EP2164416A1 - Vorrichtung für die thermochirurgie - Google Patents

Vorrichtung für die thermochirurgie

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EP2164416A1
EP2164416A1 EP07786104A EP07786104A EP2164416A1 EP 2164416 A1 EP2164416 A1 EP 2164416A1 EP 07786104 A EP07786104 A EP 07786104A EP 07786104 A EP07786104 A EP 07786104A EP 2164416 A1 EP2164416 A1 EP 2164416A1
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EP
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tissue
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frequency spectrum
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EP07786104A
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Rüdiger STOCKERT
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Stockert GmbH
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Stockert, Rüdiger
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/04Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating
    • A61B18/12Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating by passing a current through the tissue to be heated, e.g. high-frequency current
    • A61B18/1206Generators therefor
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B2018/00636Sensing and controlling the application of energy
    • A61B2018/00773Sensed parameters
    • A61B2018/00875Resistance or impedance

Abstract

Eine Vorrichtung für die thermochirurgische Behandlung von biologischem Gewebe umfasst einen Generator (22) zur Bereitstellung von Behandlungsenergie, Messmittel (24) zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs einer von der Gewebeimpedanz des behandelten Körpers beeinflussten oder für die Gewebeimpedanz repräsentativen Messgröße sowie eine Steuereinheit (26), welche dazu eingerichtet ist, für den zeitlichen Verlauf der Messgröße ein Frequenzspektrum in einem vorbestimmten Untersuchungsfrequenzbereich zu ermitteln und die Energieabgabe des Generators (22) abhängig vom spektralen Gehalt der Messgröße in dem Untersuchungsfrequenzbereich zu steuern. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich das Entstehen von Dampfblasen in dem erwärmten Gewebe anhand des Frequenzspektrums der Gewebeimpedanz erkennen lässt, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen etwa 0,5 Hz und 200 Hz. Je nach Ausmaß der Dampfblasenbildung zeigt die Gewebeimpedanz in diesem Frequenzbereich ein unterschiedliches spektrales Bild. Diese Erkenntnis wird erfindungsgemäß zur Steuerung der Energieabgabe des Generators genutzt.

Description

Vorrichtung für die Thermochirurgie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Thermochirurgie.

Bei der Thermochirurgie wird biologisches Gewebe durch Einbringung von Behandlungsenergie erwärmt, um durch Denaturierung des behandelten Gewebes einen bestimmten therapeutischen Zweck zu erzielen. Insbesondere wird bei der Thermochirurgie eine Koagulation oder Ablation lokaler Gewebebereiche angestrebt, beispielsweise an der inneren Herzwand der Herzkammern, an den Herzkammer- ventilen, an den mit dem Herz verbundenen Venen und Arterien oder anderen blutführenden Gefäßen des menschlichen oder tierischen Körpers. Am Herz können mittels Thermochirurgie beispielsweise Arrhythmien oder Tachikardien behandelt werden. Es versteht sich, dass das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen thermochirurgischen Vorrichtung nicht auf Herzbehandlungen beschränkt ist. Prin- zipiell eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für die thermochirurgische Behandlung beliebiger Stellen am oder innerhalb des Körpers.

Für die Einbringung der Behandlungsenergie sind verschiedene Methoden bekannt, darunter die Anlegung einer hochfrequenten, in der Regel im zwei- oder dreistelli- gen kHz-Bereich schwingenden Wechselspannung über am Körper angebrachte Elektroden (man spricht dann von HF-Chirurgie) oder die Bestrahlung mit Ultraschall, Laserlicht oder Mikrowellen. Wiederum unterliegt die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell keinerlei Beschränkung hinsichtlich der Art der Wärmeerzeugung im behandelten Gewebe, sei es elektrisch oder mittels anderer Wirkmecha- nismen.

Es ist bekannt, dass sich bei der Wärmebehandlung von biologischem Gewebe mit dem Ziel von dessen Denaturierung die Gewebeimpedanz mit der Gewebetemperatur ändert. Insbesondere ist es bekannt, dass die Gewebeimpedanz bei zunehmen- der Erwärmung zunächst abnimmt, bevor sich die Impedanzabsenkung abschwächt und der Verlauf der Impedanzkennlinie flach wird, dass dann aber oftmals die Gewebeimpedanz ruckartig nach oben schnellt. Um unerwünschte Verkohlung oder Schorfbildung des Gewebes zu vermeiden, wird regelmäßig angestrebt, den Energieeintrag in das Gewebe so zu steuern, dass die Gewebeimpedanz im Bereich ihres abfallenden oder abgeflachten Kennlinienzweigs bleibt, jedoch in keinem Fall der stark ansteigende Zweig der Impedanzkennlinie erreicht wird. Hierzu ist es bekannt, die Gewebeimpedanz fortlaufend zu messen und anhand der gemessenen Impedanz die Energieabgabe eines die Behandlungsenergie bereitstellenden Generators manuell oder automatisch zu steuern. In DE 31 20 102 C2 beispielsweise wird der Differentialquotient des zeitlichen Verlaufs der Gewebeimpedanz ermittelt und die Generatorleistung zurückgefahren, wenn der Differentialquotient einen Wert nahe Null erreicht. Es hat sich freilich gezeigt, dass auch diese Methode zur Steuerung der Generatorleistung für viele Anwendungsfälle nicht hinreichend zuverlässig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für die Thermochirurgie zu schaffen, die zuverlässig unerwünschte Verkohlung oder Schorfbildung des behandelten Gewebes vermeiden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Thermochirurgie einen Generator zur Bereitstellung von Behandlungsenergie, Messmittel zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs einer von der Gewebeimpedanz des behandelten Körpers beeinflussten oder für die Gewebeimpedanz repräsentativen Messgröße sowie eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, für den zeitlichen Verlauf der Messgröße ein Frequenzspektrum in einem vorbestimmten Untersuchungsfrequenzbereich zu ermitteln und die Energieabgabe des Generators abhängig vom spektralen Gehalt der Messgröße in dem Untersuchungsfrequenzbereich zu steuern.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in biologischem Gewebe, wenn es erwärmt wird, mikroskopisch kleine Blasen entstehen, die sich in der Gewebe- impedanz durch ein charakteristisches, temperaturabhängig variierendes Spektrum niederschlagen. Durch Ermittlung und Auswertung des Frequenzspektrums der Gewebeimpedanz lässt sich so auf die aktuelle Temperatur im behandelten Gewebe schließen und abhängig davon die Generatorleistung steuern. Da vor einer Verkohlung oder Schorfbildung des Gewebes stets zunächst Blasenbildung innerhalb des Gewebes oder an den Oberflächen angelegter Elektroden festzustellen ist (menschliches oder tierisches Gewebe besteht zu einem nicht unwesentlichen Teil aus einer wässrigen salzhaltigen Lösung, wobei das darin enthaltene Wasser bei Erhitzung verdampft und in Dampfblasen übergeht), kann durch geeignete Steuerung der Generatorleistung bei Auftreten der Blasen eine unerwünscht schwere Schädigung des Gewebes sicher vermieden werden. Über das Frequenzspektrum der Gewebeimpedanz oder allgemein ausgedrückt einer von der Gewebeimpedanz beeinfluss- ten oder diese repräsentierenden Messgröße lassen sich die Blasenbildung und deren Stärke zuverlässig detektieren.

Es hat sich gezeigt, dass die bei Erhitzung des Gewebes entstehenden Blasen mehr 5 oder weniger rasch wieder verschwinden. Innerhalb weniger Sekundenbruchteile können sie wegen des Kühleffekts durch die kältere Umgebung wieder so stark abkühlen, dass sie sich auflösen. Es hat sich ferner gezeigt, dass bei zunehmendem Energieeintrag in das Gewebe und zunehmender Erwärmung des Gewebes die Größe der Dampfblasen und ihre Lebensdauer (Verweilzeit) zunehmen, gleichzeitig lo aber die Anzahl der pro Zeiteinheit entstehenden Blasen (Häufigkeit) abnimmt.

Insbesondere wurde folgender Zusammenhang beobachtet: Bei vergleichsweise geringer Temperatur entstehen viele kleine Blasen mit vergleichsweise kurzer Lebensdauer. Bei mittlerer Temperatur entstehen mäßig viele Blasen mit mittlerer i5 Größe und mittlerer Lebensdauer. Bei vergleichsweise großen Temperaturen entstehen dagegen vergleichsweise wenig Blasen mit großer Größe und langer Lebensdauer. Als Faustformel wurde dementsprechend folgendes festgestellt: Die Blasengröße und die Lebensdauer verhalten sich proportional zur Temperatur, während sich die Auftretenshäufigkeit der Blasen reziprok zur Temperatur verhält.

20 Es wurde ferner beobachtet, das die Einsatztemperatur der Blasenbildung in der Regel über 400C liegt.

Eine direkte optische oder anderweitige Registrierung dieser feinen Blasen ist mit heutigen medizintechnischen Geräten nicht oder nur schwer möglich. Man muss 5 bedenken, dass viele Eingriffe ohne Sicht auf das Operationsfeld erfolgen, beispielsweise in der geschlossenen Herzkammer oder in tiefen Hirnregionen.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass die Dampfblasen die Gewebeimpedanz beeinflussen. Konkret machen sie sich durch Schwankungen der Gewe-o beimpedanz bemerkbar. Diese Schwankungen lassen sich über eine

Spektralanalyse einer von der Gewebeimpedanz abhängigen Messgröße erfassen. In Versuchen hat sich gezeigt, dass die blasenbedingten Gewebeimpedanzänderungen typischerweise Frequenzen zwischen 80 Hz bis unter 1 Hz aufweisen. Die höheren Frequenzen wurden bei Temperaturen um die 40 bis 500C beobachtet. Da5 bei diesen vergleichsweise niedrigen Temperaturen viele kleine Blasen mit geringer Lebensdauer auftreten, haben die resultierenden Impedanzschwankungen vergleichsweise kleine Amplitude, treten aber mit vergleichsweise hoher Geschwindig- keit auf. Die niedrigen Frequenzen bis unter 1 Hz wurden dagegen vorwiegend bei vergleichsweise hohen Temperaturen zwischen 80 und 1000C beobachtet. Bei diesen Temperaturen überwiegen große Blasen mit langer Lebensdauer, die langsame, jedoch vergleichsweise starke Änderungen der Gewebeimpedanz bewirken. Insbesondere wurde festgestellt, dass die Schwankungen der Gewebeimpedanz bei den hohen Temperaturen um einen zwei- oder sogar dreistelligen Faktor größer als bei den kleinen Temperaturen sein können, beispielsweise 200 bis 500-fach so groß.

Die Steuereinheit der erfindungsgemäßen thermochirurgischen Vorrichtung nutzt die obige Erkenntnis eines Zusammenhangs zwischen der Gewebetemperatur und dem Spektrum der Gewebeimpedanz, indem sie die Energieabgabe des Generators abhängig vom spektralen Gehalt der analysierten Messgröße in einem vorgegebenen Untersuchungsfrequenzbereich steuert. Die obere Grenze des Untersuchungs- frequenzbereichs liegt vorzugsweise höchstens bei etwa 5 kHz und wenigstens bei etwa 80 Hz, vorzugsweise wenigstens bei etwa 100 Hz und höchstvorzugsweise wenigstens bei etwa 200 Hz. Die untere Grenze des Untersuchungsfrequenzbereichs liegt dagegen vorzugsweise höchstens bei etwa 2 Hz und wenigstens bei etwa 1 Hz, vorzugsweise wenigstens bei etwa 0,5 Hz und höchstvorzugsweise wenigstens bei etwa 0,1 Hz.

Es ist nicht auszuschließen, dass in dem von der Steuereinheit ausgewerteten Untersuchungsfrequenzbereich neben den blasenbedingten Spektralanteilen andere Komponenten auftreten, die auf andere Ursachen zurückzuführen sind. Insbeson- dere können den blasenbedingten Spektralanteilen Komponenten überlagert sein, die durch die Herzaktivität bedingt sind. Solche herzschlagbedingten Spektralkomponenten treten jedoch nur periodisch auf. Durch zeitperiodische Filterung (Austastung) des Messgrößensignals können die herzschlagbedingten Spektralkomponenten aus dem Frequenzspektrum der Messgröße entfernt werden.

Je nach eingesetzter Technik (z.B. Berechnung mittels diskreter Fourier-Analyse, analoge Filterbänke oder dergl.) kann das Frequenzspektrum von der Steuereinheit zeitkontinuierlich oder in regelmäßigen, hinreichend kurzen Zeitabständen neu ermittelt werden. Das jeweils aktuelle Frequenzspektrum wird dann von der Steu- ereinheit ausgewertet und - sofern notwendig - in entsprechende Steuerbefehle für den Generator umgesetzt, um dessen abgegebene Energie herauf- oder herabzusetzen. Für die Auswertung des Frequenzspektrums kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, aus dem Frequenzspektrum mindestens einen charakteristischen Spektralparameter des Frequenzspektrums der Messgröße, etwa eine charakteristische Frequenz oder eine charakteristische Amplitude, zu ermitteln. Beispielsweise kann eine charakteristische Frequenz diejenige Frequenz sein, bei der das Fre- quenzspektrum in dem Untersuchungsfrequenzbereich ein (lokales oder globales) Amplitudenmaximum hat. Eine charakteristische Amplitude kann beispielsweise die Amplitude bei einem solchen (lokalen oder globalen) Amplitudenmaximum des Spektrums sein.

Es ist aus obigen Erläuterungen zur Temperaturabhängigkeit des Blasenbildungsprozesses einsehbar, dass sich eine solchermaßen definierte charakteristische Frequenz bei ansteigender Gewebetemperatur zu kleineren Frequenzwerten hin verschieben wird, während gleichzeitig die Maximalamplitude des Frequenzspektrums zunehmend größer werden wird. Deshalb kann die Steuereinheit zweckmäßig dazu eingerichtet sein, die Generatorleistung während eines Behandlungsvorgangs in Antwort auf eine Verringerung des Werts der charakteristischen Frequenz o- der/und in Antwort auf eine Vergrößerung des Werts der charakteristischen Amplitude herabzusetzen.

Es versteht sich, dass andere Festlegungen für eine charakteristische Frequenz und eine charakteristische Amplitude oder allgemein für den mindestens einen charakteristischen Spektralparameter möglich sind. Beispielsweise könnte eine charakteristische Frequenz als Mittenfrequenz eines definierten Frequenzbereichs des ermittelten Frequenzspektrums festgelegt sein, etwa eines Frequenzbereichs, in welchem das Frequenzspektrum über einer vorgegebenen Amplitudenschwelle liegt. Eine charakteristische Amplitude könnte beispielsweise als ein Amplitudenmittelwert festgelegt sein, der durch gewichtete oder ungewichtete Mittelung der spektralen Amplitude in einem definierten Frequenzbereich des ermittelten Frequenzspektrums gewonnen wird.

Es ist auch vorstellbar, mehrere unterschiedlich definierte charakteristische Frequenzen oder/und mehrere unterschiedlich definierte charakteristische Amplituden aus dem Frequenzspektrum der Messgröße zu ermitteln und die Steuerung der Energieabgabe des Generators auf Basis jeder der charakteristischen Frequenzen bzw. jeder der charakteristischen Amplituden vorzunehmen. Zweckmäßigerweise sollte der mindestens eine charakteristische Spektralparameter solchermaßen definiert sein, dass er (bzw. sie, sofern mehrere charakteristische Spektralparameter definiert sind) ein temperaturabhängig veränderliches Muster zeigt, das ein Maß für die Gewebetemperatur ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einer Mehrzahl von Eingangsparametern, von denen zumindest ein Teil charakteristisch für das ermittelte Frequenzspektrum ist, einen für die Gewebetemperatur repräsentativen Hilfsparameter herzuleiten und die Energieabgabe des Generators abhängig vom Wert des Hilfsparameters zu steuern. Dabei kann die Steuereinheit für die Herleitung des Hilfsparameters zweckmäßigerweise auf ge- speicherte Informationen über einen vorab ermittelten Zusammenhang zwischen den Eingangsparametern und der Gewebetemperatur zugreifen. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise vorab auf empirischem Weg durch Experiment gewonnen werden. Die gespeicherten Informationen können den Zusammenhang beispielsweise funktional in Form eines Algorithmus ausdrücken. Sie können ihn auch in Form einer Tabelle oder eines Satzes von Tabellen ausdrücken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Eingangsparameter sowohl eine charakteristische Frequenz als auch eine charakteristische Amplitude des ermittelten Frequenzspektrums.

Für die Energieabgabe des Generators ist eine wenigstens zeitabschnittsweise kontinuierliche Regelung vorstellbar, bei der die Steuereinheit die Energieabgabe des Generators auf einen vorbestimmten oder vorbestimmbaren Sollwert oder ein Sollwertprofil des Hilfsparameters einregelt.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, abhängig vom Durchstoßen mindestens einer vorbestimmten Schwelle des Hilfsparameters die Energieabgabe des Generators insbesondere stufenartig zu ändern. Beispielsweise kann es sein, dass die Steuereinheit den Generator zumindest vorübergehend abschaltet, wenn eine durch eine entsprechende Schwelle indizierte Grenztemperatur des Gewebes überschritten wird.

Es hat sich gezeigt, dass das Frequenzspektrum der Messgröße von weiteren Einflussfaktoren neben der Gewebetemperatur abhängen kann. Die Eingangsparameter, aus denen die Steuereinheit den Hilfsparameter ermittelt, können daher neben dem mindestens einen charakteristischen Spektralparameter des ermittelten Frequenzspektrums zusätzlich einen oder mehrere weitere Parameter umfassen, die für die oben angesprochenen weiteren Einflussfaktoren repräsentativ sind und nicht aus dem ermittelten Spektrum hergeleitet sind. Einer der Einflussfaktoren kann insbesondere der Luftdruck sein.

Es hat sich gezeigt, dass der herrschende Luftdruck einen erheblichen Einfluss auf die Blasenbildung und damit auf das Impedanzspektrum haben kann. Es ist bekannt, dass sich der Partialdruck der Dampfblasen im biologischen Gewebe (z.B. Herzkammer oder Blutgefäße) mit dem Außendruck (Luftdruck) verändert. Ein hoher Außendruck verschiebt die Temperaturschwelle, ab welcher die Blasenbildung einsetzt, nach oben. Ein geringerer Außendruck lässt dagegen die Dampfbla- senbildung bereits bei wesentlich geringeren Temperaturen zu. Zur präziseren Bestimmung der Gewebetemperatur und dadurch der Größe und Tiefe des erhitzten Gewebebereichs hat es sich deshalb als zweckmäßig erwiesen, den Luftdruck bei der Steuerung der Energieabgabe des Generators zu berücksichtigen. Beispielsweise kann hierzu die Steuereinheit von einem Drucksensor ein für den ge- messenen Luftdruck repräsentatives Sensorsignal erhalten. Es ist auch vorstellbar, dass der Benutzer an der Vorrichtung manuell einen Luftdruckwert einstellen kann und die Steuereinheit den vom Benutzer vorgegebenen Luftdruckwert heranzieht.

Die Berücksichtigung derjenigen Eingangsparameter, welche die Steuereinheit nicht aus dem ermittelten Frequenzspektrum herleitet, sondern in anderer Weise erhält (durch sensorische Messung, Benutzervorgabe), bei der Generatorsteuerung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass die Steuereinheit aus dem mindestens einen spektrenbezogenen Eingangsparameter zunächst einen vorläufigen Wert für den Hilfsparameter ermittelt und diesen vorläufigen Wert sodann mittels eines oder mehrerer Korrekturfaktoren multiplikativ oder additiv korrigiert, um so zu einem endgültigen Wert für den Hilfsparameter zu gelangen. Den Wert des jeweiligen Korrekturfaktors kann die Steuereinheit beispielsweise aus einer vorab ermittelten und gespeicherten Korrekturtabelle entnehmen. Eine solche Korrekturtabelle ist als Teil der oben erwähnten Informationen über den Zusammenhang zwischen den Eingangsparametern und der Gewebetemperatur zu verstehen.

Korrekturfaktoren können beispielsweise auch für Einflussfaktoren wie den Gewebetyp oder wie die Lage oder/und den Typ einer Elektrode vorgesehen sein, über welche ein für die Ermittlung der Messgröße herangezogenes elektrisches Signal am Körper abgegriffen wird. So hat es sich beispielsweise gezeigt, dass sich die Dampfblasen in stark durchblutetem Gewebe anders verhalten können als in vergleichsweise harten Gewebeschichten. Ferner hat es sich gezeigt, dass sich an Haut- oder Oberflächenelektroden andere Messwerte ergeben können als an passiven Messelektroden für elektrophysiologische Signale oder an aktiven Hochfrequenzelektroden, mit denen bei der HF-Chirurgie eine elektrische Wechselspannung an das Gewebe angelegt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, das ermittelte Frequenzspektrum oder wenigstens eine hieraus abgeleitete Größe auf einer Anzeigeeinheit zur sichtbaren Darstellung zu bringen. Dies erlaubt dem Operateur eine eigenhändige Überprüfung des Behandlungsab- laufs und ggf. eine Anpassung der abgegebenen Generatorleistung über geeignete Bedienungselemente an der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Erfindung wird im Anschluss anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 einen beispielhaften, rein qualitativ zu verstehenden zeitlichen Verlauf eines Spannungsmesssignals, in dem sich Schwankungen zeigen, die auf die Bildung von Dampfblasen im Gewebe während einer thermochirurgischen Anwendung zurückzuführen sind,

Figur 2 schematisch und wiederum rein qualitativ das sich ändernde Frequenzspektrum der Gewebeimpedanz bei zunehmender Erhitzung des Gewebes,

Figur 3 schematisch ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfin- dungsgemäßen thermochirurgischen Vorrichtung und

Figur 4 Komponenten eines Messverstärkers der Vorrichtung der Figur 3.

Figur 1 zeigt ein typisches elektrophysiologisches Spannungssignal, wie es an ei- nem lebenden Körper abgegriffen werden kann. Beispielsweise kann das Spannungssignal am Anwendungsteil eines Herzkatheters, an internen Ableitungselektroden eines solchen Herzkatheters, an außen am Körper angebrachten EKG-Elektroden oder Referenzelektroden oder an einer Gegenelektrode abgegriffen werden. Das Diagramm der Figur 1 verdeutlicht die Schwankungen der Spannungsamplitude, die im Verlauf der thermochirurgischen Behandlung des Körpers bedingt durch Dampfblasenbildung im Gewebe und damit einhergehend durch eine Änderung der Gewebeimpedanz beobachtbar sind. Es ist nochmals zu beto- nen, dass die Darstellung in Figur 1 rein qualitativ zu verstehen ist; insbesondere sind aus dem dargestellten Verhältnis der Stärke der blasenbedingten Spannungsschwankungen zum Grundpegel des Spannungssignals keine Rückschlüsse auf die tatsächlichen Verhältnisse herzuleiten. In der Praxis können die blasenbedingten Spannungsschwankungen klein im Vergleich zum Grundpegel des Spannungsmesssignals sein.

Durch Pfeile sind im Diagramm der Figur 1 insgesamt fünf verschiedene Phasen kenntlich gemacht, die mit unterschiedlichen Graden der Erwärmung des Gewebes und damit der Dampfblasenbildung einhergehen. Die Phase 1 kennzeichnet den Beginn des Energieeintrags in das Gewebe; im Spannungsmesssignal sind noch keine Ausschläge erkennbar. Bereits bei geringer Erwärmung des Gewebes setzt jedoch schon die Dampfblasenbildung ein. Sie macht sich im Spannungsmesssignal durch vergleichsweise schwache Spannungsschwankungen bemerkbar. Die Schwankungen treten relativ rasch auf, d.h. sie haben eine relativ hohe Frequenz. Es ist dies die Phase 2 im Diagram der Figur 1.

Bei weiterer Zunahme der Gewebetemperatur werden die Spannungsschwankungen ständig größer. Gleichzeitig nimmt die Schnelle dieser Artefakte ab. Im Fre- quenzspektrum macht sich dies durch entsprechend niedrigere Frequenzen mit gleichzeitig höherer spektraler Amplitude bemerkbar. Die Phasen 3 und 4 im Diagramm der Figur 1 verdeutlichen diese Zunahme der Schwankungsstärke bei gleichzeitig abnehmender Frequenz der Spannungsänderungen.

Bei starker Erhitzung des Gewebes sind die auftretenden Spannungsschwankungen noch größer. Die Amplitude dieser Spannungsschwankungen erreicht ihr Maximum. Gleichzeitig sinkt die Frequenz der Spannungsschwankungen stark ab.

Figur 2 verdeutlicht wiederum rein qualitativ das zugehörige Spektrum des Span- nungssignals in dem für die Dampfblasenbildung relevanten Frequenzbereich. Dieser Frequenzbereich reicht beispielsweise von 0,5 Hz bis etwa 200 Hz, wenngleich die obere und die untere Grenze des untersuchten Frequenzbereichs selbstverständlich im konkreten Anwendungsfall anders gewählt werden können. Das Spektrum der durch die Dampfblasenbildung bewirkten Änderungen der Gewebeimpedanz und damit der Spannungsschwankungen des Messsignals bei geringer Erwärmung des Gewebes ist in Figur 2 mit Si bezeichnet, während das Spektrum bei starker Erwärmung mit S2 bezeichnet ist und im Unterschied zu dem Spektrum bei geringer Erwärmung nur gestrichelt angedeutet ist.

Die in Figur 2 eingezeichneten spektralen Hüllkurven sind selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen; im konkreten Anwendungsfall können die Spektren eine andere Form zeigen. Wichtig ist lediglich die Tatsache, dass mit zunehmender Erwärmung eine Verschiebung des Spektrums zu niedrigeren Frequenzen hin stattfindet, während gleichzeitig die spektrale Amplitude größer wird. Dargestellt ist dieses Verhalten in Figur 2 durch einen in Richtung zu kleineren Frequenzen und zu größeren Spektralamplituden weisenden Verschiebungspfeil P.

Die temperaturabhängige Verschiebung des Gewebeimpedanzspektrums wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um den Energieeintrag in das Gewebe zu steuern. Insbesondere kann die Generatorleistung zurückgefahren werden, bevor das Spektrum zu weit zu kleinen Frequenzen hin wandert, um auf diese Weise Verbrennungen und Schorfbildung des Gewebes zu vermeiden.

Es hat sich gezeigt, dass sich für die Kennzeichnung des spektralen Gehalts des Gewebeimpedanzspektrums zwei bestimmte spektrale Parameter besonders eig- nen, nämlich die Frequenz stärkster Amplitude (gekennzeichnet in Figur 2 mit f0) sowie die maximale Spektralamplitude (gekennzeichnet durch A0). Es ist aus vorstehenden Erläuterungen ohne weiteres einsehbar, dass sich diese beiden Parameter mit zunehmender Erwärmung des Gewebes verändern: während der Wert der "Frequenz fo~abnimmt, wird der Werteter Amplitude A0 größer Bei ergebenen Randbedingungen ist das Wertepaar (f0/ A0) ein zuverlässiger Indikator für die aktuelle Gewebetemperatur. Den entsprechenden Zusammenhang zwischen diesen spektralen Parametern und der Gewebetemperatur kann man beispielsweise experimentell ermitteln und in Kennlinienform oder in Form eines funktionalen Ausdrucks festhalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass es generell nicht ausgeschlossen ist, allein den Spektra I parameter f0 oder allein den Spektralparameter Ao (gegebenenfalls in Verbindung mit weiteren, vom Spektrum der Gewebeimpedanz unabhängigen Einflussparametern) bei der Steuerung des Energieeintrags in das Gewebe zu verwenden. Denn auch jeder der genannten Spektra I parameter allein zeigt ein von der Gewebetemperatur abhängiges, charakteristisches Verhalten.

Bei dem in Figur 3 veranschaulichten Blockschaltbild ist ein biologisches Gewebe 20 angedeutet, in welches ein im Detail nicht näher dargestelltes Koagulierungs- bzw. Ablationsinstrument eingeführt ist. Über das Instrument und eine an dem Instrument vorgesehene Elektrodenanordnung wird von einem Hochfrequenz-Generator 22 eine elektrische Wechselspannung an das Gewebe 20 angelegt. Typischerweise liegt die Frequenz der für die Gewebebehandlung eingesetzten Wechselspannung im dreistelligen kHz-Bereich bis hin in den einstelligen MHz-Bereich. Beispielsweise beträgt sie etwa 200 kHz oder etwa 500 kHz. Bei bipolaren Instrumenten liegt die Behandlungswechselspannung zwischen zwei an der eingeführten Instrumentenspitze angebrachten Elektroden an; bei monopolaren Instrumenten befindet sich an der Instrumentenspitze nur die Anwendungselektrode, die Gegenelektrode befindet sich außen an der Oberfläche des behandelten Körpers. Die Erfindung ist generell unabhängig vom Typ des verwendeten Instruments und auch von der Art der eingebrachten Behandlungsenergie, sei es elektrische Energie, elektromagnetische Energie, optische Energie oder akustische Energie.

Zur Erfassung der Dampfblasenbildung, die in Folge der zunehmenden Erwärmung des behandelten Gewebes auftritt, dienen Messaufnehmer 24, die jeweils über eine innen- oder außenseitig am Körper angebrachte Elektrode eine elektrische Messspannung abgreifen, diese bandpassfiltern und verstärken und das so gewonnene Messsignal an eine elektronische Steuereinheit 26 liefern. Im Beispielfall der Figur 2 sind insgesamt vier Messaufnehmer 24 gezeigt. Dabei ist vorzugsweise zumindest an jede der aktiven HF-Elektroden, über welche die Behandlungswechselspannung des Generators 22 in das Gewebe 20 eingespeist wird (Anwendungselektrode sowie indifferente bzw. neutrale Elektrode), je ein Messaufnehmer 24 angeschlossen; diese sind in der Regel die primären Orte der Hitzeentstehung. Die Anzahl der Messaufnehmer 24 ist freilich jederzeit variabel. Es kann genügen, nur eine einzige Messspannung am Körper abzugreifen. In vielen Anwendungsfällen wird es jedoch zweckmäßig sein, an verschiedenen Stellen des Körpers (innen oder/und außen) Messspannungen abzugreifen, um so mögliche lokale Überhitzungen des Gewebes in unterschiedlichen Bereichen des Körpers detektieren zu können. In diesem Zu- sammenhang ist darauf hinzuweisen, dass Außenelektroden, die nicht ordnungsgemäß angebracht sind, zu lokal erhöhten Stromdichten und im schlimmsten Fall zu unerwünschten Verbrennungen führen können. Solchen unerwünschten Überhitzungen des Gewebes kann ebenfalls mit der erfindungsgemäßen thermochirurgi- schen Vorrichtung vorgebeugt werden, indem die Generatorleistung schon bei Auftreten geringer Blasenbildung heruntergefahren wird. Gemäß Figur 4 weist jeder der Messaufnehmer 24 als funktionale Komponenten ein Tiefpassfilter 28, ein Hochpassfilter 30 sowie ein anschließendes Verstärkungsmodul 32 auf. Die beiden Filter 28, 30 bewirken zusammen eine Bandpassfilterung des Messsignals, wobei der Durchlassbereich beispielsweise zwischen etwa 0,5 Hz und etwa 200 Hz liegt. In diesem Bereich tritt nach bisherigem Kenntnisstand der relevante Teil der mit der Dampfbildung einhergehenden Spektralanteile auf.

Die Steuereinheit 26 ermittelt sodann für jedes der bandpassgefilterten und verstärkten Messsignale ein Frequenzspektrum, beispielsweise durch Fourier-Analyse oder andere geeignete spektrale Untersuchungsmethoden. Für jedes so ermittelte Frequenzspektrum ermittelt sie die aktuellen Werte der Spektralparameter f0 und Ao und ermittelt abhängig hiervon einen Hilfsparameter, welcher ein Maß für die Stärke der in das betreffende Messsignal eingeflossenen Dampfblasenbildung und damit ein Maß für die Gewebetemperatur im Bereich derjenigen Stelle ist, wo das betreffende Messsignal am Körper abgegriffen wurde. Zur Ermittlung des Hilfspa- rameters kann die Steuereinheit 26 auf weitere Eingangsparameter zurückgreifen, insbesondere auf einen von einem Drucksensor 34 gelieferten aktuellen Wert des Luftdrucks. Ein mit der Steuereinheit 26 verbundener Speicher 36 enthält in tabellarischer oder algorithmischer Form gespeicherte Informationen über den Zusam- menhang zwischen dem Hilfsparameter und sämtlichen Eingangsparametern einschließlich der Spektralparameter fo, Ao und des Luftdrucks. Abhängig von dem so ermittelten Hilfsparameter steuert die Steuereinheit 26 dann nach Maßgabe eines Steuerprogramms die abgegebene Leistung des Generators 22. Beispielsweise kann hierzu in dem Speicher 36 ein für die jeweilige Behandlung geeignetes Sollwertprofil des Hilfsparameters abgelegt sein, auf welches die Steuereinheit 26 durch Leistungsregelung des Generators 22 den Hilfsparameter einregelt. Alternativ oder zusätzlich können in dem Speicher 36 eine oder mehrere Schwellen gespeichert sein, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten die Steuereinheit 26 die Generatorleistung stufenartig verändert. Es versteht sich, dass die konkrete Steu- ermethode von der Art der jeweiligen Behandlung abhängen kann.

Alternativ oder zusätzlich zur oben skizzierten automatischen Leistungssteuerung des Generators 22 kann die thermochirurgische Vorrichtung einer manuellen Generatorsteuerung offen stehen. Hierzu kann an die Steuereinheit 26 eine Anzeigeein- heit 38 angeschlossen sein, auf welcher die Steuereinheit 26 eine graphische oder zahlenmäßige Anzeige des ermittelten Frequenzspektrums oder zumindest der charakteristischen Spektralparameter des Spektrums bewirken kann. Vorstellbar ist auch, dass die Steuereinheit 26 auf der Anzeigeeinheit 38 die Anzeige eines aus dem ermittelten Frequenzspektrum und gegebenenfalls weiteren Eingangsparametern hergeleiteten Temperaturmaßes bewirken kann, welches für die geschätzte Gewebetemperatur repräsentativ ist. Basierend auf den durch die Anzeigeeinheit

5 38 angezeigten Informationen kann dann der Benutzer eigenhändig die Leistung des Generators 22 über geeignete Bedienelemente (nicht näher dargestellt) anpassen. Eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen thermochirurgischen Vorrichtung (also mit Anzeige geeigneter Informationen auf der Anzeigeeinheit 38 zur Ermöglichung einer manuellen Leistungsregelung des Generators statt einer auto- lo matischen Leistungsregelung) wird hier ausdrücklich als möglicher Gegenstand eines noch zu formulierenden Schutzbegehrens vorbehalten.

Die thermochirurgische Vorrichtung der Figur 3 kann zusätzlich eine Konstantspan- nungs- oder Konstantstromquelle (nicht dargestellt) enthalten, welche eine stabili- i5 sierte Gleichspannung bzw. einen stabilisierten Gleichstrom bereitstellt. Diese Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom wird in das Gewebe 20 eingespeist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei einer eventuellen Subtraktion aller elektrochemischen Spannungen des Körpers dennoch ein ausreichender Spannungshub für die dampfblasenbedingten Spannungsschwankungen möglich ist.

2o Zweckmäßigerweise ist diese externe Spannungs- oder Stromzufuhr solchermaßen, dass sie keine elektrophysiologischen Auswirkungen auf das biologische Gewebe hat.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann die thermochirurgische Vorrich- 25 tung eine Wechselstromquelle (ebenfalls nicht dargestellt) enthalten, welche einen konstanten Wechselstrom bereitstellt, dessen Frequenz von der Frequenz der Behandlungswechselspannung des Generators 22 verschieden ist. Dieser Wechselstrom wird in das Gewebe 20 eingespeist. Am Körper lässt sich dann eine Wechselspannung abgreifen, deren Amplitude entsprechend den blasenbedingten o Änderungen der Gewebeimpedanz moduliert ist. Durch Hüllkurvendemodulation der so abgegriffenen Wechselspannung kann ein für die Gewebeimpedanz repräsentatives Messsignal erhalten werden, das anschließend in der oben beschriebenen Weise einer Spektralanalyse unterzogen werden kann. 5 Generell kann die Frequenz dieses zusätzlichen, für Impedanzmesszwecke in das Gewebe eingespeisten "Mess-Wechselstroms" in einem weiten Bereich wählbar sein, solange sie hinreichend verschieden von der Frequenz der Behandlungswech- selspannung des Generators 22 ist, damit die Spannungsantwort des Körpers auf die Anregung durch den Mess-Wechselstrom von der Behandlungswechselspannung diskriminiert werden kann. So kann die Frequenz des Mess-Wechselstroms beispielsweise in einem Bereich gewählt werden, der von etwa 5 kHz bis hin zu etwa 10MHz reicht. Als typische Frequenzen des Mess-Wechselstroms können beispielsweise 50 kHz oder 100 kHz genannt werden. Die Frequenz des Mess- Wechselstroms kann kleiner oder größer als die Frequenz der Behandlungswechselspannung sein.

Als weitere mögliche Messgröße, die durch die Gewebeimpedanz beeinflusst ist, kann die Phasenverschiebung zwischen dem eingespeisten Mess-Wechselstrom und der abgegriffenen Wechselspannungsantwort herangezogen werden. Je nach Wert der Gewebeimpedanz ändert sich die Phasenlage der beiden Schwingungen zueinander. Diese kann von der Steuereinheit 26 ermittelt und ebenfalls spektral ausge- wertet werden.

Gemäß einer weiteren Variante könnte die Gewebeimpedanz unmittelbar aus den Größen Spannung und Strom der vom Generator 22 abgegebenen HF-Energie ermittelt werden (z.B. Verhältnis der Effektivwerte, relative Phasenlage). In diesem Fall kann auf einen gesonderten Mess-Wechselstrom verzichtet werden, was sich günstig auf die Kosten der thermochirurgischen Vorrichtung auswirkt.

Claims

Anspr[upsilon]che
1. Vorrichtung für die Thermochirurgie, umfassend 5 - einen Generator (22) zur Bereitstellung von Behandlungsenergie,
- Messmittel (24) zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs einer von der Gewebeimpedanz des behandelten Körpers beeinflussten oder für die Gewebeimpedanz repräsentativen Messgrösse sowie
- eine Steuereinheit (26), welche dazu eingerichtet ist, für den zeitlichen Verlauf lo der Messgrösse ein Frequenzspektrum in einem vorbestimmten Untersuchungsfrequenzbereich zu ermitteln und die Energieabgabe des Generators (22) abhängig vom spektralen Gehalt der Messgrösse in dem Untersuchungsfrequenzbereich zu steuern.
i5 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze des Untersuchungsfrequenzbereichs höchstens bei etwa 5 kHz und wenigstens bei etwa 80 Hz, vorzugsweise wenigstens bei etwa 100 Hz und höchstvorzugsweise wenigstens bei etwa 200 Hz liegt.
20
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Grenze des Untersuchungsfrequenzbereichs höchstens bei etwa 2 Hz und wenigstens bei etwa 1 Hz, vorzugsweise wenigstens bei etwa 0,5 Hz und höchstvorzugsweise wenigstens bei etwa 0,1 Hz liegt.
25
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, aus dem ermittelten Frequenzspektrum mindestens einen charakteristischen Spektralparameter zu ermitteln und die Energieabgabe des Generators (22) abhängig vom Wert 0 des Spektralparameters zu steuern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein charakteristischer Spektralparameter eine charakteristische Frequenz des Frequenzspektrums angibt, insbesondere eine Fre5 quenz, bei der das Frequenzspektrum ein Amplitudenmaximum besitzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, die abgegebene Generatorleistung während eines Behandlungsvorgangs in Antwort auf eine Verringerung des Werts der charakteristischen Frequenz herabzusetzen.
5
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein charakteristischer Spektralparameter eine charakteristische Amplitude des Frequenzspektrums angibt, insbesondere eine maximale Amplitude des Frequenzspektrums. 0
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, die abgegebene Generatorleistung während eines Behandlungsvorgangs in Antwort auf eine Vergrösserung des Werts der charakteristischen Amplitude herabzusetzen.5
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Mehrzahl von Eingangsparametern, von denen zumindest ein Teil charakteristisch für das ermittelte Frequenzspektrum ist, einen für die Gewebetem-0 peratur repräsentativen Hilfsparameter herzuleiten und die Energieabgabe des Generators (22) abhängig vom Wert des Hilfsparameters zu steuern.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, für die5 Herleitung des Hilfsparameters auf gespeicherte Informationen über einen vorab ermittelten Zusammenhang zwischen den Eingangsparametern und der Gewebetemperatur zuzugreifen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, o dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, die
Energieabgabe des Generators (22) abhängig von einem vorbestimmten oder vorbestimmbaren Sollwert oder Sollwertprofil des Hilfsparameters zu regeln.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, abhängig vom Durchstossen mindestens einer vorbestimmten Schwelle des Hilfsparameters die Energieabgabe des Generators (22) insbesondere stufenartig zu ändern.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Eingangsparameter für den Luftdruck repräsentativ ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, das ermittelte Frequenzspektrum oder wenigstens eine hieraus abgeleitete Grösse auf einer Anzeigeeinheit (38) zur sichtbaren Darstellung zu bringen.
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