CN105534594B - 在点火式电外科器械作用于生物组织时检测金属的装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的利用点火式电外科器械检测金属的装置包含金属检测器，金属检测器基于输送到器械的电流(和电压)来决定源自器械的火花(18)是否接触到生物组织(11)或金属部件(19)。这优选地通过确定与线性等效电路不一致的电流分量来实施。在之前确定或在回归计算中的操作期间确定线性等效电路的元素。作为第一决策准则，通过电流确定火花特征变量Frel。作为第二决策准则，确定电阻特征变量R，电阻特征变量R描述了组织电阻的特征。将这两个特征变量与阈值进行比较。如果组织电阻低于电阻阈值并且如果火花特征变量超出火花大小阈值，那么生成信号，信号描述了克服金属部件(19)启动火花(18)的特征。

Description

在点火式电外科器械作用于生物组织时检测金属的装置
技术领域
本发明涉及一种在借由生成放电的电外科器械作用于生物组织时检测在该生物组织中的异物(尤其是金属异物)的装置。
背景技术
在原则上，已知有使用在流体介质中发生的放电作用于生物组织的电外科器械。这种器械例如包括生成在氩气氛中燃烧的火花或等离子射流的氩等离子凝固器械、或点火手术刀等。单极和双极切除器械是已知的，在非导电(Purisole)或导电液体(盐溶液)的情况下，这种器械加热该液体，从而使得该液体蒸发并且对组织或该蒸汽中的另一电极形式点火。当操作氩等离子凝固器械时，当在生物组织中存在异物尤其是金属异物时，必须特别小心。这些物体可以是，例如，过去已经植入患者体内或在当前介入期间已经植入的支架或其他金属部件。如果火花或等离子体不小心作用于生物组织中的支架、金属夹或另一金属体，那么可能会导致损坏金属部件，这样金属部件可能失去其功能。例如，由于热传导的原因，周围的组织也可能会受到损坏，这是人们不愿意看到的。
另一方面，存在期望使火花或等离子体作用于金属异物的情况，例如，以便缩短支架或者执行特定手术介入。这些情况包括，例如，借由解剖镊使出血的血管凝固，通过电外科器械的火花或等离子射流对血管进行选择性地加热，由此能够使血管凝固。
针对在TUR情况下应用单极和双极切除环，还已知的是，在切除环与前列腺切除器之间的距离如果太短会不小心导致金属前列腺切除器出现点火花。该意外点火花引起电流流经金属前列腺切除器。由于前列腺切除器又与生物组织接触，所以这对组织产生了意外的凝固作用。
发明内容
因此，本发明的目的是建立一种构思，利用该构思，可以将点火式电器械对金属的作用可靠地区别于该器械对生物组织的作用。
该目的利用根据权利要求1的装置来实现。
根据本发明的装置可以属于电外科器械或者可以是电外科器械的一部分。该装置也可以属于旨在向器械馈电的发生器或者可以是这种发生器的一部分。作为替代实施方式，该装置可以作为单独的模块布置在发生器与电外科器械之间。
该装置包括：测量装置，该测量装置用于测量发生器提供的电压以便操作器械，并且用于测量从发生器输送到器械的电流。如果发生器的内部电阻较低或为0并且输出电压是已知的，也可以省掉电压测量；然后，测量电流便足够。可以连续地或间歇地，例如按照短时间间隔，测量电流(和电阻)。优选地，按照短时间间隔，测量电压和电流。如果发生器输送交流电压以向电外科器械馈送优选HF交流电压，那么，该间隔优选地比电压或电流的周期长度的一半更短。在测量电压或电流时，测量电压和电流的至少一个合适的特征值。该特征值可以是瞬时值、峰值、平均值、有效值、或适合进行特征描述的另一值。
属于该装置的金属检测器配置为：基于电流并且基于电压，即，最终基于针对电流的一个或多个特征值以及针对电压的一个或多个特征值，决定源自器械的火花是否接触到生物组织和金属部件。
利用该装置，当可见度条件较差时，用户可以可靠地、及时地识别火花或等离子体何时作用于金属部件。可以将金属检测器连接至信号传输装置，以便向用户提供合适的例如触觉的、光学的或者声学的信号，从而使用户识别到等离子体或火花的接触。也可以使用由金属检测器生成的信号，来切断发生器或者用另一种方式控制发生器。例如，在检测到金属的情况下，可以减少发生器的输出，以避免不期望的生物效应。相反，如果期望作用于金属，那么，在识别到火花或等离子体接触到金属时，可以使用该信号来增加其输出而非断开发生器，例如，以协助借由火花或等离子体对金属进行的切割。
金属检测器可以包含分析装置，该分析装置确定电阻特征变量和火花特征变量。电阻特征变量是依赖于组织电阻的值。火花特征变量优选地是依赖于火花大小的变量。可以将这两个特征变量(即，电阻特征变量和火花电阻变量)与对应的阈值进行比较，以通过该比较生成有意义的信号。当电阻特征变量(即，电阻特征值)低于电阻阈值并且火花特征变量(即，火花特征值)超出火花大小阈值时，优选地发送等离子体或火花接触到金属的信号。其他状况可以与所有其他组合相关联：
-电阻特征值低于电阻阈值并且火花特征变量低于火花大小阈值。在器械的电极与组织之间存在直接接触。
–如果电阻特征变量大于电阻阈值，但是火花大小低于火花大小阈值，那么无火花或花火溅落到空气中。
-电阻特征变量大于电阻阈值并且同时火花特征变量大于火花大小阈值，火花或等离子体按照不与金属接触的方式影响组织。
为了计算或确定电阻特征变量和火花特征变量，可以使用所有合适的方法。举例说明，可以将电阻特征变量固定为电阻的线性分量，该线性分量提供为针对测得电流的特征值与测得电压的特征值之商。具体地，可以通过电流和电压的有效值来形成该商，并且然后将该商乘以功率因子，以形成电阻特征变量。该电阻特征变量不仅包含组织电阻。切确地说，也包括另外的分量，例如，器械的馈线的线电阻，并且在适用的情况下，还有来自火花的线性电阻分量。然而，由此确定的电阻特征变量对于组织电阻是一种很好的测量。
可以确定电流的非线性分量，该非线性分量明确下降到由火花形成的非线性电阻，以便确定火花特征变量。为此，分析装置可以配置为：基于线性等效电路和测得电压(或，电压的对应特征值)，计算关联电流isim(t)。计算电流isim(t)与测得电流i(t)之差if(t)描述了由火花的非线性度产生的电流的特征。可以将该差值if(t)的有效值Feff与测得电流i(t)的有效值ieff之比用作火花特征变量Frel。
也可以检查电阻特征变量和火花特征变量随着时间的快速变化，而不是将电阻特征变量与电阻阈值进行比较并且将火花特征变量与火花大小阈值进行比较。如果，在任何情况下，火花特征变量的上升dFrel/dt和电阻特征变量的上升dR/dt的梯度超出特定限值f0、r0，那么又可以确定接触到金属。
附图说明
本发明的实施例的细节将通过附图、权利要求书以及尤其说明书而显现出来。在图中：
图1示出了当作用于生物组织时由发生器馈电的点火式电外科器械的示意图；
图2示出了器械的发生器的部件以及生物组织的电路图；
图3示出了用于金属检测的装置的框图；
图4和图5示出了根据图3的装置的等效电路；
图6示出了基于电阻阈值和火花大小阈值进行金属检测的流程图；以及
图7示出了基于电阻特征变量和火花特征变量随着时间发生的变化进行金属检测的流程图。
具体实施方式
图1示意性地图示了一种使用状况，其中，借由电外科器械10对生物组织11进行治疗。为此，通过设备12向器械10供应电流。由设备12提供的电压u以及输送到器械10的电流i优选地是周期变量，其频率优选地为几百kHz，例如，350kHz。虽然本发明不限于此，但是其尤其适合单极型应用。第一条线13相应地从设备12通往器械10。第二条线14从设备12通往附接至受损组织11表面尤其是患者皮肤的大面积中性电极15。
器械10具有至少一个电极17，电流从该电极17流至生物组织11。根据实际状况，电流可以通过直接组织接触或经由火花18而流动，该火花18在电极17与生物组织11之间发生。此处，根据所论及的应用，火花18可以横跨包含空气、和/或水蒸气、和/或其他液体(诸如，Purisole、盐溶液)的蒸汽、和/或另一气体(诸如，氮气、二氧化碳或稀有气体，尤其是诸如氩气)的体积。所存在的气体或气体混合物或蒸汽在火花18所在区域中产生电离并且形成等离子体，其中，火花与生物组织11接触并且将电流引入到生物组织中。
生物组织11可以包含导电异物，尤其是金属部件19，尤其诸如是用于保持中空血管(诸如，食道)等敞开的支架20(图1)。金属部件19另外可以是夹具、螺钉、板、金属丝或引入到患者体内的另一部件。
当对生物组织11进行治疗时，火花18可能会接触到金属部件19。这种接触在任何请看下都不应该以不受控的方式发生。例如，可能期望选择性地加热或切割金属部件，例如以缩短支架或加热手术镊，例如以在镊子分支之间产生组织凝固。然而，其也可能是不期望的，例如当加热金属部件19导致其受损并且损坏周围生物组织时。然而，由于使用位置的视线不好，用户有时难以及时检测到金属部件。具体地，可能难以足够快速地检测到火花18接触到金属部件19。
为了检测到火花18接触到金属，提供了金属检测器22，如图2所示，该金属检测器22可以是设备12的一部分，或者作为替代实施方式，也可以是器械10的一部分，或者可以形成为中间模块。这种中间模块待连接至设备12，而非线13、14，其中，线13、14然后附接至中间模块。
测量装置23可以属于金属检测器22，并且测量提供给器械10的电压u和输送至器械10的电流i。此处，其测量电压的至少一个特征值Ku和电流的至少一个特征值Ki。电流的该特征值Ki可以是瞬时值i(t)、峰值ipeak、平均值imean、有效值ieff或适合进行特征描述的另一值。可以连续第或按照采样的方式来测量这些特征值。当对瞬时值进行采样时，优选地按照电流频率的两倍以上(例如，700kHz以上)来执行采样。也可以将瞬时值u(t)、峰值upeak、平均值umean、有效值ueff或合适进行特征描述的另一值作为针对电压的特征值Ku进行测量。可以连续地或周期性地执行该测量。当对瞬时值进行采样时，优选地按照电压频率的两倍以上来执行采样。在下面和上面提及“电流测量”或“电压测量”的情况下，其是对测量电流或电压的对应特征值的阐释。
将针对电压和电流测得的特征值Ku、Ki从测量装置23传送到分析装置24。分析装置用于基于针对电流和电压的特征变量来区别火花18是与组织11接触还是与金属部件19接触。
随后可以将分析装置24连接至发生器26的控制器25，该发生器26在图2中得以示意性地图示并且用于向器械10馈送高频电能。除了控制装置25之外，发生器26通常包括电源27和连接至该电源27的功率振荡器28，该功率振荡器28包括共振电路29和无电位HF解耦线圈30。控制器25控制发生器26的操作，即，启动和禁用发生器，并且限定电压、和/或电流、和/或输出、和/或波峰因子。控制器25可以与操作构件(未更详细地图示)通信，这些操作构件形成为在设备12和/或一起10上的开关或设置装置，并且/或者形成为另外的单独存在的开关或输入装置。
为了基于测得电流和测得电压检测到火花18是否接触到组织11或金属部件19，分析装置24配置为确定至少两个特征变量，具体地，火花特征变量Frel和电阻特征变量R。作为火花特征变量Frel，优选地选择描述了火花18的大小和/或密度特征的特征变量。举例说明，可以将描述了由器械10、火花18和生物组织11形成的电网络的非线性度特征的特征变量用作火花特征变量Frel。在图2中以简化的形式图示了由此形成的电网络。该网络包括线13、14的欧姆电阻RKabel、电感LKabel、待在线13、14之间测量的电容C、以及组织电阻RG1或RG2。组织电阻RG1是当火花18接触到该组织时生物组织的电阻。组织电阻RG2是当火花18接触到该组织时由金属部件19的电流分布给出的通常更低的组织电阻。该网络也包括火花18的非线性电阻。
分析装置24可以具有内部等效电路31，即，该电网络的内部网络模型31，如图3所示。网络模型31可以是实际上根据图2提供的网络的简化表示，其中，将发生的电感、电容和电阻组合起来给出元素R、L和C。根据该网络当前组要是电感地运转还是主要是电容地运转，可以选择根据图4或图5的简化网络模型31a或31b，而非网络模型31。可以基于电流i相对于电压的滞后或超前，通过分析装置来做出并且决定该选择。
分析装置24设计为首先确定网络模型31、31a、31b的元素R、L和C的值。为此，例如，在回归计算范围内或借由最小误差平方来限定元素R、L和C的值，从而尽可能最佳地使在网络模型31、31a、31b中算术发生的电流和电压适应于实际测得的电流和实际测得的电压。由于欧姆线电阻RKabel大多小于1欧姆，所以这无关紧要。根据图4或图5，根据网络模型31a、31b的电阻值R由此对应于组织电阻。将与线性网络模型不协调的电流i和电压u的分量分配至火花18的非线性电阻F。可以在启动开始时或者按照间隔或者连续地确定元素R、L和C的值。
如图3所示，可以通过实际电流i(t)和由线性网络限定的电流isim(t)来确定火花特征变量Frel。为此，图3图示了用于阐释对测得电流i(t)和电压u(t)的处理的多个框。可以通过程序代码等来产生这些框。对这些框进行的功能分配仅仅是示例性的，并且也可以有所不同。
框32偶尔地、周期性地或者连续地确定根据图3、图4或图5的网络模型31的元素R、L和C。然后，网络模型31，利用测得电压u(t)的输入，来计算电流isim(t)、电流isim(t)与测得电流i(t)之差if(t)、以及电流isim(t)与if(t)的有效值Feff。尤其是当火花18已经点火时，电流isim(t)与测得电流i(t)的有效值ieff不匹配。
计算电流误差if(t)，作为通过根据图4或图5的等效电路针对HF手术应用计算的目标电流current isim(t)与在HF应用期间测得的HF电流i(t)之差：
if(t)＝isim(t)–i(t)
框32计算模拟电流isim(t)与测得电流i(t)的偏差，作为电流误差if(t)。作为替代实施方式，也可以基于目标电流isim(t)和实际电流i(t)的瞬时值来计算if(t)。Feff是电流误差if(t)的有效值：
并且，在框32中计算得到。
当测得HF电流i(t)与计算得到的回归电流的偏差最大时，电流误差if(t)最大。该偏差尤其发生在具有点火花的HF手术应用中，在这种情况下，由于出现火花，所以HF电流i(t)存在强烈的畸变。在点火花和关联的电流畸变的情况下，等效电路的用于计算回归电流的非线性分量尤其高。根据图3至图5的等效电路的线性元素不能充分地阐释测得HF电流i(t)，并且导致回归电流isim(t)与测得HF电流i(t)发生偏差。这与高电流误差if(t)有关，借此，有效火花特征值Feff相应地上升。通过形成测得有效HF电流ieff的使用比例，在框35中得到对于点火花的相对测量。
如前所阐释的，分析装置24基于回归分析计算根据图3的网络模型31或者根据图4或图5的网络模型31a或31b的线性值。欧姆分量R可以用作电阻特征变量，并且主要描述生物组织11的电阻的特征，即，在根据图2的图示中，待分配给组织电阻RG1或RG2的电阻。为此，通过框32，即回归框，连续地执行回归计算，以确定在器械10的整个操作期间的瞬时电阻特征变量R。
作为替代实施方式，也可以通过如图3中图示的单独电阻计算框来确定组织电阻。为此，框36、37首先通过瞬时值i(t)确定HF电压和HF电流的有效值ueff和ieff，并且确定功率因子cosΦ。(作为替代实施方式，电阻计算框33也可以从测量装置23获得这些有效值。)作为电阻特征变量，电阻计算框33形成HF电压u(t)的有效值与有效值ieff之商再乘以功率cosΦ因子。
比较器34将在框35中确定的火花特征变量Frel与火花大小阈值进行比较F0。另外，比较器将电阻特征变量R与电阻阈值进行比较R0。图6图示了该过程。火花特征变量Frel可以大于或者低于火花大小阈值F0。电阻特征变量R也可以大于或者低于电阻变量阈值R0。结果，提供了四种可能的星座。已经发现，假如合适地选择R0例如为300欧姆以及F0例如为0.4，那么，当电阻特征变量R低于电阻阈值R0并且火花特征变量Frel大于火花大小阈值F0时，确认火花18接触到金属。利用其他三种星座，存在其他状况，例如，在无点火花的情况下器械10与组织11接触、在无点燃的火花的情况下启动电极17、或在有点火花的情况下火花溅射到组织11上。相反，如果检测到针对金属部件点燃火花，那么将框38分支，该框38象征着适当的测量。该测量可以是发送可察觉的信号或者影响控制器25。例如，这可以减少或增加输出，或者，可以断开发生器26、改变波峰因子、或者等等。
图7图示了该方法的简化实施例。如上所述，再次连续地确定电阻特征变量R和火花特征变量Frel。然而，与上述方法相反，不将它们与绝对阈值F0和R0进行比较。而是，将电阻特征变量R随着时间的变化dR/dt和火花特征变量Frel随着时间的变化dFrel/dt确定为估计准则，并且将其与限值r0和f0进行比较。然后，当组织电阻的变化dR/dt低于电阻变化阈值r0并且火花特征变量Frel的变化dFrel/dt大于火花大小变化阈值f0时，再次对测量框38进行分支。由此可以避免由于随机测得值的波动针对金属接触得出错误结论。
根据本发明的利用点火式电外科器械10进行金属检测的装置包含金属检测器22，该金属检测器22基于输送到器械10的电流i(t)(和电压)来决定源自器械10的火花18是否接触到生物组织11或金属部件19。这优选地通过确定与线性等效电路31不一致的电流i(t)分量来实施。在之前确定或在回归计算中的操作期间确定线性等效电路31的元素。作为第一决策准则，通过电流i(t)确定火花特征变量Frel。作为第二决策准则，确定电阻特征变量R，电阻特征变量R描述了组织电阻的特征。将这两个特征变量与阈值F0、R0进行比较。如果组织电阻R低于电阻阈值R0并且如果火花特征变量Frel超出火花大小阈值F0，那么生成信号，该信号描述了克服金属部件19启动火花18的特征。
附图标记：
10 器械
11 生物组织
12 设备
13、14 线
15 中性电极
u 提供给器械10的电压
i 输送至器械10的电流
17 电极
18 火花
19 金属部件
20 支架
21 中空血管
22 金属检测器
23 测量装置
Ki 针对电流i的特征值
i(t) 测得电流的瞬时值
imean 电流的平均值
ieff 电流的有效值
ipeak 电流的峰值
if(t) 计算得到的电流与测得电流之差
Ku 针对电压的特征值
u(t) 测得电压的瞬时值
umean 电压的平均值
ueff 电压的有效值
upeak 电压的峰值
uf(t) 计算得到的电压与测得电压之差
24 分析装置
25 控制器
26 发生器
27 电源
28 功率振荡器
29 共振电路
30 HF解耦线圈
Frel 火花特征变量(Feff与ieff(t)之比)
R 电阻特征变量
RKabel 欧姆线电阻
LKabel 电缆电感
C 电容
RG、RG1、RG2 组织电阻
31、31a、31b 等效电路、网络模型
R、L、C 等效电路的元素
F 火花电阻
isim(t) 利用网络模型计算得到的电流
T 周期长度
Feff 电流误差的有效值
ieff 有效电流
32 回归框
33 电阻计算框
F0 火花大小阈值
R0 电阻阈值
34 比较器框
35-38 框
f0 火花大小变化阈值
r0 电阻变化阈值
cosΦ 功率因子

Claims (9)

1.一种在借由点火式电外科器械(10)作用于生物组织(11)时检测金属的装置，包括：
测量装置(23)，所述测量装置(23)用于测量由发生器(26)提供的电压(u)，用于操作所述器械(10)和用于测量从所述发生器(26)输送到所述器械(10)的电流(i)；
金属检测器(22)，所述金属检测器(22)配置为基于所述电流(i)和所述电压(u)来决定源自所述器械(10)的火花(18)是否接触到生物组织(11)或金属部件(19)；
其中，所述金属检测器(22)具有：
分析装置(24)，所述分析装置(24)用于确定依赖于组织电阻(RG)的电阻特征变量(R)和依赖于火花大小的火花特征变量(Frel)；以及
比较器(34)，所述比较器(34)将所述电阻特征变量(R)与电阻阈值(R0)进行比较并且将所述火花特征变量(Frel)与火花大小阈值(F0)进行比较，其中，所述比较器(34)配置为：当发生如下情况时，指示源自所述器械(10)的所述火花(18)接触到金属：
-所述电阻特征变量(R)低于所述电阻阈值(R0)；以及
-所述火花特征变量(Frel)超出所述火花大小阈值(F0)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器(26)是高频(HF)发生器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测量装置(23)配置为连续地确定电流(i)和电压(u)的至少一个特征值(Ki、Ku)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电流(i)和电压(u)的所述特征值(Ki、Ku)是瞬时值(i(t)、u(t))、峰值(ipeak、upeak)、平均值(imean、umean)、有效值(ieff、ueff)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述测量装置(23)配置为确定通过电流(i)和电压(u)固定的功率因子(cosΦ)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析装置(24)配置为基于所述电流(i)的非线性分量来确定所述火花特征变量(Frel)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分析装置(24)配置为针对所述电流(i)的所述非线性分量来确定估计值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分析装置(24)配置为：基于测得电流(i)与基于线性等效电路(31)计算得到的电流(isim)之间的偏差，为所述电流(i)的所述非线性分量确定所述估计值。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述分析装置(24)配置为：通过所述测得电流(i)和测得电压(u)，来确定所述线性等效电路(31)的元件的值。
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