特開 2024-144158 電気外科用ジェネレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024144158

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】電気外科用ジェネレータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20241003BHJP

   A61B 17/00 20060101ALI20241003BHJP

   A61B 18/12 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H02M7/483

A61B17/00 700

A61B18/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024025727

(22)【出願日】2024-02-22

(31)【優先権主張番号】63/455,417

(32)【優先日】2023-03-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】516236908

【氏名又は名称】オリンパス・ヴィンター・ウント・イベ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＯＬＹＭＰＵＳ ＷＩＮＴＥＲ ＆ ＩＢＥ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ファビアン ヤニッヒ

(72)【発明者】

【氏名】イェレ ダイクストラ

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ラミン

【テーマコード（参考）】

4C160

5H770

【Ｆターム（参考）】

4C160JJ11

4C160KK03

4C160KK04

4C160KK23

4C160MM33

5H770CA02

5H770DA01

5H770DA11

5H770DA22

5H770DA27

5H770DA37

5H770EA01

5H770QA27

(57)【要約】

【課題】低周波数帯域および高周波数帯域における改善されたエネルギー供給を可能にする電気外科用ジェネレータを提供すること。
【解決手段】電気外科用ジェネレータは、低周波数範囲内および高周波数範囲内の二重周波電力出力を同時に発生するインバータユニットを備える。インバータユニットは、インバータコントローラによって駆動されるマルチレベルインバータとして構成される。インバータコントローラは、電気外科用ジェネレータの低周波出力のための低周波信号を形成する低周波駆動ユニットと、電気外科用ジェネレータの高周波出力のためのＨＦ基準信号を形成する高周波駆動ユニットと、低周波信号を高周波信号に印加して変調することによって、変調された合成基準信号を形成し、変調された合成基準信号をマルチレベルインバータに供給する変調ユニットとを備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの電気外科用器具に低周波数範囲内および高周波数範囲内の二重周波電力出力を提供する電気外科用ジェネレータであって、
制御ユニットと、少なくとも１つの電気外科用器具の接続のための少なくとも１つの出力ソケットに供給される前記二重周波電力出力を同時に発生するインバータユニットとを備え、
前記インバータユニットは、インバータコントローラによって駆動されるマルチレベルインバータとして構成され、
前記インバータコントローラは、
前記電気外科用ジェネレータの低周波出力のための低周波信号を形成する低周波駆動ユニットと、
前記電気外科用ジェネレータの高周波出力のための高周波信号を形成する高周波駆動ユニットと、
前記低周波信号を前記高周波信号に印加して変調することによって、変調された合成基準信号を形成し、前記変調された合成基準信号を前記マルチレベルインバータに供給する変調ユニットと
を備える電気外科用ジェネレータ。

【請求項2】

低周波は超音波周波数範囲内にあり、高周波は無線周波数範囲内にある、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項3】

高周波供給線に接続された第１の出力および低周波供給線に接続された第２の出力の２つの出力を有する周波数分割器を備える再構成ユニットを備え、
前記高周波供給線及び前記低周波供給線は、前記少なくとも１つの電気外科用器具に電力出力を供給するために構成される、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項4】

前記周波数分割器は、高周波成分および／または低周波成分のためのプログラマブルフィルタを備える、請求項３に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項5】

前記低周波成分のための切替え可能な遮断要素が、前記低周波成分の前記プログラマブルフィルタに設けられる、請求項４に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項6】

前記周波数分割器は、前記電力出力の低周波成分および高周波成分を抽出するように構成された復調装置を備える、請求項３に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項7】

前記再構成ユニットは、前記電気外科用ジェネレータ内に、前記少なくとも１つの出力ソケットの近傍に配置される、請求項３に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項8】

前記再構成ユニットは、前記電気外科用器具に、または前記電気外科用器具を前記電気外科用ジェネレータの前記少なくとも１つの出力ソケットに接続するケーブルに配置される、請求項３に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項9】

前記低周波信号は正弦波信号であり、前記高周波信号は、前記低周波信号とは無関係の周波数、位相を有する別の正弦波信号である、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項10】

前記変調ユニットは、振幅変調のために構成され、変調指数は、単位元未満、さらに好ましくは０．７の最大値以下の予め設定可能な限界値に制限される、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項11】

任意選択の単一周波数出力モードが選択された場合に、前記変調ユニットをバイパスするように構成された選択可能なバイパス要素を備える、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項12】

前記変調ユニットの代わりに重ね合わせ回路が設けられる、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項13】

前記マルチレベルインバータは、前記インバータコントローラによって駆動される、カスケード接続の方法で接続された複数のインバータセルを備える、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項14】

前記マルチレベルインバータは、ハーフブリッジ構成のインバータセルを備える、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【請求項15】

高周波数と低周波数との和によって決定される周波数より上の周波数範囲における前記変調ユニットの出力のスペクトル電力は、前記高周波数を中心とし、かつ前記低周波数の２倍の幅を有する周波数帯域のスペクトル電力よりも小さい、請求項１に記載の電気外科用ジェネレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つの電気外科用器具に高周波交流電圧を出力するように構成された電気外科用ジェネレータに関する。電気外科用ジェネレータは、電気外科用器具の接続のために構成された少なくとも１つの出力ソケットに対して低周波数範囲内および高周波数範囲内の二重周波出力を発生するインバータユニットを備える。電気外科用ジェネレータは、それぞれの超音波外科用器具に超音波エネルギーを提供するようにさらに構成される。

【背景技術】

【0002】

電気外科用ジェネレータは、電気外科用器具にエネルギーを供給し、エネルギーのタイプは、特に超音波エネルギーおよび／または高周波エネルギーである。電気外科用器具は、電気メスもしくは電気焼灼器の場合のように直接的に、または超音波周波数範囲内のエネルギーを器具の作動要素の対応する動きに変換するトランスデューサによって間接的に、処置される組織に前記エネルギーを印加する。超音波エネルギーは、典型的には、約２０ｋＨｚから２００ｋＨｚまでの周波数範囲で提供され、高周波エネルギーは、より高く、典型的には、約２００ｋＨｚから４，０００ｋＨｚまでの無線周波数範囲で提供される。前記エネルギーを提供することは、組織の局所加熱をもたらす。それによって、加熱により組織は切断されまたは切り離され、熱切除により組織は除去される。電気外科手術の主な利点は、罹患した血管を閉じ、それによって凝固効果を達成することによって、切断が行われるのと同時に出血を止めることができることである。

【0003】

異なる種類の用途では、異なる電気外科用器具が必要とされる。特に、超音波周波数範囲で動作する電気外科用器具（超音波器具）は、発生される熱拡散が最小限であり、それによって近傍の組織への悪影響が最小限に抑えられる点で利点を有する。様々な種類の異なる超音波器具が使用されており、特定の作業のために、超音波周波数範囲および無線周波数範囲内のエネルギーの両方が供給される電気外科用器具も存在する（例えば、Ｏｌｙｍｐｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ社の「Ｔｈｕｎｄｅｒｂｅａｔ」器具）。

【0004】

超音波周波数範囲内および無線周波数範囲内のエネルギーを電気外科用器具に供給するには、従来、２つの異なる電気外科用ジェネレータが必要であるか、または２つのエネルギー供給装置（例えばインバータ）（１つは超音波周波数範囲内のエネルギーを供給し、もう１つは無線周波数範囲内のエネルギーを供給する）を有する「複合」ジェネレータを用意する必要がある。両方のエネルギーは、それぞれの電気外科用器具の接続のためのそれぞれの出力に供給される。これらの出力は、別個の場合もあれば、両方の種類のエネルギー用のコネクタを有するマルチ出力に統合される場合もある。二重エネルギー発生に起因して、このような複合電気外科用ジェネレータはかなりかさばり、高価である一方で、２つの別個の電気外科用ジェネレータを使用することは、さらに多くのスペースを必要とし、前記「Ｔｈｕｎｄｅｒｂｅａｔ」器具のような両方の種類のエネルギーを必要とするハイブリッド器具の場合に特に懸念される両方のジェネレータの同期に関してさらなる困難をもたらす。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２００８０１８２６２号明細書

【特許文献2】独国特許出願公開第１０２０２１１２２２８２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、低周波数帯域および高周波数帯域における改善されたエネルギー供給を可能にする電気外科用ジェネレータを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による解決策は、独立請求項の特徴による電気外科用ジェネレータにある。有利な発展形態が、従属請求項の主題である。

【0008】

少なくとも１つの電気外科用器具に低周波数範囲内および高周波数範囲内の二重周波電力出力を提供する電気外科用ジェネレータであって、制御ユニットと、少なくとも１つの電気外科用器具の接続のための少なくとも１つの出力ソケットに供給される前記二重周波電力出力を同時に発生するインバータユニットとを備え、インバータユニットは、インバータコントローラによって駆動されるマルチレベルインバータとして構成され、前記インバータコントローラは、電気外科用ジェネレータの低周波出力のための低周波信号を形成する低周波駆動ユニットと、電気外科用ジェネレータの高周波出力のための高周波信号を形成する高周波駆動ユニットと、低周波信号を高周波信号に印加して変調することによって、変調された合成基準信号を形成し、変調された合成基準信号をマルチレベルインバータに供給する変調ユニットとを備えることが、本発明に従って提供される。

【0009】

本発明の中心的な態様は、単一のインバータによって低周波数帯域および高周波数帯域で高周波エネルギーを発生し送達するための効率的な方法を提供することである。これは、インバータ用の合成制御信号を形成することによって達成される。インバータがマルチレベルインバータとして構成されるおかげで、それは、選択可能な周波数および波形の波を生成することができ、それによって、低周波信号を高周波信号に印加して変調することによって生成される基準信号に従って形成される合成波の形成を可能にする。本発明は、マルチレベルインバータを制御するためのこのような合成され変調された基準信号を使用することによって、２つの異なる周波数を一度に形成することを単一のインバータだけで達成することができることを実現した。それによって、２つのインバータを必要とする従来の概念とは対照的に、省スペースおよび省コストが達成される。さらに、両方の周波数が同じインバータによって発生されることにより、電気外科用ジェネレータ内のその出力への単一の接続線が可能になる。単一の接続により、必要とされるスペースが少なくなり、ＥＭＩ（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：電磁干渉）を効果的に低減するための電磁遮蔽が容易になる。

【0010】

さらに、マルチレベルインバータは、かなり細かい電圧ステッピングで複数の電圧レベルの発生を可能にする。電気外科用ジェネレータの分野におけるマルチレベルインバータ技術の詳細は、参照により本明細書に組み込まれる本出願人の他の特許出願である独国特許出願公開第１０２０２１１２２２８２Ａ１号および独国特許出願公開第１０２０２１１２２２８４Ａ１号に含まれる。したがって、このようなマルチレベルインバータを使用することによって、両方の周波数の正確に制御された発生および伝達を達成することができ、これにより、最終的に電気外科用器具を駆動するために両方の周波数を復元するためのより正確なフィルタリングが可能になる。望ましくない高調波を回避および／または低減することができ、それによって、電気外科用器具の駆動品質が改善される。

【0011】

さらに、この種の、２つの周波数を一度に発生することにより、別個のインバータを使用することによって従来より起こり得る不利な同期問題が効果的に回避される。

【0012】

２つの元の周波数の復元（周波数分割）が実行されるべき場所に応じて、周波数分割を実行する装置が器具自体にまたは器具の近くのケーブル内に配置される場合、電気外科用器具につながる単一の接続ケーブルを適用することができる。これにより、第２の周波数のために第２のワイヤ接続を設ける必要がなくなり、それによって、電気外科用器具の取り扱いが容易になる。

【0013】

変調のさらなる利点は、接続ケーブルのタイプを、低周波信号が印加されて変調される高周波の範囲内の最良のＨＦ特性に特に合わせて調整できることである。実用的な観点として、低周波および高周波は、一桁（係数１０）以上互いに離れており、低周波および高周波の両方に合わせて調整された配線接続を設けることは困難であり、しばしば妥協が必要とされた。本発明のおかげで、配線接続によって伝達される周波数スペクトルは、高周波を中心とするかなり狭い帯域であり、これは、高度に調整されたＨＦ特性を規定することを非常に容易にし、それによって配線接続の有効性はさらに高まる。これはまた、より良好なＥＭＩ保護を達成するのに役立つ。

【0014】

高周波を中心とするこの狭帯域のさらなる利点は、変圧器、特に、電気外科用ジェネレータの調節に必要とされる絶縁変圧器が、このようなより高い周波数でより効果的に動作することである。これは、低周波発生および器具へのその伝達の有効性にとって特に重要である。

【0015】

以下では、本発明の文脈内で使用されるいくつかの表現を説明する。

【0016】

インバータユニットは、出力ソケットに接続される電気外科用器具に実際の高周波交流電圧出力を提供する装置である。インバータユニットによって発生される高周波電圧の周波数、位相、ならびに通常は振幅および／または形状は、（インバータ）コントローラによって使用される基準信号によって制御される。

【0017】

マルチレベルインバータは、正極性および／または負極性のみでオン／オフ出力を提供するのとは対照的に、様々なレベルで出力電圧を放出することが可能なインバータユニットである。典型的なトポロジーは、カスケードＨブリッジ、中性点クランプ、およびフライングコンデンサであるが、これらに限定されない。

【0018】

本出願の文脈において、「高周波」という用語は、無線周波数範囲（ＲＦ：ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ）としても知られている２００ｋＨｚ～４０００ｋＨｚの範囲内の周波数に関する。「低周波」という用語は、典型的には２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの範囲内にある超音波周波数範囲（ＵＳ）に関する。これらの周波数が電気外科用ジェネレータによって出力される電圧は、典型的には、本出願の文脈において特に最大１０ｋＶ、好ましくは最大４０００ボルト、さらに好ましくは１００ボルト超の振幅を有すると考えられる高電圧である。

【0019】

有利には、高周波供給線に接続された第１の出力および低周波供給線に接続された第２の出力の２つの出力を有する周波数分割器を備える再構成ユニットを備え、高周波供給線及び低周波供給線は、少なくとも１つの電気外科用器具に電力出力を供給するために構成される。それによって、低周波を分離することができ、元の低周波および高周波の効率的な復元を達成することができ、それによって、それぞれの適切な周波数を電気外科用器具に提供することが可能になる。

【0020】

好ましくは、周波数分割器は、低周波成分および／または高周波成分のためのプログラマブルフィルタを備える。このようなプログラマブルフィルタは、所望の周波数の柔軟かつ適応的なフィルタリングを可能にし、それによって、低周波および／または高周波のいずれかの周波数が静的ではなく可変であり得る場合でも適切な再構成を達成する。それによって、駆動周波数に関して異なる要件を有する異なる電気外科用器具を駆動する柔軟性を満たすことができる。したがって、電気外科用ジェネレータの柔軟性および使いやすさが向上する。

【0021】

有利な議論では、低周波成分のための切替え可能な遮断要素が、好ましくは低周波成分のプログラマブルフィルタに設けられる。それによって、低周波の抽出を遮断することができる。それによって、電気外科用ジェネレータは、特定の特別な駆動モードに必要なパルス高周波エネルギーを、例えば、ブレンドモードでは約３．７μｓ、またはスプレー／凝固モードでは５．５μｓの繰り返し時間を有するパルスで提供することが可能である。このような繰り返し時間は超音波範囲内の周波数に対応するため、低周波成分の遮断は、すべてのエネルギーが高周波経路に残り、望ましくない方法で低周波部分に流出しないことを保証する。それによって、本発明による電気外科用ジェネレータの、パルス高周波モードとの適合性が確保される。

【0022】

好ましくは、周波数分割器は、低周波成分および高周波成分を抽出するように構成された復調装置を備える。このような復調装置により、高周波成分によって形成されるキャリアから低周波成分を容易に抽出することができる。これにより、両方の周波数成分の効率的な再発生が可能になる。

【0023】

このような復調装置は、再構成ユニットの好ましい例である。前記再構成ユニットは、有利には、ジェネレータ内に、好ましくは少なくとも１つの出力ソケットの近傍に配置される。これは、インバータから出力ソケットへの電力伝達配線の内部の引き回しを容易にし、コンパクトな構成にとって有益である。しかしながら、好ましいが、これは必須ではない。遠隔に、つまり、電気外科用ジェネレータの外側に、すなわち、好ましくは電気外科用器具に適切に、または電気外科用器具を電気外科用ジェネレータの少なくとも１つの出力ソケットに接続するケーブルに／に沿って再構成ユニットを配置することも可能である。再構成ユニットを電気外科用器具またはその近くに配置することは、変調のおかげで、従来のケーブル接続とは対照的に、高周波またはその付近の周波数範囲のみを伝達すればよいため、器具へのケーブル接続がより複雑でないという利点を有する。従来のケーブル接続は、低周波成分および高周波成分を伝達しなければならず、したがって、通常は妥協を必要とする二重の目的を果たさなければならない。再構成ユニットを器具に配置することにより、このような妥協は回避され、高周波（またはその付近）のみのエネルギーの伝達に特化したケーブルの使用が可能になる。明らかに、これは、従来技術においてしばしば生じる、２つのケーブルを電気外科用器具に引き回す必要性を回避する。（２つの代わりに）１つの特定の周波数範囲を伝達する必要があるだけの１つのケーブルで完全に十分であり、取り扱いが容易な単純化された、したがってより複雑でないケーブル（例えば、より低い曲げ剛性を特徴とする）の使用が可能になり、それによって電気外科用器具の取り扱いが改善される。

【0024】

有利には、低周波信号は正弦波信号であり、好ましくは高周波信号は、低周波信号とは無関係の周波数、好ましくは位相を有する別の正弦波信号である。特に低周波信号に正弦波信号を使用すると、高調波の低減が可能になり、これは、必要とされるフィルタリングが少なく、より簡単であるという点で有益である。したがって、低周波信号のエネルギーをより有効に使用することができる。さらに、本発明によれば、高周波信号および低周波信号の周波数および位相の間に特定の関係はなく、それによって、高周波信号の周波数（および位相）の制限が回避される。これは、低周波信号と高周波信号との間の特定の関係を必要とし、特に高周波信号が低周波信号の高調波であることを要求する従来技術のシステムに勝る大きな利点である（例えば、欧州特許出願公開第３２１６４０９Ａ１号は、高周波が低周波の高調波であることを必要とし、有意な高調波をさらに受ける）。

【0025】

好ましくは、変調ユニットは、振幅変調のために構成される。このような変調は、かなり単純で安価な構成要素で容易に達成することができ、さらに単純な復調を可能にする。さらに、このような振幅変調は、特に低周波信号が正弦波信号である場合に、高周波キャリアまたはその付近のかなり小さい帯域幅しか必要としないという利点を有する。このような小さい帯域幅を有することは、ケーブルがそれほど厳しくない要件のみを満たせばよいため、ケーブルによってエネルギーを伝達するのに有益である。しかしながら、本発明は振幅変調に限定されない。周波数変調（ＦＭ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）もしくは位相変調（ＰＭ：ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）または他のアナログ変調、ならびに当業者に知られているデジタル変調のために構成された変調ユニットを使用することも可能である。一般的なＦＭとは対照的に、好ましくは、周波数（または位相）変調のためのキャリアは、高周波信号の大きさに動的に依存する。これにより、高周波信号のより効率的な増幅および／またはより正確な再構成が可能になる。

【0026】

さらに、特に振幅変調の変調指数は、予め設定可能な限界値に制限されている。変調指数は、（変調されていない）キャリアのレベルに対する変調された信号の変調偏位の比に基づいて、キャリアの振幅を変化させる度合いを規定する。これは数として表現され、例えば、ｍ＝１．０（１００％とも表現される）の変調指数の場合、変調された信号の波の振幅は時々ゼロまで縮小し得、これは完全な変調を表す。これは、最大超音波エネルギー伝達にとって望ましくあり得るが、単位元未満、好ましくは０．７以下の最大限界を変調指数に設けることが好ましい。このような制限された限界により、過変調が発生せず、過変調によって引き起こされる歪みを防止できることを保証することができる。

【0027】

特定の有利な実施形態では、好ましくは、任意選択の単一周波数出力モードが選択された場合に、変調ユニットをバイパスするように構成された選択可能なバイパス要素を備える。このような単一周波数出力モードでは、低周波または高周波のみが出力され、両方は出力されない。このような場合、一方の周波数を他方の周波数に印加して変調する必要はない。したがって、特に低周波が使用される場合、バイパス要素を設け、それによって変調ユニットをバイパスして、（存在しない）高周波による干渉なしに低周波を（排他的に）直接使用できるようにすることが有益である。したがって、純粋な低周波モードでは、電気外科用ジェネレータは、この場合には不必要な変調によって妨害されず、したがって、従来の超音波電気外科用ジェネレータのように動作することが可能である。

【0028】

有利には、低周波駆動ユニットおよび高周波駆動ユニットは、デジタル発振器として、または好ましくは数値制御発振器（ＮＣＯ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として形成される。さらに好ましくは、低周波駆動ユニット、高周波駆動ユニット、および変調ユニット、ならびに（適用可能な場合）バイパス要素は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）に統合される。これにより、必要な制御信号のコンパクトで効率的な生成が可能になる。

【0029】

独立した保護に値し得る別の特に好ましい実施形態では、変調ユニットの代わりに重ね合わせ回路が設けられる。これは、例えば、低周波信号を高周波信号に加算し、それによって、インバータを制御するために使用することができる合成基準信号を達成することによって達成することができる。これは、より少ない回路しか必要としないという点で有益であるが、依然としてベースバンドに信号成分が存在し、したがって、変調ユニットを使用することによって実現される高周波への周波数シフトの利点は実現されていない。したがって、この変形例によってすべての利点が実現されるわけではないが、それでもこれは、より単純な回路の利点と比較して考慮されるべきである。重ね合わせ回路は、例えば、加算回路として具現化することができる。

【0030】

好ましくは、マルチレベルインバータは、カスケード接続の方法で接続された複数のインバータセルを備える。前記セルは、インバータコントローラによって駆動される。このようなカスケード構成は、様々な電圧レベルを発生する点で大きな利点を提供する。特に、それは、インバータセルの一部が他のインバータセルよりも高いＤＣレベルで動作する場合に有益である。これは、低電圧インバータセル（例えば、１２Ｖの電圧を有する）および高電圧インバータセル（例えば、４８Ｖの電圧を有する）が存在し、それによって、設定された数のインバータセルを有するマルチレベルインバータの電圧範囲が増大することを意味する。しかしながら、他のインバータセル配置、例えば、フライングコンデンサまたはクランプダイオードの配置も使用されてもよい。

【0031】

典型的には、マルチレベルインバータはフルブリッジ構成で構成される。しかしながら、これは必須ではなく、マルチレベルインバータは、ハーフブリッジ構成のインバータセルを備えてもよく、それによって、回路は単純化され、構成要素数は削減される。

【0032】

好ましい実施形態では、高周波数と低周波数との和によって決定される周波数より上の周波数範囲における変調ユニットの出力のスペクトル電力は、高周波数を中心とし、かつ低周波数の２倍の幅を有する周波数帯域のスペクトル電力よりも小さい。したがって、スペクトル電力は高周波またはその付近に集中し、それによって、より高い高調波に多くのスペクトル電力を有することの有害な影響が回避される。より高い高調波に多くのスペクトル電力を有することは、より高い電磁放射に起因してエネルギーを浪費するとともに電気的外乱を増大させる傾向がある。特許請求されているようにスペクトル電力を集中させることによって、両方の望ましくない効果を低減することができる。

【0033】

本発明は、有利な実施形態を示す添付の図面と併せて、例として以下により詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】ハイブリッド電気外科用器具が取り付けられた電気外科用ジェネレータの正面図を示す。

【図2】電気外科用ジェネレータのブロック図を示す。

【図3】カスケード接続されたマルチレベルインバータのブロック図である。

【図4】変調装置を備える、低周波エネルギーおよび高周波エネルギーを発生する構成の概略機能図を示す。

【図5A】低周波信号を示す。

【図5B】高周波信号を示す。

【図5C】マルチレベルインバータのための変調された制御信号を示す。

【図5D】周波数スペクトルを示す。

【図6】パルスモードにおける高周波のサンプルを示す。

【図7】再構成ユニットが電気外科用器具またはそのケーブルに配置される別の実施形態を示す。

【図8A】変調装置の代わりに重ね合わせ回路を有する、図４の変形例を示す。

【図8B】変調装置の代わりに重ね合わせ回路を有する、図４の変形例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0035】

本発明の例示的な実施形態による電気外科用ジェネレータが図１に示されている。全体として参照番号１で識別される電気外科用ジェネレータは、電気外科用器具１９の接続のための複数の出力ソケット１６、１６’、１６’’を有するハウジング１１を備える。図示の実施形態では、無線周波数エネルギー用のＨＦ出力ソケット１６と、超音波エネルギー用のＵＳ出力ソケット１６’と、無線周波数エネルギーと超音波エネルギーとの両方を提供するハイブリッドソケット１６’’とを備える３つの出力ソケットが提供される。電源ケーブル１２には、建物内のＡＣ幹線のような電力網、または車両もしくは移動病院内の１２ボルトもしくは２４ボルト電池のようなオフグリッド電気エネルギー源であってもよい電力源（図示せず）への接続のためのプラグ１２’が設けられている。さらに、タッチスクリーンであってもよいディスプレイ１５、またはユーザによる入力のためのノブ１３を備えるユーザインターフェース１４が設けられている。

【0036】

図２に示されているように、電気外科用ジェネレータ１は、幹線接続ケーブル１２（図１参照）によって電力が供給される電源ユニット２をハウジング１１内に備える。電源ユニット２は整流器を備え、ＤＣリンク２０に直流電圧を供給し、ＤＣリンク２０はインバータ３にこれを供給する。インバータ３は、２つの出力を有する再構成ユニット５に出力線２３を介して供給される、４０００ｋＨｚまでの選択可能な周波数で数キロボルトまでの選択可能な電圧範囲の交流電流を発生する。一方の出力では、高周波出力線２４が、絶縁変圧器２６を介して誘導して、任意のＤＣ電流を遮断するための直列コンデンサ２８を備える出力ソケット１６に接続されており、再構成ユニット５の他方の出力では、低周波出力線２５が、第２の絶縁変圧器２７を介して誘導して超音波出力ソケット１６’に接続されている。無線周波数エネルギーおよび超音波エネルギーが供給されるハイブリッド電気外科用器具１９である電気外科用器具は、それぞれＨＦケーブル１８および超音波ケーブル１８’によって出力ソケット１６、１６’にプラグ接続することができる。

【0037】

インバータ３は、２０ｋＨｚ～４ＭＨｚの範囲の高周波交流電圧を発生する。インバータ３は、マルチレベルインバータ（以下、インバータ３をマルチレベルインバータ３と記載）として具現化される。マルチレベルインバータ３によって発生される電圧の形状、周波数、デューティサイクル、および振幅は、基準信号に基づいてインバータコントローラ４によって決定され、また基準信号は、選択された電力およびモードに従って制御ユニット１０によって統御される。制御ユニット１０は、ユーザが電気外科用ジェネレータ１の動作のための指示および指令を出すことができるようにユーザインターフェース１４に接続されたマスタコントローラとして機能する。制御ユニット１０は、対応する制御信号を発生し、これらの命令および指令に従って電気外科用ジェネレータ１の関連する構成要素、ユニット、およびモジュールを統御する。特に、制御ユニット１０は、インバータコントローラ４に指令信号を提供し、そしてインバータコントローラ４は、そのインバータセルを有するマルチレベルインバータ３を制御する。

【0038】

マルチレベルインバータ３は、図３に示されているようにカスケード構造で配置された複数のインバータセル３－１～３－５を備える。各インバータセル３－１～３－５は、その入力側（図３では各セルの左側）では設定電圧（例えば１２ボルト）のＤＣ源によって供給され、その出力側（図３では各セルの右側）に出力されるＡＣ電圧を発生する。図示の例示的な実施形態では、インバータセル３－１～３－５はハーフブリッジ構成を特徴とする。インバータセル３－１～３－５のそれぞれの出力は、インバータセル３－１～３－５の各々によって出力される電圧が共通の出力電圧Ｖｏｕｔに加算されるように直列に接続されている。図示の実施形態では、複数のセルの任意選択のグループ化が示されている。したがって、異なるＤＣ電圧が供給される２つのグループに配置された２つの異なるタイプのセルが設けられている。第１のグループは、低電圧のインバータセル３－１、３－２、および３－３を備える。これらには、より低いＤＣ電圧、提示されている実施形態では１２Ｖが供給される。第２のグループは、より高いＤＣ電圧、提示されている実施形態では４８Ｖが供給される高電圧のインバータセル３－４、３－５を備える。両方のグループは、共通の加算出力電圧Ｖｏｕｔを発生するために直列に接続されている。低電圧のインバータセルおよび高電圧のインバータセルのこのようなグループ化を行うことにより、同じ電圧を有する同じ数のインバータセルを有するのとは対照的に、より高い数の電圧レベルを達成することが可能になる。それによって、図示の構成は、１２Ｖのステップで２３のレベルに相当する、－１３２Ｖ～＋１３２Ｖの範囲の出力電圧を提供することができる。したがって、マルチレベルインバータ３のマルチレベル出力のより細かい「粒度」を実現することができる。本発明は、以下で説明するように、変調された電圧を提供するためにこれを利用する。

【0039】

図４には、インバータコントローラ４の変調ユニット６および周波数分割器８として具現化された再構成ユニット５の例示的な実施形態のブロック図が示されている。インバータコントローラ４は、超音波電気外科用器具またはハイブリッド電気外科用器具１９の超音波部分を駆動するために使用される、特に超音波周波数範囲内の低周波正弦波信号を形成するために構成された低周波駆動ユニット４１と、ＨＦ電気外科用器具またはハイブリッド電気外科用器具１９のＨＦ部分を駆動するために使用される、特に無線周波数範囲内の高周波正弦波信号を形成するために構成された高周波駆動ユニット４２とを備える。好ましくは、正弦波信号は純粋な正弦波信号である。一例として、低周波駆動ユニット４１は、図５Ａに示されているような超音波範囲内の４８ｋＨｚの低周波信号を発生してもよく、高周波駆動ユニット４２は、無線周波数範囲内にある図５Ｂに示されているような約５００ｋＨｚの高周波信号を発生してもよい。高周波信号は低周波信号の高調波ではなく、本発明の利点は、高周波数が低周波数の高調波であることに関して制約がないことであることに留意されたい。

【0040】

変調ユニット６は、高周波駆動ユニット４２の高周波信号が印加される、キャリア用の入力６２と、低周波駆動ユニット４１の低周波信号が供給される、変調信号用の入力６１とを有するＡＭ変調器６０を備える。ＡＭ変調器６０は、変調信号に応じてキャリアの振幅を変化させることによって高周波キャリアに低周波変調信号を印加し、それによって変調された信号を形成する。キャリアの振幅を変化させる度合いは、変調指数である数ｍで定義される。これは、（変調されていない）キャリアのレベルに対する変調された信号の変調偏位の比に基づく尺度である。ｍ＝１．０（１００％とも表現される）の変調指数の場合、変調された信号の波の振幅は時々ゼロまで縮小し得、これは完全な変調を表す。これは、高超音波エネルギー伝達にとって望ましくあり得るが、単位元未満、好ましくは０．７以下の最大限界を変調指数に設けることが好ましい。このような予め設定可能な限界値６６は、線６８を介してリミッタ６７からＡＭ変調器６０に適用されてもよい。例えば０．７のこのような限界により、過変調が発生せず、過変調によって引き起こされる歪みを防止できることが保証される。

【0041】

したがって、変調された信号は、図５Ｃに示されているように形成され、ＡＭ変調器６０の出力６３に提供される。変調された信号は、図５Ｄの周波数領域に示されているように３つの成分を含み、５００ｋＨｚのキャリア信号は破線で示され、４５２ｋＨｚおよび５４８ｋＨｚの２つの側波帯は実線で示されている。比較のために、４８ｋＨｚの超音波周波数範囲内の変調信号が破線で示されているが、それは、ベースバンド信号として、変調された信号にもはや存在せず、正しくは、それは、２つのベースバンド信号になるように変換されている。

【0042】

マルチレベルインバータ３は、図５Ｃに示されているような所望の波形のための基準信号として、変調された信号を受信する。インバータがマルチレベルインバータであるおかげで、高周波交流電圧を発生するために所望の波形を再現することが可能である。これは、各グループが異なる電源電圧を有する２つのグループのインバータセルを備える、図３に示されているようなインバータセル配置を採用することによって容易になり、これにより、より低い電圧変化が望まれる場合には、より低いＤＣ電圧が供給される第１のグループのインバータセル３－１～３－３が使用され、ＡＣ電圧振幅のより大きな変化が望まれる場合には、より高いＤＣ電圧が供給される第２のグループのインバータセル３－４または３－５が使用される。

【0043】

マルチレベルインバータにおいて異なるＤＣ電圧が供給されるインバータセルの様々なグループのこのような使用の詳細については、参照により本明細書に組み込まれる本出願人の係属中の特許出願である独国特許出願公開第１０２０２１１２２２８４Ａ１号を参照されたい。したがって、マルチレベルインバータ３は、高電圧エネルギーレベルで混合することなく、電気外科用器具１９を駆動するために電気外科用ジェネレータ１の出力１６、１６’、１６’’によって供給される超音波エネルギーおよびＨＦエネルギーを伝達する必要な高周波交流電圧を即座に一度に発生する。

【0044】

容易に理解できるように、出力線２３は、高周波エネルギーのみを伝達する必要があり、したがって、約５００ｋＨｚのみの無線周波数範囲内の周波数に特に適合させる必要があり、その接続が低周波数範囲でどのように機能するかは重要ではない。これは、特に、望ましくない反射のない効率的な電力伝達（例えば、改善された定在波比）に関して、出力線２３およびケーブル１８、１８’、１８’’の器具への最適化を容易にする。

【0045】

さらに、図５Ｄにおいて容易に理解できるように、マルチレベルインバータ３の出力のスペクトル電力は、上側波帯の周波数（前記周波数は、キャリア周波数と変調信号周波数との和によって決定される）より上ではゼロであり、したがって、その下側波帯および上側波帯までを含むキャリアに含まれるスペクトル電力よりもはるかに小さい。したがって、上側波帯を超える望ましくない高調波はなく、このことは、電気外科用器具を駆動するために使用される変調された高周波エネルギーの正弦波様電圧の純度を改善する。

【0046】

出力線２３は、図２に示されている実施形態では電気外科用ジェネレータ１のハウジング１１内に配置された再構成ユニット５を介して、変調された高周波エネルギーを出力ソケット１６、１６’に伝達する。再構成ユニット５は、図４に示されているように、周波数分割器８と、無線周波数範囲内の高周波用の第１のプログラマブルフィルタ８４と、超音波周波数範囲用の第２のプログラマブルフィルタ８５とをさらに備える。再構成ユニット５の後には、絶縁変圧器２６、２７が出力ソケット１６、１６’にそれぞれ設けられている。絶縁変圧器２６、２７は、ガルバニック絶縁の目的を果たし、さらに、出力電圧の昇圧をもたらすように構成することができ、それによって昇圧トランスにもなる。さらに、少なくとも無線周波数範囲内のエネルギー用の出力ソケット１６の前に、患者の保護のためにＤＣ電流を遮断するように構成された安全コンデンサ２８が設けられている。

【0047】

周波数分割器８は、出力線２３によって供給された変調された高周波エネルギーを復調するように構成された復調装置８０を備える。復調装置８０は、単純なエンベロープ検出器として、またはより高性能の同期検出器、例えばプロダクト検出器として具現化されてもよく、このことは、高い変調指数、特に単位元に達する（またはさらにはより高い）変調指数の場合であっても、信頼できる堅実な復調の点で利点を有する。復調の後、復調装置８０は、低周波エネルギーを出力８３に出力し、キャリアからの高周波エネルギーを出力８２に出力する。前記出力８２は、ハイパスとして、またはキャリア周波数もしくはその付近のバンドパスとして構成され得る第１のプログラマブルフィルタ８４につながっている。それによって、望ましくない周波数成分が遮断され、キャリアのエネルギーが、絶縁変圧器２６および安全コンデンサ２８を介してＨＦ出力ソケット１６に伝達される。同様に、復調された低周波エネルギーは、出力８３に提供され、ローパス、または超音波周波数付近のバンドパスとして構成され得る第２のプログラマブルフィルタ８５を介して、また第２の絶縁変圧器２７を介して超音波出力ソケット１６’に伝達される。出力ソケット１６、１６’には、それぞれのＨＦエネルギーおよび超音波エネルギーを（ハイブリッド）電気外科用器具１９に導く、ＨＦエネルギーおよび超音波エネルギー用のケーブル１８、１８’のプラグ１７、１７’が接続される。それによって、電気外科用器具１９には、適切な動作のために必要とされる無線周波数範囲内および超音波周波数範囲内のエネルギーが提供される。

【0048】

さらに、第１のプログラマブルフィルタ８４には、ロールオフまたは中心周波数をプログラムするための入力８６が設けられている。それによって、フィルタ特性の調整を達成することができ、したがって、第１のプログラマブルフィルタ８４を様々な電気外科用器具１９、１９’、または電気外科用ジェネレータ１および／もしくは電気外科用器具１９、１９’の様々な動作モードに適合させることが可能になる。同様に、第２のプログラマブルフィルタ８５には、ロールオフまたは中心周波数をプログラムするための入力８７が設けられている。さらに、第２のプログラマブルフィルタ８５には、切替え可能な任意選択の遮断要素８９が設けられている。これは、制御ユニット１０によって作動線８８によりオンまたはオフに切り替えられる。このオン（またはオフ）の切替えは、ユーザインターフェース１４によって、例えばノブ１３によって選択された動作モードに応じて制御ユニット１０によって実行される。これは、ブレンドモードでは約３．７μｓ、またはスプレー／凝固モードでは５．５μｓの速度で繰り返される短いパルスでＨＦエネルギーを提供する、図６に示されているようなモードにとって特に重要である。このような速度は、十分に超音波周波数内にある。超音波ソケット１６’への超音波分岐部への望ましくないエネルギー漏れを遮断するために、切替え可能な遮断要素８９は、作動線８８を介して制御ユニット１０によって作動される。逆に、選択されたモードが超音波エネルギーの送達を要求する場合、制御ユニット１０は、超音波エネルギーが復調装置８０から超音波出力ソケット１６’に流れることができるように遮断要素８９を停止させる。

【0049】

図２に示されている実施形態では、再構成ユニット５は、電気外科用ジェネレータ１のハウジング１１内に、典型的には出力ソケット１６、１６’の近傍に配置される。再構成ユニットの異なる位置を有する代替的な実施形態が図７に示されている。したがって、再構成ユニット５’は、電気外科用器具１９’に供給するケーブル１８’’に、好ましくは電気外科用器具１９’の近くに配置されてもよい。あるいは、再構成ユニット５’’は、電気外科用器具１９’自体にまたは電気外科用器具１９’自体の中に配置されてもよく、それによって、変調されたエネルギーが電気外科用器具１９’に直接または少なくとも近接して伝達されることが可能になる。

【0050】

任意選択で、好ましくは超音波エネルギーのみの任意選択の単一周波数出力モードが選択された場合に、変調ユニット６０をバイパスするように構成された切替え可能なバイパス要素６５（図４）が設けられる。低周波のみが出力されるため、前記低周波を高周波に印加して変調する必要はない。したがって、このようなモードでは、前記バイパス要素６５は、ＡＭ変調器６０をバイパスするために制御ユニット１０によって作動され、これにより、高周波数による干渉なしにインバータを制御するために低周波数を直接使用することができる。したがって、不必要な変調が回避され、電気外科用ジェネレータは従来の超音波電気外科用ジェネレータのように動作する。

【0051】

図４の実施形態の変形例が図８Ａに示されている。したがって、ＡＭ変調器６０に代えて重ね合わせ回路７０が設けられている。これは、加算回路６＊によって低周波駆動ユニット４１および高周波駆動ユニット４２の基準信号を合成する。結果として得られた合成基準信号が図８Ｂに示されている。これはマルチレベルインバータ３に供給され、その結果、マルチレベルインバータ３はこれを増幅して、図５Ｄに破線および点線で示されているようなスペクトル成分を有する、電気外科用器具１９を駆動するためのエネルギーを発生する。復調装置８０が不要であり、マルチレベルインバータ３によって提供されるエネルギーを第１，第２のプログラマブルフィルタ８４、８５に直接供給することができるため、再構成ユニット５も容易になる。したがって、再構成ユニット５は、復調装置８０が除去されるが、図４に示されているものと基本的に同一である。

【符号の説明】

【0052】

１ 電気外科用ジェネレータ
２ 電源ユニット
３ インバータ
３－１ インバータセル
３－２ インバータセル
３－３ インバータセル
３－４ インバータセル
３－５ インバータセル
４ インバータコントローラ
５ 再構成ユニット
５’ 再構成ユニット
５’’ 再構成ユニット
６ 変調ユニット
６＊ 加算回路
８ 周波数分割器
１０ 制御ユニット
１１ ハウジング
１２ 電源ケーブル
１２’ プラグ
１３ ノブ
１４ ユーザインターフェース
１５ ディスプレイ
１６ 出力ソケット
１６’ 出力ソケット
１６’’ 出力ソケット
１７ プラグ
１７’ プラグ
１８ ケーブル
１８’ ケーブル
１８’’ ケーブル
１９ 電気外科用器具
１９’ 電気外科用器具
２０ ＤＣリンク
２３ 出力線
２４ 高周波出力線
２５ 低周波出力線
２６ 絶縁変圧器
２７ 絶縁変圧器
２８ 安全コンデンサ
４１ 低周波駆動ユニット
４２ 高周波駆動ユニット
６０ ＡＭ変調器
６１ 変調信号用の入力
６２ キャリア用の入力
６３ ＡＭ変調器の出力
６５ バイパス要素
６６ 予め設定可能な限界値
６７ リミッタ
６８ 線
７０ 重ね合わせ回路
８０ 復調装置
８２ 高周波エネルギーの出力
８３ 低周波エネルギーの出力
８４ 第１のプログラマブルフィルタ
８５ 第２のプログラマブルフィルタ
８６ 入力
８７ 入力
８８ 作動線
８９ 遮断要素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】