DE4126607A1 - Anordnung zum schneiden von biologischem gewebe mit hochfrequenzstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schneiden von biologischem Ge­ webe mit Hochfrequenzstrom gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Hochfrequenzströme werden in der Chirurgie zum Schneiden von biologischem Ge­ webe oder zum Koagulieren, d. h. Blutstillen verwendet. Einige der heute üblichen Gene­ ratoren sind in mindestens einer elektrischen Ausgangsgröße wie Strom, Ausgangsspan­ nung,. Leistung, Leerlaufspannung oder Innenwiderstand elektronisch einstellbar. Durch diese Einstellung kann unmittelbar oder mittelbar die Ausgangsleistung beeinflußt wer­ den. Diese Ausgangsleistung muß entsprechend dem Operationsziel und den Bedingungen am Operationsziel eingestellt werden.

Besondere Probleme, aber auch besondere Möglichkeiten ergeben sich bei der Hochfre­ quenzchirurgie, wenn am Operationsort nicht nur homogenes Gewebe vorhanden ist, oder gar andersartige Materialien am Operationsort vorhanden sind.

So unterscheiden sich z. B. bei Prostataresektionen das auszuschälende Adenomgewebe vom Gewebe der Prostatakapsel, in das nicht geschnitten werden darf. Ein anderes Bei­ spiel ist das Schneiden in der Nähe von großen Blutgefäßen. Hier kann ein Auftrennen oft eine schwer zu stillende Blutung nach sich ziehen. Kann das Blutgefäß erkannt werden, so läßt sich die Generatorleistung so verringern, daß kein Schnitt mehr möglich ist. Mit einer anschließenden Koagulation kann das Gefäß verschlossen werden.

Berührt die Schneidelektrode während eines Schnittes Knochen, so kann dieser ther­ misch geschädigt werden. Gerade in der Zahnheilkunde ist die Gefahr besonders groß. Hier ist leicht ein zu tiefes Eindringen in die dünne Zahnfleischschicht und eine Berührung des Kieferknochens möglich. Daher sollten auch diese vom Generator erkannt werden.

Ein besonderes Problem der Hochfrequenzchirurgie tritt auf, wenn die Schneidelek­ trode metallisch leitende Teile im Körper des Patienten wie Implantaten, Schrauben, Nägel, Zahnfüllungen und -Kronen oder auch Operationsinstrumenten wie Pinzetten, Spiegel oder Schäfte von Resektionsinstrumenten berührt. Dabei fließt der HF-Strom von der Schneidelektrode über diese metallischen Teile großflächig an das umliegende Ge­ webe ab. An den Übergangsstellen kann es zu großflächigen Koagulationen kommen.

In der europäischen Patentanmeldung 9 11 00 442.2 wird eine Vorrichtung beschrieben, die den Ausgangsstrom des Generators begrenzt. Damit können Gewebeschäden, die beim Berühren der Schneidelektrode von metallisch leitenden Teilen im Körper auftreten, manchmal verringert werden. Die Leistung, die beim Ansprechen der Strombegrenzung am Operationsort an das Gewebe abgegeben wird, ist proportional zum Realteil der Im­ pedanz des Überganges vom metallisch leitenden Teil zum umliegenden Gewebe. Damit ist die Wirksamkeit dieser Einrichtung umgekehrt proportional zur Impedanz des Ge­ webeüberganges. Bei kleinflächigen Gewebeübergängen ist die Impedanz sehr hoch und damit auch die umgesetzte Verlustleistung. Gerade diese kleinflächigen Gewebeübergänge sind nur mit geringer Leistung belastbar. So werden durch diese Schutzeinrichtung gerade die empfindlichen Gewebestellen am wenigsten geschützt. Dieses Verfahren ist auch nur für spezielle Anwendungen geeignet, da die Gewebeimpedanz bei üblichen Schnitten ohne Metallberührung um mehr als eine Größenordnung schwanken kann. Dies ergibt sich aus der großen Schwankungsbreite der Schnittparameter wie Elektrodenquerschnitt, Ein­ tauchtiefe der Schneidelektrode, Schnittgeschwindigkeit und durch den beim Schneiden immer zwischen Schneidelektrode und Gewebe brennenden Lichtbogen. So ist bei diesem Verfahren die Gefahr sehr groß, daß für einen zügigen Schnitt nicht genügend Strom zur Verfügung steht, und damit der Operateur behindert wird. Andererseits besteht aber auch die Gefahr, daß metallisch leitende Teile das Gewebe nur kleinflächig berühren. In diesem Falle ist trotz Strombegrenzung die umgesetzte Leistung hoch und es können als Folge ausgeprägte Verbrennungen entstehen. Das Verfahren versagt vollständig, wenn in Nachbarschaft zu dem zu schneidenden Gewebe hochohmiges Gewebe vorhanden ist, in das nicht geschnitten darf, oder das thermisch nicht belastet werden darf.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Hochfrequenzgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so aufzubauen, daß unterschiedliche Materialien, besonders auch metal­ lisch leitende Teile in der Nähe der Schneidelektrode automatisch erkannt werden, damit die Leistung des Generators an den gewünschten Operationszweck angepaßt werden kann. Dann kann die Leistung z. B. beim Metallkontakt auf einen ungefährlichen Wert abgesenkt werden, bei dem Schneiden nicht mehr möglich ist und keine Koagulationsgefahr besteht. Wahlweise oder zusätzlich kann auch der Operateur gewarnt werden.

Diese Aufgabe wird mit Maßnahmen gelöst, die im Kennzeichen des Anspruchs 1 und der Unteransprüche beschrieben sind. Dazu besitzt der Hochfrequenzgenerator eine Anzei­ gevorrichtung, die das vom Lichtbogen beeinflußte Spektrum der Leistung am Ausgang des Generators oder eine davon abhängige Größe wie Strom oder Spannung in minde­ stens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen vergleicht. Entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs wird ein Sollwert abgegeben, der die Leistung des Generators beeinflußt. Hier werden zur Charakterisierung unterschiedlicher Materialien Unterschiede in deren elektrophysikalischen Eigenschaften verwendet. Diese wirken sich stark auf den Licht­ bogen aus, der beim Schneiden in der Hochfrequenzchirurgie zwischen Schneidelektrode und Gewebe entsteht. Dieser überbrückt die durch das Verdampfen von Zellflüssigkeit entstandene Dampfschicht zwischen Elektrode und Gewebe. Dieser Lichtbogen brennt nicht gleichmäßig auf der ganzen Oberfläche der Schneidelektrode. Er wird, eine aus­ reichend hohe Spannung vorausgesetzt, dort zünden, wo die Dampfschicht am dünnsten ist. Die durch den Lichtbogen hervorgerufene starke Energiekonzentration sorgt für ein rasches Verdampfen der Zellen an der Übertrittsstelle. Hier bildet sich nun eine stärkere Dampfschicht und der Lichtbogen wandert zu einer anderen Stelle, mit geringerem Isola­ tionsabstand.

Charakteristisch für einen typischen Schneidevorgang sind die unterschiedlichen Ma­ terialien von Schneidewerkzeug und Schneidegut. Das Prinzip wird im folgenden bei­ spielhaft für den in der Praxis häufig vorkommenden Fall eines Gewebeschnittes mit einer Metallelektrode erklärt. Metall und Gewebe besitzen unterschiedliche physikalische Ei­ genschaften wie die Austrittsarbeit der Elektronen. Verstärkt wird dieser Effekt durch die unterschiedlichen Temperaturen der Materialien. So wird das Gewebe wegen dem Verdampfen der darin enthaltenen Zellflüssigkeit zunächst keine Temperaturen über der Siedetemperatur der Zellflüssigkeit annehmen. Damit sind Zünd- und Brennspannun­ gen des Lichtbogens unterschiedlich je nachdem ob momentan das Metall das negative Potential besitzt oder das Gewebe das negative Potential aufweist. Beim Metall als Ka­ thode ist die Zündspannung niedriger als beim Gewebe. Damit setzt beim Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung der Stromfluß je nach Polarität zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein. Diese Unsymmetrie kann durch eine spektrale Auswertung gemessen werden. Je nach der Kombination von Schneidelektrode und zu schneidendem Material stellt sich daher eine charakteristische spektrale Leistungsverteilung ein.

Befindet sich nun ein Gebilde aus einem anderem Material so nahe an der Schneidelek­ trode, daß der Lichtbogen an dieses überspringt, so ändert sich durch die unterschiedli­ chen elektrischen Eigenschaften der Materialien die Symmetrie des Stromflusses und damit auch die spektrale Leistungsverteilung im Ausgangssignal des Generators. Eine Auswer­ tung der unterschiedlichen spektralen Leistungsverteilung ist möglich durch den Vergleich von mindestens zwei nicht identischen Frequenzbereichen.

Durch die Auswertung der spektralen Leistungsverteilung können unterschiedliche Ma­ terialien differenziert werden. Ein typisches Beispiel ist die Unterscheidung zwischen Ge­ webe und metallisch leitenden Gebilden. Durch eine detailliertere Auswertung können auch mehrere Gewebearten voneinander unterschieden werden. Durch die Kenntnis des Materials ist eine Anpassung der Generatorleistung an die Verhältnisse am Operationsort möglich. So kann der Generator unmittelbar vor einer Berührung mit metallisch leitenden Gebilden abgeschaltet werden, um Koagulationen des umliegenden Gewebes zu vermeiden. Durch die Gewebedifferenzierung kann z. B. bei einer Prostataresektion nur noch das Ade­ nomgewebe abgetragen werden. Schnitte in die Kapsel, die zu einer Perforation führen würden können verhindert werden.

Im folgenden wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform beschrieben. Bei Ma­ terialien mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften treten durch den Lichtbogen überwie­ gend ungeradzahlige Harmonische der Generatorfrequenz auf, während bei unterschied­ lichen elektrischen Eigenschaften die geradzahlige Harmonische der Generatorfrequenz überwiegen. Bei gleichen Materialien treten nur ungeradzahlige Harmonische der Gene­ ratorfrequenz auf. Unter dem Begriff "Harmonische" werden hier die Vielfachen der Generatorfrequenz verstanden, einschließlich der Harmonischen 0-ter Ordnung, die dem Gleichanteil (f=0) entspricht. Daher besteht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform darin, daß in der Anzeigeeinrichtung zwei Filter zur Auswertung der spektralen Anteile des Generatorsignals vorhanden sind und das erste Filter (5) über­ wiegend die spektrale Leistung bei einer oder mehreren der ungeradzahligen Harmoni­ schen der Grundfrequenz des Generators f₀ erfaßt und das zweite Filter (6) überwiegend die spektrale Leistung bei einer oder mehreren geradzahligen Harmonischen der Grund­ frequenz des Generators f₀ erfaßt. Diese Ausführungsform läßt sich besonders gut zur Erkennung von metallischen Gebilden im Gewebe verwenden.

Für die Erkennung unterschiedlicher Materialien kann dem Generatorsignal mit der Frequenz f₀ ein Hilfsoszillatorsignal kleiner Leistung mit der Frequenz f_H additiv über­ lagert werden. Dabei entstehen durch die Nichtlinearität des Lichtbogens Verzerrungen und damit Mischprodukte höherer Ordnung. Bei ähnlichen Materialien entstehen über­ wiegend Mischprodukte zweiter Ordnung mit den Frequenzen 2f₀, 2f_H, f₀+f_H, |f₀-f_H|, während bei unterschiedlichen Materialien die Mischprodukte dritter Ordnung mit den Frequenzen 3f₀, 3f_H, 2f₀+f_H, f₀+2f_H, |2f₀-f_H|, |f₀-2f_H|, f_H+f₀-f₀ entstehen. Daher besteht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform darin, daß ein Hilfsoszillatorsi­ gnal kleiner Leistung dem Generatorsignal additiv überlagert wird. Bei der Auswertung werden durch das erste Filter eines oder mehrere der Mischprodukte zweiter Ordnung und durch das zweite Filter eines oder mehrere der Mischprodukte dritter Ordnung er­ faßt. Solche Verfahren sind besonders vorteilhaft, wenn der Generator nicht ausreichend oberwellenfrei ist, oder wenn die Generatorfrequenz nicht ausreichend stabil ist, so daß das Ausfiltern der Harmonischen einen hohen Aufwand erfordern würde.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zu Nutzung der gewonnenen Informa­ tion über Unterschiede im Gewebe oder anderen Materialien besteht darin, diese zur Regelung der Generatorleistung oder zu einer starken Reduktion der Generatorleistung zu verwenden, so daß kein Schnitt und/oder keine Koagulation des Gewebes möglich ist.

Eine weitere Ausführungsform ist eine Warneinrichtung, die den Nutzer des Hochfre­ quenzchirurgiegenerators warnt. Der Nutzer kann dann gefährliche Zustände erkennen und z. B. die Schnittführung anders wählen, den Generator abschalten, fehlerhafte Ope­ rationsinstrumente auswechseln.

Eine Reduktion der Generatorleistung wird vorteilhafterweise über ein Zeitglied ge­ steuert, so daß nach dem Erkennen eines bestimmten Gewebes oder anderen Materials die Leistung des Generators für eine vorbestimmte Zeit abgesenkt bleibt. Dadurch wird ver­ mieden, daß durch zu häufiges Erhöhen der Generatorleistung dem Gewebe eine unnötig hohe Leistung zugeführt wird, denn nach dem Absenken der Generatorleistung tritt de­ finitionsgemäß kein Lichtbogen mehr auf und die Anzeigeeinrichtung kann das Gewebe oder Material nicht mehr erkennen. Ohne Zeitglied würde damit unmittelbar nach der Leistungsabsenkung die Leistung wieder erhöht werden. Die Zeit des Zeitgliedes kann eine Halbwelle dauern, sie kann aber auch wesentlich länger sein. Für spezielle Anwendungen kann es sinnvoll sein, eine Generatoraktivierung erst bei einem neuen Schnitt freizugeben.

Zusätzlich kann eine Überwachung der Gewebeimpedanz eingebaut werden. Sie er­ kennt Impedanzsprünge, wie sie z. B. beim Entfernen der Schneidelektrode auftreten und beendet dann das Zeitintervall des Zeitgebers.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind noch Zeichnungen beigefügt. Es zeigt

Fig. 1: Prinzipschaltbild des Hochfrequenzchirurgiegenerators nach der Erfindung.

Fig. 2: Prinzipschaltbild des Hochfrequenzchirurgiegenerators mit Zusatzeinrich­ tungen für vorteilhafte Ausführungsformen.

Fig. 3: Beispielhafte Darstellung der spektralen Verteilung der Generatorleistung und beispielhafte Filterkurven.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild des Hochfrequenzchirurgiegenerators nach der Er­ findung dargestellt. Der Hochfrequenzgenerator (1) besitzt eine Vorrichtung zur mittelba­ ren und/oder unmittelbaren Einstellung der maximalen Ausgangsleistung. Zwischen dem Hochfrequenzchirurgiegenerator (1) und der Schneidelektrode (11) befindet sich eine An­ zeigeeinrichtung (2) zur Anzeige der Leistung oder einer davon abhängigen Größe in zwei oder mehreren unterschiedlichen Frequenzbereichen mit elektrischen Signalen. Die elek­ trischen Ausgangssignale dieser Anzeigeeinrichtung (2) werden in eine Auswerteschaltung (3) geführt. Diese enthält einen Sollwertgeber (4), welcher die Sollwerte zur Einstellung des Hochfrequenzgenerators (1) vorgibt. Die Sollwertvorgabe erfolgt in Abhängigkeit vom Verhältnis der Ausgangssignale der Anzeigevorrichtung.

Mit Fig. 2 sollen einige vorteilhafte Ausführungsformen verdeutlicht werden. In Fig. 2 sind alle Elemente aus Fig. 1 enthalten. Diese sind im vorhergehenden Abschnitt beschrieben. Zur Selektion zweier unterschiedlicher Frequenzbereiche besitzt die Anzei­ gevorrichtung (2) zwei Filter (5) und (6). Die beiden elektrischen Ausgangssignale (i), (k) der Anzeigevorrichtung (2) können auch wahlweise an eine Warneinrichtung (7) zur Warnung des Operateurs geführt werden. Diese Warneinrichtung wird betätigt, wenn das Verhältnis der beiden Ausgangssignale der Anzeigevorrichtung (2) einen bestimmten Wert übersteigt. Weiterhin ist ein zusätzlicher Hilfsoszillator (8) eingezeichnet, dessen Signal kleiner Leistung über das Koppelelement (9) additiv zum Ausgangssignal des Hochfre­ quenzgenerators überlagert wird. Der Schalter (10) dient zum Aktivieren des Hochfre­ quenzgenerators. Außerdem beendet er das Zeitintervall zur Abschaltung des Generators, das der Zeitgeber in der Auswerteschaltung (3) erzeugt. Weiterhin befindet sich in der Anzeigevorrichtung (2) eine Vorrichtung (12) zur Ermittlung der Impedanz des Gewebes (11) an der Schneidelektrode. Diese Impedanz wird in einer Impedanzauswerteschaltung (13) ausgewertet und ebenfalls zur Beendigung des Zeitintervalls zur Abschaltung des Generators herangezogen.

In Fig. 3 sind oben beispielhaft die Spektrallinien zweier unterschiedlicher Spektren, wie sie bei einem schmalbandigen Hochfrequenzgenerator auftreten. Dabei ist eine Span­ nung U als stellvertretende Größe für eine der Ausgangsgrößen des Generators aufge­ tragen. Die Säulenpaare in der Grafik zeigen die Amplituden bei den vielfachen der Generalfrequenz f₀. Die linken Säulen (a) dieser Paare geben das Spektrum bei großen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften zwischen Elektrodenmaterial und dem zu schneidenden Material. Besitzen beide Materialien ähnliche physikalische Eigenschaf­ ten, so kann sich ein Spektrum ergeben, wie es die rechten Säulen (b) darstellen. Beide Spektren sind auf eine gleiche Amplitude der Grundwelle (f₀) normiert. Die mittlere Ab­ bildung in Fig. 3 zeigt beispielhaft eine mögliche spektrale Durchlaßcharakateristik, wie sie das zweite Filter (6) aus Anspruch 2 besitzen könnte. Zur Auswertung genügt die Se­ lektion eines der drei beispielhaft dargestellten Frequenzbereiche (c), (d) oder (e), ebenso können auch mehrere solcher Frequenzbereiche zusammengefaßt werden. Die untere Ab­ bildung in Fig. 3 zeigt beispielhaft eine mögliche spektrale Durchlaßcharakteristik, wie sie das erste Filter (5) aus Anspruch 2 besitzen soll. Zur Auswertung genügt die Selektion eines der drei beispielhaft dargestellten Frequenzbereiche (f), (g) oder (h), ebenso können auch hier mehrere Frequenzbereiche zusammengefaßt werden.

Claims (6)

1. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie mit einer Vorrichtung zur Einstellung der maximalen Ausgangsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (2) vorhanden ist, die für mindestens zwei unterschiedliche Frequenzbereiche die darin enthaltene Leistung als elektrisches Signal anzeigt und daß eine Auswerteschaltung (3) vorhanden ist, der die Ausgangssignale der Anzeige­ vorrichtung zugeführt sind und die einen Sollwertgeber (4) enthält, der in Abhängig­ keit vom Verhältnis der Ausgangssignale der Anzeigevorrichtung einen Sollwert für die Einstellung des Hochfrequenzgenerators vorgibt.

2. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anzeigeeinrichtung zwei Filter zur Auswertung der spektralen Anteile des Generatorsignals vorhanden sind und das erste Filter (5) überwiegend die spektrale Leistung bei einer oder mehreren der geradzahligen Harmonischen der Grundfre­ quenz des Generators f₀ erfaßt und das zweite Filter (6) überwiegend die spektrale Leistung bei einer oder mehreren ungeradzahligen Harmonischen der Grundfrequenz des Generators f₀ erfaßt und daß der von der Auswerteschaltung abgegebene Soll­ wert vom Sollwertgeber (4) so gesteuert wird, daß die Leistung des Hochfrequenzge­ nerators verringert wird, und/oder wahlweise eine Warneinrichtung (7) vorhanden ist, die betätigt wird, wenn das Verhältnis der ungeradzahligen Harmonischen der Grundfrequenz des Generators f₀ zu den geradzahligen Harmonischen der Grund­ frequenz des Generators f₀ einen voreingestellten Wert überschreitet.

3. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsoszillator (8) mit kleiner Leistung und der Oszillatorfrequenz f_H und ein Koppelelement (9) zur additiven Überlagerung des Hilfsoszillatorsignals zum Aus­ gangssignal des Hochfrequenzgenerators (1) vorhanden sind, und daß in der Anzeige­ einrichtung zwei Filter zur Auswertung der spektralen Anteile des Generatorsignals vorhanden sind und das erste Filter (5) überwiegend Signale, die aus Verzerrun­ gen geradzahliger Ordnung entstehen, erfaßt und daß das zweite Filter (6) über­ wiegend Signale, die aus Verzerrungen ungeradzahliger Ordnung entstehen, erfaßt und daß der von der Auswerteschaltung abgegebene Sollwert vom Sollwertgeber (4) so gesteuert wird, daß die Leistung des Hochfrequenzgenerators verringert wird, und/oder wahlweise eine Warneinrichtung (7) vorhanden ist, die betätigt wird, wenn das Verhältnis der ungeradzahligen Harmonischen der Grundfrequenz des Genera­ tors f₀ zu den geradzahligen Harmonischen der Grundfrequenz des Generators f₀ einen voreingestellten Wert überschreitet.

4. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Filter (6) als Tiefpaß ausgeführt ist und überwiegend die niederfrequenten Anteile um die Frequenz 0 Hz überträgt.

5. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (4) zusätzlich von einem Zeitgeber (14) gesteuert wird, der die Ver­ ringerung der Leistung des Hochfrequenzgenerators ein vorbestimmtes Zeitintervall zwischen einer minimalen Zeit, die der Dauer einer Halbwelle des HF-Signals vom Hochfrequenzgenerator (1) entspricht und einer maximalen Zeit, bis zum Öffnen des Schalters (10) zur Aktivierung des Generators, aufrecht erhält.

6. Hochfrequenzgenerator (1) für die Hochfrequenzchirurgie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anzeigevorrichtung (2) eine Vorrichtung (12) zur Ermittlung der Impedanz des Gewebes (11) vorhanden ist und diese Impedanz in einer Impedanzauswerte­ schaltung (13), die Impedanzänderungen mit einem voreingestellten Grenzwert ver­ gleicht und beim Überschreiten dieses Grenzwertes das Zeitintervall, in dem die Leistung des Hochfrequenzgenerators verringert wird, abbricht.