DE102007034271A1

DE102007034271A1 - Hochfrequenzchirurgiegerät und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102007034271A1
Application number: DE102007034271A
Authority: DE
Inventors: Godo Strauss; Uwe Fischer; Timo Strauss
Original assignee: Celon AG Medical Instruments
Current assignee: Celon AG Medical Instruments
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-01-22
Also published as: EP2491882A2; EP2491882B1; EP2491882A3; JP2010533528A; US20100198217A1; EP2170201A1; WO2009010565A1; US9186199B2; JP5538218B2; EP2170201B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenzchirurgiegerät zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe und Verfahren zu dessen Betrieb. Das Hochfrequenzchirurgiegerät umfasst wenigstens einen Hochfrequenzgenerator, der im Betrieb unter Entstehung eines Lichtbogens mit dem zu behandelnden Gewebe einen Hochfrequenzstromkreis bildet, und wenigstens einer mit dem Hochfrequenzstromkreis signaltechnisch verbundenen Mess- und Recheneinrichtung, die ausgebildet ist, im Betrieb sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch die Amplituden wenigstens einer geradzahligen und wenigstens einer ungeradzahligen Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators zu ermitteln und einen für die Gewebeart des behandelnden Gewebes repräsentativen ersten Gewebeparameter aus dem Verhältnis der Summe der Amplituden der geradzahligen und der ungeradzahligen Harmonischen zur Gleichspannung zu bilden und ein vom ersten Gewebeparameter abhängiges Gewebesignal zur nachfolgenden Verarbeitung auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenzchirurgiegerät zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe, mit wenigstens einem Hochfrequenzgenerator, der im Betrieb unter Entstehung eines Lichtbogens mit dem zu behandelnden Gewebe einen Hochfrequenzstromkreis bildet.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Hochfrequenzchirurgiegerätes, bei dem zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe unter Bildung eines Lichtbogens ein Hochfrequenzstromkreis zwischen wenigstens einem Hochfrequenzgenerator und dem zu behandelnden Gewebe gebildet wird.
Unter dem Begriff Hochfrequenzchirurgie versteht man im Wesentlichen das Schneiden und Koagulieren (Veröden) von biologischem Gewebe unter Verwendung hochfrequenter Ströme (ca. 0,2 MHz bis 3 MHz). Dabei beruht der Schneideffekt in biologischem Gewebe auf der Lichtbogenbildung zwischen einer aktiven Elektrode und dem Gewebe. Um einen möglichst gleichmäßigen Schnitt mit einer konstanten Blutstillung zu erreichen (Schnittergebnis), werden die Lichtbogenparameter als Regelkriterium für den Hochfrequenzgenerator verwendet.
Bei der Koagulation wird der hochfrequente Strom zur Blutstillung oder zur Ablation von Gewebe eingesetzt. Hierbei wird das die Elektrode umgebende Gewebe durch den Strom soweit erwärmt, dass körpereigene Eiweiße zerfallen, verkleben und intra- sowie extrazelluläre Flüssigkeiten verdampfen. Dadurch kommt es zur Denaturierung und zum Zusammenschrumpfen des Gewebes und der Blutgefäße und damit letztlich zur Stillung von Blutungen. Bei der Ablation wird ein Gewebebereich, der zerstört bzw. aus dem Körper entfernt werden soll, auf diese Weise denaturiert. Der so behandelte Gewebebereich vernarbt und wird durch körpereigene Prozesse abgebaut, ohne dass er operativ entfernt werden muss.
Beim Schneidvorgang zünden Lichtbögen durch eine Dampfschicht aus Zellflüssigkeit zwischen Schneidelektrode und Gewebe. Durch die punktuelle Konzentration des Hochfrequenzstromes im Lichtbogen kommt es zur blitzartigen Erwärmung des zellulären Gewebes, was zur schlagartigen Verdampfung der Zellflüssigkeit und letztendlich zur Zellexplosion führt. Durch die Verteilung der zündenden Lichtbögen über die aktive Elektrode, überall dorthin, wo die Dampfschicht zwischen Gewebe und Elektrode dünn genug ist, entsteht der Schneideffekt. Elektrisch leitfähiges Gewebe kann dabei nahezu ohne mechanischen Druck durchtrennt werden. Durch die hohen Temperaturen wird die Gefahr einer Keimverschleppung vermindert, außerdem kann gleichzeitig die Koagulation umliegender Gewebepartien erreicht werden.
Bei der monopolaren Technik werden eine aktive Koagulations- oder Schneidelektrode und eine großflächig aufgebrachte Neutralelektrode verwendet. Der Hochfrequenzstrom fließt dabei von der aktiven Elektrode über das zu behandelnde Gewebe zur Neutralelektrode. Entscheidend für die thermische Wirkung des Stromes an der Applikationsstelle ist eine kleinflächige aktive Elektrode gegenüber einer großflächigen Neutralelektrode. Dadurch werden eine hohe Stromdichte und damit eine starke Erwärmung des Gewebes an der Operationsstelle erreicht und gleichzeitig ungewollte Gewebeschädigungen an der neutralen Elektrode vermieden.
Bei bipolaren Anwendungen werden zwei gleichwertige Elektroden verwendet, die in einem Instrument zusammengefasst sind. Der Hochfrequenzstrom fließt dabei von der einen Elektrode über das zu behandelnde Gewebe zur anderen Elektrode des Chirurgieinstrumentes. Alternativ können die Elektroden auch an unterschiedlichen Geräten ausgebildet sein. Die bekanntesten Instrumente sind dabei Koagulationspinzetten, mit denen gezielt Blutgefäße gegriffen und dann verschlossen werden können.
Die Lichtbogenintensität wird im vorliegenden Dokument als Maß für die Auftrittshäufigkeit und die Anzahl der gezündeten Lichtbögen definiert. Sie ist proportional zur Leistung, die am Lichtbogen für den Funkenüberschlag und die Aufrechterhaltung der Dampfschicht umgesetzt wird. Die Lichtbogenintensität hängt bei konstanter Leistungsabgabe des HF-Generators von Parametern wie Schnitttiefe, Schnittgeschwindigkeit und den Gewebegegebenheiten ab. Die Regelung der Lichtbogenintensität wird dazu genutzt, um Schnittergebnisse zu erzielen, die möglichst unabhängig von den Gewebegegebenheiten und Schnittparametern sind. Unter dem Begriff Schnittergebnis versteht man dabei den Koagulations- (erwünscht) und Karbonisationsgrad (Karbonisierung: unerwünschte Material- oder Gewebeverkohlung) der Schnittflächen.
Biologisches Gewebe ist keine homogene Masse. Muskel-, Fett- und andere Gewebearten sowie Blutgefäße wechseln sich ab. Auch Geschwindigkeit und Eindringtiefe der Elektrode ändern sich während des Schneidvorganges. Damit wechseln ständig die elektrischen Bedingungen unter denen die schneidende Elektrode geführt wird. HF- Generatoren ohne Lichtbogenregelung können ihre elektrischen Ausgangsparameter diesen veränderlichen Anwendungsbedingungen nicht anpassen. Die aktive Elektrode ist bei einem Schneidvorgang von einem Film aus verdampfter Zellflüssigkeit umgeben. Die Dampfschicht wird aufgrund der Vorschubbewegung im Bereich vor der Elektrode komprimiert und verdrängt. Dort zünden die Lichtbögen bei einem optimalen Schneidvorgang durch die dünnere Dampfschicht. Bei zu hoher Leistungsabgabe des HF-Generators zünden die Lichtbögen verteilt über die gesamte Elektrodenoberfläche.
Das angestrebte Ergebnis bei einem Schnitt mit einem HF-Chirurgiegerät ist die Gewebetrennung, bei der die Schnittflächen koaguliert, aber nicht karbonisiert sind. Eine zu hohe Leistungsabgabe des HF-Generators führt nicht zu einem verbesserten Schnittergebnis, sondern zu einer erhöhten Lichtbogenintensität. Damit gehen stärkere Nekrose und Karbonisierung der Schnittflächen einher. Dies verzögert den Heilungsprozess und ist daher unbedingt zu vermeiden. Dagegen kann bei zu geringer Leistung kein Lichtbogen mehr zünden und der Schneidvorgang kommt zum erliegen.
Auf dem Markt befindliche HF-Generatoren regeln die Ausgangsspannung des Generators, um die Lichtbogenintensität zwischen Schneidelektrode und Gewebe konstant zu halten. Mit dieser Regelung kann die Ausgangsleistung des HF-Generators wesentlich besser an die momentanen, operativen Erfordernisse angepasst werden als mit einer Konstantspannungsregelung oder komplett ohne eine Regelung. Bei einem idealen HF-Chirurgiegerät wäre das Schnittergebnis immer konstant und unter allen Bedingungen reproduzierbar. Hier stoßen bisher technisch realisierte Lichtbogenregelungen an ihre Grenzen, denn es bleibt eine deutliche Restabhängigkeit des Koagulations- und Karbonisationsgrades der Schnittflächen beispielsweise von der Schnittgeschwindigkeit und der Schnitttiefe.
Die technische Erkennung des Gewebes, in dem der Operateur schneidet, erhöht die Sicherheit bei der Anwendung der HF-Chirurgie erheblich. Im Idealfall soll das Chirurgiegerät erkennen, in welcher Gewebeart die Operation durchgeführt werden soll und abschalten oder mit einer Signalisierung reagieren, sobald die Schneidelektrode in Kontakt mit anderen Gewebepartien kommt, um deren ungewollte Schädigung zu vermeiden.
Hochfrequenzchirurgiegeräte und Verfahren zu dessen Betrieb sind aus dem Stand der Technik bekannt:
Die DE 25 04 280 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zum Schneiden und Koagulieren menschlichen Gewebes mit Hochfrequenzstrom, die anhand des Zustandes des Schneid- bzw. Koagulationsvorgangs geregelt wird.
Eine Erfassung Lichtbogenintensität zur Steuerung eines Hochfrequenzgenerators ist in der DE 195 42 418 dargelegt.
Ein Hochfrequenzgenerator mit Gewebedifferenzierung anhand einer an Hochfrequenzgenerator gemessenen Strom-Spannung-Kennlinie ist in der DE 195 42 419 beschrieben.
Die DE 28 01 833 zeigt eine elektrochirurgische Schneidvorrichtung, bei der ein Regler für die HF-Spannung des HF-Generators auf eine beim Schneiden entstehende Gleichspannung anspricht.
In der DE 41 26 607 ist eine Anordnung zum Schneiden von biologischem Gewebe mit Hochfrequenzstrom beschrieben.
Problematisch ist bei den bekannten Hochfrequenzchirurgiegeräte und deren Steuerungsverfahren, dass unterschiedliche Schnittergebnisse auftreten können, weil eine Abhängigkeit von der vom Operateur bestimmten Parameter, wie beispielsweise Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe, und von der Gewebeart, wie beispielsweise Muskel- oder Fettgewebe, besteht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Hochfrequenzchirurgiegeräte und ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, dass gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schnittergebnisse liefert.
Diese Aufgabe löst das Hochfrequenzchirurgiegerät und das Verfahren zu dessen Betrieb nach den unabhängigen Ansprüchen.
Das eine erfindungsgemäße Hochfrequenzchirurgiegerät löst die Aufgabe durch das Bilden eines für die Gewebeart repräsentativen ersten Gewebeparameters. Der erste Gewebeparameter wird aus dem Verhältnis der Summe der Amplituden der geradzahligen und der ungeradzahligen Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators zur Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis berechnet. Versuche haben gezeigt, dass dieser Gewebeparameter die Gewebeart widerspiegelt und gleichzeitig unabhängig von der vom Operateur bestimmten Schnittgeschwindigkeit ist. Daher kann dieser erste Gewebeparameter beispielsweise für eine automatischen Regelung der Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators, wie der Ausgangsleistung oder der Ausgangsspannung, verwendet werden kann.
Das andere erfindungsgemäße Hochfrequenzchirurgiegerät löst die oben genannte Aufgabe durch das Bestimmen eines für die Schnittgeschwindigkeit repräsentativen Geschwindigkeitsparameters. Dieser Geschwindigkeitsparameter berechnet sich aus einem Quotienten aus der Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis und der Amplitude der Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators und/oder aus einem Quotienten aus der Gleichspannung und des Ausgangstroms. Versuche haben hierzu gezeigt, dass der Geschwindigkeitsparameter die Schnittgeschwindigkeit widerspiegelt, mit welcher der Operateur den Schnitt durchführt. Folglich kann der erfindungsgemäße Geschwindigkeitsparameter beispielsweise verwendet werden, um die Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators automatisch an die Schnittgeschwindigkeit anzupassen. Durch diese Regelung wird ein gleichmäßiges Schnittergebnis erzielt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
So kann das Hochfrequenzchirurgiegerät wenigstens eine mit der Mess- und Recheneinrichtung verbundenen Kontrolleinrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators aufweisen, wobei die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, die Ausgangsgröße anhand des Gewebesignals und/oder des Geschwindigkeitssignals zu steuern oder regeln. Dies hat den Vorteil, dass eine automatische Regelung der Ausgangsgröße, wie der Ausgangsspannung oder der Ausgangsleitung, des HF-Generators bei gleichbleibender Schnittqualität unabhängig von der Schnittgeschwindigkeit und/oder der Gewebeart möglich ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der gezeigten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Darstellung des Quotienten aus UDC/I bei Schnitten mit verschiedenen Geschwindigkeiten und konstanter Ausgangsspannung (U = 300 V);
2 eine Darstellung des Quotienten aus UDC/ûf2 bei Schnitten mit verschiedenen Geschwindigkeiten und konstanter Ausgangsspannung (U = 300 V);
3 ein Verhalten des Parameters (ûf2 + ûf3)/UDC bei mehreren Schnitten mit verschiedenen Geschwindigkeiten (U = konst. = 300 V);
4 ein Verhalten des rechnerisch ermittelten Parameters (ûf2 + ûf3)/UDC bei mehreren Schnitten durch Muskel- und Fettgewebe (U = konst. = 300 V);
5 eine Ausgangsspannung UHF über Gleichspannung UDC bei mehreren Schnitten durch Muskel und Fettgewebe mit Lichtbogenregelung (durch Lichtbogen entstehende Gleichspannung UDC auf 40 V geregelt);
6 eine schematische Darstellung der Messung des Gleichspannungsanteils;
7 eine schematische Darstellung der Filterung und Messung des Oberwellenanteils;
8 eine schematische Darstellung eines HF-Generators mit Auswertung der harmonische Oberwellen zur Gewebedifferenzierung;
9 eine schematische Skizze zur Auswertung der zweiten und dritten Harmonischen im Spannungsspektrum;
10 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Lichtbogensensor mit integrierter Frequenzspektrumsauswertung,
11 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Lichtbogenregelung (Gesamtsystem);
12 eine schematischen Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzchirurgiegeräts.
Im Folgenden werden die Untersuchungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung und die Erfindung in beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
Die messtechnische Erfassung des Lichtbogens ist Grundlage der Regelung moderner HFGeneratoren. Folgend werden einige Möglichkeiten zur Erfassung verschiedener charakteristischer Parameter des Lichtbogens beschrieben.
Harmonische Oberwellen im Frequenzspektrum
Die Auswertung des Frequenzspektrums des Stromes bei Schneiden von Gewebe ist bekannt. Durch die nichtlineare Kennlinie des Lichtbogenüberschlags entstehen im Frequenzspektrum des Ausgangsstromes des HF-Generators harmonische Oberwellen. Wie stark der Stromverlauf deformiert wird und von der Sinus-Grundform abweicht, hängt von der Intensität des Lichtbogenüberschlages ab. Damit ist der Oberwellenanteil proportional zur Lichtbogeninytensität und kann als Kriterium zur Regelung der Ausgangsleistung genutzt werden. Generatoren, bei denen unter Belastung die Ausgangsspannung stark von der Sinusform abweicht (Spannungseinbruch), liefern ein entsprechendes Frequenzspektrum auch für die Ausgangsspannung.
Gleichspannung
Bei monopolarem Schneiden in der HF-Chirurgie brennt der Lichtbogen zwischen metallischer Elektrode und Gewebe. Aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeit, welche die geladenen Teilchen an den stark unterschiedlichen Materialien leisten müssen, hat der Lichtbogen Gleichrichtwirkung, ähnlich einer Metall-Halbleiter-Diode. Nur bei einem Lichtbogenüberschlag tritt eine Gleichspannung (DC-Anteil) auf. Diese Gleichspannung kann am Kondensator, der zur Abblockung von Gleichströmen im Patientenstromkreis dient, gemessen werden. Sie ist mit Einschränkungen proportional zur Lichtbogenintensität und kann zur Regelung des HFGenerators herangezogen werden. Die Lichtbogenregelung bei bekannten HF-Chirurgiegeräten basiert z. B. auf der Erfassung der Gleichspannung bei Lichtbogenüberschlag.
Amplituden der Oberwellen im Frequenzspektrum des Stromes
Das Frequenzspektrum des Stromes kann als Merkmal zur Differenzierung von Gewebe genutzt werden. Versuchen haben gezeigt, dass das Frequenzspektrum abhängig von den Elektrodenmaterialien ist. Beim Schneiden mit einem Hochfrequenzchirurgiegerät ändert sich das Material der vom Chirurgen geführten, aktiven Schneidelektrode nicht. Durch die Auswertung der Amplituden der einzelnen Harmonischen kann also eine Aussage über das Material getroffen werden, welches die Schneidelektrode umgibt. Daher kann das Verhältnisse zwischen den Amplituden der geraden und ungeraden Harmonischen zur Auswertung genutzt werden. Versuche haben gezeigt, dass z. B. sich das Ver hältnis der Amplituden der zweiten zur dritten Harmonischen in Muskelgewebe vom Verhältnis der Amplituden der gleichen Harmonischen in Fettgewebe unterscheidet.
Versuchsergebnis zur Erfassung der Elektrodengeschwindigkeit
Der Widerstand der Elektrode-Gewebe-Anordnung nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Dieser Zusammenhang lässt sich anhand der Modellvorstellung erklären, dass die aktive Elektrode während des Schneidvorganges von einer Hülle aus verdampfter Zellflüssigkeit umgeben ist. In Vorschubrichtung wird diese Dampfschicht komprimiert, so dass an dieser Stelle die Lichtbögen durch die dünnere Dampfschicht zünden. Wird nun die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, die Dampfschicht damit stärker komprimiert und dünner, nimmt auch ihr Widerstand ab. Da bei konstant geregelter Gleichspannung UDC der Koagulationsgrad der Schnittflächen mit steigender Schnittgeschwindigkeit abnimmt, ist ein zusätzlicher Parameter notwendig, mit dem die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode stärker berücksichtigt wird als mit der Gleichspannung UDC alleine. Hierzu bietet sich der Ausgangsstrom I des HF-Generators an.
Durch die Verhältnisbildung zwischen Gleichspannung UDC und Strom I, erhält man eine Größe, in der sowohl der Gewebeeinfluss (mittels UDC) als auch der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit (mittels I) berücksichtigt werden, wie in 1 dargestellt.
Des Weiteren ergibt sich ein ähnlicher Zusammenhang für das Verhältnis zwischen Gleichspannung UDC und Amplitude der zweiten Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung ûf2, wie in 2 dargestellt.
Versuchsergebnis zur Erfassung der Frequenzspektren
Versuche haben gezeigt, eine starke Abhängigkeit der Oberwellen von der Schnittgeschwindigkeit besteht. Die Elektroden- oder Schnittgeschwindigkeit hängt vom Operateur ab, der die Elektrode durch das Gewebe führt. Das Ergebnis der technischen Gewebedifferenzierung sollte jedoch nicht vom Anwender (Operateur) beeinflussbar sein. Daher muss zur Gewebedifferenzierung ein Parameter gefunden werden, der nicht geschwindigkeitsabhängig ist und somit nicht vom Operateur beeinflusst werden kann.
3 zeigt, dass der rechnerisch ermittelte Parameter (ûf2 + ûf3)/UDC nicht von der Elektrodengeschwindigkeit abhängig ist. 4 zeigt, dass dieser Parameter (ûf2 + ûf3)/UDC von der Gewebeart abhängig ist, durch welche die aktive Elektrode ge führt wird. Daher kann der Parameter (ûf2 + ûf3)/UDC auch als ein erster Gewebeparameter bezeichnet werden.
Dieser erfindungsgemäße erste Gewebeparameter (ûf2 + ûf3)/UDC erlaubt die geschwindigkeitsunabhängige Differenzierung von Gewebematerialien. Um die Unterscheidungsmöglichkeiten verschiedener Gewebearten weiter zu erhöhen, können noch zusätzliche Messwerte wie zum Beispiel der Gesamteffektivwert der Ausgangsspannung zum ersten Parameter hinzugefügt werden.
Auswertung der Ausgangsspannung
5 zeigt ein Diagramm von Messwerten der Ausgangsspannung, wobei zur Gewebedifferenzierung die Gleichspannung auf 40 V geregelt wurde. Bestimmte Datenbereiche in dem Übergangsbereich zwischen Muskel- und Fettgewebe wurden in der Datenauswertung ausgespart, um ein aussagefähiges Diagramm zu erhalten, in dem Muskel- und Fettgewebe unterschieden werden können. Die Lichtbogenregelung kann die Ausgangsspannung UHF nicht sprunghaft an die Gewebegegebenheiten anpassen. Dadurch entsteht ein Übergangsbereich, in dem keine Aussage über die Gewebeart getroffen werden kann.
Versuchsergebnis zur Auswertung der Ausgangsspannung
Bei einem Schnitt von Muskel- nach Fettgewebe passt die Lichtbogenregelung eines HF-Generators aus dem Stand der Technik die Ausgangsspannung UHF dem Gewebe an, um die Lichtbogenintensität (erfasst mittels der Gleichspannung UDC) weitgehend konstant zu halten. 5 zeigt, dass eine Gewebeunterscheidung anhand der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Gleichspannung (UHF/UDC) möglich ist. Die Kombination mit einem oder mehreren anderen Parametern zur sicheren Gewebedifferenzierung ist somit sinnvoll.
Erfassung des Lichtbogens im Stand der Technik
6 zeigt das Prinzip im Stand der Technik, das auf der Erfassung der Lichtbogenintensität durch Messung der Gleichspannung über dem Antifaradisationskondensator CAnti (siehe 52) im Patientenstromkreis beruht. Der in 6 gezeigte Lichtbogensensor setzt sich aus einer Messschaltung, einem PIC-18-Microcontroller mit der zugehörigen Peripherie und der Schnittstelle zur Datenübermittlung zusammen. Die Gleichspannung über dem Kondensator CAnti wird mittels der A/D-Wandler des PIC-18- Mircocontrollers erfasst. Dieser erstellt aus den Messwerten das Datenprotokoll, welches an die CPU des HF-Generators übermittelt wird. Die CPU des HF-Generators übernimmt die Regelaufgaben, damit ein lichtbogengeregelter Schnitt durchgeführt werden kann. Der Lichtbogensensor selbst hat keine regelungstechnische Aufgaben, er erzeugt ein zur Lichtbogenintensität proportionales Signal, welches der CPU des HF-Generators zur Verfügung gestellt wird.
Auswertung der Harmonischen im Frequenzspektrum des Stromes
Die Auswertung der Harmonischen im Frequenzspektrum des Stromes eines HF-Generators ist in 7 dargestellt. Wie oben beschrieben, ist die Auswertung des Frequenzspektrums sowohl des Stromes als auch der Spannung grundsätzlich zur Erfassung der Lichtbogenintensität geeignet. Anhand von Versuchen konnte ein Zusammenhang zwischen Lichtbogenintensität, Schnittgeschwindigkeit und Schnittergebnis nachgewiesen werden. Darüber hinaus haben die Versuche gezeigt, dass zur Realisierung einer derartigen Regelung nicht nur das Verhältnis zwischen Lichtbogenintensität und Strom, sondern auch das Verhältnis zwischen Lichtbogenintensität und Amplitude der zweiten Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung geeignet ist.
Auswertung der harmonischen Oberwellen des Ausgangssiqnals
Die Auswertung der harmonischen Oberwellen im Ausgangssignal des HF-Generators ist in der Schaltung in 8 realisiert. Damit eine Auswertung des Oberwellenanteils möglich ist, müssen die gewünschten Frequenzen ausgefiltert werden. Dabei sind die Grundwelle sowie die zweite und dritte Harmonische besonders bevorzugt, da die Amplitude der höheren Harmonischen abnimmt und damit eine Differenzierung vom Hintergrundrauschen schwieriger wird.
Beim Schneiden in Gewebe ist die aktive Elektrode von einer Dampfschicht umgeben, so dass kein direkter Gewebekontakt besteht. Der Widerstand der Dampfschicht und des Gewebes bewegt sich im Bereich 1 kΩ bis 2 kΩ und ist damit relativ konstant. Die Frequenz der Grundwelle bewegt sich dabei im Bereich 330–335 kHz, die der zweiten Harmonischen im Bereich 660–670 kHz und die der dritten Harmonischen im Bereich 990–1005 kHz. Damit kann zur Filterung der einzelnen Oberwellen in einer Ausführungsform der Erfindung auf eine extrem breite Auslegung der Bandpässe verzichtet werden. Anhand der Versuche konnten aus der Kombination der Oberwellen mit der Gleichspannung der gewebeabhängiger und geschwindigkeitsunabhängiger Parameter ((ûf2 + ûf3)/UDC) gewonnen werden, mit dem eine Gewebedifferenzierung möglich ist.
Auch das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Gleichspannung (UHF/UDC) hat sich als ein weiterer geeigneter Parameter zur Gewebedifferenzierung herausgestellt. Dieser kann daher als ein zweiter Gewebeparameter bezeichnet werden. Eine Auswertung einer oder beider Parameter ist daher sinnvoll. Durch die Kombination zweier Parameter kann die Gefahr einer fehlerhaften Gewebeidentifikation zusätzlich minimiert werden.
Methode zur Erfassung der Lichtbogenparameter
Die Verwendung der in den Versuchen ermittelten Parameter zur Erfassung der Lichtbogenintensität und Gewebedifferenzierung zur technischen Realisierung ist im Folgenden beschrieben.
Im Hinblick auf die Gewebedifferenzierung ist sowohl die Auswertung der Gleichspannung als auch die der zweiten und dritten Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung notwendig. In einer Ausführungsform der Erfindung ist beides integriert. Dies führt zu einer verbesserten Lichtbogenregelung zur weiteren Verbesserung der Schnittergebnisse, wie im folgenden beschrieben.
Verbesserung des Schnittergebnisses durch eine Reduzierung des Einflusses der Elektrodengeschwindigkeit
Ziel der Lichtbogenregelung ist es, ein immer gleiches, definiertes Schnittergebnis zu erhalten, welches unabhängig von den Schnittparametern ist. Die gewünschte Qualität des Schnittes wird über das Benutzer-Interface des HF-Generators vom Operateur voreingestellt. Damit legt der Operateur die Intensität des Lichtbogens fest. Die Lichtbogenintensität wird messtechnisch erfasst und über eine Regelung auf diesem Level konstant gehalten. Mit dieser Art der Regelung gelingt es, das Schnittergebnis weitgehend unabhängig von Gewebegegebenheiten zu halten. Es bleibt jedoch eine Abhängigkeit des Schnittergebnisses von der Schnitt-, also der Elektrodengeschwindigkeit. Es hat sich gezeigt, dass der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit kompensiert werden kann, wenn sich die Lichtbogenintensität annähernd so verhält wie der Strom. Dies lässt sich erreichen, indem das Verhältnis aus beiden Größen konstant geregelt wird. Mit einer derartigen Regelung (UDC/I) sind Schnittergebnisse zu erzielen, die wesentlich unabhängiger von der Schnittgeschwindigkeit sind als bei Schnitten mit konstanter Lichtbogenintensität. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass die Realisierung dieser Regelung auch über eine Auswertung der zweiten Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung (UDC/ûf2) möglich ist. Dies ergänzt sich mit der Gewebedifferenzierung an hand des Spannungsfrequenzspektrums und kann damit in einem gemeinsamen Sensor realisiert werden.
Filter-Entwurf
Noch Folgend wird eine beispielhafte Filter-Hardware dargestellt, mit welcher die zweite und dritte Harmonische des Spannungs-Frequenzspektrums zur Lichtbogenregelung und Gewebedifferenzierung ausgewertet werden kann.
Über ein Widerstandsnetzwerk wird die Spannung zwischen aktiver Elektrode (AE) und Neutralelektrode (NE) auf den benötigten Wert geteilt. Um elektrische Signale zu erzeugen, die proportional zur zweiten und dritten Harmonischen im Frequenzspektrum der Spannung sind, können diese mit entsprechender Filtertechnik aus dem Frequenzspektrum ausgekoppelt werden. Das Ausgangssignal der Filter wird anschließend aktiv gleichgerichtet („Superdiode") und dann über die 10-Bit-A/D-Wandler eines PIC18-Microcontrollers erfasst werden, wie in 9 dargestellt. Aus Gründen der Störunempfindlichkeit werden zur Umsetzung der Filtertechnik beispielsweise aktive Analog-Filter genutzt. Insbesondere bieten sich hierzu Bandpassfilter mit Mehrfachgegenkopplung an. Die Filter sollen an einer Spannungsversorgung von ±9 V betrieben werden und die maximale Ausgangsspannung der Filter ûout soll 4 V betragen (max. Eingangsspannung der A/D-Wandler). Das beispielhafte Filter für die zweite Harmonische soll für einen Durchlassbereich von 660–670 kHz, das beispielhafte Filter für die dritte Harmonische für den Durchlassbereich 990–1005 kHz dimensioniert werden.
Die erfindungsgemäße Filtertechnik zur Auswertung des Frequenzspektrums lässt sich in bekannte HF-Chirurgiegeräte integrieren, was in 10 dargestellt ist.
Zur Adaption der Frequenzspektrumsauswertung in den erfindungsgemäßen Lichtbogensensor wurde die Hard- und Software entsprechend erweitert. Bei der Erweiterung der Software zur Programmierung des PIC-Microcontrollers wurde die Verarbeitung zusätzlicher Messwerte berücksichtigt. Auch die Datenübertragung zur CPU des HF-Generators wurde auf die zusätzlichen Messwerte angepasst.
Ergebnis
Die Erfindung liefert ein neues Messsystems zur Erfassung der Lichtbogenparameter. Das erfindungsgemäße HF-Chirurgiegerät umfasst die Auswertung der Oberwellen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung des HF-Generators. Für die Erweiterung der Lichtbogenregelung wurde mit dem Quotienten aus Gleichspannung UDC und Amplitude der zweiten Harmonischen ûf2 aus dem Frequenzspektrum der Ausgangsspannung des HF-Generators ein Parameter UDC/ûf2 ermittelt, mit dem die Schnittgeschwindigkeit stärker berücksichtigt wird als bei bisherigen HF-Chirurgiegeräten und so eine Verbesserung des Schnittergebnisses erzielt wird. Durch die Auswertung der Amplituden der zweiten ûf2 und dritten ûf3 harmonischen Oberwellen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung des HF-Generators, in Verbindung mit der Gleichspannung UDC, wurde der Parameter (ûf2 + ûf3)/UDC ermittelt, mit dem eine Unterscheidung zwischen Muskel- und Fettgewebe unabhängig von der Schnittgeschwindigkeit möglich ist. Zur Erweiterung der Möglichkeiten zur Gewebedifferenzierung wird außerdem noch die Kombination mit dem ebenfalls gewebeabhängigen Parameter UHF/UDC (UHF = Ausgangsspannung des HF-Generators ohne Gleichanteil) vorgeschlagen. Die oben genannten Parameter zur Erweiterung der Lichtbogensensorik wurden in umfangreichen Versuchsreihen evaluiert. Der beschrieben Entwurf entsprechender Bandpass-Filter für die Frequenzbereiche 660–670 kHz und 990–1005 KHz zeigt ein Beispiel zur Hardwareumsetzung der Oberwellenauswertung.
Ziel der Erfindung ist es, den Koagulationsgrad der Schnittflächen (Schnittergebnis) vollständig unabhängig von Gewebegegebenheiten und von den, durch den Anwender bestimmte Einflussgrößen wie Schnittgeschwindigkeit und –tiefe konstant zu halten. Bisherige technische Lösungen zur Lichtbogenregelung berücksichtigen vor allem den Gewebeeinfluss auf das Schnittergebnis. Die Erfindung beschreibt eine Lichtbogenregelung, bei welcher die Schnittparameter stärker berücksichtigt werden können. Ein erfindungsgemäßes HF-Chirurgiegerät ist in 11 dargestellt.
HF-Chirurgiegeräte und HF-Generatoren dieser Erfindung vermeiden anhand der technischen Unterscheidung von Gewebearten während des Operationsvorganges eine ungewollte Verletzung oder Beschädigung umliegender Gewebepartien.
12 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Chirurgiegerätes 1, mit dem HF-Generator 2, einer Meß- und Recheneinrichtung 3 und einer Kontrolleinrichtung 4. An den HF-Generator 2 ist eine aktive Elektrode 7 und eine Neutralelektrode 8 angeschlossen. Im Betrieb bildet der HF-Generator 2 mit dem zu behandelnden Gewebe 5 eines Patienten einen Hochfrequenzstromkreis 6. Zum Schneiden des Gewebes 5 bewegt ein Operateur 9 die aktive Elektrode 7 mit einer Schnittgeschwindigkeit unter Bildung eines Lichtbogens 10. Dabei berechnet die Mess- und Recheneinrichtung 3, wie oben im Detail beschrieben den ersten und/oder zweiten Gewebeparameter und/oder den Geschwindigkeitsparameter. In Abhängigkeit von diesen Parametern gibt die Mess- und Recheneinrichtung 3 ein Gewebesignal und/oder ein Geschwindigkeitssignal an die Kontrolleinheit 4 aus, die damit die Ausgangsgröße des HF-Generator 2 steuert bzw. regelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2504280 [0013]
- DE 19542418 [0014]
- DE 19542419 [0015]
- DE 2801833 [0016]
- DE 4126607 [0017]

Claims

Hochfrequenzchirurgiegerät zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe, mit wenigstens einem Hochfrequenzgenerator, der im Betrieb unter Entstehung eines Lichtbogens mit dem zu behandelnden Gewebe einen Hochfrequenzstromkreis bildet, mit wenigstens einer mit dem Hochfrequenzstromkreis signaltechnisch verbundenen Mess- und Recheneinrichtung, die ausgebildet ist, im Betrieb sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch die Amplituden wenigstens einer geradzahligen und wenigstens eine ungeradzahligen Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators zu ermitteln und einen für die Gewebeart des behandelnden Gewebes repräsentativen ersten Gewebeparameter aus dem Verhältnis der Summe der Amplituden der geradzahligen und der ungeradzahligen Harmonischen zur Gleichspannung zu bilden und ein vom ersten Gewebeparameter abhängiges Gewebesignal zur nachfolgenden Verarbeitung auszugeben.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach Anspruch 1, wobei das Hochfrequenzchirurgiegerät wenigstens eine mit der Mess und Recheneinrichtung und mit dem Hochfrequenzgenerator signaltechnisch verbundenen Kontrolleinrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, die Ausgangsgröße anhand des Gewebesignals zu steuern oder regeln.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Amplituden der Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des Hochfrequenzstromkreises zu ermitteln.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Amplituden der zweiten und dritten Harmonischen zu ermitteln.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Ausgangsspannung im Hochfrequenzstromkreis zu messen und den Gewebeparameter in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung zu bilden.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, einen für die Gewebeart des behandelnden Gewebes repräsentativen zweiten Gewebeparameter aus dem Verhältnis der Ausgangsspannung und der Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis zu bilden und das Gewebesignal in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Gewebeparameter auszugeben.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, im Betrieb sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch den Ausgangstrom im Hochfrequenzstromkreis und/oder die Amplitude wenigstens einer Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators zu ermitteln und einen für eine Schnittgeschwindigkeit repräsentativen Geschwindigkeitsparameter aus einem Quotienten aus der Gleichspannung und der Amplitude der Harmonischen und/oder aus einem Quotienten aus der Gleichspannung und des Ausgangstroms zu bilden sowie ein vom Geschwindigkeitsparameter abhängiges Geschwindigkeitssignal zur nachfolgenden Verarbeitung auszugeben.
Hochfrequenzchirurgiegerät zum Schneiden von biologischem Gewebe, mit einem Hochfrequenzgenerator, der im Betrieb unter Entstehung eines Lichtbogens mit dem zu behandelnden Gewebe einen Hochfrequenzstromkreis bildet, mit wenigstens einer mit dem Hochfrequenzstromkreis signaltechnisch verbundenen Mess- und Recheneinrichtung, die ausgebildet ist, im Betrieb sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch den Ausgangstrom im Hochfrequenzstromkreis und/oder die Amplitude wenigstens einer Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators zu ermitteln und einen für eine Schnittgeschwindigkeit repräsentativen Geschwindigkeitsparameter aus einem Quotienten aus der Gleichspannung und der Amplitude der Harmonischen und/oder aus einem Quotienten aus der Gleichspannung und des Ausgangstroms zu bilden sowie ein vom Geschwindigkeitsparameter abhängiges Geschwindigkeitssignal zur nachfolgenden Verarbeitung auszugeben.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach Anspruch 8, wobei das Hochfrequenzchirurgiegerät wenigstens eine mit der Mess- und Recheneinrichtung verbundenen Kontrolleinrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung ausgebildet ist, die Ausgangsgröße anhand des Geschwindigkeitssignal zu steuern oder regeln.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Amplitude der Harmonischen im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des Hochfrequenzstromkreises zu ermitteln.
Hochfrequenzchirurgiegerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Mess- und Recheneinrichtung ausgebildet ist, die Amplitude einer geradzahligen, insbesondere der zweiten, Harmonischen zu ermitteln.
Verfahren zum Betrieb eines Hochfrequenzchirurgiegerätes, bei dem zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe unter Bildung eines Lichtbogens ein Hochfrequenzstromkreis zwischen wenigstens einem Hochfrequenzgenerator und dem zu behandelnden Gewebe gebildet, sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch die Amplituden wenigstens einer geradzahligen und wenigstens einer ungeradzahligen Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators ermittelt, ein für die Gewebeart des behandelnden Gewebes repräsentativer erster Gewebeparameter aus dem Verhältnis der Summe der Amplituden der geradzahligen und der ungeradzahligen Harmonischen zur Gleichspannung gebildet und ein vom ersten Gewebeparameter abhängiges Gewebesignal zur nachfolgenden Verarbeitung ausgeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators in Abhängigkeit des Gewebesignals gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Hochfrequenzchirurgiegerätes, bei dem zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe unter Bildung eines Lichtbogens ein Hochfrequenzstromkreis zwischen wenigstens einem Hochfrequenzgenerator und dem zu behandelnden Gewebe gebildet, sowohl eine Gleichspannung im Hochfrequenzstromkreis als auch der Effektivwert des Ausgangstroms im Hochfrequenzstromkreis und/oder die Amplitude wenigstens einer Harmonischen einer Grundfrequenz des Hochfrequenzgenerators ermittelt, ein für eine Schnittgeschwindigkeit repräsentativer Geschwindigkeitsparameter aus dem Quotienten aus der Gleichspannung und der Amplitude der Harmonischen und/oder dem Quotienten aus der Gleichspannung und dem Ausgangstrom gebildet und ein vom Geschwindigkeitsparameter abhängiges Geschwindigkeitssignal zur nachfolgenden Verarbeitung ausgeben wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Ausgangsgröße des Hochfrequenzgenerators in Abhängigkeit des Gewebesignals gesteuert oder geregelt wird.