ES2231981T3 - Metodo de control para un instrumento manual de facoemulsificacion. - Google Patents

Abstract

Método para controlar un instrumento manual ultrasónico (30) con una frecuencia de resonancia en serie variable, que comprende las etapas siguientes: a.generar una señal de suministro (25) con: i.una primera señal (25a) a una primera frecuencia (f1) sustancialmente igual que un valor actual conocido de una frecuencia de resonancia en serie (fs), ii. una segunda señal (25b) a una segunda frecuencia (f2) mayor que la primera frecuencia; y iii. una tercera señal (25c) a una tercera frecuencia (f3) menor que la primera frecuencia; b.excitar el instrumento manual con la señal de suministro (25); c.medir la primera admitancia (Y1) en la primera frecuencia, una segunda admitancia (Y2) en la segunda frecuencia, y una tercera admitancia (Y3) en la tercera frecuencia; d. predecir una frecuencia de resonancia en serie futura (fs¿) basada en los valores relativos de la primera admitancia, de la segunda admitancia y de la tercera admitancia; y, e.cambiar la primera frecuencia (f1) de manera que se corresponda con la frecuencia de resonancia en serie futura (fs¿).

Description

Método de control para un instrumento manual de facoemulsificación.

La presente invención se refiere a un método de control de distorsión para un dispositivo ultrasónico y más particularmente, para un instrumento manual de facoemulsificación oftálmica.

Antecedentes de la invención

Un dispositivo quirúrgico ultrasónico típico adecuado para procedimientos oftálmicos consiste en un instrumento manual accionado ultrasónicamente, una punta de corte hueca acoplada, un manguito de irrigación y una consola de control electrónico. El conjunto de instrumento manual está acoplado a la consola de control por medio de un cable eléctrico y de tubos flexibles. Gracias al cable eléctrico, la consola varía el nivel de potencia transmitido por el instrumento manual a la punta de corte acoplada, y los tubos flexibles suministran fluido de irrigación a y succionan fluido de aspiración del ojo a través del conjunto de instrumento manual.

La parte operativa del instrumento manual es una barra o una trompa hueca de resonancia situada centralmente acoplada directamente a un conjunto de cristales piezoeléctricos. Dichos cristales suministran la vibración ultrasónica requerida, necesaria para accionar tanto la trompa como la punta de corte durante la facoemulsificación y se controlan por medio de la consola. El conjunto cristal/trompa se suspende en el interior del cuerpo o carcasa hueca del instrumento manual en sus puntos nodales por medio de montajes relativamente inflexibles. El cuerpo del instrumento manual termina en una parte o cono frontal de diámetro reducido en el extremo distal del cuerpo. El cono frontal está roscado exteriormente para recibir el manguito de irrigación. Del mismo modo, la cavidad de la trompa está roscada interiormente en su extremo distal para recibir los roscados exteriores de la punta de corte. El manguito de irrigación también presenta una cavidad roscada interiormente que se enrosca en los roscados exteriores del cono frontal. La punta de corte está ajustada de manera que la punta se proyecte sólo en una cantidad determinada más allá del extremo abierto del manguito de irrigación. En las patentes US números 3.589.363; 4.223.676; 4.246.902; 4.493.694; 4.515.583; 4.589.415; 4.609.368; 4.869.715; y 4.922.902 se describen más específicamente los instrumentos manuales ultrasónicos y las puntas de corte.

Cuando se utilizan para llevar a cabo la facoemulsificación, los extremos de la punta de corte y del manguito de irrigación se insertan en una pequeña incisión de una anchura predeterminada en la córnea, esclerótica, u otra localización en el tejido ocular con el fin de conseguir acceder a la cámara anterior del ojo. La punta de corte se hace vibrar de forma ultrasónica a lo largo de su eje longitudinal en el manguito de irrigación por medio de la trompa ultrasónica accionada por cristal, emulsionando de este modo, después del contacto, el tejido seleccionando in situ. La cavidad hueca de la punta de corte se comunica con la cavidad en la trompa que a su vez se comunica con la conducción de aspiración desde el instrumento manual hasta la consola. Una presión reducida o una fuente de vacío en la consola succiona o aspira el tejido emulsionado desde el ojo a través del extremo abierto de la punta de corte, la cavidad de la punta de corte, la cavidad de la trompa y la conducción de aspiración hasta un dispositivo de recogida. Se colabora con la aspiración del tejido emulsionado por medio de una solución salina de descarga o irrigación que se inyecta en el lugar quirúrgico a través del pequeño espacio anular entre la superficie interior del manguito de irrigación y la superficie exterior de la punta de corte.

El conjunto de trompa, que incluye materiales inertes tanto piezoeléctricos como de límite de resistencia elevado, utilizado en instrumentos manuales ultrasónicos se debe ajustar cuidadosamente para conseguir el funcionamiento adecuado. Tal como se utiliza en la presente memoria, el término "ajustar" se refiere al proceso de encontrar y seguir las frecuencias de resonancia del instrumento manual que funcionan bajo condiciones con carga o sin carga. El accionamiento del instrumento manual a una frecuencia de resonancia se beneficia de las capacidades de almacenamiento de energía del cristal, que se da con mayor eficiencia en la resonancia. Con el ajuste apropiado, el instrumento manual almacenará energía mecánica mientras funciona sin carga y liberará dicha energía en el material que se está cortando cuando está con carga. Como consecuencia de ello, para periodos de tiempo reducidos, se pueden dirigir grandes cantidades de energía al material por medio del propio instrumento manual y no por medio de la fuente de energía del instrumento manual. Esto permite que la fuente de energía se diseñe para proporcionar únicamente la energía requerida en estado estable del transductor y no de las cargas transitorias que pueden ser varias veces mayores.

Los sistemas de control y de ajuste convencionales determinan frecuencias resonantes en paralelo y en serie bajo una condición de carga controlada, a menudo en solución salina, antes de someter el instrumento manual a las cargas encontradas durante la intervención. El instrumento manual se excita en una gama de frecuencias, una frecuencia cada vez. Se registra la respuesta del instrumento manual a cada frecuencia, medida como admitancia (la razón entre la intensidad de suministro con respecto al voltaje de suministro). Una admitancia típica con respecto a la relación de frecuencia de un instrumento manual típico en esta condición de pre-cirujía con carga relativamente ligera se ilustra en la Figura 1. La admitancia máxima registrada (Y_{s}) se corresponde con la resonancia en serie (f_{s}) y la admitancia mínima (Y_{p}) se corresponde con la resonancia en paralelo (f_{p}). El accionamiento del instrumento manual con una señal de potencia en la resonancia en serie tiene como resultado la conversión más eficiente de energía eléctrica a energía mecánica debido a que la resonancia en serie eléctrica tiene lugar en la misma frecuencia que la resonancia mecánica.

Sin embargo, cuando el instrumento manual está cargado mecánicamente, como ocurre durante la intervención, la forma y la posición de la admitancia con respecto a la curva de frecuencia cambia y, por lo tanto, las frecuencias resonantes en paralelo y en serie características cambian. La curva "A" de la Figura 2 representa la admitancia característica con respecto a la curva de frecuencia que se muestra en la Figura 1 para un instrumento manual ligeramente cargado. La curva "B" representa, por ejemplo, la curva de admitancia con respecto a la curva de frecuencia cuando el mismo instrumento manual está cargado mecánicamente. Tal y como se puede apreciar, la curva "B" se ha desplazado hacia la derecha (f_{sB} > f_{sA}) y la admitancia máxima de la curva "B" es menor que la admitancia máxima de la curva "A", y la admitancia mínima de la curva "B" es mayor que la admitancia mínima de la curva "A". Algunas condiciones de carga mecánica también pueden desplazar la curva "A" hacia frecuencias inferiores (hacia la izquierda).

La curva "C" representa la admitancia con respecto a la curva de frecuencia para el mismo instrumento manual cuando la temperatura del cristal en el interior del instrumento manual ha aumentado por encima de la temperatura de la sala. La curva "C" se ha desplazado generalmente por encima y hacia la izquierda (es decir mayores valores de admitancia y menores de frecuencia) con relación a la curva "A". Si la señal de potencia se suministrase al instrumento manual en la resonancia en serie determinada originalmente, por ejemplo, la eficiencia de la señal de potencia caería de forma importante. De este modo, si se somete el instrumento manual a una carga sin ajustar la frecuencia de la señal de potencia, se reduce la eficiencia y la previsibilidad de la señal de potencia.

Un acercamiento para ajustar un instrumento manual en tiempo real durante la intervención quirúrgica utiliza, empleando una señal de potencia a una frecuencia que es el promedio de las frecuencias de resonancia en paralelo y en serie en la condición de precirujía relativamente sin carga y ajusta la frecuencia de la señal de potencia, de manera que se mantenga una admitancia constante. Este tipo de sistema se describe más detalladamente en la patente US nº 5.431.664 ("la patente '664").

Brevemente, los sistemas de este tipo ajustan el instrumento manual en base a un valor de admitancia constante (Y_{o}), que se determina como el promedio de las admitancias máxima y mínima por medio de la ecuación
Y_{o} = \frac{(Y_{s} + Y_{p})}{2}. (Algunos sistemas de control de admitancia constante disponibles comercialmente fijan Y_{o} en un punto distinto al promedio, por ejemplo, Y_{o} = 0,3Y_{s} + 0,7Y_{p}). Dado que el instrumento manual se carga bajo muchos tipos de condiciones, la curva de admitancia con respecto a la curva de frecuencia se desplaza a lo largo del eje de frecuencia. Dicho desplazamiento se muestra, por ejemplo, por medio de la curva "A" y la curva "B" en la Figura 2, donde la curva "B" representa una respuesta posible de un instrumento manual a una carga de reacción másica. El sistema de control descrito en la patente '664 ajusta la frecuencia de la señal suministrada para mantener la admitancia en Y_{o}.

Mientras que este tipo de sistema de control y ajuste resulta efectivo sobre una gama relativamente amplia de condiciones de carga, el instrumento manual nunca se acciona en la resonancia en serie y debido a ello, se pierde una parte de la eficiencia. Además, los desplazamientos en la admitancia con respecto a las curvas de frecuencia a lo largo del eje de admitancia, como por ejemplo los que se muestran mediante de la curva "C" en la Figura 2, pueden hacer que este tipo de sistema de control de admitancia constante resulte inefectivo. La admitancia de ajuste (Y_{o}) no se encuentra en ninguna parte de la curva "C", que puede describir la respuesta de un instrumento manual calentado y cargado mecánicamente. Los sistemas de control que ajustan la frecuencia de suministro para que ésta coincida con la resonancia en serie típicamente utilizan circuitos en bucle cerrado de fase con gamas de ajuste muy estrechas.

Otro acercamiento para ajustar y controlar un instrumento manual ultrasónico recae en el uso de una banda ancha, sustancialmente con una señal de calibración de amplitud constante, para determinar la respuesta del instrumento manual ante la carga mecánica en tiempo real. Un sistema de este tipo se describe en la solicitud de patente US con número de serie 08/769.257 presentada el 18 de diciembre de 1996 (la solicitud '257). Brevemente, se alimenta una señal de calibración de banda ancha a un instrumento manual ultrasónico, y la respuesta de dicho instrumento manual viene determinada por un analizador rápido de señal digital de transformada de fourier. Se alteran algunos aspectos de la señal suministrada y quizás de la señal de calibración en base a la respuesta del instrumento manual. Este acercamiento de banda ancha genera información detallada acerca de la forma de la curva de admitancia con respecto a la curva de frecuencia de respuesta para un instrumento manual en concreto. Sin embargo, dicha información detallada quizá no resulte necesaria para efectuar el ajuste y el control del instrumento manual.

Así, continúa existiendo una necesidad de un método y un sistema de control capaces de ajustar un instrumento manual ultrasónico a su resonancia en serie cuando dicho instrumento manual está sometido a condiciones de carga ampliamente variables.

Sumario de la invención

La presente invención mejora los métodos según la técnica anterior de ajuste y control de dispositivos ultrasónicos ajustando de forma automática el instrumento manual con anterioridad al procedimiento quirúrgico, según las reivindicaciones que seguirán, y de excitar el instrumento manual con una señal de suministro de distorsión durante la intervención quirúrgica. Con anterioridad a ser sometido a cargas durante la operación, se excita el instrumento manual con una serie de señales de frecuencia únicas sobre una gama de frecuencias de ajuste lo suficientemente ancha como para abarcar la totalidad de los valores esperados de resonancias en paralelo y en serie. El incremento de la diferencia entre cada señal de frecuencia única sucesiva es lo suficientemente pequeña como para dar como resultado la resolución suficiente de la respuesta del instrumento manual. Este incremento de diferencia es significativamente menor que la diferencia esperada entre la resonancia en serie y la resonancia en paralelo del instrumento manual (o el ancho de banda del instrumento manual). Por ejemplo, una diferencia de aproximadamente 10 Hz sería suficiente para un instrumento manual típico con un ancho de banda de unos pocos cientos de hercios.

La respuesta del instrumento manual se mide por medio de un procesador de señal digital ("DSP") con la admitancia correspondiente a cada una de dichas frecuencias de ajuste. El DSP registra las series de valores de admitancia en todas las frecuencias de ajuste, con el fin de determinar la admitancia con respecto a la relación de frecuencia para el instrumento manual sobre la totalidad de la gama de frecuencia de ajuste. La resonancia en serie se corresponde con la frecuencia a la que tiene lugar la admitancia máxima y la resonancia en paralelo corresponde a la frecuencia a la que tiene lugar la admitancia mínima. De forma alternativa, la respuesta de frecuencia de cada instrumento manual se puede determinar utilizando un análisis rápido de transformada de fourier, tal y como se describe por ejemplo en la solicitud '257.

En una primera forma de realización, después de llevar a cabo un procedimiento de ajuste previo a la cirugía, la señal suministrada que alimenta al instrumento manual se distorsiona para alternar entre una señal de potencia a una primera frecuencia (la resonancia en serie tal y como se ha determinado durante el procedimiento de ajuste) y por lo menos dos componentes de calibración a frecuencias de calibración que difieren de la primera frecuencia en \delta o en múltiplos de \delta. Dado que \delta es muy pequeño en comparación con la diferencia entre las resonancias en serie y en paralelo, los componentes de calibración son casi tan efectivos en el accionamiento del instrumento manual como la señal de potencia (o quizás incluso más efectivos bajo ciertas circunstancias). El incremento de distorsión \delta, utilizado en esta forma de realización puede o no ser igual al incremento de distorsión utilizada en otras formas de realización según la invención. Las frecuencias de calibración incluyen por lo menos una frecuencia que es menor que la primera frecuencia y por lo menos una frecuencia que es mayor que la primera frecuencia. Esencialmente, una versión estructurada en pasos de un procedimiento de ajuste de precirujía se realiza de forma repetida en frecuencias que rodean inmediatamente el último valor conocido de la resonancia en serie.

Se mide la admitancia del instrumento manual en cada frecuencia específica (la primera frecuencia y cada una de las frecuencias de calibración) y se analiza el conjunto de respuestas para determinar el nuevo valor probable de la resonancia en serie. Una vez se determina la nueva resonancia en serie, se genera una señal de control apropiada para alterar la primera frecuencia de manera que se corresponda con la resonancia en serie. El número de componentes de calibración, el incremento de distorsión, la amplitud de los componentes de calibración, y el orden al que se barre la señal de suministro a través de los componentes de calibración y la señal de potencia se pueden variar con el fin de optimizar la efectividad del sistema de control.

De acuerdo con lo anterior, un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de control y un método que realice un análisis a tiempo real de la respuesta de frecuencia de un instrumento manual ultrasónico cargado mecánicamente, con el fin de estimar por lo menos la resonancia en serie del instrumento manual y para ajustar de forma continuada por lo menos la frecuencia de una señal de potencia que alimenta al instrumento manual.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de ajuste que mida de forma rápida y precisa la respuesta de un instrumento manual ultrasónico a una gama de frecuencias lo suficientemente ancha como para abarcar la totalidad de los valores potenciales de las resonancias en serie y en paralelo, con el fin de determinar la admitancia característica con respecto a la respuesta de frecuencia del instrumento manual.

Haciendo referencia a los dibujos y a la descripción siguiente de los mismos, así como a las reivindicaciones, se pondrán de manifiesto otros objetivos, características y ventajas de la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un gráfico de admitancia con respecto a la frecuencia de un instrumento manual ultrasónico típico en la proximidad a las resonancias en serie y en paralelo con una admitancia de control típica identificada para un sistema de control de admitancia constante.

La Figura 2 es un gráfico de admitancia con respecto a la frecuencia que ilustra el modo en que la respuesta de un instrumento manual ultrasónico típico se puede desplazar cuando el instrumento manual está sometido a una carga térmica y mecánica.

La Figura 3 es un diagrama en bloque de una forma de realización alternativa de un sistema y un método para ajustar y controlar un instrumento manual ultrasónico durante un procedimiento quirúrgico según la presente invención, acompañado de representaciones gráficas de señales eléctricas generadas por cada uno de los componentes.

Las Figuras 4a a 4i son una serie de gráficos de la parte de las curvas de respuesta de admitancia con respecto a las curvas de respuesta de frecuencia en la proximidad de la resonancia en serie en la que las respuestas de la admitancia correspondientes a dos frecuencias de calibración y la frecuencia de suministro están marcadas para ilustrar un tipo de lógica que puede utilizar el sistema de control que se muestra en la Figura 3 para estimar la resonancia en serie de un instrumento manual cargado mecánicamente.

Descripción detallada de la invención

Antes del inicio de un procedimiento quirúrgico, el sistema y el método según la presente invención se utiliza para ajustar el instrumento manual ultrasónico tal y como se ha descrito anteriormente. Específicamente, un oscilador de voltaje controlado ("VCO") acciona el instrumento manual con una serie de señales de frecuencia única a una amplitud sustancialmente constante, y un DSP mide la respuesta del instrumento manual a cada una de las señales de frecuencia única. La gama de frecuencias a través de la que barre el VCO (la gama de frecuencia de ajuste) se puede definir como cualquier parte de un espectro entre 25 kHz y 80 kHz, que es el espectro de funcionamiento para los instrumentos manuales ultrasónicos típicos existentes que se utilizan actualmente en la cirugía ocular. Una gama de aproximadamente entre 100 Hz y 10.000 Hz resulta adecuada como gama de frecuencia de ajuste y es preferible de unos 4.000 Hz. Dichos valores de la gama de frecuencia de ajuste son lo suficientemente anchos como para abarcar virtualmente todos los valores potenciales de f_{s} y f_{p}. Otras gamas de frecuencia de ajuste pueden resultar más adecuadas para otras aplicaciones ultrasónicas, y la operación general de los sistemas y métodos descritos en el presente documento serán igualmente instrumentos para ajustar y controlar los instrumentos manuales en dichas aplicaciones.

Cuando se utiliza para controlar el instrumento manual durante un procedimiento quirúrgico, el sistema y el método según la presente invención generalmente emplea un VCO combinado con un amplificador como fuente para generar la señal que acciona un instrumento manual ultrasónico (la "señal de suministro"). La frecuencia de la señal de suministro se altera por medio de un incremento de distorsión desde la última estimación de la resonancia en serie ("la frecuencia de potencia"). Algunas formas de realización de la presente invención distorsionan la señal de suministro por encima y por debajo de la frecuencia de potencia y otras distorsionan la señal de suministro en una única dirección (por encima o por debajo de la frecuencia de potencia) en base a la respuesta del instrumento manual a señales de suministro distorsionadas anteriores. Por lo menos en algunos sistemas según la presente invención, el VCO se puede programar y, así, ajustar fácilmente variando cierta información de admitancia que alimenta al VCO. Se puede utilizar un procesador de señal digital ("DSP") para medir la respuesta del instrumento manual a cada componente de la señal de suministro (aquellos a la frecuencia de potencia y aquellos a las frecuencias distorsionadas) y se pueden comparar estas respuestas para determinar el valor de la resonancia en serie real probable. La salida del DSP se utiliza para generar parámetros de control que se incorporan en una señal de control adecuada que alimenta al VCO con el fin de alterar aspectos de la señal de suministro.

La Figura 3 es un diagrama en bloque que ilustra una forma de realización preferida de un sistema según la presente invención para ajustar y controlar un instrumento manual ultrasónico 70.

La Figura 3 es un diagrama en bloque que ilustra una segunda forma de realización de un sistema según la presente invención para ajustar y controlar un instrumento manual ultrasónico. El funcionamiento del sistema y el rendimiento del método ilustrado en la Figura 3 tiene como resultado la determinación de la respuesta característica del instrumento manual 30 en un conjunto de frecuencias específicas (por ejemplo, f_{3} y f_{1}) relativamente próximas e incluyendo la frecuencia de potencia, f_{2} (que se aproxima al último valor conocido de la resonancia en serie f_{s}). En la forma de realización que se muestra en la Figura 3, la combinación del VCO 10 y el amplificador 20 genera una señal de suministro 25, que es una señal variable que pasa por las señales de suministro 25a, 25b y 25c sucesivamente a frecuencias f_{1}, f_{2} y f_{3} respectivamente. Cada una de las señales de suministro 25a, 25b y 25c presentan preferentemente la misma amplitud aproximadamente. La frecuencia f_{2} corresponde aproximadamente al último valor conocido de resonancia en serie f_{s}, la frecuencia f_{1} es menor que la frecuencia f_{2} y f_{3} es mayor que f_{2}. Preferentemente, f_{1 y}f_{3}son distintos de f_{2} en un incremento de distorsión (\delta), y el incremento de distorsión preferido se define como 0,1(f_{p}-f_{s}) \geq \delta \geq
0,001(f_{p} - f_{s}) aproximadamente, y con mayor preferencia 0,01(f_{p} - f_{s}).

Debido a que la señal de suministro 25 pasa por las señales de suministro 25a, 25b y 25c, la frecuencia de la señal de respuesta 35 del instrumento manual 30 también varía tal y como se muestra por medio de las señales de respuesta 35a, 35b y 35c. En el ejemplo que se muestra en la Figura 3, la amplitud de la señal de respuesta 35a es menor que la amplitud de la señal de respuesta 35b, que a su vez es menor que la amplitud de la señal de respuesta 35c. Las señales de suministro 25a, 25b y 25c y las señales de respuesta 35a, 35b, y 35c alimentan de forma síncrona al DSP 40 (quizás después de que cada una de ellas sea atenuada para proteger la sección de admitancia del DSP 40). El DSP 40 divide la corriente de las señales de respuesta 35a, 35b y 35c entre el voltaje de las señales de suministro 25a, 25b y 25c respectivamente, con el fin de determinar los valores de admitancia Y_{1}, Y_{2} y Y_{3} a sus frecuencias correspondientes f_{1}, f_{2} y f_{3}. Los puntos (Y_{1}, f_{1}); (Y_{2}, f_{2}) y (Y_{3}, f_{3}) recaen a lo largo de la curva de admitancia 37, que es una representación de la relación de la admitancia con respecto a la frecuencia que puede tener lugar en el instrumento manual 30. El pico de la curva de admitancia 37 define el valor actual de la resonancia en serie f_{s}'.

La resonancia en serie actual f_{s}' que se muestra en la Figura 3 es, por ejemplo, mayor que las frecuencias de calibración (f_{1} y f_{3}) y que la frecuencia de potencia (f_{2}). Bajo estas condiciones, la lógica de control programada en el DSP 40 determinará una nueva frecuencia de suministro que será f_{2} + \delta (es decir, f_{3}) o, por ejemplo, f_{2} más un incremento diferente basado en la forma original de la curva de admitancia. A continuación, el DSP 40 genera y envía una señal de control adecuada 45 al VCO 10, con el fin de alterar la frecuencia de la señal de suministro 65. Las frecuencias de calibración f_{1} y f_{3} también se incrementarán, de manera que continúen siendo distintas a f_{2} por medio del incremento de distorsión \delta. Sin embargo, la curva de admitancia 37 tal y como se muestra en la Figura 3, sólo es un posible escenario de los que se pueden encontrar.

Las Figuras 4a a 4i son representaciones cualitativas de todas las curvas de admitancia posibles con respecto a las curvas de frecuencia que se pueden encontrar por medio del sistema de control que se muestra en la Figura 3. Las Figuras 4a a 4d representan los casos en los que f_{2} se debe incrementar hasta aproximadamente f_{s}'. El mayor ajuste en f_{2} se requiere en la situación que se representa en la Figura 4a y progresivamente se requiere menos ajuste en f_{2} en las Figuras 4b, 4c y 4d. La Figura 4e representa el caso en el que f_{2} no precisa ajuste. Las Figuras 4f a 4i representan casos en los que f_{2} debe descender hasta aproximarse a f_{s}', siendo necesario progresivamente más ajuste en f_{2} en las Figuras 4f, 4g, 4h y 4i. Obviamente, un sistema según la presente invención puede utilizar más de dos componentes de calibración con un cambio en la lógica de control. El cuadro siguiente resume la lógica aplicada por el DSP 40 (utilizando dos componentes de calibración, las señales de suministro 25a y 25c, junto con la señal de suministro 25b) con el fin de ajustar f_{2} de manera que se corresponda aproximadamente con f_{s}':

Condición	Acción
Y_{1}<Y_{2}<Y_{3} ó Y_{1}<Y_{2} = Y_{3} ó Y_{1}<Y_{3}<Y_{2}	Incrementar f_{2}
Y_{1} = Y_{3}<Y_{2}	Mantener f_{2} en el valor actual
Y_{3}<Y_{2}<Y_{1} ó Y_{3}<Y_{1}<Y_{2} ó Y_{3}<Y_{1} = Y_{2}	Disminuir f_{2}

La cantidad por medio de la cual se ajusta f_{2} viene determinada por la comparación de la inclinación de cada línea definida por puntos adyacentes en la curva de admitancia 37. Por ejemplo, la primera y la segunda derivadas de la curva 37 (es decir, de la función Y(f)) pueden aproximarse en un sistema de control que utiliza un incremento de distorsión constante \delta utilizando los tres puntos (Y_{1}, f_{1}); (Y_{2}, f_{2}); y (Y_{3}, f_{3}) del modo siguiente:

\frac{dY}{df} \cong \frac{Y_{2} - Y_{3}}{2 \delta} \ y \ \frac{d^{2} Y}{df^{2}} \cong \left(\frac{Y_{2} + Y_{3} - 2 Y_{1}}{\delta^{2}} \right)

donde

\delta = f_{2} - f_{1} = f_{1} - f_{3}

La primera y la segunda derivadas de Y(f) en un sistema en el que \delta varía se aproximan según las ecuaciones siguientes:

\frac{dY}{df} \cong \frac{Y_{3} - Y_{2}}{f_{3} - f_{2}} \ y \ \frac{d^{2} - Y}{df^{2}} \cong \left(\frac{Y_{3} - Y_{2}}{f_{3} - f_{2}} \ - \ \frac{Y_{2} - Y_{1}}{f_{2} - f_{1}} \right) \ / \ f_{2} - f_{1}

El sistema descrito anteriormente utiliza el número mínimo de puntos de información; son necesarios tres para aproximarse a la primera y a la segunda derivadas de Y(f). Obviamente, el incremento del número de frecuencias de calibración incrementaría el número de puntos de información disponibles para determinar con exactitud la primera y la segunda derivadas de Y(f), permitiendo de este modo una estimación mejor de la resonancia en serie actual. Sin embargo, los retrasos de tiempo inherentes al proceso de recopilación y análisis de más de tres puntos de información reduce la precisión del análisis debido a que los puntos de información individuales pueden reflejar la situación de un punto en la curva 37 después de que ésta se haya desplazado ya. El número óptimo de puntos de información para determinar mejor la forma de la curva 37 depende del retraso de tiempo entre la señal de potencia 25b y las señales de calibración 25a y 25c y el retraso de tiempo provocado por el DSP 40 analizando los puntos de información a lo largo de la curva de admitancia 37. Mientras más largo sea el retraso de tiempo, menor será el número óptimo de puntos de información (con un mínimo de tres puntos de información). El DSP 40 del sistema de control que se muestra en la Figura 3 puede incorporar lógica para alterar el incremento de distorsión o el voltaje de la señal de suministro, o ambas cosas, dependiendo de la forma y de la amplitud de la curva de admitancia 37.

El DSP 40 puede ser un procesador programable multipropósito del que se encuentran disponibles muestras comerciales. Por ejemplo, Stanford Research Systems en 1290-D Reamwood Avenue, Sunnyvale, California 94089, comercializa actualmente dos DSP rápidos de transformada de fourier (FFT), el modelo SR760 y el modelo SR770 con un único canal de admitancia. Stanford Research comercializa un analizador de señal FFT de dos canales adecuado para su uso como DSP 40 ó DSP 80, el modelo SR780. Los tres DSP de Stanford Research están provistos de banda ancha a tiempo real de por lo menos 100 kHz y de una gama dinámica de 90dB y disponen de frecuencia central completamente programable, banda ancha, rutinas de análisis, y salida. Los tres DSP se pueden programar utilizando la interfaz suministrada (una serie de opciones accionadas por medio de un menú que se muestran en una pantalla integrada) o utilizando un ordenador separado capaz de transmitir órdenes sobre un estándar RS-232 o una interfaz GPIB. La capacidad de entrada dual del SR780 permite su programación para llevar a cabo comparaciones matemáticas entre dos señales de admitancia.

Después de que el DSP 40 estime el valor de f_{s}', también se puede programar para la aplicación de lógica proporcional-integral-diferencial ("PID") con el fin de generar parámetros de control a incorporar en la señal de control 45. El uso de lógica PID es el mejor modo para evitar la sobrecompensación de la frecuencia de suministro y para reducir el potencial de que se provoquen oscilaciones inestables en la frecuencia de suministro por parte del sistema de control como se muestra en la Figura 3. Además, también se puede utilizar lógica de control conocida distinta a la lógica PID para ajustar la frecuencia de ajuste para cambios en f_{s}' dependiendo de las demandas planteadas en el sistema de control por los tipos de condiciones de carga que encuentra previsiblemente un instrumento manual ultrasónico. Por ejemplo, el sistema puede precisar únicamente el uso de control proporcional o proporcional-integral. La naturaleza del PID, así como de otra lógica de control es bien conocida y por eso no se describe con mayor detalle en el presente documento.

Debido a que el uso de software que incorpora lógica PID (en el DSP 40) puede provocar un retraso inaceptable en los sistemas de control que se muestran en la Figura 3, se puede insertar un controlador PID con un propósito especial en el sistema de control en la salida del DSP 40. Dicho controlador digital PID realizará lógica PID en la salida del DSP 40 y generará una señal de control 45. Un controlador PID de este tipo puede ser cualquiera de los circuitos integrados o de los componentes específicos que se encuentran disponibles comercialmente, dispuestos de cualquiera de las muchas configuraciones ya conocidas. Si la señal de control 45 se genera directamente por medio de un DSP o a través de un controlador PID digital adecuado, el VCO 10 o el VCO 50 preferentemente utiliza la señal de control 45 para ajustar f_{1}, de manera que se corresponda aproximadamente a la f_{s}' recién encontrada bajo carga. La totalidad del ciclo se repite continuamente para mantener f_{1} aproximadamente en la resonancia en serie actual del instrumento manual.

El SR780 de Stanford Research también contiene una fuente programable que es lo suficientemente flexible como para generar los componentes de la señal de suministro 25a, 25b y 25c o 65a y 65b. Así, el SR780 se puede programar para proporcionar una señal de suministro 25 ó 65, medir señales de respuesta 35a, 35b, 35c, 75a, o 75b, determinar una curva de admitancia 37 ó 77 y el valor de f_{s}', así como generar la señal de control 45 ó 85 con el fin de alterar la señal de suministro 25 ó 65 (y así, las señales de suministro 25a, 25b y 25c o las señales de suministro 65a y 65b) para compensar una carga mecánica y/o térmica encontrada por un instrumento manual en uso.

A pesar de que se han descrito anteriormente algunas formas de realización de la presente invención, estas descripciones se proporcionan con fines ilustrativos y explicativos. Se podrán realizar variaciones, cambios, modificaciones y desviaciones sin apartarse por ello del alcance de la presente invención.

Claims (7)

1. Método para controlar un instrumento manual ultrasónico (30) con una frecuencia de resonancia en serie variable, que comprende las etapas siguientes:

a.

generar una señal de suministro (25) con:

i.

una primera señal (25a) a una primera frecuencia (f_{1}) sustancialmente igual que un valor actual conocido de una frecuencia de resonancia en serie (f_{s}),

ii.

una segunda señal (25b) a una segunda frecuencia (f_{2}) mayor que la primera frecuencia; y

iii.

una tercera señal (25c) a una tercera frecuencia (f_{3}) menor que la primera frecuencia;

b.

excitar el instrumento manual con la señal de suministro (25);

c.

medir la primera admitancia (Y_{1}) en la primera frecuencia, una segunda admitancia (Y_{2}) en la segunda frecuencia, y una tercera admitancia (Y_{3}) en la tercera frecuencia;

d.

predecir una frecuencia de resonancia en serie futura (f_{s}') basada en los valores relativos de la primera admitancia, de la segunda admitancia y de la tercera admitancia; y,

e.

cambiar la primera frecuencia (f_{1}) de manera que se corresponda con la frecuencia de resonancia en serie futura (f_{s}').

2. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa del cálculo de un incremento de distorsión (\delta) igual al valor absoluto de la diferencia entre la segunda frecuencia (f_{2}) y la primera frecuencia (f_{1}).

3. Método según la reivindicación 1, en el que la etapa del cambio de la frecuencia (f_{1}) de manera que se corresponda con la frecuencia de resonancia en serie futura (f_{s}') comprende además:

a.

reducir la primera frecuencia si:

i.

la tercera admitancia (Y_{3}) es menor que la primera admitancia (Y_{1}) y la primera admitancia es menor o igual que la segunda admitancia (Y_{2}) o

ii.

la tercera admitancia (Y_{3}) es menor que la segunda admitancia (Y_{2}) y la segunda admitancia es menor que la primera admitancia (Y_{1});

b.

mantener la primera frecuencia (f_{1}) sustancialmente constante si la tercera admitancia (Y_{3}) es sustancialmente igual que la segunda admitancia (Y_{2}) y las admitancias tercera (Y_{3}) y la segunda (Y_{2}) son menores que la primera admitancia (Y_{1}); e

c.

incrementar la primera frecuencia (f_{1}) si:

i.

la segunda admitancia (Y_{2}) es menor que la tercera admitancia (Y_{3}) y la tercera admitancia (Y_{3}) es menor o igual que la primera admitancia (Y_{1}), o

ii.

la segunda admitancia (Y_{2}) es menor que la primera admitancia (Y_{1}) y la primera admitancia (Y_{1}) es menor que la tercera admitancia (Y_{3}).

4. Método según la reivindicación 3, en el que cada una de las etapas de reducción o incremento además comprende la determinación de un incremento de distorsión (\delta) por medio del cual se reduce o se incrementa la primera frecuencia (f_{1}) respectivamente.

5. Método según la reivindicación 4, en el que el incremento de distorsión (\delta) está comprendido entre 0,001 y 0,1 veces aproximadamente la diferencia entre un valor inicial de una frecuencia de resonancia en serie (f_{s}) y un valor inicial de una frecuencia de resonancia en paralelo (f_{p}) del instrumento manual (30).

6. Método según la reivindicación 5, en el que el incremento de distorsión (\delta) es de aproximadamente 0,01 veces la diferencia entre el valor inicial de la resonancia en serie (f_{s}) y el valor inicial de la resonancia en paralelo (f_{p}) del instrumento manual (30).

7. Método según la reivindicación 4, que comprende además la etapa de ajustar el incremento de distorsión (\delta).