DE60121544T2

DE60121544T2 - Ein elektrochirurgisches instrument und ein elektrochirurgisches system mit einem solchen instrument

Info

Publication number: DE60121544T2
Application number: DE60121544T
Authority: DE
Inventors: Colin Charles Owen Englefield Green Egham Surrey GOBLE; Nigel Mark Castleton Goble
Original assignee: Gyrus Medical Ltd
Current assignee: Gyrus Medical Ltd
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: ATE333244T1; EP1253866B1; WO2001058371A1; DE60121544D1; ES2267710T3; AU2001231999A1; GB0002849D0; EP1253866A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein elektrochirurgisches Instrument und ein elektrochirurgisches System, welches das Instrument umfasst, und ein Hochfrequenzgeneratorsystem zur Behandlung von Gewebe, wobei die wirksame Stelle und der distale Abschnitt dieses Instruments während der Benutzung zum Verdampfen, Koagulieren, Trocknen oder sonst wie thermisch Modifizieren dieser Gewebe in eine wässrige Lösung eingetaucht sind.
Seit über fünfzig Jahren wird die Elektrochirurgie in der chirurgischen Praxis angewendet und sie hat während dieser Zeit mehrere Verbesserungen erfahren, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit in anspruchsvollerer chirurgischer Umgebung zu steigern. Eine solche Herausforderung war die aufkommende Anwendung minimal invasiver oder endoskopischer Techniken zur Durchführung von chirurgischen Verfahren in stetig zunehmendem Umfang.
Herkömmliche monopolare und bipolare elektrochirurgische Geräte hatten breite Anwendung bei der endoskopischen Chirurgie, litten jedoch an einer Anzahl technischer Nachteile, insbesondere wenn die wirksame Stelle ausgedehnt oder mit wässrigen Lösungen gespült war. Solche Lösungen werden allgemein eingesetzt, um die endoskopische Sichtbarmachung zu verbessern, und sie werden gewöhnlich durch einen besonderen Kanal im Endoskop in die Körperhöhle eingebracht. Das Eintauchen von elektrochirurgischen Instrumenten in wässrige Lösungen führt eine Anzahl technischer Hindernisse hinsichtlich der Isolierung und der Verhinderung von Energieverschwendung in die Lösung anstelle des Zielgebiets herbei.
Monopolare Elektrochirurgie erfordert zum wirksamen Betrieb, dass die wässrige Lösung nichtleitend ist. Trotz der Verwendung von Lösungen wie von Dextrose, Sorbit oder Glyzin, die sehr niedrige Werte der elektrischen Leitfähigkeit haben, kann die Leitfähigkeit der den Zielort benetzenden Flüssigkeit durch die bei der Operation freigesetzten Gewebe- und Körperflüssigkeiten beträchtlich zunehmen. Zum Ausgleich von Verlusten an die Lösung erfordert dies gewöhnlich eine zunehmende Leistungsabgabe, um die Leistungsfähigkeit zu erhalten. Steigende Leistungsabgabe erhöht bei der Anwendung monopolarer Anordnungen die anerkannte Gefahr versehentlicher Verbrennungen des Patienten oder Bedieners.
Mit monopolaren Anordnungen zusammenhängende Verbrennungen lassen sich, wenn auch bei einem Instrument mit begrenzter Leistung, durch Anwendung einer kapazitiven Kopplung in einer Rückleitung zwischen dem der Operationsstelle benachbarten Gewebe und dem leitfähigen Gehäuse eines in sich abgeschlossenen batteriegespeisten Instruments vermeiden, wie es in der Internationalen Anmeldung WO 97/15237 des Anmelders offenbart ist. Dieses Gerät hat eine einzige freiliegende Elektrode mit einem in einem metallischen Handstückgehäuse eingebauten Generator und ist für die Verwendung an trockenen Bereichen bei hohen Frequenzen vorgesehen. Das Gehäuse wirkt als kapazitiv an die Umgebung gekoppelter Leiter und liefert eine kapazitive Rückleitung vom behandelten Gewebe zum Generator im Gehäuse. Die Impedanz der Rückleitung ist wegen des schwankenden Ausmaßes, in dem das Instrument kapazitiv an die Hand des Chirurgen gekoppelt ist, und der variablen Anordnung der umgebenden leitenden Massen in weitem Umfang veränderlich. Um direkten Kontakt mit leitenden Massen zu vermeiden, ist das Gehäuse mit einem dünnen Kunststoffüberzug versehen.
Während ein herkömmliches bipolares Instrument, bei dem die beiden Pole des elektrochirurgischen Ausgangs als benachbarte Elektroden an der Spitze des Instruments angebracht sind und beide das Gewebe berühren müssen, damit eine Wirkung erzielt wird, die Verbrennungsgefahr weitgehend beseitigt, geht die Ausgangsleistung immer noch vorwiegend durch die an der Anwendungsstelle vorhandene leitfähige Flüssigkeit und nicht durch das Gewebe. Trotzdem kann die Erhitzung dieser Flüssigkeit eine sekundäre Erhitzung des Gewebes erzeugen und so seine Koagulation oder Trocknung herbeiführen. Das Problem ist viel offensichtlicher, wenn man eine bipolare Anordnung zum Schneiden oder Abtragen von Gewebe einzusetzen versucht, wobei die Lösung die Impedanz des Ausgangs erniedrigt und verhindert, dass die Ausgangsspannung die Werte erreicht, die zum Einleiten der Verdampfung des Gewebes nötig sind, was typischerweise eine Spitzenspannung von über 500 V erfordert.
US 5,009,656 (Reimels) beschreibt ein Verfahren zur Überwindung dieses Problems, bei dem die beiden Elektroden eines bipolaren Paars hinreichend nahe zusammengebracht werden, so dass die Lücke zwischen ihnen die Erzeugung von Wasserdampf und die direkte Lichtbogenbildung zwischen den beiden Elektroden fördert. Obwohl die Technik ein Verfahren zur Lichtbogenbildung in leitfähiger Flüssigkeit bereitstellt, ist die Lücke so klein, dass der Gewebeeffekt sehr begrenzt ist.
US 4,116,198 (Roos) beschreibt eine weitere Technik zur Überwindung einiger der mit der Verwendung bipolarer Anordnungen beim Eintauchen in elektrisch leitende Lösungen zusammenhängenden Probleme. Die Technik überwindet die Beschränkungen von Reimels durch Verwendung einer Rückführungselektrode, die gegen die aktive Elektrode zurückgesetzt ist, so dass durch die Lösung ein weiter verlängerter Stromkreis geschlossen wird und die direkte Lichtbogenbildung zwischen beiden vermieden wird. Auf diese Weise braucht nur eine Elektrode des bipolaren Paars das Gewebe zu berühren, und das elektrische Feld ist ausreichend, um das Gewebe an der Anwendungsstelle einzuschließen. Die Technik wurde erfolgreich bei endoskopischen chirurgischen Verfahren, welche mit der transurethralen Resektion der Prostata einhergehen, eingesetzt, wie von Elsasser und Roos in einem Artikel mit dem Titel "Concerning an Instrument for Transurethral Resection without Leakage of Current" (Über ein Instrument zur transurethralen Resektion ohne Stromverlust), veröffentlicht in der deutschen Zeitschrift "Acta Medico Technica" 1976, Band 24, Nr. 4, Seiten 129–134, berichtet.
Die sich auf Elektrochirurgie beziehenden, mit der vorliegenden zusammen anhängigen Patentanmeldungen der gegenwärtigen Anmelder beschreiben weitere Verbesserungen des Standes der Technik nach Roos zur Steuerung der Abmessungen der aktiven Elektrode in Bezug zu einer komplexen Wechselwirkung zwischen der Konfiguration der aktiven Elektrode, der Schwellenleistung zum Aufbau eines Lichtbogens an der aktiven Elektrode und Steuermerkmalen des elektrochirurgischen Generatorbausteins des Systems. Die kommerziellen Ausführungsformen dieser Erfindungen werden nun auf den Gebieten arthroskopische, hysteroskopische und urologische Chirurgie umfangreich angewendet.
US 5,366,443 und US 5,697,909 im Namen von Eggers und Thapliyal beschreiben einen alternativen Lösungsweg unter Verwendung einer Anordnung aktiver Elektroden, die selektiv aktiviert oder strombegrenzt werden können, um den Leistungsverlust in die elektrisch leitende Flüssigkeit zu vermindern.
Die obigen Anordnungen neigen dazu, beim Gebrauch unter einer Anzahl von Problemen und technischen Beschränkungen zu leiden. Ein Problem ist die Bildung von Kohlenstoffspuren (carbon tracking), wobei der bei der Gewebeverdampfung entstehende Kohlenstoffrückstand eine leitfähige Spur zwischen aktiver und Rückführungselektrode bildet. Einmal entstanden hat die Spur einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, so dass sie um so leitfähiger wird und um so mehr Strom durch die Spur zwischen den Elektroden fließt, je heißer sie ist. Die in der Spur entstehende Temperatur übt eine große thermische Belastung auf den die aktive und die Rückführungselektrode trennen Isolator aus, was zu katastrophalem Versagen führen kann. Ähnliche Fehler können durch Überhitzung der Elektrodenanordnung ohne Bildung einer Kohlenstoffspur auftreten, wenn nur Teile der Anordnung an der distalen Spitze in Kontakt mit der Flüssigkeit kommen, so dass ohne zur Kühlung der Anordnung ausreichende Flüssigkeit noch Strom fließen kann.
In den bekannten Geräten wird das elektrische Feld in dem Bereich, der den kürzesten Leitungspfad durch das flüssige Medium darstellt, konzentriert. Der kürzeste Pfad tritt zwischen dem am weitesten distalen Abschnitt der Rückführungselektrode und dem am weitesten proximalen, der Flüssigkeit ausgesetzten Abschnitt der aktiven Elektrode auf. Die Wirkung ist zweifach: Erstens kann die hohe Stromdichte dazu führen, dass die Rückführungselektrode "aktiv" wird, insbesondere, wenn der distale Abschnitt der Elektrode wegen der Ansammlung von den bei der Verdampfung erzeugten gasförmigen Nebenprodukten nur teilweise in Flüssigkeit eintaucht, und zweitens wird die Tiefe des Gewebeeffekts durch die Konzentration des elektrischen Feldes begrenzt, insbesondere wenn eine tiefergehende Koagulationswirkung erwünscht ist.
Wenn die aktive Elektrode teilweise benetzt und teilweise in Dampf eingehüllt ist, sind sehr hohe Leistungen erforderlich, um das aufrechtzuerhalten, was eigentlich ein instabiler Zustand ist, der gewöhnlich zu intermittierendem Zusammenbruch der Dampftasche und schwankender chirurgischer Leistung führt. Der Stand der Technik beschreibt zur Verminderung dieses Effekts gewisse Verhältniszahlen des kürzesten und längsten Leitungspfads zwischen aktiver und Rückführungselektrode. Der Effekt wird durch hohe Flüssigkeitsströmung verschlimmert, wenn die Dampftasche zusammengequetscht werden kann und wiederum hohe Leistungen nötig sind, um diese Quetschwirkung zu überwinden. Trotzdem ist die chirurgische Leistung schwankend. Der Stand der Technik umfasst Verfahren zur Verkleinerung der Leistungsschwelle für die Verdampfung bei Flüssigkeitsströmung, jedoch werden der Elektrodenanordnung durch die einbezogenen Verfahren einige geometrische Beschränkungen auferlegt, die in gewissen Anwendungsbereichen schwer zu realisieren sein können, insbesondere wenn nahe bei der Elektrode oder durch diese selbst aktives Ansaugen oder Abgeben von Flüssigkeit vorkommt.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein elektrochirurgisches Instrument zur Behandlung von Gewebe, das in eine leitfähige Flüssigkeit eintaucht, bereitzustellen, das zumindest einige der oben angeführten Nachteile überwindet.
Erfindungsgemäß wird ein in elektrisch leitende Flüssigkeit eingetauchtes elektrochirurgisches Instrument zur Behandlung von Gewebe mit Hochfrequenzenergie im Frequenzbereich von 100 kHz bis 50 MHz bereitgestellt, wobei das Instrument einen länglichen Schaft umfasst, der am proximalen Ende zur Anbringung an einem Handstück gestaltet ist und am distalen Ende eine bipolare Elektrodenanordnung trägt, die eine aktive Elektrode mit einer aktiven Elektrodenzone am distalen Ende der aktiven Elektrode und eine Rückführungselektrode mit einer Rückführungszone nahe der aktiven Zone umfasst, wobei mindestens die aktive Zone oder die Rückführungszone eine elektrisch isolierende dielektrische Beschichtung aufweist, so dass beim Gebrauch zwischen der aktiven und der Rückführungselektrode über die leitfähige Flüssigkeit ein Hochfrequenzstromkreis durch dielektrische Kopplung durch die dielektrische Beschichtung hindurch geschlossen wird. Die Erfindung umfasst auch ein in eine elektrisch leitende Flüssigkeit eingetauchtes Elektrochirurgiesystem zur Behandlung von Gewebe, umfassend: einen Generator zur Abgabe von Hochfrequenzausgangsleistung zur Gewebebehandlung im Frequenzbereich von 100 kHz bis 50 MHz und ein elektrochirurgisches Instrument wie oben beschrieben, wobei die bipolare Elektrodenanordnung an den Generator angeschlossen ist. Beim bevorzugten Instrument ist die Rückführungszone der aktiven Zone benachbart und gegen diese in proximaler Richtung zurückgesetzt. Wenn die Elektrodenanordnung in eine leitende Flüssigkeit eintaucht, ist die Elektrode mit der isolierenden Beschichtung kapazitiv an die Flüssigkeit gekoppelt, wobei die Koppelkapazität unter anderem von der Dicke der dielektrischen Beschichtung, deren relativer Dielektrizitätskonstante (ε_r) und der Elektrodenfläche abhängt.
Typischerweise ist die Erfindung bei der Elektrochirurgie in nassem Umfeld anwendbar, wobei das Instrument beispielsweise einen rohrförmigen länglichen Schaft zum Einführen in eine Körperhöhle und am Ende des rohrförmigen länglichen Schafts zum Einführen in eine Körperhöhle eine Elektrodenanordnung mit einem ersten Leiter am äußersten distalen Ende des Instruments und einen vom ersten isolierten und gegen das distale Ende zurückgesetzten zweiten Leiter umfasst, wobei zumindest der zweite Leiter in eine isolierende äußere dielektrische Schicht eingeschlossen ist.
Ein Elektrochirurgiesystem mit einem Instrument wie das oben beschriebene kann einen Generator mit einem Paar an den ersten bzw. zweiten Leiter der Elektrodenanordnung angeschlossenen Ausgangsklemmen umfassen, wobei die Betriebsfrequenz des Generators sowie Aufbau und Material des zweiten Leiters und der umhüllenden Isolierschicht so ausgelegt sind, dass bei Abgabe eines Hochfrequenzstroms von 2 A an die in physiologische Kochsalzlösung (normal saline) eintauchende Elektrodenanordnung die Stromdichte an der Außenfläche der Isolierschicht 50 mA/mm² nicht übersteigt.
Die Rückführungszone der Rückführungselektrode kann durch ein elektrisches Feld zwischen der aktiven und der Rückführungselektrode definiert werden, das sich ausbildet, wenn die Elektrodenanordnung an den Hochfrequenzausgang des Generators angeschlossen ist. Ein Isolator trennt die Rückführungselektrode von der aktiven Elektrode, wobei die Rückführungszone bevorzugt mit einer Schicht dielektrischen isolierenden Materials beschichtet ist, wodurch beim Gebrauch die Rückführungszone gegen direkten elektrischem Kontakt mit dem Gewebe und der elektrisch leitenden Flüssigkeit isoliert ist, so dass zwi schen aktiver und Rückführungszone mittels dielektrischer Kopplung durch das dielektrische isolierende Material ein Stromkreis geschlossen wird.
Die aktive Zone kann mit einem zweiten dielektrischen isolierenden Material beschichtet sein, so dass die aktive Zone gegen direkten elektrischen Kontakt mit Gewebe und leitender Flüssigkeit isoliert ist und beim Gebrauch zwischen aktiver und Rückführungselektrode mittels dielektrischer Kopplung auch durch das zweite dielektrische isolierende Material ein Stromkreis geschlossen wird.
Die aktive Elektrode kann die Form eines keramischen Körpers mit einem mit Metall ausgekleideten Innenhohlraum haben, der aus dielektrischem isolierendem Material gefertigt ist, wobei im Gebrauch zwischen der aktiven und der Rückführungszone mittels dielektrischer Kopplung durch den keramischen Körper ein Stromkreis geschlossen wird. Der Hochfrequenzausgang wirkt vorteilhaft mit dem dielektrischen isolierenden Material zusammen, damit sich eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes über die Rückführungszone und eine entsprechend im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte über die Rückführungszone ergibt. Wenn die aktive Zone mit einem zweiten dielektrischen isolierenden Material beschichtet ist, wirkt der Hochfrequenzausgang mit dem dielektrischen Isoliermaterial und dem zweiten dielektrischen Isoliermaterial zusammen, damit sich eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes über die aktive und die Rückführungszone und eine entsprechend im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte über diese Zonen ergibt.
Merkmale anderer Aspekte der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen sind in die Ansprüche aufgenommen.
Die Eigenschaften des dielektrischen Isoliermaterials zusammen mit Veränderungen der elektrochirurgischen Ausgangsfrequenz und der Kombination, dass eine oder beide der aktiven und Rückführungszone mit dem dielektrischen Material beschichtet sind, ermöglichen die Beeinflussung des elektrischen Feldes und der beim Gebrauch erzeugten Stromdichte, um beträchtliche Vorteile gegenüber Geräten nach dem Stand der Technik zu verleihen. Diese Vorteile können realisiert werden durch spezielle geometrische Konfiguration der Elektroden zur Ausführung spezieller Verfahren an unterschiedlichen Gewebestrukturen wie Strukturen, die von Hohlräumen, Lumen, Ventrikeln oder anderen natürlichen Körperhöhlen, die eine elektrisch leitenden Flüssigkeit enthalten, umschlossen sind, sei diese Flüssigkeit natürlich vorhanden oder als Teil des chirurgischen Verfahrens eingeführt. Solche Höhlen können auch durch künstliche Flüssigkeitseinschlüsse oder durch chirurgische Erzeugung der Höhle bereitgestellt werden. Ein spezieller Vorteil ist, dass die Leistung der erfindungsgemäßen Instrumente weniger empfindlich gegenüber Überhitzung und den Einwirkungen einer Flüssigkeitsströmung beim Gebrauch gemacht werden kann.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen
1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Elektrodenanordnung einer ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Elektrodenanordnung nach dem Stand der Technik ist;
3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Elektrodenanordnung einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
4 eine Seitenansicht einer Elektrodenanordnung mit einer dielektrischen Beschichtung mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante zur Definition einer Rückführungszone ist;
5A und 5B teilweise geschnittene Seitenansichten und äquivalente Stromkreise weiterer Elektrodenanordnungen sind, die weitere Techniken zur Definition einer Rückführungszone zeigen;
6A und 6B Seitenansichten zweier weiterer Elektrodenanordnungen für erfindungsgemäße Instrumente sind;
7 ein Graph einer Impedanz-Leistung-Beziehung ist; und
8 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Elektrodenanordnung ist, deren Merkmale mit den Merkmalen aller anderen dargestellten Ausführungsformen kombiniert werden können.
Mit Bezug auf 1 ist am Arbeitsende eines Schafts eines erfindungsgemäßen Instruments eine Elektrodenanordnung 10 vorhanden, wobei der Rückführungspfad für den durch die Elektrodenanordnung fließenden elektrochirurgischen Strom durch dielektrische Kopplung geschlossen wird. Die Elektrodenanordnung 10 ist an einen (nicht gezeigten) Generator angeschlossen, der eine Hochfrequenzausgangsleistung im Bereich von 100 kHz bis 50 MHz an die Anordnung liefert. Die Elektrodenanordnung 10 umfasst eine metallische aktive Elektrode 12, eine metallische Rückführungselektrode 14 und einen keramischen Isolator 16, der die aktive Elektrode 12 von der Rückführungselektrode 14 trennt. Diese ist, wie auch die aktive Elektrode 12, die an den Generator über einen aktiven Leiter 18, der sich durch die hohle Mitte der Rückführungselektrode 14 erstreckt, angeschlossen ist, an den Generator angeschlossen. Die aktive Elektrode 12 umfasst eine aktive Zone 20 am distalen Ende der Elektrode 12. Die Rückführungselektrode 14 ist ein metallischer Leiter, der als Schaft des Instruments dient und mit einem dünnen Kunststoffüberzug 22 zumindest über dem distalen Endabschnitt bedeckt ist, wobei der Leiter vom Äußeren völlig abgeschlossen ist. Die Rückführungselektrode umfasst auch eine Rückführungszone 24, die sich im wesentlichen am distalen Ende der Elektrode 14 befindet.
Das für die Beschichtung 22 verwendete dielektrische Material in der Ausführungsform der 1 hat vorzugsweise eine hohe relative Dielektrizitätskonstante (z. B. ε_r über 2) und einen geringen dielektrischen Verlust. Ein Material zur Verwendung bei hohen Frequenzen (über 5 MHz) ist Polyimid, das eine außergewöhnliche Spannungsfestigkeit hat und in sehr dünnen Schichten aufgetragen werden kann. Seine relative Dielektrizitätskonstante ist 3,4. Beispielsweise hat eine 50 μm-Beschichtung aus Polyimid eine ausreichende Spannungsfestigkeit, um der typischen Spitzenausgangs-spannung des Generators standzuhalten, an den die Elektrodenanordnung 10 angeschlossen ist. Diese Spannungen können für die Gewebekoagulation im Bereich von 120 V_rms und für Gewebeschneiden und -verdampfen im Bereich von 200 bis 500 V_rms liegen. Man bemerke jedoch, dass man dielektrische Beschichtungen dünner als 50 μm verwenden kann, weil der Zweck der dielektrischen Beschichtung die kapazitive Kopplung von Energie an eine leitfähige, die Elektrode 10 umgebende Lösung ist. Für niedrigere Frequenzen sind Materialien mit höherer relativer Dielektrizitätskonstante bevorzugt, wobei geeignete Beispiele Titandioxid (ε_r = 100) und Bariumtitanatverbindungen (mit ε_r-Werten von 30 bis zu 1600) sind.
Die in 1 gezeigte Elektrodenanordnung 10 ist nützlich zur Veranschaulichung der Wirkung einer erfindungsgemäßen Anwendung einer dielektrischen Beschichtung. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform hat die Rückführungselektrode 14 einen Durchmesser von 3,3 mm. Die Rückführungszone 24 der Rückführungselektrode 14 ist mit einem elektrischen Feldbild 26 verbunden, das sich zwischen der aktiven Elektrode 12 und der Rückführungselektrode 14 aufbaut, wenn diese Elektroden mit dem Ausgang des Generators verbunden werden, an dem die Elektrodenanordnung 10 angebracht ist. Die Rückführungszone 24 ist mit der dielektrischen Polyimidbeschichtung 22 beschichtet und erstreckt sich typischerweise über eine Distanz vom äußersten distalen Ende des Schafts von mindestens 10 mm, bevorzugt 20 mm längs des Schafts 14, wenn die aktive Elektrode 12 nicht gleichermaßen beschichtet ist. In diesem Fall ist die Gesamtfläche der Rückführungszone etwa 200 mm².
Da Polyimid eine relative Dielektrizitätskonstante ε_r von 3,4 hat, ist die Koppelkapazität der Rückführung zu der die Elektrodenanordnung 10 umgebenden leitenden Flüssigkeit 125 pF bei einer dielektrischen 50 μm-Beschichtung (oder 250 pF bei einer dielektrischen 25 μm-Beschichtung). Bei einer elektrochirurgischen Ausgangsfrequenz von 1 MHz stellt dies eine Impedanz von 1275 Ω bei dielektrischer 50 μm-Beschichtung oder 638 Ω bei dielektrischer 25 μm-Beschichtung dar. Wenn die Elektrodenanordnung in eine leitende Flüssigkeit, wie Kochsalzlösung, eintaucht, kann der Leitungspfad zwischen der aktiven Zone 20 und der Rückführungszone 24 eine so niedrige Impedanz wie 50 Ω haben. Bei dieser im Vergleich zur Beschichtung niedrigen Impedanz würde sehr wenig Leistung abgegeben. Jedoch fällt die Impedanz der Rückführungskoppelkapazität mit steigender Ausgangsfrequenz wie unten in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die obigen Frequenzen liegen innerhalb der international anerkannten industriellen, wissenschaftlichen oder medizinischen Bänder (ISM). Es gibt offensichtlich Optionen für Beschichtungsstärken und Ausgangsfrequenzen, bei denen die angelegte Spannung zum größten Teil an der Last und nicht an der Kapazität der dielektrischen Beschichtung 22 anliegt. Es gibt aber beträchtliche Folgen für die Steuerung, die mit der kapazitiven Kopplung zusammenhängen, weil sie auf den Betrieb in mindestens zwei elektrochirurgischen Modi angewendet wird, d. h. ein Modus, der Gewebetrocknung erzeugt, und die anderen ausgewählten Niveaus der Gewebeverdampfung.
Aus Tabelle 1 folgt, dass die Verwendung einer dielektrischen Beschichtung mit einem ε_r in der Größenordnung jener von Polyimid und mit der genannten Dicke einen Betrieb bei relativ hohen Frequenzen erfordert, wenn es einen direkten Leitungspfad durch die leitende Flüssigkeit zwischen der Außenfläche der Beschichtung und der anderen Elektrode gibt. Mit anderen Worten erfordert eine solche Beschichtung die Abgabe einer elektrochirurgischen Leistung bei einer Frequenz von typischerweise mindestens 5 MHz, wenn sowohl diese als auch die andere Elektrode mit physiologischer Kochsalzlösung benetzt sind. Man erkennt jedoch, dass die Betriebsfrequenz auf einen viel niedrigeren Wert umgeschaltet werden kann, nachdem die Verdampfung eingetreten ist, weil die durch den Pfad zwischen beiden Oberflächen dargestellte Impedanz dann ansteigt, wenn das elektrochirurgische Verfahren die Verdampfung einer leitenden Flüssigkeit an einer der beiden Oberflächen einschließt. Tatsächlich kann die Impedanz um einen Faktor von 20 ansteigen, wenn sich eine Dampftasche ausgebildet hat, was bedeutet, dass die durch die Beschichtung dargestellte Impedanz bei niedrigerer Frequenz viel weniger bedeutend ist.
Dies ergibt das wichtige Konzept eines Systems unter Einbeziehung einer mehrfachen Elektrodenanordnung mit mindestens einer Elektrode mit dielektrischer Beschichtung und des Betreibens des Systems im oberen Frequenzbereich zur Gewebekoagulation oder -trocknung (wobei die Oberflächen der Anordnung benetzt sind) und in einem niedrigen Frequenzbereich zum Gewebeschneiden oder -verdampfen (wobei mindestens eine Oberfläche unter einer Dampfschicht liegt). Um das Verhältnis zwischen der Impedanz zwischen den Elektroden und jener der Beschichtung gleichzuhalten, wenn die erstere um das Zwanzigfache ansteigt, kann die Frequenz ebenfalls um einen Faktor 20, typischerweise auf 1 MHz oder darunter, erniedrigt werden.
Wenn der Betrieb bei niedrigeren elektrochirurgischen Frequenzen, z. B. von weniger als 5 MHz bis hinab zu 100 kHz, mit einer benetzten Elektrodenanordnung erforderlich ist, kann die dielektrische Beschichtung aus einem der oben erwähnten Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante gebildet werden. Dies sind keramische Materialien und daher besser für Schichtstärken größer als 50 μm, vorzugsweise 100 μm, geeignet, je nach der erforderlichen Kapazität und der Dielektrizitätskonstante des Materials.
Mit einem Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 100 erhält man eine Kapazität von 1,8 nF, wenn man ein 20 mm langes Fenster um den zylindrischen Rückführungsleiter von 3,3 mm Durchmesser ausbildet, was eine Kondensatorfläche von etwa 200 mm² ergibt. Dies ergibt die in Tabelle 2 für verschiedene Frequenzen gezeigten Rückführungskoppelimpedanzen.
Tabelle 2
Bei sehr hohen Dielektrizitätskonstanten können dickere Schichten angewendet werden, soweit die Elektrodenanordnung im Bereich der Rückführungszone durch ein keramisches Rohr als Hauptbauteil der Anordnung mit einer metallisierten Innenfläche ausgeführt werden kann.
In gewissen, sich auf elektrochirurgische Geräte beziehenden anhängigen Anmeldungen der Anmelder wurde große Bedeutung der angelegten Spitzenspannung beigemessen, aus der gewisse Schwellenspannungen zur Steuerung der Trocknungs- und Verdampfungsmodi abgeleitet werden konnten. Bei den vorliegenden Instrumenten erscheint jedoch die Kapazität der Beschichtung als Impedanz zwischen den Elektroden, welche die an der Rückführungszone 24 auftretende Spannung während der bei der Trocknung verwendeten höheren Stromabgabe erhöht. Die Kenntnis der Schichtimpedanz bei einer bestimmten Betriebsfrequenz erlaubt die Berechnung einer Effektivspitzenspannung, d. h. der Spannung zwischen der aktiven Elektrode und der Außenfläche der Beschichtung, vorausgesetzt der Strom kann auch gemessen werden. Daher ist die Effektivspitzenspannung durch die Vektorsubtraktion des Spannungsabfalls an der Schicht von der Spannung zwischen aktiver und Rückführungselektrode definiert.
Da die hier beschriebenen Isolierschichten sich kapazitiv verhalten, tritt der höchste Spannungsabfall an ihnen beim Strommaximum auf. Der Maximalstrom entspricht der größtmöglichen benetzten Oberfläche bei einer Temperatur der Salzlösung von nahe 100°C. (Salzlösung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands und daher die größte Leitfähigkeit kurz vor dem Kochen.) Dieser Maximalstromzustand wird normalerweise bei der Trocknung erreicht und normalerweise zur Verdampfung überschritten. Tatsächlich ist es wünschenswert, die Effektivspitzenspannung an diesem Punkt zwecks maximaler Trocknungswirkung zu kontrollieren, weil dies für jede Elektrodenanordnung oder jede Beschichtung auch der maximalen Leistungsabgabe entspricht.
Je nach der Elektrodenkonfiguration kann die Lastimpedanz auf sehr niedrige Werte im Bereich von 50 Ω fallen. Werte der Lastimpedanzen in diesem Bereich treten wahrscheinlicher bei großen Elektrodenkonfigurationen auf, wobei die Schwellenleistung bis zu 160 W betragen kann (d. h. eine Elektrode, die 160 W aufnehmen kann, wenn sie voll benetzt ist). Eine solche Elektrode kann bis zu 3,2 A Strom ziehen. Bei der höchsten Impedanzkombination der Tabelle 1 (6,79 MHz mit 50 μm-Beschichtung) ist die Impedanz der dielektrischen Beschichtung 188 Ω. Die Spannung an der Beschichtung wäre demzufolge 602 V_rms oder 1701 V Spitze-Spitze, angenommen dass bei den angegebenen Ausgangsfrequenzen die Wellenform notwendig sinusförmig sei. Die Spannungsfestigkeit von Polyimid ist 22 kV/mm. Daher bietet eine 50 μm-Beschichtung eine Spannungsfestigkeit von 1100 V oder 2200 V Spitze-Spitze. Wenn die elektrochirurgische Ausgangsfrequenz oder die Fläche der Beschichtung vergrößert werden, gibt es wegen der verminderten Impedanz einen besseren Spielraum. Typische Betriebsfrequenzen sind die oben genannten Werte 27 MHz und 40 MHz. Die Beschichtung ist typischerweise ein Zylinder mit einer axialen Länge von 10 bis 50 mm. Ein Durchmesser von 3,3 mm ergibt eine Beschichtungsfläche im Bereich von 100 bis 520 mm².
Bei den zum Entstehen und Unterhalten des Verdampfungsmodus verwendeten höheren Ausgangsspannungen würde dasselbe Elektrodenbeispiel eine Lastimpedanz von etwa 10–20 mal der beim Trocknungsmodus auftretenden haben, d. h. 500–1000 Ω. Ist die Verdampfung einmal entstanden, fällt die Leistungsanforderung typischerweise um 50% des maximalen Leistungsbedarfs einer gegebenen benetzten Elektrode. Daher wäre im obigen Beispiel der Maximalstrom im Bereich von 0,28 bis 0,4 A. Der Spannungsabfall an der Beschichtung fällt daher auf 50 V (6,79 MHz bei 50 μm-Beschichtung).
Ein wichtiges Merkmal der auf der Rückführungszone 24 angebrachten Beschichtung 22 ist, dass die Leistungsdichte über die Rückführungsoberfläche begrenzt ist. Man betrachte z. B. die Ausführungsform der 1 mit einer Ausgangsfrequenz von 13,56 MHz und einer dielektrischen 50 μm-Beschichtung, mit einer angewendeten Leistung von 120 W und einer zu einem angewendeten Strom von 1,55 A führenden Lastimpedanz von 50 Ω. Der gesamte Spannungsabfall an der dielektrischen Rückführungsbeschichtung 22 ist im Bereich von 145 V. Dann betrachte man den kürzesten Leitungspfad zwischen aktiver Zone 20 und Rückführungszone 24, der als ähnlich zu typischen Werten bei Geräten nach dem Stand der Technik, wie das in 2 gezeigte, angenommen werden kann. Die in 2 gezeigte Elektrodenanordnung 30 nach dem Stand der Technik umfasst eine metallische aktive Elektrode 32, eine metallische Rückführungselektrode 34 und einen die beiden trennenden keramischen Isolator 36. Die aktive Elektrode 32 ist über einen aktiven Leiter 38, der sich durch die hohle Mitte der Rückführungselektrode erstreckt, mit einem Generator verbunden. Die Rückführungs elektrode 34 ist ebenfalls ein Metallschaft, der teilweise mit Kunststoffisolierung 40 bedeckt ist, so dass ein ungeschützter Bereich 42 der Rückführungselektrode sich im wesentlichen am distalen Ende der Elektrode 34 befindet.
Der kürzeste Leitungspfad zwischen der aktiven Elektrode 32 und der Rückführungselektrode 34 ist im Bereich von 3 mm. Durch die Konzentration des Stroms am distalen Ende der Rückführungselektrode 34, wie durch die Feldbildlinien 44 gezeigt, hat eine Vergrößerung der Elektrode (die durch das Ende die Schaftisolation 40 begrenzt ist) wenig Einfluss auf die Stromdichte in diesem Bereich.
Die Länge, über die sich die Leitungspfade proximal längs der Rückführungszone bei der Elektrodenanordnung nach 1 erstrecken, ist sehr verschieden von dem in 2 gezeigten Beispiel. In 1 gibt es zwischen der Rückführungszone 24 und der aktiven Zone 20 einen kürzesten Leitungspfad von 3 mm und einen längsten von 23 mm, verglichen mit 3 mm und 6,3 mm zwischen dem proximalen Ende der aktiven Elektrode 32 und dem distalen bzw. proximalen Ende der Rückführungselektrode 34. Man sieht am wechselnden Abstand der Feldbildlinien 44, dass sich die Stromdichte von einem Ende der Rückführung zum anderen beim Beispiel des Standes der Technik nach 2 beträchtlich ändert.
In der bevorzugten Ausführungsform der 1 verursacht dieses wechselnde Stromdichte einen wechselnden Spannungsabfall an der dielektrischen Beschichtung 22, soweit sie interaktiv sind. Wenn die Stromdichte nach oben tendiert, ist der Spannungsabfall an der Beschichtung 22 ebenfalls hoch, und umgekehrt verursacht niedrige Stromdichte geringen Spannungsabfall. Daher wechselwirkt die dielektrische Beschichtung 22 mit dem Strom, so dass Bereiche hoher Stromdichte vermindert werden und das elektrische Feld 26 gleichmäßiger über eine Zone der Elektrode, die Rückführungszone 24, verteilt ist. Je höher die Schichtimpedanz wegen der Schichtdicke oder niedrigerer Ausgangsfrequenz ist, desto gleichmäßiger die Stromdichte und desto größer ihr Verteilungsgebiet auf der Rückführungselektrode. Dies hat wesentlichen Einfluss auf das von der Elektrodenanordnung 10 erzeugte elektrische Feld 26, wenn die aktive Zone 20 im unbeschichteten oder benetzten Zustand ist. Die Größe des elektrischen Feldes 26 beeinflusst die Eindringtiefe der elektrochirurgischen Wirkung in die Gewebestruktur, was zu Trocknung, Koagulation oder thermischer Veränderung der Gewebe führt, wenn die aktive Zone 20 im unbeschichteten oder benetzten Zustand ist.
Der ungeschützte leitende Rückführungsbereich 42 der in 2 gezeigten Elektrodenanordnung 30 nach dem Stand der Technik liefert keine solche Begrenzung der Stromdichte. Folglich gibt es hohe Stromdichten am vorderen Rand des ungeschützten Bereichs 42 der Rückführungselektrode 34, was Gewebeschäden verursachen kann, wenn der ungeschützte Bereich in engen Kontakt mit Gewebe kommt. Diese hohen Stromdichten treten selbst dann auf, wenn der ungeschützte Bereich 42 der Rückführungselektrode länger gemacht wird.
Eine die Stromdichte begrenzende beschichtete Rückführung, wie die in 1 gezeigte Rückführungszone 24, kann daher mit einer größeren Wirkfläche gebaut werden, tun den Strom zu verteilen und die Anfälligkeit der Rückführungselektrode zur Verursachung von Gewebeschäden zu vermindern. Dazu ist die Stromdichte so begrenzt, dass Einflüsse von Kohlenstoffspurbildung zwischen aktiver und Rückführungszone, wie die Zonen 20 und 24 in 1, nahezu beseitigt werden.
Ein weiterer erwünschter Effekt der Stromdichtebegrenzung ist, dass das durch die Elektrodenanordnung erzeugte elektrische Feldbild sich vergrößert und gleichmäßiger wird. Bezeichnenderweise tritt dieses vergrößerte Feldbild nur bei hohem Strom auf. Die Gewebetrocknung erfolgt bei benetzter aktiver Elektrode und niedrigster Impedanz mit demzufolge höchstem Strom. Das unter diesen Bedingungen vergrößerte Feldbild sichert einen größeren Stromfluss im Gewebe und erhöht daher die Trocknungswirkung bei gegebener Leistung.
In 3 hat eine modifizierte Form der Elektrodenanordnung nach 1 eine zur Verdampfung benutzte aktive Elektrode 12, wobei der Abstand von der Rückführungszone 1 mm oder weniger ist. In diesem Fall ist ein kleines Feldbild 26' erwünscht, damit kein übermäßiger thermischer Schaden entsteht. Bei Verwendung zur Verdampfung gibt es eine drastische zwanzigfache, vielleicht fünfzigfache Steigerung der Lastimpedanz gegenüber derjenigen bei der Trocknung. Typischerweise ist hier der Leistungsbedarf auch auf etwa 50% vermindert. Der Strom kann daher auf 10% seines Anfangswerts fallen. Daher nimmt der Spannungsabfall an der Beschichtung 22 um 90% ab und das elektrische Feldbild 26' kollabieret wegen der niedrigen Stromdichten, wie im Beispiel der 3 gezeigt. Dies ist sehr vorteilhaft, weil es die Tiefe der thermischen Wirkung minimiert. Die Wirkfläche der Rückführungszone 24' verändert sich daher bei den verschiedenen Ausgangsmodi dynamisch, wie sie auch eine Funktion der Eigenschaften des dielektrischen Materials 22 und der elektrochirurgischen Ausgangsfrequenz ist.
Ein kleines Feldbild wie das in 3 gezeigte ist bei der Gewebeverdampfung erwünscht, weil das Aufheizen der Salzlösung 28 woanders als nahe bei der Elektrodenanordnung unerwünscht ist. Elektrodenkonfigurationen nach dem Stand der Technik würden normalerweise auf einen minimal langen Leitungspfad eingeschränkt, um über den Isolator, der die ungeschützten Elektroden trennt, auftretende mögliche Überschläge zu vermeiden. Daher gibt es bei ungeschützten Elektrodenkonstruktionen ein Feldbild minimaler Größe, das durch die minimale Länge des Leitungspfads festgelegt wird. Deshalb erstreckt sich typischerweise der Leitungspfad einer ungeschützten Elektrodenkonfiguration, wie der in 2 gezeigten, über das Verdampfungsgebiet hinaus, um eine direkte Lichtbogenbildung zwischen den beiden Elektroden 32 und 34 zu vermeiden, die unvermeidlich einige zusätzliche thermische Wirkungen jenseits der Grenze der Gewebeentfernung zur Folge haben würde.
Wenn jedoch eine oder beide der aktiven und Rückführungszone 24' bzw. 20 mit verlustarmem dielektrischen Material beschichtet sind, kann die Elektrodentrennzone 27 in das Verdampfungsgebiet 29 fallen, wie in 3 gezeigt. Es können immer noch direkte Entladungen zwischen den Bereichen der aktiven und Rückführungszonen 24' bzw. 20 in der Dampftasche 29 auftreten. Weil aber dort keine Oberflächenladungen auf der dielektrischen Beschichtung 22 existieren, sind das energiearme Entladungen und die energiereichen Entladungen treten bevorzugt zur Gewebeoberfläche 25 auf. Thermische Verluste von der Elektrodenanordnung 10 zur umgebenden Salzlösung, zum Gewebe oder zu Kohlenstoffrückständen sind wesentlich vermindert.
Je niedriger die Kapazität zwischen der dielektrisch beschichteten Rückführung zur leitenden Flüssigkeit ist, desto hoher ist die Spannung der Rückführungselektrode gegen das Potential des Patienten. Wie oben erklärt, ist dieser Spannungsabfall vorteilhaft hinsichtlich der Wirkungen. Kapazitive Kopplung zu anderen Instrumenten oder zum Gewebe an der Eintrittsstelle der Elektrodenanordnung in die Körperhöhle kann verhindert werden, indem man den Schaft proximal zur Rückführungszone mit einem dickeren Dielektrikum mit niedriger Dielektrizitätskonstante umschließt, wie in 4 gezeigt, oder die Spitze der Elektrodenanordnung, d. h. einschließlich der Rückführungselektrode, mittels einer Leitungsdrossel oder eines Trennübertragers elektrisch isoliert, wie in 5 gezeigt.
In 4 hat eine Elektrodenanordnung 50 eine dickere dielektrische Beschichtung 52 mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante über einem Bereich 54 eines Rückführungselektrodenschafts 56 proximal zur Rückführungszone 58, die durch ein Gebiet einer dünneren dielektrischen Beschichtung 60 mit hoher Dielektrizitätskonstante begrenzt wird, um eine Flächenkapazität gegenüber der umgebenden leitenden Flüssigkeit zu erhalten, die geringer als in der Rückführungszone ist. Die in 4 gezeigte Elektrodenanordnung 50 umfasst auch eine aktive Elektrode 62 mit einer aktiven Zone 63, die von der Rückführungselektrode 56 durch einen Isolator 64 getrennt ist. Die in 4 gezeigte dielektrische Anordnung vermindert die Stromdichten weiter auf Werte, die ausreichen, um bei Kontakt mit dem proximalen Bereich 54 des Schafts 56 eine Beschädigung des Gewebes zu vermeiden. Diese Anordnung verhindert jedoch nicht die kapazitive Kopplung von etwas Energie zu einem Metallgegenstand. Eine solche Kopplung erfolgt sehr wahrscheinlich, wenn die Elektrodenanordnung 50 in die Operationsstelle durch einen Metallkanal wie den Arbeitskanal eines (nicht gezeigten) Endoskops eingeführt wird. Unter diesen Umständen kann es vorzuziehen sein, die eine oder andere der mit Bezug auf die 5A und 5B beschriebenen Lösungen anzuwenden.
Das erhöhte Potential der Rückführungselektrode 56 kann zum distalen Ende der Elektrodenanordnung 50 mit einer Gleichtaktdrossel 68 (5A) oder einem Trennübertrager 70 (5B) isoliert werden. Die Gleichtaktisolieranordnung der 5A ist wahrscheinlich die von beiden einfacher zu realisierende, weil die Gleichtaktdrossel als Ferrittorus oder Torushülse 68 um den Elektrodenschaft 56 konstruiert werden kann und daher keine gewickelten Bauteile einbezieht. Beispielsweise kann ein hochpermeables Material zum Aufbau einer Torushülse mit einem Strom-Fläche-Produkt AI von 2 μH oder mehr verwendet werden. Bei 40,68 MHz gibt dies eine Isolierimpedanz von 500 Ω. Das Potential des isolierten Schafts 66 zur Masse ist vernachlässigbar. Die Rückführungszone 60 wird durch jenen Abschnitt des isolierten Schafts distal zur Drossel begrenzt, der mit der aktiven Zone 63 dann ungehindert jedes Potential zur Masse annehmen kann. Ein Schaltbild 69 der Drosselanordnung ist ebenfalls in 5A gezeigt. Dasselbe Ergebnis wie mit der Drosselanordnung der 5A wird auch von der Trennübertrageranordnung der 5B geliefert, wobei der hochpermeable Ferrittorus 70 als Trennübertrager benutzt wird, der in einem Isolatorträgerbauteil 72 angebracht ist und zumindest Einfachwindungen 74, jeweils beispielsweise als Einzelwindung, die den inneren aktiven Leiter mit dem umgebenden Rückführungsleiter verbindet, umfasst (wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen eine koaxiale Hülle bildend). Der proximal isolierte Schaft 66 ist dann vom in der Rückführungszone 60 distal zur Übertrageranordnung auftretenden Potential isoliert. Ein Schaltbild 75 der Übertrageranordnung ist ebenfalls in 5B gezeigt.
In Geräten nach dem Stand der Technik ist die Fläche der aktiven Elektrode immer kleiner als die der Rückführungselektrode, um erhöhte Leistungsdichten an der aktiven Elektrode zu fördern. Alternativ können andere Strategien aus dem Stand der Technik eingesetzt werden, um die aktive Elektrode zu begrenzen, trotz der Tatsache, dass die Kontaktfläche mindestens so groß wie die Rückführungselektrode ist. Diese Strategien sind jedoch unwirksam, wenn die aktive Elektrode als lange Nadel oder Draht ausgebildet ist (wegen wechselnder Stromdichten), so wie in 6A dargestellt. Eine lange dünne aktive Elektrode 80, wie in 6A gezeigt, die aus einem Isolator 83 herausragt, kann zu einem Zustand führen, in dem der am weitesten proximale Abschnitt von einer Dampftasche 84 umgeben ist, trotzdem das distale Ende 86 noch benetzt ist. Dies verursacht sehr hohen Leistungsbedarf wegen der hohen Spannung, die anliegt, um die Verdampfung gleichzeitig mit einem direkten Pfad durch die Salzlösung aufrechtzuerhalten. Um diese Situation zu überwinden, nutzt der Stand der Technik verschiedene geometrische Beschränkungen, die sich auf den längsten und den kürzesten Leitungspfad zwischen aktiver Elektrode 80 und den am weitesten distal angeordneten Rand der Rückführungselektrode 88 beziehen. Diese Beschränkungen begrenzen eigentlich die Länge der aktiven Elektrode 80 relativ zur Stromdichteverteilung über die Oberfläche dieser Elektrode. Eine dielektrische Beschichtung der aktiven Elektrode 80 verhindert diesen Zustand, wie in 6B gezeigt.
Eine dielektrische Beschichtung 90 auf der langen aktiven Elektrode 80 hat Wirkungen, die denen der dielektrischen Beschichtung der Rückführungselektrode 88 ähneln, aber auch einige weitere vorteilhafte Wirkungen. Die Tatsache, dass die aktive Oberfläche stromdichtebegrenzend ist, verhindert die in 6A gezeigten unerwünschten Effekte. Die Elektrodenanordnung kann auch leistungswirksam arbeiten, wenn die aktive Elektrode 80 nur teilweise von einer Dampftasche umhüllt ist. Dies führt zu einer niedrigeren Schwellenleistung für den Übergang vom benetzten zum Verdampfungszustand, weil nur eine kleine Menge Salzlösung auf der Elektrodenoberfläche verdampft zu werden braucht, um einen nachhaltigen Zustand zu erreichen, während eine ungeschützte aktive Elektrode vollständig umhüllt sein müsste. Die Stromdichtebegrenzung erlaubt auch das Entstehen eines Spannungsgradienten über die Oberfläche der beschichteten aktiven Elektrode, welcher den Spannungsabfall je Längeneinheit der Behandlungsachse durch die Salzlösung vermindert. Daher ist im Verdampfungszustand die Dampftasche 84' von gleichmäßigerer Dicke, wie in 6B gezeigt.
Die Fähigkeit der Elektrode, die Verdampfung nur über ein Teil ihrer Länge zu unterstützen, ist auch unter ungünstigen Bedingungen, wie bei einer Umgebung mit starker Strömung, vorteilhaft. Eine ungeschützte aktive Elektrode ist anfällig für diese Bedingungen, weil die ganze Dampftasche wahrscheinlich zusammenbricht, wenn sie von der Elektrodenseite weggefegt wird. Daher ermöglicht die Beschichtung einer langen aktiven Elektrode mit einem Dielektrikum, dass die Dampftasche über einem Teil der Elektrode wirksam arbeitet und sie kann bewirken, dass die Dampftasche sich bis zu einem gewissen Grad über die aktive Elektrode ausbreitet.
7 zeigt die Hysterese der Kennlinie der Lastimpedanz über der angewandten Leistung für eine ungeschützte Elektrodengestaltung in einer Umgebung mit geringer Strömung. Wenn erfindungsgemäß eine oder jede Elektrode beschichtet ist, gilt eine ähnliche Kennlinie hinsichtlich des Leitungspfads zwischen einem Punkt auf der Außenfläche der Beschichtung einer Elektrode zur Außenfläche der anderen Elektrode (oder, wenn sie beschichtet ist, zur Außenfläche ihrer Beschichtung). Die beiden fetten Kurven zeigen die Arbeitskennlinie im benetzten Zustand 92 (untere Kurve) und im Verdampfungszustand 94 (obere Kurve). Die Linien konstanter Spannung 96, 97, 98 stellen die Spannung für Trocknung, niedrige Verdampfung bzw. hohe Verdampfung dar. Mit einer ungeschützten aktiven Elektrode wie in 6A kann es wegen der Leitfähigkeit des Metalls nur eine Spannung über der Oberfläche der aktiven Elektrode geben. Dies gilt jedoch nicht für eine beschichtete aktive Elektrode wie in 6B. Ein Gebiet der Elektrode kann sich im benetzten Zustand, das andere im Verdampfungszustand befinden. Dies ist in sehr kleinem Maßstab möglich. Eine Blase über der Oberfläche der aktiven Elektrode definiert in ihrem Gebiet einen Verdampfungszustand. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten löscht daher die auf einer Seite der Elektrode erzeugte niedrige Impedanz den Verdampfungszustand einer unbeschichteten Elektrode, aber nur teilweise eine beschichtete Elektrode (d. h. den am meisten der Strömung ausgesetzten Teil). Anstatt ein einzelnes Hysteresediagramm für die Elektrode zu erwägen, wird das Verhalten einer beschichteten Elektrode sachgemäßer durch eine unendliche Anzahl von nahezu unabhängigen Hysteresediagrammen abgebildet.
Ein einzigartiger Vorteil der oben beschriebenen kapazitiv gekoppelten berührungslosen Elektrode ist das Fehlen von Nervenreizung. Wenn eine Metallelektrode zum Gewebeschneiden oder -verdampfen verwendet wird, gibt es eine beträchtliche Nervenreizung. Man nimmt an, dass diese Reizung durch die thermionische Verstärkung infolge Erhitzung der aktiven Elektrode durch Lichtbogenbildung entsteht. Eine dielektrische Beschichtung wie oben beschrieben verhindert die Elektronenemission und demzufolge den thermionischen Effekt. Die von Lichtbögen gezogenen Spitzenströme werden durch die Oberflächenkapazität der Beschichtung ebenfalls vermindert.
Die Beschichtung der aktiven Zone muss sowohl hohen Temperaturen als auch großen Temperaturgradienten standhalten. Keramische Materialien können dies aushalten. Es werden ähnliche Konstruktionsfaktoren benutzt, wie Sicherstellen hoher Dielektrizitätskonstanten und gerin ge Schichtdicke. Es stehen viele Materialien mit relativen Dielektrizitätskonstanten von 100 (Titandioxid) oder gar 1600 (BaTiO₃) bis zu solchen mit Spannungsfestigkeiten bis zu 50 kV/mm (Quarz, Rubin oder Aluminiumnitrid) zur Auswahl.
Es gibt viele brauchbare Produktionsverfahren wie keramische Hohlkörper mit innerer Metallisierung durch Pastenauftrag und Brennen oder Plasmaspritzen/Dampfabscheiden der Keramik auf Metallsubstrat mit Laserglättung. Die minimale von Beschichtungsverfahren erzeugte Dicke ist im Bereich 0,03 mm. Das Gebiet der Gewebebehandlung der Elektrode in 1 ist im Bereich von 10 mm². Wenn dieses mit Aluminiumoxid beschichtet wird, ist die relative Dielektrizitätskonstante 10. Die Koppelkapazität ist daher 27 pF für Aluminiumoxid oder 270 pF für Titandioxid.
Hohlkörperformen aus Keramik sind nur wirklich brauchbar mit Materialien hoher Dielektrizitätskonstante. Eine solche Form ist in 8 gezeigt. Die in 8 gezeigte Elektrodenanordnung 100 umfasst ein hohles Keramikbauteil 102 mit dünnem Querschnitt. Das keramische Nasenbauteil 102 hat eine texturierte distale Endfläche 106, welche die aktive Zone für einen verbesserten Gewebeeingriff begrenzt. Die Innenfläche der aktiven Zone 106 ist mit einer metallisierten Schicht 108 aus leitendem Metall beschichtet, die über den aktiven Anschluss 110 an einen Ausgang des (nicht gezeigten) elektrochirurgischen Generators angeschlossen ist. Bei diesem Beispiel ist die Rückführungszone 112 eine leitfähige Rückführung, deren Schaftisolierung 114 aus Kunststoff proximal zum am weitesten distalen Teil der Rückführung/des Schafts 116 endet. Alternativ kann die Rückführungszone auch mit einem (nicht gezeigten) dielektrischen Material beschichtet sein, so dass sowohl aktive als auch Rückführungszone 106 bzw. 112 vom Gewebe/der Flüssigkeitsumgebung isoliert sind, wobei dies eine Ausführungsform ist, bei der alle oben angeführten Verteile verwirklicht sein können. Um eine solche Ausführungsform bereitzustellen, müssen die Variablen der dielektrischen Impedanzen der aktiven und der Rückführungszone 106 bzw. 112 summiert werden, um die erforderliche Arbeitsfrequenz des elektrochirurgischen Generators festzulegen.
Bei der Benutzung einer Ausführungsform, bei der sowohl aktive als auch Rückführungszone durch ein dielektrisches Material isoliert sind, kann die dielektrische Beschichtung der aktiven mit Fehlern entworfen sein. Dielektrische Verluste an der aktiven Oberfläche fördern lokale Erhitzung und vermindern die zum Erreichen des Verdampfungszustands geforderte Leistung. Ein anderer Reiz dieses Verfahrens liegt darin, dass beim Erreichen der Verdampfung und Einwirken starker thermischer Belastung auf die Keramik die dielektrischen Verluste durch die Zunahme der Lastimpedanz und folgenden Stromabfall vermindert werden. BaTiO₃ ergibt ein solches verlustreiches Dielektrikum für diese Anwendung. Bei der Optimierung der Leistungsfähigkeit können andere Beeinflussungen der dielektrischen Eigenschaften vorteilhaft sein, insbesondere wenn es sich um die kombinierte dynamische Wechselwirkung von elektrochirurgischem Ausgangsmodus, Ausgangsfrequenz, auf diese Variablen bezogenen dielektrische Eigenschaften und dielektrische Temperatur handelt.
Bei normalen elektrochirurgischen Frequenzen können die klinischen Wirkungen in Gänze der Leitung zugeschrieben werden. Bei höheren Frequenzen haben jedoch dielektrische Eigenschaften der Last einen wesentlichen Einfluss. Während beispielsweise physiologische Kochsalzlösung (0,9% w/v) eine Leitfähigkeit von 15,1 mS hat, hat sie bei den interessierenden Frequenzen eine Dielektrizitätskonstante von etwa 100. Daher gibt es bei 40,68 MHz eine kapazitive Impedanz von 440 Ω/cm und eine ohmsche von 66 Ω/cm. Der kapazitive Effekt in der Salzlösung ist minimal. Der Hauptunterschied liegt jedoch im elektrischen Verhalten des Zielgewebes. Beispielsweise hat Knorpel eine schlechte Leitfähigkeit von 1,5 bis 2 mS und trotzdem eine ähnliche Dielektrizitätskonstante. Folglich sind wegen dielektrischer Effekte VHF-Ströme in Knorpel etwa doppelt so groß wie jene, die man bei den üblicherweise in der Elektrochirurgie verwendeten niedrigen Frequenzen erhält. Die Leitungseigenschaften jedes Gewebes mit hoher Impedanz werden ähnlich verdoppelt und daher die Gewebewirkungen verstärkt.
Zusammengefasst umfassen wesentliche Merkmale des oben beschriebenen Systems eine Elektrodenanordnung mit mindestens einer aktiven Zone zum Anlegen an den Zielort und eine Rückführungszone, wobei eine oder beide Zonen mit dielektrischem Material beschichtet sind und in eine leitende Flüssigkeit eintauchen, so dass der elektrochirurgische Stromkreis durch kapazitive Kopplung zwischen einer oder beiden Zonen und der zum Spülen oder Dehnen des Operationsgebiets verwendeten Flüssigkeit geschlossen wird. Die aktive Zone kann zum Verdampfen, Koagulieren, Trocknen oder thermischen Modifizieren der in die Flüssigkeit eingetauchten Körpergewebe verwendet werden.
Das zwischen aktiver und Rückführungszone der Elektrodenanordnung erzeugte elektrische Feldbild wird durch Anwendung einer Kombination der Dicke der dielektrischen Beschichtung für eine gegebene Dielektrizitätskonstante beeinflusst, wobei man ein Beschichtungsmaterial mit temperaturabhängiger Dielektrizitätskonstante und die Größe und Geometrie der Rückführungszone der Elektrodenanordnung und die Ausgangsfrequenz des elektrochirurgischen Generators auswählt.
Auf der Oberfläche der aktiven Zone der Elektrodenanordnung wird eine gleichmäßige Stromdichte bereitgestellt, um die Bildung einer partiellen Dampftasche an einem oder mehreren Abschnitten der aktiven Zone zu unterstützen und aufrechtzuerhalten, wobei die Nachbarschaft der Rückführungszone zur aktiven Zone minimalen Einfluss auf die Verteilung und Größe der zumindest auf einem Teil der aktiven Zone gebildeten Dampftasche hat und die Anfälligkeit für das Zusammenfallen der ganzen Dampftasche oder -taschen weiter minimiert wird, wenn die aktive Zone einer Flüssigkeitsströmung ausgesetzt ist.
An einer oder an beiden der aktiven und Rückführungszone der Elektrodenanordnung werden die Stromdichten vermindert, so dass die zur Erhöhung der Temperatur einer Kohlenstoffspur notwendigen Ströme nicht auftreten können. Ein weiterer Vorteil einer breiteren Verteilung der Stromdichten über die aktive und Rückführungszone ist, dass die elektrochirurgische Ausgangsleistung nur aufrechterhalten werden kann, wenn im wesentlichen die ganze Elektrodenanordnung eingetaucht ist, wodurch die bei teilweisem Eintauchen von Elektrodenstrukturen nach dem Stand der Technik angetroffene Überhitzung unterbunden wird.
Solche Eigenschaften können durch die Kombination von Instrumenten, Anwendung der festgelegten chirurgischen Verfahren und Identifizierung solcher Kombinationen verwirklicht werden, wie es zur Anwendung der Erfindung auf unterschiedliche anatomische Gegebenheiten erforderlich sein kann, um Verdampfung, Koagulation, Trocknung oder anderweitige Veränderung von Gewebestrukturen herbeizuführen.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung vorgetragen. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung genau auf die offenbarten Formen beschränken. Offensichtlich sind Veränderungen, Abweichungen und Anwendungsverfahren von den Lehren der hier angegebenen Beispiele möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt, um die Grundlagen der Erfindung in ihrer Anwendung auf unterschiedliche Gegebenheiten des Gebrauchs am besten zu erklären und dabei andere Fachleute zu befähigen, die Erfindung einschließlich der zur Ausführung weiterer Gesichtspunkte der Anwendung, die aus dieser Offenbarung in Betracht kommen, notwendigen Veränderungen am besten zu nutzen. Der Umfang der Erfindung soll durch die angefügten Ansprüche definiert werden.
Um das zulässige Änderungen der vorliegenden Anmeldung betreffende Recht zu berücksichtigen, sei bemerkt, dass, obwohl die spezielle Anordnung der folgenden Ansprüche im Hinblick auf eine Darstellung der wesentlichen und bevorzugten Merkmale der Erfindung auf logische und knappe Weise erarbeitet wurde, wir hiermit speziell alle möglichen Kombinationen der in den Ansprüchen oder der vorangehenden Beschreibung enthaltenen Einzelmerkmale als Teil des Inhalts dieser Anmeldung spezifisch einschließen, d. h. zusätzlich zu den jetzt angeführten Kombinationen.

Claims

Elektrochirurgisches Instrument zur Behandlung von Gewebe, das in eine elektrisch leitende Flüssigkeit eintaucht, mit Hochfrequenzenergie im Frequenzbereich von 100 kHz bis 50 MHz, wobei das Instrument einen länglichen Schaft umfasst, der am proximalen Ende zur Anbringung an einem Handstück gestaltet ist und am distalen Ende eine bipolare Elektrodenanordnung trägt, welche umfasst – eine aktive Elektrode (12, 62, 80, 108, 110) mit einer aktiven Zone (20, 63, 80, 106) am distalen Ende der aktiven Elektrode, und – eine Rückführungselektrode (14, 56, 88, 116) mit einer Rückführungszone (24, 58, 88, 112) nahe der aktiven Zone, – wobei zumindest die aktive Zone oder die Rückführungszone eine elektrisch isolierende dielektrische Beschichtung (22, 60, 90, 102) aufweist, so dass beim Gebrauch zwischen der aktiven und der Rückführungselektrode über die leitfähige Flüssigkeit ein Hochfrequenzstromkreis durch dielektrische Kopplung durch die dielektrische Beschichtung hindurch geschlossen wird.
Instrument nach Anspruch 1, wobei die Rückführungszone (24, 58, 88, 112) der aktiven Zone (20, 63, 80, 106) benachbart und gegen diese in proximaler Richtung zurückgesetzt ist.
Instrument nach Anspruch 1 oder 2, wobei die isolierende Beschichtung (22, 60) die Rückführungszone (24, 58) umschließt und die aktive Zone (20, 63) freiliegt.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrodenanordnung so aufgebaut ist, dass die Stromdichte an der Außenfläche der dielektrischen Beschichtung (22, 60, 90, 102) 50 mA/mm² nicht übersteigt, wenn ein elektrochirurgischer Hochfrequenzstrom bei mindestens einer Frequenz im genannten Frequenzbereich an die in physiologische Kochsalzlösung eingetauchte Anordnung abgegeben wird.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der oder jeder dielektrischen Beschichtung (22, 60, 90, 102) größer als 50 μm ist.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der oder jeder dielektrischen Beschichtung (22, 60, 90, 102) kleiner als 50 μm ist.
Instrument nach Anspruch 3, wobei die dielektrische Beschichtung (60), welche die Rückführungszone (58) bedeckt, eine erste vorgegebene Dicke hat, und wobei ein Rest der Rückführungselektrode (56) mit einer zweiten dielektrischen Beschichtung (52) beschichtet ist, die eine zweite vorgegebene Dicke größer als die erste vorgegebene Dicke hat und die kapazitive Kopplung des Rests der Rückführungselektrode an andere Instrumente oder an Gewebe in einer Körperhöhle im wesentlichen verhindern kann.
Instrument nach Anspruch 7, wobei die Rückführungszone vom Rest der Rückführungselektrode durch eine Gleichtaktdrossel (68) isoliert ist, die zwischen der Rückführungszone und dem Rest der Rückführungselektrode angeordnet ist.
Instrument nach Anspruch 7, wobei die Rückführungszone vom Rest der Rückführungselektrode durch einen Trennübertrager (70) isoliert ist, der zwischen der Rückführungszone und dem Rest der Rückführungselektrode angeordnet ist.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sowohl aktive Zone als auch Rückführungszone in entsprechende isolierende dielektrische Beschichtungen eingeschlossen sind, und wobei die die Rückführungszone einschließende dielektrische Beschichtung eine erste vorgegebene Dicke hat, und wobei ein Rest der Rückführungselektrode mit einer dritten dielektrischen Schicht aus isolierendem Material beschichtet ist, die eine zweite vorgegebene Dicke größer als die erste vorgegebene Dicke hat und die kapazitive Kopplung des Rests der Rückführungselektrode an andere Instrumente oder an Gewebe in einer Körperhöhle im wesentlichen verhindern kann.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Beschichtung die aktive Zone umschließt.
Instrument nach Anspruch 11, wobei die aktive Elektrode als lange Nadel oder langer Draht (80, 110) gestaltet ist, und wobei die isolierende Beschichtung auf der aktiven Zone hinreichend dick ist, damit die Stromdichte über der aktiven Zone begrenzt ist und die aktive Elektrode leistungswirksam arbeiten kann, wenn sie während der Verdampfung teilweise in eine Dampftasche gehüllt ist.
Instrument nach Anspruch 11 oder 12, wobei die aktive Elektrode einen keramischen Körper (102) umfaßt, der einen inneren Hohlraum begrenzt, der mit Metall (108) ausgekleidet ist, wobei der keramische Körper eine Außenfläche für den Kontakt mit Gewebe oder Flüssigkeit hat.
Instrument nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Rückführungszone mit einer isolierenden dielektrischen Außenschicht bedeckt ist, die eine Außenfläche für den Kontakt mit Flüssigkeit hat.
Elektrochirurgisches System zur Behandlung von Gewebe, eintauchend in eine elektrisch leitende Flüssigkeit, umfassend: – einen Generator zur Abgabe von Hochfrequenzausgangsleistung zur Gewebebehandlung im Frequenzbereich von 100 kHz bis 50 MHz und – ein elektrochirurgisches Instrument nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die bipolare Elektrodenanordnung an den Generator angeschlossen ist.
System nach Anspruch 15, wobei die Betriebsfrequenz des Generators und der Aufbau der Elektrodenanordnung derart sind, dass die Stromdichte an der Außenfläche der dielektrischen Beschichtung 50 mA/mm² nicht übersteigt, wenn an die in physiologische Kochsalzlösung eintauchende Elektrodenanordnung ein Hochfrequenzstrom von 2 A abgegeben wird.
System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Betriebsfrequenz des Generators und der Aufbau der Elektrodenanordnung derart sind, dass die Anwendung von Hochfrequenzleistung durch den Generator auf die Elektrodenanordnung zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung des elektrischen Feldes und zu einer entsprechenden im wesentlichen gleichmäßigen Stromdichte dieses elektrischen Feldes über die Rückführungszone (24, 58, 88, 112) führt.
System nach Anspruch 15, wobei sowohl aktive Zone als auch Rückführungszone von entsprechenden isolierenden dielektrischen Beschichtungen umschlossen sind, so dass die aktive Zone von direktem elektrischem Kontakt mit dem Gewebe und der elektrisch leitenden Flüssigkeit isoliert ist und beim Gebrauch durch die dielektrische Kopplung durch beide Beschichtungen hindurch ein Stromkreis zwischen aktiver Elektrode und Rückführungselektrode geschlossen wird.
System nach Anspruch 18, wobei die Betriebsfrequenz des Generators und der Aufbau der Elektrodenanordnung derart sind, dass es eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes über die aktive Zone und die Rückführungszone und eine entsprechende im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte dieses elektrischen Feldes gibt.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei das Material der oder jeder dielektrischen Beschichtung ein verlustarmes dielektrisches Material ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die oder jede dielektrische Beschichtung eine hinreichende Dicke hat, damit sich eine begrenzte Stromdichte über der aktiven Zone und der Rückführungszone ergibt, um einen wesentlichen Leistungsverlust durch Kohlenstoffspuren zwischen der aktiven Zone und der Rückführungszone beim Gebrauch der Elektrodenanordnung zu verhindern.