DE69532447T2 - Nichtlineare regelsysteme zur erwärmung und zum abtragen von körpergewebe - Google Patents

Nichtlineare regelsysteme zur erwärmung und zum abtragen von körpergewebe Download PDF

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    • A61M2205/70—General characteristics of the apparatus with testing or calibration facilities
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2230/00—Measuring parameters of the user
    • A61M2230/50—Temperature

Description

  • Bereich der Erfindung
  • In einem allgemeinen Sinn betrifft die Erfindung Systeme zur Erzeugung von Läsionen in Innenbereichen des menschlichen Körpers. Im engeren Sinn betrifft die Erfindung Systeme zum Abtragen von Herzgewebe zur Behandlung von krankhaften Herzzuständen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ärzte verwenden heute bei medizinischen Verfahren häufig Katheter, um einen Zugang zu Innenbereichen des Körpers zu erreichen. Bei manchen Verfahren trägt der Katheter ein Energie emittierendes Element an seinem distalen Ende um Körpergewebe abzutragen.
  • Bei solchen Verfahren muss der Arzt einen stabilen und gleichförmigen Kontakt zwischen dem die Energie emittierenden Element und dem abzutragenden Gewebe herstellen. Nach dem Herstellen des Kontaktes muss der Arzt dann vorsichtig Abtragungsenergie an das Element für die Übertragung auf das Gewebe anlegen.
  • Der Bedarf bezüglich einer genauen Steuerung bzw. Regelung der Abgabe von Abtragungsenergie ist besonders kritisch bei Verfahren zum Abtragen von Herzgewebe, die auf der Verwendung eines Katheters basieren. Diese Verfahren, die als elektrophysiologische Therapie bezeichnet werden, finden in zunehmendem Maße weite Verbreitung zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen, die als Arhythmien bezeichnet werden. Herzgewebe-Abtragungsverfahren verwenden typischerweise Hochfrequenz-Energie (RF-Energie) um eine Läsion im Herzgewebe zu erzeugen.
  • Die US-Patentschrift Nr. 4,860,744 beschreibt ein genau gesteuertes Erhitzen von Körpergewebe für das Entfernen von Tumoren. Die beschriebene Vorrichtung umfasst ein erhitztes Sondenende, ein erstes Element zum Überwachen der Temperatur des Sondenendes, ein Verarbeitungselement, das dazu dient, den ermittelten Temperaturwert mit einem vorausgewählten Sollwert zu vergleichen, und ein Ausgangselement zur Abgabe eines Steuersignals zum Einstellen der Leistung für die Elektrode.
  • Die US-Patentschrift Nr. 5,122,137 beschreibt das Ohm'sche Erhitzen von Gewebe mit einer Steuerung zwischen zwei Arbeitszuständen mit einer Modulation entsprechend einem Sollwert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in dem beigefügten Satz von Ansprüchen definiert.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
  • Die Vorrichtung kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 12 aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung nach Anspruch 13.
  • Die Vorrichtung kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 14 bis 17 aufweisen.
  • Ein Hauptziel der Erfindung ist es, Systeme und Verfahren zum Überwachen und zuverlässigen Steuern bzw. Regeln des Anlegens von Energie zum Abtragen von Körpergewebe zu schaffen und dabei therapeutische Ergebnisse in einer konsistenten und vorhersagbaren Weise zu erzielen.
  • Die Erfindung schafft Systeme und Verfahren, die eine zuverlässige Kontrolle über die Gewebeerhitzungs- und Abtragungsverfahren unter Verwendung von Temperaturmessung liefern. Gemäß der Erfindung steuern bzw. regeln die Systeme und Verfahren das Anlegen von Energie an eine Energie emittierende Elektrode unter Verwendung von Leistungseinstellungen, die in nicht-linearer Weise Änderungen in den überwachten Arbeitsparametern berücksichtigen.
  • Ein Gesichtspunkt der Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Zuführen von Energie an eine Elektrode zum Abtragen von Gewebe. Die Vorrichtung und das Verfahren überwachen einen ausgewählten Betriebsparameter der Elektrode und leiten aus ihm einen Arbeitswert (VD) ab. Die Vorrichtung und das Verfahren umfassen ein Verarbeitungselement, das den abgeleiteten Arbeitswert VD mit einem vorgewählten Sollwert (VS) für den Arbeitsparameter vergleicht, um ein Fehlersignal (Δ) zu erzeugen, wobei gilt: Δ = VS – Vd
  • Gemäß der Erfindung kann VS entweder ein fester, vorgeschriebener Wert sein oder in Termen eines Wertes ausgedrückt werden, der sich mit der Zeit ändert, wie z. B. bei einer vorgegebenen Temperaturkurve.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren erzeugen weiterhin ein Befehlssignal SCOMMAND, wobei SCOMMAND = f(Δ1, Δ2, Δ3, ... ΔN) gilt, wobei allgemein gesprochen feine nicht-lineare Funktion von N Variablen ist, die das Verarbeitungselement beschreibt, und Δ1, Δ2, Δ3, ... ΔN die Werte des Fehlersignals Δ zu N unterschiedlichen Zeitpunkten sind. Dies bedeutet, dass das Verarbeitungselement das Ausgangssignal SCOMMAND unter Verwendung einer nicht-linearen Funktion der gegenwärtigen und früheren Werfe des Fehlersignals Δ einstellen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann SCOMMAND ausgedrückt werden als: SCOMMAND = f(SSCALE × Δ)wobei feine dem Verarbeitungselement zugeordnete Funktion, d. h. der Algorithmus ist, der zum Analysieren der Daten verwendet wird, und SSCALE ein nicht-linearer Skalierungsfaktor ist, der gleich einem ersten Wert (X) ist, wenn Δ größer als ein Wert Z ist und der gleich einem zweiten Wert (Y) ist, der von X verschieden ist, wenn gilt Δ < Z, oder wenn Z gleich einem gewünschten Δ ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist Z und daher das gewünschte Δ gleich Null.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt das Befehlssignal SCOMMAND den Pegel der an die Elektrode angelegten Leistung ein. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist Y > X. Aufgrund des asymmetrischen, nicht-linearen Skalierungsfaktors SSCALE dienen die Vorrichtung und das Verfahren dazu, die an die Elektrode angelegte Leistung schneller abzusenken, als die an die Elektrode angelegte Leistung erhöht wird.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Zuführen von Energie an eine Elektrode zum Abtragen von Gewebe. Die Vorrichtung und das Verfahren überwachen Arbeitsbedingungen der Elektrode. Die Vorrichtung und das Verfahren leiten ein Leistungs-Regelsignal SDERIVED auf der Basis eines überwachten ersten Betriebsparameters ab. Die Vorrichtung und das Verfahren vergleichen auch einen überwachten zweiten Betriebsparameter mit vorausgewählten Kriterien für den zweiten Betriebsparameter und erzeugen ein Fehlersignal (E), wenn der zweite Betriebsparameter die vorausgewählten Kriterien nicht erfüllt.
  • Gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung geben die Vorrichtung und das Verfahren ein Befehlssignal SCOMMAND ab, um die der Elektrode zugeführte Leistung einzustellen. Wenn kein Fehlersignal E vorhanden ist, stellt SCOMMAND die Leistung entsprechend SDERIVED ein. Wenn das Fehlersignal E erzeugt wird, stellt SCOMMAND die Leistung auf einen vorgeschriebenen niederen Leistungswert (PLOW) unabhängig von SCOMMAND ein. Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung ist PLOW ein ausgewählter Wert über Null aber auf einem Pegel, der eine Gewebeabtragung über die Zeit hinweg nicht aufrechterhält.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist PLOW ungefähr 1 Watt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Überwachung des zweiten Betriebsparameters die Messung der vom Generator abgegebenen Leistung. Bei dieser Ausführungsform umfassen die vorausgewählten Kriterien einen vorgegebenen maximalen Leistungswert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Überwachung des zweiten Betriebsparameters die Messung der Temperatur an der Elektrode. Bei dieser Ausführungsform umfassen die vorgegebenen Kriterien einen festgelegten maximalen Temperaturwert. Bei dieser Ausführungsform können die vorausgewählten Kriterien auch einen vorgegebenen Temperatur-Sollwert umfassen, der durch einen vorgegebenen inkrementalen Wert angepasst wird.
  • Die Vorrichtungen und Verfahren, die die Merkmale der Erfindung realisieren, sind für eine Verwendung im Bereich der Herzgewebe-Abtragung gut geeignet. Sie können auch bei anderen Gewebeerhitzungs- und Abtragungs-Anwendungsfällen in gleicher Weise angewendet werden. Beispielsweise können die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung bei Verfahren zum Abtragen von Gewebe in der Prostata, dem Gehirn, der Gallenblase, dem Uterus und anderen Körperbereichen verwendet werden, wobei Systeme Verwendung finden, die nicht notwendiger Weise auf einem Katheter basieren.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform messen die Vorrichtung und das Verfahren auch eine Impedanz. Da PLOW größer Null ist, können Impedanzmessungen selbst dann weiter laufen, nachdem die Gewebeabtragung beendet worden ist.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung sowie in den beigefügten Ansprüchen niedergelegt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Systems zum Abtragen von Gewebe, das eine Energie emittierende Elektrode und einen zugehörigen Energie-Generator umfasst,
  • 2, 3 und 4 jeweils eine Seitenansicht, eine Endansicht und eine Seiten-Schnittansicht (längs der Linie 4-4 in 3) der dem in 1 dargestellten System zugeordneten Elektrode, wobei die Elektrode ein Temperatur-Messelement aufweist,
  • 5 eine schematische Darstellung des Generators zum Zuführen von Energie zur Elektrode in dem in 1 gezeigten System, wobei der Generator eine spezialisierte, modifizierte PID-Regeltechnik verwendet, um eine gewünschte eingestellte Temperatur dadurch aufrechtzuerhalten, dass die Leistung in Reaktion auf die gemessene Temperatur geändert wird,
  • 6A und 6B Diagramme, die Kurven von Temperatur-Sollwerten über der Zeit wiedergeben, die der Generator aufrechterhalten soll,
  • 7 eine schematische Darstellung eines anderen Systems zur Verwendung in Verbindung mit dem in 5 gezeigten Generator zum Ändern der angelegten Leistung in Reaktion auf die gemessene Temperatur unter Verwendung von adaptiven Regelungsverfahren,
  • 8 eine schematische Darstellung eines Systems zur Verwendung in Verbindung mit dem in 5 gezeigten Generator für ein Herabstufen der Leistung in Reaktion auf die vorgeschriebenen Leistungs- oder Temperatur-Werte,
  • 9 eine schematische Darstellung von Systemen zur Verwendung in Verbindung mit dem in 5 gezeigten Generator zum Bilden des maximalen Leistungswertes zur Verwendung mit dem in 8 gezeigten Leistungs-Herabstufungssystem,
  • 10 eine mehr ins einzelne gehende schematische Darstellung eines der in 9 gezeigten Systeme zum automatischen Bilden des maximalen Leistungswertes basierend auf den physikalischen Merkmalen der Abtragungselektrode,
  • 11A und 11B schematische Darstellungen der Realisierung einer als neurales Netzwerk ausgebildeten Vorhersageschaltung zum Aufrechterhalten einer gewünschten, eingestellten Temperatur durch Änderung der Leistung in Reaktion auf eine Vorhersage der maximalen Gewebetemperatur, und
  • 12 eine schematische Darstellung einer Realisierung von Fuzzy-Logik zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Temperatur-Sollwertes.
  • Die Erfindung kann in verschiedenen Formen realisiert werden, ohne von ihrem Rahmen abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist und nicht nur bei Beispielen der diesen Ansprüchen vorausgehenden speziellen Beschreibung. Alle Ausführungsformen, die unter die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher von den Ansprüchen mit umfasst werden.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 zeigt ein System 10 zum Abtragen von menschlichem Gewebe, das die Merkmale der Erfindung verwirklicht.
  • Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform umfasst das System 10 einen Generator 12, der Hochfrequenz-Energie abgibt, um Gewebe abzutragen. Selbstverständlich können auch andere Energiearten für Gewebeabtragungs-Zwecke erzeugt werden.
  • Das System 10 umfasst auch einen steuerbaren Katheter 14, der eine Hochfrequenz emittierende Abtragungselektrode 16 trägt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Abtragungselektrode 16 aus Platin hergestellt.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform arbeitet das System 10 in einem unipolaren Modus. Bei dieser Anordnung umfasst das System 10 eine Haut-Flächenelektrode, die als indifferente zweite Elektrode 18 dient. Im Betrieb ist die indifferente Elektrode 18 am Rücken des Patienten oder einem anderen äußeren Hautbereich befestigt.
  • Alternativ kann das System 10 in einem bipolaren Modus betrieben werden. In diesem Modus trägt der Katheter 14 beide Elektroden.
  • Das System 10 kann in vielen verschiedenen Umgebungen verwendet werden. Die Beschreibung beschreibt das System 10 bei einer Verwendung zur Durchführung einer Therapie, bei der Herzgewebe abgetragen wird.
  • Bei einer Verwendung zu diesem Zweck steuert ein Arzt den Katheter 14 durch eine Hauptvene oder Hauptarterie (typischerweise die Oberschenkelvene oder Oberschenkelarterie) in den inneren Bereich des Herzens, der behandelt werden soll. Der Arzt manipuliert dann den Katheter 14 weiterhin so, dass die Elektrode 16 mit dem Gewebe im Herzen, auf das für eine Abtragung gezielt wird, in Berührung gebracht wird. Der Verwender leitet Hochfrequenz-Energie vom Generator 12 in die Elektrode 16, um das berührte Gewebe abzutragen und an ihm eine Läsion zu erzeugen.
  • I. Der Abtragungskatheter
  • Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der Katheter 14 einen Handgriff 20, einen Führungsschlauch 22 und einn distales Ende 24, das die Elektrode 16 trägt.
  • Der Handgriff 20 umfasst einen Steuerungsmechanismus 26 für das Katheterende 24. Ein Kabel 28, das sich ausgehend von der Rückseite des Handgriffs 20 erstreckt, besitzt (nicht dargestellte) Stecker. Die Stecker verbinden den Katheter 14 mit dem Generator 12, um Hochfrequenz-Energie zur Abtragungselektrode 16 zu befördern.
  • Linke und rechte Steuerdrähte (nicht dargestellt) erstrecken sich durch den Führungsschlauch 22, um den Steuerungsmechanismus 26 mit der linken und rechten Seite des Endes 24 zu verbinden. Ein Drehen des Steuerungsmechanismus 26 nach links zieht an dem linken Steuerungsdraht und bewirkt, dass sich das Ende 24 nach links abbiegt. In ähnlicher Weise zieht ein Drehen des Steuerungsmechanismus 26 nach rechts am rechten Steuerungsdraht und bewirkt, dass sich das Ende 24 nach rechts abbiegt. Auf diese Weise steuert der Arzt die Abtragungselektrode 16 in Berührung mit dem Gewebe, das abgetragen werden soll.
  • Weitere Einzelheiten dieser und anderer Arten von Steuerungsmechanismen für das Abtragungselement 10 sind in dem US-Patent 5,254,088 für Lunquist und Thompson wiedergegeben.
  • A. Temperaturmessung
  • Wie die 2 bis 4 zeigen, trägt die Abtragungselektrode 16 wenigstens ein Temperaturmesselement 30. Wie später noch mehr im einzelnen beschrieben wird, wird die Leistung, die der Generator 12 an die Elektrode 16 anlegt, zumindest teilweise durch die Temperatur-Verhältnisse eingestellt, die von dem Element 30 gemessen werden.
  • Bei der in den 3 bis 4 dargestellten Ausführungsform umfasst die Abtragungselektrode 16 eine Innenbohrung 32 an ihrem Spitzenende. Das Temperaturmesselement 30 befindet sich in dieser Bohrung 32.
  • In den 3 bis 4 umfasst das Temperaturmesselement 30 einen Tröpfchen-Thermistor 34 mit zwei zugehörigen Leitungsdrähten 36 und 38. Die Temperaturmessspitze des Thermistors 34 liegt am Spitzenende der Abtragungselektrode 16 für einen Kontakt mit dem Gewebe frei. Der Thermistor 34 der dargestellten Art ist im Handel von Fenwal Co. (Massachusetts) unter der Handelsbezeichnung 111-202CAK-BD1 erhältlich. Die Leitungsdrähte 36 und 38 bestehen aus einem #36 AWG-Signaldraht-Cu+-Überzugs-Stahl (massive Isolierung).
  • Eine Vergussmasse 40 umschließt den Thermistor 34 und die Leitungsdrähte 36 und 38 in der Elektrodenbohrung 32. Isolationshüllen 42 schirmen auch die eingegossenen Leitungsdrähte 36 und 38 ab. Die Vergussmasse 40 und die Umhüllungen 42 isolieren gemeinsam den Thermistor 34 elektrisch von der umgebenden Abtragungselektrode 16.
  • Die Vergussmasse 40 und die Isolationshüllen 42 können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein Loctite-Kleber als Vergussmasse 40, obwohl ein anderer Cyanoacrylat-Kleber, ein RTV-Kleber, Polyurethan, Epoxi oder dergleichen verwendet werden können. Die Hüllen 42 sind aus einem Polyimid-Material hergestellt, obwohl auch andere herkömmliche elektrische Isolationsmaterialien verwendet werden können.
  • Bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel umhüllt ein Wärmeisolationsschlauch 44 den eingegossenen Thermistor 34 und die Leitungsdrähte 36 und 38. Der Wärmeisolationsschlauch 44 kann selbst durch Kleben an der Innenwand der Bohrung 32 befestigt sein.
  • Das Wärme isolierende Material des Schlauchs 44 kann unterschiedlich sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist es ein Polyimid-Material, das eine Wandstärke von ungefähr 0,0762 mm besitzt. Andere Wärme isolierende Materialien wie z. B. Myllar oder Kapton können verwendet werden.
  • Die Leitungsdrähte 36 und 38 für den Thermistor 34 erstrecken sich durch den Führungsschlauch 22 und in dem Katheter-Handgriff 20. Dort sind die Leitungsdrähte 36 und 38 elektrisch mit dem Kabel 28 verbunden, das sich ausgehend vom Handgriff 20 erstreckt. Das Kabel 28 ist mit dem Generator 12 verbunden und überträgt die Temperatursignale vom Thermistor 34 an den Generator 12.
  • Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform trägt der Handgriff 20 (wie 10 zeigt) ein Eichelement RCAL für den Thermistor 34. Das Element RCAL trägt Abweichungen des Nominal-Widerstandswertes zwischen verschiedenen Thermistoren Rechnung. Bei der Herstellung des Katheters wird der Widerstandswert des Thermistors 34 bei einer bekannten Temperatur, beispielsweise bei 75°C gemessen. Das Eichelement RCAL hat einen Widerstandswert, der gleich dem gemessenen Wert ist. Diesbezügliche weitere Einzelheiten werden weiter unten erläutert.
  • II. Der Hochfrequenz-Generator
  • Wie 5 zeigt, umfasst der Generator 12 eine Hochfrequenz-Energie- bzw. -Leistungsquelle 48, die über einen Haupt-Trenntransformator 50 mit Ausgangs- und Rückführleitungen 52 und 54 verbunden ist. Die Ausgangsleitung 52 führt zur Abtragungselektrode 16. Die Rückführleitung 54 kommt von der indifferenten Elektrode 18.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist dann, wenn sie für eine Abtragung von Herzgewebe verwendet wird, die Energiequelle 48 typischerweise so ausgelegt, dass sie eine Leistung bis zu 50 W bei einer Hochfrequenz von 500 kHz abgibt.
  • Der Generator 12 umfasst weiterhin eine erste Verarbeitungsstufe 56. Die erste Verarbeitungsstufe 56 erhält als Eingangssignale ein die momentane Leistung kennzeichnendes Signal P(t), einen Temperatur-Sollwert TSET und ein Temperatur-Regelsignal TCONTROL. Aus einer unter Verwendung vorgeschriebener Kriterien erfolgenden Analyse dieser Eingangssignale leitet die erste Verarbeitungsstufe 56 ein Leistungs-Bedarfssignal PDEMAND ab.
  • Der Generator 12 umfasst auch eine zweite Verarbeitungsstufe 58. Die zweite Verarbeitungsstufe 58 erhält als Eingangssignal das Leistungs-Bedarfssignal PDEMAND von der ersten Verarbeitungsstufe 56. Die zweite Verarbeitungsstufe 58 erhält auch als Eingangssignale das die momentane Leistung kennzeichnende Signal P(t) und einen maximalen Leistungswert PMAX. Aufgrund einer Analyse dieser Eingangssignale gemäß vorgeschriebener Kriterien stellt die zweite Verarbeitungsstufe 58 die Amplitude der Hochfrequenz-Spannung der Energiequelle ein und stellt dadurch die Größe der erzeugten Leistung ein, die P(t) darstellt.
  • Der Generator 12 umfasst vorzugsweise eine interaktive Verwender-Schnittstelle 13, die in 1 nur allgemein in schematischer Form dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schnittstelle 13 in herkömmlicher Weise in vollem Umfang herkömmliche Eingabegeräte (beispielsweise eine Tastatur oder eine Maus), Ausgabe-Anzeigegeräte (beispielsweise einen Monitor für eine graphische Darstellung oder eine Kathodenstrahlröhre) und akustische und optische Alarm- bzw. Signalvorrichtungen verwenden kann.
  • A. Die erste Verarbeitungsstufe
  • Das die erzeugte Leistung darstellende Eingangssignal P(t) für die erste Verarbeitungsstufe 56 wird von einem Multiplizierer 60 erzeugt. Der Multiplizierer 60 erhält ein den momentanen Strom darstellendes Signal I(t) von einem isolierten Strom-Messtransformator 62 und ein die momentane Spannung darstellendes Signal V(t) von einem isolierten Spannungs-Messtransformator 64.
  • Der isolierte Strom-Messtransformator 62 ist elektrisch mit der Rückführleitung 54 verbunden. Der Transformator 62 misst den momentanen Hochfrequenz-Strom I(t), der von der Abtragungselektrode 16 durch das Körpergewebe zur indifferenten Elektrode 18 abgegeben wird.
  • Der isolierte Spannungs-Messtransformator 64 ist elektrisch zwischen die Ausgangs- und Rückführleitungen 52 und 54 geschaltet. Der Spannungs-Messtransformator 64 misst die momentane Hochfrequenz-Spannung V(t) über dem Körpergewebe zwischen der Abtragungselektrode 16 und der indifferenten Elektrode 18.
  • Der Multiplizierer 60 multipliziert I(t) mit V(t), um das Signal für die momentane Hochfrequenz-Leistung P(t) abzuleiten, das durch das Tiefpassfilter 61 geführt wird, um die Welligkeit zu beseitigen. Das gefilterte Signal P(t) dient als Leistungs-Eingangssignal für die erste Verarbeitungsstufe 56.
  • Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform umfasst der Generator 12 als Teil seiner Gesamtschnittstelle 13 eine Anzeigevorrichtung 110 (siehe auch 1), um P(t) darzustellen.
  • Der Temperatur-Sollwert TSET für die erste Verarbeitungsstufe 56 kann durch den Arzt mit Hilfe einer Schnittstelle 66 eingegeben werden, die ein Teil der Gesamtschnittstelle 13 des Generators 12 ist (siehe auch 1). Der Temperatur-Sollwert TSET stellt die Temperatur dar, die der Arzt an der Abtragungsstelle aufrecht zu halten wünscht. Der Wert TSET kann in anderer Weise gebildet werden. Beispielsweise kann der Wert TSET über die Zeit hinweg variieren, um eine Temperatur-Sollkurve zu definieren. Weitere Einzelheiten hiervon werden später beschrieben.
  • Der ausgewählte Temperatur-Sollwert TSET hängt von den gewünschten therapeutischen Merkmalen der Läsion ab. Typische Merkmale einer therapeutischen Läsion sind der Oberflächenbereich des Gewebes, das abgetragen wird, sowie die Tiefe der Abtragung. Typischerweise liegt der Temperatur-Sollwert TSET im Bereich von 50°C bis 90°C.
  • Das Temperatur-Regelungs-Eingangssignal TCONTROL basiert auf den tatsächlichen, momentanen, vom Messelement 30 gemessenen Temperaturwerte TM(t).
  • Bei dem speziellen dargestellten Ausführungsbeispiel erhält die erste Verarbeitungsstufe 56 als TCONTROL den Ausgangs-Widerstandswert des Thermistors 34 (in Ohm). Sie teilt diesen Widerstandswert durch den Eichwert RCAL um den Widerstandswert des Thermistors 34 zu normalisieren. Dieser normalisierte Widerstandswert ist der Eingangswert für eine Festwertspeicher-Tabelle (ROM-Tabelle) im Generator 12, welche die gespeicherten Thermistor-Temperaturdaten enthält. Das Ausgangssignal des Festwertspeichers ist die tatsächlich gemessene Temperatur TM(t) (in °C).
  • Der Ausgangswert TM(t) wird vorzugsweise in einer Anzeigeeinheit 68 dargestellt, die einen Teil der Gesamtschnittstelle 13 für den Generator 12 bildet (siehe auch 1).
  • Der tatsächliche momentane Temperaturwert TM(t) kann von der ersten Verarbeitungsstufe 56 direkt verwendet werden. Gemäß der Erfindung umfasst jedoch die erste Verarbeitungsstufe 56 einen Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 (PTP). Der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 leitet aus dem TM(t)-Wert einen Temperatur-Vorhersagewert ab (der als TPRED(t) bezeichnet wird).
  • (i) Der Temperatur-Vorhersage-Prozessor PTP
  • Der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 tastet kontinuierlich das Signal TM(t) über vorgeschriebene Abtastperioden ΔTSAMPLE ab. Durch das Anwenden vorgeschriebener Kriterien auf diese Abtastwerte sagt der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 am Ende einer jeden Abtastperiode einen Temperatur-Wert TPRED(t) voraus, der am Ende einer zukünftigen Zeitperiode (die größer ist als ΔTSAMPLE) unter der Voraussetzung existieren würde, dass die der Abtragungselektrode 16 zugeführte Leistung nicht verändert wird. Diese künftige Zeitperiode wird als Vorhersageperiode ΔTPREDICT bezeichnet.
  • Die Länge der Vorhersageperiode ΔTPREDICT kann variieren. Ihre maximale Länge hängt in starkem Maß von der Wärme-Zeitkonstanten des Gewebes ab, um die erwartete physiologische Reaktion des Gewebes auf die während der Abtragung erzeugten Temperaturen zu berücksichtigen. Die Vorhersageperiode ΔTPREDICT sollte den Zeitraum nicht übersteigen, zu dem erwartet werden kann, dass das Gewebe eine zelluläre Veränderung erfährt, wenn es der Abtragungshitze ausgesetzt wird.
  • Im Fall von Herzgewebe sollte die thermale Zeitkonstante derart bemessen sein, dass die maximale Länge der Vorhersageperiode ΔTPREDICT typischerweise ungefähr 2 Sekunden nicht übersteigt. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Herzgewebe nach ungefähr 2 Sekunden beginnt, zelluläre Veränderungen zu erfahren, wenn es dem Temperaturbereich ausgesetzt wird, der während der Abtragung erzeugt wird.
  • Der Wert ΔTSAMPLE wird so gewählt, dass er kleiner ist als der Wert von ΔTPREDICT Der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 misst die momentane Temperatur TM(t) am Ende der momentanen Abtastperiode und vergleicht sie mit der gemessenen Temperatur am Ende einer oder mehrerer vorhergehender Abtastperioden TM(t–n), wobei n die Anzahl der vorhergehenden Abtastperioden ist, die für den Vergleich herangezogen werden. Basierend auf der Änderung der gemessenen Temperatur über der Zeit während der ausgewählten Abtastperioden und unter Berücksichtigung der Relation zwischen der Größe von ΔTSAMPLE und ΔTPREDICT, sagt der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 die Temperatur TPRED(t) nach folgender Gleichung voraus:
    Figure 00110001
    wobei gilt
    Figure 00110002
    und i = 1 bis n.
  • Bei einer repräsentativen Verwirklichung des Temperatur-Vorhersage-Prozessors 70 für eine Abtragung von Herzgewebe wird ΔTPREDICT gleich 0,48 Sekunden und ΔTSAMPLE gleich 0,02 Sekunden (bei einer Abtastrate von 50 Hz) gewählt. Daher gilt bei dieser Ausführungsform: K = 24.
  • Weiterhin wird bei dieser Ausführungsform n gleich 1 gewählt. Das heißt, der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 berücksichtigt TM(t) für die momentane Abtastperiode (t) und TM(t–1) für die vorausgehende Abtastperiode (t – 1).
  • Bei dieser Ausführungsform leitet der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 TPRED(t) in folgender Weise ab: TPRED(t) = 25TM(t) – 24TM(t–1)
  • Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform umfasst der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 ein Tiefpassfilter 72 mit einer gewählten Zeitkonstante (τ). Der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 mittelt TPRED(t) mit Hilfe des Filters 72 bevor er dieses Signal einem Leistungsbedarf-Prozessor 76 zuführt, der später beschrieben wird.
  • Die gewählte Zeitkonstante (τ) des Filters 72 kann gemäß dem gewünschten Genauigkeitsgrad variieren. Allgemein gesagt führt eine im mittleren Bereich liegende Zeitkonstante (τ) von ungefähr 0,2 Sekunden bis ungefähr 0,7 Sekunden zur erforderlichen Genauigkeit. Bei der oben beschriebenen repräsentativen Realisierungsform wird eine Zeitkonstante (τ) von 0,25 Sekunden verwendet.
  • Der Genauigkeitsgrad des Temperatur-Vorhersage-Prozessors 70 kann auch durch Variation von K verändert werden. Genauer gesagt kann man dann, wenn der Wert von K abgesenkt wird, erwarten, dass der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 einen höhe ren Genauigkeitsgrad beim Vorhersagen der zukünftigen Temperatur TPRED(t) erzielt. Der Wert von K kann dadurch verändert werden, dass der Wert für ΔTSAMPLE oder der Wert von ΔTPREDICT oder beide entsprechend gewählt werden. Vorzugsweise wird der Wert von K dadurch verändert, dass ΔTPREDICT entsprechend gewählt wird.
  • Der Genauigkeitsgrad des Temperatur-Vorhersage-Prozessors 70 kann auch gewünschtenfalls dadurch verbessert werden, dass für n größere Werte gewählt werden, d. h. dadurch, dass man eine größere Zahl von zurückliegenden Werten von TM(t) beim Berechnen von TPRED(t) berücksichtigt.
  • Bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 eine Verwender-Schnittstelle 74, die Teil der Gesamtschnittstelle 13 des Generators 12 ist (siehe auch 1). Unter Verwendung der Schnittstelle 74 kann der Arzt den Abtast-Verlauf (n), die Vorhersageperiode ΔTPREDICT und die Zeitkonstante (τ) in Echtzeit und Online wählen und modifizieren.
  • Wie noch genauer weiter unten beschrieben wird, führt die Fähigkeit, die Genauigkeit des Temperatur-Vorhersage-Prozessors 70 bei der Berechnung von ΔTPRED(t) mit Online-Änderungen zu variieren, zu einer Flexibilität beim Anpassen der ersten Verarbeitungsstufe 56 an unterschiedliche Abtragungsbedingungen.
  • (ii) Der Leistungsbedarf-Prozessor (DDP)
  • Die erste Verarbeitungsstufe 56 umfasst weiterhin einen Leistungsbedarf-Prozessor 76 (DDP). Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 vergleicht periodisch TPRED(t) mit dem Temperatur-Sollwert TSET Basierend auf diesem Vergleich und unter Berücksichtigung der Größe der momentan der Abtragungselektrode 16 zugeführten Leistung P(t) leitet der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 das Leistungsbedarf-Ausgangssignal PDEMAND ab. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 berücksichtigt auch andere Betriebsziele und Kriterien des Systems wie z. B. die Ansprechzeit, die bleibende Temperatur-Regelabweichung und das maximale Temperatur-Überschwingen.
  • Das Leistungsbedarf-Ausgangssignal PDEMAND der ersten Verarbeitungsstufe 56 stellt die Größe der Hochfrequenzleistung dar, die der Abtragungselektrode 16 zugeführt werden sollte, um den gewünschten örtlichen Temperaturwert TSET an der Abtragungselektrode 16 zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten.
  • Die Art und Weise, in der der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 das PDEMAND-Signal ableitet, kann variieren. Beispielsweise können Prinzipien der Proportional- oder der Proportional-Integral-Differential-Regelung, adaptive Steuerungs-Prinzipien, die Prinzipien neuraler Netzwerke oder Fuzzy-Logik-Regelungs-Prinzipien verwendet werden.
  • (a) Modifizierte PID-Regelung unter Verwendung eines festen TSET-Signals
  • Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform verwendet der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 ein PID-Regelverfahren mit modifizierter Geschwindigkeit, das speziell an die Abtragung von Herzgewebe angepasst ist. Unter Verwendung dieses Verfahrens regelt der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 die Größe von PDEMAND basierend auf einem festen Wert von TSET, der vom Arzt festgelegt wird.
  • Bei der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform vergleicht der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 einen abgeleiteten Betriebswert VD mit einem vorausgewählten Sollwert (VS) für den Betriebszustand. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 bildet ein Fehlersignal (Δ) auf der Basis dieses Vergleichs gemäß Δ = VS – VD.
  • Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 gibt das Leistungsbedarfssignal für die nächste Zeitperiode PDEMAND(t+1) auf der Basis einer nicht-linearen Funktion des gegenwärtigen und früherer Werte des Fehlersignals Δ ab, d. h. gemäß der Gleichung: PDEMAND(t+1) = f(Δ1, Δ2, Δ3, ...., ΔN)
  • Allgemein gesprochen ist feine von N variablen abhängende nicht-lineare Funktion, der der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 bei der Durchführung seiner Verarbeitung folgt. Δ1, Δ2, Δ3, ..., ΔN sind die Werte des Fehlersignals Δ zu N verschiedenen Zeitpunkten. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 stellt damit die Leistung vermittels eines Inkrements basierend auf einer nicht-linearen Funktion des gegenwärtigen und früherer Werfe des Fehlersignals Δ ein.
  • Genauer gesagt leitet bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 am Ende einer jeden Abtastperiode (t) das Leistungsbedarf-Ausgangssignal, das für die nächste Abtastperiode (t + 1) benötigt wird, nach folgender Gleichung ab: PDEMAND(t+1) = P(t) + S[αE(t) – βE(t–1) + δE(t–2)]wobei die nicht-lineare Funktion f(Δ) ausgedrückt ist durch: f(Δ) = S[αE(t) – βE(t–1) + δE(t–2)],und das Fehlersignal Δ ausgedrückt ist als E(t), wobei VD gleich TPRED und VS gleich TSET ist, so dass E(t) = TSET – TPRED(t) ist. Bei dieser Realisierungsform wird ein Schwellenwert von TSET ausgewählt, der im wesentlichen konstant bleibt, während TPRED(t) vom Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 ermittelt wird, und α, β und δ sind herkömmliche Geschwindigkeits-PID-Ausdrücke, die auf einer Proportional-Konstanten Kp (die sich auf die Größe der Differenz bezieht), einer Integral-Konstanten Ki (bezogen auf die Änderung der Differenz über der Zeit) und einer Differential-Konstanten Kd (die auf die Ge schwindigkeit bezogen ist, mit der sich die Differenz über der Zeit ändert) und auf ΔTSAMPLE basieren, wie in den folgenden Gleichungen dargestellt:
    Figure 00140001
    und S ist ein ausgewählter Maßstabsfaktor, dessen Wert davon abhängt, ob TPRED(t) größer oder kleiner ist als TSET, wie dies durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben wird: S = X wenn E(t) > 0 (d. h. TSET > TPRED(t)) S = Y wenn E(t) < 0 (d. h. TSET < TPRED(t)).
  • Der Wert von S ist asymmetrisch, d. h. X ist von Y verschieden, und es ist besonders bevorzugt, dass Y > X ist.
  • Die obigen Beziehungen setzen voraus, dass der gewünschte Fehler E(t), der aufrechterhalten werden soll gleich Null ist. Es können auch andere gewünschte Fehlerwerte verwendet werden. Die Verwendung eines asymmetrischen Maßstabsfaktors S sorgt dafür, dass die gewünschte nicht-lineare Reaktion f(Δ) über die Zeit hinweg den gewünschten Fehler E(t) aufrecht erhält. Beim Halten des gewünschten Fehlers auf Null, verringert die Funktion f(Δ) des Leistungsbedarfs-Prozessors 76 die Leistung schneller (wenn TPRED(t) > TSET ist) als sie die Leistung erhöht (wenn TPRED(t) < TSET ist).
  • Bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 feste Werte für die Koeffizienten Kp, Ki und Kd unabhängig von den speziellen Abtragungsbedingungen.
  • Die Berechnung von PDEMAND kann Online durch den Arzt dadurch an sich ändernde auftretende Abtragungsbedingungen angepasst werden, dass die Anfangsberechnung von TPRED(t) durch den Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 eingestellt wird. Wegen der durch den Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70 gelieferten Flexibilität, Online-Einstellungen vorzunehmen, sind in dem System keine mehrfachen Wertetabellen von Kp, Ki und Kd erforderlich, um eine Anpassung an Änderungen der Abtragungsbedingungen zu erzielen.
  • Die Anmelder haben ermittelt, dass die folgenden Werfe für Kp, Ki und Kd in dem Leistungsbedarfs-Prozessor 76 verwendet werden können:
    Kp = 0,025375
    Ki = 97,0695
    Kd = 7,82 × 10–5.
  • Bei einer repräsentativen Verwirklichungsform des Leistungsbedarfs-Prozessors 76 gilt
    ΔTSAMPLE = 0,02, und daher
    α = 0,99998
    β = 0,93750
    δ = 3,91 × 10–3.
  • Bei dieser repräsentativen Venwirklichungsform des Leistungsbedarfs-Prozessors 76 gilt S = 2,0 wenn E(t) > 0 (d. h. TSET > TPRED(t)) und S = 8,0 wenn E(t) < 0 (d. h. TSET < TPRED(t)).
  • Diese repräsentative Verwirklichungsform stellt PDEMAND(t) so ein, dass TSET ±3°C innerhalb von 5,0 Sekunden erreicht wird, wenn keine Begrenzung durch die zur Verfügung stehende Leistung gegeben ist. Sie zielt auch darauf, eine bleibende Scheitel-Temperatur-Regelabweichung (definiert als TSET – TPRED(t)) von weniger als 3°C beizubehalten. Diese Verwirklichung stellt auch PDEMAND(t) über die Zeit so ein, dass ein Überschwingen über TSET von mehr als 3°C vermieden wird.
  • (b) Modifizierte PID-Regelung unter Verwendung eines variablen TSET
  • Bei einer alternativen Ausführungsform verwendet der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 die oben beschriebene -PID-Regelung mit modifizierter Geschwindigkeit, um die Größe von PDEMAND basierend auf sich über der Zeit ändernden Werten von TSET zu regeln. Bei dieser Ausführungsform wird TSET als Funktion bezüglich der Zeit ausgedrückt (siehe 6A und 6B), die linear oder nicht-linear oder beides sein kann. Bei dieser Ausführungsform umfasst TSET eine Temperatur/Zeit-Kurve (siehe 6A und 6B) um das Gewebe zu erhitzen. Die Kurve besitzt einen ersten Temperaturwert, der für eine erste Zeitperiode festgesetzt ist, und wenigstens einen zusätzlichen Temperaturwert, der vom ersten Temperaturwert verschieden ist und für eine zweite Zeitperiode nach der ersten Zeitperiode festgesetzt ist.
  • Wie 6A zeigt, kann TSET am Beginn der Abtragungsprozedur (beispielsweise während der ersten 5 Sekunden) als lineare Funktion dargestellt werden. Von t = 0 bis t = 5 Sekunden steigt der Wert von TSET fortschreitend als gerade Linie mit einer gewählten Steigung an. Bei t = 6 Sekunden, fängt TSET an, als nicht-lineare Funktion ausgedrückt zu werden, so dass sich die Steigung abflacht, wenn sich TSET einem vorgewählten End-Regelwert für die Abtragung nähert.
  • Bei einer anderen Umsetzung (in 6B gezeigt) folgt TSET einer komplexen Kurve, um eine thermische Kartografierung vor der thermischen Abtragung zu ermöglichen. Wie 6B zeigt, wächst der Wert von TSET von t = 0 bis t = 2 Sekunden fortschreitend als gerade Linie mit einer ausgewählten Steigung an. Bei t = 3 Sekunden beginnt TSET einer nicht-linearen Funktion zu folgen und die Steigung flacht sich ab, wenn sich TSET einem ersten vorgewählten Wert für eine thermische Kartografierung nähert. Die Steigung bleibt flach bis t = 10, worauf der Wert von TSET wieder fortschreitend als gerade Linie mit einer ausgewählten Steigung ansteigt. Bei t = 13 Sekunden folgt TSET wieder einer nicht-linearen Funktion und die Steigung flacht sich ab, wenn sich TSET einem zweiten vorgewählten Wert für die Gewebeabtragung nähert. Bei dem in 6B gezeigten Beispiel liegt der erste Wert von TSET für die thermische Kartografierung zwischen 45°C und 50°C, während der zweite Wert von TSET für die Gewebeabtragung zwischen 50°C und 90°C und vorzugsweise bei ungefähr 70°C liegt. Darüber hinaus kann TSET als echte Zeitfunktion definiert werden.
  • Bei beiden Realisierungen gemäß den 6A oder 6B erhält der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 als Eingangssignal sich über der Zeit ändernde Werte von TSET, welche die vorgeschriebene Temperatur-Sollkurve definieren. Das System berechnet E(t) auf der Basis dieser sich ändernden Werte, um PDEMAND in der gleichen Weise abzuleiten, wie das System PDEMAND auf der Basis eines konstanten Wertes von TSET ableitet.
  • (c) Adaptives Regelsystem
  • 7 zeigt eine alternative Realisierungsform des Leistungsbedarfs-Prozessors 76, der PDEMAND unter Verwendung adaptiver Regelprinzipien ableitet. Bei dieser Realisierung empfängt der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 die Eingangssignale TSET und TPRED in der zuvor beschriebenen Weise. Die Werte von TSET können fest sein oder sich mit der Zeit ändern, wie dies oben beschrieben wurde.
  • Bei der in 7 gezeigten Realisierungsform umfasst der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 weiterhin zwei adaptive Filter 78 und 80. Jedes Filter 78 und 80 erzeugt basierend auf einem Eingangssignal ein Ausgangssignal, das in Termen einer angenommenen Relation zwischen diesen Signalen ausgedrückt ist. Bei der dargestellten Realisierungsform umfasst das Ausgangssignal eine auf der angenommenen Relation basierende Abschätzung eines externen Wertes, der von dem Leistungsbedarfs-Prozessor 76 unabhängig gemessen werden kann. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 vergleicht das abgeschätzte Ausgangssignal mit dem tatsächlich gemessenen externen Wert und stellt die Koeffizienten der angenommenen Relation so ein, dass der Fehler zwischen diesen beiden Werten minimiert wird.
  • Bei der in 7 gezeigten Realisierungsform des Leistungsbedarfs-Prozessors 76 empfängt das Filter 78 als Eingangssignal die momentane Leistung P(t), die von der Hochfrequenz-Quelle 48 an die Abtragungselektrode 16 angelegt wird. Das Filter 78 erzeugt als Ausgangssignal eine Abschätzung des Temperaturwertes TEST(t), den das Sensorelement 30 bei gegebem P(t) und der angenommenen Relation zwischen P(t) und der Temperatur T(t) an der Abtragungsstelle messen sollte. Das Filter 78 nähert daher die Wärmeübertragungsfunktion des Gewebes an, das mit der Abtragungselektrode 16 in Berührung steht.
  • Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 umfasst einen Summierknoten 82, der ein Temperaturfehlersignal TE dadurch ableitet, dass er die geschätzte Temperatur TEST(t) von der tatsächlich durch das Sensorelement 30 gemessenen Temperatur T(t) abzieht. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 führt das Fehlersignal TE an das Filter 78 zurück. Das Filter 78 stellt die Koeffizienten der angenommenen Relation zwischen P(t) und T(t) ein, um die Größe des Fehlers TE zu minimieren.
  • Bei einer bevorzugten Realisierungsform verwendet das Filter 78 eine finite lineare Reihe um die angenommene Relation zwischen P(t) und T(t) auszudrücken. Die Reihe schätzt eine zukünftige Temperatur TEST(t+1) basierend auf der vorhandenen momentanen Leistung P(t) und der früheren Leistung P(t–n) ab, wobei n die Anzahl der vergangenen Leistungswerte darstellt, die berücksichtigt werden. Die Größe n kann in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit variieren.
  • Bei einer beispielhaften Realisierungsform berücksichtigt das Filter 78 die momentane Leistung P(t) und die vorausgehende Leistung P(t–1) (d. h. n = 1). Bei dieser Realisierungsform wird die finite lineare Reihe ausgedrückt als: TEST(t+1) = aP(t) + bP(t–1) wobei a und b die angenommenen Transfer-Koeffizienten darstellen.
  • Die angenommenen Transfer-Koeffizienten umfassen anfangs ausgewählte Werte, die dann so eingestellt werden, dass das Fehlersignal TE minimiert wird. Diese adaptive Einstellung kann unter Verwendung verschiedener bekannter Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise können die Koeffizienten basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate (LMS) eingestellt werden, die dazu tendiert, das Quadrat des Fehlers TE zu minimieren.
  • Das LMS-Verfahren bringt die Koeffizienten a und b in folgender Weise auf den neuesten Stand: TE(t) = T(t) – TEST(t) a(t+1) = a(t) + μP(t)TE(t) b(t+1) = b(t) + μP(t–1)TE(t) wobei μ die Schrittweite des Algorithmus ist.
  • Ein größeres μ führt zu einer schnelleren Konvergenzgeschwindigkeit aber auch zu einer größeren Welligkeit um die optimalen Koeffizienten. Ein kleineres μ vermindert sowohl die Konvergenzgeschwindigkeit als auch die Welligkeit um die optimale Lösung. Der optimale Wert von μ hängt von den Merkmalen des zu modellierenden Systems ab.
  • Im Fall des erläuterten Elektroden-Blut-Gewebe-Systems liegt μ im Bereich zwischen 0,01 und 0,5.
  • Das Filter 80 ist das Inverse des Filters 78. Das Filter 80 empfängt als Eingangssignal ein Temperatur-Fehlersignal ΔT, das vom Summierknoten 84 gebildet wird. Der Summierknoten 84 subtrahiert TPREDICT(t) von TSET, um das Fehlersignal ΔT zu erzeugen.
  • Basierend auf dem Inversen der angenommenen Relation zwischen der Leistung P(t) und der Temperatur T(t), die das Filter 78 verwendet, erzeugt das Filter 80 ein Ausgangssignal ΔP, das eine Annäherung dafür darstellt, wie stark die Leistung P(t) angesichts von ΔT geändert werden sollte. Im Kontext mit der für das Filter 78 gegebenen, angenommenen Relation kann die durch das Filter 80 verwendete Relation unter Verwendung einer Taylor-Reihe zweiter Ordnung folgendermaßen angenähert werden:
  • Figure 00180001
  • Basierend auf dem Fehlersignal TE des Summierknotens 82 stellt das Filter 80 seine Koeffizienten in Relation zu den Einstellungen ein, die vom Filter 78 bezüglich der Koeffizienten a und b vorgenommen werden, um die Größe des Fehlersignals TE zu minimieren.
  • Das Ausgangssignal ΔP des Filters 80 wird einem anderen Summierknoten 86 zugeführt, der am Beginn der Abtragungsprozedur mit dem Anfangs-Leistungspegel P0 initialisiert wird. Der Summierknoten 86 stellt kontinuierlich den Anfangs-Leistungswert mit dem ΔP-Ausgangssignal des inversen Filters 80 ein. Das Ausgangssignal des Summierknotens 86 stellt daher PDEMAND dar.
  • Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76, der in 7 dargestellt ist, sendet das Ausgangssignal PDEMAND an die zweite Verarbeitungsstufe 58, um P(t) zu modifizieren.
  • (d) Regelung anhand einer Vorhersage durch ein neurales Netzwerk
  • Wegen der speziellen Wärmeaustausch-Bedingungen zwischen dem Gewebe und der metallischen Abtragungselektrode 16, die mit ihm in Berührung steht, können die vom Sensorelement 30 gemessenen Temperaturen unter Umständen nicht genau mit der tatsächlichen maximalen Gewebetemperatur übereinstimmen. Dies hat seine Ursache darin, dass der Bereich der höchsten Temperatur unter der Oberfläche des Gewebes in einer Tiefe von ungefähr 0,5 bis 1,0 mm ausgehend von der Stelle auftritt, an der die die Energie emittierende Elektrode 16 (und das Sensorelement 30) das Gewebe berührt. Wenn die Leistung angelegt wird, um das Gewebe zu schnell zu erhitzen, kann die tatsächliche maximale Gewebetemperatur in diesem Bereich 100°C übersteigen und zu einer Gewebeaustrocknung führen.
  • 11A zeigt eine andere Ausführungsform des Leistungsbedarfs-Prozessors 76, der PDEMAND unter Verwendung von Prinzipien einer Regelung miHt ilfe eines neuralen Netzwerks ableitet. Bei dieser Realisierungsform empfängt der Temperatur-Vorhersageprozessor 70 als Eingangssignal eine vorhergesagte Temperatur des heißesten Gewebebereiches TMAXPRED(t) von einer von einem neuralen Netzwerk gebildeten Vorhersageschaltung 200. Der Leistungsbedarfs-Prozessor 76 leitet das Signal PDEMAND(t+1) basierend auf der Differenz zwischen diesem Signal TMAXPREDICT(t) und TSET ab. Die Werte von TSET können fest sein oder sie können mit der Zeit variieren, wie dies oben beschrieben wurde.
  • Bei dieser Realisierungdform umfasst die Vorhersageschaltung 200 ein neurales Netzwerk mit zwei Schichten, obwohl mehr verborgene Schichten verwendet werden könnten. Die Vorhersageschaltung 200 erhält als Eingangssignale einen Satz von k früheren Temperaturmeßwerten, die von dem Element 30 gemessen wurden (TM(t–k+1)) Beispielsweise ist, um die letzten 2 Sekunden mit einer Abtastperiode von 0,02 Sekunden abzudecken, k = 100.
  • Die Vorhersageschaltung 200 umfasst eine erste und eine zweite verborgene Schicht und vier Neuronen, die mit N(L,X) bezeichnet sind, wobei L die Schicht 1 oder 2 und X ein Neuron in dieser Schicht bezeichnet. Die erste Schicht (L = 1) hat drei Neuronen (X = 1 bis 3), nämlich N(1,1); N(1,2) und N(1,3). Die zweite Schicht (L = 2) umfasst ein Ausgangsneuron (X = 1), das mit N(2,1) bezeichnet ist.
  • Die gewichteten früheren Messwerte des Sensorelementes 30 TM(t–i+1) (i = 1 bis k) werden als Eingangssignale jedem Neuron N(1,1), N(1,2) und N(1,3) der ersten Schicht zugeführt. 11 zeigt die gewichteten Eingangs-Messwerte als WL (k,N), wobei L = 1 ist; k ist die Messwert-Ordnung und N ist die Eingangs-Neuronennummer 1, 2 oder 3 der ersten Schicht.
  • Das Ausgangs-Neuron N(2,1) der zweiten Schicht erhält als Eingangssignale die gewichteten Ausgangssignale der Neuronen N(1,1), N(1,2) und N(1,3). 11 stellt die gewichteten Ausgangssignale als WL (O,X) dar, wobei L = 2 ist; O ist das Ausgangs-Neuron 1, 2 oder 3 der ersten Schicht und X ist das Eingangs-Neuron 1 der zweiten Schicht. Basierend auf diesen gewichteten Eingangssignalen sagt das Ausgangs-Neuron N(2,1) TMAXPRED(t) vorher.
  • Die Vorhersageschaltung 200 muss mit einem bekannten Satz von Daten trainiert werden, die zuvor experimentell ermittelt wurden. Beispielsweise kann die Vorhersageschaltung 200 unter Verwendung eines Rückwärts-Ausbreitungsmodells so trainiert werden, dass er die bekannte höchste Temperatur des Datensatzes mit dem kleinsten Fehler vorhersagt. Sobald die Trainingsphase abgeschlossen ist, kann die Vorhersageschaltung 200 verwendet werden, um TMAXPRED(t) vorher zu sagen.
  • Wie 11B zeigt, kann die erste Verarbeitungsstufe 56 ein einzelnes neurales Netzwerk 201 verwenden, um PDEMAND(t) abzuleiten. Bei dieser Realisierungsform erhält das Netzwerk 201 als Eingangssignale zusätzlich zu k vergangenen Temperatur-Messwer ten vom Sensor 30 den Wert von TSET und die momentane Leistung P(t). Das Netzwerk 201 leitet PDEMAND(t) als Ausgangssignal ab, das den Leistungspegel wiedergibt, der erforderlich ist, um die heisseste vorhergesagte Temperatur auf oder ungefähr auf TSET zu halten. Wie zuvor gesagt, ist ein Satz von Daten, die eine Lösung basierend auf allen gewünschten Eingangssignalen enthalten, erforderlich, um das neurale Netzwerk der Vorhersageschaltungs 201 zu trainieren, um die Eingangssignale zu verarbeiten und das gewünschte Ausgangssignal mit der kleinsten Fehlergröße zu erhalten.
  • (e) Fuzzy-Logik-Regelung
  • 12 zeigt eine andere Ausführungsform der ersten Verarbeitungsstufe 56, die PDEMAND unter Verwendung der Prinzipien einer Fuzzy-Logik-Steuerung bzw. -Regelung ableitet. Bei dieser Ausführungsform umfasst die erste Verarbeitungsstufe 56 einen Fuzzifier 202, der als Eingangssignale die Temperatursignale TM(t) vom Sensor 30 erhält. Der Fuzzifier 202 erhält auch das Signal TSET entweder als konstanten Wert oder als einen sich über die Zeit ändernden Wert als Eingangssignal. Der Fuzzifier 202 wandelt die TM(t)-Eingangsdaten in Fuzzy-Eingangsdaten basierend auf einer Bezugnahme auf TSET auf einer relativen Basis um. Beispielsweise können die Fuzzy-Eingangssignale das Ausmaß (oder die Anteilsfunktion) bestimmen, zu welchem ein gegebener Wert TM(t) im Vergleich zu TSET "kalt" oder „warm" oder „wärmer" oder „heiß" ist.
  • Diese Fuzzy-Eingangssignale werden durch einen I/O-Mapper 204 geleitet, der sie dadurch in Fuzzy-Ausgangssignale konvertiert, dass er die Eingangssignale in beschreibende Leistungs-Kennzeichnungen übersetzt. Dies wird beispielsweise unter Verwendung linguistischer „Wenn-Dann"-Regeln wie z. B. „Wenn das Fuzzy-Eingangssignal ... ist, dann ist das Fuzzy-Ausgangssignal ..." bewerkstelligt. Alternativ können komplexere Mapping-Matrix-Operatoren verwendet werden.
  • Wenn beispielsweise TM(t) „kalt" ist, dann gibt der I/O-Mapper 204 die beschreibende Kennzeichnung „Largest Positive" ab, um anzuzeigen, dass eine große relative Erhöhung der Leistung erforderlich ist. In entsprechender Weise gibt der I/O-Mapper 204 dann, wenn TM(t) „heiß" ist, die beschreibende Kennzeichnung „Largest Negative" ab, um anzuzeigen, dass eine große relative Verminderung der Leistung erforderlich ist. Die dazwischen liegenden Fuzzy-Eingangssignale „warm" und „wärmer" erzeugen dazwischen liegende beschreibende Kennzeichnungen als Fuzzy-Ausgangssignale, wie z. B. „Smallest positive" und „Smallest negative".
  • Diese Fuzzy-Ausgangssignale werden durch einen Defuzzifier 206 geleitet. Der Defuzzifier 206 erhält auch das Signal der tatsächlichen Leistung P(t) als Eingangssignal, da sich die Fuzzy-Ausgangssignale auf Änderungen in P(t) beziehen. Basierend auf P(t) und den auf der Basis der Fuzzy-Ausgangssignale erforderlichen Änderungen leitet der Defuzzifier 206 das Signal PDEMAND(t) ab.
  • Um die Bezugssätze und die Regeln des I/O-Mappers 204 fein abzustimmen, kann es erforderlich sein, dass die Fuzzy-Logik-Regelung vor ihrer Verwendung auf der Basis eines bekannten Datensatzes trainiert wird.
  • B. Zweite Verarbeitungsstufe
  • Bei der gezeigten und bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Verarbeitungsstufe 58 (siehe 5) einen Konverter 112. Der Konverter 112 leitet zum Einstellen der Amplitude der Spannung V(t) basierend auf einem Leistungs-Eingangssignal ein Spannungs-Befehlssignal VDEMAND(t) ab, das der Quelle 48 zugeführt wird, um dadurch P(t) einzustellen. Alternativ könnte der Konverter 112 zum Einstellen der Amplitude des Stroms basierend auf einem Leistungs-Eingangssignal ein Strom-Befehlssignal IDEMAND(t) ableiten, das der Quelle 48 zugeführt wird, wodurch die gleichen Ergebnisse erzielt werden.
  • (i) Leistungs-Absenk-Stufe
  • Bei einer Ausführungsform könnte das Leistungs-Eingangssignal für den Konverter 112 von dem Signal PDEMAND(t) gebildet werden, das vom Leistungsbedarfs-Prozessor 76 abgeleitet wird. Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Verarbeitungsstufe 58 eine Leistungsbedarf-Absenkstufe 94 zwischen dem Leistungsbedarfs-Prozessor 76 und dem Konverter 112. Die Leistungs-Absenkstufe 94 erhalt PDEMAND(t) als Eingangssignal und erzeugt ein modifiziertes Leistungsbedarfssignal MPDEMAND(t), wobei eine oder mehrere andere als die existierenden Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Der Konverter 112 erhält MPDEMAND(t) als sein Eingangssignal.
  • Insbesondere überwacht die Leistungs-Absenk-Stufe 94 gewisse Arbeitsbedingungen der Elektrode. Die Leistungs-Absenk-Stufe 94 vergleicht die überwachten Bedingungen mit vorausgewählten Kriterien für den zweiten Arbeitszustand und erzeugt ein Fehlersignal, wenn der zweite Arbeitszustand die vorausgewählten Kriterien verfehlt. In Reaktion auf das Fehlersignal modifiziert die Leistungs-Absenk-Stufe 94 das Signal PDEMAND(t) in nicht-linearer Weise, um MPDEMAND(t) auf einen vorgeschriebenen niedrigen Leistungsbedarfs-Ausgangswert PLOW zu setzen. In Abwesenheit des Fehlersignals behält die Leistungs-Absenk-Stufe 94 den Wert von PDEMAND(t) als Wert von MPDEMAND(t) bei.
  • Der Wert von PLOW wird so gewählt, dass er größer als 0 aber vorzugsweise unter dem Leistungspegel liegt, bei dem eine Gewebeabtragung auftritt. Bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist PLOW ungefähr 1 Watt.
  • Die Leistungs-Absenk-Stufe 94 setzt den Wert von MPDEMAND(t) in nicht-linearer Weise auf den Wert von PDEMAND(t) zurück, sobald die Arbeitsbedingungen, die zu dem Leistungs-Absenk-Modus führen, aufhören.
  • Bei dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel reagiert die Leistungs-Absenk-Stufe 94 auf vorgeschriebene Leistungs- oder Temperaturzustände bzw. Werte. 8 zeigt schematisch eine bevorzugte Realisierungsform der Leistungs-Absenk-Stufe 94.
  • Die Leistungs-Absenk-Stufe 94 umfasst Mikroschalter 108 und 110. Der Mikroschalter 108 erhält als Eingangssignal das Signal PDEMAND(t) von dem Leistungsbedarfs-Prozessor 76 (siehe auch 5). Der Mikroschalter 110 erhält als Eingangssignal den Wert von PLOW. Eine Ausgangsleitung 114 verbindet den Konverter 112 in Parallelschaltung mit den Ausgängen der Schalter 108 und 110.
  • Die Leistungs-Absenk-Stufe umfasst auch drei Komparatoren 114, 116 und 118. Jeder Komparator 114, 116 und 118 steuert unabhängig die Mikroschalter 108 und 110 unter Berücksichtigung unterschiedlicher Arbeitszustände.
  • In der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform (siehe 8) sind die Ausgänge der Komparatoren 114, 116 und 118 mit dem ODER-Gatter 122 verbunden. Eine Ausgangsschaltleitung S führt zum Mikroschalter 108, während eine negierende Schaltleitung SNEG zum Mikroschalter 110 führt. Liefert keiner der Komparatoren 114, 116 und 118 ein Fehlersignal (wenn alle Arbeitszustände die vorgeschriebenen Kriterien erfüllen), so gilt S = 1 (wodurch der Schalter 108 geschlossen wird) und SNEG = 0 (wodurch der Schalter 110 geöffnet wird). Gibt irgend einer der Komparatoren 114, 116 und 118 ein Fehlersignal ab (wenn zumindest ein Betriebszustand das vorgeschriebene Kriterium verfehlt) so gilt S = 0 (wodurch der Schalter 108 geöffnet wird) und SNEG = 1 (wodurch der Schalter 110 geschlossen wird).
  • (a) Basierend auf maximalen Leistungswerten
  • Das Ausgangssignal des Komparators 114 berücksichtigt die vorgeschriebenen maximalen Leistungswerte. Der Komparator 114 empfängt laufend das momentane Leistungssignal P(t) an seinem „+"-Eingang und einen vorgeschriebenen maximalen Leistungswert PMAX an seinem inversen oder „–„Eingang.
  • Bei dieser Realisierungsform vergleicht der Komparator 114 das Signal P(t) mit dem vorgeschriebenen maximalen Leistungswert PMAX. Ein fehlerfreier Zustand liegt vor, wenn gilt P(t) < PMAX. In diesem Zustand hält der Komparator 114 den Mikroschalter 108 geschlossen und den Mikroschalter 110 geöffnet. Bei diesem Zustand lässt der Mikroschalter 108 den Wert von PDEMAND(t)als Ausgangssignal MPDEMAND(t) durch.
  • Ein Fehlerzustand liegt vor, wenn gilt P(t) ≥ PMAX. Bei diesem Zustand öffnet der Komparator 114 den Mikroschalter 108 und schließt den Mikroschalter 110. In diesem Zustand blockiert der Mikroschalter 108 das Hindurchgehen des Wertes von PDEMAND(T) und PLOW wird das Ausgangssignal MPDEMAND(t): Tatsächlich vermindert dann, wenn P(t) ≥ PMAX ist, die Stufe 94 das Signal PDEMAND(t) auf PLOW in einer augenblicklichen, nicht-linearen Weise.
  • Der Wert von PMAX kann entsprechend den speziellen Anforderungen des Abtragungsverfahrens variieren. Der Generator 12 kann als Teil seiner Gesamtschnittstelle 13 eine Schnittstelle 96 für den Arzt umfassen, um PMAX auszuwählen und einzustellen (siehe auch 1). Für eine Abtragung von Herzgewebe wird angenommen, dass PMAX im Bereich von ungefähr 50 Watt bis ungefähr 200 Watt liegen sollte, wobei PMAX anwächst, wenn der Oberflächenbereich der Abtragungselektrode anwächst.
  • Wie 9 zeigt, kann der Wert von PMAX auch nicht durch direkte Leistungs-Eingabe-Einstellungen durch den Arzt sondern durch die physikalischen und/oder funktionalen Merkmale der verwendeten Abtragungselektrode oder beides eingestellt werden.
  • Die physikalischen und/oder funktionalen Merkmale der Abtragungselektrode können den Oberflächenbereich, die Elektroden-Konfiguration, die Ausrichtung der Elektrode und die Feldverteilungs-Eigenschaften der Elektrode umfassen. Beispielsweise kann üblicherweise erwartet werden, dass eine Elektrode mit einem kleineren Oberflächenbereich mit niedrigeren Leistungs-Voreinstellungen betrieben wird.
  • Die Relationen zwischen dem Elektrodentyp und PMAX können durch empirische Versuche ermittelt werden. Die Versuchsergebnisse können in eine Nachschlagetabelle 102 für die Leistungskriterien überfragen werden, die in dem Festwertspeicher des Generators 12 enthalten ist (wie 9 zeigt).
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leistungs-Absenk-Stufe 94 ein Register 98 zum automatischen Einstellen von PMAX basierend auf den in die Nachschlagetabelle 102 übertragenen Leistungs-Kriterien.
  • Das Register 98 umfasst einen Eingang 100 (der Teil der Gesamtschnittstelle 13 des Generators ist, wie 1 zeigt) damit der Arzt den Typ der verwendeten Elektrode eingeben kann. Basierend auf der Leistungs-Kriterien-Tabelle 102 legt dann das Register 98 PMAX in der zweiten Verarbeitungsstufe 58 automatisch fest.
  • Alternativ kann (wie 9 ebenfalls zeigt) der Katheter 14 selbst Mittel zum automatischen Erzeugen eines Identifizierungssignals umfassen, das den Elektrodentyp darstellt, wenn der Katheter 14 mit dem Generator 12 verbunden wird. Das Signal identifiziert in eindeutiger Weise die speziellen physikalischen und/oder Verhaltensmerkmale der angeschlossenen Elektrode 16.
  • Bei dieser Anordnung fragt ein Datenerfassungselement 106 das Identifikationssignal des Katheters 14 ab und liest es ein, um den Elektrodentyp zu identifizieren. Das Element 106 tritt dann mit der Nachschlagetabelle 102 in Verbindung, um über das Register 98 PMAX automatisch festzulegen.
  • Die Mittel zum automatischen Erzeugen des Elektrodentyp-Identifizierungssignals können verschieden sein. 10 zeigt eine bevorzugte Anordnung.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Katheter-Handgriff 20 einen Widerstand R, der einen vorgegebenen Ohm-Wert besitzt. Der Ohm-Wert von R stellt die Summe des Eichwiderstandswertes RCAL (wie oben beschrieben) und eines ausgewählten Zusatz-Widerstandswertes RI dar. Der Eichwiderstandswert RCAL ist ein fester Wert, der vom Thermistor 34 abhängt, den der Katheter 14 enthält. Die Größe des Zusatz-Wertes RI variiert in vorbestimmten Inkrementen in Abhängigkeit vom Elektrodentyp.
  • Beispielsweise ist einer Elektrode vom Typ 1 ein Zusatzwert RI von 5000 Ohm; einer Elektrode vom Typ 2 ein Zusatzwert RI von 10.000 Ohm und einer Elektrode vom Typ 3 ein Zusatzwert RI von 15.000 Ohm zugeordnet usw.
  • Nimmt man einen festen Eichwiderstandswert RC für den verwendeten Thermistor 34 von 4000 Ohm an, dann enthält der Handgriff 20 für eine Elektrode vom Typ 1 einen Widerstand R von 9000 Ohm (4000 Ohm Eichwiderstandswert RC plus 5000 Ohm Zusatz-Widerstandswert RI); der Handgriff 20 für eine Elektrode vom Typ 2 enthält einen Widerstand R von 14.000 Ohm (4000 Ohm Eichwiderstandswert RC plus 10.000 Ohm Zusatz-Widerstandswert RI); und der Handgriff 20 für eine Elektrode vom Typ 3 enthält einen Widerstand R von 19.000 Ohm (4000 Ohm Eichwiderstandswert RC plus 15.000 Ohm Zusatz-Widerstandswert RI).
  • Eine Nachschlagetabelle 104 in dem Datenerfassungselement 106 (in 9 dargestellt) speichert den festen Wert RCAL des Eichwiderstandes, den Bereich der Zusatz-Widerstandswerte RI, die den identifizierten Elektrodentypen entsprechen, und ihre Summe (die der Wert des Widerstandes R ist, den das System tatsächlich misst).
  • Wenn die Verbindung mit dem Generator 12 hergestellt wird, misst das Element 106 den gesamten Ohmwert des Widerstandes R im Handgriff 20. Das Element 106 nimmt Bezug auf die Nachschlagetabelle 104. In der Nachschlagetabelle 104 identifiziert ein gemessener Gesamtwiderstandswert R von weniger als 10.000 Ohm eine Elektrode vom Typ 1; ein gemessener Gesamtwiderstandswert R von 10.000 Ohm bis 15.000 Ohm identifiziert eine Elektrode vom Typ 2 und ein gemessener Gesamtwiderstandswert R, der von mehr als 15.000 Ohm bis zu 20.000 Ohm reicht, identifiziert eine Elektrode vom Typ 3.
  • Das Element 106 nimmt dann Bezug auf die Leistungs-Kriterien-Nachschlagetabelle 102, um den entsprechende Leistungswert zu erhalten. Das Register 98 legt automatisch den Wert PMAX in der Leistungs-Absenk-Stufe 94 fest.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf die Nachschlagetabelle 104 subtrahiert das Datenerfassungselement 106 den bekannten Zusatzwert für den identifizierten Elektrodentyp. Auf diese Weise leitet der Generator 12 auch den Wert des Eichwiderstandswertes RCAL für den Thermistor 34 ab. Wie bereits beschrieben (und wie 5 zeigt) verarbeitet die erste Verarbeitungsstufe 56 den Eichwiderstandswert und den gemessenen Widerstandswert des Thermistors, um die Temperatur TM(t) abzuleiten, wie dies zuvor beschrieben wurde.
  • Bei einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der Handgriff statt des Widerstandes R einen Festkörper-Mikrochip, einen Festwertspeicher (ROM), einen elektrisch löschbaren Festwertspeicher (EEROM), einen elektrisch reprogrammierbaren Festwertspeicher (EPROM) oder einen nicht-flüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) umfassen.
  • Der Mikrochip kann mit digitalen Werten vorprogrammiert sein, die den Eichwiderstandswert für den Thermistor 34 (oder die Eichwiderstandswerte für mehrere Thermistoren) und den geeigneten Wert darstellen, der den Elektrodentyp wiedergibt. Bei dieser Anordnung gibt der Mikrochip diese Werte an das Register 98 ab, wenn er von dem Datenerfassungselement 106 abgefragt wird.
  • (b) Basierend auf Werten für die maximale absolute Temperatur
  • Das Ausgangssignal des Komparators 116 reagiert auf vorgeschriebene, maximale absolute Temperaturwerte. Der Komparator 116 erhält an seinem „+"-Eingang den Temperaturwert TPRED(t) vom Temperatur-Vorhersage-Prozessor 70. Der Komparator 116 empfängt an seinem inversen oder „–„-Eingang einen vorgeschriebenen Maximaltemperaturwert TMAX.
  • Bei dieser Realisierungsform vergleicht der Komparator 116 TPRED(t) mit dem vorgegebenen Maximaltemperaturwert TMAX. Ein fehlerfreier Zustand liegt vor, wenn TPRED(t) < TMAX ist. Bei diesem Zustand hält der Komparator 116 den Mikroschalter 108 geschlossen und den Mikroschalter 110 geöffnet. In diesem Zustand lässt der Mikroschalter 108 den Wert von PDEMAND(t) als Ausgangssignal MPDEMAND(t) durch.
  • Ein Fehlerzustand liegt vor, wenn TPRED(t) ≥ TMAX ist. In diesem Zustand hält der Komparator 116 den Mikroschalter 108 geöffnet und den Mikroschalter 110 geschlossen. In diesem Zustand blockiert der Mikroschalter 108 den Durchgang des Wertes von PDEMAND(t) und PLOW wird das Ausgangssignal MPDEMAND(t). Tatsächlich vermindert dann, wenn TPRED(t) ≥ TMAX ist, die Stufe 94 das Signal PDEMAND(t) auf PLOW in einer augenblicklich wirksamen, nicht-linearen Weise.
  • Der Wert von TMAX kann auf verschiedene Weisen vorgegeben werden. Er kann beispielsweise ein ausgewählter Absolutwert sein, den der Arzt eingibt. Es wird angenommen, dass für die Abtragung von Herzgewebe der Wert von TMAX im Bereich von 80°C bis 95°C liegt, wobei ein bevorzugter repräsentativer Wert ungefähr 90°C ist.
  • (c) Basierend auf inkrementalen Temperaturwerten
  • Das Ausgangssignal des Komparators 118 reagiert auf vorgeschriebene inkrementale Temperaturwerte TINCR basierend auf TSET in folgender Weise: TINCR = TSET + INCR wobei INCR ein vorgewähltes Inkrement ist.
  • Der Wert von INCR kann ebenso, wie TSET entsprechend der Beurteilung des Arztes und aufgrund empirischer Daten variieren. Es wird angenommen, dass ein repräsentativer Wert von INCR für die Abtragung von Herzgewebe im Bereich von 2°C bis 8°C liegt, wobei ein bevorzugter repräsentativer Wert ungefähr 5°C ist.
  • Der Komparator 118 empfängt an seinem „+"-Eingang ähnlich wie der Komparator 116 den Temperaturwert TPRED(t) vom Temperatur-Vorhersageprozessor 70. Der Komparator 118 empfängt an seinem inversen oder „–„-Eingang den vorgeschriebenen inkrementalen Temperaturwert TINCR.
  • Bei dieser Realisierungsform vergleicht der Komparator 116 das Signal TPRED(t) mit dem vorgeschriebenem inkrementalen Temperaturwert TINCR. Ein fehlerfreier Zustand liegt vor, wenn TPRED(t) < TINCR ist. In diesem Zustand hält der Komparator 118 den Mikroschalter 108 geschlossen und den Mikroschalter 110 geöffnet. In diesem Zustand lässt der Mikroschalter 108 den Wert des Signals PDEMAND(t) als Ausgangssignal MPDEMAND(t) durch.
  • Ein Fehlerzustand liegt vor, wenn TPRED(t) ≥ TINCR ist. In diesem Zustand hält der Komparator 116 den Mikroschalter 108 geöffnet und den Mikroschalter 110 geschlossen. In diesem Zustand blockiert der Mikroschalter 108 das Hindurchgehen des Wertes des Signals PDEMAND(t) und PLOW wird das Ausgangssignal MPDEMAND(t). Tatsächlich vermindert die Stufe 94 dann, wenn TPRED(t) ≥ TINCR ist, das Signal) auf PLOW in einer augenblicklich wirksam werdenden, nicht-linearen Weise.
  • (d) Erzeugung der Bedarfs-Spannung
  • Wenn irgend einer der Komparatoren 114, 116 oder 118 den Schalter 108 öffnet und den Schalter 110 schließt (d. h. wenn wenigstens ein Fehlerzustand vorhanden ist), wird PLOW augenblicklich als MPDEMAND(t) eingestellt. In diesem Zustand empfängt der Konverter 112 PLOW als MPDEMAND(t). Wenn keiner der Komparatoren 114, 116 oder 118 den Schalter 108 öffnet und den Schalter 110 schließt, dann erhält der Konverter 112 PDEMAND(t) als MPDEMAND(t).
  • Die Art und Weise, auf die der Konverter 112 der zweiten Verarbeitungsstufe 58 die Spannung VDEMAND(t) zur Einstellung von P(t) erzeugt, kann unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Konverter 112 Prinzipien der Proportional-Regelung, der Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regelung, eines neuralen Netzwerkes, der Fuzzy-Logik oder der adaptiven Regelung verwenden.
  • Bei einer Realisierungsform verwendet der Konverter 112 bekannte PID-Prinzipien, um VDEMAND(t) abzuleiten. Bei dieser Realisierungsform vergleicht der Konverter 112 das Signal MPDEMAND(t) mit dem die abgegebene Leistung darstellenden Signal P(t), das er vom Multiplizierer 60 erhält. Bei dieser Realisierungsform berücksichtigt der Konverter 112 auch die über die Zeit hinweg erfolgenden Änderungen des die abgegebene Leistung darstellenden Signals P(t). Basierend auf diesen Überlegungen leitet der Konverter 112 der zweiten Verarbeitungsstufe 58 das Bedarfs-Spannungssignal VDEMAND ab.
  • Alternativ kann der Konverter 112 Proportional-Regelprinzipien verwenden, um das Signal MPDEMAND(t) direkt in das Bedarfs-Spannungssignal VDEMAND(t) in folgender Weise umzuwandeln:
    Figure 00270001
    wobei Z(t) die gemessene Impedanz des Systems und VDEMAND(t) der RMS-Wert der Ausgangsspannung ist.
  • (e) Überwachung der Impedanz
  • Für diesen und andere Zwecke umfasst der Generator 12 vorzugsweise einen Impedanz-Mikroprozessor 88. Der Impedanz-Mikroprozessor 88 empfängt das den momentanen Strom darstellende Signal I(t) und das die momentane Spannung darstellende Signal V(t) von den Messtransformatoren 62 und 64, die bereits beschrieben wurden. Der Mikroprozessor 88 leitet die Impedanz Z(t) (in Ohm) nach folgender Gleichung ab:
  • Figure 00270002
  • Vorzugsweise umfasst der Generator 12 eine Anzeigeeinheit 90 als Teil seiner Gesamtschnittstelle 13, um die gemessene Impedanz Z(t) anzuzeigen (siehe auch 1).
  • Der Mikroprozessor 88 führt auch vorzugsweise ein Verzeichnis der über die Zeit hinweg gemessenen Impedanzen Z(t). Aus diesen Aufzeichnungen berechnet der Mikroprozessor die Änderungen der Impedanz während eines ausgewählten Intervalls und er erzeugt geeignete Steuersignale basierend auf vorbestimmten Kriterien. Selbst dann, wenn die Leistungs-Absenk-Stufe 94 PDEMAND(t') auf PLOW setzt, um die Gewebeabtragung zu unterbrechen, dient der Mikroprozessor immer noch dazu, kontinuierlich Z(t) für die unten erläuterten Zwecke zu berechnen.
  • Wenn beispielsweise die gemessene Impedanz aus einem vorbestimmten eingestellten Bereich herausfällt, erzeugt der Mikroprozessor 88 ein Befehlssignal, um die Leistungszufuhr zur Abtragungselektrode 16 abzuschalten. Der eingestellte Bereich für die Impedanz für eine Abtragung von Herzgewebe sollte im Bereich von ungefähr 50 bis 300 Ohm liegen.
  • Wenn die Impedanz im eingestellten Bereich beginnt und über die Zeit hinweg über ihn hinaus anwächst, dann ist die wahrscheinlichste Ursache hierfür eine Koagulations-Ausbildung an der Abtragungselektrode 16. Ein plötzlicher Anstieg der Impedanz über den eingestellten Bereich hinaus deutet auf das plötzliche Ansetzen einer Koagulations-Ausbildung oder eine plötzliche Verschiebung der Position der Abtragungselektrode 16 hin. Schnelle Schwankungen der Impedanz könnten auch auf einen schlechten Kontakt zwischen der Abtragungselektrode 16 und dem Zielgewebe hindeuten. Alle diese Vorkommnisse erfordern eine prompte Reaktion; beispielsweise ein Herausziehen und Reinigen der Abtragungselektrode 16 oder eine neue Positionierung der Abtragungselektrode 16.
  • Der Generator 12 umfasst vorzugsweise optische und akustische Alarmeinrichtungen 92 als Teil seiner Gesamtschnittstelle 13 (siehe auch 1), um dem Verwender eine Warnung zu vermitteln, wenn diese Impedanz bezogenen Zustände auftreten.
  • Ein sehr hoher Impedanzwert könnte auf einen schlechten Hautkontakt der indifferenten Elektrode 18 oder ein elektrisches Problem im Generator 12 hinweisen. Auch dies erfordert wieder eine sofortige Korrektur.
  • (f) Fehler-Abschaltmodus
  • Die Leistungs-Absenk-Stufe 94 vermindert basierend auf vorgeschriebenen momentanen hohen Leistungs- oder hohen Temperaturwerten die Leistung sehr schnell aber schaltet sie nicht ab. Bei dem erläuterten und bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Verarbeitungsstufe 58 auch eine Fehler-Abschaltstufe 128. Die Fehler-Abschaltstufe 128 reagiert auf das über eine eingestellte Zeitperiode hinweg anhaltende Vorhandensein eines vorgegebenen Übertemperatur-Wertes oder von Zuständen bzw. Werten, die für einen bereits vorhandenen oder sich entwickelnden Systemausfall kennzeichnend sind. Die Fehler-Abschaltstufe 128 schaltet die gesamte Leistungszufuhr zur Elektrode 16 völlig ab. Die Fehler-Abschaltstufe 128 kann getrennt vom oder gemeinsam mit dem Leistungs-Absenkmodus arbeiten.
  • Beispielsweise wird so lange, wie TPRED(t) den Wert TSET um weniger als INCR übersteigt, die Leistungs-Absenk-Stufe 94 nicht getriggert, um PLOW zu setzen. Wenn jedoch diese Übertemperatur-Situation für mehr als eine vorgeschriebene Zeitspanne (beispielsweise 2 bis 5 Sekunden) anhält, kann die zweite Verarbeitungsstufe 58 so ausgestaltet sein, dass sie einen vorhandenen oder sich entwickelnden Systemfehler annimmt und eine Leistungs-Abschaltung vornimmt.
  • Gemäß einem anderen Beispiel wird dann, wenn TPRED ≥ TMAX oder TINCR ist, die Leistungs-Absenk-Stufe 94 getriggert, um PLOW einzustellen. Wenn diese Übertemperatur-Situation während der Leistungs-Absenk-Zustände für eine vorgeschriebene Zeitdauer (beispielsweise 2 bis 5 Sekunden) weiterhin anhält, kann die zweite Verarbeitungsstufe 58 so ausgebildet werden, dass sie einen bereits vorhandenen oder sich entwickelnden Systemfehler annimmt und eine Leistungs-Abschaltung vornimmt.
  • Der Generator 12 sorgt in der beschriebenen Weise für eine Steuerung bzw. Regelung des Abtragungsprozesses. Die Überwachung und Regelung der Leistung stellen die ef fektive Abgabe von Hochfrequenz-Energie an die Abtragungselektrode 16 sicher und legen gleichzeitig sichere physiologische Grenzen fest.
  • Der Generator 12 kann auch einen alternativen Steuerungsmodus umfassen, der auf der Leistung basiert. In diesem Modus versucht der Generator 12 einen eingestellten Leistungswert unabhängig von den gemessenen Temperaturwerten aufrechtzuerhalten. Der Generator 12 kann beispielsweise auf den Leistungs-Steuerungsmodus umschalten, wenn die verwendete Elektrode 16 kein Temperatur-Messelement 30 trägt oder durch Auswahl durch den Arzt selbst dann, wenn die Elektrode 16 ein Temperatur-Messelement 30 besitzt.
  • Die erläuterten und bevorzugten Ausführungsformen sehen die Verwendung von Mikroprozessor-gesteuerten Komponenten unter Verwendung einer digitalen Verarbeitung zur Analyse der Information und Erzeugung von Rückkopplungssignalen vor. Es sei darauf hingewiesen, dass andere logische Steuerschaltungen, die Mikroschalter, UND/ODER-Gatter, Inverter und dergleichen verwenden, den Mikroprozessor-gesteuerten Komponenten und Verfahrensweisen äquivalent sind, die für die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden.
  • Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen niedergelegt.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zum Zuführen von Energie zu einer Elektrode (16) zum Abtragen von Gewebe, die folgende Bestandteile umfasst: ein erstes Element (70), das dazu dient, einen Temperaturzustand der Elektrode (16) zu überwachen und hieraus einen vorhergesagten Temperaturwert für einen zukünftigen Zeitpunkt VD abzuleiten, ein Verarbeitungselement (76) zum Vergleichen des abgeleiteten vorhergesagten Temperaturwertes VD mit einem im Voraus ausgewählten Temperatur-Sollwert VS zur Erzeugung eines Fehlersignals Δ, wobei: Δ = VS – VD gilt, undein Ausgabeelement (58) zum Ausgeben eines Befehlssignals SCOMMAND zum Einstellen der Leistung für die Elektrode (16) oberhalb eines Nullwertes, wodurch die Leistung ohne Unterbrechung aufrechterhalten wird, wobei gilt: SCOMMAND = f(Δ)wobei feine nicht-lineare Funktion ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der gilt: SCOMMAND = f(Δ1, Δ2, Δ3, .... ΔN)wobei feine nicht-lineare Funktion von N Variablen ist, die das Verarbeitungselement (76) beschreibt, und wobei Δ1, Δ2, Δ3, ..., ΔN die Werte des Fehlersignals Δ zu N verschiedenen Zeitpunkten sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der VS über die Zeit hinweg im Wesentlichen konstant bleibt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich VS zumindest einmal als Funktion der Zeit ändert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin folgende Bestandteile umfasst: einen Generator (48), der geeignet ist, elektrisch mit der Elektrode (16) verbunden zu werden, um der Elektrode (16) Energie zum Abtragen von Gewebe zuzuführen, und eine Steuerung, die mit dem Generator (48) verbunden ist, um dem Generator (48) Leistung zuzuführen, wobei die Steuerung das erste Element (70), das Verarbeitungselement (76) und das Ausgabeelement (58) umfasst, wobei das Ausgabeelement (58) die der Elektrode (16) zugeführte Leistung gemäß dem folgenden Ausdruck inkrementell einstellt: ΔP = g(SSCALE × Δ)wobei: ΔP die inkrementale Leistungseinstellung, g eine mathematische Funktion und SSCALE ein nicht-linearer Skalierungsfaktor ist, der gleich einem ersten Wert X ist, wenn Δ > Z gilt und gleich einem zweiten Wert Y ist, der von X verschieden ist, wenn Δ < Z gilt, wobei Z ein gewünschtes Δ ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der gilt: Y > X.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der Z = 0 ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das erste Element (70) ein Sensorelement (30) zum Messen der Temperatur an der Elektrode (16) umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das erste Element (70) Änderungen der Temperatur über die Zeit überwacht, die von dem Sensorelement (30) gemessen werden, um VD abzuleiten.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der VD eine Temperaturvorhersage für einen zukünftigen Zeitpunkt umfasst, die von einer oder mehreren Temperaturen abgeleitet ist, die vom Sensorelement (30) gemessen werden.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der VS über die Zeit hinweg im Wesentlichen konstant bleibt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der sich VS zumindest einmal als Funktion der Zeit ändert.
  13. Vorrichtung zum Zuführen von Energie zu einer Elektrode (16) zum Abtragen von Gewebe, die folgende Bestandteile umfasst: einen Generator (48), der geeignet ist, elektrisch mit der Elektrode (16) verbunden zu werden, um der Elektrode (16) Energie zum Abtragen von Gewebe zuzuführen, und eine Steuerung, die mit dem Generator (48) verbunden ist, um dem Generator (48) Leistung zuzuführen, wobei die Steuerung folgende Bestandteile umfasst: erste Abtastmittel (70) zum Überwachen der Betriebsbedingungen, und ein erstes Verarbeitungselement (76) zum Ableiten eines Leistungs-Steuerungssignals SDERIVED basierend auf einem ersten Temperaturzustand, der von den ersten Abtastmitteln (70) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin folgende Bestandteile umfasst: ein zweites Verarbeitungselement (94) zum Vergleichen eines zweiten Betriebszustandes, der von den ersten Abtastmitteln (70) überwacht wird, mit vorausgewählten Kriterien für den zweiten Betriebszustand und zum Erzeugen eines Fehlersignals (E) wenn der zweite Betriebszustand die vorausgewählten Kriterien nicht erfüllt, und ein Ausgabeelement (58) zum Abgeben eines Befehlssignals SCOMMAND zum Einstellen der dem Generator (48) zugeführten Leistung, wobei dann, wenn das Fehlersignal (E) nicht vorhanden ist, SCOMMAND die Leistung gemäß SDERIVED einstellt und, wobei dann, wenn das Fehlersignal (E) erzeugt wird, SCOMMAND die Leistung unabhängig von SCOMMAND auf einen vorgeschriebenen niedrigen Leistungszustand (PLOW) einstellt, wobei PLOW ein Wert größer Null ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiterhin folgende Bestandteile umfasst: zweite Abtastmittel (88) zum Ableiten der Impedanz, wobei PLOW ein Wert über Null ist, um das Ableiten der Impedanz durch die zweiten Abtastmittel (88) zu ermöglichen.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der der zweite überwachte Betriebszustand eine Messung der Leistung umfasst, die an den Generator (48) geliefert wird, und wobei die vorausgewählten Kriterien einen festgelegten maximalen Leistungswert umfassen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der der zweite überwachte Betriebszustand eine vorhergesagte Temperatur an der Elektrode (16) umfasst, und bei der die vorausgewählten Kriterien einen festgelegten maximalen Temperaturwert umfassen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der der zweite überwachte Betriebszustand eine vorhergesagte Temperatur an der Elektrode (16) umfasst, und wobei die vorausgewählten Kriterien einen festgelegten eingestellten Temperaturwert umfassen, der durch einen festgelegten inkrementalen Wert eingestellt ist.
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