DE9290173U1 - Chirurgische Ultraschallvorrichtung - Google Patents

Description

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4. August 1994 PC 8080/ALP

VALLEYLAB, INC.
5920 Longbow Drive Boulder, Colorado 80301

USA

CHIRURGISCHE ULTRASCHALLVORRICHTUNG Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung zum Antreiben eines Ultraschallwandlers in einem chirurgischen Handstück für die Fragmentierung und Absaugung von Gewebe an einem Operationsort an einem Patienten, sowie elektronische Regelschleifen in der elektrischen Schaltungsanordnung der Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Antreiben eines chirurgischen Ultraschallgerätes, während die Schwingungsfrequenz unter Verwendung einer Rückkopplungsregelung bei einer mechanischen Resonanz gehalten wird. Die Erfindung beschäftigt sich auch mit Einrichtungen zum Regeln der Amplitude und mit einer Digitalschnittstelle zur Überwachung der Leistung und zur Wiederherstellung eines Normalbetriebs, wenn die Systemparameter die Grenzen von Analogregelschleifen überschreiten. Die Erfindung stellt auch Einrichtungen zum Steuern der Gewebeselektivität der Vorrichtung bereit.

Die Verwendung von chirurgischen Geräten, die mit Ultraschall schwingen, zum Fragmentieren und Entfernen von unerwünschtem Gewebe durch Absaugung mit Präzision und Sicherheit hat zur Entwicklung von nützlichen chirurgischen Verfahren geführt. Anfänglich wurde die Technik einer chirurgischen Absaugung auf die Fragmentierung und Entfernung von Kataraktgewebe

angewandt, wie zum Beispiel im U.S. Patent Nr. 3,589,363 offenbart. Später wurden ähnliche Techniken mit bedeutendem Erfolg in der Neurochirurgie und auf anderen chirurgischen Spezialgebieten angewandt, wo die Zufuhr von Ultraschallenergie über ein in der Hand gehaltenes Gerät zur selektiven Entfernung von Gewebe auf einer Schicht-um-Schicht-Basis mit präziser Steuerung als machbar befunden wurde.

Gewisse auf dem Fachgebiet bekannte Geräte erzeugen typischerweise kontinuierliche Schwingungen mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude bei einer Frequenz von etwa zwanzig bis etwa dreißig kHz bis hin zu etwa vierzig bis etwa fünfzig kHz. Die U.S. Patente Nr. 4,063,557, 4,223,676 und 4,425,115 offenbaren ein für die Entfernung von weichem Gewebe geeignetes Gerät, welches besonders angepaßt ist, um mit Blut vermischtes hoch dehnbares elastisches Gewebe zu entfernen. Ein derartiges Gerät ist so angepaßt, daß es kontinuierlich betrieben werden kann, wenn der Chirurg Gewebe fragmentieren und entfernen möchte, und es wird im allgemeinen mittels eines Fußschalters bedient.

Ein bekanntes Instrument für die Ultraschallfragmentierung von Gewebe an einem Operationsort und für die Absaugung der Gewebeteilchen und von Fluid weg von dem Ort ist der von Valleylab, Inc., Stamford, Connecticut hergestellte und verkaufte Ultraschall-Aspirator CUSA Model System 200; vgl. auch U.S. Patent Nr. 4,827,911. Wenn bei einem derartigen Aspirator die in Längsrichtung schwingende Spitze in Kontakt mit Gewebe gebracht wird, fragmentiert und entfernt sie das Gewebe sanft, selektiv und genau^ Vorteile dieses einzigartigen chirurgischen Instruments umfassen eine geringe Schädigung von gesundem Gewebe bei einem Eingriff zur Entfernung eines Tumors; Blutgefäße können skelettiert werden, die Heilung von Gewebe wird gefördert, man findet kein Verkohlen oder Zerreißen von Rändern von umgebendem Gewebe, lediglich ein minimales Ziehen von gesundem Gewebe, und es wird eine ausgezeichnete Tastrückkopplung für eine selektiv

gesteuerte Gewebefragmentierung und Entfernung geschaffen.

Bei vielen chirurgischen Eingriffen, wo Ultraschall-Fragment ierungsinstrumente verwendet werden, werden zusätzliche Instrumente zum Durchschneiden von Gewebe und zur Blutstillung am Operationsort benötigt. Zum Beispiel wird eine Blutstillung bei Austrocknungstechniken für eine tiefe Koagulation benötigt, um große Gewebevolumina auszutrocken, sowie auch bei Fulgurationstechniken für eine Sprühkoagulation, um die Oberfläche von Gewebe auszutrocknen.

Die in den U.S. Patenten Nr. 4,931,047 und 5,015,227 offenbarte Vorrichtung sorgt für eine Blutstillung in Kombination mit einem mit Ultraschall schwingenden chirurgischen Fragmentierungsinstrument und Aspirator. Die Vorrichtung sorgt wirksam sowohl für ein Koagulationsvermögen als auch für eine verbesserte Fähigkeit, Gewebe in einer Weise zu fragmentieren und abzusaugen, welche ein Trauma für umgebendes Gewebe verringert.

Das U.S. Patent Nr. 4,750,488 und seine zwei Continuation-Patente 4,750,902 und 4,922,902 offenbaren ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Kombination von Ultraschallfragmentierung, Absaugung und Kauterisierung benutzen.

Bei einer Vorrichtung, welche Gewebe durch die Ultraschallschwingung einer Instrumentenspitze fragmentiert, ist es für einen optimalen Wirkungsgrad und eine optimale Energieausnutzung wünschenswert, daß der Wandler, welche die Ultraschallschwingung bereitstellt, mit Resonanzfrequenz arbeiten sollte. Wenn der Wandler ein Piezokristall ist, entspricht die Frequenz, mit der er schwingt, der Frequenz des elektrischen Treibersignals, welches die Schwingung verursacht. Der Vorgang ist am wirkungsvollsten, wenn der Wandler mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Jedoch führen Veränderungen von Betriebsparametern, wie beispielsweise

Änderungen der Temperatur, der Wärmedehnung und der Lastimpedanz zu Abweichungen der Resonanzfrequenz. Dementsprechend sind gesteuerte Änderungen der Frequenz des Treibersignals erforderlich, um sie der Resonanzfrequenz nachzuführen.

Die im U.S. Patent Nr. 4,750,488 offenbarte Schaltung umfaßt eine Frequenzregelschleife, die von einem Rückkopplungssignal abhängig ist, welches man durch Addieren zweier Signale erhält, die der Spannung und dem Strom proportional sind, welche dem piezoelektrischen Wandler zugeführt werden.

Das U.S. Patent Nr. 4,965,53 2 offenbart eine Schaltung zum Antreiben eines Ultraschallwandlers, die eine Frequenzregeleinrichtung einschließt, welche eine Rückkopplungsregelung ausnutzt, die von einem ersten und zweiten Phasenerkennungssignal abhängig ist.

Man hat nun herausgefunden, daß man eine wirkungsvolle Frequenzsteuerung mit Hilfe einer einzigartigen Regelschleife erzielt, die einen Rückkopplungs-Piezokristall einschließt, der mechanisch mit dem piezoelektrischen Wandler gekoppelt ist.

Die Verwendung eines Rückkopplungskristalls in einer abgestimmten Schaltung, welche ein gefiltertes Signal liefert, um ein Treibersignal in einem Ultraschallsystem zu regeln, ist im U.S. Patent Nr. 4,012,647 offenbart. Das in diesem Patent offenbarte System ist keine chirurgische Vorrichtung, und die Kombination von Ultraschallvibrator, Verstärker und Abstimminduktivität mit einer Rückkopplung vom Rückkopplungskristall zum Eingang des Verstärkers bildet einen Oszillator. Im Gegensatz dazu beinhaltet die neuartige Schaltung der vorliegenden Erfindung einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) als Teil einer Regelschleife. Das Rückkopplungssignal von einem Rückkopplungskristall wird der Regelschleife eingegeben,

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welche dann den Verstärker ansteuert. Der Vorteil dieser neuartigen Schaltung liegt darin, daß sie der mechanischen Resonanz ohne elektrische Wechselwirkung nachfolgt.

Ein Problem, das während des Betriebs einer chirurgischen Ultraschallvorrichtung häufig auftritt, welche eine Rückkopplungs-Regelschleife einschließt, ist die Neigung der Regelschleife, sich in eine unerwünschte benachbarte Frequenz anstatt in die gewünschte Resonanzfrequenz einzukoppeln.

Das Auftreten dieses Problems hängt vom Frequenzspektrum des Systems und den Eigenschaften der Regelschleife ab. Falls die Regelschleife unterdämpf ist, bewegen die großen Überschwingungen zu Beginn oder bei sich schnell ändernden Lasten die Steuerfrequenz in Richtung der benachbarten Frequenzen. Die Neigung der Regelschleife, sich in eine unerwünschte benachbarte Frequenz einzukoppeln, nimmt mit der Größenordnung der Überschwingung der Regelschleife und der Nähe der besagten benachbarten Frequenzen zu.

Infolge von Anforderungen an die Funktion und Herstellungsabweichungen ist es schwierig, ein rein analoges Regelsystem herzustellen, welches nicht anfällig für die besagten Unregelmäßigkeiten ist. Auch liegt eine Schwierigkeit bei der Herstellung von Ultraschallvibratoren in der Schwankung der Resonanzfrequenz infolge von Abweichungen von Materialien und Herstellungsverfahren. Derartige Schwankungen der Resonanzfrequenz führen zu einer größeren Größenordnung des Fehlersignals beim Betrieb der Regelschleife. Die Wahrscheinlichkeit von Unregelmäßigkeiten nimmt unmittelbar proportional zur Größenordnung des Fehlersignals zu.

Man hat nun herausgefunden, daß man derartige Unregelmäßigkeiten durch die Verwendung eines interaktiv mit einer Analogregelschleife gekoppelten Systems auf der Grundlage eines Mikroprozessors vermeiden kann, wobei dieses System eine Digitalschnittstelle bereitstellt, um die Funktion

zu überwachen und den Normalbetrieb wiederherzustellen, wenn die Systemparameter Grenzen der Analogregelschleife überschreiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Vorrichtung zum Treiben eines Ultraschall-Piezokristallwandlers in einem chirurgischen Handstück für die Fragmentierung und Absaugung von Gewebe bereitgestellt, wobei diese Vorrichtung einen spannungsgesteuerten Oszillator in Reihe mit einem Verstärker und eine erste elektronische Regelschleife umfaßt, die von einem Rückkopplungs-Piezokristall über einen Phasenkomparator und einen Schleifenfilter mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei dieser Rückkopplungskristall mechanisch mit dem besagten Wandler gekoppelt ist und ein Rückkopplungssignal liefert, welches eine Funktion der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Wandlers ist, und wobei dieser Phasenkomparator die Phase des Rückkopplungssignals und des Treibersignals vergleicht und ein Steuersignal bereitstellt, welches das Treibersignal auf der Resonanzfrequenz des Wandlers hält, wobei der besagte Verstärker ein Spannungsquellenverstärker mit einem Ausgang ist, der mit einer parallel geschalteten Abstimminduktivität am Piezokristallwandler angeschlossen ist.

Vorzugsweise beinhaltet das Handstück einen Piezokristallwandler, der treibend mit einem Instrument mit einer distalen Spitze verbunden ist, wobei dieser Wandler nach Aktivierung durch ein elektrisches Treibersignal, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt wird, die besagte Instrumentenspitze in Ultraschallschwingungen versetzt, so daß die Spitze an einem chirurgischen Operationsort Gewebe fragmentieren kann, sowie Absaugeinrichtungen zum Entfernen von fragmentiertem Gewebe von dem besagten Ort.

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Der Piezokristallwandler ist mit einer Abstimminduktivität parallel geschaltet, um ein Netzwerk zu bilden, das eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Betriebsfrequenz des Wandlers entspricht und die Kopplung des Spannungsquellenverstarkers an eine tatsächliche Last optimiert. Ein Piezokristall ist eine spannungsgesteuerte Vorrichtung, und folglich liegt der Vorteil eines mit einer Abstimminduktivität parallel geschalteten Spannungsquellenverstarkers darin, daß er für eine direktere Steuerung des piezoelektrisch angetriebenen Vibrators sorgt. Auch ist bei einer bevorzugten Ausführungsform für eine zusätzliche Stabilität ein Widerstand mit kleinem Wert in Reihe an den Ausgang des Spannungsquellenverstarkers angeschlossen. Diese bevorzugte Ausführungsform ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Verwendung einer Reihenabstimminduktivität, da das Ansprechen sofort erfolgt, weil keine induktive Phasenverzögerung vorhanden ist.

Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung wie oben beschrieben vor, welche eine zweite Regelschleife einschließt, die Einrichtungen zum Abtasten der Schwingungsamplitude des Wandlers und zum Bereitstellen eines Amplitudensignals, Einrichtungen zum Vergleichen des Amplitudensignals mit einem durch eine Bedienungsperson einstellbaren Befehlssignal, und Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Schwingung unter wechselnden Lasten bei einer gewünschten Betriebsamplitude umfaßt, indem das Treibersignal wie erforderlich justiert wird, um den Amplitudenpegel mit dem Befehlssignalpegel in Übereinstimmung zu bringen.

Bevorzugt schließt die zweite Regelschleife einen Wandler ein, welcher das RMS-Wechselstrom-Rückkopplungssignal in Gleichstrom umwandelt.

Die Erfindung sieht weiter ein Steuersystem vor, um eine oder mehr elektronische Regelschleifen zu überwachen, um

Fehlerzustände zu erkennen und darauf anzusprechen, die während Betriebsabläufen auftreten, die von der besagten Schleife oder den besagten Schleifen geregelt werden, wobei dieses System einen mit einem Analog/Digital-Wandler gekoppelten Mikroprozessor sowie einen Multiplexer umfaßt, wobei die Ausgangsgröße von jeder Regelschleife dem Multiplexer eingegeben wird, wobei die Ausgangsgröße vom Multiplexer im Wandler in eine digitale Form umgewandelt wird, um ein digitales Eingangssignal bereitzustellen, welches im Mikroprozessor verarbeitet wird, um zur Berichtigung des Fehlerzustandes mit einem geeigneten Algorithmus zu reagieren.

Das oben beschriebene Steuersystem ist besonders zum Überwachen einer Frequenz-Regelschleife, wie beispielsweise der oben beschriebenen ersten Regelschleife angepaßt, die in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung enthalten ist, oder zum Überwachen der Amplitudenverstärkungs-Regelschleife, wie beispielsweise der zweiten Regelschleife, die in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung enthalten ist, oder bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform zum Überwachen sowohl der ersten und zweiten Regelschleife. Diese bevorzugte Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur der begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Die Erfindung sieht noch weiter eine Vorrichtung wie oben beschrieben vor, welche Einrichtungen zum Erzielen einer Gewebeselektivität bei einem chirurgischen Ultraschall-Aspirator einschließt, umfassend einen mit dem Ausgang der Amplitudenverstärkungs-Regelschleife verbundenen Begrenzer, wodurch das von der Schleife ausgegebene maximale Fehlersignal von einer Bedienungsperson justiert und begrenzt werden kann.

Das in Kombination mit der Vorrichtung der Erfindung zu verwendende chirurgische Handstück ist vorzugsweise ein Handstück wie in der gemeinsam übertragenen Patentanmeldung mit der Serial No. beschrieben und beansprucht,

deren Offenbarung durch Bezugnahme hier eingeschlossen wird.

Somit umfaßt ein bevorzugtes Handstück einen Piezokristallwandler, der treibend mit einem Instrument mit einer distalen Spitze verbunden ist, wobei dieser Wandler nach Aktivierung durch ein elektrisches Treibersignal die Instrumentenspitze in Ultraschallschwingungen versetzt, so daß die Spitze an einem Ort eines chirurgischen Eingriffs Gewebe fragmentieren kann, einen mechanisch mit dem Wandler gekoppelten Rückkopplungs-Piezokristall, sowie Absaugeinrichtungen zum Entfernen von fragmentiertem Gewebe vom Ort des chirurgischen Eingriffs. Vorzugsweise sind der Wandler und der Rückkopplungskristall innerhalb eines elektrisch isolierten Gehäuses montiert, und Schalteinrichtungen zum Auswählen und Betätigen der verschiedenen Betriebsarten sind auf dem Gehäuse montiert, so daß das Handstück mit der Hand bedient werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in welchen:

Figur 1 eine schematische Darstellung von Regelschleifen gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung ist;

Figur IA ein Teil einer abgewandelten Schaltung zwischen den Punkten A-A in Figur 1 ist;

Figur 2 ein Algorithmus ist, welcher die Schritte für eine Überwachung der Funktion und eine Wiederherstellung -eines Normalbetriebs veranschaulicht, wenn die Systemparameter Grenzen von Analogregelschleifen überschreiten;

Figur 3 ein Algorithmus ist, welcher die Schritte für eine Überprüfung von Phasenregelschlexfenfehlern und für eine Durchführung notwendiger Justierungen veranschaulicht, um den besagten Fehler auf Mull zu bringen;

Figur 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines zusammen mit der Vorrichtung der Erfindung benutzten bevorzugten Handstücks ist;

Figur 5 eine Schnittansicht von vorne entlang der Linie 5-5 der Figur 4 ist;

Figur 6 eine Ansicht von hinten entlang der Linie 6-6 der Figur 4 ist; und

Figur 7 eine Draufsicht auf das Handstück ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die in Figur 1 der Zeichnungen veranschaulichte Vorrichtung umfaßt einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 1, der über einen Leistungsverstärker 2 einen Antriebspiezokristall 3 mit einer sinusförmig schwingenden Spannung treibt. Diese Spannung wird dem Antriebskristall am Ausgang eines Spannungsquellenverstärkers 2 übertragen, mit einer parallelen Induktivität 4 und wahlweise mit einem Transformator T zur Impedanzanpassung (Figur IA). Zur Stabilität ist auch ein Widerstand R mit kleinem Wert mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden (Figur IA)., Die Frequenz der Schwingung am Ausgang des VCO wird durch die Spannung bestimmt, die dem Eingang des VCO übertragen wird. Der Mittenwert des Frequenzbereichs des Oszillators sollte auf den Punkt eingestellt sein, von dem man erwartet, daß das System normalerweise dort läuft, und der Bereich der Frequenz ,sollte den Bereich überdecken, über den sich das System im normalen Gebrauch verändert.

Der Antriebspiezokristall 3 spricht auf die sinusförmig schwingende Spannung an, die ihm durch den VCO zugeführt wird, indem er mit derselben Frequenz schwingt und bewirkt, daß die gesamte Ultraschallvibratoreinheit mit einer derartigen Frequenz schwingt.

Der Rückkopplungskristall 5, der sich in der Ultraschalleinheit befindet, schwingt mit ihm. Wenn auf einen Piezokristall eine Belastung aufgebracht wird, reagiert der Kristall, indem er eine proportionale Spannung entwickelt. Diese Spannung ist ein Anzeichen dafür, wie die Einheit schwingt. Der Betrag der Auslenkung der schwingenden Einheit wird vom Spannungspegel über den Rückkopplungskristall angezeigt. Falls die schwingende Einheit bei einer gegebenen sinusförmigen Frequenz schwingt, ist das Spannungssignal vom Rückkopplungskristall eine Sinuswelle mit einer solchen Frequenz. Die Resonanzfrequenz der Schwingung der schwingenden Einheit ist die Frequenz, bei welcher die kleinste Leistung erforderlich ist, um sie anzutreiben. Diese Frequenz wird durch eine 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen der Sinuswelle des Treibersignals und der Sinuswelle des Rückkopplungssignals angezeigt.

Die beiden Signale, Treibersignal 6 und Rückkopplungssignal 7 werden auf die Eingänge eines Phasenkomparators 8 übertragen. Der Ausgang 9 des Phasenkomparators gibt den Cosinus des Phasenwinkels zwischen dem Treiber- und Rückkopplungs-Sinuswellensignal an.

Falls die Resonanzfrequenz dieselbe wie die Mittenfrequenz des VCO ist, treibt der VCO den Antriebskristall bei seiner Resonanzfrequenz. Der zum Phasenkomparator rückgekoppelte Phasenwinkel zwischen Treibersignal und Rückkopplungssignal beträgt 90 Grad, was über einen Schleifenfilter 10 und einen Verstärker 11, der nachfolgend beschrieben wird, 0 (Null) Volt zum VCO ergibt; und der VCO fährt fort, die schwingende Einheit bei ihrer Resonanzfrequenz anzutreiben.

Falls sich die Resonanz infolge einer Belastung plötzlich verändert, beträgt der Phasenwinkel zwischen den beiden Wellen nicht mehr 9 0 Grad. Der Ausgang des Phasenkomparators wird zum Cosinus eines anderen Wertes als 90 Grad, was nicht mehr Null ist. Wenn der VCO dies mitbekommt (der Ausgang des

Phasenkomparator wird dem VCO über einen Verstärker 11 zugeführt), verschiebt der VCO seine Ausgangsfrequenz im Verhältnis zur Verstärkung des Verstärkers multipliziert mit dem Signal vom Phasenkomparator und in einer Richtung, so daß der Phasenwinkel zwischen dem Treiber- und Rückkopplungssignal auf 90 Grad zurückgebracht wird. Während sich der Phasenwinkel zu 90 Grad hin zurückbewegt, bewegt sich der Cosinus des Phasenwinkels zu Null hin zurück. Das System befindet sich im Gleichgewicht, wenn der Phasenwinkel so nahe wie möglich bei 90 Grad liegt, mit einem dem VCO zugeführten Spannungspegel, der ausreicht, um die Schwingung bei einer Frequenz aufrechtzuerhalten, die von seiner Mittenfrequenz verschieden ist, so daß sie der neuen Resonanzfrequenz entspricht. Je größer die Verstärkung im Verstärker ist, um so kleiner ist der Fehler.

Eine weitere Komplikation besteht infolge der Tatsache, daß das schwingende mechanische System eine Trägheit aufweist, welche die Geschwindigkeit hemmt, mit welcher seine Schwingungsfrequenz oder -amplitude verändert werden kann. Eine plötzliche Last an der Spitze des Vibrators kann seine Resonanz verändern. Der Phasenkomparator 8 spricht an, indem er durch den Verstärker 11 eine Korrekturspannung am VCO anlegt. Falls die Verstärkung des Verstärkers unangemessen hoch ist, wird der VCO versuchen, die Treiberfrequenz sehr viel schneller zu verändern, als die schwingende mechanische Einheit reagieren kann. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die schwingende mechanische Einheit die richtige Frequenz erreicht, welche die Resonanzfrequenz bildet, hat der VCO diese um einen gewissen Betrag Überschwüngen. Die Schleife bemüht sich dann, in entgegengesetzter Richtung zu korrigieren und überschwingt erneut, usw. Falls das System stabil ist, nimmt das Überschwingen bei jedem Zyklus ab und legt sich schließlich. Falls das System unstabil ist, nimmt das Überschwingen bei jedem Zyklus nicht ab, sondern bleibt entweder konstant und pendelt oder nimmt bei jedem Zyklus zu, bis sich das System in eine benachbarte Frequenz einkoppelt

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oder beschädigt wird.

Die aus dem Phasenkomparator 8, seinem Ausgang 9, dem Verstärker 11 und dem VCO 1 bestehende Schleife umfaßt eine Phasenregelschleife (PLL), die schematisch durch unterbrochene Linien 12 begrenzt ist.

Es ist eine zweite Regelschleife 13 vorgesehen, um die Amplitude zu regeln. Dies ist die Regelschleife für automatische Verstärkung (AGC). Die Bedienungsperson stellt die für die schwingende Spitze benötigte Schwingungsamplitude an der Befehlseingabe 14 ein. Die vom Rückkopplungskristall zurückkehrende Sinuswelle 7 wird vom RMS/Gleichstrom-Wandler 15 zu einem Gleichstrompegel umgewandelt. Dieses Signal 16 wird dann zu einem Summenknoten 17 geführt, dessen Ausgangsgröße 18 das Fehlersignal zwischen der Rückkopplung und der Befehlseingabe 14 ist, wobei dieses Fehlersignal einem Fehlerverstärker 19 zugeführt wird. Der Fehlerverstärker 19 überträgt an seinem Ausgang ein Signal, das zur Differenz zwischen den beiden Eingangsgrößen des Summenknotens 17 proportional ist. Ein Signal 20 regelt die Amplitude des Treibersignals, welches die Ausgangsgröße des Leistungsverstärkers 2 ist, die den Antriebspxezokristall 3 treibt. Das System befindet sich im Gleichgewicht, wenn der kleinste Differenzbetrag zwischen den beiden Eingangsgrößen und 16 vorhanden ist, jedoch eine ausreichende Differenz vorhanden ist, um bei 20 einen Pegel zu erreichen, um den Kristall zu treiben und ein Signal vom Rückkopplungskristall rückzukoppeln, um diese minimale Differenz zwischen 14 und zu erzielen. Der Fehler nimmt mit der Verstärkung ab, jedoch müssen sichere Verstärkungsgrenzen aufrechterhalten werden, um eine Instabilität zu vermeiden.

Ein Merkmal von Ultraschall-Aspiratoren ist die Selektivität, mit der spezifische Gewebetypen fragmentiert und mit wenig oder keinerlei Auswirkung auf benachbartes Gewebe eines anderen spezifischen Typs fragmentiert und abgesaugt werden

können. Bei einigen chirurgischen Eingriffen ist dies ein erwünschter Effekt, während es bei anderen erwünscht ist, ein weniger selektives Fragmentierungsvermögen zu besitzen.

Man hat herausgefunden, daß eine größere oder kleinere Gewebeselektivität erreicht werden kann, indem man über einen Begrenzer 21 die maximale Amplitude des vom AGC zugeführten Steuersignals verändert.

Ein Multiplexer 22 weist als Eingangsgrößen ein Fehlersignal 23 von der Regelschleife für automatische Verstärkung (AGC) 13 sowie ein Fehlersignal 24 vom PLL auf. Die Ausgangsgröße vom Multiplexer wird einem Analog/Digital-Wandler 25 zugeführt, dessen Ausgangsgröße zu einem Mikroprozessor (&mgr;&Rgr;) 26 übertragen wird. Ein Ausgangssignal 27 vom Mikroprozessor wird zu einer Mittenfrequenz-Justiereinheit 28 übertragen, deren Ausgangsgröße dem VCO 1 zugeführt wird. Ein zweites Ausgangssignal 29 vom Mikroprozessor wird zu einer Schaltereinheit 3 0 übertragen, um die Befehlseingabe zwischen entweder Null oder einem niedrigen Bezugspunkt 31 und einem von einer Bedienungsperson einstellbaren Amplitudensollwert 32 zu schalten.

Das System im Normalbetrieb wird durch den Algorithmus in Figur 2 angegeben. Das AGC-Schleifen-Fehlersignal 20 wird abgefragt und der Pegel wird überprüft 33. Eine Differenz 34, die größer als ein vorbestimmter Wert ist (>A) zeigt einen Verzögerungszustand an. Ein Verzögerungszustand ist derart, daß die Schwingungsamplitude wesentlich geringer als die befohlene Eingabe 14 ist und so -eine unangemessen hohe Belastung, ein Einkoppeln der Regelschleife auf eine benachbarte unerwünschte Frequenz oder irgendeinen anderen Fehlerzustand anzeigt. Falls kein Verzögerungszustand angezeigt wird, dauert das Abfragen 33,34 an, und der PLL kann normal arbeiten. Falls ein Verzögerungszustand angezeigt wird, wird der PLL-Fehler überprüft 35. Ein abnormal hoher PLL-Fehler 36 (>B) zeigt ein Einkoppeln auf einer unerwünschten

benachbarten Frequenz an.

Falls der PLL-Fehler nicht größer ist 37, als der vorbestimmte Wert (>B), und der Verzögerungszustand angezeigt wird, wird der folgende Algorithmus ausgeführt: Ein Zeitgeber 38 im Mikroprozessorsystem 26 wird auf einen maximal zulässigen Zeitraum für eine Berichtigung eingestellt. Die Wechselwirkung mit dem Mikroprozessorsystem in diesem Teil des Algorithmus gibt der Bedienungsperson mit Hilfe einer geeigneten hörbaren, sichtbaren, fühlbaren oder einer anderen Kommunikationseinrichtung einen Hinweis 39, daß ein unangemessen hoher Druck auf das chirurgische Ultraschall-Handstück ausgeübt wird. Der Mikroprozessor fährt fort, nach einer Entlastung des Drucks und mit Hilfe des Zeitgebers 42,43 nach einer Anzeige einer unangemessen langen Zeit abzurufen 40,41. Bei Entlastung des Verzögerungszustandes stellt der Mikroprozessor den Zeitgeber 44 auf Null und stellt dann die Einrichtung für die Kommunikation 44 der Bedienungsperson auf Null und kehrt zum Abrufen 33,34 zurück. Falls der Verzögerungszustand nicht beendet wird und die Zeitüberprüfung 42 anzeigt, daß die Zeitgrenze überschritten worden ist 43, schaltet das System ab 45, wobei es keinen weiteren Betrieb zuläßt, und der Bedienungsperson wird von der Kommunikationseinrichtung 45 ein Fehlerzustand signalisiert. Ein Zustand, in dem beide Schleifenfehler 34,36 gleichzeitig die vorbestimmten Werte überschreiten, ist ein Anzeichen dafür, daß das System in eine unerwünschte benachbarte Resonanz eingekoppelt hat. Ein Weg, diesen Zustand zu korrigieren, liegt darin, das chirurgische Ultraschall-Gerät vom gesamten Druck zu entlasten 46, den Zeitgeber zu setzen und die befohlene Eingabe für die AGC-Schleife auf Null zu schalten 31.

Durch Anlegen von Null Volt 31 über den Schalter 30 an die Befehlseingabe 14 der AGC-Schleife wird die Schwingung gestoppt. Dem Ultraschall-Generator wird reichlich Zeit gelassen 48, um die ganze gespeicherte Energie abzugeben 48.

Die Befehlseingabe wird über den Schalter 3 0 auf den von der Bedienungsperson eingestellten Pegel 32 zurückgeführt. Dem Ultraschall-Generator wird reichlich Zeit gelassen, um einen stationären Schwingungsamplitudenpegel zu erreichen 49. Die Fehlerpegel werden zusammen mit dem Zeitgeber 54 erneut überprüft 50,51,52,53. Falls der Fehlerzustand anhält 51, wird der Zeitgeber überprüft 54. Der Algorithmus wiederholt sich kontinuierlich, bis entweder die Fehlerzustände beseitigt sind, oder der Zeitgeberwert überschritten wird 55. Falls die Fehlerzustände 50,51,52,53 vor dem Überschreiten des Zeitgeberwertes 55 beseitigt werden, wird der Zeitgeber auf Null gestellt 56, und der Algorithmus 57 (vgl. Figur 3) justiert die PLL-Mittenfrequenz. Der PLL-Fehlerkorrektur-Algorithmus wird ausgeführt, die Kommunikationseinrichtung und der Zeitgeber werden auf Null gestellt 56, und der Ultraschall-Generator wird auf Normalbetrieb zurückgeführt. Falls der Zeitgeberwert überschritten wird 55, wird der Ultraschall-Generator ausgeschaltet 58, und mit Hilfe der oben beschriebenen Kommunikationseinrichtung wird der Bedienungsperson eine Fehlermitteilung übermittelt 58.

Der in Figur 2 durch 57 schematisch dargestellte Vorgang kann durch den in Figur 3 veranschaulichten Algorithmus definiert werden. Der Start des Algorithmus ist ein Abrufen 59,60, um zu bestimmen, ob die Schwingung aktiviert worden ist 61 oder nicht 62. Bei Beginn der Schwingung wird durch den Pegel des AGC-Schleifen-Fehlersignals 63 die Differenz zwischen der von der Bedienungsperson eingestellten befohlenen Eingabe für den Hubpegel und dem tatsächlichen Hubpegel bestimmt. Falls das Signal nicht Null ist £4, wird ein Schwingungszustand unter Last angezeigt, was bewirkt, daß der Algorithmus zum Normalbetrieb 65 übergeht. Falls das Signal Null ist 66, wird das PLL-Fehlersignal überprüft 67, um zu bestimmen, ob ein Fehler von Null vorhanden ist 67. Falls ein Fehler von Null vorhanden ist 68, geht der Algorithmus auf Normalbetrieb über 69. Falls der Fehler nicht Null ist 70, erfolgt eine Bestimmung der Richtung des Fehlers 71,72, und auf den VCO

wird ein geeigneter Justierungsanstieg in der richtigen Richtung übertragen, entweder höher 73 oder tiefer 74. Eine Schleifenstabilisierungszeit wird zugelassen 75 (Zeitabschaltung) und der Fehler wird erneut überprüft 67. Dies wird wiederholt, bis der Fehler zu Null wird 68, woraufhin das System in den Normalbetrieb zurückgeführt wird 69.

Das in den Figuren 4 bis 7 der begleitenden Zeichnungen veranschaulichte Handstück umfaßt ein Gehäuse 110, das vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial besteht. Das Gehäuse beherbergt einen Piezokristallwandler, der einen Stapel ringförmiger Piezokristall 111 umfaßt. Jeder Kristall ist mechanisch mit jedem benachbarten Kristall gekoppelt, und jeder Kristall wird durch Elektroden mit entgegengesetzter Polarität auf jeder Seite jedes Kristalls mit elektrischer Wechselenergie erregt. Elektroden mit gemeinsamer Polarität 106 sind als ein einziges Teil ausgebildet, um die Anzahl von Drähten innerhalb des Handstücks zu verringern. Auf der Rückseite des Wandlers befindet sich ein Rückkopplungs-Piezokristall 112, der mit den Antriebskristallen des Wandlers mechanisch gekoppelt ist und gemeinsam mit den Antriebskristallen geerdet ist. Der Rückkopplungskristall weist auch eine überstehende Elektrode auf, die mit einer elektrischen Leitung (nicht dargestellt) verbunden ist, um das Rückkopplungssignal zu einem elektrischen Kontakt am hinteren Ende des Gehäuses zu leiten und dann über einen Anschluß zu einer Regelschaltung. Die gesamte piezoelektrische Einheit einschließlich der Antriebskristalle und .des .Rückkopp lungskr is ta Ils ist durch isolierende Keramikelemente 108 und eine Isolierhülle 109 vom vorderen Antriebsteil 107 und vom hinteren Antriebsteil 132 isoliert. Die Antriebskristalle, der Rückkopplungskristall und die zugehörigen Elektroden sind sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite mit einem Polymerüberzug elektrisch isoliert, um einen dielektrischen Durchschlag über die Kristalle und über die isolierenden Keramikelemente 108 hinweg

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zu verhindern.

Der Wandler weist ebenfalls eine überstehende Elektrode 13 auf, die mit einer elektrischen Leitung (nicht dargestellt) verbunden ist, um zum Zweck einer Gewebesektion oder -austrocknung elektrische Hochfrequenzenergie zum vorderen Antriebsteil 107 zu transportieren.

Das vordere Ende des Wandlers endet in einem ringförmigen Flansch 113, der in einer gegen die Innenwand des Gehäuses anliegenden Gummiaufhängung 114 montiert ist, sowie einer Stahlscheibe 115. Das hintere Ende des Wandlers ist über eine Schwingungsisolierverbindung mit einer Kontaktplatte 116 verbunden, die gasdicht in das Gehäuse 110 eingefügt ist.

Elektrische Leitungen von den piezoelektrischen Antriebskristallen und vom Rückkopplungskristall enden in elektrischen Kontakten 117 (Figur 6) am hinteren Ende des Gehäuses. Die elektrischen Kontakte stehen mit komplementären Buchsen in einem Anschluß 118 funktionell im Eingriff, wenn der Anschluß mit dem Gehäuse verbunden ist. Die elektrischen Leitungen sind über.ein am hinteren Ende des Anschlusses befestigtes Kabel 120 mit einem Generator und der Regelschaltung verbunden. Die Anschluß-O-Ringe 13 3 isolieren Spülflüssigkeit, Absaugflüssigkeit und jegliche Flüssigkeit außerhalb des Handstücks voneinander, sowie von den elektrischen Kontakten. Nach Verbindung mit dem Handstück steht der Anschluß 118 gleichzeitig mit den Leitungen für Ultraschallenergie und Rückkopplung, dem aktiven Draht für die Elektrochirurgie, dem Absaugrohr und dem Spülrohr im Eingriff. Dieses Handstück kann unabhängig von jeglicher Verkabelung sterilisiert werden.

Am vorderen Ende des Wandlers ist ein hohles Instrument mit einer distalen Spitze befestigt, die Gewebe fragmentieren kann, wenn das Instrument vom Wandler in Ultraschallschwingungen versetzt wird. Das proximale Ende des

Instruments ist mit einem Gewinde versehen und ein an das proximale Ende angrenzender Außensechskant 122 ermöglicht es, das Instrument in ein entsprechendes Gewinde in einer Stirnplatte einzuschrauben, die an einem Flansch 113 am vorderen Ende des Wandlers befestigt ist. Eine Scheibe 124 um die Stirnplatte herum liegt gegen eine Gummiaufhängung 114 an, so daß die Kombination aus Aufhängungsplatten und Scheiben eine flüssigkeitsdichte Dichtung um das vordere Ende des Wandlers herum bildet. Diese Dichtung ist wesentlich, um zu verhindern, daß jegliche Spülflüssigkeit in den Teil des Gehäuses eintritt, welcher den Wandler und die damit verbundenen elektrischen Bauteile enthält.

Eine Spülflüssigkeit, gewöhnlich Kochsalzlösung wird durch einen Kanal 125 zur Instrumentenspitze gefördert, der zwischen der Innenwand eines Kamins 126 und der Außenwand des Instruments 121 gebildet wird. Die Spülflüssigkeit erreicht den Kanal 125 von einer Leitung 127 aus, die am unteren Teil des Gehäuses entlangführt, wobei diese Leitung durch ein im Anschluß 118 endendes Rohr (nicht dargestellt) aus einem äußeren Behälter gespeist wird.

Das Instrument 121 ist hohl, um das Absaugen von fragmentiertem Gewebe vom Operationsort zu gestatten. Die Absaugung erfolgt normalerweise mittels Unterdruck durch das hohle Instrument und durch ein Rohr 128 (Figur 5 und Figur 6), welches axial durch das Gehäuse und durch den Anschluß hinausführt.

Da die Spülflüssigkeit, die leitfähig sein kann, das elektrische Potential der dem vorderen Antriebsteil zugeführten Hochfrequenzenergie besitzen kann, ist zur Sicherheit der Bedienungsperson ein ausreichender Isolierabstand an den lösbaren Verbindungsstellen erforderlich. So ist ein Kamin 12 6 gestaltet, um das Gehäuse 110 über einen vorschriftsmäßig erforderlichen Isolierabstand abzuschirmen. In ähnlicher Weise kann der Anschluß 118 das

Gehäuse 110 abschirmen, um den geforderten Isolierabstand zu erreichen.

Bei der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführunsgform wird das Handstück von Hand betätigt, und ein Schaltermodul 122 ist auf dem Gehäuse montiert. Das dargestellte Modul enthält zwei Schalter, die zum Bedienen des Handstücks elektrisch mit einer Leiterplatte innerhalb des Gehäuses verbunden sind. Es soll klar sein, daß ein in der Vorrichtung der Erfindung verwendetes Handstück mehr als zwei Handschalter aufweisen kann oder durch einen Fußschalter bedient werden kann.

Claims (11)

SCHUTZANSPRUCHE

1. Elektrische Vorrichtung zum Treiben eines Ultraschall-Piezokristallwandlers in einem chirurgischen Handstück für die Fragmentierung und Absaugung von Gewebe, wobei diese Vorrichtung einen spannungsgesteuerten Oszillator in Reihe mit einem Verstärker und eine erste elektronische Regelschleife umfaßt, die von einem Rückkopplungs-Piezokristall über einen Phasenkomparator und einen Schleifenfilter mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei dieser Rückkopplungskristall mechanisch mit dem besagten Wandler gekoppelt ist und ein Rückkopplungssignal liefert, welches eine Funktion der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Wandlers ist, und wobei dieser Phasenkomparator die Phase des Rückkopplungssignals und des Treibersignals vergleicht und ein Steuersignal bereitstellt, welches das Treibersignal auf der Resonanzfrequenz des Wandlers hält, wobei der besagte Verstärker ein Spannungsquellenverstärker mit einem Ausgang ist, der mit einer parallel geschalteten Abstimminduktivität am Piezokristallwandler angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Piezokristallwandler treibend mit einem Instrument mit einer distalen Spitze verbunden ist, wobei dieser Wandler nach Aktivierung durch ein Treibersignal die Instrumentenspitze in Ultraschallschwingungen versetzt, so daß die Spitze imstande ist, an einem chirurgischen Operationsort Gewebe zu fragmentieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher das Handstück Absaugeinrichtungen zum Entfernen von fragmentiertem Gewebe von dem besagten chirurgischen Ort einschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher für eine zusätzliche Stabilität ein Widerstand mit kleinem Wert in Reihe an den Ausgang des Spannungsquellenverstärkers

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angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine zweite Regelschleife einschließt, umfassend Einrichtungen zum Abtasten der Schwingungsamplitude des Wandlers und zum Bereitstellen eines Amplitudensignals, Einrichtungen zum Vergleichen des Amplitudensignals mit einem durch eine Bedienungsperson einstellbaren Befehlssignal, und Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Schwingung unter wechselnden Lasten bei einer gewünschten Betriebsamplitude durch Justieren des Treibersignals wie erforderlich, um den Amplitudenpegel mit dem Befehlssignalpegel in Übereinstimmung zu bringen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die zweite Regelschleife einen Wandler einschließt, der das RMS-Wechselstrom-Rückkopplungssignal in Gleichstrom umwandelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher ein Begrenzer mit dem Ausgang der zweiten Regelschleife verbunden ist, wodurch die maximale Fehlersignal-Ausgangsgröße der Schleife von einer Bedienungsperson justiert und begrenzt werden kann, um eine Gewebeselektivität zu erreichen.

8. Steuersystem zum Überwachen von einer oder mehr elektronischen Regelschleifen, um Fehlerzustände zu erkennen und darauf anzusprechen, die während Betriebsabläufen auftreten, die durch die besagte Schleife oder Schleifen geregelt werden, wobei dieses System einen mit einem Analog/Digital-Wandler gekoppelten Mikroprozessor und einen Multiplexer umfaßt, wobei die Ausgangsgröße von jeder Regelschleife dem Multiplexer eingegeben wird, wobei die Ausgangsgröße vom Multiplexer im Wandler in eine digitale Form umgewandelt wird, um ein digitales Eingangssignal bereitzustellen, welches im Mikroprozessor verarbeitet wird, um zur Berichtigung des Fehlerzustandes mit einem geeigneten Algorithmus zu reagieren.

9. Steuersystem nach Anspruch 8, bei welchem die überwachte elektronische Regelschleife eine Frequenz-Regelschleife ist, die in einer Vorrichtung zum Antreiben eines Ultraschall-Piezokristallwandlers in einem chirurgischen Handstück für die Fragmentierung und Absaugung von Gewebe eingebaut ist, wobei diese Vorrichtung einen spannungsgesteuerten Oszillator in Reihe mit einem Verstärker und die besagte Frequenz-Regelschleife umfaßt, die von einem Rückkopplungs-Piezokristall über einen Phasenkomparator und einen Schleifenfilter mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei dieser Rückkopplungskristall mechanisch mit dem besagten Wandler gekoppelt ist und ein Rückkopplungssignal liefert, welches eine Funktion der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Wandlers ist, und wobei dieser Phasenkomparator die Phase des Rückkopplungssignals und des Treibersignals vergleicht und ein Steuersignal bereitstellt, welches das Treibersignal auf der Resonanzfrequenz des Wandlers hält, wobei der besagte Verstärker ein Spannungsquellenverstärker mit einem Ausgang ist, der mit einer parallel geschalteten Abstimminduktivität am Piezokristallwandler angeschlossen ist.

10. Steuersystem nach Anspruch 8, bei welchem die überwachte elektronische Regelschleife eine Amplitudenverstärkungs-Regelschleife ist, umfassend Einrichtungen zum Abtasten der Schwingungsamplitude eines Ultraschall-Piezokristallwandlers und zum Bereitstellen eines Amplitudensignals, Einrichtungen zum Vergleichen des Amplitudensignals mit einem durch eine Bedienungsperson einstellbaren Befehlssignal, und Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Schwingung unter wechselnden Lasten bei einer gewünschten Betriebsamplitude durch Justieren des Treibersignals wie erforderlich, um den Amplitudenpegel mit dem Befehlssignalpegel in Übereinstimmung zu bringen.

11. Kombination aus Vorrichtung und Steuersystem zum Treiben, Überwachen und Regeln eines Ultraschall-Piezokristallwandlers

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in einem chirurgischen Handstück für die Fragmentierung und Absaugung von Gewebe, umfassend einen spannungsgesteuerten Oszillator in Reihe mit einem Verstärker und eine erste elektronische Regelschleife, die von einem Rückkopplungs-Piezokristall über einen Phasenkomparator und einen Schleifenfilter mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei dieser Rückkopplungskristall mechanisch mit dem besagten Wandler gekoppelt ist und ein Rückkopplungssignal liefert, welches eine Funktion der tatsächlichen Schwingungsfrequenz des Wandlers ist, und wobei dieser Phasenkomparator die Phase des Rückkopplungssignals und des Treibersignals vergleicht und ein Steuersignal bereitstellt, welches das Treibersignal auf der Resonanzfrequenz des Wandlers hält, wobei der besagte Verstärker ein Spannungsquellenverstärker mit einem Ausgang ist, der mit einer parallel geschalteten Abstimminduktivität am Piezokristallwandler angeschlossen ist; eine zweite Regelschleife, umfassend Einrichtungen zum Abtasten der Schwingungsamplitude des Wandlers und zum Bereitstellen eines Amplitudensignals, Einrichtungen zum Vergleichen des Amplitudensignals mit einem durch eine Bedienungsperson einstellbaren Befehlssignal, und Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Schwingung unter wechselnden Lasten bei einer gewünschten Betriebsamplitude durch Justieren des Treibersignals wie erforderlich, um den Amplitudenpegel mit dem Befehlssignalpegel in Übereinstimmung zu bringen; und ein Steuersystem zum Überwachen der besagten ersten und zweiten Regelschleife, um Fehlerzustände zu erkennen und darauf anzusprechen, die während Betriebsabläufen auftreten, die von den besagten Schleifen geregelt werden, wobei dieses System einen mit einem Analog/Digital-Wandler gekoppelten Mikroprozessor und einen Multiplexer umfaßt, wobei die Ausgangsgröße von jeder Regelschleife dem Multiplexer eingegeben wird, wobei die Ausgangsgröße vom Multiplexer im Wandler in eine digitale Form umgewandelt wird, um ein digitales Eingangssignal bereitzustellen, welches im Mikroprozessor verarbeitet wird, um zur Berichtigung des

Fehlerzustandes mit einem geeigneten Algorithmus zu reagieren,