SCHALL, Heiko (Im Wiesengrund 24, Nürtingen, 72622, DE)
FRITZ, Martin (Herrenberger Str. 39, Tübingen, 72070, DE)
SCHALL, Heiko (Im Wiesengrund 24, Nürtingen, 72622, DE)
| Ansprüche 1. Elektrochirurgiegenerator 2um Behandeln, z.B. Schneiden oder Koagulieren eines biologischen Gewebes, umfassend einen Generatorteil (10), der einen HF-Behandlungsstrom (Ilst) mit einer entsprechend einem Spannungsstellsignal (Usoll) eingestellten HF-Spannung so liefert, dass dem biologischen Gewebe elektrische Energie zuführbar ist; eine Messeinrichtung zum Erfassen des HF-Behandlungsstromes und der HF-Spannung zum Erzeugen eines entsprechenden Stromsignals (i(t)) und eines entsprechenden Spannungssignals (u(t)); - eine Umwandlungseinrichtung, welcher das Stromsignal (i(t)) und das Spannungssignal (u(t)) zugeführt werden und die derart ausgebildet ist, dass aus dem Stromsignal (i(t)) und dem Spannungssignal (u(t)) ein dem Wirkanteil des HF-Behandlungsstromes (Ilst) entsprechendes Wirkstromsignal gebildet wird; - eine Regeleinrichtung, welche das Wirkstromsignal mit einem voreinstellbaren Sollwert (Isoll) vergleicht und auf Grundlage des Vergleiches das Spannungsstellsignal (Usoll) erzeugt, so dass der Wirkanteil des HF-Behandlungsstromes entsprechend dem Sollwert einstellbar ist. 2. Elektrochirurgiegenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsbegrenzungseinrichtung vorgesehen ist, welche ein Wirkleistung basierend auf dem Strom (i(t)) und dem Spannungssignal (u(t)) feststellt und diese auf einen voreingestellten Wert begrenzt. 3. Elektrochirurgiegenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen ist, welche den Wirkanteil des Behandlungsstromes auf einen voreingestellten Wert begrenzt. 4. Elektrochirurgiegenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dateneingabe- und/oder Speichervorrichtung zur Eingabe und Speichern von Wirkwiderstandsanteilen und/oder Blindwiderstandsanteilen von angeschlossenen chirurgischen Instrumenten (20) und Lasten vorgesehen und mit der Umwandlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Umwandlungseinrichtung zur Einbeziehung der Blindwiderstandsanteile in die Bildung des Wirkanteils des HF- Behandlungsstromes (Iist) ausgebildet ist. 5. Elektrochirurgiegenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung eine Recheneinrichtung umfasst, die das Wirkstromsignal bildet unter Zuhilfenahme einer der folgenden Alternativen: - eines Hilbert-Transformators; - einer diskreten Fourier-Transformation (DFT); - einer schnellen Fourier-Transformation (FFT); - einer Bildung einer mittleren Leistung, über (JVj Abtastwerte: P = ^∑u(k)-i(k) IV 4=1 sowie einer Bildung von Effektivwerten von Spannung und Strom: v4∑«*»2 und eines Leistungsfaktors: P COS^J: Ueff -hff so dass sich das Wirkstromsignal ergibt zu: iwlrk,eff =ieff -COS(P 6. Verfahren zum Regeln einer Ausgangs Spannung eines Elektrochirurgiegenerators, der einen HF-Behandlungsstrom (Ilst) mit einer HF-Spannung zur Behandlung eines biologischen Gewebes liefert, umfassend die Schritte: - Erfassen des HF-Behandlungsstroms und der HF-Spannung und Erzeugen eines entsprechenden Stromsignales (i(t)) und eines entsprechenden Spannungssignales (u(t)); - Bilden eines Wirkanteils des HF-Behandlungsstroms aus dem Stromsignal (i(t)) und dem Spannungssignal (u(t)) und Erzeugen eines entsprechenden Wirkstromsignals; Vergleichen des Wirkstromsignals mit einem voreinstellbaren Sollwert (Isoll) und Erzeugen eines Spannungsstellsignals (Usoll) auf Grundlage des Vergleiches; - Regeln der Ausgangsspannung derart, dass der Wirkanteil des HF- Behandlungsstroms dem Sollwert (Isoll) entspricht. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkstromsignal gebildet wird unter Zuhilfenahme einer der nachfolgenden Alternativen: - einer Hilbert-Transformation; - einer diskreten Fourier-Transformation (DFT); - einer schnellen Fourier-Transformation (FFT); - einer Bildung einer mittleren Leistung, über (N) Abtastwerte: P = —Yu(k)-i(k) sowie einer Bildung von Effektivwerten von Spannung und Strom: und eines Leistungsfaktors: P COS^? : Ueff - hff so dass sich das Wirkstromsignal ergibt zu: (P 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Behandlungsstrom dem Gewebe über ein Inertgas-Plasma zugeführt wird. 9. Verwendung eines Elektrochirurgiegenerators nach einem der Ansprüche 1-5 zur Koagulation von Gewebe mittels eines Inertgas-Plasma-Koagulationsinstrumentes. |
Regeln einer Ausgangsspannung eines elektrochirurgischen Generators und entsprechende Verwendung des Elektrochirurgiegenerators
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Elektrochirurgiegenerator zum Behandeln eines biologischen Gewebes, ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung eines elektrochirurgischen Generators und die Verwendung des besagten Elektrochirurgiegenerators.
Ein bekanntes Problem der Hochfrequenzchirurgie sind die Reproduzierbarkeit und Konstanz der Qualität von Schneide- und/oder Koagulationsvorgängen. Es ist bekannt, dass die Qualität der besagten Vorgänge maßgeblich von der hierzu verwendeten Hochfrequenz Spannung bzw. von der Intensität der elektrischen Lichtbogen zwischen aktiver Elektrode und Gewebe abhängt. Jedoch werden diese Größen bei kontaktlosen Koagulationsverfahren unter anderem vom Abstand des verwendeten Instruments zu dem Gewebe beeinflusst. Daher ist es wünschenswert, eine Koagulationsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, die einen konstanten Lichtbogen unabhängig von der besagten Distanz bereitstellen.
Ein weiteres Problem besteht darin, das Zündverhalten der elektrochirurgischen Geräte zu verbessern. Dies trifft insbesondere für elektrochirurgische Instrumente zu, die ein Edelgas-Plasma erzeugen. Es ist also wünschenswert, ein in bestimmten Grenzen (z. B. 0 mm bis 30 mm) abstandsunabhängiges sicheres Zünden des Plasmas zu gewährleisten. Des Weiteren wird allgemein ein sicherheitsrelevantes Begrenzen des fließenden Stroms gewünscht.
Aus der EP 0 495 140 Bl ist es bekannt, den Wirkanteil des durch einen HF-Generator (Hochfrequenzgenerator) erzeugten Behandlungsstroms mit einem entsprechenden Wirkstromsensor zu erfassen. Eine Stromsteuerungsvorrichtung verarbeitet diese Größe und begrenzt den maximalen Strompegel. In einem weiteren Ausführungsbeispiel schaltet die Stromsteuerungsvorrichtung den HF-Generator ab, wenn der gemessene Strom den eingestellten maximalen Strompegel erreicht oder übersteigt. Durch das Bestimmen des Wirkanteils des Stroms wird sichergestellt, dass unerwünschte Leckströme nicht fälschlicherweise mit berücksichtigt werden, wodurch ein unerwünschtes Abschalten der Vorrichtung verursacht werden könnte.
Aus der DE 25 04 280 ist ein HF-Generator für ein elektrochirurgisches Instrument bekannt, der über eine Steuereinrichtung verfügt, die die Leistung des HF-Generators regelt. Diese Regelung erfolgt auf der Basis der Erfassung eines durch den HF-Behandlungsstrom erzeugten Lichtbogens. Hierfür verfügt die Steuereinrichtung über entsprechende Sensoren.
Aus der WO 00/12019 ist eine Hochfrequenzeinrichtung zur Erzeugung eines Plasmabogens für die Behandlung biologischen Gewebes bekannt. Auch hier wird die Leistung des Generators durch eine Steuereinrichtung, insbesondere durch eine entsprechend ausgelegte Regelschaltung begrenzt. Die Regelschaltung der WO 00/12019 ist ungenau und sehr aufwändig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Elektrochirurgiegenerator zum Behandeln von biologischem Gewebe bereitzustellen. Insbesondere soll ein Elektrochirurgiegenerator bereitgestellt werden, der ein verbessertes Zündverhalten und eine bessere Reproduzierbarkeit der Behandlungsergebnisse aufweist. Des Weiteren sollen ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Verwendung angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch einen Elektrochirurgiegenerator zum Behandeln, zum Beispiel Schneiden oder Koagulieren eines biologischen Gewebes gelöst, umfassend
- einen Generatorteil, der einen HF-Behandlungsstrom mit einer entsprechend einem Spannungsstellsignal eingestellten HF-Spannung so liefert, dass dem biologischen Gewebe elektrische Energie zuführbar ist;
- eine Messeinrichtung zum Erfassen des HF-Behandlungsstromes und der HF-Spannung zum Erzeugen eines entsprechenden Stromsignals und eines entsprechenden Spannungssignals; - eine Umwandlungseinrichtung, welcher das Stromsignal und das Spannungssignal zugeführt werden und die derart ausgebildet ist, dass aus dem Stromsignal und dem Spannungssignal ein dem Wirkanteil des HF- Behandlungsstromes entsprechendes Wirkstromsignal gebildet wird;
- eine Regeleinrichtung, welche das Wirkstromsignal mit einem voreinstellbaren Sollwert vergleicht und auf Grundlage des Vergleiches das Spannungsstellsignal erzeugt,
so dass der Wirkanteil des HF-Behandlungsstromes entsprechend dem Sollwert einstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung sieht also vor, den tatsächlichen Wirkanteil des HF- Behandlungsstroms zu berechnen und anhand dessen eine Einstellung des Spannungsstellsignals vorzunehmen, so dass jeder behebige Sollwert einstellbar und einhaltbar ist. Somit eröffnet sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Zum einen können vorgegebene Koalgulations- oder Schneidemodi, die möglicherweise eine bestimmte Frequenz sowie eine bestimmte Leistung voraussetzen, genau eingehalten werden. Des Weiteren kann der Zündvorgang bei kontaktlosen Koagulationsverfahren wesentlich sicherer gestaltet werden. Die Zündung sowie die mittels des entsprechenden Instruments durchgeführte Behandlung sind unabhängig von der Distanz, die zwischen Gewebe und der Elektrode des Instruments vorhegt.
Der Elektro chirurgiegenerator kann eine Leistungsbegrenzungseinrichtung umfassen, welche eine Wirkleistung basierend auf dem Strom- und dem Spannungssignal feststellt und diese auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Es erfolgt also eine Leistungsbegrenzung abhängig von der Wirkleistung, die entsprechend der Randbedingungen vorhegt. Hierbei werden insbesondere die Distanz zwischen den Elektroden und/oder zwischen der Elektrode und Gewebe, das verwendete Gerät, die Elektrodengröße usw. berücksichtigt.
Der Elektrochirurgiegenerator kann eine Strombegrenzungseinrichtung umfassen, welche den Wirkanteil des Behandlungsstroms auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Vorzugsweise findet also eine Leistungsbegrenzung anhand der Einstellung des Stroms statt. Der Elektrochirurgiegenerator kann eine Dateneingabe- und/oder Speichervorrichtung zur Eingabe und Speicherung von Wirkwiderstandsanteilen und/oder Blindwiderstandsanteilen von angeschlossenen chirurgischen Instrumenten und Lasten umfassen, wobei die Dateneingabe- und/oder Speichervorrichtung mit der Umwandlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Umwandlungseinrichtung zur Einbeziehung der Blindwiderstandsanteile in die Bildung des Wirkanteils des HF- Behandlungsstroms ausgebildet ist.
Somit kann bei der Berechnung des Wirkanteils des HF-Behandlungsstroms die Art des elektrochirurgischen Geräts, insbesondere der spezifische Wirkwiderstandsanteil und/oder Blindwiderstandsanteil berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist es, wenn eine Kombination der Wirkungswiderstandsanteile und Blindwiderstandsanteile gespeichert wird. Des Weiteren können Kabel und Leitungen, die in Verbindung mit den entsprechenden Geräten verwendet werden, und Kabellängen berücksichtigt werden. Physikalische Größen, die in einer derartigen Dateneingabe- und/oder Speichervorrichtung gespeichert werden können, sind: Der Widerstand (R), die Induktivität (L) und die Kapazität (C).
Die Umwandlungseinrichtung kann eine Recheneinrichtung umfassen, die das Wirkstromsignal unter Zuhilfenahme einer der folgenden Alternativen bildet:
- eines Hilbert-Transformators;
- einer diskreten Fourier-Transformation (DFT);
- einer schnellen Fourier-Transformation (FFT);
- einer Bildung einer mittleren Leistung, über (JVJ Abtastwerte:
sowie einer Bildung von Effektivwerten von Spannung und Strom:
■v4 >c*» 2 ; -4if> w)2
und eines Leistungsfaktors:
P
COS^? :
U eff - hff
so dass sich das Wirkstromsignal ergibt zu: iw,rk,eff = i eff - C0S <P
Die Recheneinrichtung kann also das Wirkstromsignal vorteilhaft berechnen. Moderne digitale Signalprozessoren sind derart ausgelegt, dass eine Berechnung der entsprechenden Werte, insbesondere des Wirkstromsignals in Echtzeit geschehen kann. Somit können auch aufwändige Signalverarbeitungsoperationen durchgeführt werden, ohne dass es bei der Regelung des HF-Behand-lungsstroms zu einer Verzögerung kommt. Sowohl die Hilber-Transformation, als auch die Fast-Fourier-Transformation und die besagte Bildung einer mittleren Leistung sind geeignet, den Wirkanteil des HF- Behandlungsstroms effektiv und fehlertolerant zu berechnen. Besonders bei einer Verwendung des Verfahrens zur Berechnung des Wirkstroms über die Effektivwerte kann eine rechnerresourcenschonende Implementierung gewährleistet werden. Das Verfahren benötigt verhältnismäßig wenige Operationen um den Wirkanteil zu bestimmen. So kann eine entsprechende Regelschleife häufiger durchlaufen werden, wodurch eine präzisere, schnellere Regelung des Behandlungsstroms erzielt werden kann.
Des Weiteren wird die besagte Aufgabe durch ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangs Spannung eines elektrochirurgischen Generators gelöst, der einen HF- Behandlungsstrom mit einer HF-Spannung zur Behandlung eines biologischen Gewebes liefert. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Erfassen des HF-Behandlungsstroms und der HF-Spannung und Erzeugen eines entsprechenden Stromsignales und eines entsprechenden Sp annungs sign ale s ; - Bilden eines Wirkanteils des HF-Behandlungsstroms aus dem Stromsignal und dem Spannungssignal und Erzeugen eines entsprechenden Wirkstromsignals;
- Vergleichen des Wirkstromsignals mit einem voreinstellbaren Sollwert und Erzeugen eines Spannungsstellsignals auf Grundlage des Vergleiches;
- Regeln der Ausgangs Spannung derart, dass der Wirkanteil des HF- Behandlungsstroms dem Sollwert entspricht.
Das Verfahren hat ähnliche Vorteile wie die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Das Verfahren kann das Wirkstromsignal unter Zuhilfenahme einer der nachfolgenden Alternativen berechnen:
- einer Hubert- Transformation;
einer diskreten Fourier-Transformation (DFT);
einer schnellen Fourier-Transformation (FFT);
- einer Bildung einer mittleren Leistung über die Bestimmung von Effektivwerten (siehe oben).
Das Verfahren eignet sich besonders dazu, den Behandlungsstrom für Anwendungen mit Plasmagas zu berechnen.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine Verwendung des besagten elektrochirurgischen Generators gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich anhand der Unteransprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einigen Ausführungsbeispielen beschrieben, die mittels Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
- Fig. 1 die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen elektrochirurgischen Geräts; - Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises des elektrochirurgischen
Geräts;
- Fig. 3 ein erstes Verfahren (Hilbertoperation) zur Ermittlung der Wirkleistung und der Blindleistung aus einem Stromsignal und einem Spannungssignal;
- Fig. 4 ein zweites Verfahren (Hilbertoperation) zur Ermittlung der Wirkleistung und der Blindleistung aus einem Stromsignal und einem Spannungssignal;
- Fig. 5 ein drittes Verfahren (FFT) zur Ermittlung der Wirkleistung und der
Blindleistung aus einem Stromsignal und einem Spannungssignal.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines elektrochirurgischen Instruments. Diese umfassen ein Bedienteil 5 zum Aktivieren und Auswählen eines Schneid- und/oder Koagulationsmodus, ein elektrochirurgisches Instrument 20 zum Applizieren eines HF- Behandlungsstroms I lst , einen HF-Generator 10 zum Generieren des HF-Behandlungsstroms I lst , eine Messeinrichtung 50 zum Erzeugen eines Stromsignals i(t) und eines Spannungssignals u(t) aus dem erzeugten HF-Behandlungsstrom I lst und eine Steuereinrichtung 30 zur Steuerung des HF-Generators 10.
Allgemein betrachtet stellt der HF-Generator 10 zu einem Zeitpunkt t einen Behandlungsstrom I lst mit einer Ist-Spannung U )St bereit, mit der das elektrochirurgische Instrument 20 betrieben wird. Aus diesem Wert ermittelt die Messeinrichtung 50 die für diese Scheinleistung S charakteristischen Stromsignale i(t) und Spannungssignale u(t). Die Steuereinrichtung 30 verarbeitet das Stromsignal i(t) und das Spannungssignal u(t) sowie die Bedienersignale IN, die der Benutzer des elektrochirurgischen Instruments 20 mit dem Bedienteil 5 eingibt. Anhand dieser Signale ermittelt die Steuereinrichtung 30 entsprechende Steuersignale D(t), auf Grund derer der HF-Generators 10 eingestellt wird. Diese Steuersignale D(t) umfassen ein Spannungsstellsignal U soU . Um eine angemessene Steuerung des HF-Generators 10 zu ermöglichen, umfasst die Steuereinrichtung 30 einen Prozessor, der dazu ausgelegt ist, verschiedene Operationen zur Signalverarbeitung des Stromsignals i(t) und des Spannungssignals u(t) durchzuführen, sowie eine entsprechende Speichereinrichtung, die es ermöglicht, Ergebnisse und/oder Einstellungen und/oder weitere Daten kurzfristig oder dauerhaft zu speichern. Die Steuereinrichtung 30 ist also unter anderem dazu ausgelegt, den weiter unten beschriebenen Regler 31 und einen entsprechenden Regelkreislauf zu implementieren.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Regelkreislauf, der bei einer erfindungsgemäßen Steuerung des HF-Generators 10 angewandt wird. Der HF-Generator 10 betreibt ein monopolares elektrochirurgisches Instrument 20, das über eine erste Leitung mit diesem verbunden ist. Das elektrochirurgische Instrument 20 umfasst eine erste Elektrode 21 zur Applikation eines HF-Behandlungsstroms I ist . Die zweite Elektrode 22, die ebenfalls über eine Leitung mit dem HF-Generator 10 verbunden ist, liegt unmittelbar an dem zu behandelnden Gewebe 1 an. Es handelt sich um eine Neutralelektrode, die einen großflächigen Kontakt mit dem zu behandelnden Gewebe 1 bzw. dem Körper des Patienten herstellt.
In einem Durchlauf des Regelkreislaufs wird durch das Bedienteil 5 ein Sollwert des Wirkstroms I soU vorgegeben. Ein Regler 31 ermittelt mittels eines Komparators oder eines Fehlerverstärkers 34 aus diesem Sollwert des Wirkstroms I so „ und einem Wirkstrom I wirk ein Spannungsstellsignal U solI . Der HF-Generator 10 legt eine entsprechende Spannung an die Elektroden 21, 22 an. Es ergibt sich ein Behandlungsstrom I ist . Die Messeinrichtung 50 greift das Stromsignal i(t) und das Spannungssignal u(t) ab und ermittelt mittels einer Wirkstromberechnungseinheit 33 einen Wirkstrom I wirk . Der Wirkstrom I W)tk wird, wie bereits erwähnt, in dem besagten Fehlerverstärker 34 mit dem eingestellten Sollwert des Behandlungsstrom I soll verglichen und in ein entsprechendes Spannungsstellsignal U soI1 umgewandelt. Dieses Spannungsstellsignal U soll wird, wie bereits beschrieben, dem HF- Generator 10 zugeführt. Es ergibt sich also eine Regelschleife, die fortlaufend aus dem HF-Behandlungsstrom I 151 . den Wirkstrom I wirk bestimmt und das Spannungsstellsignal U son derart einstellt, dass der Differenzbetrag zwischen dem Wirkstrom I wirk und dem Sollwert des Wirkstroms I soll möglichst gering ist.
Ein wesentlicher Teil der vorhegenden Erfindung besteht darin, den Wirkstrom I wltk oder etwas allgemeiner formuliert das Verhältnis zwischen Wirkleistung P und Blindleistung Q des vorher beschriebenen Systems genau und fehler tolerant zu bestimmen. Hierfür werden im Folgenden vier unterschiedliche Verfahren angegeben.
Die Berechnung des Wirkstroms I wirk führt zunächst über die Bildung eines Leisungsfaktors cos φ, der den Wirkstrom I wirk und den Scheinstrom I schein in eine Relation setzt. Im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht der Scheinstrom I schem dem Behandlungsstrom I lst . Es ergibt sich: I «A ~ 1 SCh^n cos φ (Formel 1)
Gemäß dem Leistungsdreieck ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen Wirkleistung P, Bundleistung Q und Scheinleistung S.
S =v/P 2 + Q 2 (Formel 2)
In einem ersten Ausfuhrungsbeispiel wird zur Berechnung der Wirkleistung P und der Blindleistung Q die Hilbert-Transformation verwendet (vergleiche Fig 3). Der bekannte Hilbert-Transformator bewirkt eine frequenzunabhangige und amplitudenneutrale Phasenverschiebung von Zeitsignalen um 90°. Bei der Weiterverarbeitung des Signals ist allerdings darauf zu achten, dass der digital als FIR-Filter realisierte Hilbert-Operator eine für FIR-Strukturen typische Durchlaufzelt aufweist Es muss daher darauf geachtet werden, dass stets zeitlich zugehörige Werte von Strom und Spannung miteinander weiter verarbeitet werden. In dem ersten Ausfuhrungsbeispiel erfolgt eine Ermittlung eines Bhndleistungsmittelwertes Q m durch die Anwendung des Hubert-Operators auf das zeitabhängige Stromsignal ι(t) und anschließender Multiplikation mit dem zeitverzogerten Sp annungs Signal u(t). Durch Mittelwertsbildung über mindestens eine Spannungs- oder Stromverlaufsperiode ist der Mittelwert der Blindleistung Q, also der Bhndleistungsmittelwert Q m erhaltlich. Die Berechnung des Wirkleistungsmittelwerts P m erfolgt durch direkte Multiplikation des Stromsignals ι(t) und des Spannungssignals u(t), wobei auch hier über mindestens eine Periode gemittelt wird
Durch Auswertung der Beziehungen im rechtwinkligen Leistungsdreieck (Scheinleistung S ist Hypotenuse, Wirkleistung P ist Ankathete und Q ist Gegenkathete zum Winkel φ) kann man den Leistungsfaktor cos φ auf die folgenden zwei Arten berechnen (vergleiche auch Formel 1).
cos^= cos(arctan(— )) (Formel 3) p m
C ° S Ψ = I P 2 I n 2 (Formel 4) Die beschriebene Steuerung 30 kann also unter Verwendung der Hilbert-Transformation und mittels der Formeln 1 und 3 oder 1 und 4 den Wirkstrom I wirk berechnen.
Ein zweites Verfahren zur Berechnung der Wirkleistung P und der Blindleistung Q kann ebenfalls mittels der Hilbert-Transformation (vergleiche Fig. 4) bereitgestellt werden. Hier wird das Spannungssignal u(t) transformiert und mit dem verzögerten Stromsignal i(t) multipliziert. Der Blindleistungsmittelwert Q 1n ergibt sich durch eine Mittlung der so berechneten Werte. Der Wirkleistungsmittelwert P 1n ergibt sich durch eine Multiplikation des Stromsignals i(t) und des Spannungssignals u(t) und einer anschließenden Mittlung der Werte.
Anhand des Blindleistungsmittelwerts Q 1n und des Wirkleistungsmittelwerts P 1n lässt sich mit der oben aufgezeigten Formel der Leistungsfaktor cos φ ermitteln, wodurch eine Beziehung zwischen dem Wirkstrom I wirk und dem Scheinstrom I scheln hergestellt werden kann.
Ein drittes Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistung P ergibt sich gemäß Fig. 5. Zunächst wird das Stromsignal i(t) und das Spannungssignal u(t) einer diskreten oder schnellen Fourier-Transformation (DFT, FFT) unterzogen. Um den Rechenaufwand zu minimieren, wird vorzugsweise eine FFT gewählt. Als Ergebnis der FFT erhält man einen Vektor von komplexen Zahlenwerten, bestehend aus Real- und Imaginäranteilen des Stromsignals i(t).
Nach einer konjugiert komplexen Multiplikation ergibt sich die Leistung, getrennt in Wirk- (P) und Blindanteil (Q):
U - Ji = \U\e jφ " ■ = P + jQ (Formel 5)
Durch ein Aufsummieren der Vektorwerte der Wirkleistung P und ein getrenntes Aufsummieren der Blindleistung Q erhält man den Wirkleistungsmittelwert P 1n und den Blindleistungsmittelwert Q m . Der Leistungsfaktor cos φ kann wie bereits weiter oben beschrieben unter Verwendung der Formeln 3 oder 4 ermittelt werden.
Erfindungsgemäß ergeben sich zwei Verfahren zur Ermittlung des Scheinstroms I sche i n - Wert des Scheinstroms I schein kann aus den komplexwertigen Ergebnissen der FFT durch Betragsbildung ermittelt werden: schein ∑ K +J ' -i, (Formel 6) alle Frequenzanteile alle Frequenzanteile
Alternativ kann eine Aufsummierung der reelwertigen Augenblickswerte des Stroms über eine Periode vorgenommen werden.
In einem vierten Verfahren kann der Wirkstrom P aus den Effektivwerten von Strom i eff und Spannung u eff ermittelt werden. Für sinusförmige Strom- und Sp annungs verlaufe ist die Wirkleistung P über den Leistungsfaktor cos φ wie folgt definiert:
P = u eff - i eff • cos φ (Formel 7)
Ersetzt man die Wirkleistung P durch den Wirkleistungsmittelwert P 1n , so lässt sich der Leistungsfaktor cos φ aus dem Wirkleistungsmittelwert P 1n und den Effektivwerten der Strom- und Spannungszeitverläufe i(t), u(t) ermitteln. Für den Leistungsfaktor cos φ ergibt sich dann:
cos φ
Ue ϋ ' le J } (Formel 8)
Eine Berechnung des Wirkleistungmittelwerts P 1n lässt sich bei N Abtastwert wie folgt ermitteln:
P = Jj∑u(k) -i(k) (Formel 9)
Der Effektivwert u cff der Spannung ergibt sich über N Abtastwerte aus dessen Definitionsgleichung:
u e ff (F o rm e l l 0) Auf analoge Weise lässt sich der Effektivwert des Stroms i eff bestimmen:
' ■ .4 (Formel 11)
Mit Hilfe des so gewonnenen Leistungsfaktors cos φ ist der Wirkanteil des Stroms:
L rk,eff = Kff • cos φ (Formel 12)
Das letzt genannte Verfahren zeichnet sich besonders dadurch aus, dass hier verhältnismäßig wenige Operationen durchgeführt werden müssen, um den Wirkstrom I witk zu ermitteln. Jedoch lassen mit den heutigen digitalen Signalverarbeitungsprozessoren auch die Verfahren 1 bis 3 implementieren.
Bezugszeichenliste
1 Gewebe
5 Bedienteil
10 HF-Generator
20 elektrochirurgisches Instrument
21 erste Elektrode
22 zweite Elektrode
30 Steuereinrichtung
31 Regler
33 Wirks tromb erechnungs einheit
34 Fehlerverstärker
50 Messeinrichtung
S(t) Scheinleistung
D(t) Steuersignal
B ehandlungs s trom
Isoll Sollwert des Wirkstroms schein Scheinstrom
X I. Wirk s trom U 11 , Ist-Spannung u iOll Sp annungs Stellsignal
IN Bedienersignal
S Scheinleistung
Q Blindleistung
Q m Blindleistungsmittelwert
P Wirkleistung p m Wirkleistungsmittelwert i(t) Strom sign al ϊeff Effektivwert des Stroms u(t) Spannungssignal
U eff Effektivwert der Spannung cos φ Leistungsfaktor