DE2619081A1

DE2619081A1 - Impulssteuerschaltung fuer ein elektrochirurgisches geraet und verfahren zur steuerung der durchschnittsleistung deren pulsmodulierter ausgangssignale

Info

Publication number: DE2619081A1
Application number: DE19762619081
Authority: DE
Inventors: William Andrews; Stanley Woltosz
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Sybron Transition Corp
Priority date: 1975-06-02
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-12-23
Also published as: CA1064581A; FR2313708A1; FR2313708B1

Description

DR. INQ. HANS LICHTI ■ DIPL-INQ. HEINER LICHTI % -,- / PATENTANWÄLTE

} - 7<f KARLSRUHE-DURLACH - QRÖTZINQER STRASSE 61

TELEFON (0721) 41124

Neue Anschrift: D-7500 Karlsruhe 41 (Grötzingen) · Durlacher Straße 31 (Hochhaus) · Telefon (0721) 485Π |

3 ü. April Μ

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Sybron Corporation, 1100 Midtown Tower, Rochester N.Y. 14 604

U.S. A.

Impulssteuerschaltung für ein elektrochirurgisches Gerät und Verfahren zur Steuerung der Durchschnittsleistung deren pulsmodulierter Ausgangssignale

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf HF-Modulationsschaltungen und betrifft insbesondere solche, die in elektrochirurgischen Geräten benutzt werden. El<äctrochirurgische Geräte verwenden Hochfrequenz (HF)-Leistung zum Koagulieren und zum Schneiden von Gewebe unter chirurgischen Bedingungen»

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Die elektrochirurgischen Geräte versorgen gewöhnlich Elektroden, nämlich eine aktive Sonde und eine Streuanode, die allgemein als Patienten-Anode bekannt ist, mit einem hochfrequenten Wechselstrom, dessen Leistungsbereiche bis zu einigen hundert Watt reichen.

Es werden zwei Hauptarten von Strömen verwendet, von denen einer zum Schneiden und einer zum Koagulieren dient. Der optimale Schneidstrom ist eine ungedämpft von dem elektrochirurgischen Gerät abgegebene Welle. Zum glatten Schneiden ist eine kontinuierliche Entladungsstrecke zwischen der aktiven Sonde und dem. Patienten erforderlich. Bei der Applikation eines aus einer ungedämpften Welle hoher Leistung

ver
bestehenden Entladungsbogens\dampfen die Gewebezellen, woraus sich ein glatter Schnitt beim Bewegen der Sonde längs der Oberfläche des Gewebes ergibt. Um eine Hämostase zu erreichen, wird der Schneidstrom und damit seine Wellenform gepulst. Je kleiner das Impulstastverhältnis ist, um so größer wird die Stärke der Hämostase und desto kleiner die Schneidwirkung sein. Das Tastverhältnis ist als das Verhältnis von Einschaltimpuls zu der Dauer des Gesamtimpulses, multipliziert mit dem Faktor 100% definiert. Zum wirksamen Koagulieren ist ein Strom mit einem Tastverhältnis von ungefähr 20% bis weniger als 5% erforderlich. Die längere Ausschaltzeit bei kleinem Tastverhältnis gestattet dem Gewebe sich abzukühlen, um somit die Verdampfung der Zellen zu verhindern, es muß aber genügend Leistung angelegt werden, um freigewordene Blutgefäße auszubrennen.

Beide Elektroden sind in einer Vielzahl von durch den Chirurg gemäß dem beabsichtigten Verwendungszweck auszuwählenden Aus-

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führungsformen erhältlich· Die ausgewählte aktive Sonde kann im Format von einer Pinzette oder einer Messerklinge bis zu einer feinen Nadel reichen. Die Berührungsfläche der Sonde und der betreffende Gewebetyp sind bestimmende Faktoren für die zum wirksamen Schneiden oder Koagulieren der Blutzellen im Operationsbereich notwendige Größe der Leistung.

Bei bekannten elektrochirurgisehen Geräten sind früher entweder solche mit Funkenstrecken oder Vakuumröhren verwendet worden, um Hochfrequenzen mit Pegeln von/ hufidert Watt zu erzeugen. Vor vielen Jahren war der zum Erzeugen von Koagulations-Strömen verwendete Generator ein Funkengenerator. Ein Funken-Oszillator kann große Höchstleistungen bei einem geringen Tastverhältnis erzeugen, wobei eine durchschnittliche Leistung von ca. 120 Watt erhalten wird. Funkenstrecken erzeugen jedoch weißes Rauschen, wohingegen bei elektrochirurgischen Geräten Spektraleinheit erwünscht ist, insbesondere seit elektronische Ausrüstungen in Krankenhäusern immer vorherrschender werden. Einheiten mit Vakuumröhren können eine Ausgangsleistung von einigen hundert Watt im Megahertz—Bereich erzeugen, sie arbeiten aber im allgemeinen mit niederem Wirkungsgrad und weisen eine, mit jetzt erhältlichen Festkörper-Schaltungen verglichene, kleine Zuverlässigkeit auf. Mit der Einführung von Festkörper-Einheiten ist herausgefunden worden, daß die zur Zeit erhältlichen Transistoren die bei bestimmten Bedingungen erforderlichen Höchstleistungen nicht erzeugen können. So mußte folglich das Tastverhältnis vergrößert werden, um gleiche Durchschnittsleistungen zu erhalten, das größere Tastverhältnis bewirkt jedoch eine Schneidwirkung im Koagulationsbetrieb. Um die Schneidwirkung im Koagulationsbetrieb zu verkleinern, ist ein niederes Tastverhältnis erforderlich.

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Die Größe der erforderlichen Leistung ändert sich in Abhängigkeit davon, ob die aktive Sonde sich über einen Lichtbogen entlädt oder das Gewebe berührt, und ist ebenfalls abhängig von der effektiven Stromdichte im Operationsbereich, die von der Berührungsfläche der Sonde bestimmt ist. Alle heute auf dem Markt befindlichen elektrochirurgischen Geräte verwenden eine Amplitudensteuerung, um die Stärke der Koagulations-Leistung zu verändern, da aber ein kleines Tastverhältnis einen geringeren Schneideffekt bewirkt, wäre es deshalb wünschenswert, das Tastverhältnis von elektrochirurgischen Einheiten in Abhängigkeit von den Belastungsbedingungen zu verändern, im Gegensatz zur Veränderung der Amplitude.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Impulssteuerschaltung für ein elektrochirurgisches Gerät zur Impulssteuerung dessen Ausgangssignaiis und zum Steuern des Tastverhältnisses des pulsmodulierten Ausgangssignals. Das Ausgangssignal wird einer Vielzahl von sogenannten Patienten-Elektroden zugeführt. Die über den Elektroden anliegende Spannung wird vorzugsweise an einen kapazitiven Spannungsteiler angelegt und steuert einen Schwellwert-Schalter. Wenn die Spannung zwischen den Patienten-Elektroden einen vorher bestimmten Wert übersteigt, erzeugt der Schwellwert-Schalter, vorzugsweise ein Schmitttrigger, ein Signal, das dem Modulator des elektrochirurgischen Geräts zugeführt wird. Das Anliegen oder NichtVorhandensein des Signals bestimmt das Tastverhältnis des Gerätes. Der Schwellwert-Schalter kann selektiv mit dem Modulator verbunden sein, um dessen entsprechendes Schalten in Gang zu setzen oder zu unterdrücken,

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Das elektrochirurgische Gerät kann ebenfalls von Hand bedient werden, um die Durchschnittsleistung durch Bereitstellung eines pulsmodulierten Ausgangssignals mit konstanter Amplitude und durch Veränderung dessen Tastverhältnis zu steuern.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines elektrochirurgischen Gerätes mit der erfindungsgemäßen Impulssteuerschaltung;

Fig. 2 eine schematische Wiedergabe der Impulssteuerschaltung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Oszillator 10 dargestellt, der ein ungedämpftes HF-Signal erzeugt. Das HF-Signal ist an den Eingang eines Verstärkers 12 gelegt. Ein Modulator 14, der den Verstärker 12 ein- und ausschaltet, bewirkt, daß das HF-Signal durch den Verstärker 12 so moduliert wird, wie dieser von dem Modulator 14 angesteuert wird. Eine Steuerung 16 kann durch die Bedienungsperson verwendet werden, um die gewünschten, für die chirurgischen Tätigkeiten dienlich Modulationsformen auszuwählen, nämlich Schneiden, Schneiden mit Hämostase oder Koagulieren, wobei die chirurgischen Tätigkeiten von der Gestalt des Ausgangssignals und dem Tastverhältnis abhängig sind. Ein Leistungsverstärker 18 verstärkt das modulierte Signal von dem Verstärker 12 auf eine Leistung von ungefähr 400 Watt. Die Ausgangssignale des Verstärkers sind von dem Leistungsverstärker 18 mittels eines Transformators 20 auf ein Paar von Patientenelektroden gekoppelt, die eine aktive Sonde 22

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und eine sogenannte Patienten-Elektrode 24 umfassen. Der Patient 26 halt während des chirurgischen Eingriffs fortlaufend Berührung mit der Patienten-Elektrode24. Die aktive Sonde 22 wird für die chirurgischen Eingriffe verwendet.

Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung sind zwei Kondensatoren 28, 30 in Serie zwischen die aktive Sonde 22 und die Patienten-Elektrode 24 geschaltet. Die Kondensatoren 23, dienen als Spannungsteiler, um das Spannungspotential zwischen der aktiven Sonde 22 und der Patienten-Elektrode 24 zu überwachen. Es sei angemerkt, daß andere Spannungsteiler, faeispeilsweise zwei Widerstände oder andere Elemente ebenso in dieser Art anstelle der Kondensatoren verwendet werden können. Die Eingänge eines Schwellwert-Schalters 32 sind mit dem Kondensator 30 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Spannung am Eingang des Schwellwert-Schalters 32 die gleiche wie die über dem Kondensator 30 anliegende Spannung ist.

Die Eigenschaft des Schwellwert-Schalters 32 liegt in der Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn das Eingangssignal einen vorher bestimmten Wert übersteigt. Die Eingangsspannung besitzt einen niederen oder einen hohen Wert, je nachdem ob die aktive Sonde 22 den Patienten 26 berührt oder nicht. Wenn sie den Patienten nicht berührt, ist die Spannung über dem Kondensator 30 groß und besitzt einen ausreichenden Wert, um den Schwellwert-Schalter 32 zu schalten, der dabei ein Ausgangssignal abgibt. Das Ausgangssignal von dem Schwellwert-Schalter 32 ist mit dem Modulator 14 über eine Aktivierungsschaltung 34 verbunden. Die Aktivierungsschaltung 34 kann durch die Steuerung 16 in Gang gesetzt werden«, Wenn die

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Steuerung 16 von der Bedienungsperson auf den Koagulations-Betrieb eingestellt wird, ist die Aktivierungsschaltung 34 angeschaltet und läßt das Ausgangssignal vom Schwellwert-Schalter zum Modulator 14 durch. Im Koagulationsbetrieb kann der Modulator 14 so eingestellt werden, daß er das Signal bei NichtVorhandensein eines Ausgangssignals von dem Schwellwert-Schalter mit einem Tastverhältnis von beispielsweise 20% moduliert. Wie noch detaillierter beschrieben wird, bewirkt das Vorliegen des Ausgangssignals von dem Schwellwert-Schalter eine Verkleinerung des Tastverhältnisses des HF-Signals beispielsweise von 20% auf 5%. Die Verkleinerung des Tastverhältnisses bleibt solange bestehen, bis die aktive Sonde 22 den Patienten 26 berührt, wobei die Spannung über dem Kondensator 30 und das Eingangssignal für den Schwellwert-Schalter 32 abfällt und dabei die Generierung eines Ausgangssignals des Schwellwert-Schalters verhindert. Dieses Abfallen des Ausgangssignals gestattet dem modulierten HF-Signal, zu einem höheren, vorher bestimmten Tastverhältnis von 20% in diesem Beispiel zurückzukehren. Der Zweck der Steuerung des Tastverhältnisses liegt in der Verhinderung des Schneidens von Gewebe des Patienten, während dem sich das elektrochirurgische Gerät im Koagulations-Betrieb befindet. Es ist herausgefunden worden, daß ein richtiger Schnitt entsteht, wenn die aktive Sonde den Patienten nicht berührt, aber sich in einer solchen Entfernung befindet, daß zwischen der aktiven Sonde 22 und dem Patienten 26 eine Entladungsstrecke bzw. ein Lichtbogen entsteht. Während des Koagulierens ist es wünschenswert, das Tastverhältnis unter Lichtbogen-Bedingungen zu verkleinern, indem die an die Operationsstelle abgegebene Durchschnittsleistung und dadurch die Schneidwirkung verkleinert werden. Wenn die aktive Sonde mit dem

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Patienten 26 in Kontakt gekommen ist, ist ein höherer Leistungspegel statthaft, da kein Entladungsbogen mehr vorhanden ist, so daß unerwünschtes Schneiden unterdrückt ist. Die höhere Durchschnittsleistung ist wünschenswert, um das gewünschte Koagulieren zu erhalten. Wenn die Steuerung 16 auf den Schneidbetrieb geschaltet wird, ist die Aktivierungsschaltung 34 abgeschaltet, um zu verhindern, daß das Ausgangssignal des Schwellwert-Schalters 32 zum Modulator 14 gelangt, wobei das Tastverhältnis des HF-Signals Ohne Rücksicht darauf, ob die aktive Sonde 22 den Patienten 26 berührt oder nicht, konstant bleibt. Das Tastverhältnis des Modulators 14 kann durch die Steuerung 16 bis zu 100% im Schneidbetrieb geändert werden, um die unter allen Schneidbedingungen maximale Durchschnittsleistung aa erhalten. Eine Verkleinerung dieses Tastverhältnisses im Schneidbetrieb bewirkt einen Schneidbetrieb mit Hämostase.

In Fig. 2 sind der Schwellwert-Schalter 32, die Aktivierungsschaltung 34, der Modulator 14, der Eingangsverstärker 12 und die Steuerung 16 gemäß Fig. l schematisch dargestellt. Der Schwellwert-Schalter 32 umfaßt eine konventionelle Schmitttrigger-Schaltung, es ist jedoch möglich, auch andere Schwellwertschaltungen zu verwenden. Eine Gleichrichter- und Filterschaltung 32B wandelt die HF-Spannung des Kondensators 30 in einen Gleichspannungspegel um, der der Schmitttrigger-Schaltung 32A angelegt wird. Schmitttrigger-Schaltungen geben ein Signal innerhalb des Zeitraums ab, in welchem die Eingangsspannung einen bestimmten Wert einhält oder übersteigt. Auf diese Weise wird durch den Schmitttrigger ein Ausgangssignal generiert, wenn die Spannung über dem Kondensator 30 gemäß Fig. 1 eine bestimmte Größe überschreitet. Dieses Ausgangssignal ist. über die Aktivierungsschaltung 34 mit dem

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Modulator 14 verbunden. Die Aktivierungsschaltung 34 läßt das Ausgangssignal des Schwellwert-Schalters zu dem Modulator nur dann durch, wenn die elektrochirurgische Einheit aufiäen Koagulationsbetrieb geschaltet ist. Die Aktivierungsschaltung 34 umfaßt einen Trennverstärker 34A herkömmlicher Art, der durch den Koagulationsschalter 44 gesteuert ist. Ein elektromechanisches Relais od. dgl. kann als Aktivierungsschal torgan verwendet werden.

Der Modulator 14 weist einen in einer Oszillatorschaltung zum Erzeugen einer Sägezahnspannung angeordneten Unijunction-Transistor 36 auf, deren Frequenz vom Wert des Widerstandes und des Kondensators 40 abhängt. Die Sägezahnspannung ist an die Basis eines Transistors 42 mit hoher Verstärkung angelegt. Der Transistor 42 arbeitet als Schalter und wird in Abhängigkeit von der Basisspannung ein- und ausgeschaltet.

Die Steuerung 16 führt der Basis des Transistors 22 eine vorgewählte Offset-Vorspannung für die Sägezahnspannung zu, wodurch die Länge der Zeit, in der der Transistor 42 aufgesteuert ist, eingestellt werden kann. Die Größe der Vorspannung wird durch ein Paar Fußschalter 44, 46 ausgewählte Der Schalter 44 wird zum Koagulieren und der Schalter 46 zum Schneiden geschlossen. Wenn der Schalter 46 geschlossen ist, wird der Basis des Transistors 42 eine Vorspannung zugeführt. Das Schließen des Schalters 44 führt den Basen der Transistoren 42, 50 eine Vorspannung zu. Der Pegel der Vorspannung des Koagulations-Schalters 44 ist mittels eines Potentiometers 48 vorwahlbar. Als Sicherheitsmaßnahme bedingt das Schließen des Koagulations-Schalters 44 ein Einschalten des Transistors 50, der die Vorspannung des Schalters 46 kurzschließt. Auf diese Meise setat der Koagulations-Betrieb den Schneidbetrieb außer Funktion_β Des

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weiteren wird, wenn der Koagulationsschalter 44 geschlossen ist, die Aktivierungsschaltung 34 eingeschaltet und gestattet dem Ausgangssignal des Schwellwert-Schalters 32 durch die Aktivierungsschaltung 34 zur Basis des Transistors 42 geleitet zu werden. Bei Anliegen des Ausgangssignals des Schwellwert-Schalters wird die Einschaltzeit des Transistors 42 verkleinert. Legt dieses Signal jedoch nicht an , wird die Einschaltzeit des Transistors 42 durch die einstellbare zweite, mittels des Potentiometers 48 steuerbaren Vorspannung bestimmt.

Der Verstärker 12 gemäß Fig. 1 weist einen mit dem Transistor 42 verbundenen Transistor 12A auf. Der Verstärker 12 ist nur dann aufgesteuert, wenn der Transistor 42 eingeschaltet ist. Deshalb ist ersichtlich, daß das HF-Signal des Oszillators 10 durch den Transistor 42 moduliert wird und eine Impulsbreite mit genau der gleichen Länge wie die Einschaltzeit des Transistors 42 aufweist. Die Gesamtimpuls-Wiederholzeit wird durch den Widerstand 38 und den Kondensator 40 bestimmt und bleibt konstant. Deshalb ist das Tastverhältnis des HF-Impulses proportional zur Impulsbreite bzw« der Länge des Ausgangssignals des Schwellwert-Schalterso

Die vorstehend beschriebene Impulssteuerschaltung steuert das Tastverhältnis des HF-Signals in Abhängigkeit davon_s ob die aktive Sonde den Patienten berührt;, wenn das elektrochirurgische Gerät im Koagulations-Betrieb arbeitet. Die Erfindung verhindert ein unget-zolltes Schneiden während des Koagulieren^j indem das Tastverhältnis und dadurch die mittlere Spannung verkleinert werden* wenn das elektrochiruraische Gerät suf Koagulieren geschalter ist und die

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aktive Sonde sich nicht in Kontakt mit dem Patienten befindet. Wenn die aktive Sonde den Patienten berührt, ist die Gefahr des Schneidens verkleinert und die Steuerschaltung verkleinert selbsttätig das Tastverhältnis, wobei die Durchschnittsleistung verkleinert wird, um die Koagulations-Wirkung zu maximieren. Während des Schneidens ist die Impulskontrol1schaltung durch ihre Einstellung auf den Schneidbetrieb ausgeschaltet, so daß den Elektroden eine ungedämpfte Welle zugeführt wird.

Das Potentiometer 48 kann erfindungsgemäß auch zum manuellen Steuern des Tastverhältnisses ohne Einwirkung auf die Amplitude des HF-Signals verwendet werden. Das befähigt die Bedienungsperson, das elektrochirurgische Gerät so einzuregeln, daß die zum Koagulieren unter Operationsbedingungen notwendige Mindestleistung abgegeben wird, indem das kleinstmögliche Tastverhältnis verwendet wird. Es ist herausgefunden worden, daß diese Vorgehensweise unerwünschtes Schneiden im Koagulationsbetrieb des elektrochirurgischen Geräts reduziert. Das Einstellen kann unabhängig oder in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen, selbsttätig wirkenden Impulskontrollschaltung verwendet werden.

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Claims

Patentan Sprüche

1.jlmpulssteuerschaltung für ein elektrochirurgisches Gerät zum Impulssteuern dessen Ausgangssignals und zum Steuern des Tastverhältnisses des pulsmodulierten, einer Vielzahl von Patienten-Elektroden angelegten Ausgangssignals, gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (28, 30) zur Gewinnung des Wertes der Spannung zwischen den Patienten-Elektroden, einen ein Schwellwert-Ausgangssignal bei Überschreiten eines vorher bestimmten Wertes der Spannungen . zwischen den Patienten-Elektroden abgebenden Schwellwert-Schalter (32) und einen Modulator (14) zur Pulsmodulation des Ausgangssignals mit einem ersten Tastverhältnis bei nicht anliegendem Schwellwert-Ausgangssignal und mit einem zweiten Tastverhältnis bei Anliegen des Schwellwert-Ausgangssignals.

2. Impulssteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwellwert-Schalter (32) und dem Modulator (14) eine mit einer Steuerung (16) verbundene Aktivierschaltung (34) angeordnet ist, die in Abhängigkeit eines von der Steuerung (16) abgegebenen Steuersignals das Schwellwert-Ausgangssignal mit dem Modulator (14) verbindet.

3. Impulssteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler zwei in Serie zwischen den Patienten-Elektroden (22, 24) geschaltete Kondensatoren (28, 30) aufweist.

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4. Impulssteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (14) einen Transistor (42) und einen Sägezahngenerator (36, 38, 40) zur Abgabe eines periodischen sägezahnförmigen Signals an den Transistor (42) aufweist, der mit dem Schwellwertschalter (32) verbunden ist, wobei der leitende Zustand des Transistors von dem sägezahnförmigen Signal und dem Schwellwert-Ausgangssignal bestimmt ist, und daß das elektrochirurgische Gerät einen von dem leitenden Transistor (42) aufgesteuerten HF-Verstärker (12) aufweist.

5. Impulskontrollschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Tastverhältnis größer als das zweite Tastverhältnis ist.

6. Verfahren zur Steuerung der Durchschnittsleistung des pulsmodulierten Ausgangssignals des elektrochirurigischen Gerätes, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsmodulierte Ausgangssignal mit konstanter Amplitude abgegeben und dessen Tastverhältnis geändert wird.

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