技术摘要：
本发明公开了用于评估超声装置的端部执行器的状态的发生器、超声装置以及方法的各种方面。该超声装置包括由预定谐振频率限定的机电超声系统，该机电超声系统包括耦合到超声刀的超声换能器。控制电路测量超声换能器的复阻抗，其中该复阻抗被定义为式(1)。该控制电路接收  全部
背景技术：
在外科环境中，智能能量装置可需要在智能能量架构环境中。超声外科装置诸如 超声手术刀，因其独特的性能特征而用于外科规程的多种应用中。根据具体的装置配置和 操作参数，超声外科装置可大体上同时提供组织的横切和通过凝结止血，从而有利地使患 者创伤最小化。超声外科装置可包括包含超声换能器的手持件，以及耦合到超声换能器的 器械，该超声换能器具有安装在远侧的端部执行器(例如，刀末端)以切割并密封组织。在一 些情况下，器械可永久性地附连到手持件。在其他情况下，器械可为可从手持件拆卸的，如 在一次性器械或可互换器械的情况下。端部执行器将超声能量传输到与端部执行器进行接 触的组织，以实现切割和密封动作。具有该性质的超声外科装置可被配置用于开放性外科 用途、腹腔镜式或内窥镜式外科规程，包括机器人辅助的规程。 超声能量使用低于电外科规程中所用的温度来切割并凝结组织，并且可通过与手 持件连通的超声发生器将超声能量传输到端部执行器。在以高频振动(例如，每秒55,500个 循环)的情况下，超声刀使组织中的蛋白变性，以形成粘性凝固物。刀表面施加在组织上的 压力使血管塌缩并使该凝固物形成止血密封。外科医生可通过由端部执行器施加到组织的 力、施加该力的时间以及端部执行器的选定偏移水平来控制切割速度和凝结。 超声换能器可被建模成等效电路，该等效电路包括具有静态电容的第一支路和具 有串联连接的电感、电阻和电容的第二“动态”支路，该电感、电阻和电容限定谐振器的机电 特性。已知的超声发生器可包括调谐电感器，该调谐电感器用于解谐处于谐振频率的静态 电容，使得大体上发生器的驱动信号电流中的全部均流入动态支路中。因此，通过使用调谐 电感器，发生器的驱动信号电流表示动态支路电流，并且因此发生器能够控制其驱动信号 8 CN 111601564 A 说　明　书 3/128 页 以保持超声换能器的谐振频率。调谐电感器还可变换超声换能器的相阻抗图以改善发生器 的频率锁定能力。然而，调谐电感器必须与超声换能器在操作谐振频率下的特定静态电容 匹配。换句话讲，具有不同静态电容的不同超声换能器需要不同的调谐电感器。 另外，在一些超声发生器架构中，发生器的驱动信号呈现非对称谐波失真，这使阻 抗量值和相位测量复杂化。例如，阻抗相位测量的准确性可由于电流和电压信号中的谐波 失真而减小。 此外，噪声环境中的电磁干扰会降低发生器保持对超声换能器的谐振频率的锁定 的能力，从而增加无效控制算法输入的可能性。 用于将电能施加到组织以治疗和/或破坏组织的电外科装置也在外科规程中得到 日益广泛的应用。电外科装置包括手持件和具有远侧安装的端部执行器(例如，一个或多个 电极)的器械。该端部执行器可抵靠组织定位，使得电流被引入组织中。电外科装置可被配 置为用于双极或单极操作。在双极操作期间，电流分别通过端部执行器的有源电极和返回 电极被引入到组织中并从组织返回。在单极操作期间，电流通过端部执行器的有源电极被 引入组织中并且通过单独定位在患者身体上的返回电极(例如，接地垫)返回。流过组织的 电流所产生的热可在组织内和/或在组织之间形成止血密封，并因此可尤其适用于例如密 封血管。电外科装置的端部执行器还可包括能够相对于组织移动的切割构件以及用于横切 组织的电极。 由电外科装置施加的电能可通过与手持件连通的发生器传输至器械。电能可为射 频(RF)能量的形式。RF能量是可在300kHz至1MHz的频率范围内的电能形式，如EN60601-2- 2:2009 A11:2011，定义201.3.218-高频中所述。例如，单极RF应用中的频率通常被限制为 小于5MHz。然而，在双极RF应用中，频率几乎可为任何值。单极应用通常使用高于200kHz的 频率，以便避免由于使用低频电流而产生不希望的对神经和肌肉的刺激。如果风险分析显 示神经肌肉刺激的可能性已减轻至可接受的水平，则双极技术可使用更低频率。通常，不使 用高于5MHz的频率以最小化与高频渗漏电流相关联的问题。通常认为，10mA是组织热效应 的下限阈值。 在其操作期间，电外科装置可穿过组织传输低频RF能量，这会引起离子振荡或摩 擦，并实际上引起电阻性加热，从而升高组织的温度。由于可在受影响的组织和周围组织之 间形成尖锐边界，因此外科医生能够以高精确度水平进行操作，并在不损伤相邻的非目标 组织的情况下进行控制。RF能量的低操作温度可适用于在密封血管的同时移除软组织、收 缩软组织、或对软组织塑型。RF能量可尤其良好地适用于结缔组织，该结缔组织主要由胶原 构成，并在接触热时收缩。 由于其独特的驱动信号、感测和反馈需求，超声和电外科装置通常需要不同的发 生器。另外，在其中器械为一次性的或可与手持件互换的情形中，超声和电外科发生器识别 所用特定器械配置以及相应地优化控制和诊断过程的能力受限。此外，发生器的非隔离电 路和患者隔离电路之间的电容耦合，尤其是在使用更高电压和频率的情况下，可导致患者 暴露于不可接受的泄漏电流水平。 此外，由于其独特的驱动信号、感测和反馈需要，超声和电外科装置通常需要用于 不同发生器的不同用户界面。在此类常规超声和电外科装置中，一个用户界面被配置为能 够与超声器械一起使用，而另一个用户界面可被配置为能够与电外科器械一起使用。此类 9 CN 111601564 A 说　明　书 4/128 页 用户界面包括手和/或脚激活的用户界面，诸如手激活交换器和/或脚激活交换器。由于在 随后的公开中设想了与超声外科器械和电外科器械一起使用的组合发生器的各个方面，因 此还设想了被配置为能够与超声和/或电外科器械发生器一起操作的附加用户界面。 在后续公开中设想用于向用户或其他机器提供反馈的附加用户界面，以提供指示 超声和/或电外科器械的操作模式或状态的反馈。提供用于操作超声和/或电外科器械的组 合的用户和/或机器反馈将需要向用户提供感觉反馈以及向机器提供电/机械/机电反馈。 在后续公开中设想并入用于组合超声和/或电外科器械的视觉反馈装置(例如，LCD显示屏、 LED指示器)、音频反馈装置(例如，扬声器、蜂鸣器)或触觉反馈装置(例如，触觉致动器)的 反馈装置。 其他电外科器械包括但不限于不可逆和/或可逆电穿孔、和/或微波技术等等。因 此，本文所公开的技术可适用于超声、双极或单极RF(电外科)、不可逆和/或可逆电穿孔、 和/或基于微波的外科器械等等。
技术实现要素：
在一个总体方面，提供了一种评估超声装置的端部执行器的状态的方法。该超声 装置包括由预定谐振频率限定的机电超声系统，该机电超声系统包括耦合到超声刀的超声 换能器。该方法包括：由控制电路测量超声换能器的复阻抗，其中该复阻抗被定义为 由控制电路接收复阻抗测量数据点； 由控制电路将复阻抗测量数据点与参考复阻抗特征图案中的数据点进行比较；由 控制电路基于比较分析的结果对复阻抗测量数据点进行分类；以及由控制电路基于比较分 析的结果分配端部执行器的状态或状况。 在另一方面，提供了一种用于评估超声装置的端部执行器的状态的发生器。该超 声装置包括由预定谐振频率限定的机电超声系统，该机电超声系统包括耦合到超声刀的超 声换能器，该发生器包括：耦合到存储器的控制电路，该控制电路被配置为能够：测量超声 换能器的复阻抗，其中该复阻抗被定义为 接收复阻抗测量数据点；将复阻抗测 量数据点与参考复阻抗特征图案中的数据点进行比较；基于比较分析的结果对复阻抗测量 数据点进行分类；以及基于比较分析的结果分配端部执行器的状态或状况。 在又一方面，提供了一种用于评估其端部执行器的状态的超声装置。该超声装置 包括：由预定谐振频率限定的机电超声系统，该机电超声系统包括耦合到超声刀的超声换 能器；控制电路，该控制电路耦合到存储器，该控制电路被配置为能够：测量超声换能器的 复阻抗，其中该复阻抗被定义为 接收复阻抗测量数据点；将复阻抗测量数据点 与参考复阻抗特征图案中的数据点进行比较；基于比较分析的结果对复阻抗测量数据点进 行分类；以及基于比较分析的结果分配端部执行器的状态或状况。 在又一方面，提供了一种评估超声装置的端部执行器的状态的方法。该超声装置 包括由预定谐振频率限定的机电超声系统，该机电超声系统包括耦合到超声刀的超声换能 器。该方法包括：由驱动电路向超声换能器施加驱动信号，其中该驱动信号是由量值和频率 限定的周期性信号； 10 CN 111601564 A 说　明　书 5/128 页 由处理器或控制电路扫描从电磁超声系统的谐振谐振以下到谐振谐振以上的驱 动信号的频率；由处理器或控制电路测量并记录阻抗/导纳圆变量Re、Ge、Xe、Be； 由处理器或控制电路将所测量的阻抗/导纳圆变量Re、Ge、Xe、Be与参考阻抗/导纳 圆变量Rref、Gref、Xref、Bref进行比较；以及由处理器或控制电路基于比较分析的结果确定端 部执行器的状态或状况。 附图说明 各个方面的特征在所附权利要求书中进行了特别描述。然而，通过参考以下结合 如下附图所作的说明可最好地理解各个方面(有关手术组织和方法)及其进一步的目的和 优点。 图1为根据本公开的至少一个方面的计算机实现的交互式外科系统的框图。 图2为根据本公开的至少一个方面的用于在手术室中执行外科规程的外科系统。 图3为根据本公开的至少一个方面的与可视化系统、机器人系统和智能器械配对 的外科集线器。 图4为根据本公开的至少一个方面的外科集线器壳体和可滑动地接纳在外科集线 器壳体的抽屉中的组合发生器模块的局部透视图。 图5为根据本公开的至少一个方面的具有双极、超声和单极触点以及排烟部件的 组合发生器模块的透视图。 图6示出了根据本公开的至少一个方面的用于横向模块化外壳的多个横向对接端 口的单个功率总线附接件，该横向模块化外壳被配置为能够容纳多个模块。 图7示出了根据本公开的至少一个方面的被配置为能够容纳多个模块的竖直模块 化外壳。 图8示出了根据本公开的至少一个方面的包括模块化通信集线器的外科数据网 络，该模块化通信集线器被配置为能够将位于医疗设施的一个或多个手术室中的模块化装 置或专用于外科操作的医疗设施中的任何房间连接到云。 图9为根据本公开的至少一个方面的计算机实现的交互式外科系统。 图10示出了根据本公开的至少一个方面的包括耦合到模块化控制塔的多个模块 的外科集线器。 图11示出了根据本公开的至少一个方面的通用串行总线(USB)网络集线器装置的 一个方面。 图12示出了根据本公开的至少一个方面的外科器械或工具的控制系统的逻辑图。 图13示出了根据本公开的至少一个方面的被配置为能够控制外科器械或工具的 各个方面的控制电路。 图14示出了根据本公开的至少一个方面的被配置为能够控制外科器械或工具的 各个方面的组合逻辑电路。 图15示出了根据本公开的至少一个方面的被配置为能够控制外科器械或工具的 各方面的时序逻辑电路。 图16示出了根据本公开的至少一个方面的包括多个马达的外科器械或工具，多个 马达可被激活以执行各种功能。 11 CN 111601564 A 说　明　书 6/128 页 图17为根据本公开的至少一个方面的被配置为能够操作本文所述的外科工具的 机器人外科器械的示意图。 图18示出了根据本公开的至少一个方面的被编程以控制位移构件的远侧平移的 外科器械的框图。 图19为根据本公开的至少一个方面的被配置为能够控制各种功能的外科器械的 示意图。 图20为根据本公开的至少一个方面的被配置为能够在包括模块化通信集线器的 外科数据网络中执行自适应超声刀控制算法的系统。 图21示出根据本公开的至少一个方面的发生器的示例。 图22为根据本公开的至少一个方面的外科系统，该外科系统包括发生器和可与其 一起使用的各种外科器械。 图23为根据本公开的至少一个方面的端部执行器。 图24为根据本公开的至少一个方面的图22的外科系统的图示。 图25为根据本公开的至少一个方面的示出动态支路电流的模型。 图26为根据本公开的至少一个方面的发生器架构的结构视图。 图27A-27C为根据本公开的至少一个方面的发生器架构的功能视图。 图28A-28B为根据本公开的至少一个方面的发生器的结构和功能方面。 图29为超声驱动电路的一个方面的示意图 图30为根据本公开的至少一个方面的耦合到图29中所示超声驱动电路的变压器 的示意图。 图31为根据本公开的至少一个方面的耦合到测试电路的图30中所示变压器的示 意图。 图32为根据本公开的至少一个方面的控制电路的示意图。 图33示出了根据本公开的至少一个方面的简化的电路框图，其示出了包含在模块 化超声外科器械内的另一个电路。 图34示出根据本公开的至少一个方面的被划分为多个级的发生器电路。 图35示出了根据本公开的至少一个方面的被划分成多个级的发生器电路，其中第 一级电路是第二级电路共有的。 图36为根据本公开的至少一个方面的被配置用于驱动高频电流(RF)的驱动电路 的一个方面的示意图。 图37为根据本公开的至少一个方面的耦合到图34中所示的RF驱动电路的变压器 的示意图。 图38为根据本公开的一个方面的电路的示意图，该电路包括用于高功率能量/驱 动电路和低功率电路的独立功率源。 图39示出了允许双发生器系统在外科器械的RF发生器和超声发生器能量模态之 间切换的控制电路。 图40示出了根据本公开的一个方面的外科器械的一个方面的示意图，该外科器械 包括与外科器械一起使用的反馈系统。 图41示出了根据本公开的至少一个方面的数字合成电路诸如直接数字合成(DDS) 12 CN 111601564 A 说　明　书 7/128 页 电路的基本架构的一个方面，该DDS电路被配置为能够生成用于外科器械中的电信号波形 的多个波形状。 图42示出了根据本公开的至少一个方面的直接数字合成(DDS)电路的一个方面， 该DDS电路被配置为能够生成用于外科器械中的电信号波形的多个波形状。 图43示出了根据本公开的至少一个方面的根据模拟波形(被示出为叠加在离散的 时间数字电信号波形之上以用于比较目的)的本公开的至少一个方面的离散时间数字电信 号的一个循环。 图44为根据本公开的一个方面的控制系统的图示，该控制系统被配置为能够在闭 合构件朝远侧推进以闭合夹持臂从而以期望的速率施加闭合力负载时提供闭合构件的逐 渐闭合。 图45示出了根据本公开的一个方面的比例积分微分(PID)控制器反馈控制系统。 图46为根据本公开的一个方面的模块化手持式超声外科器械的正视分解图，其示 出了从柄部组件移除的左壳半部，从而暴露通信地耦合到多引线柄部端子组件的装置标识 符。 图47为根据本公开的至少一个方面的图46中所示的超声外科器械的触发器部分 和交换机的细节视图。 图48为根据本公开的至少一个方面的端部执行器从具有处于打开位置的钳口构 件的远侧端部的局部放大透视图。 图49为根据本公开的至少一个方面的包括多个独立操作的电路区段的分段电路 的系统图。 图50为根据本公开的至少一个方面的具有马达控制功能的外科器械的各种部件 的电路图。 图51示出了根据本公开的至少一个方面的端部执行器的一个方面，该端部执行器 包括耦合到位于钳口构件上的RF数据传感器。 图52示出了根据本公开的至少一个方面的图51中所示的柔性电路的一个方面，其 中传感器可安装到该柔性电路或与其整体地形成。 图53为根据本公开的至少一个方面的用于控制超声机电系统的频率并检测其阻 抗的替代系统。 图54为根据本公开的至少一个方面的具有端部执行器的多种不同状态和状况的 同一超声装置的光谱，其中超声换能器的阻抗的相位和量值被绘制为频率的函数。 图55为根据本公开的至少一个方面的一组3D训练数据S的曲线图的图形表示，其 中超声换能器阻抗量值和相位被绘制为频率的函数。 图56为根据本公开的至少一个方面的描绘基于复阻抗特征图案(指纹)来确定钳 口状况的控制程序或逻辑配置的逻辑流程图。 图57为根据本公开的至少一个方面的被绘制为压电振动器的虚分量与实分量之 间的关系的复阻抗的圆图。 图58为根据本公开的至少一个方面的被绘制为压电振动器的虚分量与实分量之 间的关系的复导纳的圆图。 图59为55.5kHz超声压电换能器的复导纳的圆图。 13 CN 111601564 A 说　明　书 8/128 页 图60为根据本公开的至少一个方面的阻抗分析仪的图形显示，其示出了钳口打开 且无负载的超声装置的阻抗/导纳圆图，其中红色描绘导纳，蓝色描绘阻抗。 图61为根据本公开的至少一个方面的阻抗分析仪的图形显示，其示出了钳口被夹 持在干燥羚羊皮上的超声装置的阻抗/导纳圆图，其中红色描绘导纳，蓝色描绘阻抗。 图62为根据本公开的至少一个方面的阻抗分析仪的图形显示，其示出了钳口末端 被夹持在潮湿羚羊皮上的超声装置的阻抗/导纳圆图，其中红色描绘导纳，蓝色描绘阻抗。 图63为根据本公开的至少一个方面的阻抗分析仪的图形显示，其示出了钳口被完 全夹持在潮湿羚羊皮上的超声装置的阻抗/导纳圆图，其中红色描绘导纳，蓝色描绘阻抗。 图64为根据本公开的至少一个方面的阻抗分析仪的图形显示，其示出了其中扫描 从48kHz到62kHz的频率以捕获钳口打开的超声装置的多个谐振的阻抗/导纳图，其中灰色 覆盖有助于看到圆。 图65为根据本公开的至少一个方面的描绘基于阻抗/导纳圆的半径和偏移的评估 值来确定钳口状况的控制程序或逻辑配置的过程的逻辑流程图。 图66A-图66B为超声换能器电流止血算法的图形表示，其中 图66A为作为时间的函数的进入超声换能器的最大电流的百分比的图形表示，并 且 图66B为根据本公开的至少一个方面的作为时间和组织类型的函数的超声刀温度 的图形表示。 图67为根据本公开的至少一个方面的描绘基于组织类型来控制超声刀的温度的 控制程序或逻辑配置的过程的逻辑流程图。 图68为根据本公开的一个方面的过程的逻辑流程图，该过程描绘了用于监测超声 换能器的阻抗以描绘超声刀的轮廓并基于该轮廓向超声刀递送功率的控制程序或逻辑配 置。 图69A-图69D为根据本公开的一个方面的监测超声换能器的阻抗以描绘超声刀的 轮廓并基于该轮廓向超声刀递送功率的一系列图形表示，其中 图69A为作为时间的函数的超声换能器的初始阻抗的图形表示， 图69B为基于初始阻抗的作为时间的函数的递送到超声刀的功率的图形表示， 图69C为作为时间的函数的超声换能器的新阻抗的图形表示，并且 图69D为基于新阻抗的递送到超声刀的经调节的功率的图形表示。 图70为根据本公开的至少一个方面的系统，该系统用于调节超声换能器的复阻抗 以补偿当超声刀进行关节运动时的功率损失。 图71为根据本公开的至少一个方面的描绘用于补偿作为关节运动角度的函数的 输出功率的控制程序或逻辑配置的过程的逻辑流程图。 图72为根据本公开的至少一个方面的系统，该系统用于实时测量超声换能器的复 阻抗以确定超声刀正在执行的动作。 图73为根据本公开的至少一个方面的过程的逻辑流程图，该过程描绘了用于基于 复阻抗图案来确定超声刀正在执行的动作的控制程序或逻辑配置。 图74为根据本公开的至少一个方面的描绘用于识别止血血管的自适应过程的控 制程序或逻辑配置的逻辑流程图。 14 CN 111601564 A 说　明　书 9/128 页 图75为根据本公开的至少一个方面的针对静脉和动脉血管类型的作为时间的函 数的超声换能器电流曲线的图形表示。 图76为根据本公开的至少一个方面的描绘用于识别止血血管的自适应过程的控 制程序或逻辑配置的逻辑流程图。 图77为根据本公开的至少一个方面的针对静脉和动脉血管类型的作为时间的函 数的超声换能器频率曲线的图形表示。 图78为根据本公开的至少一个方面的描绘用于识别钙化血管的过程的控制程序 或逻辑配置的逻辑流程图。 图79为根据本公开的至少一个方面的描绘用于识别钙化血管的过程的控制程序 或逻辑配置的逻辑流程图。 图80为根据本公开的至少一个方面的描绘用于识别钙化血管的过程的控制程序 或逻辑配置的逻辑流程图。 图81为根据本公开的至少一个方面的肝切除的图，其中血管嵌入在实质组织中。 图82为根据本公开的至少一个方面的在实质中但未接触血管的超声刀的图。 图83A-图83B为根据本公开的至少一个方面的超声换能器阻抗量值/相位图，其中 实质示出为红色曲线。 图84为在实质中并接触大血管的超声刀的图。 图85A-图85B为根据本公开的至少一个方面的超声换能器阻抗量值/相位图，其中 大血管示出为绿色曲线。 图86为根据本公开的至少一个方面的逻辑流程图，该逻辑流程图描绘了当检测到 血管时用于治疗实质中的组织的过程的控制程序或逻辑配置。 图87为根据本公开的至少一个方面的超声装置，该超声装置被配置为能够识别超 声刀的状态并确定计时夹持臂状态，以确定可重复使用的一次性超声装置的一次性部分是 否已正确安装。 图88为图87中所示的超声装置的端部执行器部分。 图89为根据本公开的至少一个方面的超声装置，该超声装置被配置为能够识别超 声刀的状态并确定夹持臂是否未完全在远侧，以确定可重复使用的一次性超声装置的一次 性部分是否已正确安装。 图90为根据本公开的至少一个方面的逻辑流程图，该逻辑流程图描绘了用于识别 可重复使用的一次性装置的部件的状态的控制程序或逻辑配置。 图91为根据本公开的至少一个方面的组织射频(RF)阻抗分类的三维图形表示。 图92为根据本公开的至少一个方面的组织射频(RF)阻抗分析的三维图形表示。 图93为根据本公开的至少一个方面的颈动脉技术敏感性的图形表示，其中时间阻 抗(Z)导数被绘制为初始射频(RF)阻抗的函数。 图94为根据本公开的至少一个方面的实现大约340℃的温度所需的初始频率与频 率变化之间的关系的图形表示。 图95示出了根据本公开的至少一个方面的反馈控制系统，该反馈控制系统包括超 声发生器以调整施加到超声机电系统的超声换能器的电流(i)设定点，以防止超声换能器 的频率(f)降低到低于预定阈值。 15 CN 111601564 A 说　明　书 10/128 页 图96为示出根据本公开的至少一个方面的过程的逻辑流程图，该逻辑流程图描绘 了用于保护端部执行器垫的受控热管理方法的控制程序或逻辑配置。 图97为根据本公开的至少一个方面的温度对时间的图形表示，该图形表示比较了 超声刀与智能超声刀和常规超声刀的期望温度。 图98为根据本公开的至少一个方面的描绘外科集线器的态势感知的时间线。