(57)【要約】医療処置に有役な熱エネルギー制御器システムは、プローブに結合された制御器と、プローブ温度を変化させる発熱素子とを備える。制御器は、制御器の動作が選択されたプローブ設定に応じて自己変更するように種々のプローブのタイプに対する使用者の選択可能な設定を可能にする不連続アルゴリズムを格納するメモリを備える。プローブ出力パワーPoutはプローブ温度が目標温度のしきい値内に速やかに入らせる１つのモードでは一定である。次に、制御器は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）アルゴリズムPout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄを用いてPoutを動的に変化させることができる。ここで、フィードバックループ係数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄは、使用者が設定した所望の目標温度と検出プローブ温度との差を表す誤差関数ｅ(ｔ)の大きさにより動的に変化できる。都合のよいことには、目標温度にオーバーシュートなしに速やかに到達でき、プローブシステムが関節鏡視下組織処置において特に有効になる。
2005531367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしに目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのゲインパラメータと、プローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも１組のプローブ用設定をメモリに格納し、
（ｂ）しきい値入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｃ）前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｄ）前記少なくとも１組のプローブ設定から前記第１プローブ設定に応答して１組の設定を動的に選択し、
（ｅ）前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
（ｆ）プローブ温度が所望目標プローブ温度より低いときに、Poutを出力パワー制御信号とし、Ｋ４を定数としてPout＝Ｋ４により部分的に定義可能であり、プローブ温度が前記所望目標プローブ温度のしきい値範囲内にあるとき、Poutを出力パワー制御信号、Ｋｐを制御関数に関連する比例ゲインファクタ、Ｋｉを制御関数に関する積分ゲインファクタ、Ｋｄを制御関数に関連する微分ゲインファクタ、Ｐ，Ｉ，Ｄを制御関数に関連する比例、積分、微分関数として
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
により部分的に定義可能である閉ループ不連続制御関数を前記制御器に与え、
（ｇ）前記誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも１つの前記ファクタで動的に制御して、前記Poutを決定し、
（ｈ）前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法。
【請求項２】
工程（ｇ）は、ｅ(ｔ)を少なくとも２つの範囲の一方に量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Ｋｐ・Ｋｉ・Ｋｄの少なくとも２つを選択することを含む請求項１の方法。
【請求項３】
工程（ｇ）は、ｅ(ｔ)を少なくとも２つの範囲の一方に量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Ｋｐ・Ｋｉ・Ｋｄ用の値を選択することを含む請求項１の方法。
【請求項４】
工程（ｇ）で決定されたパワー量を無視し、その代わりにｅ(ｔ)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える工程をさらに備える請求項１の方法。
【請求項５】
工程（ｆ）は、出力制御信号が所定のしきい値を超えるとき、出力制御信号を所定出力値に制限することを含む請求項１の方法。
【請求項６】
出力制御信号が所定しきい値を超えるとき、積分関数Ｉの演算が無能にされる請求項１の方法。
【請求項７】
少なくとも１つのゲインパラメータが、設定された特定の比例ゲインファクタと、設定された特定の積分ゲインファクタとを備える請求項１の方法
【請求項８】
工程（ｆ）が
（ｉ）誤差信号ｅ(ｔ)に、選択された設定特定比例ゲインファクタを乗ずることによってKp・Pを生成し、
（ii）ｅ(ｔ)を積分し、積分に選択された設定積分ゲインファクタを乗ずることによってKi・Iを生成する、
工程を備える請求項７の方法。
【請求項９】
少なくとも１つのゲインパラメータが設定された特定の微分がゲインファクタを備え、工程（ｆ）が、微分関数を検出温度に適用して中間信号を生成し、中間信号に選択された設定特定微分ゲインファクタを乗じることによって微分信号を生成し、微分信号を合計して出力制御信号を生成することを含む請求項７の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのゲインパラメータが、設定された特定の比例ゲインファクタ、設定された特定の積分ゲインファクタおよび設定された特定の微分ゲインファクタを備える請求項１の方法。
【請求項１１】
アンチワインドアップ調整信号を生成し、誤差信号からアンチワインドアップ調整信号を減じて変形誤差信号を生成し、積分関数Ｉが変形誤差信号を積分する工程をさらに備える請求項１の方法。
【請求項１２】
出力パワーを上昇させる特定のプロファイルに対応するランプパラメータを受け入れ、ランプパラメータに応じて目標温度を変更する工程をさらに備える請求項１の方法。
【請求項１３】
プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしにプローブにおける目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも１組のプローブ用設定をメモリに格納し、
（ｂ）入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｃ）前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｄ）前記少なくとも１組のプローブ設定から前記第１プローブ設定に応答して１組の設定を選択し、
（ｅ）前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
（ｆ）プローブ温度が前記所望目標温度に近づく速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
（ｇ）前記誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも１つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
（ｈ）前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法。
【請求項１４】
工程（ｇ）は、ｅ(ｔ)を少なくとも２つの範囲の１つに量子化し、前記範囲の量子化された一方の関数として、前記閉ループに関連する特性係数を選択することを含む請求項１３の方法。
【請求項１５】
工程（ｇ）で、決定されたパワー量を無視し、その代わりにｅ(ｔ)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える工程をさらに備える請求項１３の方法。
【請求項１６】
工程（ｆ）は、出力制御信号が所定のしきい値を超えたとき、出力制御信号を所定出力値に制限することを含む請求項１３の方法。
【請求項１７】
目標プローブ温度が実質的なオーバーシュートなしにプローブに保持されるようにプローブ発熱素子とプローブ温度センサを有するプローブのパワー出力を動的に制御するシステムであって、プロセッサとメモリとを含む制御器を備え、前記メモリは、前記プローブ用の少なくとも１組の設定を有し、少なくとも１つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性を有し、前記プロセッサにより実行可能な不連続ルーチンを有して前記プロセッサに、
（ａ）入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｂ）前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｃ）前記少なくとも１組のプローブ設定から前記第１プローブ設定に応答して１組の設定を選択し、
（ｄ）前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
（ｅ）プローブ温度が前記目標温度に実際に近づきつつある速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
（ｆ）前記誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも１つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
（ｇ）前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を実行させるシステム。
【請求項１８】
工程（ｅ）において、前記制御器は、
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
によって部分的に定義し得る動的閉ループ制御関数を表し、Poutは出力パワー制御信号であり、Ｋｐは前記制御関数に関連する比例ゲインファクタであり、Ｋｉは前記制御関数に関連する積分ゲインファクタであり、Ｋｄは前記制御関数に関連する微分ゲインファクタであり、Ｐ，Ｉ，およびＤは前記制御関数に関連する比例，積分，および微分関数である請求項１７のシステム。
【請求項１９】
前記プロセッサが、ｅ(ｔ)を少なくとも２つの範囲の１つに量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Ｋｐ・Ｋｉ・Ｋｄの少なくとも２つを選択する請求項１８のシステム。
【請求項２０】
前記プロセッサが、ｅ(ｔ)を少なくとも２つの範囲の１つに量子化し、前記範囲の量子化された方の関数として、Ｋｐ・Ｋｉ・Ｋｄ用の値を選択する請求項１８のシステム。
【請求項２１】
工程（ｇ）で決定されたパワー量を無視し、その代わりにｅ(ｔ)の関数として使用者の選択した最大量のパワーを与える手段をさらに備える請求項１８のシステム。
【請求項２２】
プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有するプローブのパワー出力を動的に制御するシステムに関連して用いられるコンピュータプロセッサにより実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体であって、
前記メモリは、少なくとも１つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性を含む少なくとも１組の設定を含み、前記システムは目標プローブ温度がプローブで維持されるように機能し、
前記プロセッサにより実行されるときに前記ソフトウェアは、
（ａ）入力される目標プローブ温度を受入れ、
前記Ｋｐ，ＫｉおよびＫｄの少なくとも２つを前記範囲の量子化された一方の関数とする媒体。
【請求項２５】
工程（ｆ）で決定されたパワー量を無効にして、その代わりに前記ｅ（ｔ）の関数としてパワーの使用者選択最大量を与える工程をさらに備える請求項２２記載のコンピュータ読取り可能媒体。
【請求項２６】
工程（ｆ）は、出力制御信号が所定しきい値を超えるとき、出力制御信号を所定出力値に制限する工程を備える請求項２２記載のコンピュータ読取り可能媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
系属出願との関係
これは、「温度制御プローブを制御する方法と装置」という名称で、２０００年１２月１４日に提出された同時系属米国特許出願第０９／７３８,９４４号の部分継続出願であり、その同時系属出願は「温度制御器プローブを制御する方法と装置」という名称で１９９９年４月２１日に提出された米国特許出願第０９／２９６,６９０号、つまり（１９９９年１２月１９日に発行された）米国特許第６,１６２,２１７号の継続出願である。
【０００２】
発明の分野
この発明は一般的に医療用プローブ装置に関し、特に、その温度が熱的に不連続な環境で制御され医療処置中に組織に与えられる熱エネルギーを変化させるプローブに関する。
【０００３】
発明の背景
人体で最も豊富な組織は柔軟組織であり、最も柔軟な組織はコラーゲンである。実際、腱や靭帯の有機体の９０％以上はコラーゲンである。関節の接続組織は、柔軟組織、一般にコラーゲン組織から構成される。関節の柔軟組織が損傷をうけると、その回復経過は長く、痛みを伴うことが多い。
【０００４】
損傷をうけた関節の柔軟組織の処置を行う公知の方法は、強い運動，切開手術，関節鏡技術を含む。現行の処置を用いると、傷ついた関節を有する多くの人々は、長い痛み，運動の喪失，神経障害，進行する関節炎を被る。多くの損傷した関節における柔軟組織は、損傷関節をその機能の十分な範囲まで戻すまでには決して回復しない。
【０００５】
関節のコラーゲン組織のような柔軟組織に熱エネルギーを与えて組織を変化又は操作して熱治療中に治療上の応答を与えようと試みることは、当該技術において公知である。とくに、傷ついた関節の柔軟組織に制御された熱エネルギーを与えることによって、コラーゲン組織が縮み、不安定な関節を強化する。
【０００６】
柔軟組織のリハビリ的な熱処置用の医療プローブは、当該技術で知られている。これらのプローブの例は、レーザプローブと高周波加熱プローブを含む。これらのプローブは、コラーゲン組織のような柔軟組織のリハビリ的熱処置の基本的な要求を満たすが、多くは温度のオーバーシュートやアンダーシュートの変動を被り、予測できない温度変化をもたらす。
【０００７】
多くの存在する温度制御の方法論は、例えば、前述の「温度制御器プローブを制御する方法と装置」という米国特許第６,１６２,２１７（１９９９年）号に開示されているような連続アルゴリズムであるアルゴリズムに依存している。連続アルゴリズムを基本とする方法は、それ自体が連続であるシステム、つまり、媒体温度，媒体整合性，ヘッド負荷，冷却効果などが急激に変化しないシステムにおいて、うまく温度を制御することができる。
【０００８】
他のアプローチは、熱的に不安定な環境においてプローブから均一なエネルギーを与えようとする試みにおいてほとんど成功していないように見える。例えば、ラテックスの米国特許第５,４５８,５９６号は、柔軟組織の制御された萎縮のために熱を用いる基端と先端を有するプローブの例を開示している。しかし、他の従来技術のプローブと異なることなく、プローブ温度は、プローブからの熱が処置される組織の塊の中に放散される時に不安定になる。これは、ヒートシンクとして働き所望の目標温度を維持するための追加のエネルギー入力を要求する密集した組織を処置するときに、とくにわずらわしい。ヒートシンク効果を補償しようとして追加のエネルギーを与えることによって、所望温度に達する前に減衰不足効果を引起す。
【０００９】
一般的にシステムは減衰ファクタが１より大きい時に過剰減衰であり、そのシステムは低速応答時間を有する。システムは、その減衰ファクタが正確に１であるときに臨界的に減衰する。システムは、その減衰ファクタが１より小さいときに減衰不足になる。減衰不足のシステムでは、「リンギング（ringing）」が問題になり、柔軟組織の安全な加熱には高すぎる温度が瞬間的に与えられることになる。これが起きると、柔軟組織に対する損傷が、焦げることや融除、又は損傷を引き起こす柔軟組織上への望まない有害な影響の導入から生じる。
【００１０】
一般的に、医療プローブは、プローブの中の熱電対のような温度センサからの実際の温度測定と、一組の所定目標温度とに基づいてプローブパワー出力を制御する制御器に取付けられている。制御器は、温度センサによって検出される温度を監視する回路を備えるシステムの一部である。温度制御されるプローブは正確な凝塊を与えて損傷，焦げおよび泡立ちを除去するように設計される。異なる形態を有する異なるサイズのプローブが、肩，膝，くるぶし，手首および肘を含む種々の関節サイズを処置するために利用できる。
【００１１】
プローブが使用されるシステムの正確な温度制御が、柔軟組織の種々のタイプの熱治療の間、要求される。例えば、体温を物理的手段によって上昇させることによって患部柔軟組織の処置として形成された高体温の間、エネルギー供給電極用の好ましい材料が熱的に高応答性の材料であるため、従来技術のプローブには円滑で矛盾のない加熱を与えることが難しいものがある。そのような材料は一般的に大量の熱エネルギーを保持しない。開始時に、制御器は速やかにプローブを加熱して目標温度に到達させるが、オーバーシュートの問題を生じる。熱の印加中大きい組織の塊に接触するプローブは、周囲の組織塊の大きい温度差によりプローブ温度に減衰不足の変動を引き起こす傾向がある。同様に、当業者は、柔軟組織温度における所望の減少期間に同様の問題が生じることを認識するであろう。
【００１２】
さらに、種々のプローブは種々の動作特性を有する。大きいプローブを用いる用途は、所望温度に到達してそれを維持するために、通常、比較的大きい量のパワーを必要とする。脊椎プローブのように小さいプローブを用いる用途は、よく制御された正確で安定した温度を必要とする。しかしながら、一般的な従来技術の制御器は、異なるタイプのプローブに対してパワー出力を制御するために同じ方法を使用し、オーバーシュートおよびアンダーシュート問題の一因となっている。
【００１３】
従って、付設されるプローブのタイプに応じて制御器に動作を変化させ、プローブによる組織の処置中に温度のオーバーシュートおよび振動を、削除しないのであれば減少させることが好ましい方法と装置が必要とされる。さらに好ましくは、そのような方法と装置は、オーバーシュートすることや所望目標温度を超えることなく、そして熱出力パワーを早まって減ずることなく、処置下の組織に十分な熱エネルギーを速やかに生成することである。さらに、そのようなプローブは、関節鏡視下環境のような熱的に不連続な環境においてさえ、連続的に制御可能であるべきである。
【００１４】
この発明は、プローブへのパワー出力を連続的に制御し、医師又は他の医療従業者によってプローブで処置される組織において目標温度を維持するシステムに関連する方法と、システムと、コンピュータプロセッサにより実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体とを提供する。さらに、そのようなプローブは、関節鏡視下環境のような不連続な環境において、うまく使用される。
【００１５】
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしに目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも１組のプローブ用設定をメモリに格納し、
（ｂ）しきい値入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｃ）前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｄ）前記少なくとも１組のプローブ設定から前記第１プローブ設定に応答して１組の設定を動的に選択し、
（ｅ）前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
（ｆ）プローブ温度が所望目標プローブ温度より低いときに、Poutを出力パワー制御信号とし、Ｋ４を定数としてPout＝Ｋ４により部分的に定義可能であり、プローブ温度が前記所望目標プローブ温度のしきい値範囲内にあるとき、Poutを出力パワー制御信号、Ｋｐを制御関数に関連する比例ゲインファクタ、Ｋｉを制御関数に関する積分ゲインファクタ、Ｋｄを制御関数に関連する微分ゲインファクタ、Ｐ，Ｉ，Ｄを制御関数に関連する比例、積分、微分関数として
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
により部分的に定義可能である閉ループ不連続制御関数を前記制御器に与え、
（ｇ）前記誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも１つの前記ファクタで動的に制御して、前記Poutを決定し、
（ｈ）前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する高低を備える方法が提供される。
【００１６】
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサとを有し、実質的な温度オーバーシュートなしにプローブにおける目標プローブ温度を維持する制御器を備えるシステムに結合されたプローブのパワー出力を動的に制御する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのゲインパラメータとプローブ用の対応する所定動作特性とを含む少なくとも１組のプローブ用設定をメモリに格納し、
（ｂ）入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｃ）前記プローブ用の所望組の動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｄ）前記少なくとも１組のプローブ設定から前記第１プローブ設定に応答して１組の設定を選択し、
（ｅ）前記センサによって検出された温度と前記目標プローブ温度との比較から誤差信号e(t)を生成し、
（ｆ）プローブ温度が前記所望目標温度に近づく速度を検査し、前記閉ループシステムの現在の特性が前記目標温度に到達しそれを超えないか否かを決定する閉ループ制御不連続関数を制御器に与え、
（ｇ）前記誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて前記制御関数の少なくとも１つの前記ファクタで動的に制御して出力パワー制御信号Poutを決定し、
（ｈ）前記Poutに応じて前記発熱素子へのパワー出力を制御し目標プローブ温度を保持する工程を備える方法が、さらに提供される。
【００１７】
そのシステムは、制御器と、プローブと、プローブを制御器に結合する機構とを備える。プローブは発熱又は冷却を行うことができる発熱素子を備え、プローブにおける温度を検出する温度センサも備える。システムと制御器は、プローブ用の少なくとも１つの選択可能なプローブ設定を備えることによって異なるタイプのプローブを好適に効果的に収容し、制御器の動作が選択されたプローブ設定に応じて変更される。これによってプローブ出力がオーバーシュートすることなく、また目標温度を超えることなく制御され所望の目標温度が効果的に維持される。
【００１８】
そのシステムは、少なくとも１組のプローブ設定を格納するメモリを備え、格納された各設定は、好ましくは少なくとも１つのゲインパラメータを備え、プローブ用の所定の動作特性に対応する。実際問題として、目標温度と、プローブ用の所望の組の動作特性に対応する第１プローブ設定が受入れられ、１組のプローブ設定が第１プローブ設定に応じて選択される。検出温度は所望目標温度と比較され、誤差信号が生成される。選択された組のプローブ設定からのゲインパラメータを用いる制御関数が誤差信号に適用され、出力制御信号を生成する。比例・積分・微分（ＰＩＤ）アルゴリズムが所望の目標温度に到達するための出力制御信号に応じて、発熱素子に与えられるパワーを変化させる。
【００１９】
この好ましい実施態様は、米国特許第６,１６２,２１７で記述されたものを超えており、特に不連続な環境において実質的なオーバーシュートなしに、又は所望の目標温度を超えることなしに迅速に所望の目標温度に到達する。温度は米国特許第６,１６２,２１７号によってうまく制御できたが、そのような制御は熱的に連続な環境において最もよく機能し、実際、上述の方法は連続アルゴリズムを使用した。
【００２０】
しかし、或る用途、例えば関節鏡視下環境においては、プローブチップが機械的に制御されず、医療従業者によって予想不能に操作されるので、不連続プローブが変化を生じる。プローブが移動するとき、異なる組織の生地が出合うので、不連続プローブが変化を生じる。さらに、室温で塩水の流れを制御する関節鏡ポンプがオン・オフし、組織の接触圧が変化する。従って、この発明は、親出願および米国特許第６,１６２,２１７号に用いた連続アルゴリズムに対して、不連続アルゴリズムとして説明されるものを用いている。
【００２１】
動作の１つのモードにおいて、この発明は、測定されるプローブ温度がしきい値目標プローブ温度の所望範囲に入るまで、一定パワーPoutを最初に出力する不連続アルゴリズムを用いる。そのつなぎ目において、アルゴリズムは、
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
として定義される変形された比例・積分・微分（又はＰＩＤ）アルゴリズムを解く。ここで、Ｋｐは比例ゲインファクタ，Ｋｉは積分ゲインファクタ，Ｋｄは微分ゲインファクタ，Ｐ，Ｉ，Ｄは比例，積分，微分関数である。ＰＩＤアルゴリズムは、良好な粒度（granularity）又は分解能（resolution）で所望のプローブ温度を、実質的に超えることなく、維持する。
【００２２】
多くの用途において、係数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄは一定で、これらの係数は、測定されたパラメータ、例えば温度、あるいはインピーダンス、あるいは測定された電圧の大きさによって動的に変化することができる。
【００２３】
従って、この発明は、プローブ温度を、所望の目標プローブ温度に近い設定点の値まで大きさで速やかに上昇させ、その後、さらに微細な制御粒度でＰＩＤアルゴリズムにより制御する。その結果、オーバーシュートは最小になる。
【００２４】
この発明によれば、プローブ発熱素子とプローブ温度センサを有するプローブのパワー出力を動的に制御するためのシステムに関連して用いられるコンピュータプロセッサによって実行されるソフトウェアを含むコンピュータ読取り可能媒体がさらに提供される。前記メモリは少なくとも１つのゲインパラメータと、前記プローブ用の対応する所定動作特性とをプローブ用の対応する所定動作特性とを備える少なくとも１組のプローブ用設定を有し、前記システムは目標プローブ温度がプローブにおいて維持されるように機能し、前記ソフトウェアは、前記プロセッサによって実行されるとき、
（ａ）入力として前記目標プローブ温度を受入れ、
（ｂ）所望の組のプローブ用動作特性に対応する第１プローブ設定を受入れ、
（ｃ）前記第１プローブ設定に応じて、プローブ設定の少なくとも１組から１組の設定を選択し、
（ｄ）センサにより検出された温度と目標温度との比較から誤差信号ｅ(ｔ)を生成し、
（ｅ）１つのモードにおいてプローブを一定のパワーPoutで作動させ、第２のプローブ温度において目標温度に実際に接近し、閉ループシステムの現在の特性が目標温度に、それを超えることなく到達するか否かを決定する閉ループ不連続制御関数を制御器に与え、
（ｆ）誤差信号ｅ(ｔ)の大きさを用いて制御関数の少なくとも１つのファクタを動的に制御し、出力パワー制御信号Poutを決定し、
（ｇ）Poutに応じて発熱素子へのパワー出力を制御して目標温度を維持する工程を実行する。
【００２５】
この発明の他の特徴と利点は、好ましい実施態様が添付図に関連して詳述された次の記載から明らかになるであろう。
【００２６】
好ましい実施態様の詳細な説明
この発明の現在好ましい実施態様は、図１５に示される。しかし、図１５をよく理解するためには、まず、図１〜図１４を考慮することが有役である。図１〜図１４は米国特許第６,１６２,２１７号に記載された発明に適用可能であり、かつ、この発明をよく理解させる。‘２１７号特許に記載された発明は、親発明、又は、‘２１７号特許の発明としてここに引用される。
【００２７】
さて、図１に戻ると、現在好ましい発明は、親発明と同様に、プローブ１６と、プローブに結合された温度制御器２０（又はジェネレータ２０）とを備える。図１に示すように、発熱素子２２はプローブ１６のプローブチップ２４に取付けられている。発熱素子２２は、プローブ１６により処置される組織の温度を、加熱又は冷却によって変えるために用いることができる。発熱素子２２は、組織に高周波エネルギーを伝達するトランスデューサ、組織に熱エネルギーを伝達する抵抗発熱素子、および液体窒素で又は電気的に例えばペルチェ素子で冷却する素子を含む冷却素子の少なくとも１つを、制限なしに備える。模範的なプローブとエネルギー伝達システムは、ラックス他の米国特許第５,４５８,５９６号にさらにくわしく記載されているので、この特許は引用によってここに取り込まれる。
【００２８】
図１を参照すると、熱電対のような温度センサ２６は周囲温度を検出する。検出された温度は制御器２０に入力され、制御器２０は発熱素子２２に供給される電力量を制御し、プローブチップ２４の温度を変化させるか、又は、例えば、組織への高周波エネルギーの伝達中にプローブにより処置される組織の温度を変化させる。
【００２９】
なお、熱エネルギーは柔軟組織を処置するために用いることができ、好ましい実施態様では、温度制御器２０は、柔軟組織の処置において熱エネルギーを調整するために医師によって用いられる医療システムの一部である。目標物の温度を設定するために、医師（又は他の医療従業者）は、制御器２０上のノブ又はデジタルスイッチのような制御部２８を操作する。目標物の温度はディスプレイ３０上に表示される。制御器の動作特性の選択は、医師が複数位置スイッチ３２、例えば指回し式スイッチや他のスイッチ式選択器を調整することによって行うことができる。
【００３０】
動作特性の選択は、プローブ１６のタイプと、プローブを用いた熱治療を受ける組織のタイプとによって決定される。換言すれば、各スイッチの位置は、プローブと組織との組合せと関連することが好ましい。医師は所望の動作特性とスイッチの位置を、制御器２０のメーカーから、例えば制御器メーカーによって提供される取扱説明書（ＩＦＵ）から、得ることができる。この方法で、医師は、種々のプローブに対して所望の又は目標とする温度と動作特性の両方を設定することができる。
【００３１】
図２は、制御器２０を、さらに詳細に示す。制御器２０は、メモリ３６，制御部２８，ディスプレイ３０，スイッチ３２，プローブ１６に取付けられた電源４０を制御する電力制御回路３８につながるプロセッサ３４を備えることが好ましい。プロセッサ３４は、通常、マイクロプロセッサと、制御部２８，ディスプレイ３０，スイッチ３２および電力制御回路３８につながる周辺ポートとを備える。メモリは通常、半導体メモリからなるが、その代わりに（又は追加して）他のタイプのメモリ、例えば磁気ディスクメモリおよび光記録メモリからなってもよい。
【００３２】
この発明の親発明および好ましい実施態様は、種々の形の、いわゆる比例，積分，微分、つまりＰＩＤを備える。図２に示すように、メモリ３６は、ＰＩＤ温度制御ルーチン又は手順４２，ＰＩＤ生成手順４３（後述する），プローブ設定１〜プローブ設定Ｎで示されるＮセットのプローブ設定４４〜４６，温度プロファイル４７およびスイッチ設定テーブル４８を格納する。
【００３３】
メモリ３６に格納された模範的なプローブ設定４６は、比例ゲインファクターＫｐ，積分ゲインファクターＫｉ，および微分ゲインファクターＫｄを備え、不履行目標温度および不履行最大電力値をさらに備えることができる。プロセッサ３４は、ＰＩＤ温度制御手順４２を実行して、ＰＩＤ生成手順４３で実行されるＰＩＤ制御法を用いてプローブ温度を制御する。次の表１はゲイン設定の好ましい組を示す。
【００３４】
【表１】
2005531367.tif 000003
【００３５】
表１を参照すると、ＤやＥのような高いゲイン設定は、医師が組織の大きい領域に熱を加えて組織を横切ってプローブを動かさなければならないという用途に有益である。そのような用途では、熱変動を吸収可能な大量の組織により、程度の高い温度振動が許容されることがある。
【００３６】
Ａ，，Ｂ，Ｃのような低いゲイン設定は、プローブが長期間静止して温度がゆっくり、例えば数分にわたって変化するような用途に有役である。低いゲイン設定は、さらに正確な温度制御を提供する。
【００３７】
図２において、メモリ３６はまた、タスクスケジュール４９ａ，目標温度設定手順４９ｂ，ＰＩＤ制御手順４９ｃ，および目標温度４９ｄ（以後、図１２〜１４を引用して後述する）も格納している。
【００３８】
図３において、スイッチ設定表４８は、スイッチ３２の各設定を、一組のプローブ設定に結びつけている。次に示す表２は表４８用の模範的なスイッチ設定を示し、種々のスイッチ位置間の関係，不履行温度，不履行最大出力電力，ゲイン設定，プローブのタイプを要約している。
【表２】
2005531367.tif 000004
【００３９】
今、図４を参照すると、比例−積分−微分（ＰＩＤ）温度制御の１つの実施態様のハードウェア構成が示され、このハードウェア構成ではブロック５０が、この発明による制御方法を実行するために用いられるハードウェア構成の部品を明らかにしている。制御システム設計の当業者であれば、ソフトウェア構成によって、開示された制御方法が実行されるということを認めるであろう。例えば、温度制御ブロック５０は、ＰＩＤ温度制御手順４２のソフトウェアで実行されることが好ましい。しかしながら、説明を容易にするために、この発明の種々の実施態様は、ハードウェア構成に関して説明され、等価のソフトウェアとソフトウェアのフローチャートにより補足される。
【００４０】
なお、制御器２０を用いて、医師は、制御部２８と、デジタル目標温度信号を出力する付属回路とを用いて所望の温度を設定する。
図４に示すように増幅器５２によってデジタル目標温度信号に、一定ゲイン値Ｋｓ（Ｋｓ≒１０）が掛け算される。
【００４１】
作動中において、プローブチップ２４は、プローブ１６により処置される組織５６の温度を変化させる。温度センサ２６、例えば熱電対は、温度における環境の変化を検出し、検出温度に対応するアナログ信号を出力する。アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５８はアナログ検出温度信号を、デジタル検出温度値に変換する。また、Ａ／Ｄ変換器５８は較正され、検出温度信号に所定値、例えば１０を掛けて温度信号に合わせる。
【００４２】
第１加算器６０は、デジタル目標温度値からデジタル検出温度値を減算することによって誤差値つまり誤差信号Ｅ(ｔ)を生成する。
【００４３】
ＰＩＤ生成ブロック６１は、３つの信号又は値，つまり、比例値，積分値および微分値を生成する。ソフトウェア構成においては、ＰＩＤ生成ブロック６１は、図２のＰＩＤ生成手順４３を用いて実行される。
【００４４】
第１増幅器６２は、誤差値に比例ゲインファクタＫｐを掛けて比例信号又は比例値を生成する。
【００４５】
積分値又は積分信号の生成は次の通りである。
第２加算器６４は誤差信号ｅ(ｔ)から非積分ワインドアップ信号を減算し、その出力をスイッチ６６を介して積分器６８に与える。積分器６８は、１／ｓラプラス変換によって表された調整誤差値を積分し、中間値又は中間信号を生成する。デジタルインプリメンテーションにおいて、積分器６８は、台形，オイラー，方形およびルンゲ・クッタのアルゴリズムを無制限に含む複数の公知のアルゴリズムのいずれをも使用できる（ここに説明されるべき他の実施態様に用いられるデジタル積分器は、そのようなアルゴリズムを用いて同じように実行可能である）。第２増幅器７０は、積分器６８から出力される中間値に積分ゲインファクタＫｉを掛け算して積分値を生成する。
【００４６】
微分ユニット７２は変換関数を検出温度値に適用して中間微分信号又は値を生成して微分値を生成する。第３増幅器７４は中間微分信号又は値に微分ゲインファクタＫｄを掛け算する。伝達関数は後述されるが、次のようなラプラス変換として表されることが好ましい。
−ｓ／（０.２５ｓ＋１）
【００４７】
第３の加算器７６は、比例値，積分値および微分値を加算してＰＩＤ制御値又は信号を生成する。
【００４８】
この発明の好ましい実施態様によれば、比例ゲインファクタ，積分ゲインファクタおよび微分ゲインファクタは、ＰＩＤ制御処理の開始前にスイッチ３２の設定と、メモリ３６内の表と設定の組合せとから決定される。このようにして、ＰＩＤ制御機能と、比例，積分，微分値のゲインは、異なるタイプのプローブの個々の注文に応じることができる。
【００４９】
図４に示すように、ＰＩＤ制御値が所定のしきい値を越えた場合には、クランプ回路７８が調整済みのＰＩＤ制御値を出力する。従って、クランプ回路７８は、最大許容電力値を電力制御回路３８に出力し、過熱を防止するためにプローブに供給する電力量を制限又はクランプする。ＰＩＤ制御値が所定のしきい値を越えない場合には、クランプ回路７８はＰＩＤ制御値を出力する。１つの実施態様では、ＰＩＤ温度制御手順が、図３の表４８の不履行最大電力値から不履行最大許容電力を決定する。他の実施態様では医師が最大許容電力を手動で設定する。
【００５０】
アンチワインドアップ（antiwindup）回路もまた、電力量の制限を助ける。これは、積分器が大きい電力サージを含むことを防止することによってなし遂げられ、積分器に安定した定常状態値、従って、プローブのさらに安定した処理温度をさらに効果的に出力させる。第４加算器８２は、ＰＩＤ制御値から調整済みＰＩＤ制御値を減算してアンチワインドアップ差を生成する。第４増幅器８４は、アンチワインドアップ差にアンチワインドアップゲインファクタＫｗ、通常４を掛け算してアンチワインドアップ誤算を生成する。第２加算器６４は、誤差値ｅ(ｔ)からアンドワインドアップ誤差を減ずる。
【００５１】
調整済みＰＩＤ制御値は、通常、ＰＩＤ制御値に等しいので、アンチワインドアップ差は通常は零であり、積分器６８に供給される誤差値は影響を受けない。しかし、ＰＩＤ制御値が大きいとき、例えば、電源が最初にオンされたときには、ＰＩＤ制御値は最大許容値を超えてＰＩＤ制御値がクランプされることがある。この場合には、アンチワインドアップ差は零より大きく、正の値が第２加算器６４の正入力に供給され、積分器に供給される誤差値の大きさを減じ、それによって大きいサージの影響を減じる。
【００５２】
実際問題として、医師はプローブ１６に供給される電力量を、スイッチ３８と６６の位置を制御する足踏みスイッチ電力制御８６を用いて制御できる。
足踏みスイッチ電力制御８６が作動しないとき、零値が、第１スイッチ位置において第１ゼロブロック９２を介して積分器６８に供給される。同様に、プローブに電力が出力されないように第２ゼロブロック９４が、電力制御回路３８によって用いられる。足踏みスイッチ電力制御８６が作動すると、スイッチ６６は第２スイッチ位置へ変化し、第２加算器６４の出力を積分器６８へ供給させる。さらに、スイッチ３８が第２スイッチ位置に変化して出力制御値をクランプ回路７８からプローブへ供給させる。
【００５３】
図４に示す伝達関数ユニット７２は、図５に示す模範的な微分ユニット７２により実行される。伝達関数ユニット７２は入力信号Ｘを受けて値Ｙを出力する。第５増幅器９６は、入力信号Ｘに値Ａ０を掛け算する。微分ユニット７２は、微分関数の効果を抑制する積分器９８を備え、それによって、入力信号の大きい変化およびノイズに対する微分ユニット７２の感受性を低減させる。なお、積分器９８用のデジタルインプリメンテーションは、存在するアルゴリズムを用いて実行される。電源のオン時に、積分器９８の出力は零に初期化される。第６増幅器１００は積分器出力にＡ０を掛け算して変形積分信号を生成する。第５加算器１０２は、掛け算された入力信号から変形積分信号を減算し、第７増幅器１０４は加算器１０２の出力にＢ１を掛け算し、中間積分値を生成する。好ましい実施態様においては、Ａ０は４に等しく、Ｂ１は１に等しい。
【００５４】
図６に示すＰＩＤ制御機能は、アンチワインドアップ機能が異なって実行されるということを除いて、図４に示すそれと同様である。図６において、アンチワインドアップ差は、次の積分を停止させるスイッチとして用いられ、それによって、改良された定常状態処理に帰着する。アンチワインドアップ差が零に等しい時、積分器６８は積分することができるが、アンチワインドアップ差が零でないとき、積分器６８は積分を停止する。
【００５５】
図６において、第４加算器８２はアンチワインドアップ差を生成し、その差はコンパレータ１０６によって零値１０７と比較される。コンパレータ１０６からの出力は、インバータ１０８によって反転される。インバータ１０８と足踏みスイッチ制御８６からの信号とに応答して、アンドゲート１１０は、スイッチ６６を制御する位置制御信号を生成する。
【００５６】
特に、足踏みスイッチを医師が作動しないとき、足踏みスイッチ電力制御信号は零値を有し、アンドゲート１１０からの出力はデジタル零値になり、スイッチ６６は第１スイッチ位置へ移動して零値を出力し、積分器６８の積分動作を妨げる。
【００５７】
しかしながら、足踏みスイッチが作動すると、足踏みスイッチ電力制御信号がデジタルの１の値になり、アンドゲート１１０がアンチワインドアップ回路に応答する。アンチワインドアップ差が０に等しい時、コンパレータ１０６がデジタル０の値を出力し、その０の値はインバータ１０８によってデジタル１に変換される。インバータ１０８はデジタル１の値を出力するので、アンドゲート１１０はデジタル１の値を出力し、スイッチ６６は図６に示すように第２スイッチ位置に配置され、積分器６８は誤差信号ｅ(ｔ)を積分する。
【００５８】
アンチワインドアップ差が０に等しくない時、アンチワインドアップ差は正の値を有し、コンパレータ１０６はデジタル１の値を出力し、インバータ１０８は０の値を出力する。インバータ１０８からの０の値に応答してアンドゲート１１０はデジタル０の値を出力し、スイッチ６６が第１スイッチ位置に配置され積分器６８に０値を出力し、それによって積分器６８の積分動作を妨げる。
【００５９】
図７に示されるＰＩＤ制御機能は、誤差信号ｅ(ｔ)が微分ブロック７２に供給される点を除いて、図６に示されるものと同等である。
【００６０】
図８は、図４のＰＩＤ制御方法を実行するために用いられる、図２のＰＩＤ温度制御手順のフローチャートである。ステップ１１２において、プローブ設定の組合せと、プローブ設定をスイッチ設定に関連づける表とが前述のようにメモリに与えられる。各組合せは、特定プローブ用の所定動作特性に対応する。ステップ１１４において、ＰＩＤ温度制御手順４２は、目標温度を受入れる。目標温度は、例えばディスプレイ３０に関連して医師により設定されることが可能である。ＰＩＤ温度制御器により使用される目標温度値は、ある因数倍、例えば１０倍されたセ氏温度で医師により設定された温度である。ステップ１６において、ＰＩＤ温度制御手順４２は、複数位置のスイッチから、所望の組の動作特性に対応する第１の設定を受入れる。
【００６１】
ステップ１１８において、ＰＩＤ温度制御手順４２は、複数位置のスイッチ設定に応じて特定の組のプローブ設定を選択する。その特定組は、比例，積分および微分ゲインファクタＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄをそれぞれ上述のように有し、それらはＰＩＤ生成手順によって用いられる。医師が目標温度を設定しない場合には、選択されたスイッチ設定用にメモリに格納された不履行目標温度が使用される。ステップ１１９において、ＰＩＤ温度制御手順は、次のサンプル期間の前に、所定の時間だけ待機する。或る実施態様では、その所定時間は２０ｍｓに等しい。換言すれば、ＰＩＤ温度制御手順は、２０ｍｓ毎にプローブによって出力された検出温度値をサンプリングする。或る実施態様では、ＰＩＤ温度制御手順は、サンプル期間をトリガーするために割込みを用いる。
【００６２】
ステップ１２０では、検出温度値が受入れられる。目標温度と同様に、検出温度値は実際のセ氏温度を表わし、１０倍される。ステップ１２２では、目標温度から検出温度を減算することによって誤差値が生成される。
【００６３】
破線によって示されるステップ１２４〜１３０は、図２のＰＩＤ生成手順４３において実行され、手順４３はＰＩＤ温度制御手順によって呼び出される。ＰＩＤ生成手順はまた、図４に示されるＰＩＤ生成ブロック６１に対応する。ステップ１２４では、比例値が、誤差値に特定の比例ゲインパラメータＫｐを乗ずることによって生成される。ステップ１２６では、積分値が、誤差値からアンチ積分ワインドアップ値を減算し、減算結果を積分し、積分された調整誤差値に特定の積分ゲインパラメータＫｉを乗ずることによって生成される。
【００６４】
積分器６８は、種々の公知のアルゴリズムを用いて実行可能である。ステップ１２８では、上述のように微分変換関数を検出温度値に適用し、変換関数の結果に特定の微分ゲインパラメータを乗ずることによって、微分値が生成される。ステップ１３０では、比例値，積分値，および微分値を合計することによって、出力制御信号が生成される。
【００６５】
ステップ１３２では、出力制御信号は、出力制御信号が所定しきい値を越えたときに所定出力値までサンプリングされる。その所定しきい値は表２からの不履行設定電力であるか、又はその所定しきい値は医師によって手動設定され得る。また、複数位置スイッチの設定に基づいて、上記テーブルの１つに格納された不履行最大電力値が用いられる。ステップ１３４では、電力が出力制御信号に応じてプローブの発熱素子へ出力され、ステップ１２０において、処理がくり返す。
【００６６】
図９は、図８に示す微分値を生成するステップ１２８の詳細フローチャートである。ステップ１３６では、現在検出された温度値が第１定数Ａ０倍される。ステップ１３８では、仮の値がＡ０倍された現在の検出温度から積分出力値を減ずることによって生成される。最初は、その積分出力値は０であり、各現在の検知温度の示度によって変更される。ステップ１４０では、その仮の値が第２定数Ｂ１倍されて微分値が生成される。ステップ１４２では、新しい積分値が、以前の検出温度値と現在の検出温度値に基づいて生成される。その積分は、種々の公知のアルゴリズムのいずれかを用いて再び実行できる。新しい積分値は第１定数、Ａ０倍され、次の演算に用いられる他の積分出力値を生成する。上述のように、第１定数Ａ０は４に等しく、第２定数Ｂ１は１に等しいことが好ましい。
【００６７】
図８と図９は、誤差値が、検出温度値の代わりに微分処理に入力される別の実施態様を示す。
【００６８】
図１０は、図４に示すＰＩＤ温度制御手順４２のフローチャートであり、図４のアンチワインドアップ機能を実行するために用いられる。ステップ１５２では、アンチワインドアップ差は、出力制御信号から最大所定クランプ値を減ずることによって決定される。ステップ１５４では、アンチワインドアップ調整値がアンチワインドアップ差にアンチワインドアップゲインファクタを乗ずることによって生成される。ステップ１５６において、アンチワインドアップ調整値は誤差値から減算され、変更誤差値を生成し、その変更誤差値はステップ１５８で積分される。
【００６９】
図１１は、図６のアンチワインドアップ機能の異なる実施態様を実行するために用いられる図２のＰＩＤ温度制御手順のフローチャートである。ステップ１６２では、アンチワインドアップ差は、出力制御信号から最大所定クランプ値を減ずることによって決定される。ステップ１６４では、アンチワインドアップ差がゼロでないとき、その手順は誤差値を積分することを中止する。
【００７０】
図１２は可変温度設定を実行するために用いられる図２のＰＩＤ温度制御手順４３のフローチャートである。医師は用途によって温度プロファイルの変更を望むことがある。大きい人体の関節を処置するとき、医師はプローブを高出力モードで使用してプローブを速く加熱して目標温度を維持したいと望むことがある。しかしながら、脊椎上を処置するとき、医師は、非常に制御された温度を有しオーバーシュートのない低出力モードを用いることを望むことがある。
【００７１】
この発明のこの実施態様において、医師は複数位置スイッチによって特定の温度プロファイル（図２のブロック４７参照）を選択できる。医師はまた、最終目標温度を設定してもよい。図１２のステップ１７２では、ＰＩＤ温度制御手順において、選択されたスイッチ位置は、出力温度まで斜めに上昇するランプパラメータを有する特定の温度プロファイルに対応する。また、図１３を参照すると、追加の模範的は温度プロファイルが示されている。各プロファイル１７６，１７８は、ランプパラメータ（ランプ１，ランプＮ），ゲイン設定，最終目標温度を格納する。図１２を参照すると、ステップ１８０では、スイッチ位置に応じて目標温度がランプパラメータに基づいて開始温度に対して初期化される。ランプパラメータに関連するゲインファクタの組が検索され、ＰＩＤ制御手順によって使用されるＰＩＤ制御ブロックにロードされる。ステップ１８２では、ＰＩＤ温度制御手順はマイクロプロセッサを形成し、所定間隔で、好ましくは２０ｍｓ毎に割込みを行う。
【００７２】
ブロック１８４におけるステップは割込みに応じて実行される。ステップ１８６では、目標温度が、設定目標温度手順（図２の４９ｂ）を用いて設定される。ステップ１８６が第１の割込みに応じて実行されていると、目標温度はすでに開始温度に対して設定されている。そうではなく、所定時間が連続的な目標温度変化間で経過した場合には、目標温度は目標温度にランプパラメータを加えることによって変更される。目標温度は３０秒毎に変更されることが好ましい。ランプパラメータと目標温度との合計が最終目標温度を超えた場合には、目標温度は最終目標温度に設定される。
【００７３】
ステップ１８８では、ＰＩＤ制御手順（図２の４９ｃ参照）が実行され、プローブの温度を制御する。ＰＩＤ制御手順は各割込み時に２０ｍｓ毎に行われる。ＰＩＤ制御手順は図１４においてさらに詳しく示される。ステップ１９０では、ＰＩＤ温度制御手順は、次の割込みが生じるのを待つ。
【００７４】
好ましくは、マイクロプロセッサは、ラウンドロビン仕事スケジュラーのような仕事スケジュラー（図２の４９ａ）を実行し、割込みを生成し、タスクとして目標温度設定手順とＰＩＤ制御手順を実行する。目標温度はメモリ（図２の４９ｄ参照）に格納され、目標温度設定手順とＰＩＤ制御手順の両方によってアクセスされる。
【００７５】
他の実施態様では、目標温度設定手順は、目標温度を変更することに加えて、ゲインファクタを変更する。例えば、特定のスイッチ位置の設定に対して、厳密に制御された温度による低電力の用途が所望される。そのスイッチ位置に基づいて、ＰＩＤ温度制御手順は、最終目標温度よりもはるかに低い初期目標温度を設定する。ＰＩＤ温度制御手順もまた、特定のスイッチ位置の設定に関連する所定の組のゲイン値を使用し、割込みが形成される。割込みに応じて、目標温度設定手順とＰＩＤ制御手順が２０ｍｓ毎に行われる。
【００７６】
３０秒が経過すると、目標温度設定手順は、初期目標温度を所定量、例えば１度だけ増加させ、次の目標温度を生成する。このようにして、目標温度設定手順は、最終所望目標温度に達するまで、中間の目標温度を増加させる。結果的に、プローブの温度は非常によく制御され、オーバーシュートが実質的に回避される。
【００７７】
図１４には、図１２のステップ１８８のＰＩＤ制御手順のフローチャートが示される。ＰＩＤ制御手順は、上述の図８のステップ１２０〜１３４を用いる。図１０又は１１のアンチワインドアップは、図１４のＰＩＤ制御手順と共に使用可能である。
【００７８】
なお、プローブのタイプに依存して、組織温度を増減するために目標温度を設定できる。
従って、この発明の方法と装置は高温および低温プローブを制御して組織を加熱又は冷却することができる。
【００７９】
図１５に戻ると、ＰＩＤ制御手順の現在好ましい実施態様が示される。図１５において前述のエレメントと同じ番号を有するエレメント又はブロックは前述のエレメントに同じであると考えられる。なお、２つの新しいブロック、つまりブロック１００と１０３が追加されている。
【００８０】
この好ましい実施態様の設計目的は、実際のプローブ温度が所望のしきい値の目標プローブ温度に速やかに接近し、その後、実質的な温度のオーバーシュートがなく、好ましくは短い信号時間間隔に対して平坦にならないようにきわめて正確に制御されることである。従って、図１５の実施態様では、複数相の不連続制御アルゴリズムが用いられ、実際の測定温度と所望の目標温度との差を制御する。動的に選択可能な不連続アルゴリズムを用いることによって、処置サイクルの特定期間にプローブのパワー出力が最適化される。
【００８１】
最初に、この好ましい実施態様によるプローブは一定パワー出力（Pout）モードで作動され、その期間にプローブ温度が速やかに所望のしきい値目標温度に向かって上昇することができる。この目標温度のしきい値範囲内で、図１５のブロック１００に示される制御ＰＩＤアルゴリズムの不連続領域は、プローブ温度をさらに細かく制御することができる。最終結果は、所望のプローブ温度が、関節鏡環境においてさえ、速やかに到達されて維持されることである。
【００８２】
この新しいアプローチは、図１５のブロック１００によって示されたこのアルゴリズムに不連続性が存在するという点で、‘２１７特許に記載された連続ＰＩＤ制御アルゴリズムと異なる。‘２１７特許における連続アルゴリズムは、かなり予言的であったが、制御メカニズムが目標温度に到達する前にプローブに与える電力を減少させることになるという点で保守的な傾向があった。これに対して、図１５のブロック１００に示されるＰＩＤ制御アルゴリズムは、高速上昇手順を用いて目標温度により迅速に到達する傾向を有し、比較的細かい粗さのパワー制御用の最適速度パラメータを与える。
【００８３】
この好ましい実施態様は、
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
として定義できる変形ＰＩＤアルゴリズムを実行するよって、オーバーシュート、または超過することなしに所望の目標温度に到達しようと努める。ここでPoutは出力パワー、Ｋｐは比例ゲインファクタ、Ｋｉは積分ゲインファクタ、Ｋｄは微分ゲインファクタ、Ｐ，Ｉ，Ｄは、比例，積分，微分関数である。図１５に示すフィードバックループに関連して、変形ＰＩＤアルゴリズムは、プローブ温度が目標温度に接近する速度を調整でき、Ｋｉ・Ｉファクタは温度差を積分して平均温度が所望の目標温度になるように温度を増加させる傾向がある。その結果は、プローブが処置下にある組織の上を移動したときでも目標温度を越えることなしにプローブ温度を迅速に制御することである。
【００８４】
動作の１つのモードにおいて、プローブの出力パワーは一定、例えばＰ0＝ｋ４に保持される。ここでｋ４は所望の一定の出力の大きさである。誤差信号ｅ(ｔ)は図１５のブロック６２，６４，１００への出力として利用可能であり、測定されたパラメータが目標パラメータに近づく方法の基準を与える。測定されるパラメータは、好ましい実施態様では、インピーダンスや電圧、又は利用可能な他のものであってもよく、プローブ温度は重要なパラメータである。
【００８５】
図１５のブロック１００に関し、Ｉ１は重要な測定パラメータ、例えば、プローブチップ温度を表すことができ、ｍ１は所望のしきい値のレジューム（regime）を表すことができる。従って、プローブは最初はＰ0＝ｋ４（定数）で作動されるが、プローブチップの温度が上昇して第１しきい値のレジュームに十分近づくと、不連続ＰＩＤアルゴリズムが出力パワーＰ0、例えば、
Pout＝Ｋｐ・Ｐ＋Ｋｉ・Ｉ＋Ｋｄ・Ｄ
の制御を行う。
【００８６】
係数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄは多くの用途において一定でもよいが、この発明では、測定パラメータ、例えばプローブ温度の応答に依存してこれらの係数のいずれか又はすべてが動的に変更される。従って、プローブ温度が第１しきい値温度ｍ１に十分近づいた後に、ＰＩＤアルゴリズムにおける係数は、例えば、Ｋｐ１，Ｋｉ１，Ｋｄ１で示される。プローブの温度が第２レジュームに近づくと、係数はＫｐ２，Ｋｉ２Ｋｄ２などに動的に変更され得る。ｅ(ｔ)の範囲が適当な係数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄのいずれか又はすべてを選択するために用いられることができるということが再び理解される。
【００８７】
望ましい結果は、プローブ温度を所望の目標温度に（それを越えることなく）比較的迅速に近づけた後、動的ＰＩＤアルゴリズムによってプローブが熱的パワーを所望速度で、組織表面温度における動的な変動なしに、組織温度の最適な広がりと熱エネルギーの深さで組織を加熱するために熱的パワーを与えることである。従って、‘２１７号特許による熱制御は熱的安定環境、例えば表面加熱においてプローブ温度を維持するのによい働きをしたが、この発明に用いられる不連続ＰＩＤ機能は、靭帯処置を含む関節鏡的環境に関連したより大きい組織深さにおいて実質的なオーバーシュートなしで、細かい粒状の制御で、プローブ温度を維持できる。
【００８８】
従って、この好ましい実施態様により、図１５のブロック１００は一組の論理ステートメントを与えて誤差信号ｅ(ｔ)に基づくＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄの値を決定する。所定の限度Ｉnとｍn（ｎは指標）に比較されるｅ(ｔ)の関係に依存して、係数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄが異なる値をとる。種々の限度ファクタ、例えばＩ1，Ｉ2……ｍ1，ｍ2……と、係数又はゲインファクタＫｐ1，Ｋｐ2，……，Ｋｉ1，Ｋｉ2，……，Ｋｄ1，Ｋｄ2は、メモリ３６（図３参照）に格納されることが好ましい（図３参照）。
【００８９】
ブロック１０１において、ブールの論証ｅ(ｔ)＞ｎは、ここに１０２として示されるパワー出力制御回路の状態を制御する。パワー出力制御回路は、パワーのＰＩＤ演算量又は１０３で医師によって選択された最大パワー量のいずれかを供給する。
【００９０】
要するに、最初はプローブは一定のパワー出力レベルＰ0＝ｋ４で作動され、プローブチップ温度を速やかに所望目標温度に接近させる。次に、図１５のブロック１００に示す不連続ＰＩＤアルゴリズムを用いて、アルゴリズムのＫｐ・Ｐ部分は、実際のプローブ温度（例えば、センサ２６で測定される）と所望目標温度（例えば医師使用制御２８によって設定された）との間の差を見る。アルゴリズムのＫｄ・Ｄ部分は、プローブ温度が実際に所望目標温度に近づく速度を検査し、アルゴリズムのＫｄ・Ｄ部分は現在の設定（これらの設定は動的である）が目標温度にそれを超えることなく結果的に到達するか否かを示す。
【００９１】
上記の動的な解法は、システムの温度応答が比較的大きいオーバーシュートを有するにもかかわらず目標温度に速やかに到達するように調整できるか、又はシステムのゲインファクタが目標温度に到達するために比較的長い時間を要するにもかかわらず最小の温度オーバーシュートになるように調整される他の設計に内在する交換条件の発生を防止するということは、評価されるであろう。
【００９２】
さらに、上記の動的な解法は、プローブが比較的低温、例えば３７℃である組織を横切って連続的に移動する関節鏡的処置において使用されることを可能にする。比較的冷たい組織を横切るプローブの動作は、プローブ温度をオーバーシュートなく迅速に所望温度まで上昇することを困難にさせる温度負荷を与える。プローブ温度が目標温度に向かって丁度動き始めたか否か、又はプローブ温度が目標温度に実際きわめて接近したか否かに依存して、アルゴリズムが制御システムを動的に再形成するという図１５のＰＩＤ形態がこの挑戦に遭遇する。
【００９３】
開示された実施態様に対する変形や変更は、特許請求の範囲によって規定された発明の主題を精神から離れることなく行われる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】この発明の実施態様による制御器とプローブを示す。
【図２】この発明の実施態様による図１の制御器を示す。
【図３】この発明による、特定スイッチ位置による特定のプローブ設定に関連し図２のメモリに格納された模範的な表を示す。
【図４】この発明による、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御関数の第１実施態様を示す。
【図５】図４の微分動作の実施態様を示す。
【図６】この発明による、ＰＩＤ制御機能の第２実施態様を示す。
【図７】この発明による、ＰＩＤ生後機能の第３実施態様を示す。
【図８】図４のＰＩＤ制御機能のフローチャートである。
【図９】図８のステップ１２８に用いられる図５の微分動作のフローチャートである。
【図１０】この発明による、アンチワインドアップ機能の第１実施態様のフローチャートである。
【図１１】この発明による、アンチワインドアップ機能の第２実施態様のフローチャートである。
【図１２】この発明による、目標温度を変化させて最終目標温度に達する実施態様のフローチャートである。
【図１３】図２のメモリに格納された模範的温度プロファイルである。
【図１４】図１３のステップ１８８の詳細フローチャートである。
【図１５】この発明による、不連続比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御機能の追加の現在好ましい実施態様を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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