣブーストインバーターである、請求項１に記載の電気外科用発電機。
  3. 前記少なくとも１つのコンバーターおよび前記少なくとも１つのブーストインバーターは、Ｈ−ブリッジトポロジーにおいて配置されている複数の切換え要素を含む、請求項１に記載の電気外科用発電機。
  4. 前記少なくとも１つのコントローラーは、該少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルおよび前記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを調整することにより、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つにおいて前記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、請求項１に記載の電気外科用発電機。
  5. 前記少なくとも１つのコンバーターは、該少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルにおいて動作させられる少なくとも１つの第１の切換え要素を含み、前記少なくとも１つのブーストインバーターは、該少なくとも１つのブーストインバーターの第２のデューティサイクルにおいて動作させられる少なくとも１つの第２の切換え要素を含む、請求項４に記載の電気外科用発電機。
  6. 前記少なくとも１つのコントローラーは、電流プログラムモードにおいて、前記少なくとも１つのコンバーターを制御し、かつ、前記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電流モードにおいて前記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、請求項４に記載の電気外科用発電機。
  7. 前記少なくとも１つのコントローラーは、非線形搬送制御モードにおいて、前記少なくとも１つのコンバーターを制御し、かつ、前記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて前記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、請求項４に記載の電気外科用発電機。
  8. 前記非線形搬送制御モードにおいて、前記少なくとも１つのコントローラーは、前記ＤＣ波形の各サイクルの経過時間と期間の長さとの比に基づいて、セットポイント電流を計算する、請求項７に記載の電気外科用発電機。
  9. 前記少なくとも１つのコントローラーは、電流プログラムモードにおいて、前記少なくとも１つのブーストインバーターを制御し、かつ、前記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持することにより、一定電力モードにおいて前記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、請求項４に記載の電気外科用発電機。
  10. 前記少なくとも１つのコントローラーは、前記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを約１００％に維持し、かつ、前記少なくとも１つのブーストインバーターのデューティサイクルを１００％未満に維持することにより、一定電圧モードにおいて前記少なくとも１つの電気外科波形を動作させるように構成されている、請求項４に記載の電気外科用発電機。
  11. 前記少なくとも１つのコントローラーは、前記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルを調整することにより、前記少なくとも１つの電気外科波形の電力を制御するように構成されている、請求項１に記載の電気外科用発電機。
  12. 前記少なくとも１つのコントローラーは、前記少なくとも１つのコンバーターのデューティサイクルに基づいて、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つの間で前記少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成されている、請求項１に記載の電気外科用発電機。
  13. 前記少なくとも１つのコントローラーは、前記電気外科用発電機の変圧器の一次巻線の電圧および前記インダクター電流をモニタリングすることによって、一定電流モード、一定電圧モード、または一定電力モードのうちの少なくとも１つの間で前記少なくとも１つの電気外科波形の動作を切換えるように構成されている、請求項１に記載の電気外科用発電機。
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