DE102020210539A1 - Electrosurgical instrument and method of its operation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochirurgischen Instruments, worin ein Betriebsmodus (m1 - m20) des Instruments mittels eines prädiktiven Modells (30) aufgrund von Daten ausgewählt wird, die Sensordaten (Fo) mindestens eines am oder im Instrument angeordneten Sensors umfassen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrochirurgisches Instrument, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens betrieben zu werden. The invention relates to a method for operating an electrosurgical instrument, in which an operating mode (m 1 - m 20 ) of the instrument is selected using a predictive model (30) on the basis of data comprising sensor data (Fo) from at least one sensor arranged on or in the instrument . Furthermore, the invention relates to an electrosurgical instrument that is set up to be operated using the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochirurgisches Instrument und ein Verfahren zu seinem Betrieb. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert.The present invention relates to an electrosurgical instrument and a method for its operation. Furthermore, the present invention relates to a computer program that executes each step of the method and a machine-readable storage medium that stores the computer program.
Stand der TechnikState of the art
Minimal invasive Operationen werden unter Einsatz von elektrochirurgischen Instrumenten durchgeführt, die es insbesondere bei Ausführung als bipolare Koagulationsinstrumente ermöglichen, Blutungen im Operationsverlauf zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu reduzieren. Der für die Stromversorgung eines solchen Instruments eingesetzte Hochfrequenzgenerator verfügt über eine Vielzahl von frei wählbaren Parametern, wie beispielsweise der mittleren Leistung oder der Modulationsart des eingesetzten Wechselstroms. Je nach chirurgischem Einsatzbereich ist ein gewählter Parametersatz mehr oder weniger geeignet.Minimally invasive operations are carried out using electrosurgical instruments which, particularly when designed as bipolar coagulation instruments, make it possible to avoid bleeding during the course of the operation or at least to reduce it to a minimum. The high-frequency generator used for the power supply of such an instrument has a large number of freely selectable parameters, such as the average power or the modulation type of the alternating current used. Depending on the surgical area of application, a selected parameter set is more or less suitable.
Zur Wahl eines geeigneten Parametersatzes muss sich der Chirurg eingehend mit den Einstellmöglichkeiten des Geräts befassen. Außerdem muss Assistenzpersonal zur Konfiguration des Gerätes angewiesen werden, das außerhalb des sterilen Operationsfeldes platziert ist. Da der Chirurg hierdurch neben der eigentlichen chirurgischen Tätigkeit an die Regelung des Hochfrequenzchirurgiegenerators denken muss, werden in der täglichen Arbeit die Einstellmöglichkeiten der Geräte meist zurückhaltend genutzt und die Nutzung eines suboptimalen Parametersatzes akzeptiert.In order to select a suitable set of parameters, the surgeon must study the setting options of the device in detail. In addition, assistant personnel must be instructed in configuring the device, which is placed outside the sterile surgical field. Since the surgeon has to think about the regulation of the high-frequency surgical generator in addition to the actual surgical activity, the setting options of the devices are usually used cautiously in daily work and the use of a suboptimal set of parameters is accepted.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
In dem Verfahren zum Betreiben eines elektrochirurgischen Instruments wird ein Betriebsmodus des Instruments mittels eines prädiktiven Modells ausgewählt. Unterschiedliche Betriebsmodi beziehungsweise Betriebsstrategien des Instruments können sich dabei insbesondere durch die Strommodulation unterscheiden. Diese hat einen Einfluss auf die Breite eines Koagulationsrandes, die bei stärkerer Modulation zunimmt, aber auch auf die Homogenität einer Schnittkante, die bei geringerer Modulation zunimmt. Das elektrochirurgische Instrument kann dabei insbesondere ein Koagulationsinstrument, wie beispielsweise ein bipolares Koagulationsinstrument, sein. Für das Verfahren geeignete prädiktive Modelle sind insbesondere ausgewählt aus kernelized SVM (support vector machine), GP (gaussian processes), einem naiven Bayes-Klassifikator (naive Bayes multiclass classification), Entscheidungsbäumen oder neuronalen Netzen.In the method of operating an electrosurgical instrument, a mode of operation of the instrument is selected using a predictive model. Different operating modes or operating strategies of the instrument can differ in particular through the current modulation. This has an influence on the width of a coagulation edge, which increases with stronger modulation, but also on the homogeneity of a cut edge, which increases with lower modulation. The electrosurgical instrument can in particular be a coagulation instrument, such as a bipolar coagulation instrument. Predictive models suitable for the method are in particular selected from kernelized SVM (support vector machine), GP (gaussian processes), a naive Bayes classifier (naive Bayes multiclass classification), decision trees or neural networks.
Die Auswahl erfolgt aufgrund von Daten, die Sensordaten mindestens eines am oder im Instrument angeordneten Sensors umfassen. Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise eine Gewebetemperatur eines vom elektrochirurgischen Instrument behandelten Gewebes, eine Gerätetemperatur des Instruments, eine Menge des behandelten Gewebes oder optische Gewebeeigenschaften ermitteln. Als Sensor soll im Sinne des Verfahrens aber auch jede Einrichtung verstanden werden, die Betriebsparameter des elektrochirurgischen Instruments ermittelt, wie beispielsweise den Strom und/oder die Spannung von Arbeitselektroden des Instruments, und daraus abgeleiteten Größen, wie beispielsweise Leistung oder Impedanz.The selection is made on the basis of data that includes sensor data from at least one sensor arranged on or in the instrument. The at least one sensor can determine, for example, a tissue temperature of a tissue treated by the electrosurgical instrument, a device temperature of the instrument, a quantity of the treated tissue or optical tissue properties. In terms of the method, however, a sensor should also be understood as any device that determines the operating parameters of the electrosurgical instrument, such as the current and/or the voltage of the working electrodes of the instrument, and variables derived therefrom, such as power or impedance.
Um die Auswahl noch genauer vornehmen zu können, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Daten Umgebungsdaten und/oder physiologische Daten eines mittels des Instruments behandelten Patienten umfassen. Bei den Umgebungsdaten kann es sich insbesondere um die Temperatur und/oder den Luftdruck in dem Raum handeln, in dem die Operation durchgeführt wird. Bei den physiologischen Daten kann es sich beispielsweise um Geschlecht, Alter und/oder Fetthaltigkeit des Patienten handeln. Die Fetthaltigkeit kann durch den Body-Mass-Index (BMI) ausgedrückt werden. Auch abgeleitete Größen dieser Daten können bei der Auswahl berücksichtigt werden. Schließlich können insbesondere auch Informationen über den Bediener des elektrochirurgischen Instruments bei der Auswahl berücksichtigt werden, beispielsweise die Anzahl an Jahren, die er Erfahrung als Chirurg hat.In order to be able to make the selection even more precisely, it is also preferred that the data include environmental data and/or physiological data of a patient treated with the instrument. The environmental data can in particular be the temperature and/or the air pressure in the room in which the operation is being carried out. The physiological data can be, for example, the sex, age and/or obesity of the patient. Fat content can be expressed by the body mass index (BMI). Values derived from this data can also be taken into account in the selection. Finally, information about the operator of the electrosurgical instrument can also be taken into account in the selection, for example the number of years of experience as a surgeon.
Das prädiktive Modell ist vorzugsweise ein neuronales Netz. Dieses kann sich flexibel an die vorhandenen Strukturen in den Daten anpassen. Dabei ist es bevorzugt, dass das neuronale Netz mehrere Layer aufweist. Die Anzahl der Layer kann dabei in Abhängigkeit von der Datenmenge und der Dimensionalität der Daten ausgewählt werden, aufgrund derer die Auswahl des Betriebsmodus erfolgen soll. Eine Layer des neuronalen Netzes weist vorzugsweise eine Anzahl von Dimensionen auf, die einer Anzahl der Betriebsmodi in einer Liste entspricht, aus welcher der Betriebsmodus ausgewählt wird. Besonders bevorzugt ist als letzte Layer eine Softmax-Layer, also eine Layer, die auf einer normalisierten Exponentialfunktion beruht. In dieser können den Betriebsmodi Wahrscheinlichkeiten zugeordnet werden, wobei der Betriebsmodus mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ausgewählt wird. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann allerdings auch vorgesehen sein, dass von der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die von der Softmax-Layer berechnet wurde, zufällig ein Betriebsmodus gezogen wird.The predictive model is preferably a neural network. This can be flexibly adapted to the existing structures in the data. It is preferred that the neural network has multiple layers. The number of layers can be selected as a function of the amount of data and the dimensionality of the data on the basis of which the operating mode is to be selected. A layer of the neural network preferably has a number of dimensions corresponding to a number of the operating modes in a list from which the operating mode is selected. A softmax layer is particularly preferred as the last layer, that is to say a layer which is on top of a normal ized exponential function is based. In this, probabilities can be assigned to the operating modes, with the operating mode having the highest probability being selected. In an alternative embodiment of the method, however, provision can also be made for an operating mode to be randomly drawn from the probability distribution that was calculated by the softmax layer.
Das neuronale Netz wird vor der ersten Durchführung des Verfahrens vorzugsweise durch Reinforcement Learning trainiert. Dabei gleicht ein hoher Score einem hohen Reward. Auf diese Weise kann ein neuronales Netz erhalten werden, welches die Betriebsstrategie des Instruments durch eine geeignete Wahl des Betriebsmodus an die vorliegende Datenlage anpasst.Before the method is carried out for the first time, the neural network is preferably trained by reinforcement learning. A high score equals a high reward. In this way, a neural network can be obtained which adapts the operating strategy of the instrument to the available data by a suitable choice of the operating mode.
Der Betriebsmodus wird während einer Operation nicht nur ein einziges Mal ausgewählt, sondern kann unter veränderten Bedingungen beliebig oft angepasst werden. Um hierbei neben Änderungen in den voranstehend genannten Daten insbesondere auch den Fortschritt einer Koagulation berücksichtigen zu können, ist es bevorzugt, dass die Daten nach der Auswahl des Betriebsmodus fortgeschrieben werden. Dann kann ein Qualitätswert der Koagulation in Abhängigkeit von den fortgeschriebenen Daten ermittelt werden. Dieser Qualitätswert wird anschließend bei der Auswahl des Betriebsmodus mitberücksichtigt. Der Qualitätswert beschreibt, ob das Gewebe schnell und zuverlässig koaguliert wurde, ohne dabei zu verbrennen. Aus den fortgeschriebenen Daten kann dabei beispielsweise ermittelt werden, wie oft nachgeschnitten werden musste, ob ein Zielwiderstand zu früh oder zu spät erreicht wurde, ob eine Temperatur des Gewebes oder des Instruments bei Erreichen des Endes eines Behandlungsschritts zu niedrig war oder ob eine Zieltemperatur überschritten wurde, bevor ein Zielwiderstand erreicht wurde. Das Nachschneiden kann dazu mittels einer Widerstandsmessung erkannt werden.The operating mode is not only selected once during an operation, but can be adjusted as often as required under changed conditions. In order to be able to take into account the progress of a coagulation in addition to changes in the above-mentioned data, it is preferable for the data to be updated after the operating mode has been selected. A quality value of the coagulation can then be determined as a function of the updated data. This quality value is then taken into account when selecting the operating mode. The quality value describes whether the tissue was coagulated quickly and reliably without being burned. The updated data can be used to determine, for example, how often recuts had to be made, whether a target resistance was reached too early or too late, whether the temperature of the tissue or the instrument was too low when the end of a treatment step was reached, or whether a target temperature was exceeded , before a target resistance has been reached. The re-cutting can be detected by means of a resistance measurement.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei der Ermittlung des Qualitätswerts Daten von mindestens einem Sensor berücksichtigt werden, die bei der Auswahl des Betriebsmodus nicht berücksichtigt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen optischen Sensor im Instrument handeln, der optische Gewebeeigenschaften, wie beispielsweise die Dämpfung in einem ausgewählten spektralen Band, untersucht.Furthermore, it is preferred that when determining the quality value, data from at least one sensor is taken into account that is not taken into account when selecting the operating mode. This can be, for example, an optical sensor in the instrument that examines optical tissue properties, such as the attenuation in a selected spectral band.
Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele des Verfahrens in einem elektrochirurgischen Instrument, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.The computer program is set up to carry out each step of the method, in particular when it runs on a computing device or electronic control unit. It enables different exemplary embodiments of the method to be implemented in an electrosurgical instrument without having to make structural changes thereto. This is stored on the machine-readable storage medium.
Das elektrochirurgische Instrument ist eingerichtet, um mittels des Verfahrens betrieben zu werden. Hierzu weist es insbesondere ein elektronisches Steuergerät auf, auf dem das Computerprogramm abläuft.The electrosurgical instrument is set up to be operated using the method. For this purpose, it has in particular an electronic control unit on which the computer program runs.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektrochirurgischen Instruments gemäß der Erfindung. -
2 zeigt in einem Diagramm schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 12 shows an embodiment of an electrosurgical instrument according to the invention. -
2 shows in a diagram schematically the sequence of a method according to an embodiment of the invention.
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
Ein elektrochirurgisches Instrument 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer laparoskopischen Koagulations- und Thermofusionszange ist in
In einem Verfahren zum Betreiben des elektrochirurgischen Instruments 10 wird dessen Betriebsmodus mittels eines neuronalen Netzes 30 ausgewählt. Dies ist in
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dem elektronischen Steuergerät eine Liste 31 mit zwanzig verschiedenen Betriebsmodi m1 bis m20 des Instruments 10 hinterlegt. Das neuronale Netz 30 weist fünf Layer auf. Die letzte Layer ist als 20-dimensionale Softmax-Layer ausgeführt. In dieser wird aufgrund der Daten F0, D1, D2 jedem der Betriebsmodi m1 bis m20 eine Wahrscheinlichkeit p(m) zugewiesen 32. Unter diesen wird der Betriebsmodus mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ausgewählt 33. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass dies der dritte Betriebsmodus m3 ist. Das Instrument 10 wird nun in diesen Betriebsmodus m3 betrieben, wobei mittels des Temperatursensors 21 im Maul 13 ein Fortschreiben 34 der Temperaturdaten des behandelten Gewebes erfolgt. Diese fortgeschriebenen Daten F1 werden zur Ermittlung 35 eines Qualitätswertes Q(F1) verwendet. In die Ermittlung 35 fließen außerdem Daten D3 einer optischen Untersuchung des behandelten Gewebes mittels des optischen Sensors 22 ein. Der so erhaltene Qualitätswert Q(F1) wird an das neuronale Netz 30 zurückgegeben, welches diesen bei der nächsten Ermittlung 32 von Wahrscheinlichkeiten p(m) zusätzlich zu den weiteren dabei berücksichtigten Daten F0, D1, D2 berücksichtigt. Auf diese Weise wird gemäß dem Koagulationsfortschritt eine ständige Adaption der Betriebsstrategie des Instruments 10 vorgenommen, indem aufgrund der stets aktualisierten Daten F0, D1, D2 und des stets neu berechneten Qualitätswerts Q(F1) immer wieder ein neuer, für die aktuelle Situation optimaler Betriebsmodus aus der Liste 31 ausgewählt wird. Auf diese Weise kann auch ein Wechsel auf einen anderen Gewebetyp im Operationsgebiet berücksichtigt werden.In the present exemplary embodiment, a
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