JP4022782B2 - 電離ガスプラズマフレームを発生するための医療装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療における利用、特に焼灼のための電離ガスプラズマフレームを発生するための装置に関する。
焼灼において使用するための電離ガスプラズマフレームを発生する装置の公知の形はＷＯ９５／２６６８６に開示されており、これはノズルから噴出するコロナタイプのフレームを提供する。コロナフレームは高い電子温度を有するが、分子温度は低く、典型的には約２０℃である。このノズルが直接あるいは漂遊容量による電気的アースに接続された表面の近くに誘導されると（５ｍｍ以内）、コロナタイプのフレームはアーク放電フレームに変化する（これは典型的には８００℃のオーダーの高い分子温度を有する）。このフレームは、不活性であり、アースされた表面において起こる酸化を最小限にする流動ガスにより提供されるプラズマを生じさせる。
これにより、この表面が人体または動物の体の一部であれば、プラズマは損傷した組織からの血液の流出を、焼灼により止めるために使用され得る。その他には、アーク放電フレームからの熱は組織の層を取り除くために使用され得る。
ある種の外科的技術は非常に低い運転電力、例えば５０Ｗ以下を必要とする。しかし従来技術による焼灼装置は５０Ｗ以下の運転電力を生ずるためには複雑な制御法を必要とする。典型的には、これらの複雑な制御法はプラズマへの高周波エネルギー（ほぼ１ＭＨｚ）の可変長バーストを利用する。
５Ｗ未満の電力レベルにおいて運転するときには、このような低い運転電力（５Ｗ）において放電を起こさせるのに要する電圧も、より高い運転電力（１５０Ｗ超）において放電を起こさせるのに要する電圧と同じであるから、特別な留意が必要になる。しかしながら、高い電圧を使用するとプラズマへ供給される出力が増加する。従来技術による装置は高出力インピーダンス回路を利用して、５Ｗ以下の低い電力レベルで運転する際の電流を制限しているが、このような高出力インピーダンス回路は非常に複雑である。
本発明は、低い電力において焼灼装置を制御するための改良された回路を提供することを目的とする。
本発明の第１の面によると、医療における利用、特に焼灼のための電離ガスプラズマフレームを発生するための装置は、
キロヘルツの領域内における固定周波数であり、かつ１００Ｖ以下の大きさの交流電圧を供給する電力源と、
電力源に接続され、固定周波数において略共振する共振回路と、
共振回路の出力から導かれ、非絶縁先端を終端とする単一の絶縁された電気伝導体と、
実質的に不活性なガスの非絶縁先端への供給をもたらすために長手方向の少なくとも一部分に沿って電気伝導体を取り囲む導管手段と、
導管手段の終端となり、電気伝導体の非絶縁先端を取り囲む末端部とを含み、
末端部は自由端からガス流を放つことができるノズルを画定し、
共振回路はプラズマ電流を制限するための直列のインダクタンスを含み、共振回路は増幅された電圧を提供し、非絶縁先端に供給された増幅された電圧によりガス流が電離される。
本発明により、低電圧での固定周波数の出力供給であっても低出力プラズマ放電を開始し持続することができる。これは、この固定周波数において共振する反応回路を使用することにより達成される。プラズマが形成されると、プラズマにより提供される共振回路に関するインピーダンスのために、電圧が減少される。これによりプラズマにもたらされる電流と出力が減少する。
好適には、昇圧変圧器が利用されて電力源からの電圧を増加させる。
好適には電力源は３０−９０ＫＨｚの範囲での固定周波数で、かつ３０ワット未満の電力レベルでの２−５０Ｖの範囲で作動する。
好適にはガスは低い絶縁破壊電位を有し、適当なガスにはＨｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈ₂もしくはＮ₂またはこれらの組み合わせが含まれる。ガスには付加的に少量の（例えば２５％未満）Ｏ₂が含有されていても良い。
好適には、検電器が間断なく非絶縁先端における電圧を監視して、非絶縁先端における電圧が予め定められた値を超えたときに電力源からの出力電圧の振幅が減少される。
本発明の第２の面によると、焼灼装置を制御する方法は、
焼灼装置中の反応エレメントのキャパシタンスを計測する段階と、
固定周波数における交流電圧であって、１００Ｖ未満の大きさを有する交流電圧を提供する正弦発電機のためのキロヘルツ領域内における固定周波数を選択する段階と、
反応エレメント及び共振反応エレメントが前記固定周波数において略共振するように共振反応エレメントの値を選択する段階とを含み、
これにより電圧増幅が提供され、それによって電圧がプラズマ放電を開始し持続するのに十分な振幅を有する。
反応エレメントは漂遊容量のような寄生効果により動作され得るということは理解されるだろう。また、用語「共振」とは、電圧増幅効果が重要になるように回路が共振に十分近いことを言うということも理解されるだろう。
好適にはこの方法は、抵抗エレメントを使用して反応エレメントと共振反応エレメントとにより生じる電圧増幅を制限する段階を含む。
本発明の実施例は、添付の図面に関する例としてここで述べられる。ここで、図１は本発明の一つの実施例による装置のブロック図であり、
図２は図１の電気部品の一部のブロック図であり、
図３Ａ及び３Ｂは図１における細部の代替可能な形を図説し、
図４Ａ及び４Ｂは図１の他の細部の代替可能な形を図説し、
図５は図１の装置が使用された場合のある電気的パラメータの時間に対する変化のグラフである。
図１に示した焼灼装置１０は、正弦発電機の形の電力源１２を含む。電力源１２は出力１４から、低いキロヘルツ領域内において固定周波数（ｆ１）で、かつアースに対し１００Ｖ未満、典型的には低電力（５Ｗ）運転のために５Ｖに増幅された交流（正弦波）電圧を提供する。本実施例においては、固定周波数（ｆ１）は５０ｋＨｚに選択されている。
正弦発電機１２の出力１４は、３０対１の巻数比の昇圧変圧器２０に接続された出力１８を有する回路網１６（その機能は後で説明する）に接続されている。変圧器２０は回路網出力１８からの電圧を増加させて、変圧器２０に接続された絶縁電線３０を有するプローブ２２のために十分な使用電圧を提供する。電線３０は寄生効果のために、アースに容量的に有効なように結合されており、これは反応エレメント２６により表わされている。反応エレメント２６はまた変圧器巻線のアースへの容量的な結合を表わす。検出器２８は変圧器２０の出力に接続され、これについては後でさらに詳細に説明する。
導管３２は電線３０の長手方向の一部を取り囲んでおり、すなわち電線３０はその長手方向の一部において完全に導管３２に取り囲まれている。この導管３２は電気的に非伝導であり、電線３０の外側にガス流路を画定する。ガス源３４は導管３２の変圧器２０に隣接する端に実質的に不活性のガス、本実施例においてはヘリウムを供給するために使用される。ガス圧は典型的には１．５ｐｓｉ（約０．１０５４５ｋｇ／ｃｍ²）が使用される。この低い圧力（１．５ｐｓｉ）は、高いガス圧を利用する焼灼装置に比べて、血流中に注入されるガスの量の減少という有利点を有する。導管３２の他端はプローブ２２の内側の管状の末端部に形成されている。
装置１０を調整し制御するためにコントローラ３８が備えられており、その出力は以下に説明されるようにして正弦発電機１２及びガス源３４を制御する。コントローラ３８は、プローブ２２に取り付けられた手動制御のアクチュエータデバイス４０に応答して、操作者が容易にガス流及び電力の調節をすることができる。
プローブ２２は導管３２を通じて流れるガス源３４からのヘリウムガスが末端部３６から噴出できるようにする。末端部３６の内側において、絶縁電線３０は非絶縁先端４２を有しており、電気的にエネルギーを与えられると、噴出したヘリウムを自然発火した電離プラズマフレーム４４にする（すなわちプラズマを「着火する」）。プラズマは、組織４８に近づけると、高い分子温度（８００℃）のために、組織４８を焼灼するのに使用することができる。
検出器２８は、正弦発電機１２からの電圧出力の振幅を制御するために使用されるフィードバック回路に接続されている。検出器２８は変圧器出力２４からの電圧を間断なく監視する。もしも変圧器出力２４からの電圧が予め定められた値（例えば１２００Ｖ）を超えると、検出器２８は正弦発電機１２からの出力電圧の振幅を自動的に減少させて、変圧器出力２４からの電圧を予め定めた値まで減少させる。
図２は、図１の電気部品の一部、特に、回路網１６を示すブロック図である。
回路網１６は制限エレメント５０とインダクタの形の共振反応エレメント５２とを有し、その値は反応エレメント２６のそれに関連して選択され、発電機１２の選ばれた固定周波数ｆ１において共振を遂行する。共振から生ずる電圧増幅は、エレメント５０により制限されるが、比較的低い正弦発電機出力電圧を十分なものにして（回路１６により一度増幅され、変圧器２０により増加される）、プローブ２２における放電を開始する、ということを意味する。
本実施例において、正弦発電機１２は５０ｋＨｚの周波数で交流電圧を発生する。反応エレメント２６は、典型的には約１０ｐＦの（計測された）キャパシタンス値を有する。
電気回路の共振周波数を決定するための標準式は、下記の式１で与えられる。

ここで、本実施例におけるＣ_Nは変圧器の巻数の比の自乗を乗じた反応エレメント２６の値に等しく、すなわち１００ｐＦに３０²を乗じた０．０９μＦに等しい。Ｌはインダクタである共振反応エレメント５２の値である。従って典型的には式１は共振反応エレメント５２のためには１１３μＨの値を与える。しかしながら、反応エレメント２６の値は正確に知ることはできず、そこで共振反応エレメント５２の値は単純に１００μＨを選択し、回路網１６が５０ｋＨｚの周波数でほぼ共振することを確実にしている。
制限エレメント５０（時にはＱ−スポイリング抵抗として知られている）は共振回路のＱを決定する。制限エレメント５０は共振のピークの鋭さを減少させるために付加されている。すなわち、反応エレメント２６及び共振反応エレメント５２からなる共振回路により生み出される電圧増幅を制限する。プラズマへ瞬間的に変化し、あるいは正弦発電機１２がエネルギーを与えたときに、検出器２８が十分素早く応答することができないために、正弦エレメント５０が使用されている。検出器２８は、制限エレメント５０に加えて使用されており、制限エレメント５０の値が決定的にはならないようになっている。
共振回路１６により生じる電圧増幅が制限を必要としない理由は、特に変圧器の二次回路においてもしも変圧器への入力電圧が高くなりすぎた場合（例えば約２ｋＶを超えた場合）、変圧器２０に電圧降伏の問題があり得るからである。
従って、制限エレメント５０の値は、放電を開始するのに十分であるが、降伏の問題が生じるような大きい増幅度ではない出力信号１４の増幅度が確保されるように選択される。
実際には、制限エレメント５０の値は、プローブ２２と焼灼される組織４８との間の通常の使用距離、典型的には５ｍｍ未満よりも２−４倍長い距離でガス流の電離が生じることが確実になるように選択される。これは、組織４８に向かってプローブを導いてから電離プラズマフレーム４４を生じさせること（焼灼放電が開始されること）を確実にしている。
コントローラ３８はアクチュエータ４０により影響される。アクチュエータ４０はコントローラ３８の位置に配置することができるが、本実施例においてはプローブ２２の位置に配置されている。特に、アクチュエータ４０は図３Ａ及び３Ｂの両方に示すように光ファイバスイッチ装置の形をとることができる。いずれの場合も、どのような幾何学的外形であっても（明瞭にするために、図１ではらせん状に巻かれている）、導管３２の外面に沿って延びる一本またはそれ以上の光ファイバ６２を通じて、コントローラ３８からの呼びかけ光がスイッチユニット４０に送られる。コントローラ３８に返される呼びかけ光はスイッチに適用される力Ｆに比例しており、計量されて、コントローラ３８はこれに相応して出力を提供する。
図３Ａにおいては、スイッチ４０は光ファイバ６４の長手方向における破断により形成されており、ファイバ６４の一部分には弾性パッド６６が取り付けられていて、手動で動かしてファイバ６４の他の部分との整合を取り、または外すことができるようにしている。図３Ｂにおいては、スイッチ４０は２本のファイバ７２の端に隣接するパッド７０に弾力的に取り付けられたプリズム６８により形成されており、手動で動かして２本のファイバ７２の光学的連続性を取ったり外したりするようにしている。説明したいずれのスイッチ装置も、漸進的あるいは逐次的な応答を備えており、これによりコントローラ３８は供給１２、３４を漸進的あるいは逐次的に変化させることができる。
図４Ａ及び４Ｂは図１のプローブ２２の代替可能な形を図説する。図４Ａにおいて、プローブ２２ａは導管３２の端部に湾曲したブレード８０を有している。ブレード８０はとがった端を有し、アース線８２により電気的なアースに接続されている。プローブ２２ａのこの形状は、プラズマフレーム４４がブレード８０の端と電線３０の先端との間に噴出されることを確実にする。従ってプローブ２２ａを使用すれば、ブレード８０のとがった端が加熱されるので、切断と焼灼とが同時に行われる。これは腹腔鏡的または内視鏡的処置において有用である。
図４Ｂにおいて、プローブ２２ｂは、鼻の後部分について行なわれるような、ある種の焼灼手術における使用の便のために長手方向について途中で折り曲げられている。導管３２の端部分は、約４５度に折り曲げられている。銅製の管９０（管状の電線３０）は導管３２の長手方向に延びており、これも約４５度に折り曲げられている。管９０は、そこから放電が開始されるとがった端９２を有している。
多数の異なる制御様式が可能であるが、初期のスイッチオンガス供給３４は短時間で導管３２から空気を取り除くために速い流速が与えられ、その後はガス供給は２−６リッター／分の一定の流速で送り込まれるのが好ましい。
図５は図１の装置を使用した場合の３つの電気的パラメータ（電圧、電流及び電力）の時間ごとの変化を図説するグラフ１００である。グラフ１００のｘ軸はマイクロ秒の時間であり、５０ｋＨｚの信号のための一周期を表わす２０μ秒である。ｙ軸は振幅であるが、３つのパラメータそれぞれの単位が異なるので、スケールは記されていない。
先端４２の電圧は、０Ｖ線１０４について、線１０２で示してある。線１０２のピーク電圧は約８００Ｖである。正弦発電機１２からの電圧出力は線１０５で示されており、線１０５のための振幅スケールは線１０２のためのものとは同じでなく、線１０５のピーク電圧は約５Ｖであるが、線１０２の８００Ｖと比較されている。先端４２における電圧に応じるプラズマ中の電流は０アンペア線１０８について、線１０６で示されている。プラズマ（電圧と電流との生成物）にもたらされる電力は、０ワット線１１について、線１１０で示されている。
プラズマ放電の開始の前に先端４２に電圧が印加されると、線１０２上の点１２０で示すように、（昇圧）電圧がプラズマ放電を開始することができるレベルに至るまで、共振回路（回路１６と反応エレメント２６とからなる）が電圧増幅を生じさせると、プラズマが形成される。プラズマの形成時には、減少しているものの大きいインピーダンスがプラズマにより現出され、共振回路を横切り、プラズマを横切る電圧降下が生じるので、昇圧増幅電圧（先端電圧）１０２は放電を開始するのに必要とされる以下のレベルに下がる。従って、電圧増幅効果はプラズマ放電の開始前が最も顕著である。
線１０６で示されるように、プラズマの形成の前にはごくわずかな電流が流れている。プラズマの形成時には、線１０６で示すように、先端電圧がしきいレベル以下に減少するまで、大きな電流が流れる（抵抗エレメント５０及びインダクタ５２により制限されるが）。
電力供給電圧の減少につれ、先端電圧もプラズマに電流を流すのに十分な負の（しきい）レベルに至るまで減少する。この点１２２において、電流のためのしきい以上に先端電圧が上昇するまで電流が再度流れる。
従って、先端電圧の増幅がしきいレベルを超えると、プラズマ中に電流が流れて、その結果プラズマ放電にエネルギーが分与される。プラズマは、この電流サイクルの間、自らを維持するのに十分なエネルギーを有する。
先端電圧の増幅がある一定のしきいレベルを超える短い期間だけしか電流が流れないので、プラズマに送り込まれる総電力は非常に低い（線１１０で示すように）ということが分かるだろう。このことは、プラズマに低い電力レベルしか送り込まれていなくても、焼灼装置がプラズマを開始し持続することができるという有利点を有する。そのため、細心の注意を要するような焼灼処置を遂行することができる。
本発明の範囲内において、上記実施例に多様な変形を施すことが可能であるということが認識されるだろう。例えば、他の実施例においては、電力源は矩形波あるいは三角波の波形の電圧を生ずる。
本発明の他の実施例においては、ガスは、例えば水素（Ｈ₂）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、窒素（Ｎ₂）またはこれらの組み合わせのような、低い絶縁破壊電位を有するガスである。使用されるガスには少量（２５％未満）の酸素（Ｏ₂）が含まれていてもよい。
上述の実施例において、共振反応エレメント５２は反応エレメント２６ほぼ共振するものであるように選択される。しかし共振反応エレメント５２は、スイッチによりいずれかが選択される、複数の異なる値の反応エレメント（例えば違った値を有する３つのインダクタ）からなるものでもよい、ということも理解されるだろう。この異なる値の反応エレメントは、制限エレメント５０、反応エレメント２６及び共振反応エレメント５２からなる回路網１６が出力信号１４の周波数に一致しないことを確実にするために使用され得る。これは、正弦発電機出力１４は低出力焼灼の場合には中間及び高出力焼灼の方がより電圧が高いので、中間及び高出力焼灼が要求される場合に重要である。出力１４のより高い電圧は、回路網１６により生ずる増幅が大きすぎ、それによって共振反応エレメント５２の値が変化して回路網１６がもはや共振ではなくなり、従って回路網１６により生ずる電圧増幅の量が減少するということを意味する。共振反応エレメント５２の値はスイッチ選択器を使用することにより変化する。従って、中間及び高出力焼灼は回路網１６を使用して制御される。反応エレメント２６は一つあるいはそれ以上の別個のコンデンサにより補われ得る。これらのコンデンサは回路網が共振にないとき、すなわち一つの異なる反応エレメントが回路網１６の中で使用されているときに、回路網を同調させるために使用される。
他の実施例においては、アクチュエータ装置４０は自動的に制御される。

Claims (8)

1. 医療における利用、特に焼灼のための電離ガスプラズマフレームを発生するための装置であって、
   キロヘルツの領域内における固定周波数であり、かつ100V以下の大きさの交流電圧出力を供給する電力源(12)と、
   昇圧変圧器(20)と、電力源(12)の固定周波数において略共振する共振回路(16、26)とからなる回路手段(16、20、26)と、
   単一の絶縁された電気伝導体(30)の非絶縁先端(42)への実質的に不活性なガスの供給をもたらすために長手方向の少なくとも一部分に沿って電気伝導体(30)を取り囲む導管手段(32)と、
   導管手段(32)の終端となり、電気伝導体(30)の非絶縁先師(42)を取り囲み、自由端からガス流を放つことができるノズルを画定する末端部(36)を含む装置において、
   共振回路(16、26)は、回路手段(16、20、26)が非絶縁先端(42)に増幅された電圧を供給すると増幅された電圧によりガス流が電離されて非絶縁先端(42)においてプラズマ(44)を生成するようにプラズマ電流の流れを制限するために、非絶縁先端(42)と並列接続された反応エレメント(26)、及び非絶縁先端(42)と直列に配置されたインダクタンス(52)を含み、
   単一の絶縁された電気伝導体(30)は、末端部(36)の外部に回路手段(16、20、26)を配置できるように、非絶縁先端(42)と回路手段(16、20、26)とを接続している装置。
2. 間断なく非絶縁先端(42)における電圧(24)を監視して、非絶縁先端(42)における電圧(24)が予め定められた値を超えたときに電力源(12)からの出力電圧(14)の振幅を減少させる検電器(28)をさらに含む請求項１に係る装置。
3. 共振回路(16、26)は、共振回路のQを決定するための手段を提供する制限エレメント(50)をさらに含む請求項１または２に係る装置。
4. 電力源(12)は30−90KHzの範囲での固定周波数で、かつ30ワット未満の電力レベルでの２−50Vの範囲で作動する請求項１〜３のいずれかに係る装置。
5. プラズマ(44)は50ワット以下の運転電力で発生する請求項１〜４のいずれかに係る装置。
6. プラズマ(44)は５ワット以下の運転電力で発生する請求項１〜５のいずれかに係る装置。
7. ガスはHe、Ar、Ne、H ₂ もしくはN ₂ またはこれらの組み合わせから選択される請求項１〜６のいずれかに係る装置。
8. スイッチ及び複数の異なる値のインダクタをさらに含み、スイッチにより異なる値のインダクタの各々が一連のインダクタンス(52)となるように選択可能な請求項１〜７のいずれかに係る装置。

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