DE69233165T2

DE69233165T2 - Vorrichtung zur computergesteuerten intelligenten Phacoemulsifikation

Info

Publication number: DE69233165T2
Application number: DE69233165T
Authority: DE
Inventors: John A Costin
Original assignee: Costin John A Vermillion
Current assignee: Costin John A Vermillion
Priority date: 1991-01-03
Filing date: 1992-01-02
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2012-01-03
Also published as: EP0565640A4; AU697525B2; DK0565640T3; KR930702922A; EP0776643B1; JPH06506125A; KR100274663B1; EP0565640A1; ES2205077T3; CA2099780A1; DE69226255D1; AU5196096A; ATE168259T1; DE69226255T2; AU4557096A; CA2099780C; US5520633A; DK0776643T3; KR100244122B1; WO1992011814A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Endung betrifft eine computergesteuerte "smarte" Phacoemulsifikationsvorrichtung, und insbesondere eine derartige, die eine Kraft- bzw. Leistungszuführung an die Nadel des Wandlers steuert und ferner einen Betrag einer Einatmung auf Grundlage einer Last an der Spitze des Wandlers steuert.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Eine Augenoperation ist ein komplizierter und delikater Prozess. Eine gebräuchliche Augenoperation ist eine Kataraktextraktion. Es gibt gegenwärtig mehrere Verfahren für eine akzeptable Kataraktextraktion, einschließlich einer Phacoemulsifikation. Eine Phacoemulsifikation ist an sich nicht neu, weist aber, so wie sie gegenwärtig durchgeführt wird, viele Probleme auf.
Eine Phacoemulsifikation beinhaltet die Erzeugung eines Ultraschallsignals, das eine Reihe von zyklischen mechanischen Vibrationen in einem Frequenzbereich über demjenigen hinaus, der von dem normalen menschlichen Gehör erfasst werden kann, ist. Das Ultraschallsignal wird von einem Wandler erzeugt, der von einem elektrischen Signal in einem Frequenzbereich zwischen 20 und 100 Kilohertz in einem Gerät, welches gegenwärtig für diese Anwendung verfügbar ist, angesteuert wird. Typischerweise schließt der Wandlermechanismus entweder piezoelektrische oder magnetostriktive Elemente ein.
Die Energie, die sich von dem Ultraschallsignal ergibt, wird mit der menschlichen Linse über eine Nadel gekoppelt, die an dem Wandler angebracht ist. Typischerweise ist die Nadel aus einer Edellegierung aus Titan oder rostfreiem Stahl gebildet. Sobald sie mit der menschlichen Linse gekoppelt ist, erzeugt die Ultraschallenergie Fragmente und emulsifiziert den Katarakt. Sobald dieses nucleare Material in Fragmente zerlegt ist, muss es jedoch von dem Auge entfernt werden. Um dies zu tun, ist die Ultraschallnadel hohl und ein Ein- bzw. Ansaugungssystem ist mit dem hohlen Gebiet verbunden, um die zerstoßenen (fragmentierten) Teilchen zu entfernen. Eine ausgeglichene Salzlösung wird ebenfalls injiziert, um die Stabilität oder den Druck aufrechtzuerhalten, und diese Infusion tritt um die vibrierende Titannadel herum durch eine Hülse auf.
Ein Beispiel einer derartigen Phacoemulsifikationseinheit ist in dem U.S. Patent 4,223,676 gezeigt. Eine gegenwärtige Phacoemulsifikationsoperation erlaubt dem Operateur (dem Chirurgen) entweder einen festen Phacomodus, bei dem die an den Wandler geführte Leistung festgelegt ist, oder einen linearen Modus, bei dem die Phacoleistung durch das Leistungspedal geändert werden kann, zu wählen. In dem festen Modus ist die Phacoeinheit in Abhängigkeit davon, ob das Pedal niedergedrückt ist oder nicht, ein oder aus. Der Wert der Leistungseinstellung ist voreingestellt. In dem linearen Modus verändert die weitere Niederdrückung des Pedals den Betrag der Leistung an den Wandler und dadurch die Ultraschallenergie. Die Ansaugung während dieses Betriebs ist voreingestellt. Ein dritter Modus einer Phacoemulsifikation, der kürzlich eingeführt wurde, hält die Phacoleistung fest und verändert die Ansaugung in Abhängigkeit von dem Fußpedal.
Der Erfinder der vorliegenden Endung hat ein Problem erkannt, welches in diesen herkömmlichen Betriebsvorgängen existiert. Um dies vollständig zu verstehen, muss man den Aufbau der Linse des menschlichen Auges betrachten. 1 zeigt diagrammartig eine menschliche Linse, die ein äußeres, feines, transparentes Gewebe oder eine Kapsel aufweist, die als Schicht 100 gezeigt ist. Davor befindet sich ein welches Material, das als der Cortex 102 bekannt ist, der die Übergangsschichten 104 umgibt. Der Nucleus der Linse ist ein hartes komprimiertes Linsenmaterial, welches mit 106 bezeichnet ist. Der Erfinder der vorliegenden Endung hat zunächst bemerkt, dass in diesen weichen äußeren cortischen Schichten eine geringere Ansaugung benötigt wird, aber in den härteren Übergangsschichten und sogar mehr in der härtesten Nucleusschicht eine stärkere Ansaugung benötigt wird. Hinter der härtesten Nucleusschicht befindet sich jedoch eine weniger harte Übergangsschicht, gefolgt von einem weichen Cortex. Eine Mehrzahl der Komplikationen während einer Augenoperation wird nicht durch den Betrag der Phacoemulsifikation verursacht, sondern durch eine Überansaugung im Zusammenhang mit der Emulsifikation, die einen "Durchschlag" durch die hintere Linsenkapsel verursacht. Dies ist besonders gefährlich, da die Mitte der Linse mehr Energie (Ansaugung und Emulsifikation) als die äußere weiche cortische Schicht benötigt und deshalb bei diesem höheren Energiepegel und höherem Ansaugungspegel eine größere Möglichkeit eines Durchschlags besteht.
Eine Augenoperation beinhaltet das Bilden einer Öffnung vor der Kapsel und das Anordnen der Phaconadel zunächst in den weichen Cortex hinein. Zu dieser Zeit wird die Nadel eine minimale Last in dem weichen Cortex erfahren. Wenn die Nadel weiter in den Nucleus hineingeht, der zunehmend härter wird, dann nimmt die mechanische Last zu. Nach Durchgehen durch den Nucleus dreht sich der Prozess um und die mechanische Last wird schnell abnehmen. Genau an diesem Punkt hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Steuerung einer Ansaugung besonders kritisch wird. Jedoch ist eine Bestimmung der relativen Härte von diesen Schichten früher den Beobachtungsfertigkeiten und den manuellen Fertigkeiten des Chirurgen überlassen worden. Jedoch ist der Chirurg mit vielen anderen Dingen beschäftigt und kann einfach nicht in der Lage sein, schnell genug zu reagieren, um den Ansaugungsbetrag in einer geeigneten Weise zu ändern.
Der Erfinder der vorliegenden Endung hat erkannt, dass ein harter Nucleus mehr Energie als ein weicher Nucleus verbraucht, wodurch die Impedanz verändert wird, und insbesondere die mechanische Impedanz, die auf die Ultraschallspitze eingeführt wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Endung wird diese Differenz an einen Mikroprozessor zurückgeführt, um das Ansaugungssystem in Abhängigkeit von der Härte des Materials, mit dem gerade gearbeitet wird, zu modifizieren. Dies verringert das Problem eines "Durchschlags", weil es eine automatische Überprüfung der Härte des Materials und einer automatische Einstellung der Ansaugungszuführung in einer Weise erlaubt, die schneller ist, als dies jemals unter Verwendung von menschlichen Reflexen durchgeführt werden könnte. Ein derartiges System ist bislang in dem Stand der Technik nicht beschrieben worden.
Eine Vorgehensweise dies zu tun, ist durch eine Erfassung einer mechanischen Impedanz des Gewebes, z. B. unter Verwendung eines Sensors, um ein Ansprechverhalten auf eine Anregung (einen Stimulus) zu erfassen.
Ein allgemeines Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Erkennung durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass weiches Gewebe einen geringeren Schlag oder eine geringere Geschwindigkeit erfordert und dass ein hartes Gewebe einen hohen Schlag und eine hohe Geschwindigkeit benötigt. Die mechanische Impedanz von irgendeinem Material einschließlich des menschlichen Auges ist eine Funktion der Dichte p und der Schallgeschwindigkeit C. Sie weist gewöhnlicherweise eine widerstandsbehaftete Komponente R_c und eine reaktive Komponente X_t auf. Nachgebendes oder deformierbares Gewebe stellt vorwiegend eine widerstandsbehaftete Impedanz gegenüber der Antriebskraft dar. Nicht-nachgebende oder nicht-deformierbare Gewebe sind vorzugsweise eine reaktive Impedanz. Mit anderen Worten, weiches Gewebe wird mehr widerstandsbehaftet sein und hartes Gewebe wird mehr reaktiv sein.
Ein Ansatz zum Erfassen einer mechanischen Impedanz von einem piezoelektrischen Handstück besteht darin, die Ansteuerspannung und den Ansteuerstrom zu lesen. Hierbei wird nicht nur die Größe, sondern auch die Phase überwacht werden, wobei eine Null-Phasendifferenz eine widerstandsbehaftete Last auf einem weichen Gewebe anzeigen wird. Eine große Phasendifferenz würde eine reaktive Last oder ein hartes Gewebe anzeigen. Ein anderer Ansatz würde darin bestehen, die Resonanzfrequenz des belasteten Handstücks in Bezug auf eine Referenz zu bestimmen, die die Resonanzfrequenz des nicht belasteten Handstücks sein kann. Wenn der Wandler als ein gerader Balken halber Wellenlänge gebildet ist, wird sich dessen Resonanzfrequenz für rein widerstandsbehaftete Lasten nicht ändern und kann in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei f die Betriebsfrequenz ist, c die Schallgeschwindigkeit in dem Stab ist, und x die Länge des Stabs ist. Für eine rein reaktive Last wird die Resonanzfrequenz durch die folgende Gleichung bestimmt:
wobei XL die reaktive Last ist und ZO die charakteristische Impedanz des Stabs ist. Wenn der Wandler aus einem Stufenhorn-Typ gebildet ist, um eine Verstärkung der Verschiebung bereitzustellen, wird sich die Resonanzfrequenz für entweder widerstandsbehaftete oder reaktive Lasten ändern. Eine typische Stufenhorn-Einrichtung ist in 14 mit ihren zwei Teilen 1050 und 1052 gezeigt. Die Längen X der Teile 1050 und 1052 sind gleich zueinander, aber ihre Flächen unterscheiden sich um einen Faktor von N > 10.
Für eine Einrichtung dieses Typs wird die Resonanzfrequenz in Übereinstimmung mit der
wobei X die Länge ist, die in 14 gezeigt ist, und ZO die charakteristische Impedanz des Wandlermaterials ist, wie in 15 gezeigt. Der Teil 1052 weist die Impedanz ZO auf, während der Teil 1050 die charakteristische Impedanz N x ZO aufweist. Für rein reaktive Lasten kann die Resonanzfrequenz aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Diese Gleichungen sind allgemein und beispielhaft und verschiedene Nadel/Wandler-Anordnungen könnten unterschiedliche Gleichungen verwenden.
Viele Versuche sind in dem Stand der Technik durchgeführt worden, um zu versuchen, Operationsprozesse zu automatisieren. Das U.S. Patent 4,223,676 ist ein derartiger Versuch und definiert einen Typ eines Ultraschall-Ansaugers des voranstehend vorher beschriebenen Typs. Die Spalte 8 dieses Patents erkennt, dass die Frequenz im Verlauf einer Operation schwankt, und um den Betrag einer Leistungszuführung als konstant aufrechtzuerhalten lehrt dieses Patent die Überwachung der tatsächlichen und erwarteten Parameter des Systems. Die Differenz zwischen diesen zwei Parametern wird in einer Rückkopplungsschleife zurückgeführt, um den Hubgrad des Vibrators zu steuern. Während die Leistung des Systems gesteuert wird, besteht deshalb keine Lehre zum Steuern des Betrags einer Ansaugung und an sich würde das Problem eines "Durchschlags" in diesem System noch verbleiben.
In ähnlicher Weise lehrt das U.S. Patent 3,964,487 einen Aufbau, der die Impedanz der elektrischen Schneidevorrichtung überwacht, und diese Impedanz zurückkoppelt, um den Betrag der Leistung zu bestimmen, die bereitgestellt werden soll. Diese Einrichtung lehrt nicht eine Steuerung des Betrags der Ansaugung und würde deshalb das Problem eines "Durchschlags" nicht vermeiden.
In ähnlicher Weise lehrt das U.S. Patent 4,126,137 eine Erfassung der Impedanz der Gewebe, um den Betrag einer Ansteuerung an eine elektro-chirurgische Einheit einzustellen.
Das U.S. Patent 4,024,866 bezieht sich auf eine Einrichtung, die ein Steuern des Betrags einer Ansaugung an einem Ansaugungskanal für eine Augenoperation lehrt. Die Spalte 7, Zeilen 24 ++ lehrt, dass auf den Betrag der Ansaugung eine obere Grenze gelegt wird, um einen übermäßigen Betrag einer Ansaugung zu verhindern. Während dies eine obere Grenze bereitstellen könnte, hilft es dem Benutzer nichts, um eine bessere Steuerung und eine bessere Rückkopplung innerhalb des Systems zu erhalten.
Die WO-A-8705793 basiert auf einer Amplitudenmodulation mit variablem Hub, die rückgekoppelt werden kann, um Probleme zu vermeiden, die bei erhöhter Temperatur und einer Dampferzeugung auftreten.
Die US-A-5026387 offenbart ein Überwachungssystem, welches im Ansprechen auf die kontinuierliche oder periodische Erfassung der Lastbedingung einer ultraschallmäßig angetriebenen chirurgischen Klinge Leistung bei Bedarf bereitstellt. Eine erhöhte vorgewählte Energie mit einem hohen Pegel wird im Ansprechen auf die Dämpfung bereitgestellt, die auf einen Kontakt der Klinge (Schneide) mit einem Gewebe auftritt.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, wie im Anspruch 1 beansprucht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte der Endung werden nun näher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht des menschlichen Auges;
2 einen repräsentativen Betrag einer Ansaugung, die in einer Querrichtung durch das Auge benötigt wird;
3 eine Blockdiagrammdarstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Endung;
4 ein Flussdiagramm eines Betriebs dieser ersten Ausführungsform;
5 eine Blockdiagrammdarstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Sprach-Artikulationseinheit verwendet, um den Chirurgen bei seiner Operation zu unterstützen;
6 ein Flussdiagramm des Betriebs der zweiten Ausführungsform;
7 einen Aufbau der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein Flussdiagramm dieses Betriebs;
9 und 10 charakteristische Kurven für Charakteristiken in einer Mandel bzw. einer Erdnuss "M & M (TM)";
11 ein Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
12 ein Flussdiagramm eines Betriebs dieser vierten Ausführungsform;
13 ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
14 eine typische Phaconadel.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform wird nun mit näheren Einzelheiten in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Wandler 300 ist so gezeigt, wie er an einer Phaconadel 102 angebracht ist, die dafür ausgelegt ist, um in einen Kontakt mit einer Linse 304 des menschlichen Auges zu treten. Die Leistung, die von der Leistungsversorgung 306 an den Wandler 300 geführt wird, und gleichzeitig die Spannung und der Strom wird von einer Überwachungseinheit 308 überwacht. Die Überwachungseinheit 308 überwacht die Spannung und den Strom und erzeugt analoge Signale, die durch Analog-zu-Digital-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden, und dem Mikroprozessor 312 eingegeben werden. Der Mikroprozessor 312 kann irgendein kommerziell erhältlicher Typ sein. Eine Ansaugungssteuerung 314 wird dem Mikroprozessor genauso eingegeben wie eine Leistungsversorgungssteuerung 316. Diese Einrichtungen können entweder Wähl-Typ-Potentiometer oder das gewöhnliche Fußpedal eines Chirurgen sein, und erzeugen ein Befehlssignal, das den Betrag einer Ansaugung und Leistung, die jeweils gewünscht sind, anzeigt. Der Mikroprozessor 312 erzeugt analoge Signale, die die Ansaugungseinheit 314 in der Leistungsversorgung 306 steuern.
Der Mikroprozessor arbeitet in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm der 4 und steuert entsprechend die Ansaugung 318 und die Leistungsversorgung 306 auf Grundlage dieses Flussdiagramms. Der Schritt 400 erfasst die Spannung und den Strom von der Überwachungseinheit 308 und bildet ein Verhältnis zwischen der Spannung und dem Strom in Schritt 402. Dieses Verhältnis wird in einer Variablen T gespeichert. Diese Variable misst eine Verbindung der momentanen Ansaugung mit einer sich verändernden Phaconadellast und kann in wenigstens zwei unterschiedlichen Formen implementiert werden.
Zunächst muss erkannt werden, dass eine positive Korrelation zwischen der elektrischen Leistung, die von einem Ultraschallwandler verbraucht wird, und der mechanischen Bewegung einer Nadel, die an ihm befestigt ist, hergestellt worden ist. Eine Vorgehensweise würde deshalb darin bestehen, die Impedanz (hineingehende Spannung hineingehender Strom) zu verfolgen:
Eine Multipliziererschaltung könnte verwendet werden, um dies zu erreichen. Änderungen in der Last würden dem Steuersystem erlauben, eine Kompensation in einer Vielzahl von Vorgehensweisen bereitzustellen, indem sowohl die elektrische Leistung als auch die Ansaugungspegel beeinflusst werden. Alternativ könnte die Differenz zwischen den befohlenen Leistungspegeln und der tatsächlichen Leistung, die verbraucht wird, auch mit nur einer Multipliziererschaltung direkt gemessen werden, d. h.: Leistung = Spannung × Strom p = V × I
Beide Leistungspegel (V*i) und V/I werden hier generisch als "Impedanz" bezeichnet.
Der Schritt 404 führt einen Test durch, indem die gegenwärtige Variable T genommen wird und ein vorangehender Wert der Variablen T, die hier als T_P bezeichnet wird, subtrahiert wird und dann bestimmt wird, ob T – T_P größer als ein Wert N ist. Wenn dem so ist, bedeutet dies, dass die Impedanz des Gewebes gegenwärtig größer als die Impedanz zu einer vorangehenden Zeit ist und, dass das gegenwärtige Gewebe deshalb härter als das vorangehende Gewebe ist. Wenn der Test im Schritt 404 positiv ist, wird deshalb der Schritt 406 ausgeführt, der die Ansaugungsrate um N₁ erhöht und die Leistung um N₂ erhöht. Der Ablauf geht dann zum Schritt 408, in dem der gegenwärtige Wert von T an der Stelle T₀ in Vorbereitung für einen folgenden Zyklus gespeichert wird.
Wenn das Ergebnis im Schritt 404 negativ ist und die Differenz zwischen T und T₀ nicht größer als N ist, dann wird ein zweiter Test im Schritt 410 durchgeführt. Der Schritt 410 bestimmt, ob der Wert von T₀ größer als der Strom T um den Betrag N ist. Wenn dem nicht so ist, geht der Ablauf wieder zum Schritt 408. Wenn die Differenz zwischen T und T₀ kleiner als der Wert N ist, findet deshalb keine Modifikation der Ansaugung oder Leistung statt.
Wenn T₀ größer als T um mehr als der Betrag N ist, zeigt dies an, dass die Impedanz zu der vorangehenden Zeit größer als die Impedanz zu der gegenwärtigen Zeit ist. Demzufolge wird die Ansaugung um den Wert N₁ verringert und die Leistung wird um den Wert N₂ verringert, im Schritt 412.
Die folgenden Schritte 420 und 422 folgen der Führung des Ansaugungs-Controllers 314 bzw. des Leistungsversorgungs-Controllers 316. Wenn diese Werte erhöht werden, wird auch die Leistung der geeigneten Komponente i erhöht, und zwar in Übereinstimmung mit einem vorher bestimmten Algorithmus.
Der spezifische Aufbau und die Verfahrensschritte, die eine Steuerung sowohl der Leistung als auch der Ansaugung in Übereinstimmung mit der Impedanz erlauben, die von dem Wandler wahrgenommen wird, wird in keinerlei Weise durch den Stand der Technik gelehrt oder vorgeschlagen und ist demgegenüber vollständig neuartig.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt, wo die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet, zusätzlich zu dem obigen Überwachungssystem, ein Spracherzeugungsmodul 500, welches eine Kommunikation mit dem Chirurgen erlaubt, während er operiert.
Gegenwärtige Phacoeinheiten weisen visuelle Anzeigen und eine Audiorückkopplung auf. Die visuellen Anzeigen können den Modus zeigen, in den die Maschine eingerückt ist, z. B. nur die Fußpedalposition und die Irrigation, die Irrigation und die Ansaugung etc. Die Audiorückkopplung kann verschiedene Töne in unterschiedlichen Einheiten sein, die einen Übergang anzeigen, beispielsweise einen Piepton oder ein Klicken.
Jedoch können all diese Töne für einen Chirurgen, der dabei ist, die Phacoprozedur zu lernen, sehr störend sein. Ein derartiger Chirurg muss sich auf viele andere Dinge konzentrieren und wird oftmals zusätzlich dahingehend verwirrt, wo sie auf dem Fußpedal sind und was genau passiert. Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung eines kommerziell erhältlichen Spracherzeugungsgeräts, um dazu beizutragen, diese Verwirrung zu vermeiden.
In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform dieser Erfindung kann die Spracherzeugungseinheit 500 ein kommerziell erhältlicher Spracherzeugungschip und ein Audiogerät sein, oder kann z. B. eine Reihe von Bändern oder aufgezeichneten Spuren sein, auf die von einem geeigneten Prozessor zugegriffen werden kann. Derartige Einrichtungen sind in dem technischen Gebiet altbekannt und werden nicht weiter diskutiert. Diese Einrichtung arbeitet in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm der 6. Die 6 weist viele gemeinsame Elemente mit der 4 auf und beginnt im Schritt 600 mit einer Erfassung von V und I und des Werts T. Der Schritt 602 bestimmt, ob T größer als T₀ um den Wert N ist, und wenn dem so ist, erhöht er die Ansaugung und die Leistung und versorgt auch den Sprachgenerator 500 mit Energie, um "Gewebehärte nimmt zu" zu sagen. Der Schritt 606 bestimmt, ob T₀ größer als T um einen bestimmten Betrag ist, und wenn dem so ist, führt er die Schritte 608 durch Verringern der Ansaugung und durch Artikulation, dass die Gewebehärte abnimmt, aus. Der Schritt 610 bestimmt, ob eine Änderung in der Ansaugungs- oder Energieversorgungssteuerung stattgefunden hat, und wenn dem so ist, artikuliert er diese Änderung. Z. B. kann ein Fußpedal in einer Position eins so beschrieben werden, dass "Irrigation" gesagt wird, und in der Position zwei könnte es als "Irrigation und Ansaugung" beschrieben sein. Die Artikulationseinheit könnte auch "phacofixiert bei 10%" oder "Phaco auf 15% erhöht" sagen, und wenn das Fußpedal oder eine ähnliche Einrichtung verändert wurde, dann könnte die Artikulationseinheit in Inkrementen die neuen Werte ausdrücken.
Dies würde den Chirurgen in die Lage versetzen, seine Konzentration während dieser sehr schwierigen Zeit der Operation beizubehalten.
Eine dritte Ausführungsform für das smarte Phacoemulsifikationssystem wird unter Bezugnahme auf 7 und das Flussdiagramm in 8 beschrieben. Der Schlüssel zu dem erfolgreichen Betrieb dieses Systems ist zweifach. Zunächst hat der Chirurg eine unabhängige Steuerung sowohl auf die Wandlerlastleistung als auch auf die Ansaugungsreferenzpegel. Zweitens stellen die automatischen Steuersystem-Leistungsüberwachungseinheit und sowohl die Leistungs- als auch Ansaugungs-Kompensationsmechanismen gemessene Verbesserungen der Steuerung des Wandlers bereit, indem die Ansaugungssystemkompensation mit dem Ansteuersignal für die Leistungskompensation verbunden wird.
Die elektrische Leistungsversorgung 716 stellt eine Spannung und einen Strom bei irgendeiner Frequenz an dem Wandler 700 bereit. Die Nadel 702 bildet einen Kontakt mit der menschlichen Linse 704 und erfährt eine sich verändernde mechanische Last in Abhängigkeit von der Dichte der Gewebeschichten. Der Chirurg richtet eine Referenzleistung und Ansaugungspegel über die Leistungspegelsteuerung 700 und die Ansaugungspegelsteuerung 708 bereit. Die elektrische Leistungsversorgung 716 reagiert auf Leistungspegelbefehle und auf Leistungskompensationsbefehle (Spannungs-, Strom- oder mögliche Frequenz-Einstellungen). Diese Befehle stammen von den Modulen 720 bzw. 718. Die sich verändernde mechanische Last auf der Nadel 702 wird über den Wandler 700 als eine sich ändernde elektrische Last, die unterschiedliche Beträge der elektrischen Leistung von dem Referenzleistungspegelbefehl verbraucht, reflektiert. Diese Parametererfassung wird hier als mechanische Impedanz bezeichnet.
Die Leistungsüberwachungseinheit 712 erfasst die Lastspannung und den Laststrom von dem Wandler 700 und berechnet eine elektrische Leistung. Der Wandlerleistungsverbrauch wird an ein Leistungsvergleichsmodul 714 geführt, das eine Differenz zwischen der tatsächlichen Wandlerleistung und dem unabhängigen Referenzpegel von dem Leistungsbefehl ausgibt. Ein Leistungskompensationsmodul 718 reagiert durch geeignete elektrische Einstellungen auf die Leistungsversorgung 716 derart, dass ein Wandlerleistungsverbrauch dem unabhängigen Befehl von dem Chirurgen folgen wird.
Das einzigartige Sicherheitsverbesserungsmerkmal dieses Systems ergibt sich aus der Anwendung des Leistungskompensations-Ansteuersignals (Leistungsvergleichsausgang) zu dem Ansaugungs-Kompensationsmodul 710. Der Ausgang des Ansaugungs-Kompensationsmoduls 710 wird eine Einstellung auf ein Vakuum oder eine Strömung oder beides sein, und zwar in Abhängigkeit von dem Typ des Ansaugungssystems.
Wie bei der Leistung hat der Chirurg eine unabhängige Eingangssteuerung über die Ansaugungssteuerung 708, um den Ausgang (Vakuum und Strömung) des Ansaugungssystems 706 aufzuprägen. Das gesamte System folgt einem unkomplizierten Steuerschema, wie mit dem Flussdiagramm der 8 beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass irgendwelche Änderungen, die von den Kompensationsmodulen verursacht werden, die Lastleistung dazu zwingen wird, dem unabhängigen Leistungspegelbefehl von dem Chirurgen zu folgen. Ferner werden die Ansaugungsänderungen zu den unabhängigen Ansaugungspegelbefehlen von dem Chirurgen hinzuaddiert werden. In dieser Weise hält der Chirurg eine Steuerung über die Prozedur aufrecht.
Das Flussdiagramm der 8 zeigt eine Erfassung der Wandlerlast und der elektrischen Leistung im Schritt 800, gefolgt von den Bestimmungen im Schritt 802 und 808 dahingehend, ob die Leistung kleiner als oder größer als eine Referenz P_R ist. Wenn die gegenwärtige elektrische Leistung P_L kleiner als P_R ist, werden Gewebeschichten mit höherer Dichte im Schritt 804 erkannt, gefolgt von der Ansaugungsanstiegs-Lastleistung im Schritt 806. Wenn die Last P_L als größer als P_R im Schritt 808 erkannt wird, werden Gewebeschichten mit niedrigerer Dichte im Schritt 810 erkannt, gefolgt von einer Verringerung in der Ansaugung und dem Schritt 812. Der Schritt 814 bestimmt, ob keine Änderung in der relativen Gewebedichte erkannt wurde, gefolgt von keiner Änderung in der Lastleistung oder der Ansaugung im Schritt 816.
Experimente sind durchgeführt worden, um zu verifizieren, dass eine Änderung sowohl der mechanischen Impedanz als auch der Resonanzfrequenz eine Funktion der Härte des Materials ist, das von der Phaconadel 302 während derartigen Operationen angetroffen wird. 9 zeigt eine tatsächliche experimentell ermittelte mechanische Impedanz gegenüber dem Frequenzspektrum von belasteten und nicht belasteten Phaconadeln. Dies wurde mit einem Hewlett Packard Impedanzanalysator unter Verwendung einer ±2 Volt Anregung gemessen, und eine harte Mandel wurde bei der Simulation eines verhärteten Linsenabschnitts eines Auges verwendet. 9 zeigt die Änderung in der Phase und eine Impedanzverschiebung mit einer Belastung. Zwei Resonanzspitzen wurden bei ungefähr 28,875 kHz und 59,5 kHz beobachtet. Es wird von dem Anmelder angenommen, dass diese zwei Spitzen der grundlegenden elektromechanischen Resonanz des piezoelektrischen Ansteuerkristalls entsprechen. Diese zwei Spitzen können auch die Folge der longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Koeffizienten des Kristalls sein.
Das zweite Impedanzspektrum, das in 10 gezeigt ist, zeigt die Änderung in den Härteeffekten wie durch eine mit Schokolade überzogene Erdnuss M & M (TM) Candy simuliert. Die Frequenz von Verschiebungen der zwei Resonanzspitzen sind ungefähr ein 1 kHz und 375 Hertz für die untere bzw. hohe Frequenzresonanzspitze. Dies demonstriert die praktische Einsatzfähigkeit des Systems durch dessen Fähigkeit, eine Erdnuss innerhalb einer mit Schokolade überzogenen M & M Erdnuss-Süßigkeit zu bestimmen.
Im Betrieb wird eine Karte zwischen dem Phasenwinkel (Resonanzfrequenz), der mechanischen Impedanz, und der Härte des Materials gebildet werden. Diese Karte kann von einer Kurve wie derjenigen, die in den 9 und 10 gezeigt ist, sein, die hergestellt wurde, während die Charakteristiken des Materials beobachtet wurden, bei dem die Operation gerade auftritt.
Während diese Änderungen in der Impedanz bestimmt werden können und die Beobachtung der Frequenzverschiebung ebenfalls bestimmt werden kann, wenn die Phaconadel Lasten mit unterschiedlicher Härte wahrnimmt, ist festgestellt worden, dass es schwierig sein kann, diese Änderungen unter Bedingungen einer Anregung mit einem Pegel (110 Volt) zu identifizieren, und zwar als Folge des hohen elektrischen Rauschens. Die Impedanz- und Frequenzverschiebung lassen sich unter Bedingungen einer Anregung mit einem niedrigen Pegel, wie beispielsweise ±2 Volt, leichter beobachten, aber eine Erfassung davon auf einer praktischen Skala erfordert spezialisiertere Techniken als diejenigen der vorangehenden Ausführungsformen.
Um diesen Niedrigpegel-Prozess zu bewirken, erfasst die vierte Ausführungsform der vorliegenden Endung die Änderung in der Härte des Materials durch die Hinzufügung von Festkörper-Mikrosensoren, die die Einrichtung einer Lasthärteerfassung ohne eine elektrische Störung von den großen Spannungen, die das piezoelektrische oder magnetostriktive Kristall ansteuern, bereitstellen. 11 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Aufbaus unter Verwendung des Prozesses, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Konzepte von sämtlichen vorangehenden Ausführungsformen zu der grundlegenden Modifikation der 11 hinzugefügt werden könnten.
11 zeigt den verbesserten Aufbau für eine Lasterfassung, die in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform definiert wird. Diese vierte Ausführungsform umfasst zwei Kraftwandler 1000 und 1002. Der Kraftwandler 100 ist ein Ansteuerkraft-Wandler, der von einer Leistungsversorgung 306 unter der Steuerung eines Mikroprozessors 312 angesteuert wird. Die Spannungsanregung an dem ersten Kraftwandler 1000 verursacht eine Ausdehnung und Zusammenziehung der Phaconadel 302. Eine Ansaugungseinheit 308 und eine Fluidversorgung 1003 sind ebenfalls vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass 11 auch den Zusatzaufbau einschließen könnte, der in irgendwelchen der 3-8 gezeigt ist, obwohl dies nicht ausführlich zum einfachen Verständnis gezeigt ist.
Das angetriebene (angesteuerte) Element 1002 schließt ein separates piezoelektrisches Kristall 1006 ein, das bei der Resonanzfrequenz der kombinierten elektrischen und mechanischen Schaltung unter eine mechanische Spannung gebracht wird und deshalb mechanisch mir der Phaconadel 302 gekoppelt ist. Diese mechanische Kopplung richtet den zweiten piezoelektrischen Kristall mechanisch parallel zu dem ersten piezoelektrischen Kristall 1008 des ersten Kraftwandlers 1000 ein, um die Bewegung der Nadel 302 in dieser Weise zu erfassen. Die Nadel 302 wird durch einen großen Spannungsstoß bewegt, der bei der sich ergebenden Messung Rauschen verursachen kann. Jedoch wird der Zusatzkristall 1006 durch die Bewegung der Nadel und nicht durch die Ansteuerspannung bewegt. Die Kompression und Freigabe gibt eine Spannung ab, die proportional zu dem Betrag einer Kompression des piezoelektrischen Kristalls ist, und zwar in Übereinstimmung mit bekannten Charakteristiken des Kristalls. Der Mikroprozessor 312 ermittelt deshalb eine Spannung, die sich auf den Betrag einer Kontraktion des Kristalls bezieht, sowie eine Spannung, die den Betrag der Leistung anzeigt, die an dem Kristall 1000 bereitgestellt wird, wobei diese Leistung mit der Nadel 302 gekoppelt wird, um sie anzutreiben bzw. anzusteuern. Dieses angetriebene Element 1002 wird von dem Erfinder als "Pony"-Element bezeichnet, da es auf der Phaconadel "reitet".
Das sekundäre Erfassungselement 1002 wird an einer Stelle angeordnet, um die mechanische Spannung darauf in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Elemente können an Knotenpunkten angeordnet werden, wo die mechanische Spannung/Geschwindigkeit maximal ist, oder an Anti-Knotenpunkten, wo die mechanische Spannung/Geschwindigkeit minimal ist. Die Signale, die von den Sensoren erzeugt werden, werden mit den charakteristischen Gleichungen für den Wandler angepasst, wenn zwei Erfassungselemente in einer differentiellen Konfiguration verwendet werden, um Fehler auszulöschen.
In einem Ansatz würde die Impedanz kontinuierlich als der Wandler überwacht werden, und bei einem anderen Ansatz würde der Wandler pulsen, wobei die erste Periode des Impulses als eine Erfassungszeitperiode verwendet wird und wobei die folgende Periode als eine Betriebsperiode verwendet wird. Während der Erfassungsperiode wird die Leistung des Wandlers auf einen Pegel abgesenkt, unter dem eine Kavitation nicht auftreten wird und Wandlerverluste minimal sind.
Der Betrag einer Ansaugung wird dann als eine Funktion einer Strömungsrate und eines Vakuumpegels definiert und einer von diesen oder beide können gesteuert werden.
Der Betrieb dieses Aufbaus findet in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm der 12 statt. Das Flussdiagramm der 12 zeigt den Betrieb der vorliegenden Erfindung, wobei darauf hingewiesen wird, dass dieser Betrieb etwas modifiziert werden muss. Jedoch könnten diese Modifikationen leicht von Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet durchgeführt werden, indem die voranstehend unter Bezugnahme auf die 9 und 10 diskutierte Simulation wiederholt wird. Während die 9 und 10 eine Mandel bzw. ein M & M verwendet haben, könnten tatsächliche Werte für eine Begrenzung ein tatsächliches menschliches Auge von einem Kadaver oder einem Tier für eine bessere Simulation der exakten Charakteristiken verwenden, die gesteuert werden müssen.
12 beginnt mit dem Schritt 1200, in dem eine Karte gewonnen wird. Diese Karte muss jedoch bestimmt und vorher abgespeichert sein und würde typischerweise durch Herstellen von ähnlichen Kurven wie diejenigen der 9 und 10 durchgeführt werden. Während die Simulationen der 9 und 10 mit verschiedenen kommerziell erhältlichen Nahrungsmittelmaterialien durchgeführt wurden, die veränderliche Härten aufwiesen, würde eine tatsächliche Karte für das System besser unter Verwendung eines tatsächlichen menschlichen Auges von einem Kadaver oder dgl. durchgeführt werden. Eine ähnliche Simulation zu der in den 9 und 10 gezeigten, wird auf einem derartigen Auge ausgeführt und eine charakteristische Karte, die sowohl die mechanischen Impedanzen eines derartigen Materials, sowie die Resonanzfrequenzen davon zeigt, könnte als eine ein- oder zweidimensionale Karte gespeichert werden. Diese Karte ist die Karte, die im Schritt 1200 erhalten wird.
Das tatsächliche Flussdiagramm beginnt mit dem Schritt 1202, wo der Betrag der Nadelbewegung erfasst wird. In dieser Ausführungsform wird der Betrag der Nadelerfassung durch Überwachen der Spannung von dem piezoelektrischen Kristall 1006 bestimmt, wobei diese Spannung proportional zu dem Betrag einer Bewegung der Nadel ist. Der Betrag der Leistung, die an die Nadel geführt wird, wird im Schritt 1202 bestimmt. Der Schritt 1204 empfängt eine Spannung von dem Kristall 1002, und bestimmt den Betrag der Nadelbewegung als eine Differenz zwischen einer gegenwärtigen Spannung, die eine gegenwärtige Nadelposition darstellt, und einer vorangehenden Spannung, die eine vorangehende Nadelposition darstellt. Im Schritt 1206 wird die mechanische Impedanz, die an der Nadel dargeboten wird, in Übereinstimmung mit einer Proportionalität zwischen der im Schritt 1202 erfassten Leistung und einem im Schritt 1204 erfassten Betrag einer Nadelbewegung erfasst. Die mechanische Impedanz kann auch durch einen Gewichtungsfaktor gewichtet werden, der ein linearer Faktor sein kann oder selbst von der Leistung oder dem Bewegungsbetrag abhängig sein kann. Z. B. kann bei höheren Leistungen die mechanische Impedanz ein unterschiedliches Verhältnis sein, da das Material nur durch einen bestimmten maximalen Betrag reagieren kann, und zwar unabhängig davon, wie hoch die Leistung ist. Diese mechanische Impedanz wird dann als ein gegenwärtiger Wert gespeichert. Im Schritt 1208 wird eine gegenwärtige Resonanzfrequenz auf Grundlage des gegenwärtigen Betrags der Nadelbewegung, die im Schritt 1204 bestimmt wird, berechnet. Dies kann in vielen unterschiedlichen Vorgehensweisen durchgeführt werden, wobei die einfachste davon darin bestehen könnte, eine Vielzahl von vergangenen bestimmten Werten zu speichern und eine Schnelle-Fourier-Transformation für diese Werte auszuführen, um gegenwärtige Frequenzkomponenten zu bestimmen. Die gegenwärtige mechanische Impedanz und die gegenwärtige Resonanzfrequenz werden dann verwendet, um die Karte zu adressieren, um den Teil des Auges zu erfassen, der gerade operiert wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform gibt der Schritt 1210, der diesen Teil des Auges erfasst, eine Zahl aus, die den Teil des Auges anzeigt, der gegenwärtig operiert wird. Z. B. könnte eine Zahl 1 einen Nucleus bedeuten, 2 eine Linse bedeuten usw. Der Schritt 1212 stellt dann den Leistungsausgang und eine Ansaugungs- und Fluidsteuerung ein, um dem Teil des Auges, der gerade operiert wird, zu folgen. Die Vorgehensweise, mit der der Leistungsbetrag bestimmt werden würde, ist ähnlich zu der Vorgehensweise, in der die Karte bestimmt wird -- wenn ein tatsächliches Modell verwendet wird, können die Werte, die einen Durchschlag verursachen und die akzeptabel sind, leicht bestimmt werden. Demzufolge kann dieses tatsächliche Modell bestimmt werden, um zu bestimmen, welcher Parameterausgang welchem Grad der Operation entspricht.
Natürlich sei in dem obigen Flussdiagramm darauf hingewiesen, dass viele Modifikationen möglich sind. Während das Flussdiagramm erläutert, dass sowohl eine mechanische Impedanz als auch eine Resonanzfrequenz verwendet wird, sei z. B. darauf hingewiesen, dass jede für sich selbst ausreichend sein kann, um den gegenwärtigen Ort in dem Auge aufzufinden und somit eine zweidimensionale Karte entweder der Resonanzfrequenz oder der mechanischen Impedanz verwendet werden könnte. Während die Techniken der vorliegenden Erfindung sich spezifisch auf eine Operation innerhalb eines menschlichen Auges beziehen, sei hervorgehoben, dass diese Techniken für eine Operation an vielen anderen Organen oder in irgendetwas anderem verwendet werden könnte.
13 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Alternative zu der vierten Ausführungsform ist. Diese fünfte Ausführungsform verwendet wenigstens ein Festkörper-Beschleunigungsmessgerät, um die Resonanzfrequenzcharakteristiken der angetroffenen Nadellast zu erfassen. 13 ist durch Entfernen des gesamten Zusatzaufbaus, der für die Nadel verwendet wird, vereinfacht und zeigt nur den Antriebskristall 1008 und dessen mechanisch verbundenes Beschleunigungsmessgerät 1020. In dieser Weise empfängt der Mikroprozessor 312 Informationen, die den Betrag der Leistung, die an das Kristall 1008 geführt wird, sowie die Information von dem Beschleunigungsmessgerät anzeigt. Ein Beschleunigungsmessgerät ist gewöhnlicher weise von vielen unterschiedlichen Quellen verfügbar. Die fünfte Ausführungsform der 13 würde in ähnlicher Weise zu derjenigen arbeiten, die unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 12 erläutert wurde. Zusammengefasst würde das Beschleunigungsmessgerät verwendet werden, um zu bestimmen, wie schnell die Nadel sich beschleunigt und abgebremst wird, und wenn ein härteres Material getroffen wird, würde sich der Aufbau langsamer beschleunigen oder langsamer abgebremst werden unter einer schwereren Last, wodurch eine automatisierte Erfassung einer Materialhärte bereitgestellt wird. Das Kraftmessgerät bestimmt im Gegensatz dazu, wie viel Kraft die Nadel antrifft, dadurch, um wie viel sie sich bewegt. Durch die Erfassung von wie viel Kraft auf der Nadel vorhanden ist, kann man eine mechanische Impedanz bestimmen.
Obwohl nur einige wenige Ausführungsformen ausführlich voranstehend beschrieben worden sind, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet verstehen, dass viele Modifikationen in dieser Ausführungsform möglich sind, ohne von den Vorteilen der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass sämtliche derartige Modifikationen innerhalb der folgenden Anmeldung eingeschlossen sind.

Claims

Steuervorrichtung für einen chirurgischen Wandler (300, 700), der einen Ansauganschluss einschließt, zum Betreiben eines menschlichen Teils, umfassend: eine Einrichtung zum Überwachen (308, 712) einer mechanischen Impedanz der Last, um Änderungen in Charakteristiken einer Last zu bestimmen, die von dem chirurgischen Wandler wahrgenommen wird; und eine Steuereinrichtung (312, 318 oder 710, 706), die betreibbar ist, um einen Ausgang auf Grundlage der mechanischen Impedanz bereitzustellen, zum Steuern einer Energielieferung an den Wandler und einer Ansaugung durch den Ansaugungsanschluss.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Festkörper-Mikrosensor (1006, 1020), der mit dem chirurgischen Wandler gekoppelt ist, um einen Bewegungsbetrag davon zu bestimmen, und eine Einrichtung zum Berechnen einer mechanischen Impedanz aus dem Bewegungsbetrag und aus einer Energie, die an den Wandler geliefert wird.
System nach Anspruch 2, wobei der Festkörper-Sensor ein piezoelektrisches Element (1006) ist, welches mechanisch mit dem chirurgischen Wandler gekoppelt ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Sensor ein Beschleunigungsmessgerät ist.