DE69827659T2

DE69827659T2 - Steuerungsmethode für ein phakoemulgatorhandstück

Info

Publication number: DE69827659T2
Application number: DE69827659T
Authority: DE
Inventors: Mikhail Boukhny; Ahmad Salehi
Original assignee: Alcon Laboratories Inc
Current assignee: Alcon Vision LLC
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: BR9814865B1; US5938677A; JP2001519228A; EP1027021B1; CA2305297A1; ATE282384T1; AU7109398A; JP3805980B2; EP1027021A1; DE69827659D1; BR9814865A; PT1027021E; WO1999018901A1; AU727779B2; ES2231981T3; CA2305297C

Description

Die Erfindung betrifft ein Dithering-Steuerungsverfahren für eine Ultraschallvorrichtung und insbesondere für ein ophtalmisches Phacoemulsifikationshandstück.
Hintergrund der Erfindung
Eine typische für ophtalmische Operationen geeignete Ultraschall-Chirurgie-Vorrichtung besteht aus einem mit Ultraschall angetriebenen Handstück, einer daran befestigten hohlen Schneidspitze, einer Bewässerungshülse und einer elektronischen Steuerungskonsole. Die Handstückanordnung ist mittels eines elektrischen Kabels und flexibler Schläuche an die Konsole angeschlossen. Der vom Handstück auf die angeschlossene Schneidspitze übertragene Leistungspegel wird von der Konsole über das elektrische Kabel variiert und über die flexiblen Schläuche wird ein Bewässerungsfluid durch die Handstückanordnung zum Auge zugeführt und angesaugtes Fluid abgezogen.
Der funktionelle Teil des Handstücks wird durch einen zentral angeordneten, hohlen schwingenden Stab bzw. Horn gebildet, der direkt an einer Gruppe von Piezo-elektrischen Kristallen befestigt ist. Von den Kristallen wird die erforderliche Ultraschallschwingung zum Antrieb sowohl des Horns als auch der daran befestigten Schneidspitze bei der Phacoemulsifikation zugeführt, wobei diese mit der Konsole gesteuert werden. Die Kristall-/Hornanordnung ist im hohlen Körper bzw. in der Schale des Handstücks an dessen Knotenpunkten mittels relativ unflexibler Einrichtungen aufgehängt. Der Handstückkörper endet in einem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser bzw. einer Rumpfspitze am distalen Ende des Körpers. Die Rumpfspitze ist zur Aufnahme der Bewässerungshülse auf der Außenseite mit einem Gewinde versehen. Ähnlich ist die Bohrung des Horns zur Aufnahme des Außengewindes der Schneidspitze auf der Innenseite an ihrem distalen Ende mit einem Gewinde versehen. Die Bewässerungshülse weist auch eine auf der Innenseite mit einem Gewinde versehene Bohrung auf, die auf das äußere Gewinde der Rumpfspitze geschraubt ist. Die Schneidspitze ist so angepaßt, daß die Spitze lediglich um einen bestimmten Betrag aus dem offenen Ende der Bewässerungshülse vorragt. Ultraschallhandstücke und Schneidspitzen sind umfassender in den US- Patenten 3,589,363; 4,223,676; 4,246,902; 4,493,694; 4,515,583; 4,589,415; 4,609,368; 4,869,715 und 4,922,902 beschrieben.
Die Enden der Schneidspitze und der Bewässerungshülse werden bei einer Verwendung zur Phacoemulsifikation in einen schmalen Einschnitt mit einer bestimmten Breite in der Hornhaut, Lederhaut oder an einem anderen Ort im Augengewebe eingeführt, um einen Zugang zur Vorderkammer des Auges zu erhalten. Die Schneidspitze wird mit Ultraschall entlang ihrer Längsachse innerhalb der Bewässerungshülse durch das Kristall-angetriebene Ultraschallhorn in Schwingungen versetzt, um dadurch das ausgewählte Gewebe beim Kontakt in situ zu emulgieren. Die hohle Bohrung der Schneidspitze kommuniziert mit der Bohrung im Horn, die wiederum mit der Ansaugleitung zwischen dem Handstück und der Konsole kommuniziert. Eine Vakuum- oder Unterdruckquelle in der Konsole zieht oder saugt das emulgierte Gewebe vom Auge durch das offene Ende der Schneidspitze, die Bohrung der Schneidspitze, die Bohrung des Horns und die Ansaugleitung und in eine Sammelvorrichtung ab. Das Ansaugen von emulgiertem Gewebe wird durch eine salzhaltige Spüllösung oder ein Bewässerungsmittel unterstützt, die in den Operationsort durch den kleinen, ringförmigen Spalt zwischen der inneren Oberfläche der Bewässerungshülse und der äußeren Oberfläche der Schneidspitze injiziert wird.
Die in Ultraschallhandstücken verwendete, sowohl piezoelektrische als auch inerte Materialien mit hoher Materialfestigkeit umfassende Hornanordnung muß für einen korrekten Betrieb sorgfältig abgestimmt werden. Der Begriff „Abstimmen" bezieht sich im hier verwendeten Sinn auf den Prozeß eines Findens und Verfolgens der Resonansfrequenzen des unter Belastungsbedingungen oder ohne Belastung betriebenen Handstücks. Beim Betrieb des Handstücks bei einer Resonanzfrequenz wird die Fähigkeit des Kristalls zur Energiespeicherung genutzt, die bei der Resonanz am wirksamsten ist. Bei korrekter Abstimmung speichert das Handstück mechanische Energie, wenn es unbelastet betrieben wird, und gibt diese Energie an das geschnittene Material ab, wenn es belastet ist. Folglich können innerhalb kurzer Zeitperioden große Energiemengen vom Handstück selbst an das Material abgegeben werden und nicht von der Stromversorgung für das Handstück. Dies ermöglicht den Aufbau der Stromversorgung in der Weise, daß lediglich die stationären Leistungserfordernisse des Wandlers erfüllt werden und nicht die der bei einer Belastung auftretenden Schwankungen, die um ein vielfaches höher sein können.
Die Reihen- und Parallelresonanzfrequenzen werden bei konventionellen Abstimmungs- und Steuerungssystemen häufig in einer Salzlösung unter kontrollierten Belastungsbedingungen bestimmt, bevor das Handstück den bei einer Operation auftretenden Belastungen unterzogen wird. Das Handstück wird über einen Frequenzbereich mit jeweils einer Frequenz pro Zeitpunkt angeregt. Die als die Admittanz (das Verhältnis des Antriebsstroms zur Antriebsspannung) gemessene Reaktion bzw. Response des Handstücks auf jede Frequenz wird aufgezeichnet. Ein typisches Verhältnis zwischen der Admittanz und Frequenz eines typischen Handstücks unter dieser voroperativen Bedingung mit einer relativ geringen Belastung ist in 1 dargestellt. Die maximale aufgezeichnete Admittanz (Y_S) entspricht der Reihenresonanz (f_S) und die minimale Admittanz (Y_P) entspricht der Parallelresonanz (f_P). Der Betrieb des Handstücks mit einem Leistungssignal bei der Reihenresonanz führt zur wirksamsten Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, da die elektrische Reihenresonanz bei derselben Frequenz auftritt wie die mechanische Resonanz.
Wenn jedoch das Handstück mechanisch belastet wird, wie beispielsweise bei einer Operation, ändert sich die Form und die Position der Kurve der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz und somit ändern sich die charakteristischen Reihen- und Parallelresonanzfrequenzen. Die Kurve „A" in 2 gibt die in 1 gezeigte charakteristische Kurve der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz für ein Handstück unter geringer Belastung wieder. Die Kurve „B" beispielsweise gibt die Kurve der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz wieder, wenn dasselbe Handstück mechanisch belastet ist. Wie zu erkennen ist, ist die Kurve „B" nach rechts verschoben (F_s,B > f_s,A), die maximale Admittanz der Kurve „B" niedriger als die maximale Admittanz der Kurve „A" und die minimale Admittanz der Kurve „B" größer als die minimale Admittanz der Kurve „A". Unter bestimmten mechanischen Belastungsbedingungen kann die Kurve „A" auch in Richtung niedrigerer Frequenzen (nach links) verschoben sein.
Die Kurve „C" gibt die Kurve der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz für dasselbe Handstück wieder, wenn die Temperatur des Kristalls im Handstück etwas über die Raumtemperatur erhöht wurde. Die Kurve „C" ist im allgemeinen nach oben und links (zu einer höheren Admittanz und zu niedrigeren Frequenzwerten) im Verhältnis zur Kurve „A" verschoben. Würde beispielsweise das Leistungssignal bei der ursprünglich bestimmten Reihenresonanz zum Handstück zugeführt, würde die Wirksamkeit des Leistungssignals dramatisch abfallen. Somit führt die Belastung des Handstücks ohne eine Anpassung der Frequenz des Leistungssignals zu einer Reduktion der Effizienz und Vorhersagbarkeit des Leistungssignals.
Ein Ansatz zur Abstimmung eines Handstücks in Echtzeit während einer Operation umfaßt die Verwendung eines Leistungssignals bei einer Frequenz, die durch den Mittelwert der Reihen- und Parallelresonanzfrequenzen bei der relativ unbelasteten voroperativen Bedingung gebildet ist, wobei die Frequenz des Leistungssignals so eingestellt wird, daß eine konstante Admittanz beibehalten wird. Diese Art von System ist in weiteren Einzelheiten im US-Patent 5,431,664 („das '664-Patent") beschrieben. Zusammenfassend wird bei Systemen dieser Art das Handstück basierend auf einem konstanten Admittanzwert (Y₀), der als der Mittelwert aus der maximalen und minimalen Admittanz, d. h. durch
bestimmt ist, abgestimmt. (Bei einigen kommerziell erhältlichen Steuerungssystemen mit konstanter Admittanz wird Y₀ an einem anderen Punkt als dem Mittelwert festgelegt, beispielsweise durch Y₀ = 0,3Y_S + 0,7Y_P). Wenn das Handstück unter vielen verschiedenen Arten von Bedingungen belastet wird, verschiebt sich die Admittanz-Frequenz-Kurve längs der Frequenzachse. Eine derartige Verschiebung ist beispielsweise anhand der Kurven „A" und „B" in 2 gezeigt, wobei die Kurve „B" eine mögliche Reaktion eines Handstücks auf eine massenreaktive Belastung darstellt. Beim im '664-Patent beschriebenen Steuerungssystem wird die Frequenz des Antriebssignals eingestellt, um die Admittanz bei Y₀ zu halten.
Obwohl diese Art von Abstimmungs- und Steuerungssystem in einem relativ breiten Bereich von Belastungsbedingungen wirkungsvoll ist, wird das Handstück jedoch nie bei der Reihenresonanz betrieben und somit geht ein Teil der Wirksamkeit verloren. Darüber hinaus können Verschiebungen der Admittanz-Frequenz-Kurven längs der Admittanz-Achse, wie beispielsweise die mit der Kurve „C" in 2 gezeigte, diese Art eines Steuerungssystems mit konstanter Admittanz unwirksam machen. Die Abstimm-Admittanz (Y₀) befindet sich auf keinem Teil der Kurve „C", mit der die Reaktion eines mechanisch belasteten und erwärmten Handstücks beschrieben werden kann. Bei Steuerungssystemen, bei welchen die Antriebsfrequenz so eingestellt wird, daß sie mit der Reihenresonanz übereinstimmt, werden typischerweise Phasenregelschleifen mit sehr engen Abstimmbereichen verwendet.
Bei einem weiteren Ansatz zur Abstimmung und Steuerung eines Ultraschallhandstücks wird die ein Breitbandkalibrierungssignal mit im wesentlichen konstanter Amplitude zur Bestim mung der Reaktion des Handstücks auf eine mechanische Belastung in Echtzeit verwendet. Ein derartiges System ist in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/769,257 mit Anmeldedatum vom 18. Dezember 1996 („die '257-Anmeldung") beschrieben. Zusammenfassend wird ein Breitbandkalibrierungssignal in ein Ultraschallhandstück zugeführt und die Reaktion des Handstücks mit Hilfe eines Fast-Fourier-Transform-Digitalsignalanalysators bestimmt. Die Aspekte des Antriebssignals und gegebenenfalls des Kalibrierungssignals werden, basierend auf der Reaktion des Handstücks, verändert. Bei diesem Breitbandansatz werden detaillierte Informationen bezüglich der Form der Response-Kurve der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz für ein bestimmtes Handstück erzeugt. Jedoch sind derartige detaillierte Informationen nicht erforderlich, um die Abstimmung und Steuerung des Handstücks zu bewirken.
Somit besteht der Bedarf für ein Verfahren und Steuerungssystem weiter fort, mit dem ein Ultraschallhandstück auf seine Reihenresonanz abgestimmt werden kann, wenn das Handstück in einem breiten Bereich variierenden Belastungsbedingungen unterworfen ist.
Abriß der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber den Verfahren zum Abstimmen und Steuern von Ultraschallvorrichtungen des Stands der Technik dar, da das Handstück vor einem chirurgischen Eingriff gemäß den folgenden Ansprüchen automatisch abgestimmt und bei der Operation mit einem Dithering-Antriebssignal angeregt wird. Bevor das Handstück bei einer Operation Belastungen unterworfen wird, wird es mit einer Reihe von Einzelfrequenzsignalen in einem Abstimmbereich von Frequenzen angeregt, der breit genug ist, daß alle erwarteten Werte der Reihen- und Parallelresonanzen davon umfaßt sind. Die inkrementelle Differenz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Einzelfrequenzsignalen ist klein genug für eine ausreichende Auflösung der Reaktion des Handstücks. Diese inkrementelle Differenz ist beträchtlich geringer als die erwartete Differenz zwischen der Reihenresonanz und der Parallelresonanz des Handstücks (bzw. die Bandbreite des Handstücks). Beispielsweise wäre eine Differenz von ungefähr 10 Hz bei einem typischen Handstück mit einer Bandbreite von einigen hundert Hz ausreichend.
Die Reaktion des Handstücks wird mit Hilfe eines Digitalsignalprozessors („DSP") in Form der jeder dieser Abstimmfrequenzen entsprechenden Admittanz gemessen. Die Reihe der Admittanzwerte bei allen Abstimmfrequenzen wird vom DSP aufgezeichnet, um die Abhängigkeit der Admittanz von der Frequenz für das Handstück im gesamten Abstimmfrequenzbereich zu bestimmen. Die Reihenresonanz entspricht der Frequenz, bei der die maximale Admittanz auftritt, und die Parallelresonanz entspricht der Frequenz, bei der die minimale Admittanz auftritt. Alternativ kann die Frequenz-Response jedes Handstücks unter Verwendung einer Fast-Fourier-Transformanalyse bestimmt werden, wie beispielsweise in der '257-Anmeldung beschrieben ist.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das zum Handstück zugeführte Antriebssignal nach der Durchführung der voroperativen Abstimmprozedur variiert, so daß es zwischen einem Leistungssignal bei einer ersten Frequenz (der bei der Abstimmprozedur bestimmten Reihenresonanz) und zumindest zwei Kalibrierungskomponenten bei Kalibrierungsfrequenzen, die sich von der ersten Frequenz um δ oder ein vielfaches von δ unterscheiden, alterniert. Da δ im Vergleich zu der Differenz zwischen der Reihen- und Parallelresonanz sehr gering ist, sind die Kalibrierungskomponenten beim Antrieb des Handstücks fast genauso wirkungsvoll wie das Leistungssignal (und unter bestimmten Umständen möglicherweise sogar noch effektiver). Das Dithering-Inkrement δ, das bei dieser Ausführungsform verwendet wird, kann gleich dem bei der oben erläuterten ersten Ausführungsform der Erfindung verwendeten sein oder nicht. Die Kalibrierungsfrequenzen umfassen zumindest eine Frequenz, die niedriger ist als die erste Frequenz und zumindest eine Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz. Im wesentlichen wird eine vereinfachte Version der voroperativen Abstimmprozedur, bei unmittelbar in der Umgebung des zuletzt bekannten Wertes der Reihenresonanz liegenden Frequenzen wiederholt durchgeführt.
Die Admittanz des Handstücks wird bei jeder diskreten Frequenz (der ersten Frequenz und jeder der Kalibrierungsfrequenzen) gemessen und die Gruppe der Reaktionen wird zur Bestimmung des wahrscheinlichen neuen Wertes der Reihenresonanz analysiert. Sobald die neue Reihenresonanz bestimmt ist, wird ein entsprechendes Steuerungssignal zur Änderung der ersten Frequenz in der Weise, daß sie der Reihenresonanz entspricht, erzeugt. Die Zahl der Kalibrierungskomponenten, das Dithering-Inkrement, die Amplitude der Kalibrierungskomponenten und die Reihenfolge, in der das Antriebssignal die Kalibrierungskomponenten durchläuft, und das Leistungssignal können zur Optimierung der Effizienz des Steuerungssystems variiert werden.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem und -verfahren bereitzustellen, mit dem eine Echtzeitanalyse der Frequenz-Response eines mechanisch belasteten Ultraschallhandstücks zur Abschätzung zumindest der Reihenresonanz des Handstücks und zur kontinuierlichen Abstimmung zumindest der Frequenz eines zum Handstück zugeführten Leistungssignals durchgeführt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abstimmsystem bereitzustellen, mit dem die Reaktion eines Ultraschallhandstücks auf einen Frequenzbereich, der breit genug ist, daß alle potentiellen Werte der Reihen- und Parallelresonanzen umfaßt sind, schnell und genau gemessen werden kann, um die charakteristische Admittanz-Frequenz-Reaktion des Handstücks zu bestimmen.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung der Zeichnungen und die Ansprüche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine graphische Darstellung der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz für ein typisches Ultraschallhandstück in der Umgebung der Reihen- und Parallelresonanz mit einer typischen, für ein Steuerungssystem mit konstanter Admittanz festgestellten Steuerungsadmittanz.
2 ist eine graphische Darstellung der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz. Sie zeigt, wie die Reaktion eines typischen Ultraschallhandstücks verschoben sein kann, wenn das Handstück einer mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt wird.
3 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform eines Systems und Verfahrens zum Abstimmen und Steuern eines Ultraschallhandstücks bei einem chirurgischen Eingriff gemäß der vorliegenden Erfindung mit begleitenden graphischen Darstellungen der von der jeweiligen Komponente erzeugten elektrischen Signale.
4a–4i sind eine Reihe von Diagrammen des Teils der Response-Kurven der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz in der Umgebung der Reihenresonanz, in welchen die Ad mittanz-Reaktionen, die den beiden Kalibrierungsfrequenzen und der Leistungsfrequenz entsprechen, zur Verdeutlichung einer Art einer beim in 4 gezeigten Steuerungssystem verwendbaren Logik zur Abschätzung der Reihenresonanz eines mechanisch belasteten Handstücks gekennzeichnet sind.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Vor dem Beginn eines chirurgischen Eingriffs wird das erfindungsgemäße System und Verfahren zur Abstimmung des Ultraschallhandstücks in der oben beschriebenen Form verwendet. Insbesondere wird das Handstück von einem spannungsgesteuerten Oszillator („VCO") mit einer Reihe von Einzelfrequenzsignalen mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude angetrieben und die Reaktion des Handstücks auf das jeweilige Einzelfrequenzsignal von einem DSP gemessen. Der Frequenzbereich, welchen der VCO durchläuft (der Abstimmfrequenzbereich) kann durch jeden beliebigen Teil eines Spektrums zwischen 25 kHz und 80 kHz bestimmt sein, wobei es sich um das Betriebsspektrum typischer momentan zur Augenchirurgie verwendeter Ultraschallhandstücke handelt. Als Abstimmfrequenzbereich eignet sich ein Bereich von ungefähr 100 Hz bis 10.000 Hz und es wird der Bereich um 4.000 Hz bevorzugt. Derartige Werte für den Abstimmfrequenzbereich sind umfassend genug, daß praktisch alle potentiellen Werte von f_S und f_P umfaßt sind. Für andere Ultraschallanwendungen können andere Abstimmfrequenzbereiche geeigneter sein. Jedoch ist insgesamt die Funktionsweise der in diesem Dokument beschriebenen Systeme und Verfahren auch zur Abstimmung und Steuerung von bei diesen Anwendungen verwendeten Handstücken in gleicher Weise nützlich.
Beim Gebrauch zur Steuerung des Handstücks bei einem chirurgischen Eingriff wird beim erfindungsgemäßen System und Verfahren im allgemeinen ein mit einem Verstärker als Quelle zur Erzeugung des Signals zum Antrieb eines Ultraschallhandstücks („das Antriebssignal") kombinierter VCO verwendet. Die Frequenz des Antriebssignals wird mit einem Dithering-Inkrement gegenüber der letzten bekannten Abschätzung der Reihen-Resonanz („der Leistungsfrequenz") variiert. Basierend auf der Reaktion des Handstücks auf frühere variierte Antriebssignale wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Antriebssignal über und unter die Leistungsfrequenz und bei anderen das Leistungssignal lediglich in einer Richtung variiert (über oder unter die Leistungsfrequenz). Bei zumindest einigen erfindungsgemäßen Systemen ist der VCO programmierbar und kann durch Variierten be stimmter zum VCO zugeführter Eingangsinformationen leicht eingestellt werden. Zur Messung der Reaktion des Handstücks auf die jeweilige Komponente des Antriebssignals (diejenige bei der Leistungsfrequenz und diejenige bei den variierten Frequenzen) und zum Vergleich dieser Reaktionen zur Bestimmung des wahrscheinlichen Wertes der tatsächlichen Reihen-Resonanz kann ein Digitalsignalprozessor („DSP") verwendet werden. Der Output des DSP wird zur Erzeugung von Steuerungsparametern verwendet, die in einem geeigneten Steuerungssignal verkörpert sind, das zum VCO zugeführt wird, um bestimmte Aspekte des Antriebssignals zu variieren.
In 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Abstimmung und Steuerung eines Ultraschallhandstücks 70 wiedergibt.
3 ist ein Blockdiagramm, in dem eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zum Abstimmen und Steuern eines Ultraschallhandstücks gezeigt ist. Die Funktionsweise des Systems und der Ablauf des in 3 gezeigten Verfahrens führt zur Bestimmung der charakteristischen Reaktion des Handstücks 30 bei einer Gruppe diskreter, relativ nahe beieinander liegender Frequenzen (z. B. f₃ und f₁) einschließlich der Leistungsfrequenz f₂ (die näherungsweise den letzten bekannten Wert der Reihen-Resonanz f_S bildet). Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird durch die Kombination des VCO 10 und des Verstärkers 20 das Antriebssignal 25 erzeugt, das ein variables Signal bildet, das nacheinander bei den Frequenzen f₁, f₂ bzw. f₃ die Antriebssignale 25a, 25b und 25c durchläuft. Jedes der Antriebssignale 25a, 25b und 25c weist vorzugsweise näherungsweise dieselbe Amplitude auf. Die Frequenz f₂ entspricht näherungsweise dem letzten bekannten Wert der Reihen-Resonanz f_S, die Frequenz f₁ ist niedriger als f₂ und f₃ ist eine höhere Frequenz als f₂. Vorzugsweise unterscheiden sich f₁ und f₃ von f₂ um ein Dithering-Inkrement (δ), wobei das bevorzugte Dithering-Inkrement definiert ist als ungefähr 0,1(f_P – f_S) ≥ δ ≥ 0,001(f_P – f_S) und besonders bevorzugt als ungefähr 0,01(f_P – f_S).
Da das Antriebssignal 25 die Antriebssignale 25a, 25b und 25c durchläuft, variiert die Frequenz des Response-Signals 35 des Handstücks 30 ebenfalls, wie durch die Response-Signale 35a, 35b und 35c gezeigt ist. Beim in 3 gezeigten Beispiel ist die Amplitude des Response-Signals 35a niedriger als die Amplitude des Response-Signals 35b, die wiederum niedriger ist als die Amplitude des Response-Signals 35c. Die Antriebssignale 25a, 25b und 25c und die Response-Signale 35a, 35b und 35c werden synchron zum DSP 40 zugeführt (nachdem gegebenenfalls diese zum Schutz der Eingangssektion des DSP 40 abgeschwächt sind). Vom DSP 40 wird der Strom der Response-Signale 35a, 35b und 35c durch die Spannung der Antriebssignale 25a, 25b bzw. 25c geteilt, um die Admittanz-Werte Y₁, Y₂, und Y₃ an ihren jeweiligen Frequenzen f₁, f₂ und f₃ zu bestimmen. Die Punkte (Y₁, f₁), (Y₂, f₂) und (Y₃, f₃) liegen auf der Admittanz-Kurve 37, wobei es sich um eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Admittanz und der Frequenz handelt, die das Handstück 30 aufzeigen kann. Der Scheitel der Admittanz-Kurve 37 definiert den tatsächlichen Wert der Reihen-Resonanz f_S'.
Die tatsächliche, in 3 gezeigte Reihen-Resonanz f_S' ist z. B. größer als jede der Kalibrierungsfrequenzen (f₁ und f₃) und die Leistungsfrequenz (f₂). Unter diesen Umständen würde die im DSP 40 programmierte Kontrolllogik eine neue Antriebsfrequenz als f₂ + δ (d. h. f₃) oder beispielsweise f₂ + ein anderes Inkrement basierend auf der ursprünglichen Form der Admittanz-Kurve bestimmen. Der DSP 40 erzeugt und sendet dann ein geeignetes Steuerungssignal 45 zum VCO 10, um die Frequenz des Antriebssignals 65 zu ändern. Die Kalibrierungsfrequenzen f₁ und f₃ würden ebenfalls so erhöht werden, daß sie sich weiterhin von f₂ durch das Dithering-Inkrement δ unterscheiden. Jedoch ist die in 3 gezeigte Admittanz-Kurve 37 nur eine in Betracht zu ziehende Möglichkeit.
4a–4i sind qualitative Darstellungen aller möglichen Kurven der Admittanz in Abhängigkeit von der Frequenz, die vom in 3 gezeigten Steuerungssystem in Betracht gezogen werden können. In den 4a–4d sind die Fälle wiedergegeben, in welchen f₂ bis zur Annäherung an f_S' erhöht werden muß. Die stärkste Anpassung von f₂ ist bei der in den 4a wiedergegebenen Situation und die progressiv geringste Anpassung von f₂ ist in den 4b, 4c und 4d erforderlich. 4e gibt den Fall wieder, in dem keine Anpassung von f₂ erforderlich ist. 4f–4i geben Fälle wieder, in welchen f₂ zur Annäherung an f_S' abgesenkt werden muß, wobei eine progressiv ansteigende Anpassung von f₂ in 4f, 4g, 4h und 4i erforderlich ist. Selbstverständlich können bei einem erfindungsgemäßen System mehr als zwei Kalibrierungskomponenten mit einer damit verbundenen Änderung in der Steuerungslogik verwendet werden. Die unten abgebildete Tabelle faßt die vom DSP 40 verwendete Logik zusammen (unter Verwendung von zwei Kalibrierungskomponenten, den Antriebssignalen 25a und 25c zusammen mit dem Antriebssignal 25b), um f₂ so einzustellen, daß es näherungsweise f_S' entspricht:
Der Betrag, mit dem f₂ angepaßt wird, wird durch Vergleichen der Steigungen aller durch benachbarte Punkte auf der Admittanz-Kurve 37 definierten Linien bestimmt. Beispielsweise können die erste und zweite Ableitung der Kurve 37 (d. h. der Funktion Y(f)) in einem Steuerungssystem unter Verwendung eines konstanten Dithering-Inkrements δ näherungsweise bestimmt werden, wobei die drei Punkte (Y₁, f₁), (Y₂, f₂) und (Y₃, f₃) wie folgt verwendet werden:
wobei δ = f₂ – f₁ = f₁ – f₃
Die erste und zweite Ableitung von Y(f) in einem System, in dem δ variiert, werden durch die folgenden Gleichungen angenähert:
Das oben beschriebene System verwendet die minimale Zahl von Datenpunkten, d. h. 3, die zur Näherung der ersten und zweiten Ableitung von Y(f) erforderlich ist. Eine Erhöhung der Zahl der Kalibrierungsfrequenzen würde selbstverständlich die zur genauen Bestimmung der ersten und zweiten Ableitung von Y(f) verfügbare Zahl von Datenpunkten erhöhen und somit eine bessere Abschätzung der tatsächlichen Reihen-Resonanz zulassen. Jedoch wird die Genauigkeit der Analyse durch die dem Erfassungs- und Analyseprozeß von mehr als drei Datenpunkten imanente Zeitverzögerung verringert, da individuelle Datenpunkte den Ort eines Punktes auf der Kurve 37 wiedergeben könnten, nachdem sich die Kurve 37 bereits verschoben hat. Die optimale Zahl von Datenpunkten für die beste Bestimmung der Form der Kurve 37 hängt von der Zeitverzögerung zwischen dem Leistungssignal 25b und den Kalibrierungssignalen 25a und 25c und der durch den DSP zur Analyse der Datenpunkte längs der Admittanz-Kurve 37 verursachten Zeitverzögerung ab. Je länger eine dieser beiden Zeitverzögerungen ist, um so geringer ist die optimale Zahl von Datenpunkten (bei einem Minimum von drei Datenpunkten). Beim DSP 40 des in 3 gezeigten Steuerungssystems kann eine Logik zur Änderung des Dithering-Inkrements oder der Spannung des Antriebssignals oder von beiden in Abhängigkeit von der Form und der Amplitude der Admittanzkurve 37 verwendet werden.
Beim DSP 40 kann es sich um einen vielseitig verwendbaren, programmierbaren, kommerziell erhältlichen Prozessor handeln. Beispielsweise werden momentan von Stanford Research Systems in 1290-D Reamwood Avenue, Sunnyvale, CA 94089, USA, zwei Fast-Fourier-Transform (FFT) DSPs, d. h. die Modelle SR760 und SR 770 mit einem einzigen Eingangkanal vertrieben. Von Stanford Research wird auch ein Zweikanal-FFT-Signal-Analysator vermarktet, der für eine Verwendung als DSP 40 oder DSP 80 geeignet ist: Das Modell SR780. Alle diese DSPs von Stanford Research verfügen über Echtzeit-Bandbreiten von mindestens 100 kHz, einen Dynamikbereich von 90 dB und umfassen eine vollständig programmierbare Zentralfrequenz, Bandbreite, Analysenroutinen und Ausgang. Alle drei DSPs können unter Verwendung der gelieferten Schnittstelle (eine Reihe von Menü-betätigten, auf einer integrierten Anzeige angezeigter Optionen) oder durch Verwenden eines getrennten, zur Ausgabe von Befehlen über eine Standard-RS-232 oder GPIB-Schnittstelle geeigneten Computers programmiert werden. Die Dual-Eingangsfähigkeit des SR780 ermöglicht seine Progammierung zur Durchführung mathematischer Vergleiche zwischen zwei Eingangssignalen.
Nachdem der DSP 40 den Wert von f_S' abgeschätzt hat, kann er auch zur Anwendung einer Proportional-Integral-Differential(„PID")-Logik programmiert werden, um im Steuerungssignal 45 umgesetzte Steuerungsparameter zu erzeugen. Die Verwendung einer PID-Logik stellt den besten Weg zur Verhinderung einer Überkompensation der Antriebsfrequenz und zur Reduzierung des Risikos, daß instabile Oszillationen der Antriebsfrequenz durch das in 3 gezeigte Steuerungssystem hervorgerufen werden, dar. Des weiteren kann auch eine andere bekannte Steuerungslogik anstelle der PID-Logik zur Abstimmung der Antriebsfrequenz für Änderungen von f_S' abhängig von den an das Steuerungssystem gestellten Forderungen durch die wahrscheinlich bei einem Ultraschallhandstück anzutreffenden Arten von Belastungsbedingungen verwendet werden. Beispielsweise kann für das System lediglich die Verwendung einer proportionalen oder proportional-integralen Steuerung erforderlich sein. Die Beschaffenheit der PID und anderer Steuerungslogiken ist gut bekannt und wird daher in diesem Dokument nicht weiter beschrieben.
Da die Verwendung einer Software-implementierten PID-Logik (im DSP 40) zu einer inakzeptablen Verzögerung bei den in 3 gezeigten Steuerungssystemen führen kann, kann ein zweckgebundener, digitaler PID-Controller am Ausgang des DSP 40 in das Steuerungssystem eingefügt werden. Mit einem derartigen digitalen PID-Controller wird die PID-Logik am Aus gang des DSP 40 ausgeführt bzw. ein Steuerungssignal 45 erzeugt. Bei einem derartigen PID-Controller kann es sich um jede einer Vielzahl von kommerziell erhältlichen, integrierten Schaltungen oder diskreten, in irgendeiner beliebigen bekannten Konfiguration angeordneten Komponenten handeln. Unabhängig davon, ob das Steuerungssignal 45 direkt von einem DSP oder mit Hilfe eines geeigneten digitalen PID-Controllers erzeugt wird, wird vom VCO 10 oder VCO 50 vorzugsweise das Steuerungssignal 45 zur Einstellung von f₁ verwendet, so daß es näherungsweise dem unter Last neu ermittelten f_S' entspricht. Der gesamte Zyklus wird kontinuierlich wiederholt, um f₁ näherungsweise bei der tatsächlichen Reihen-Resonanz des Handstücks zu halten.
Der SR780 von Stanford Research umfaßt des weiteren eine programmierbare Quelle, die zur Erzeugung der Antriebssignalkomponenten 25a, 25b und 25c oder 65a und 65b ausreichend flexibel ist. Somit kann der SR780 zur Ausgabe von Antriebssignalen 25 oder 65, zur Messung von Response-Signalen 35a, 35b, 35c, 75a oder 75b, zur Bestimmung der Admittanz-Kurven 37 oder 77 und des Wertes von f_S' und zur Erzeugung von Steuerungssignalen 45 oder 85 programmiert werden, um das Antriebssignal 25 oder 65 zu ändern (und somit die Antriebssignale 25a, 25b und 25c oder die Antriebssignale 65a und 65b), um eine mechanische und/oder thermische Last an einem verwendeten Handstück zu kompensieren.
Die oben angegebene Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist lediglich zum Zweck einer Veranschaulichung und Erläuterung angegeben. Änderungen, Abwandlungen, Modifizierungen und Abweichungen von den oben offenbarten Systemen und Verfahren können umfaßt sein, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ultraschall-Handstücks (30) mit einer variablen Reihen-Resonanzfrequenz, umfassend die Schritte: a. Erzeugen eines Antriebssignals (25) mit i. einem ersten Signal (25a) mit einer ersten Frequenz (f₁), die einem bekannten momentanen Wert einer Reihen-Resonanzfrequenz (f_S) im wesentlichen gleich ist, ii. einem zweiten Signal (25b) mit einer zweiten Frequenz (f₂), die größer als die erste Frequenz ist; und iii. einem dritten Signal (25c) mit einer dritten Frequenz (f₃), die kleiner als die erste Frequenz ist; b. Anregen des Handstücks mit dem Antriebssignal (25); c. Messen einer ersten Admittanz (Y₁) bei der ersten Frequenz, einer zweiten Admittanz (Y₂) bei der zweiten Frequenz und einer dritten Admittanz (Y₃) bei der dritten Frequenz; d. Vorhersagen einer zukünftigen Reihenresonanzfrequenz (f_S') basierend auf den relativen Werten der ersten, zweiten und dritten Admittanz; und e. Ändern der ersten Frequenz (f₁), so daß sie der zukünftigen Reihenresonanzfrequenz (f_S') entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren den Schritt zum Berechnen eines Dithering-Inkrements (δ) umfaßt, das gleich dem Absolutwert der Differenz zwischen der zweiten Frequenz (f₂) und der ersten Frequenz (f₁) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Änderns der ersten Frequenz (f₁), so daß sie der zukünftigen Reihenresonanzfrequenz (f_S') entspricht, des weiteren umfaßt: a. Reduzieren der ersten Frequenz, falls: i. die dritte Admittanz (Y₃) kleiner als die erste Admittanz (Y₁) und die erste Admittanz kleiner als oder gleich der zweiten Admittanz (Y₂) ist oder ii. die dritte Admittanz (Y₃) kleiner als die zweite Admittanz (Y₂) und die zweite Admittanz kleiner als die erste Admittanz (Y₁) ist; b. Im wesentlichen konstant Halten der ersten Frequenz (f₁), falls die dritte Admittanz (Y₃) der zweiten Admittanz (Y₂) im wesentlichen gleich ist und die dritte (Y₃) und zweite Admittanz (Y₂) kleiner als die erste Admittanz (Y₁) sind; und c. Erhöhen der ersten Frequenz (f₁), falls: i. die zweite Admittanz (Y₂) kleiner als die dritte Admittanz (Y₃) und die dritte Admittanz (Y₃) kleiner als oder gleich der ersten Admittanz (Y₁) ist, oder ii. die zweite Admittanz (Y₂) kleiner als die erste Admittanz (Y₁) und die erste Admittanz (Y₁) kleiner als die dritte Admittanz (Y₃) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jeder der Schritte zum Verkleinern und Vergrößern des weiteren ein Bestimmen eines Dithering-Inkrements (δ) umfaßt, um das die erste Frequenz (f₁) verkleinert bzw. vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Dithering-Inkrement (δ) zwischen dem ungefähr 0,001 und 0,1-fachen der Differenz zwischen einem Anfangswert einer Reihenresonanzfrequenz (f_S) und einem Anfangswert einer Parallel-Resonanzfrequenz (f_P) des Handstücks (30) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Dithering-Inkrement (δ) ungefähr das 0,01-fache der Differenz zwischen dem Anfangswert der Reihenresonanz (f_S) und dem Anfangswert der Parallel-Resonanz (f_P) des Handstücks (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das des weiteren den Schritt eines Einstellens des Dithering-Inkrements (δ) umfaßt.