CN108352224B - 低电磁场电外科电缆 - Google Patents

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Abstract

在其附近不产生电磁(EM)场(零EM污染)的电外科电缆。电缆由带有嵌入的导体的内绝缘体放置在带有嵌入的第二导体的外部绝缘体管内部而组成。选择各导体和各绝缘体的大小和材料，使得施加到内导体的电压高于击穿电压，而施加到电外科电缆内部的气隙的电压低于击穿电压。因此，虽然电缆正在手术手持件上产生放电，但是电缆内部的击穿被禁止。

Description

低电磁场电外科电缆
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月16日由本发明人提交的美国临时专利申请序列号62/242,579的申请日的优先权。
上述临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。
关于联邦资助研究或开发的声明
无
技术领域
本发明涉及一种电外科电缆，它在其附近不产生电磁EM场(零EM污染)并且降低了涉及电外科过程的人类对象的电击的风险。
背景技术
电外科电缆用于将电外科发生器连接至电外科手术手持件，并且将来自发生器的高电压和气流传送至电外科手持件。用于电外科系统的常规电外科电缆由置于电绝缘柔性管内的一个高电压电极组成。绝缘管内的高电压电极在电缆周围形成强大的电磁(EM)场。电外科发生器的频率低于1MHz，这与波长λ>300m有关。因此，常规的单电极电外科电缆实际上是长度为L<<λ的短天线。因为天线远离共振，所以辐射EM功率则低；然而，由于施加到电极上的高电压，天线的近区中的电场值则高。考虑到电外科电缆和患者之间非常实际的距离D～1cm，局部电场可以高达E～V/D～1000V/cm，其可以在电外科过程中在电缆相对于病人在不断移动时经常出现。
发明内容
本发明涉及一种电外科电缆，其连接在电外科手术单元与手持件或外壳之间，其不会在其附近产生EM电场或仅可忽略的EM电场。该电缆可以与任何电外科发生器一起使用。该电缆旨在同时传送用于电外科手术单元操作所需的气流和高电压电能。电外科探针中使用的常规电外科电缆仅使用绝缘管内的一个导体，向其施加高电压。相反，本发明使用两个导体，即内高电压导体和外导体(连接到患者垫)。本发明的关键特征是提供以下关键功能的内导体电绝缘。施加于中央电极的高电压(U0)被选择为高于击穿阈值(UBD)以便在电外科手持件上启动放电(U0>UBD)。然而，在电缆内部，相当部分施加的电压在内绝缘体上下降，使得施加到气隙的剩余电压(Ugas)低于击穿阈值：Ugas<UBD。这可以防止电缆内部的等离子体的点燃(ignition)和击穿(breakdown)。
与常规的电外科电缆相比，本发明具有两个重要的优点。首先，本电缆是完全屏蔽的，也因此它不会在其周围产生EM场，相比之下，常规的电外科探头电缆产生作为规则的短偶极天线的EM场。其次，本电外科电缆显着降低了涉及电外科过程的人类对象的电击风险。事实上，常规的电外科电缆在外绝缘层受损的情况下可能具有显着的电击风险。相反，当使用本发明的情况下，任何绝缘体受损可能要么导致人与屏蔽电极接触，要么造成电外科单元的短路。这两个事件对涉及的人类对象都是电气安全的。
在一个优选实施例中，本发明是一种电外科电缆，其具有细长的外导体、围绕所述外导体的外绝缘体，所述外导体和所述外绝缘体形成管，所述管内的细长的内导体，以及围绕所述内导体的内绝缘体。在所述管的内表面和所述内绝缘体之间存在通道。此外，选择各导体和各绝缘体的大小和材料，使得施加到内导体的电压高于击穿电压，并且施加到在所述通道内流动的气体的电压低于击穿电压。电外科电缆可以进一步具有连接到所述内电极的电连接器，用于将所述内电极连接到电外科电源，连接到所述外电极的电连接器，用于将所述外电极连接到地，以及连接到所述管的流体连接器，用于将所述管连接到流体源。
在另一优选实施例中，本发明是一种电外科电缆，其具有细长的外导体，所述外导体具有外半径c，围绕所述外导体并且具有内半径d和外半径e的外绝缘体，所述外导体和所述外绝缘体形成管，在所述管内的细长的内导体，所述内电极具有半径a，围绕所述内导体的内绝缘体，所述内绝缘体具有外半径b。在所述管的内表面和所述内绝缘体之间存在通道，并且半径a、b、c、d、e被选择为a<b<c≤d≤e。此外，选择半径a、b、c、d和e，使得总施加电压(U0)在内绝缘体(Uin)以及内和外绝缘体间的气隙(Ugas)之间分配，使得U0＝Uin+Ugas。更进一步，可以选择a、b、c、d和e使得Uin≈Ugas。例如，半径可以如下选择：a＝0.25mm，b＝2.5mm，c＝d＝4mm，e＝5mm。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下描述和附图，其中：
图1是根据本发明优选实施例的电外科电缆的透视图，其中，电缆一端上具有连接器并且电缆另一端上具有电外科手持件。
图2是根据本发明优选实施例的电缆的一部分的透视图。
图3是根据本发明优选实施例的电缆的横截面，示出了电缆的各个部件的尺寸和电压降的关系。
具体实施方式
在描述附图中所示的本发明的优选实施例中，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明不限于如此选择的特定术语，并且应该理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术的等同物。为了说明的目的描述了本发明的优选实施例，应该理解的是，本发明可以以未在附图中具体示出的其他形式来实施。
本发明提出了一种电外科电缆的新概念，该电外科电缆在其自身周围不产生EM场或仅产生可忽略的EM场(零EM污染)并且为电外科手术过程中涉及的人类对象提供没有电击风险的操作。
如图1所示，根据本发明的电缆可用于电外科系统，例如，其可以是冷等离子体电外科系统、混合等离子体电外科系统，或氩气凝固电外科系统。本发明的电缆200可以在一端具有电连接器400和气体供应连接器500，并且在其另一端具有手持件300。电连接器将具有来自电缆200的线材410并且气体连接器将具有来自电缆200的管510。各种已知的连接器400和500可以用于本发明。
如图2所示，电缆200具有将连接到电外科发生器内的电极230，其由绝缘240围绕。当使用电缆时，该内电极230将通过连接器400连接到电源。在优选实施例中，电极230由半径为0.25mm的圆柱形不锈钢线材制成，嵌入半径约为2.5mm的硅橡胶绝缘体中。线材的材料和直径不限于使用不锈钢，也可以使用其他导电材料。优选地，线材230的直径(a)应当根据特定电外科系统的精确最大电流要求来选择。绝缘体240的半径(b)及其材料也可以在宽的范围内变化。在优选实施例中，硅橡胶被用作绝缘体240的材料，具有相对介电常数ε～3的，然而也可以利用具有其它ε值的电介质。优选地，应当使用柔性电绝缘材料来提供电绝缘以及整个电外科电缆的良好柔性。
电缆还具有将连接到地的外电极210，在其外部由电绝缘体220围绕。如图2-3所示，外导体是圆柱形的并且形成管，内导体和内绝缘体被放置在该管内，使得在外导体210和内绝缘体240之间形成流体通道。在优选实施例中，外电极210由嵌入外绝缘管220中的不锈钢编织套管制成。编织屏蔽体的穿透性可根据最大电缆重量的要求而变化。通过减少编织物中使用的线材的直径并增加其穿透性，可以获得较轻的电外科电缆。也可以使用薄箔或其他形式的外导体。外导体210的最小横截面应该受到通过特定电外科电缆牵引所需的最大电流值的限制。外导体210的内半径(c)和绝缘体220的外半径(e)及其材料可以变化。优选地，应当使用柔性电绝缘材料来提供电绝缘以及电外科电缆的良好柔性。编织屏蔽体可嵌入外导体内部，并可具有范围c≤d≤e的半径(d)。注意，图3示出了当外导体210的内直径显示为精确等于外导体220的直径(c＝d)并且内电极230和外管是同轴时的情况。
在优选实施例中，内导体和外导体是圆柱形的，但是本发明可以采用其他形状。
在优选实施例中，氦被用作工作气体，而其他气体例如氩气也可以被使用。
应该选择导体210、230和绝缘体220、240的相对大小，使得a<b<c≤d≤e。在优选实施例中，选择a＝0.25mm，b＝2.5mm，c＝d＝4mm和e＝5mm。
总施加电压(U0)在内绝缘体(Uin)以及在内和外绝缘体间的气隙(Ugas)之间分配，使得U0＝Uin+Ugas，如图2所示。电压Uin和Ugas的比率可以表示为：
Figure BDA0001628169940000051
在优选的实施例中，比率
Figure BDA0001628169940000052
意味着Uin≈Ugas，并且因此使用U0＝Uin+Ugas，可以得到
Figure BDA0001628169940000053
在优选实施例中，使用U0≤4kV并且UBD为约2.5kV。因此，Uin≈Ugas≤2kV，并且因此Ugas<UBD，条件是电外科电缆内部的击穿被禁止。同时，U0>UBD，并且因此电压足以在外科手持件上产生击穿。可以使用半径和介电常数的各种组合，然而，选择这些参数是至关重要的，使得同时满足两个条件：
1.U0>UBD-电压足以在手术手持件处产生击穿
2.Ugas<UBD-在电外科电缆内的击穿被禁止
在优选实施例中，带有绝缘体的内电极自由地放置在外管内。然而，带有绝缘体的内电极相对于外管的相对位置可以不同，例如同轴或任何其他相对定位。而且，内绝缘体可以永久地连接或不连接到外绝缘体的内壁。
选择和描述实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使得本领域技术人员能够在适合于预期的特定用途的各种实施例中利用本发明。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。上述文件中的每一个的全部内容通过引用并入本文。

Claims (5)

1.一种用于连接在电外科手术单元与手持件或外壳之间以在附近产生可忽略EM电场的电外科电缆，包括：
具有外半径c的细长外导体；
围绕所述外导体且具有内半径d和外半径e的外绝缘体，所述外导体和所述外绝缘体形成管；
所述管内的细长内导体，所述内导体 具有半径a；和
围绕所述内导体的内绝缘体，所述内绝缘体具有外半径b；
其中，在所述管的内表面和所述内绝缘体之间存在通道，并且半径a、b、c、d、e被选择为a<b<c≤d≤e，并且其中，选择所述半径a、b、c、d和e，使得总施加电压(U0)在所述内绝缘体(Uin)以及在内和外绝缘体间的气隙(Ugas)之间分配，使得U0＝Uin+Ugas，
并且其中，所述半径a、b、c、d和e被选择为使得Uin≈Ugas。
2.根据权利要求1所述的电外科电缆，其中，a＝0.25mm，b＝2.5mm，c＝d＝4mm和e＝5mm。
3.根据权利要求1所述的电外科电缆， 包括：
连接到所述内导体的电连接器，用于将所述内导体连接到电外科电源；
连接到所述外导体的电连接器，用于将所述外导体连接到地；和
连接到所述管的流体连接器，用于将所述管连接到流体源。
4.一种用于连接在电外科手术单元与手持件或外壳之间以在附近产生可忽略EM电场的电外科电缆，包括：
具有外半径c的细长的外导体；
围绕所述外导体并具有内半径d和外半径e的外绝缘体，所述外导体和所述外绝缘体形成管；
所述管内的细长的内导体，所述内导体 具有半径a；和
围绕所述内导体的内绝缘体，所述内绝缘体具有外半径b；
其中，在所述管的内表面和所述内绝缘体之间存在通道并且选择半径a、b、c、d和e使得a<b<c≤d≤e并且a＝0.25mm，b＝2.5mm，c＝d＝4mm和e＝5mm。
5.根据权利要求4所述的电外科电缆，包括：
连接到所述内导体的电连接器，用于将所述内导体连接到电外科电源；
连接到所述外导体的电连接器，用于将所述外导体连接到地；和
连接到所述管的流体连接器，用于将所述管连接到流体源。
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