DE10046592C2

DE10046592C2 - Vorrichtung für die Hochfrequenz-Chirurgie

Info

Publication number: DE10046592C2
Application number: DE2000146592
Authority: DE
Inventors: Erich Werner
Original assignee: Erbe Elecktromedizin GmbH
Current assignee: Erbe Elecktromedizin GmbH
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: DE10046592A1

Description

Die Erfindung betrifft einen HF-Spannungsgenerator für die Hochfrequenz-Chirurgie (nachfolgend HF-Chirurgie) nach Pa tentanspruch 1.

Die HF-Chirurgie wird bekanntlich zum Schneiden und/oder Koa gulieren biologischer Gewebe angewendet. Einer der Vorteile der HF-chirurgischen Schnitte im Vergleich zu mechanischen Schnitten ist die Hämostase der Schnittränder. Die Hämostase der Schnittränder wird insbesondere durch die thermische Koa gulation der Schnittränder verursacht. Die Erfahrung zeigt, daß die Hämostase mit der Tiefe der Koagulationszone der Schnittränder zunimmt. Die für eine suffiziente Hämostase er forderliche Tiefe der Koagulationszone ist weitgehend abhän gig von der Durchblutung bzw. der Vaskularivierung des be treffenden Gewebes. Hieraus resultiert die Anforderung an Hochfrequenz-Generatoren an die HF-Chirurgie, daß die Tiefe der Koagulationszone möglich reproduzierbar am HF-Generator einstellbar sein soll.

Es ist bekannt, daß die Tiefe der Koagulationszone der Schnittränder bei HF-chirurgischen Schnitten unter anderem von der Höhe der HF-Spannung zwischen Schneideelektrode und Gewebe, aber auch vom Verhältnis des Spitzenwertes zum Effek tivwert der HF-Spannung abhängig ist (G. Farin: Principles of high frequency surgery; Erbe Elektromedizin GmbH, Tübingen, Germany, 1990). Je größer dieses Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert der HF-Spannung ist, desto tiefer wird die Koagulationszone. Dies entspricht weitgehend der Erfahrung, daß stark in der Amplitude modulierte HF-Spannungen entspre chend tiefe Koagulationszonen verursachen. Bekannte Geräte für die HF-Chirurgie sind folglich mit HF-Generatoren ausge stattet, bei denen eine in weiten Grenzen einstellbare Ampli tudenmodulation der HF-Spannung möglich ist (beispielsweise ERBOTOM T 400 der Erbe Elektromedizin GmbH, Tübingen). Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis von Spitzenwert zu Effekti vwert bei einer in der Amplitude modulierten HF-Spannung am größten ist, wenn die Amplitudenmodulation pulsförmig erfolgt und die Pulssequenzen aus nur wenigen, möglichst sogar nur einer einzigen Schwingungsperiode der HF-Spannung bestehen, gefolgt von möglichst langen Pausen-Intervallen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Weitere HF-Chiurgiegeräte werden beispielsweise in der DE 40 09 819 und der JP 8-299 356 beschrieben. In der letztgenann ten wird ein Chirurgiegerät mit einem Schwingungserzeuger, einem Schalter und einem untergeordneten Amplitudenmodulator beschrieben, der den Schalter steuert. Bei diesem Gerät wird nach Ausgabe eines Pulses Strom am Schwingkreis derart zuge führt, daß sich die Energie im Schwingkreis und die zugeführ te Energie gegenseitig auslöschen.

Weiterhin wird in der US 4 429 694 ein HF-Spannungsgenerator für die HF-Chirurgie offenbart, der folgendes aufweist: eine Schwingungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines HF- Spannungssignales, einen Amplitudenmodulator zur Unterteilung des HF-Spannungssignals in Signal- und Pausenabschnitte und einen Schalter, der elektrisch mit der Schwingungserzeugungs einrichtung und dem Amplitudenmodulator gekoppelt ist. Aller dings ist in dieser Vorrichtung kein elektrischer Verbraucher ausgebildet, der in den Pausenabschnitten HF-Energie aus dem Schwingkreis aufnimmt, so daß auch in den Pausenabschnitten HF-Energie an das biologische Gewebe abgegeben wird.

Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung, die Abhängig keit der Qualität HF-chirurgischer Schnitte bezüglich der Tiefe der Koagulationszone von der Amplitudenmodulation der HF-Spannung. Es ist bekannt, daß die Tiefe der Koagulations zone k der Schnittränder mit dem Verhältnis des Spitzenwertes U_p zum Effektivwert U_eff der HF-Spannung größer wird. Um große Tiefen der Koagulationszonen k zu erreichen, ist es daher zweckmäßig, die Signalabschnitte c1 im Verhältnis zu den Pau senabschnitten c2 möglichst kurz zu wählen. Wie im linken Beispiel in der Figur dargestellt entsteht die geringste Tie fe der Koagulationszone k mit HF-Spannungen, deren Amplituden nicht moduliert sind.

Letzteres ist bei HF-Generatoren, die mit Rücksicht auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad sowie auf einen möglichst gerin gen Anteil an harmonischen Frequenzen mit Resonanzkreisen ausgestattet sind, insofern problematisch, als Resonanzkreise bekanntlich elektro-magnetische Energie speichern. Dies hat zur Folge, daß die Amplitude der HF-Spannung bei derartigen HF-Generatoren am Anfang eines jeden Pulsintervalls mehr oder weniger langsam (mit steigender Güte des Schwingkreises immer langsamer) auf die maximale Amplitude ansteigt und insbeson dere am Ende eines jeden Pulsintervalls mehr oder weniger langsam kleiner wird. Dies ist umso langsamer, je höher der Lastwiderstand ist, in welchem die elektro-magnetische Ener gie des Resonanzkreises absorbiert wird. Hieraus folgt, daß insbesondere bei hohen Lastwiderständen eine möglichst ideale pulsförmige Amplitudenmodulation ohne zusätzliche Maßnahmen nicht realisierbar ist und folglich auch während der Puls- Pausen elektrische Energie an den Last-Widerstand bzw. das zu schneidende biologische Gewebe abgegeben wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor richtung für die HF-Chirurgie anzugeben, welches eine mög lichst reproduzierbare Koagulationszone ermöglicht.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ge löst.

Die Vorrichtung für die HF-Chirurgie gemäß Anspruch 1 umfaßt eine Schwingungserzeugungseinrichtung, einen Amplitudenmodu lator, einen Schalter, einen elektrischen Widerstand und eine Pulsformerstufe. Die Schwingungserzeugungseinrichtung dient zur Erzeugung eines HF-Spannungssignals. Dieses HF- Spannungssignal wird mittels des Amplitudenmodulators in Signalabschnitte und Pausenabschnitte unterteilt. Der Schal ter dient zur Steuerung, wann die HF-Energie von dem biologi schen Gewebe und wann von dem elektrischen Widerstand aufge nommen wird. Der elektrische Widerstand nimmt die HF-Energie während der Pausenabschnitte auf, so daß gewährleistet ist, daß nur während der Signalabschnitte HF-Energie dem biologi schen Gewebe zugeführt wird. Die Pulsformerstufe steuert ei nen Öffnungsabschnitt, währenddessen die HF-Energie von dem elektrischen Widerstand aufgenommen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist die Erzeugung der HF-Spannung durch einen Resonanzkreis. Dieser zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad, sowie durch einen möglichst geringen Anteil an harmonischen Frequenzen aus. Der Resonanzkreis läßt sich be sonders einfach und kostengünstig durch eine Spule und einen Kondensator realisieren. Die Schwingungserzeugungseinrichtung kann Serienresonanzkreise, Gegentakt-Endstufen oder Quasi- Komplementär-Endstufen umfassen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der elektrische Widerstand eine Energiespeichereinrichtung, die die HF-Energie während der Öffnungs abschnitte speichert und während der Signalabschnitte abgibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung weist einen elektrischen Widerstand auf, der die aufgenommene HF-Energie in thermische Energie umwandelt. Ein derartiger Widerstand ist einfach und kostengünstig zu realisieren, wo bei der Widerstand die thermische Energie in die Umgebung ab gibt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt eine Spule, einen Gleichrichter und eine Transistor. Die Spule ist induktiv mit dem Resonanzkreis gekoppelt, in der ein Wechsel strom erzeugt wird. Dieser Wechselstrom wird von dem Gleich richter in einen Gleichstrom ungeformt. Der Transistor steu ert die Zuführung des Gleichstroms zu dem elektrischen Wider stand.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt der elektrische Widerstand einen ohmschen Widerstand. Die Hö he des ohmschen Widerstandes kann zweckmäßigerweise so dimen sioniert werden, daß die Energie aus dem Resonanzkreis mög lichst schnell in diesem Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Hier gilt die bekannte Regel der optimalen Leistungsan passung (P_max) eines Lastwiderstandes (R_L) an einen Generator- Innenwiderstand (R_i). P_max ist am größten, wenn R_L = R_i ist. Mit Hilfe des ohmschen Widerstandes kann der Gesamtwiderstand be stehend aus ohmschem Widerstand, Widerstand der Spule, des Gleichrichters und/oder des Transistors optimal auf eine mög lichst schnelle Umwandlung der HF-Energie in thermische Ener gie eingestellt werden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der Abbildungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen:

Fig. 1 mehrere Beispiele für modulierte HF- Spannungssignale;

Fig. 2 in schematischer Darstellung die erfindungsrelevan ten Details; und

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Abhängigkeit der Qualität HF-chirurgischer Schnitte bezüglich der Tiefe der Koagulationszone von der Amplitudenmodu lation der HF-Spannung.

Fig. 1 zeigt mehrere Beispiele für modulierte HF- Spannungssignale. Auf der Abszisse ist jeweils die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinate die Amplitude A. Das Bezugszei chen c1 bezeichnet einen Signalabschnitt, das Bezugszeichen c2 einen Pausenabschnitt. Ist ein HF-Generator zur Schwin gungserzeugung mit einem Resonanzkreis ausgestattet, enthält dieser am Ende jedes Signalabschnittes elektromagnetische Energie. Diese Energie verursacht im darauffolgenden Pausen abschnitt eine HF-Spannung, deren Amplitude A vom Lastwider stand R_L abhängig ist und mehr oder weniger schnell abnimmt bzw. ausschwingt. Bei niedrigen Lastwiderständen nimmt die Amplitude A nach dem Ende des Signalabschnittes c1, wie im mittleren Beispiel in der Figur dargestellt, während des Pau senabschnittes c2 rasch gegen null ab. Bei hohen Lastwider ständen kann die HF-Spannung während der Pausenabschnitte c2, wie im unteren Beispiel dargestellt, relativ lange ausschwin gen oder innerhalb des Pausenabschnittes c2 den Nullpegel gar nicht erreichen. Dadurch werden das Verhältnis von Spitzenwert zum Effektivwert der HF-Spannung und somit auch die Tiefe der Koagulationszone von Schnitträn dern kleiner. Das obere der drei Beispiele zeigt eine ideali sierte HF-Spannung mit einem Spannungssignal im Signalabschnitt c1 und keinem Spannungssignal im darauffolgenden Pausenab schnitt c2.

In Fig. 2 sind in schematischer Darstellung die relevanten De tails einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die HF-Chirurgie dargestellt, mit welchem eine Pulsmodulation der HF-Spannung entsprechend dem oberen Beispiel der Fig. 1 möglich ist. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einem Resonanzkreis 1, 2 und mindestens einem Transistor 3, welcher in bekannter Weise pha sensynchron zur Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 1, 2 über eine Rückkopplung 4, 5, 6, 7 gesteuert wird. Die hierfür erfor derlichen Impulse a werden mittels eines Kondensators 4 und ei nes Widerstandes 5 aus dem Resonanzkreis 1, 2 ausgekoppelt und in einem Phasenschieber 6 den Erfordernissen einer optimalen Synchronisation zwischen Schwingungsphasen im Resonanzkreis 1, 2 und optimaler Phasenlage der Steuerimpulse b angepaßt. Die Impulse a werden in einer Pulsformerstufe 7 in geeignete Steuerimpulse b geformt und dem Transistor 3 zugeleitet. Die Betriebsspannung U_B (nicht dargestellt) für die Vorrichtung liefert ein an sich bekanntes Netzteil 8. Die Aktivierung der Vorrichtung erfolgt durch einen Fingerschalter oder Fußschalter 9.

Die Leistung der Vorrichtung wird in an sich bekannter Weise aus dem Resonanzkreis 1, 2 mittels einer Spule 10, welche in duktiv an den Resonanzkreis 1, 2 gekoppelt ist, für monopolare oder bipolare Anwendungen ausgekoppelt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einem Amplitudenmodu lator 11 ausgestattet, der die HF-Spannung in Signalabschnitte c1 und Pausenabschnitte c2 unterteilt. Die Dauer der Signalabschnitte c1 und/oder Pausenabschnitte c2 sind am Amplitudenmo dulator 11 einstellbar. Die vom Amplitudenmodulator 11 ausgege benen binären Modulationssignale c werden einem Und-Gatter 12 zugeführt, dem auch die Steuerimpulse b aus der Pulsformerstufe 7 zugeführt werden. Die Zuführung erfolgt derart, daß die Steuerimpulse b dem Transistor 3 nur während der Signalab schnitte c1 zugeleitet werden und hierdurch nur während dieser Signalabschnitte c1 elektrische Energie aus dem Netzteil 8 in den Resonanzkreis eingespeist wird. Die am Ende eines Signalab schnittes c1 im Resonanzkreis vorhandene elektromagnetische Energie wird in einen reellen elektrischen Widerstand geleitet, der diese möglichst schnell in thermische Energie umwandelt.

Hierfür ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem ohmschen Widerstand R_D, einer Spule 13 und einem Transistor 14 ausge stattet. Die Spule 13 ist induktiv an den Resonanzkreis 1, 2 gekoppelt. Der Transistor 14 verbindet den ohmschen Widerstand R_D synchron zu den Pausenabschnitten c2 des Modulationssignales c mit der Spule 13. Da die im Resonanzkreis 1, 2 vorhandene Energie am Ausgang der Spule 13 einen Wechselstrom erzeugt, ist die Vorrichtung mit einem Gleichrichter 15 ausgestattet, der den Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt.

In einer einfachen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Transistor 14 synchron bzw. in Phase mit den Pausenab schnitten c2 des Modulationssignals c geöffnet und mit den Signalabschnitten c1 des Modulationssignals c gesperrt. In die sem Fall ist der Öffnungsabschnitt c3 identisch mit dem Pausen abschnitt c2. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, den Öff nungsabschnitt c3 für den Transistor 14 zum Pausenabschnitt c2 des Modulationssignals c zu verschieben bzw. mit einer bestimm ten Phasenlage, beispielsweise dem Nulldurchgang der HF- Spannung an der Spule 13 zu synchronisieren. Der Öffnungsab schnitt c3 kann vor oder nach dem Pausenabschnitt c2 beginnen und vor oder nach dem Pausenabschnitt c2 aufhören. Hierfür weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Pulsformerstufe 16 auf. Die Pulsformerstufe 16 verbindet den Amplitudenmodulator 11 mit dem Transistor 14 und steuert die Öffnungsabschnitte c3.

Die Höhe des ohmschen Widerstandes R_D kann zweckmäßiger Weise so dimensioniert werden, daß die Energie des Resonanzkreises 1, 2 möglichst schnell in diesem Widerstand in thermische Energie umgewandelt wird. Hier gilt die bekannte Regel der optimalen Leistungsanpassung P_max eines Lastwiderstandes R_L an einen Gene rator-Innenwiderstand R_i. Die Leistung P_max ist am größten, wenn der Lastwiderstand R_L gleich groß dem Generator-Innnenwider stand R_i ist. Auf einen separaten ohmschen Widerstand R_D kann verzichtet werden, wenn der reelle elektrische Widerstand der Spule 13, des Gleichrichters 15 und/oder des Transistors 14 für eine ausreichend schnelle Umwandlung der HF-Energie in thermi sche Energie geeignet sind.

Mit Rücksicht auf die Erwärmung des Transistors 14, insbesonde re am Beginn der Öffnungsabschnitte C3, kann es zweckmäßig sein, den Zeitpunkt der Öffnung auch mit dem Nulldurchgang der HF-Spannung der Spule 13 zu synchronisieren.

Der Gegenstand dieser Erfindung kann nicht nur zum HF- chirurgischen Schneiden biologischer Gewebe, sondern auch zum HF-chirurgischen Koagulieren biologischer Gewebe angewendet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn mittels einer aktiven Elektrode, welche primär zum Schneiden bestimmt ist, Gewebe koaguliert werden soll, ohne daß hierbei ein Schneideeffekt entsteht. Letzteres ist beispielsweise bei einer transuritralen Resektion der Prostata (TUR-P) relevant, nämlich dann, wenn mit der Resektions- bzw. Schneideschlinge Blutgefäße zum Zwecke ei ner thermischen Hämostase koaguliert werden sollen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß alle oben be schriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten De tails als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Bezugszeichenliste

c1 Signalabschnitt
c2 Pausenabschnitt
A Amplitude
t Zeit
U_eff

Effektivspannung
U_p

Spitzenspannung
k Koagulationszone

1

Spule

2

Kondensator

3

Transistor

4

Kondensator

5

Widerstand

6

Phasenschieber

7

Pulsformerstufe

8

Netzteil

9

Schalter

10

Spule

11

Amplitudenmodulator

12

Und-Gatter

13

Spule

14

Transistor

15

Gleichrichter

16

Pulsformerstufe

Claims

1. HF-Spannungsgenerator für die HF-Chirurgie, mit dem HF- Energie einem biologischen Gewebe zuführbar ist, umfassend:
eine Schwingungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines HF-Spannungssignals;
einen Amplitudenmodulator (11) zur Unterteilung des HF-Spannungssignals in Signalabschnitte (c1) und Pausenabschnitte (c2); und
einen Schalter (14), der elektrisch mit der Schwingungserzeugungseinrichtung und dem Amplitudenmodulator (11) gekoppelt ist,
gekennzeichnet durch:
einen elektrischen Verbraucher, der nicht das biologische Gewebe ist, zur Aufnahme elektrischer Energie aus der Schwingungserzeugungseinrichtung mindestens während eines Teils der Pausenabschnitte (c2), und
eine Pulsformerstufe (16), welche die Aufnahme der elektrischen Energie durch den elektrischen Verbraucher während definierter Öffnungsabschnitte (c3) und den Schalter (14) steuert.

2. HF-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugungseinrichtung mindestens einen Resonanzkreis umfaßt.

3. HF-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugungseinrichtung mindestens eine Gegentakt-Endstufe umfaßt.

4. HF-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugungseinrichtung mindestens eine Quasi-Komplementär-Endstufe umfaßt.

5. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugungseinrichtung mindestens einen Serienresonanzkreis umfaßt.

6. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis eine Spule (1) und einen Kondensator (2) umfaßt.

7. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher eine Energiespeichereinrichtung umfaßt, um die HF-Energie während der Öffnungsabschnitte (c3) zu speichern und während der Signalabschnitte (c1) abzugeben.

8. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher derart ausgebildet ist, daß die aufgenommene HF-Energie in thermische Energie umgewandelt wird.

9. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der elektrische Verbraucher umfaßt:
eine Spule (13), die induktiv mit dem Resonanzkreis gekoppelt ist;
einen Gleichrichter (15), der einen in die Spule (13) eingekoppelten Wechselstrom in einen Gleichstrom umformt; und
einen Transistor, der den Gleichstrom im durchgeschalteten Zustand dem elektrischen Verbraucher zuführt.

10. HF-Spannungsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher einen ohmschen Widerstand (R_D) umfaßt.