DE69333234T2

DE69333234T2 - Schaltkreis für eine Phakoemulgator-Sonde mit Schalter-Ansteuerung

Info

Publication number: DE69333234T2
Application number: DE69333234T
Authority: DE
Inventors: Kevin Paul Kepley
Original assignee: American Cyanamid Co
Current assignee: Wyeth Holdings LLC
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: EP0930051A3; CA2105431A1; ES2207876T3; CA2105431C; DE69326810D1; EP0930051A2; ATE185692T1; US5388569A; JP3399043B2; AU4610193A; DE69333234D1; AU670807B2; ATE250911T1; EP0930051B1; DE69326810T2; ES2139617T3; EP0586882B1; EP0586882A1; JPH06189972A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Phakoemulsifikation und insbesondere auf Ansteuerschaltkreise für Phakoemulgator-Sonden.
Bekanntlich werden Ultraschallhandgeräte oder Sonden zur Entfernung von Katarakten im menschlichen Auge verwendet. Diese Prozedur, Phakoemulsifikation genannt, nutzt typischerweise Ultraschallsonden zum Zerbrechen von Katarakten im Auge kombiniert mit einem Absaugen der resultierenden Trümmer. Ultraschallsonden zur Phakoemulsifikation enthalten typischerweise einen an einem Sondenkörper befestigten piezoelektrischen Kristall (piezoelektrische Kristalle). Der Kristall wird durch eine elektrische Stromquelle angesteuert und wandelt die elektrische Leistung in Ultraschallleistung um, welche durch die Sonde auf die Katarakt angewendet wird.
Der Betrag an durch die Sonde zugeführter Leistung ist eine Funktion der Frequenz und Amplitude der elektrischen Wellenform zur Ansteuerung und wird typischerweise vom Chirurgen, der die Sonde verwendet, gesteuert. Bekanntlich sollte die Frequenz der verwendeten elektrischen Wellenform zur effizienten Leistungsumwandlung auf die Resonanzfrequenz der Sonde eingestellt sein.
Ansteuerschaltkreise für Phakoemulgator-Sonden nach dem Stand der Technik arbeiten ausreichend; sie könnten aber verbessert werden. Zum Beispiel weisen Ansteuerschaltkreise nach dem Stand der Technik einen Leistungsverbrauchspegel auf, der höher als wünschenswert ist. Dieser hohe Pegel des Leistungsverbrauchs ist nicht nur ineffizient; er hat auch andere Unzulänglichkeiten zur Folge. Ein höherer Leistungsverbrauch erzeugt mehr Hitze, was die Verwendung größerer Wärmesenken als wünschenswert erfordert, das Gesamtgewicht und die Gesamtgröße des Geräts erhöht und möglicherweise zusätzliche Kühlventilatoren oder andere Mittel zum Dissipieren der überschüssigen Energie erfordert.
Der Stand der Technik offenbart eine Vielzahl von Systemen für eine Phakoemulgator-Sonde, wie z. B. das im US-Patent Nr. 4,587,958 offenbarte. Das US-Patent Nr. 4,587,958 offenbart ein System für eine Phakoemulgator-Sonde mit einem Ultraschallbandgerät, welches enthält: einen Transducer zum Umwandeln elektrischer Leistung in Ultraschalleistung zur Anwendung auf den Patienten, ein Ansteuerschaltkreismittel zum Liefern elektrischer Leistung an den Transducer des Ultraschallbandgeräts, ein Mittel zum Erfassen bzw. Abfühlen der vom Ansteuerschaltkreismittel an den Transducer des Ultraschallbandgeräts gelieferten elektrischen Leistung und zum Liefern elektrischer Signale, die die Größe der vom Ansteuerschaltkreismittel gelieferten elektrische Energie angeben, ein manuell bedienbares Eingabemittel, um ein Signal zu liefern, das den vom Nutzer des Systems für eine Phakoemulgator-Sonde gewünschten Leistungspegel des Transducers angibt; und ein Steuerschaltkreismittel, das auf das den gewünschten Leistungspegel des Transducers angebende Signal und auf die Signale anspricht, die die Größe der zugeführten elektrischen Leistung zum Liefern von Steuersignalen an das Ansteuerschaltkreismittel angeben, um die angelegte Leistung zu steuern und den Wirkungsgrad der Leistungsanwendung zu steuern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung kann die Bereitstellung eines Ansteuerschaltkreises für eine Phakoemulgator-Sonde mit verbessertem Wirkungsgrad angeführt werden.
Eine zweite Aufgabe ist, einen solchen Ansteuerschaltkreis einer Sonde mit reduzierter Größe und reduziertem Gewicht zu schaffen.
Eine dritte Aufgabe ist, einen solchen Ansteuerschaltkreis einer Sonde mit reduzierter Größe und reduziertem Gewicht zu schaffen.
Andere Aufgaben und Merkmale sind im folgenden zum Teil offensichtlich und werden zum Teil aufgezeigt.
Kurz gesagt schließt das System für eine Phakoemulgator-Sonde der vorliegenden Erfindung die im Anspruch 1 zitierten Merkmale ein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Systems für eine Phakoemulgator-Sonde (Referenzsystem);
2 ist ein Diagramm, das die im System von 1 auftretenden Spannungspegel veranschaulicht;
3 ist ein Blockdiagramm des Systems für eine Phakoemulgator-Sonde der vorliegenden Erfindung;
3A ist eine schematische Darstellung eines Teils der Schaltungsanordnung von 3; und
4 ist ein Diagramm, das die Rechteckwellenausgabe eines Teils des Ansteuerschaltkreises des Systems von 1 veranschaulicht.
Ähnliche Bezugszeichen geben in allen verschiedenen Ansichten der Zeichnung ähnliche Teile an.
Beschreibung des Referenzsystems (1; nicht erfindungsgemäß) und einer bevorzugten Ausführungsform (3):
Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, weist ein System 11 für eine Phakoemulgator-Sonde der vorliegenden Erfindung ein Ultraschallbandgerät oder eine Sonde 13 mit einem Distalende mit einer Größe auf, die für einen Einsatz in ein Auge eines Patienten geeignet ist, um Katarakte und dergleichen zu emulgieren. Für die Zwecke dieser Erfindung kann das Handgerät 13 irgendeine herkömmliche piezoelektrische Gestaltung aufweisen und einen herkömmlichen Transducer zum Umwandeln elektrischer Leistung in Ultraschallleistung für die Anwendung auf den (nicht dargestellten) Patienten einschließen.
Ein Ansteuerschaltkreis 15 ist vorgesehen, um die elektrische Leistung an den Transducer des Ultraschallbandgerätes zu liefern. Die (in 1 mit VAPL bezeichnete) Span nung und der (mit IAPL bezeichnete) Strom, die durch den Ansteuerschaltkreis tatsächlich zugeführt werden, werden durch eine herkömmliche Spannung und Strom abfühlende Schaltungsanordnung 17 abgefühlt, und elektrische Signale, die die angelegte Spannung VAPL und den zugeführten Strom repräsentieren, werden von der abfühlenden Schaltungsanordnung an einen Steuercomputer 19 geliefert. Der Steuercomputer 19 kann ein herkömmlicher Mikroprozessor sein, der geeignet programmiert ist, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
Zusätzlich zu den Einspeisungen VAPL und IAPL empfängt der Computer 19 eine (mit F bezeichnete) Eingabe von einer manuell bedienbaren Eingabevorrichtung 21. Die Eingabevorrichtung 21 ist ein herkömmliches Fußpedal, mit dessen Hilfe der Chirurg dem Computer signalisiert, die Ausgangsleistung der Sonde 13 zu erhöhen oder zu verringern.
Der Steuercomputer 19 weist drei (mit A und "freq" bezeichnete) Ausgangssignale auf, die zur Steuerung des Ansteuerschaltkreises 15 vorgesehen sind. Es ist bekannte Technik, Steuersignale A und "freq" zu liefern, um die Ausgangsleistung beim gewünschten Pegel und bei der Resonanzfrequenz der Sonde bereitzustellen.
Die Steuersignale A und "freq" vom Steuercomputer werden an einen herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillator 23 geliefert, dessen Ausgabe an einen Verstärker 25 der Klasse B geliefert wird. Die Leistung für den Verstärker der Klasse B wird von einem Schaltregler 27 erhalten, und die Ausgabe des Verstärkers 25 wird zugeführt, um einen Transformator 29 anzusteuern. Die Ausgabe des Transformators 29 wird an die Sonde 13 angelegt, und die gleiche Ausgabe wird durch einen abfühlenden Schaltkreis 17 wie oben beschrieben abgefühlt.
Der Schaltregler 27 liefert an den Verstärker 25 eine (mit VADJ bezeichnete) Versorgungsspannung, die eine Funktion des anderen Steuersignals vom Computer 19, nämlich des Steuersignals V im Referenzsystem von 1 ist, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Im allgemeinen wird das Steuersignal V verwendet um den Wirkungsgrad der Anwendung von Leistung zu steuern, konkret den Leistungsverbrauch des Verstärkers wesentlich zu minimieren, während das Steuersignal A genutzt wird, um den Pegel der der Sonde zugeführten Leistung zu steuern.
Der Betrieb des Systems 11 findet folgendermaßen statt: während des Einsatzes des Systems 11 (nach einer anfänglichen Einstellung des Steuersignals "freq", um die Resonanzfrequenz der Sonde 13 zu finden) empfängt der Steuercomputer 19 vom Fußpedal 21 ein Signal F, das den Leistungspegel signalisiert, der nach Wunsch des Nutzers der Sonde 13 zugeführt werden soll. Der Computer 19 stellt als Antwort das Amplitudensteuersignal A für den spannungsgesteuerten Oszillator 23 ein, um den gewünschten Leistungspegel ungefähr an die Sonde zu liefern. Die tatsächliche angelegte Spannung VAPL und der tatsächliche zugeführte Strom IAPL werden abgefühlt, und sie repräsentierende Signale werden an den Computer 19 geliefert, so daß der Regelkreis zwischen dem Ansteuerschaltkreis und dem Computer 19 geschlossen ist. Der Computer nutzt diese Information bezüglich der tatsächlichen zugeführten Leistung, um ein Steuersignal A nötigenfalls so einzustellen, daß die gewünschte Leistung entsprechend dem Eingangssignal F an die Sonde abgegeben wird.
Obgleich eine Steuerung des Signals A zur Folge hat, dass die gewünschte Leistung an die Sonde geliefert wird, steuert sie nicht den Wirkungsgrad des Ansteuerschaltkreises 15. Um diesen Wirkungsgrad zu steuern und dadurch den Leistungsverbrauch wesentlich zu minimieren, stellt der Computer 19 ferner ein Steuersignal V für den Schaltregler 27 ein. Der Schaltregler (vorzugsweise ein Verstärkungsregler, obgleich andere Arten von Schaltreglern ebenfalls genutzt werden könnten) wird mit einer (mit VFIXED bezeichneten) festen Spannung versorgt, die er wie durch das Steuersignal V befohlen reguliert. Eine Einstellung des Steuersignals v bewirkt, dass sich die Versorgungsspannungsabgabe VADJ des Schaltreglers in kontrollierter Weise ändert.
Der Wert der Versorgungsspannung VADJ wird wie folgt bestimmt: nach 2 ist die Spannung VB das an den Transformator 29 angelegte Signal. Dieses Signal ist eine Sinuswelle mit einer Amplitude VP. Die Spannung VB hat folglich eine Amplitude 2*VP von Spitze zu Spitze. Ein Verstärker 25 der Klasse B arbeitet so, dass VB = VADJ/2 + vP*sinwt gilt. Der Computer 19 steuert den Schaltregler 27, so dass die Versorgungsspannung VADJ beim Pegel VADJ = 2*VP + 2*VM bleibt, während VP als Antwort auf ein Fußpedalsignal F variiert. VM ist die vom Verstärker der Klasse B geforderte Grenzspannung, so daß das Signal ohne signifikante Verzerrung geeignet durchgelassen wird. Falls VADJ größer als dieser Wert (2*(VP + VM)) wäre, würde dann Überschußleistung im Verstärker 25 dissipiert werden. Falls VADJ geringer als dieser Wert wäre, würde dann das Signal verzerrt werden.
Nach 3 ist die vorliegende Erfindung dem Referenzsystem von 1 ähnlich, aber statt eines Verstärkers 25 der Klasse B weist sie eine Totem-Pole-Schaltung 31 gefolgt von einem formgebenden Filter 33 auf. In der gleichen Weise wie das System von 1 empfängt der Steuercomputer 19 vom Fußpedal 21 ein Signal F, das den gewünschten Leistungspegel repräsentiert, der der Sonde 13 zugeführt werden soll. Der Steuercomputer stellt dann das Amplitudensignal A für den Schaltregler 27 ein, der die Größe der Versorgungsspannung Vs steuert. Der Wert von Vs wiederum bestimmt die Amplitude der Rechteckwelle Vsq, die an das formgebende Filter 33 angelegt wird. Das formgebende Filter (ein Bandpaßfilter) weist die Oberschwingungen der Rechteckwelle (und jeglichen Gleichstrompegel) zurück und läßt nur die Grundfrequenz durch. Die Ausgabe Vsig ist somit ein sinusförmiges Signal, das an den Transformator und den abfühlenden Schaltkreis 29 angelegt wird. Der Schaltkreis 29 fühlt die angelegte Spannung und zugeführten Strom zur Sonde ab, nämlich Vapl und Iapl. Aus diesen Signalen wird vom Steuercomputer die der Sonde zugeführte tatsächliche Leistung berechnet. Dies ermöglicht, daß der Steuercomputer den Regelkreis schließt, und eine Steuerung des Signal A, um die vom Signal F befohlene gewünschte Leistung an die Sonde abzugeben.
Es sollte sich wieder verstehen, dass die durch das Signal "freq" gesteuerte Frequenz am Beginn der Operation einmal eingestellt wird, um die Resonanzfrequenz der Sonde zu finden, und dann anschließend konstant gelassen wird. Änderungen der gewünschten Leistung werden durch Ändern des Steuersignals "A" vorgenommen.
In 3A kann man erkennen, daß die Ausgabe vom VCO 23 an den Schaltsteuerungs- und Treiberteil 39 der Totem-Pole-Schaltung 31 geliefert wird, die wiederum Schalter 41 und 43 öffnet und schließt, um die in der oberen Linie von 4 gezeigte Rechteckwellenausgabe zu liefern. Diese Rechteckwelle wird durch das formgebende Filter 33 gefiltert, um die sinusförmige Wellenform Vsig, die in der unteren Linie von 4 gezeigt ist, an den Transformator zu liefern.
Man hat festgestellt, dass das System der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik außerordentlich erhöhte Wirkungsgrade liefert. Bei einem System nach dem Stand der Technik ist zum Beispiel die Versorgungsspannung Vs bei einem gewissen Wert fixiert, der groß genug ist, so daß die maximale Leistung an die Last mit dem größten Lastwiderstand abgegeben werden kann. Zu Vergleichszwecken nehme man an, daß alle drei Systeme (Stand der Technik, 1 und 3) dafür ausgelegt sind, eine maximale Leistung von 20 W an eine Last im Bereich von 2,2 Ohm bis 11,1 Ohm abzugeben.
Das System nach dem Stand der Technik muß eine Versorgungsspannung von 48 V haben, um die maximale Leistung (20 W) an die größte Widerstandslast (11,1 Ohm) abgeben zu können. Zum Vergleich ergibt eine Berechnung, daß die im System nach dem Stand der Technik dissipierte Leistung von 8,9 W bei 11,1 Ohm (Wirkungsgrad 68,7%) bis zu 45,1 W bei 2,2 Ohm (Wirkungsgrad 30,7%) variiert. Im Gegensatz dazu hat das System von 1 eine Leistungsdissipation, die derjenigen des Systems nach dem Stand der Technik bei 11,1 Ohm identisch ist aber bei 2 2 Ohm eine Leistungsdisspation von nur 13,6 W (Wirkungsgrad 59,6%). Dies ist nahezu der doppelte Wirkungsgrad des Systems nach dem Stand der Technik bei niedrigem Widerstand. Sogar bei einem durchschnittlichen Lastwiderstand (ungefähr 4 Ohm) ist das System von 1 ungefähr 20% leistungsfähiger als das System nach dem Stand der Technik.
Das System von 3 ist sogar leistungsfähiger. Der Wirkungsgrad variiert von etwa 95% bis 99%, wenn sich der Lastwiderstand von 2,2 auf 11,1 Ohm ändert. Dies ist eine sehr signifikante Verbesserung. Die maximale Dissipation, die bei dem System von 3 bewältigt werden muss, ist geringer als 1 Watt. Bei diesem Dissipationspegel kann es bei manchen Anwendungen möglich sein, eine Wärmesenke völlig zu eliminieren.
Obgleich die oben erwähnten Wirkungsgrade theoretisch sind, kann man sich ihnen in der Praxis dicht annähern, was dem System von 3 große praktische Vorteile gegenüber dem Stand der Technik verleiht. Außerdem sollte besonders erwähnt werden, dass die oben erwähnten Wirkungsgrade sich auf nur den Verstärker und nicht auf etwaige Wirkungsgrade beziehen, die sich aus der Verwendung eines Schaltreglers ergeben.
Es sollte erkannt werden, dass die oben beschriebenen Komponenten nur veranschaulichend sind. Eine beliebige Anzahl ähnlicher Komponenten könnte bei der gleichen Erfindung verwendet werden. Zahlreiche Variationen der vorliegenden Konstruktionen und Verfahren können genutzt werden. Die hierin angegebenen Beispiele sind nur veranschaulichend und sollen nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden.

Claims

System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde mit einem Ultraschallbandgerät (13) mit einem Distalende einer Größe, die für einen Einsatz in ein Auge eines Patienten geeignet ist, um Katarakte zu emulgieren, wobei das Handgerät (13) einen Transducer enthält, um elektrische Leistung in Ultraschalleistung zur Anwendung auf den Patienten umzuwandeln; einem Ansteuerschaltkreismittel (23, 27, 31, 39, 29), um elektrische Leistung an den Transducer des Ultraschallbandgerätes zu liefern, einem Mittel zum Abfühlen der elektrischen Leistung (29), die von dem Ansteuerschaltkreismittel (23, 27, 31, 39, 29) an den Transducer des Ultraschallbandgerätes geliefert wird, und um elektrische Signale (V_APL, I_APL) zu liefern, die die Größe der durch das Ansteuerschaltkreismittel (23, 27, 31, 39, 29) gelieferten elektrischen Leistung angeben; einem manuell bedienbaren Eingabemittel (21), um ein Signal zu liefern, das den vom Nutzer des Systems (11) für eine Phakoemulgator-Sonde gewünschten Leistungspegel des Transducers angibt; und einem Steuerschaltkreismittel (19), das auf das Signal (F) anspricht, das den gewünschten Leistungspegel des Transducers angibt, und auf die Signale (V_APL, I_APL), die die Größe der gelieferten elektrischen Leistung angeben, um Steuersignale an das Ansteuerschaltkreismittel (23, 27, 31, 39, 29) zu liefern, um die angelegte Leistung zu steuern, wobei das Ansteuerschaltkreismittel (23, 27, 31, 39, 29) Schaltmittel (31, 39) enthält, die auf zumindest eines der Steuersignale ansprechen, um Leistung in einer Rechteckwellenform (V_SQ) anzulegen, und ein Reglermittel (27), um eine Versorgungsspannung (V_S) an die Schaltmittel (31, 39) zu liefern, wobei die Schaltmittel (31, 39) ein Mittel (23) enthalten, das auf das eine der Steuersignale anspricht, um die Frequenz der Rechteckwellenform anfangs zu variieren, wobei das Reglermittel (27) auf ein zweites Steuersignal (A) von dem Steuerschaltkreismittel (19) anspricht, um die Spannung (V_S) zu variieren, die vom Reglermittel (27) an die Schaltmittel (31, 39) geliefert wird, um die Amplitude der Rechteckwellenform zu steuern, wodurch die an die Sonde (13) abgegebene Leistung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (31, 39) einen Oszillator (23) enthält, der auf das eine der Steuersignale direkt anspricht, um die Frequenz der Rechteckwellenform anfangs einzustellen, wobei das eine der Steuersignale die Oszillationsfrequenz des Oszillators (23) steuert.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach Anspruch 1, worin die Rechteckwellenform (V_SQ) einen Arbeitszyklus von ungefähr fünfzig Prozent hat.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach Anspruch 1 oder 2, worin für eine feste Frequenz der Rechteckwellenform der Steuerschaltkreis (19) das Reglermittel (27) steuert, um eine Versorgungsspannung (V_S) einer Größe zu liefern, die ausgewählt wird, um den gewünschten Leistungspegel des Transducers an den Transducer (13) zu liefern.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Reglermittel (27) ein Schaltregler (27) ist, dessen Ausgangsspannung (V_S) durch das zweite Steuersignal vom Steuerschaltkreismittel (19) gesteuert wird.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Ausgang des Schaltmittels (31, 39) mit einem Formfilter (33) verbunden ist, wobei der Ausgang (V_SIG) des Formfilters (33) mit dem Eingang eines Transformators (29) verbunden ist, wobei der Ausgang des Transformators (29) angeschlossen ist, um den Transducer (13) des Ultraschallhandgerätes anzusteuern, und das Mittel zum Abfühlen (29) der an das Ultraschallhandgerät gelieferten elektrischen Leistung mit dem Transformator verbunden ist, um die gelieferte elektrische Leistung abzufühlen.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Schaltmittel (31, 39) einen Totem-Pole-Schalter (31) enthält.
System (11) für eine Phakoemulgator-Sonde nach Anspruch 6, worin der Totem-Pole-Schalter (31) eine wesentlich niedrige re Quellimpedanz als Verstärker der Klasse A, Klasse B, und Klasse AB hat.