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JP5758147B2 - 強化型無損失電流感知回路 - Google Patents

強化型無損失電流感知回路 Download PDF

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Description

(背景)
(1.技術分野)
本開示は、概して、電気外科用手順を実行するためにエネルギーを利用する電気外科用システムに関する。より詳細には、本開示は、無損失電流感知回路を有する電気外科用発電機のためのスイッチング電源に関する。
(2.関連技術の説明)
電気外科用発電機は、患者組織を切断し、凝結させ、乾燥させ、そして/または封止するための電気外科用器具と共に、外科医によって用いられる。例えば、無線周波数(RF)エネルギーなど、高周波数電気エネルギーは、電気外科用発電機によって生成され、電気外科用ツールによって組織に印加される。単極および双極の構成の両方とも、電気外科用手順の期間中に一般的に使用される。
電気外科用技術および器具は、小径の血管を凝結させるために、または、大径の脈管、もしくは、例えば肺、脳、および腸などの軟組織構造を封止するために、使用され得る。外科医は、組織を通して電極間に印加される電気外科用エネルギーの強度、周波数、および持続期間を制御することによって、出血を焼灼し、凝結/乾燥させ、そして/または、単に低減もしくは減速させる。これら所望の外科的効果を、外科部位で組織の望まれない炭化を引き起こすことなく、または、隣接組織に及ぼし得る損傷(例えば熱の拡散)を引き起こすことなく、達成するために、例えば、パワー、波形、電圧、電流、パルスレート、その他など、電気外科用発電機からの出力を制御することが必要である。
エネルギーは、電極に連結された電気外科用発電機によって、その電極(単数または複数)に供給される。電気外科用発電機は、RF出力を電極(単数または複数)に提供するために、スイッチインダクタシステムを含み得る。スイッチインダクタシステムは、少なくとも1つのスイッチ、少なくとも1つのダイオード、および少なくとも1つのインダクタを利用する。良好な低損失インダクタ素子が生産されるにつれ、かなりの付加的な回路網なくして、インダクタを通して電流を計測することが困難になる。付加的な回路網は、最終製品に対して、構成部品、大きさ、および電力消費を増し、それによって、無損失検出方法を有することの恩恵を相殺する。
本開示は、スイッチインダクタシステムに関し、該スイッチインダクタシステムは、入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータを含み、このスイッチングレギュレータは、1つ以上のスイッチと1つ以上のインダクタとを有する。このシステムは、また、このインダクタと並列な感知回路を含み、この感知回路は、電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを有する。
1つの実施形態において、1つ以上のスイッチは電界効果トランジスタであり得る。さらに、第1のRC回路および第2のRC回路は、それぞれ、1つ以上の抵抗器と、1つ以上のキャパシタとを含み得る。
本開示の別の実施形態において、電気外科用発電機が提供される。この発電機は、電気外科用発電機の電圧出力を制御するように構成されたコントローラと、エネルギーを出力するように構成された無線周波数出力段とを含む。この無線周波数出力段は、コントローラから入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータを含み、このスイッチングレギュレータは、1つ以上のスイッチと1つ以上のインダクタとを有する。この無線周波数出力段は、また、インダクタと並列な感知回路を含み、この感知回路は、電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含む。感知回路は、電圧出力の交流電流成分と電圧出力の直流電流成分とをコントローラに提供し、コントローラは、電圧出力の交流電流成分と電圧出力の直流電流成分とに基づいて、電気外科用発電機の出力を制御する。
この感知回路は、電圧出力の直流電流成分を増幅する増幅器をさらに含み得る。上記1つ以上のスイッチは電界効果トランジスタであり得る。第1のRC回路および第2のRC回路は、それぞれ、1つ以上の抵抗器と、1つ以上のキャパシタとを含み得る。
本開示のなお別の実施形態において、インダクタにわたる電圧を検出するための無損失電流感知回路が提供される。無損失電流感知回路は、インダクタにわたる電圧の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、インダクタにわたる電圧の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含む。
無損失感知回路は、電圧出力の直流電流成分を増幅する増幅器をさらに含み得る。第1のRC回路および第2のRC回路は、それぞれ、1つ以上の抵抗器と、1つ以上のキャパシタとを含み得る。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
スイッチインダクタシステムであって、
入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータであって、該スイッチングレギュレータは、少なくとも1つのスイッチと少なくとも1つのインダクタとを有する、スイッチングレギュレータと、
該インダクタと並列な感知回路であって、該感知回路は、該電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、該電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含む、感知回路と
を備えている、スイッチインダクタシステム。
(項目2)
上記少なくとも1つのスイッチは電界効果トランジスタである、上記項目に記載のスイッチインダクタシステム。
(項目3)
上記第1のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載のスイッチインダクタシステム。
(項目4)
上記第2のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載のスイッチインダクタシステム。
(項目5)
電気外科用発電機であって、
該電気外科用発電機の電圧出力を制御するように構成されたコントローラと、
エネルギーを出力するように構成された無線周波数出力段と
を備え、該無線周波数出力段は、
該コントローラから入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータであって、該スイッチングレギュレータは、少なくとも1つのスイッチと少なくとも1つのインダクタとを有する、スイッチングレギュレータと、
該インダクタと並列な感知回路であって、該感知回路は、該電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、該電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含む、感知回路と
を備え、該感知回路は、該電圧出力の該交流電流成分と該電圧出力の該直流電流成分とを該コントローラに提供し、
該コントローラは、該電圧出力の該交流電流成分と該電圧出力の該直流電流成分とに基づいて、該電気外科用発電機の出力を制御する、電気外科用発電機。
(項目6)
上記感知回路は、増幅器をさらに含み、該増幅器は、上記電圧出力の上記直流電流成分を増幅する、上記項目に記載の電気外科用発電機。
(項目7)
上記少なくとも1つのスイッチは電界効果トランジスタである、上記項目のうちのいずれか1項に記載の電気外科用発電機。
(項目8)
上記第1のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載の電気外科用発電機。
(項目9)
上記第2のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載の電気外科用発電機。
(項目10)
インダクタにわたる電圧を検出するための無損失電流感知回路であって、該回路は、
該インダクタにわたる該電圧の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、
該インダクタにわたる該電圧の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路と
を備えている、無損失電流感知回路。
(項目11)
上記無損失電流感知回路は、増幅器をさらに含み、該増幅器は、上記インダクタにわたる電圧の上記直流電流成分を増幅する上記項目に記載の無損失電流感知回路。
(項目12)
上記第1のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載の無損失電流感知回路。
(項目13)
上記第2のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、上記項目のうちのいずれか1項に記載の無損失電流感知回路。
(摘要)
スイッチインダクタシステムが提供され、該スイッチインダクタシステムは、入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータを含み、このスイッチングレギュレータは、1つ以上のスイッチと1つ以上のインダクタとを有する。このシステムは、また、インダクタと並列な感知回路を含む。この感知回路は、電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含む。
本開示の様々な実施形態が図面を参照して本明細書に記載される。
図1Aは、本開示に従う電気外科用システムの概略図である。 図1Bは、本開示に従う電気外科用システムの概略図である。 図2は、本開示の実施形態に従う発電機制御システムの概略図である。 図3は、本開示の実施形態に従う図2の電源の概略図である。
(詳細な説明)
本開示の特定の実施形態は、以降、添付の図面を参照して記載される。しかしながら、開示される実施形態は、単に開示の例示であり、様々な形態において実施され得ることを理解されたい。周知の機能または構造は、不必要な細部において本開示を不明瞭にすることを避けるため、詳細には記載されない。したがって、本明細書において記載される、具体的な構造上および機能上の詳細は、限定的にではなく、単に、特許請求の範囲の論拠として、および、当業者が本開示を事実上あらゆる適切に詳細化した構造において様々に実施するように教示するための代表的な論拠として、解釈されるべきである。
図面の記載全体を通して、同一の参照番号は、類似または同一の要素を参照し得る。図面に示され、そして以下の記載全体を通して説明されるように、外科用器具上の相対的な位置決めを参照する場合に伝統的であるように、「近位」の用語は、使用者により近い、装置の端を指し、「遠位」の用語は、使用者からより遠く離れた、装置の端を指す。「医師」の用語は、本明細書に記載される実施形態の使用を含む、医療手順を実施する任意の医療専門家(例えば、医者、外科医、看護士など)を指す。
添付の図面を参照して以下により詳細に記載されるように、本開示は、電気外科用発電機における使用に好適なスイッチング電源のための、強化型無損失電流感知装置に向けられる。本明細書において使用される「無損失」の用語は、低損失回路を指す。無損失電流感知装置において利用される回路は、スイッチインダクタシステムにおいて、高帯域幅高精度能動増幅器(high bandwidth precise active amplification)なしに、ひいてはコスト、スペース、および電力消費を抑えた、サイクル単位の電流の簡単で高速な監視を可能にする。
本開示に従う発電機は、組織切除手順を含む、単極および双極の電気外科用手順を実施することが可能である。発電機は、様々な電気外科用器具(例えば、単極アクティブ電極、リターン電極、双極電気外科用鉗子、フットスイッチ、その他)とインタフェース接続するための複数の出力を含み得る。さらに、発電機は、特に、様々な電気外科的モード(例えば、切断、ブレンディング、分割、その他)および手順(例えば、単極性、双極性、脈管のシーリング)に好適な無線周波数パワーを発生するように構成された電子回路網を含む。
図1Aは、本開示の一実施形態に従う単極電気外科用システムの概略図である。システムは、患者Pの組織を処置するための1つ以上の電極を有する、電気外科用器具2を含む。器具2は、1つ以上のアクティブ電極(例えば、電気外科用切断プローブ、切除電極(単数または複数)、その他)を含む、単極タイプの器具である。電気外科用RFエネルギーは、発電機20のアクティブ端子30(図2)に接続された供給ライン4を介して、発電機20によって器具2に供給され、器具2が組織を凝結させ、切除し、そして/あるいは処置することを可能にする。エネルギーは、発電機20のリターン端子32(図2)において、リターンライン8を介して、リターン電極6を通して発電機20に戻る。アクティブ端子30およびリターン端子32は、器具2のプラグ(明示されない)およびリターン電極6とインタフェース接続するように構成されたコネクタであり、器具2のプラグおよびリターン電極6は、それぞれ、供給ライン4の端およびリターンライン8の端に配置される。
システムは、複数のリターン電極6を含み、これらリターン電極6は、患者Pとの全体の接触面積を最大化することによって組織損傷の機会を最小化するように配列される。さらに、発電機20およびリターン電極6は、いわゆる「組織患者間」接触を監視するように構成され得、これにより、組織損傷の機会をさらに最小化するために、組織と患者の間に十分な接触が存在することを確実にする。
図1Bは、本開示に従う、双極電気外科用システムの概略図である。システムは、患者Pの組織を処置するための1つ以上の電極を有する、双極電気外科用鉗子10を含む。電気外科用鉗子10は、対向するあご部材を含み、その中に配置されたアクティブ電極14およびリターン電極16を有する。アクティブ電極14およびリターン電極16は、ケーブル18を通して発電機20に接続され、ケーブル18は、アクティブ端子30に連結された供給ライン4と、リターン端子32に連結されたリターンライン8とを含む(図2)。電気外科用鉗子10は、ケーブル18の端に配置されたプラグを介して、アクティブ端子30およびリターン端子32(例えばピン)への接続を有するコネクタ21で発電機20に連結され、ここで、プラグは、供給ライン4およびリターンライン8からの接触を含む。
図1A〜図1Bには明示されないが、発電機20は、発電機20を制御するための好適な入力制御部(例えば、ボタン、アクティベータ、スイッチ、タッチ画面、その他)のみならず、外科医に様々な出力情報(例えば、強度設定、処置完了インジケータ、その他)を提供するための1つ以上のディスプレイ画面を含む。制御部は、特定の任務(例えば、組織切除)に好適な所望の波形を実現するために、外科医がRFエネルギーのパワー、波形、および他のパラメータを調節することを可能にする。さらに、器具2は、発電機20の特定の入力制御部と重複し得る、複数の入力制御部を含み得る。入力制御部を器具2に設置することにより、外科用手順の期間中に、発電機20と相互作用する必要なく、RFエネルギーパラメータのより簡単かつより速い修正が可能になる。
図2は、発電機20の概略ブロック図を示し、発電機20は、コントローラ24と、電源27と、RF出力段28と、センサモジュール22とを有する。電源27は、DCパワーをRF出力段28に提供し、RF出力段28は、次いで、DCパワーをRFエネルギーに変換し、そのRFエネルギーを器具2に送達する。コントローラ24は、メモリ26を有するマイクロプロセッサ25を含み、メモリ26は、揮発性タイプのメモリ(例えばRAM)および/または不揮発性タイプのメモリ(例えば、フラッシュ媒体、ディスク媒体、その他)であり得る。マイクロプロセッサ25は、電源27および/またはRF出力段28に接続された出力ポートを含み、出力ポートは、マイクロプロセッサ25が、開制御ループ方式および/または閉制御ループ方式のいずれかに従って、発電機20の出力を制御することを可能にする。
閉ループ制御方式は、概して、フィードバック制御ループを含み、フィードバック制御ループにおいて、センサモジュール22は、フィードバックをコントローラ24に提供する(つまり、組織インピーダンス、組織温度、出力電流および/または電圧、その他などの様々な組織パラメータを感知するための1つ以上の感知機構から得られる情報)。コントローラ24は、次いで、電源27および/またはRF出力段28に信号を送り、電源27および/またはRF出力段28は、次いで、それぞれ、DC電源および/またはRF電源を調節する。コントローラ24はまた、発電機20の入力制御部および/または器具2から入力信号を受信する。コントローラ24は、入力信号を利用することにより、発電機20のパワー出力を調節し、そして/または、発電機20に対して他の制御機能を実行するように命令する。
マイクロプロセッサ25は、状況に応じて、センサモジュール22によって受信されたデータを処理するための、そして、発電機20に制御信号を出力するための、ソフトウェア命令を実行可能である。コントローラ24によって実行可能であるソフトウェア命令は、コントローラ24のメモリ26内に格納される。
コントローラ24は、感知された値を処理するための、そして、制御信号を判定するための、アナログ回路網および/または論理回路網を含み得、制御信号は、マイクロプロセッサ25よりもむしろ、またはマイクロプロセッサ25との組み合わせにおいて、発電機20に送られる。
センサモジュール22は、例えば、組織インピーダンス、組織部位における電圧、組織部位における電流、その他など、様々な特性または状態を感知するために戦略的に位置を定められた複数のセンサ(明示されない)を含み得る。センサには、コントローラ24に情報を送信するためのリード(またはワイヤレス)が提供される。センサモジュール22は、制御回路網を含み得、この制御回路網は、複数のセンサから情報を受信し、その情報およびその情報源(例えば、その情報を提供する特定のセンサ)をコントローラ24に提供する。
より詳細には、センサモジュール22は、外科部位において印加される電圧および電流に関するリアルタイムの値を感知するために、リアルタイムの電圧感知システム(明示されない)と、リアルタイムの電流感知システム(明示されない)とを含み得る。さらに、外科部位において印加される電圧および電流に対するRMS値を感知および導出するために、RMS電圧感知システム(明示されない)およびRMS電流感知システム(明示されない)が含まれ得る。
RF出力段は、スイッチングレギュレータとしても知られるスイッチインダクタシステム200(図3)を含み得る。スイッチングレギュレータは、入力から出力へエネルギーを転送するために、スイッチ、インダクタおよびダイオードを使用する回路である。スイッチング回路の基本的構成部品は、ステップダウン(バック(buck))、ステップアップ(ブースト)、またはインバータ(フライバック)を形成するように配列され得る。スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータと比べて、3つの主な利点を提示する。第1に、スイッチング効率がリニアよりも格段に良好であり得る。第2に、転送においてより少ないエネルギーしか損失しないため、構成部品はより小さく、熱的管理はより少なくて済む。第3に、スイッチングレギュレータ内のインダクタによって保存されるエネルギーは、入力よりも高められ得る出力電圧(ブースト)、または負(インバータ)に変換され得、あるいは、入力に対して電気的絶縁を提供するように変圧器を通して転送されることさえあり得る。
図3は、本開示の実施形態に従うスイッチインダクタシステム200の概略図である。図3に示されるように、システム200は、スイッチングレギュレータ210および感知回路220を有する。図3は、ステップダウンまたはバックタイプの構成を有するスイッチングレギュレータ210を示すが、当業者はまた、感知回路220をインダクタと並列に配置することによって、感知回路220と共に、ステップアップ(ブースト)またはインバータ(フライバック)構成を使用し得る。システム200は、電源27に動作可能に連結され、また電源27によって電力供給される。システム200はまた、コントローラ24に動作可能に連結される。コントローラ24は、システム200の出力を制御するために、スイッチングレギュレータ210の電界効果トランジスタ(FET)M1およびM2を制御するための信号を提供する。スイッチングレギュレータ210はまた、インダクタL1を含む。インダクタL1は、他のインダクタよりも故障しにくい1回巻きインダクタであり得る。
感知回路220は、インダクタL1と並列に動作可能に連結される。感知回路220は、RC網を含み、このRC網は、キャパシタC1と直列の抵抗器R1を有する第1のRC回路222と、キャパシタC2と直列の抵抗器R2を有する第2のRC回路224とを有する。サイクル単位および平均の電源電流は、抵抗器R1とキャパシタC1とからなる第1のRC回路222を使用して、インダクタL1の固有の直列抵抗にわたる電圧を感知することによって判定され得る。インダクタL1にわたる電圧は、キャパシタC1をわたって再生される。インダクタL1をわたる電圧は、正確なサイクル単位の検出に対しては小さ過ぎるため、インダクタの電圧の交流電流(AC)成分を増幅するように、抵抗器R1およびキャパシタC1の値が修正される。例えば、R1およびC1の値は、キャパシタにおいてAC成分を100倍に増幅するように修正され得る。
第2のRC回路224は、信号の直流電流(DC)成分を復元するために使用され得、キャパシタC1またはインダクタL1をわたって接続され得る。C2にわたる電圧は、AC成分の増幅と整合するように増幅器230に入力され得る。増幅されたDC成分は、次いで、DCオフセットを復元するためにAC成分に付加され得、システムパワーを監視するためにコントローラ24に提供される。あるいは、DC成分は、DC成分電圧をコントローラ24または別の監視用デバイスに送られるのに適切なレベルに変換することによって、電源出力電流の計測手段を提供するように、さらに修正され得る。
電気外科用発電機20の動作期間中に、インダクタL1は飽和し得、または、インダクタL1の温度が上昇し得、それによって、電圧がインダクタにわたって計測された場合に、不正確な読み取りを生じる。感知回路220を追加することによって、感知回路220のRC網は、飽和または温度上昇を受けないので、より正確な計測が行なわれ得る。さらに、RC網は、キャパシタC1およびC2にわたる電圧降下をサイクル単位で計測可能であるので、パワー出力のより効率的な制御が実現され得、それによって、発電機20をより効率的にし、そして、発電機20によって発生する熱量を低減させる。
随意で、図3に示されるように、インダクタL1の温度を監視するために、サーミスタT1が、インダクタL1と熱的リンクを有する抵抗器R1と並列に提供され得る。サーミスタT1は、インダクタL1の温度の指標になる信号をコントローラ24に提供し得、コントローラ24は、次いで、インダクタL1の温度に基づいて、電源27またはRF出力段28の出力を制御し得る。
図3は、特定の回路配置を描写するが、本開示から逸脱することなく、複数の改変がシステム200に対してなされ得る。例えば、インダクタL1、抵抗器R1およびR2、ならびにキャパシタC1およびC2は、それぞれ、1つ以上の均等な部品によって置換され得る。また、インダクタL1は、可変インダクタで置換され得る一方、抵抗器R1およびR2は、1つ以上のポテンショメータによって置換され得、キャパシタC1およびC2は、可変キャパシタによって置換され得る。
前述の説明は、単に本開示の例示であることを理解されたい。本開示から逸脱することなく、様々な代替および改変が当業者によって考案され得る。したがって、本開示は、そのような代替、改変、および変形をすべて包含することを意図する。添付の図面を参照して記載された実施形態は、本開示の特定の実施例を例証するためにのみ提示されている。上述および/または添付の特許請求の範囲に記載したものから実質的に差異がない他の要素、ステップ、方法、および技術もまた、本開示の範囲内であることが意図されている。
2 電気外科用器具
4 供給ライン
6、16 リターン電極
8 リターンライン
10 双極電気外科用鉗子
14 アクティブ電極
18 ケーブル
20 電気外科用発電機
21 コネクタ
22 センサモジュール
24 コントローラ
25 マイクロプロセッサ
26 メモリ
27 電源
28 RF出力段
30 アクティブ端子
32 リターン端子

Claims (5)

  1. 電気外科用発電機であって、該電気外科用発電機は、
    該電気外科用発電機の電圧出力を制御するように構成されたコントローラと、
    エネルギーを出力するように構成された無線周波数出力段と
    を備え、
    該無線周波数出力段は、
    該コントローラから入力信号を受信し、電圧出力を提供するように構成されたスイッチングレギュレータであって、該スイッチングレギュレータは、少なくとも1つのスイッチと少なくとも1つのインダクタとを有する、スイッチングレギュレータと、
    該インダクタと並列な感知回路であって、該感知回路は、該電圧出力の交流電流成分を検出するように構成された第1のRC回路と、該電圧出力の直流電流成分を検出するように構成された第2のRC回路とを含み、該第1のRC回路は、抵抗器とキャパシタとを含む、感知回路と、
    該第1のRC回路の該抵抗器と並列なサーミスタであって、該サーミスタは、該少なくとも1つのインダクタへの熱的リンクを有することにより、該少なくとも1つのインダクタの温度を監視する、サーミスタと
    を備え、
    該感知回路は、該電圧出力の該交流電流成分と該電圧出力の該直流電流成分とを該コントローラに提供し、該サーミスタは、該少なくとも1つのインダクタの温度を示す信号を該コントローラに提供し、
    該コントローラは、該電圧出力の該交流電流成分と該電圧出力の該直流電流成分と該少なくとも1つのインダクタの温度を示す該信号とに基づいて、該電気外科用発電機の出力を制御する、電気外科用発電機。
  2. 前記感知回路は、増幅器をさらに含み、該増幅器は、前記電圧出力の前記直流電流成分を増幅する、請求項に記載の電気外科用発電機。
  3. 前記少なくとも1つのスイッチは、電界効果トランジスタである、請求項に記載の電気外科用発電機。
  4. 前記第1のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、請求項に記載の電気外科用発電機。
  5. 前記第2のRC回路は、少なくとも1つの抵抗器と、少なくとも1つのキャパシタとを有する、請求項に記載の電気外科用発電機。
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