ES2308938B1 - "circuito para dispositivos de radiofrecuencia aplicables a los tejidos vivos y dispositivo que lo contiene". - Google Patents
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Abstract
Circuito para dispositivos de radiofrecuencia
aplicables a los tejidos vivos y dispositivo que lo contiene.
El circuito de alimentación de los electrodos
comprende un filtro resonante en serie y un filtro resonante en
paralelo, sintonizados para dejar pasar la señal fundamental de la
señal de entrada y que simultáneamente atenúan de forma exponencial
el resto de armónicos al aumentar la frecuencia de éstos, de manera
que de la señal de entrada con armónicos sólo pase a la salida la
señal fundamental sin atenuación, mientras que los armónicos que
provocan interferencias queden atenuados de modo creciente al
aumentar su frecuencia.
Description
Circuito para dispositivos de radiofrecuencia
aplicables a los tejidos vivos y dispositivo que lo contiene.
La presente invención está destinada a dar a
conocer un nuevo circuito para dispositivos de radiofrecuencia
aplicables a los tejidos vivos, que abarca también los dispositivos
de diatermia por corrientes conducidas en sus distintas versiones y
los electrobisturís que incorporan el circuito objeto de la propia
invención, y que presenta notables características de novedad y de
actividad inventiva y que permite conseguir notables ventajas sobre
lo actualmente
conocido.
conocido.
En particular, el circuito para dispositivos de
diatermia por conducción y para electrobisturís objeto de la
presente invención permite atenuar los armónicos de una señal no
sinusoidal, permitiendo obtener una señal sinusoidal a la salida de
un amplificador de alto rendimiento con objeto de cumplir la
normativa de compatibilidad electromagnética (EMC) obligatoria,
prácticamente, en todos los países del mundo.
Como es sabido la EMC es la propiedad de un
aparato electrónico de no interferir ni ser interferido por otros
aparatos electrónicos, funcionando todos ellos correctamente.
La diatermia es el empleo de corrientes
eléctricas especiales para elevar la temperatura de tejidos vivos
con fines terapéuticos. A veces se le denomina hipertermia, sobre
todo en el sector médico.
Los equipos de diatermia por corrientes
conducidas son muy eficaces en el campo de electromedicina y en el
de la electroestética en múltiples aplicaciones. A los
electrobisturís a veces también se les denomina aparatos de
diatermia.
Es conveniente que los equipos de diatermia y
los electrobisturís trabajen con amplificadores de alto rendimiento
(eficientes desde el punto de vista de consumo eléctrico), pero en
este caso suelen emitir muchas señales electromagnéticas debido
fundamentalmente a elementos parásitos que interfieren con otros
equipos electrónicos.
Estos equipos de diatermia por conducción y los
electrobisturís suelen funcionar con señales sinusoidales como la
de la figura 1. La figura 2 muestra el espectro de frecuencia de la
señal de la figura 1 utilizando la transformada de Fourier que es
otra forma de representar la señal en el dominio de la frecuencia,
en el eje de abscisas se representa la frecuencia y en el eje de
ordenadas se representa la amplitud de la señal.
El aumento de temperatura del tejido vivo
mediante diatermia se consigue transmitiendo energía al mismo a
través de dos métodos: por corrientes inducidas (electrodos sin
contacto con el tejido) o por corrientes conducidas (electrodos en
contacto con el tejido).
En general, la frecuencia de la señal aplicada
en el método de acoplamiento sin contacto ha de ser muy superior a
la frecuencia de la señal aplicada en el método de acoplamiento con
contacto.
En la diatermia por conducción se aplican dos
electrodos en contacto con el tejido vivo de forma que se produce
una circulación de corriente entre los dos electrodos que atraviesa
el tejido que encuentra a su paso. La corriente que circula a
través del tejido provoca la elevación de la temperatura por el
efecto Joule, debido a la resistencia eléctrica del propio
tejido.
En equipos de diatermia por conducción el
acoplamiento de los electrodos es por contacto. Existen dos métodos
de aplicación: el denominado método capacitivo y el método
resistivo.
En diatermia por conducción los electrodos
normalmente son asimétricos, en este caso, y debido a la densidad
de la corriente, el mayor aumento de la temperatura se produce en
los tejidos más próximos al electrodo activo (el de menor tamaño).
En el método capacitivo los dos electrodos son metálicos, pero uno
de ellos tiene una capa aislante. En el método resistivo los dos
electrodos son metálicos sin aislar.
En los equipos de electrocirugía, tales como los
electrobisturís, la densidad de corriente es tan elevada en el
punto de contacto del electrodo activo con el tejido, que se produce
corte, coagulación o fulguración de éste.
Para este tipo de equipos el cumplimiento de la
normativa de EMC que se ha citado anteriormente es muy difícil. De
hecho en la norma IEC 60601-2-2, que
han de cumplir los electrobisturís, se explica que las pruebas de
EMC se han de realizar con el equipo conectado, pero con la
potencia de salida a cero, porque en su momento, se comprobó
que era muy difícil cumplir con las normas de EMC cuando el
electrobisturí se aplica en la función de corte, fulguración o
coagulación, y porque el tiempo de uso del equipo durante la
intervención quirúrgica es relativamente corto y el beneficio para
el paciente es muy elevado.
\newpage
Los equipos de diatermia por conducción
funcionan de forma parecida a un electrobisturí, pero con un
electrodo activo mucho mayor, de forma que la densidad de corriente
J en el área de contacto con el tejido es mucho menor,
aunque la corriente I que circula por el tejido (de hasta 3 A
de valor eficaz R.M.S.), la tensión de salida V (de hasta
800 V de valor eficaz R.M.S.) y la frecuencia de la
señal(entre 0,4 MHz a 3 MHz), son aproximadamente del mismo
orden de magnitud. Desde el punto de vista de EMC, estas tensiones,
corrientes y frecuencias son relativamente elevadas, y hacen muy
difícil poder cumplir con la normativa de EMC en los diferentes
países. Como no existe una normativa específica para este tipo de
equipos, tal y como sucede con el electrobisturí, los equipos de
diatermia por conducción han de cumplir la normativa general de EMC
para equipos médicos EN 60601-1-2
en Europa. Ésta indica que la EMC se ha de medir con el equipo en la
peor condición posible, esto es, a máxima potencia de
salida, a diferencia de los electrobisturís que se ha de medir
con la potencia a cero, que es una situación mucho más
sencilla para cumplir con los requisitos de la EMC.
Cualquier señal no sinusoidal pura y periódica
se puede descomponer en múltiples señales sinusoidales denominadas
armónicos (de diferente frecuencia, amplitud y fase), los cuales se
pueden calcular a partir de la transformada de Fourier de la señal
periódica.
Un método para minimizar interferencias
electromagnéticas consiste en que la señal a la que trabaje el
amplificador sea sinusoidal pura, por ejemplo un amplificador en
clase A, pero en este caso el rendimiento teórico máximo es del 50%
con la consiguiente pérdida de energía y el calentamiento del
equipo.
Algunos amplificadores de alto rendimiento, como
por ejemplo los de clase C, D, E o F, pueden llegar a rendimientos
teóricos de hasta el 100%. Estos amplificadores se basan en generar
una señal idealmente cuadrada (que puede ser trapezoidal o
cuasi-trapezoidal) o de pulsos, y filtrar la señal
fundamental intentando atenuar al máximo los armónicos no deseados,
normalmente con un filtro LC de segundo orden, ya sea serie o
paralelo, pero en el estado de la técnica no se ha descrito ningún
filtro como el que se describe en esta patente para este tipo de
amplificadores.
En realidad, el rendimiento de estos
amplificadores es menor al teórico debido a las pérdidas en los
componentes y/o a la no adaptación de impedancias.
En la figura 3 se puede ver una señal cuadrada.
En la figura 4 se puede ver que el espectro de frecuencia de esta
señal cuadrada contiene muchas otras señales a frecuencias
superiores (armónicos). Estas señales son indeseadas porque se
pueden acoplar al cable de red o porque se pueden emitir en forma de
radiación a través de cables del paciente, pudiendo provocar más
fácilmente interferencias electromagnéticas en otros equipos.
El objetivo de la presente invención consiste en
dar a conocer un circuito que permite a los equipos de diatermia
cumplir más fácilmente con los requisitos de EMC de los diferente
países, especialmente en las pruebas de emisión radiada y
conducida.
El circuito se puede utilizar tanto en equipos
de electrocirugía como son los electrobisturís, como en equipos de
diatermia por conducción.
El objetivo de la presente invención es atenuar
al máximo las señales no deseadas, con el objeto de que el equipo
no interfiera a otros equipos electrónicos cuando se utiliza como
fuente principal de la señal un generador de señal cuadrada,
trapezoidal, de pulsos o cualquiera que contenga armónicos.
El circuito está formado por dos filtros
resonantes, uno serie y otro paralelo separados opcionalmente por
un transformador (que puede tener una relación de espiras de 1:N,
donde N es un número real, que puede ser mayor que la unidad si se
quiere amplificar la señal fundamental de la señal de entrada, o
menor que la unidad si se quiere atenuar la señal fundamental de la
señal de entrada, o igual a la unidad si sólo se quiere aislar), y
que dejan pasar la señal fundamental de la señal de entrada (una
señal sinusoidal) y cuyo conjunto atenúa el resto de los armónicos
conforme aumenta la frecuencia de éstos. Este tipo de equipos de
diatermia suelen tener a su salida un condensador, denominado
anti-estímulo para evitar que los efectos no
lineales causados por las altas tensiones (arcos voltaicos)
provoquen una desmodulación que generen bajas frecuencias (que
podrían producir, por ejemplo una fibrilación durante una
intervención con un electrobisturí, IEC
60601-2-2).
Estos condensadores
anti-estímulo producen una caída de tensión que,
para evitarla, se prevé incorporar una inductancia de un valor tal
que, en serie con el condensador anti-estímulo, la
frecuencia de resonancia del conjunto sea la frecuencia fundamental
de la señal de entrada. Con esto se consigue otro efecto añadido; y
es que las frecuencias muy altas queden atenuadas debido a esta
inductancia, disminuyendo así en nivel de emisiones radiadas por
los cables del paciente.
Estas y otras características se desprenderán
mejor de la descripción detallada que sigue, para facilitar la cual
se acompaña de varias figuras en las que se ha representado gráficas
de las señales utilizadas convencionalmente y una realización de la
invención que tiene carácter de ejemplo no limitativo.
En la figura 1 se puede ver, de modo
ilustrativo, una señal sinusoidal (por ejemplo de 500 kHz,
normalizada a una amplitud unitaria).
La figura 2 muestra el espectro de frecuencia de
la señal de la figura 1 utilizando la transformada de Fourier, que
es otra forma de representar la figura 1, cambiando el eje de
abscisas de tiempo (figura 1) por frecuencia, y siendo el eje de
ordenadas la amplitud de la señal.
La figura 3 muestra una señal cuadrada.
En la figura 4 se muestra el espectro de
frecuencia de la señal de la figura 3 utilizando la transformada de
Fourier. Se puede apreciar que la señal cuadrada contiene otras
señales mezcladas a frecuencias más altas (armónicos) que son
potencialmente interferentes. Los ejes de ordenadas y abcisas tienen
una escala logarítmica.
La figura 5 muestra un esquema del circuito
objeto de la invención, donde (1) indica la salida capacitiva (CAP)
y (2) indica la salida resistiva (RES).
En la figura 6 se puede apreciar que a la salida
del filtro en la resistencia del paciente (R_{PAT}) los
armónicos se atenúan de forma sustancial, que es lo que se
pretendía.
Tal como se aprecia en la figura 5, la presente
invención comprende un circuito para equipos de diatermia por
conducción formado por dos filtros resonantes, uno serie y otro
paralelo, que están sintonizados para dejar pasar la señal
fundamental de la señal de entrada que contiene armónicos (esta
señal fundamental es una señal sinusoidal) y que atenúan
exponencialmente el resto de los armónicos conforme aumenta la
frecuencia de éstos.
El filtro serie está formado por la inductancia
L_{S1} y por una capacidad C_{S1}, y ofrece una
impedancia muy baja (de hecho casi un cortocircuito) a la frecuencia
fundamental de la señal de entrada, y una impedancia alta al resto
de los armónicos de la señal de entrada, tanto mayor, cuanto mayor
sea la frecuencia de éstos.
El filtro paralelo está formado por la
inductancia L_{P} y por una capacidad C_{P}, y
ofrecen una impedancia muy alta (de hecho prácticamente un circuito
abierto) a la frecuencia fundamental de la señal de entrada, y una
impedancia baja al resto de los armónicos de la señal de entrada,
tanto menor, cuanto mayor sea la frecuencia de éstos.
Por lo tanto, la señal fundamental de la señal
con armónicos (una señal sinusoidal) pasará prácticamente sin
atenuación a la salida, mientras que los filtros resonantes serie y
paralelo, atenuarán los armónicos que provocan interferencias,
tanto más, cuanto mayor sea la frecuencia de éstos, facilitando así
el cumplimiento de la normativa de EMC.
Entre el filtro resonante serie formado por
L_{S1} y C_{S1}, y el filtro resonante paralelo
formado por L_{P} y C_{P} se puede intercalar
opcionalmente un transformador TRF con una relación de espiras de
1:N, donde N es un número real que puede ser mayor que la unidad si
se quiere amplificar la señal fundamental de la señal de entrada, o
menor que la unidad si se quiere atenuar la señal fundamental de la
señal de entrada, o igual a la unidad si sólo se quiere aislar.
También se podría prescindir del transformador.
La inductancia del filtro resonante paralelo
L_{P} puede ser una inductancia independiente o la
inductancia parásita del secundario del transformador TRF si éste
está presente.
El circuito propuesto es adecuado para su
aplicación en equipos de electrocirugía como electrobisturís, en
equipos de diatermia por conducción con electrodo activo metálico
aislado (modo capacitivo, ver patente española 287 964 de la misma
solicitante), en equipos de diatermia por conducción con doble tipo
de electrodo; electrodo activo metálico aislado (modo capacitivo) y
con electrodo activo metálico (modo resistivo, ver patente española
2 139 507 de la misma solicitante), y en equipos de diatermia por
conducción con electrodo activo metálico. Este tipo de equipos
disponen de un electrodo de retorno o neutro de mayor superficie que
el electrodo activo. El circuito también es adecuado para equipos
de diatermia como son los denominados bipolares, en los que los dos
electrodos se comportan como activos y están cercanos el uno del
otro teniendo un tamaño similar.
Los equipos de diatermia por conducción
descritos anteriormente suelen tener en su salida un condensador
C_{S2\_CAP} (y C_{S2\_RES} si el sistema tiene
salida resistiva, esto es electrodo activo sin aislar), denominado
condensador anti-estímulo para evitar que los arcos
voltaicos producidos por las altas tensiones, produzcan corrientes
de baja frecuencia por efecto de desmodulación. Estas corrientes de
baja frecuencia (f < 10 kHz) pueden producir estimulación
nerviosa, o una contracción de un músculo cuando se aplica el
aparato de diatermia.
El valor de capacidad del condensador
anti-estímulo suele ser bajo (del orden de pocos
nF), lo cual produce una caída de tensión dependiendo de su valor
(C_{S2\_CAP} y/o C_{S2\_RES}), y de la corriente
I que circula por él.
Una característica de la invención es que para
evitar esta caída de tensión, se propone poner una inductancia
(L_{S2\_CAP} y/o L_{S2\_RES}) en serie con el
condensador anti-estímulo (C_{S2\_CAP} y/o
C_{S2\_RES} respectivamente) de un valor tal que provoque
que su frecuencia de resonancia sea igual a la frecuencia
fundamental de la señal de entrada. Esto provoca que la impedancia
de esta red LC sea prácticamente nula a la frecuencia
fundamental de la señal de entrada. Además, de este modo se consigue
otro efecto añadido, y es que las frecuencias muy altas queden
atenuadas debido a esta inductancia (L_{S2\_CAP} y/o
L_{S2\_RES}), disminuyendo así aún más el nivel de
emisiones radiadas por los cables del paciente y por el cable de
red.
Los valores de los componentes del circuito son
independientes de la potencia de salida. Los valores de cada red
LC del circuito está en función de la frecuencia de trabajo
según la formula (1)
(1)f_{0} =
\frac{1}{2 \pi
\sqrt{LC}}
Para obtener el máximo rendimiento del
amplificador, la frecuencia de salida puede ser variable en función
de la impedancia del conjunto electrodo más paciente, por lo cual el
circuito y/o la frecuencia pueden sintonizarse para adaptar las
impedancias del circuito de salida a la impedancia del conjunto de
electrodo más paciente.
El margen de frecuencia típico de la señal de
salida, para este tipo de equipos, puede estar entre 100 kHz y 10
MHz, de forma que no se produzca una estimulación nerviosa, y su
valor no es fundamental para la correcta funcionalidad del
circuito.
Un caso práctico de realización que se cita
solamente a título de ejemplo y no limitativo del alcance de la
presente invención se puede ver en la figura 5. En la figura 6 se
puede apreciar cómo se han atenuado los armónicos de las
frecuencias altas cuando se compara con el espectro de la señal
cuadrada de entrada (figura 4).
Como es evidente, la presente invención será
aplicable a equipos radiofrecuencia aplicables a tejidos vivos
tales como los equipos de diatermia por conducción: equipos sólo
capacitivos, (con electrodo activo metálico con capa aislante),
sólo resistivos (con el electrodo activo metálico), o capacitivos y
resistivos con electrodo activo menor que el electrodo pasivo,
bipolares (con electrodos similares) y a electrobisturís. En la
figura 5 (1) indica la salida capacitiva (CAP) y (2) indica la
salida resistiva (RES).
Se comprenderá que la invención ha sido
explicada en lo anterior simplemente a título de ejemplo no
limitativo y que en la misma se podrán introducir múltiples
variantes comprendidas dentro del alcance de la invención que queda
definido por las reivindicaciones siguientes.
Claims (10)
1. Circuito para dispositivos de radiofrecuencia
aplicables a los tejidos vivos, que abarcan los dispositivos de
diatermia por corrientes por conducción de frecuencias desde 100
kHz hasta 10 MHz en sus versiones capacitivo y/o resistivo, y para
electrobisturís donde el circuito de alimentación de los electrodos
está caracterizado por comprender:
- -
- un filtro resonante en serie formado por una inductancia L_{S1} y una capacidad C_{S1},
- -
- un filtro resonante en paralelo formado por una inductancia L_{P} y una capacidad C_{P},
- -
- estando los filtros resonantes serie y paralelo sintonizados para dejar pasar la señal fundamental de la señal de entrada y simultáneamente atenuar de forma exponencial el resto de armónicos al aumentar la frecuencia de éstos,
- -
- estando dichos filtros separados .por un transformador TRF con una relación de espiras 1:N, siendo N un número real, y
- -
- en el que la frecuencia de salida es variable en función de la impedancia del conjunto electrodo más paciente, por lo que el circuito y/o frecuencia se pueden sintonizar para adaptar las impedancias del circuito de salida a la impedancia del conjunto del electrodo y el paciente.
2. Circuito, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la inductancia del filtro resonante
paralelo L_{P} es la inductancia parásita del secundario
del transformador TRF.
3. Circuito, según las reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque la inductancia del filtro resonante en
paralelo L_{P} es una inductancia independiente.
4. Circuito, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en cada
salida existe un condensador anti-estímulo
C_{S2\_CAP}, C_{S2\_RES} caracterizado por
la disposición de una inductancia L_{S2\_CAP},
L_{S2\_RES} en serie con el condensador, cuyo valor es tal
que produce resonancia a la frecuencia fundamental de la señal de
entrada.
5. Circuito, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
inductancia L_{S1} y dicha capacidad C_{S1} de
dicho filtro resonante serie ofrecen una impedancia menor a la
frecuencia fundamental de la señal de entrada y una impedancia
mayor al resto de los armónicos de la señal de entrada.
6. Circuito, según la reivindicación 5,
caracterizado porque dicha inductancia L_{S1} y
dicha capacidad C_{S1} de dicho filtro resonante serie
ofrecen una impedancia muy baja a la frecuencia fundamental de la
señal de entrada y uña impedancia alta al resto de los armónicos de
la señal de entrada.
7. Circuito, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
inductancia L_{P} y dicha capacidad C_{P} de dicho
filtro resonante en paralelo ofrecen una impedancia mayor a la
frecuencia fundamental de la señal de entrada y una impedancia
menor al resto de los armónicos de la señal de entrada.
8. Circuito, según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicha inductancia L_{P} y dicha
capacidad C_{P} de dicho filtro resonante en paralelo
ofrecen una impedancia muy elevada a la frecuencia fundamental de
la señal de entrada y una impedancia baja al resto de los armónicos
de la señal de entrada.
9. Dispositivo de diatermia que comprende un
circuito de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
8.
10. Dispositivo de electrobisturí que comprende
un circuito de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
8.
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