ES2207876T3 - Circuito de sonda de facoemulsificacion con sistema de excitacion de conmutacion. - Google Patents
Circuito de sonda de facoemulsificacion con sistema de excitacion de conmutacion.Info
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Abstract
UN ACCIONAMIENTO DE UNA SONDA DE FACOEMULSIFICACION (13) INCLUYE UN CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO (15) PARA SUMINISTRAR ENERGIA ELECTRICA A LA SONDA (13), UN CIRCUITO (29) PARA DETECTAR LA ENERGIA ELECTRICA SUMINISTRADA POR EL CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO (15) A LA SONDA (13) Y PARA SUMINISTRAR SEÑALES ELECTRICAS QUE INDICAN LA MAGNITUD DE LA POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA. UN DISPOSITIVO DE ENTRADA (21), QUE SE PUEDE ACCIONAR MANUALMENTE, PROPORCIONA UNA SEÑAL INDICATIVA DEL NIVEL DE POTENCIA DEL TRANSDUCTOR QUE DESEA EL USUARIO DE LA SONDA (13). UN CIRCUITO DE CONTROL RESPONDE A LA SEÑAL INDICATIVA DEL NIVEL DE POTENCIA DEL TRANSDUCTOR DESEADO Y A LAS SEÑALES INDICATIVAS DE LA MAGNITUD DE LA POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA PARA PROPORCIONAR SEÑALES DE CONTROL AL CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO (15), A FIN DE CONTROLAR DE MANERA EFICIENTE LA POTENCIA APLICADA. EL CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO (15) INCLUYE UN CONMUTADOR DE SALIDA DE DOS TRANSISTORES EN SERIE (31) QUE RESPONDE AL MENOS A UNA DE LAS SEÑALESDE CONTROL, PARA APLICAR POTENCIA EN FORMA DE ONDA CUADRADA, Y UN REGULADOR DE CONMUTACION (27) PARA SUMINISTRAR UNA TENSION DE ALIMENTACION AL CONMUTADOR DE LA SALIDA DE DOS TRANSISTORES EN SERIE (31). EL CONMUTADOR DE DOS TRANSISTORES (31) TIENE UN CIRCUITO ASOCIADO AL MISMO QUE RESPONDE A UNA DE LAS SEÑALES DE CONTROL PARA VARIAR INICIALMENTE LA FRECUENCIA DE LA FORMA DE ONDA CUADRADA. EL REGULADOR (27) RESPONDE A UNA SEGUNDA SEÑAL DE CONTROL (A) PROCEDENTE DEL CIRCUITO DE CONTROL, PARA VARIAR LA TENSION SUMINISTRADA POR EL REGULADOR (27) AL CONMUTADOR DE SALIDA DE DOS TRANSISTORES EN SERIE (31), A FIN DE CONTROLAR LA AMPLITUD DE LA FORMA DE ONDA CUADRADA. LA NATURALEZA DE CONMUTACION DE ESTE SISTEMA REDUCE SUSTANCIALMENTE EL CONSUMO DE POTENCIA DEL CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO (15), SI SE COMPARA CON LAS TECNICAS CONVENCIONALES.
Description
Circuito de sonda de facoemulsificación con
sistema de excitación de conmutación.
La presente invención trata del campo de la
facoemulsificación, y en concreto, de los circuitos de excitación
para sondas de facoemulsificación.
El uso de sondas o piezas de mano ultrasónicas
para extraer las cataratas en el ojo humano es una técnica bien
conocida. Normalmente, este procedimiento llamado
facoemulsificación, usa sondas ultrasónicas para disolver las
cataratas en el ojo, combinado con la aspiración de las partículas
resultantes. Las sondas de facoemulsificación ultrasónicas incluyen
convencionalmente uno o varios cristales piezoeléctricos fijados al
cuerpo de la sonda. El cristal se excita con una fuente de potencia
eléctrica y convierte la potencia eléctrica en potencia ultrasónica
que se aplica a la catarata por medio de la sonda.
La cantidad de potencia aplicada por la sonda es
una función de la frecuencia y amplitud de la forma de onda
eléctrica excitadora y normalmente la controla el cirujano que usa
la sonda. Se sabe que la frecuencia de la forma de onda eléctrica
aplicada debe ajustarse a la frecuencia resonante de la sonda para
conseguir una conversión de potencia eficaz.
Los circuitos de excitación de la técnica
anterior para las sondas de facoemulsificación funcionan de forma
aceptable, aunque pueden mejorarse. Por ejemplo, los circuitos de
excitación de la técnica anterior tienen un nivel de consumo de
potencia superior al deseado. Este alto nivel de consumo de potencia
no sólo es ineficaz, sino que conlleva otras deficiencias. Un
consumo de potencia mayor genera más calor, por lo que se necesitan
disipadores de calor más voluminosos de lo que sería deseable, se
incrementa el tamaño y peso total del dispositivo y, posiblemente,
se necesiten unos ventiladores adicionales u otros sistemas de
disipación del exceso de calor.
La técnica anterior describe una variedad de
sistemas de sonda de facoemulsificación, como los descritos en la
patente de Estados Unidos nº 4.587.958. La patente de Estados
Unidos nº 4.587.958 describe un sistema de sonda de
facoemulsificación que tiene una pieza de mano ultrasónica que
incluye un transductor que convierte la potencia eléctrica en
potencia ultrasónica para aplicarla al paciente, un sistema de
circuito de excitación que suministra la potencia eléctrica al
transductor de la pieza de mano ultrasónica, un sistema que mide la
potencia eléctrica suministrada por el sistema de circuito de
excitación al transductor de la pieza de mano ultrasónica y que
suministra unas señales eléctricas indicativas de la magnitud de
dicha potencia eléctrica suministrada por el sistema de circuito de
excitación, un sistema de entrada de operación manual que
proporciona una señal indicativa del nivel de potencia del
transductor que desea el usuario del sistema de sonda de
facoemulsificación, y un sistema de circuito de control sensible a
la señal indicativa del nivel de potencia deseado del transductor y
a las señales indicativas de la magnitud de la potencia eléctrica
suministrada para proporcionar las señales de control al sistema de
circuito de excitación para controlar la potencia aplicada y para
controlar la eficacia de la aplicación de potencia.
Entre los varios objetos y características de la
presente invención, puede mencionarse el de proporcionar un circuito
de excitación de la sonda de facoemulsificación con una eficacia
mejorada.
Un segundo objeto es proporcionar un circuito de
excitación de la sonda con un peso y tamaño reducidos.
Un tercer objeto es proporcionar un circuito de
excitación de la sonda con un peso y tamaño reducidos.
Otros objetos y características serán en parte
evidentes y, en parte, se señalarán en lo sucesivo.
En resumen, un sistema de sonda de
facoemulsificación de la presente invención incluye las
características enumeradas en la reivindicación 1.
La figura 1 es un diagrama de bloque de un
sistema de sonda de facoemulsificación (sistema de referencia);
La figura 2 es un diagrama que ilustra los
niveles de tensión implicados en el sistema de la figura 1;
La figura 3 es un diagrama de bloque de un
sistema de sonda de facoemulsificación de la presente invención;
La figura 3A es un esquema de una porción de la
circuitería de la figura 3; y
La figura 4 es un diagrama que ilustra la salida
de onda cuadrada de una porción del circuito de excitación del
sistema de la figura 3.
Los caracteres de referencia similares indican
partes similares en todas las vistas de los dibujos.
Con referencia a los dibujos, un sistema de sonda
de facoemulsificación 11 de la presente invención incluye una sonda
o pieza de mano ultrasónica 13 que tiene un extremo distal de un
tamaño apropiado para la inserción dentro del ojo del paciente que
emulsiona las cataratas y similares. Para los propósitos de esta
invención, la pieza de mano 13 puede tener cualquier diseño
piezoeléctrico convencional e incluye un transductor convencional
que convierte la potencia eléctrica en potencia ultrasónica para
aplicarla al paciente (no mostrado).
Se proporciona un circuito de excitación 15 que
suministra la potencia eléctrica al transductor de la pieza de mano
ultrasónica 13. La tensión (indicada por VAPL en la figura 1) y la
corriente (indicada por IAPL) suministradas por el circuito de
excitación se miden en un circuito medidor convencional de tensión
y corriente 17 y las señales eléctricas que representan la tensión
aplicada VAPL y la corriente aplicada se suministran desde la
circuitería de medición a un ordenador de control 19. El ordenador
de control 19 puede ser un microprocesador convencional programado
de forma conveniente para ejecutar las funciones descritas en la
presente invención.
Además de las entradas VAPL y IAPL, el ordenador
19 recibe una entrada (indicada por F) desde un dispositivo de
entrada de operación manual 21. El dispositivo de entrada 21 es un
pedal convencional con el que el cirujano indica al ordenador que
aumente o disminuya la potencia de salida de la sonda 13.
El ordenador de control 19 tiene tres señales de
salida (indicadas por A y "frec") que se aplican al circuito
de excitación de control 15. La aplicación de las señales de
control A y "frec" para proporcionar la potencia de salida con
el nivel deseado y a la frecuencia de resonancia de la sonda es una
técnica conocida.
Las señales de control A y "frec"
provenientes del ordenador de control se aplican a un oscilador
controlado por tensión 23 convencional cuya salida se aplica a un
amplificador 25 de clase B. La potencia para el amplificador de
clase B se obtiene del regulador de conmutación 27, y la salida del
amplificador 25 se aplica para excitar un transformador 29. La
salida del transformador 29 se aplica a la sonda 13 y la misma
salida se mide mediante un circuito medidor 17, como se ha descrito
anteriormente.
El regulador de conmutación 27 proporciona una
tensión de alimentación (indicada por VAJ) al amplificador 25 que
es una función de la otra señal de control proveniente del
ordenador 19, a saber, la señal de control V del sistema de
referencia de la figura 1, que no es parte de la presente invención.
En general, la señal de control V se usa para controlar la eficacia
de la aplicación de la potencia, específicamente para minimizar de
manera importante el consumo de potencia del amplificador, mientras
que la señal A se usa para controlar el nivel de potencia aplicado a
la sonda.
El funcionamiento del sistema 11 es el siguiente:
durante el funcionamiento del sistema 11 (después del ajuste
inicial de la señal de control "frec" para encontrar la
frecuencia de resonancia de la sonda 13), el ordenador de control
19 recibe una señal F del pedal 21, cuya señal representa el nivel
de potencia que el usuario desea aplicar a la sonda 13. El
ordenador 19 responde ajustando la señal de control de amplitud A
aplicada al oscilador controlado por tensión 23 para suministrar
aproximadamente el nivel de potencia deseado a la sonda. Se miden
la tensión y la corriente realmente aplicadas, VAPL y IAPL, y las
señales que las representan se aplican al ordenador 19 para cerrar
el bucle de control entre el circuito de excitación y el ordenador
19. El ordenador usa esta información relativa a la potencia
realmente aplicada para ajustar la señal de control A de modo que
se entregue a la sonda la potencia deseada correspondiente a la
señal de entrada F.
Aunque el control de la señal A consigue que se
suministre la potencia deseada a la sonda, no se ejerce ningún
control sobre la eficacia del circuito de excitación 15. Para
controlar esta eficacia, y minimizar por tanto el consumo de
potencia de forma importante, el ordenador 19 ajusta además la señal
de control V aplicada al regulador de conmutación 27. El regulador
de conmutación (preferiblemente un regulador de elevador de
tensión, aunque podrían usarse otros tipos de reguladores de
conmutación) se proporciona con una tensión fija (indicada por
VFIJA) que regula en función de la señal de control V. El ajuste de
la señal de control V provoca que la salida de la tensión de
alimentación VAJ del regulador de conmutación cambie de forma
controlada.
El valor de la tensión de alimentación VAJ se
determina como se indica a continuación: con referencia a la figura
2, la tensión VB es la señal aplicada al transformador 29. Esta
señal es una onda seno de amplitud VP. De esta manera, la tensión
VB tiene una amplitud pico a pico de 2*VP. El amplificador 25 de
clase B funciona de tal forma que VB = VAJ/2 + VP* sen(wt).
El ordenador 19 controla el regulador de conmutación 27 para que la
tensión de alimentación VAJ se mantenga en el nivel VAJ = 2*VP +
2*VM, conforme VP varía como respuesta a la señal F del pedal. VM
es la tensión mínima necesaria por el amplificador de clase B para
que la señal pase sin una distorsión importante. Si VAJ fuera mayor
que este valor (2*(VP+VM)), entonces el exceso de potencia se
disiparía en el amplificador 25. SI VAJ fuera menor que este valor,
entonces se distorsionaría la señal.
Con referencia a la figura 3, la presente
invención es similar al sistema de referencia de la figura 1 pero,
en lugar de un amplificador 25 de clase B, se dispone de un
conmutador de carga activa 31, seguido de un filtro de conformación
33. De la misma manera que el sistema de la figura 1, el ordenador
de control 19 recibe una señal F proveniente del pedal 21 que
representa el nivel de potencia que se desea aplicar a la sonda 13.
El ordenador de control ajusta entonces la señal de amplitud A
aplicada al regulador de conmutación 27 que controla la magnitud de
la tensión de alimentación Va. A su vez, el valor de Va determina
la amplitud de la onda cuadrada Vcua aplicada al filtro de
conformación 33. El filtro de conformación (un filtro pasa banda,
normalmente) rechaza los armónicos de la onda cuadrada (y cualquier
nivel de continua) y deja pasar sólo la frecuencia fundamental. De
esta forma, la salida Vseñ es una señal sinusoidal que se aplica al
circuito medidor y transformador 29. El circuito 29 mide la tensión
y corriente aplicadas a la sonda, es decir Vapl e Iapl. A partir de
estas señales, el ordenador de control calcula la potencia realmente
aplicada a la sonda. Esto permite que el ordenador de control
cierre el bucle de control y la señal de control A para entregar a
la sonda la potencia deseada dependiendo de la señal F.
Puede comprenderse que la frecuencia, controlada
por la señal "frec", se ajusta una vez al inicio de la
operación para encontrar la frecuencia de resonancia de la sonda, y
a partir de entonces permanece constante. Los cambios en la
potencia deseada se realizan cambiando la señal de control
"A".
Con referencia a la figura 3A, puede verse que la
salida del OCV 23 se aplica a la porción de excitador y control de
conmutación 39 de un conmutador de carga activa 31, que a su vez,
abre y cierra los conmutadores 41 y 43 para proporcionar la salida
de onda cuadrada mostrada en la línea superior de la figura 4. El
filtro de conformación 33 filtra esta onda cuadrada para
proporcionar al transformador una forma de onda sinusoidal Vseñ
mostrada en la línea inferior de la figura 4.
Se ha observado que el sistema de la presente
invención proporciona una eficacia muy aumentada en comparación con
la técnica anterior. Por ejemplo, con un sistema de la técnica
anterior, la tensión de alimentación Va se fija en algún valor lo
suficientemente grande como para que pueda entregarse a la carga la
potencia máxima con la máxima resistencia de carga. A modo de
comparación: supóngase que los tres sistemas (técnica anterior,
figura 1 y figura 3) se diseñan para entregar una potencia máxima
de 20W a una carga dentro del intervalo de 2,2 ohmios a 11,1
ohmios.
El sistema de la técnica anterior debe tener una
tensión de alimentación de 48V para poder entregar una potencia
máxima (20W) a la máxima carga resistiva (11,1 ohmios). Como
comparación, la potencia disipada en el sistema de la técnica
anterior se calcula para variar entre 8,9W para 11,1 ohmios (68,7%
de eficacia) y 45,1W para 2,2 ohmios (30,7% de eficacia). Por otra
parte, el sistema de la figura 1 tiene una disipación de potencia
idéntica a la del sistema de la técnica anterior para 11,1 ohmios,
pero una disipación de potencia de sólo 13,6W (59,6% de eficacia)
para 2,2 ohmios. Esto supone casi duplicar la eficacia del sistema
de la técnica anterior para baja resistencia. Incluso para una
resistencia de carga promedio (aproximadamente 4 ohmios), el sistema
de la figura 1 es 20% aproximadamente más eficaz que el sistema de
la técnica anterior.
El sistema de la figura 3 es todavía más eficaz.
La eficacia varía entre 95% y 99% aproximadamente conforme la carga
varía desde 2,2 hasta 11,1 ohmios, lo cual es una mejora muy
importante. La disipación máxima que el sistema de la figura 3 debe
manejar es menos de 1 vatio. A estos niveles de disipación, en
algunas aplicaciones es posible que se pueda eliminar completamente
un disipador de calor.
Aunque las eficacias mencionadas anteriormente
son teóricas, en la práctica pueden conseguirse valores muy
cercanos debido a las grandes ventajas prácticas del sistema de la
figura 3 sobre la técnica anterior. Además, puede apreciarse que
las eficacias mencionadas anteriormente se refieren sólo al
amplificador y no a las eficacias que resultan de usar un regulador
de conmutación.
Puede apreciarse que los componentes descritos
anteriormente tienen un valor únicamente ilustrativo. En la
invención podría usarse cualquier número de componentes similares.
Pueden usarse numerosas variaciones de los procedimientos y
construcciones presentes. Los ejemplos ofrecidos aquí tienen un
valor únicamente ilustrativo, y no deben interpretarse como
limitativos.
Claims (7)
1. Un sistema de sonda de facoemulsificación (11)
que tiene una pieza de mano ultrasónica (13) que tiene un extremo
distal de un tamaño apropiado para la inserción en el ojo de un
paciente para emulsionar cataratas, incluyendo dicha pieza de mano
(13) un transductor que convierte la potencia eléctrica en potencia
ultrasónica para aplicarla al paciente; un sistema de circuito de
excitación (23, 27, 31, 39, 29) para suministrar la potencia
eléctrica al transductor de la pieza de mano ultrasónica; un
sistema para medir la potencia eléctrica (29) suministrada por el
sistema de circuito de excitación (23, 27, 31, 39, 29) al
transductor de la pieza de mano ultrasónica y para suministrar unas
señales eléctricas (V_{APL}, I_{APL}) indicativas de la magnitud
de dicha potencia eléctrica suministrada por el sistema de circuito
de excitación (23, 27, 31, 39, 29); un sistema de entrada de
operación manual (21) que proporciona una señal indicativa del
nivel de potencia del transductor que desea el usuario del sistema
de sonda de facoemulsificación (11); y un sistema de circuito de
control (19) sensible a la señal (F) indicativa del nivel de
potencia deseada del transductor y a las señales (V_{APL},
I_{APL}) indicativas de la magnitud de la potencia eléctrica
suministrada para proporcionar unas señales de control al sistema
de circuito de excitación (23, 27, 31, 39, 29) para controlar la
potencia aplicada, incluyendo dicho sistema de circuito de
excitación (23, 27, 31, 39, 29) un sistema de conmutación (31, 39)
sensible al menos a una de las señales de control para aplicar
potencia con una forma de onda cuadrada (V_{CUA}) y un sistema
regulador (27) que suministra una tensión de alimentación (V_{A})
al sistema de conmutación (31, 39), incluyendo dicho sistema de
conmutación (31, 39) un sistema (23) sensible al menos a una de
dichas señales de control para variar inicialmente la frecuencia de
la forma de onda cuadrada, siendo dicho sistema regulador (27)
sensible a una segunda señal de control (A) proveniente del sistema
de circuito de control (19) para variar la tensión (V_{A})
suministrada por el sistema regulador (27) al sistema de
conmutación (31, 39) para controlar la amplitud de la forma de onda
cuadrada, controlando de esta manera la potencia entregada a la
sonda (13),
caracterizado porque
el sistema de conmutación (31, 39) incluye un
oscilador (23) sensible directamente al menos a una de dichas
señales de control para establecer inicialmente la frecuencia de la
forma de onda cuadrada, controlando al menos una de dichas señales
de control la frecuencia de oscilación del oscilador (23).
2. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según la reivindicación 1, en donde la forma de onda cuadrada
(V_{CUA}) tiene aproximadamente un ciclo de trabajo del cincuenta
por ciento.
3. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según la reivindicación 1 ó 2, en donde para una frecuencia fija de
la forma de onda cuadrada, el circuito de control (19) controla el
sistema regulador (27) para suministrar una tensión de alimentación
(V_{A}) con una magnitud seleccionada para proporcionar al
transductor el nivel de potencia deseado del transductor (13).
4. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el sistema
regulador (27) es un regulador de conmutación (27) cuya tensión de
salida (V_{A}) está controlada por la segunda señal de control
proveniente del sistema de circuito de control (19).
5. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la salida
del sistema de conmutación (31, 39) se conecta a un filtro de
conformación (33), estando conectada la salida (V_{SEÑ}) del
filtro de conformación (33) a la entrada de un transformador (29),
estando conectada la salida del transformador (29) para excitar el
transductor de la pieza de mano ultrasónica (13), estando conectado
dicho sistema medidor (29) de la potencia eléctrica suministrada a
la pieza de mano ultrasónica al transformador para medir dicha
potencia eléctrica suministrada.
6. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el sistema
de conmutación (31, 39) incluye un conmutador de carga activa
(31).
7. El sistema de sonda de facoemulsificación (11)
según la reivindicación 6, en donde el conmutador de carga activa
(31) tiene una impedancia de fuente considerablemente menor que los
amplificadores de clase A, clase B y clase AB.
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