KR102330669B1 - 전기 수술 기구 내의 절연 파괴 방지 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 수술 기구 내의 절연 파괴 방지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

해부학적 조직과 실드 도체 사이에 전기적 접촉을 검출하기 위한 장치가 제공되는데, 이 장치는 변압기; 변압기의 1 차 권선에 기준 주파수 신호를 주입하기 위한 교류(AC) 기준 주파수 신호 발생기; 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 변압기의 2 차 권선과 병렬로 결합된 리액티브 임피던스; 및 기준 주파수 신호와 2 차 권선으로부터 1 차 권선으로 반사되는 반사된 기준 주파수 신호 간의 위상 정합을 검출하기 위한 위상 정합 검출기 회로를 포함한다.

Description

전기 수술 기구 내의 절연 파괴 방지 시스템 및 방법
전기 수술은, 예를 들어, 건조, 응고 또는 기화를 통해 조직을 절단 또는 제거하기 위해 생물학적 조직의 열 파괴를 유발하는 전기의 사용을 포함한다. 이점은 제한된 혈액 손실로 정확하게 절단을 하는 능력을 포함한다. 전기 수술 기구는 병원 수술실 또는 외래 환자 수술에서 혈액 손실을 방지하는 것을 돕기 위해 수술 과정 중에 자주 사용된다. 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 전기 수술은 고주파 전기 수술 및 전기 소작이다. 고주파 전기 수술은 조직을 통과할 때 저항에 의해 열로 변환되는 고주파(무선 주파수)의 교류를 포함한다. 조직 내의 열 축적은, 예를 들어, 열 조직 손상을 일으켜 절개 또는 디벌킹(debulking)을 야기한다. 전기 소작 또한 조직에 열을 직접 전달하는 것을 포함한다. 그러나, 조직으로 전류를 통과시키는 대신에, 전류는 휴대용 엘리먼트를 가열하는데 사용되며, 가열된 휴대용 엘리먼트가 조직에 적용된다. 추가의 전기 수술의 형태는 직류 전류에 의해 생성되는 화학 반응을 사용하여 조직을 손상시키는 전기분해 및 조직에 열을 전달하는데 사용되는 등장성 식염수(isotonic saline)와 같은 전도성 매질을 전류를 사용하여 이온화하는 코블레이션(coblation)을 포함한다.
도 1은 전기 수술 기구의 활성 전극(104)을 둘러싸는 기다란 관형 기구 샤프트(102)의 예시적인 부분 절단된 측단면도이다. 샤프트(102)는 비전도성 관형 외부 절연 피복(108)에 의해 둘러싸인 기다란 관형 안전 실드 도체(실드)(106)를 포함한다. 실드(106)는 활성 전극(104)으로부터 기구 샤프트(102)에 인접한 금속 물체로 전기 수술 에너지의 의도하지 않은 기생 용량 결합에 대한 보호를 제공하기 위해 활성 전극이라고도 불리는 활성 도체(104)를 둘러싼다. 실드(106)와 활성 전극(104) 사이에 고유전성 절연체(110)가 배치된다.
도 2는 제 1 모노폴라(monopolar) 전기 수술 시스템(200)의 셋업을 나타내는 예시적인 시스템 레벨 블록도이다. 시스템(200)은 모노폴라 전기 수술 신호 발생기(202)를 포함하고, 이는 전기 수술 기구(ESI)(203)의 활성 도체(104)에 고주파 전기 신호를 전달한다. 환자의 생물학적 조직(204)은 활성 도체(104)와 리턴 도체(205) 사이에 전기적으로 결합된다. 수술 과정 동안, 활성 도체(104)는, 예를 들어, 조직이 절단되거나 절제될 수술 부위에 있는 조직 부분(206)과 접촉한다. 전기 수술 기구(ESI) 전류는 활성 도체(104)로부터 수술 부위에 있는 환자 조직 부분(206)으로 그리고 거기에서 환자 리턴 도체 패드(210)와 접촉하는 다른 환자 조직 부분(208)으로 흐른다. ESI 전류는 리턴 도체 패드(210)로부터 리턴 도체(205)로 흐른다. 보다 구체적으로, 활성 도체(104)의 말단 작용기 팁 부분(212)은 샤프트(102)의 단부를 넘어 뻗어 있어 생물학적 조직을 절단 또는 제거하기 위해 수술 부위에 에너지를 부여한다. 따라서, ESI 전류는 활성 도체 팁(212)으로부터 수술 부위에 있는 환자 조직부(206)로, 환자 해부구조(204)를 통해 리턴 패드에 있는 환자 조직부(208)로, 그리고 발전기의 리턴 도체(205)를 통해 발생기(202)로 흐른다.
도 3a는 제 2 전기 수술 시스템(300)의 셋업을 나타내는 예시적인 블록도이다. 제 2 전기 수술 시스템(300)은 모노폴라 전기 수술 신호 생성기(202) 및 제 1 모니터 회로(304)를 포함한다. 제 1 시스템(200)의 구성요소와 동일할 수 있는 제 2 시스템(300)의 구성요소는 동일한 부재번호로 식별되고 상기 설명으로부터 이해될 것이다. 안전 실드 도체(106)와 리턴 도체(205) 사이에 보호 임피던스(ZP)를 결합시키는 보호 도체(306)는 그들 사이에 보호 전류 경로를 제공한다. 도 3b는 실드 도체(106)와 보호 전기 도체(306) 사이의 전기 접점(303)을 도시하는 기구 샤프트(102)의 일부분의 예시적인 측 단면도이다. 보호 임피던스(ZP)는 실드 도체(106)와 리턴 도체(205)를 결합하여 안전 실드 도체(106)로부터(도시되지 않은) 다른 기구로 전달될 수 있는 고주파 에너지를 제한하는 용량성(도시되지 않음)과 같은, 저항성 및 리액티브 요소를 포함한다. 용량 결합된 에너지는 환자 조직(204)에 열적 상해를 야기할 수 있는 환자 조직(204)으로의 전기 아크 또는 전도를 야기할 수 있다. 이 보호 기능을 유지하려면, 실드 도체는 환자 조직으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 실드 도체(106)를 둘러싼 절연 피복(108)이 손상되고 하부 실드 도체(106)가 환자 조직(204)과 접촉하면, 전기 도체(306) 및 보호 임피던스(ZP)는 활성 도체 팁(212)으로부터 환자 조직(204)을 통해 안전 실드 도체(106)로 그리고 그 다음 전기 도체(306) 및 보호 임피던스(ZP)를 통해 리턴 도체(205)로의 비정상적인 ESI 전류 흐름을 위한 전도성 경로를 제공하여, 환자 조직(204)에 열적 상해를 초래할 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 정상 동작(도 4a) 동안 수술 절차 중 환자 조직(204)을 통한 정상 ESI 전류(IESI) 경로(410)를 나타내고 그리고 도체 안전 쉴드(또한 "실드 도체"라고도 함)(106)를 둘러싸는 절연 피복(108)이 파괴된 채로의 동작(도 4b) 중 환자 조직(204)을 통한 비정상적인 ESI 전류 경로(412)를 나타내는 도 3a의 제 2 시스템(300)의 일부분의 예시적인 도면들이다. 도 4a에 도시된 정상 동작 동안, ESI 전류는 활성 도체 팁(212)으로부터 리턴 패드(210)로 흐른다. 리턴 패드(210)는 패드와 물리적으로 접촉하는 환자 조직(208)이 충분히 큰 표면적을 갖도록 충분히 큰 표면적을 가지고, 이는 리턴 ESI 전류가 충분히 넓은 환자 조직 영역에 걸쳐서 퍼지게 하여, 예를 들어, 리턴 ESI 전류로 인한 조직 화상 또는 기타 외상을 피할만큼 충분히 전류 밀도를 제한한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 절연체(108)의 파괴(414)는, 예를 들어, 수술 과정 동안 샤프트(102)와 물리적으로 접촉하는(도시되지 않은) 다른 기구로 인해 발생할 수 있다. 절연층(108)은 일부 경우 수술 과정 동안 의도하지 않거나 공격적인 사용으로 인해 손상될 수 있다. 비정상 ESI 전류(412)는 수술 부위에 있는 환자 조직 부분(206)과 접촉할 수 있는 활성 도체 팁(212)으로부터 절연층(108)의 파괴로 인해 환자 조직 부분과의 물리적 접촉에 노출되는 안전 실드 도체(104)의 노출된 부분(404)과 물리적으로 접촉하는 다른 환자 조직 부분(402)으로 흐를 수 있다. 절연 파괴의 크기는 전형적으로 접촉 패드(210)의 크기보다 훨씬 작기 때문에, 안전 실드 도체(104)의 파괴부(404)에서의 전류 밀도는 접촉 패드(210)에서의 전류 밀도보다 더 클 수 있어, 활성 전극 팁(212)으로부터, 환자 조직 부분(402)을 통해, 실드 도체(106)의 노출된 부분(404)으로의 비정상적인 ESI 전류 흐름(412)으로 인해, 실드 도체(106)와 접촉하는 조직 부분(402)에서 환자에 대한 열 상해의 위험이 생긴다.
도 3a 및 도 4b를 참조하면, 제 1 모니터 회로(304)는, 예컨대, 실드 도체(106)의 일부분을 노출시켜 환자 조직(204)과 접촉하게 만드는 절연체(108)의 파괴부(414)로 인한 비정상 전류 흐름(412)과 같은 비정상 상태로 인해, 임계 레벨을 초과하는 보호 도체 전류 경로(306) 상의 전류에 응답하여 전기 수술 신호 발생기(202)를 비활성화하는 것이 바람직하다. 예시적인 모니터 회로는 미국 특허 제4,414,277호; 제5,312,401호; 및 제8,007,494호; 및 미국 공개 번호 2014/0249523에 기재되어 있다. 비정상 ESI 전류(412)로 인해 전기 수술 신호 발생기(202)를 비활성화해야하는 시기를 결정하기 위해 보호 임피던스(ZP)에 결합된 도체(306) 내의 전류 흐름을 모니터링하는 것이 갖는 문제는, 예컨대, 활성 도체(104)와 다른 기구 간의 기생 용량을 억제하기 위해 도체(306)를 통과한 전류의 일부 바람직한 레벨이 존재할 수 있다는 것이다. 그러나, 기생 용량을 감소시키기 위한 바람직한 전류 흐름의 크기는, 예를 들어, 발생기 설정 및 기구 디자인에 따라 변할 수 있다. 따라서, 이러한 의도된 전류 전달을 허용할 수 있고, 예컨대, 절연 파괴의 경우 열 손상을 야기할 수 있는 비정상적인 ESI 전류(412)에 대항하여 충분한 안전 마진을 여전히 제공할 수 있는 적절한 임계 전류를 선택하는 것이 어려울 수 있으며, 이러한 전류는 변할 수도 있다.
일 양태에서, 변압기의 1 차 권선으로 주입되는 교류(AC) 기준 신호와 변압기의 2 차 권선에서 1 차 권선으로 반사되는 반사된 AC 주파수 간의 위상차는 환자 조직과 전기 수술 기구의 활성 전극을 둘러싼 안전 실드 도체 사이에 전기적 경로가 존재하는지 여부를 판정하는데 사용된다.
도 1은 전기 수술 기구의 활성 전극을 둘러싸는 기다란 관형 기구 샤프트의 예시적인 부분의 측단면도이다.
도 2는 제 1 전기 수술 시스템의 셋업을 나타내는 예시적인 시스템 레벨 블록도이다.
도 3a는 제 1 모니터 회로를 포함하는 제 2 전기 수술 시스템의 셋업을 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 3b는 보호 임피던스에 결합된 전기 도체와 실드 도체 사이의 전기 접촉을 보여주는, 도 3a의 시스템의 기구 샤프트의 일부분의 측 단면도이다.
도 4a-4b는 도 3a-3b의 제 2 시스템의 일부분의 예시적인 도면이며, 정상 수술 동안의 수술 과정 중(도 4a) 그리고 도체 안전 실드를 둘러싼 절연 피복이 파괴된 채의 수술 중(도 4b) 환자 조직을 통한 전기 수술 기구 전류 흐름을 보여준다.
도 5a는 제 3 전기 수술 시스템의 셋업을 나타내는 예시적인 개략도이다.
도 5b는 정상 및 비정상 ESI 전류 흐름 동안 전류 경로를 도시하기 위해 도 5a의 제 3 시스템의 일부분을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 5c는 정상 및 비정상 ESI 전류 흐름 동안 보호 임피던스 및 바디 임피던스의 병렬 결합을 나타내는 예시적인 회로도이다.
도 6은 제 2 모니터 회로의 추가 세부사항을 도시하는 5a의 제 3 시스템의 예시적인 도면이다.
도 7은 비정상적인 ESI 신호 타이밍 다이어그램의 예시적인 예이다.
도 8은 예시적인 검출기 제어 신호 타이밍 도면이다.
도 5a는 제 3 전기 수술 시스템(500)의 셋업을 나타내는 예시적인 개략도이다. 제 3 시스템(500)은 모노폴라 전기 수술 신호 발생기(502) 및 제 2 모니터 회로(504)를 포함한다. 전기 수술 신호 발생기(502)는 전기 수술에 사용하기 위해 활성 도체(104)에 고주파수 ESI 전류를 생성한다. 일부 실시예에서, 발생기는 3kV, 350kHz 신호를 생성한다. 활성 도체(104)는 기다란 샤프트(102) 내에서 연장된다. 활성 도체(104)의 말단 작용기 팁(212)은 샤프트(102)의 말단 단부를 넘어 뻗어 있어 팁과 접촉하거나 인접한 수술 부위(206)에 있는 환자 조직(204)을 절단 또는 제거하기 위한 에너지를 부가한다. 말단 작용기 팁(212)은, 예를 들어, 바늘형, 후크형, 주걱형, 그래스퍼, 가위와 같은 다양한 형상일 수 있다. 정상 작동 동안, 고주파 ESI 전류는 신호 발생기(502)에 인접한 샤프트(102)의 근단 단부와 수술 부위에 있는 환자 조직 부분(206)에 인접한 샤프트(102)의 말단 단부 팁(212) 사이에서 흐른다. 환자 리턴 패드(210)는 수술 영역 외부에 있는 환자의 조직(204)상의 위치에서 환자 조직 부분(208)과 물리적으로 접촉한다. 리턴 도체(205)는 리턴 패드(210)를 신호 발생기(502)의 리턴 노드에 결합한다. 보호 도체 경로는 안전 실드 도체(106)와 리턴 도체(205) 사이에 결합된 보호 임피던스(ZP)를 포함한다. 보다 구체적으로, 제 1 및 제 2 보호 경로 도체(306, 307)는 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이에 보호 임피던스(ZP)를 결합한다. 제 1 도체(306)는 제 1 노드(N1)를 보호 실드 도체(106)에 결합한다. 제 2 도체(307)는 제 2 노드(N2)를 리턴 경로(205)에 결합한다. 정상 작동 동안, 정상 ESI 전류(410)는, 예컨대, 활성 전극 팁(212)으로부터 수술 부위에 있는 환자 조직 부분(206)으로, 환자 조직 해부구조(204)를 통해 환자 리턴 패드(210)에 있는 환자 조직(208)으로, 그 다음 리턴 도체(205)를 통해 신호 발생기의 리턴 노드로 흐를 수 있다. 보호 임피던스(ZP)는 정상 동작 동안, 즉, 예를 들어, 절연 파괴가 없는 경우에 실드 도체(106)와 다른 기구(도시되지 않음) 사이의 용량 결합으로 인한 잠재적인 의도하지 않은 에너지 전달을 제한하기 위해 저항성 및 리액티브 요소(도시되지 않음)를 포함한다.
도 5b는 정상 및 비정상 ESI 전류 흐름 동안 전류 경로를 도시하기 위해 도 5a의 제 3 시스템(500)의 일부를 도시하는 예시적인 도면이다. 동작에 있어서, 예를 들어, 손상으로 인해 보호 절연층(108)에 파괴부(414)가 발생하면, 환자 조직 부분(406)과 도체 실드(106)의 노출된 부분 사이의 원하지 않는 전기적 접촉은 수술 부위(206)에 있는 환자 조직과 절연층(108)의 파괴로 인해 노출된 전도성 실드(106)의 일부분과 접촉하는 환자 조직(406) 사이에 잠재적으로 유해하고 비정상적인 전류 경로를 생성할 수 있다. 또한, 비정상 회로 경로는 도체(306), 보호 임피던스(ZP) 및 리턴 리드(205)에 결합된 제 2 도체(307)에 의해 형성된 보호 전류 경로를 포함할 수 있다. 비정상적인 ESI 전류 흐름(412)은, 예를 들어, 환자에게 열 손상의 위험을 초래할 수 있다.
정상적인 ESI 전류 흐름 동안, 환자 조직(204)은 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이의 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합되지 않는다. 그러나, 비정상적인 ESI 전류 흐름 동안, 환자 조직(204)은 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이의 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합된다. 따라서, 비정상 전류 흐름 동안 환자 조직(204)의 병렬 결합은 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합된 환자 신체 조직 임피던스(ZB)를 초래한다. 보다 구체적으로, 정상 ESI 전류 경로(410)는 팁(212)이 수술 부위 내의 환자 조직(206)과 접촉하는 노드(NT)와, 리턴 도체(205) 및 제 2 도체(307)를 통해 제 2 노드(N2)에 전기적으로 결합된 환자 접촉 패드(210) 사이에 환자 조직(204)을 포함한다. 정상적인 ESI 전류 흐름 동안, 환자 조직(204)과 실드 도체(106) 또는 제 1 노드(N1) 사이에는 전기적 결합이 존재하지 않는다. 그러나, 절연 피복(108)에서 파괴부(414)로 인한 실드 도체(106)와의 조직 접촉으로 인한 비정상적인 ESI 전류 흐름 동안, 예를 들어, 환자 조직(204)은 정상 전기 경로(410)를 포함하는 전기 경로에 결합되며, 활성 도체 팁(212)이 환자 조직(206)과 접촉하는 노드(NT), 쉴드(106)와 접촉하는 환자 조직 부분(406), 제 1 도체(306) 및 제 1 노드(N1) 사이에서 연장되는 경로를 포함한다. 따라서, 제 1 및 제 2 노드(N1, N2)에 걸친 임피던스는 절연 실드(108)의 파괴로 인해 실드 도체(106)와 접촉하는 환자 조직(204)의 포함에 응답하여 변화한다.
도 5c는 도 5a-5b의 제 3 시스템 내에서의 보호 임피던스(ZP)와 바디 임피던스(ZB)의 병렬 결합을 도시하기 위해 제 3 시스템(500)의 일부를 도시하는 예시적인 회로도이다. 개방 위치에 있는 가상 스위치(510)는 정상적인 ESI 전류 흐름 동안 바디 임피던스(ZB)가 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합되지 않을 때 절연 피복(108)이 파괴되지 않은 상태의 시스템(500) 동작을 나타낸다. 폐쇄 위치에 있는 가상 스위치(510)는 비정상 ESI 전류 흐름 동안 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 바디 임피던스(ZB)를 결합시키는, 절연 피복(108)의 파괴부(414)를 갖는 상태의 시스템(500) 동작을 나타낸다. 제 2 모니터 회로(504)는 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이의 임피던스를 모니터링하여 그들 사이의 변화 임피던스의 발생을 검출한다. 제 2 모니터 회로(504)는 전기 수술 신호 발생기(502) 시스템이 보호 임피던스(ZP)와 병렬인 바디 임피던스(ZB)의 결합을 나타내는, 임피던스(ZP)의 변화의 검출에 응답하여 활성 도체 팁(212)으로의 ESI 전류 흐름을 차단하게 만들도록 결합되는, 출력 노드(512) 상의 검출기 제어 신호를 제공한다.
도 6은 제 2 모니터 회로(504)의 추가 세부사항을 도시하는 도 5a의 제 3 시스템의 예시적인 도면이다. 제 2 모니터 회로(504)는 교류 기준 신호 발생기(702), 변압기(704), 전류 감지 회로(708) 및 위상 정합 검출기(710)를 포함한다. AC 기준 신호 발생기(702)는 전기 수술 신호 발생기(502)에 의해 생성된 ESI 신호의 주파수와 구별되는 기준 신호 주파수의 기준 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 기준 신호는 45kHz의 기준 신호 주파수를 갖는다. 변압기(704)는 1 차 권선(712) 및 2 차 권선(714)을 포함한다. 보호 임피던스(ZP)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 결합된다. 제 1 커패시턴스(C1) 및 제 1 저항(R1)은 제 1 노드(N1)와 2 차 권선(714)의 제 1 단부(714-1) 사이에 직렬로 결합된다. 제 2 커패시턴스(C2) 및 제 2 저항(R2)은 제 2 노드(N2)와 2 차 권선(714)의 제 2 단부(714-2) 사이에 직렬로 결합된다. 이들 컴포넌트들의 값은 기준 신호의 주파수와 ESI 신호의 기본 주파수 사이의 의도된 차별의 크기를 제공하도록 선택된다.
전류 감지 회로(708)는 제 1 입력(722) 및 제 1 입력(724)을 포함하는 차동 증폭기 회로(720)를 포함한다. 전류 감지 저항(RCS)은 차동 증폭기 회로(720)의 제 1 및 제 2 입력(722, 724) 사이에 결합된다. 보다 구체적으로, 차동 증폭기 회로(720)의 제 1 입력(722)은 전류 감지 저항(RCS)의 제 1 노드와 1 차 권선(712)의 제 1 단부(712-1) 사이에 결합되고, 차동 증폭기 회로(720)의 제 2 입력(724)은 전류 감지 저항(RCS)의 제 2 단자 노드와 접지 전위 일 수 있는 기준 전위(724) 사이에 결합된다. 전류 감지 회로(708)의 출력(728)은 위상 정합 검출기(710)의 제 1 입력(730)에 결합된다. AC 기준 신호 발생기(702)는 1 차 권선(712)의 제 2 단부(712-2)에 결합된 AC 기준 신호 출력(726)을 포함한다. AC 기준 신호 노드(726)는 또한 위상 정합 검출기(710)의 제 2 입력(732)에 연결된다. 위상 정합 검출기(710)는 바디 임피던스(ZB)가 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이의 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합되는지 여부를 나타내는 값을 갖는 검출기 제어 신호를 제공하기 위한 출력(512)을 포함한다.
도 7은 비정상적인 ESI 신호 타이밍 도면의 예시적인 예이다. 제 1 예시적인 시간 간격(t0 내지 t1) 동안, 안전 실드 도체(106)와 리턴 리드(205) 사이에 비정상적인 ESI 전류는 흐르지 않는다. 제 2 시간 간격(t1 내지 t2) 동안, 비정상 ESI 전류는 안전 실드 도체(106)와 리턴 리드(205) 사이로 흐른다.
도 8은 예시적인 검출기 제어 신호 타이밍 도이다. 제 1 예시적인 시간 간격(t0 내지 t1) 동안, 라인(512)상의 검출기 제어 신호는 안전 실드 도체(106)와 리턴 리드(205) 사이에 비정상적인 ESI 전류가 흐르지 않음을 나타내는, 위상 일치가 없음을 나타내는 제 1 값을 갖는다. 시간(t2)에서 시작하는 제 2 시간 간격 동안, 라인(512)상의 검출기 제어 신호는 안전 실드 도체(106)와 리턴 리드(205) 사이의 비정상적인 ESI 전류 흐름을 나타내는, 위상 정합을 나타내는 값을 갖는다. 다시 도 7을 참조하면, 전기 수술 신호 발생기(502)는 시간 t2에서 제 2 값으로 전이하는 제어 신호에 응답하여 턴 오프되어 비정상적인 ESI 전류 흐름이 중단된다는 것이 이해될 것이다.
도 5-6의 제 2 모니터 회로(504)를 포함하는 제 3 전기 수술 시스템(500)의 작동은 도 7-8의 신호 타이밍 도를 참조하여 설명된다. AC 기준 신호 발생기(702)는 출력(726)에서 기준 주파수 신호를 1 차 권선에 주입하도록 결합된다. 주입된 기준 주파수 신호는 1 차 권선(712)으로부터 2 차 권선(714)에 자기 결합된다. 결합된 AC 기준 신호는 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이에 결합된 보호 임피던스(ZP)를 통해 흐른다. 커패시턴스(C1) 및 제 1 저항(R1) 및 제 2 커패시턴스(C2) 및 제 2 저항(R2)은 AC 기준 신호보다 높은 주파수를 갖는 신호를 필터링하기 위한 저역 통과 필터로서 역할한다. 보호 임피던스(ZP)를 통해 흐르는 AC 기준 주파수 전류는 2 차 권선(714)으로부터 1 차 권선(712)으로 다시 반사된다. 반사된 AC 기준 주파수 전류는 전류 감지 저항(RCS)를 통해 흐른다. 차동 증폭기(720)는 출력(728)에서 AC 전압 값을 생성하며, 이는 AC 기준 주파수 전류의 반사로 인해 전류 감지 저항(RCS)에 걸친 AC 전압 강하를 나타낸다.
위상 정합 검출기(710)는 제 1 입력(730) 상에 제공된 반사된 AC 기준 주파수 신호 및 제 2 입력(732)에서 수신된 AC 기준 주파수 신호의 표시에 응답하여 제어 라인(512)상에 제어 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 위상 정합 검출기(710)는 제 2 입력(732)에서 수신되고 반사된 AC 기준 주파수 신호를 나타내는, 제 1 입력(730)에서 수신된 AC 전압 신호의 위상과 주파수 관계를 나타내는 값을 갖는 라인(512)상의 DC 제어 신호를 생성한다. 제 1 및 제 2 입력(730, 732)에서 수신된 신호의 정합 위상 및 주파수의 부재에 응답하여, 위상 정합 검출기(710)는 정합이 없음을 나타내는 제 1 DC 전압 값을 생성한다. 제 1 및 제 2 입력(730, 732)에서 수신된 신호의 정합 위상 및 주파수에 응답하여, 위상 정합 검출기(710)는 정합을 나타내는 제 2 DC 전압 값을 생성한다.
일부 실시예들에서, 위상 정합 검출기(710)는 동기 검출기를 포함한다. 일부 실시예에서, 동기 검출기는 제 1 및 제 2 검출기 입력(730, 732)에서의 신호를 곱하여 검출기 출력(512)에서 제어 신호를 생성하여 곱한 신호가 정합 위상 및 정합 주파수를 갖는지 여부를 나타내는 아날로그 곱셈 회로를 포함한다. 대안 적으로, 이것은 각 신호의 RMS(root-mean-square) 값을 계산하고 이들을 곱한 다음 두 파형 사이의 위상차 코사인에 의해 결정될 수 있다. 두 파형의 평균 프로덕트(average product)는(예를 들어, ZB가 병렬로 결합될 때 전위 이상 ESI 전류가 흐르는 동안의) 0(순전히 저항성)과(예를 들어, ZB가 병렬로결합되지 않은 정상적인 ESI 전류 흐름 동안의) -90 또는 90도(순전히 리액티브) 사이의 두 신호 범위차 사이의 위상차로서, 1 내지 0의 범위이다.
도 7 내지 도 8을 참조하여, 위상 정합 검출기(710)가 제 1 시간 간격(t0 내지 t1) 동안 동기 검출기를 포함한다고 가정하면, 위상 정합 검출기(710)의 제 1 입력(730)에 제공된 AC 전압 신호는 위상 정합 검출기(710)의 제 2 입력 노드(732)에 제공된 AC 기준 신호의 위상에 대해 위상 편이된다. 제 1 시간 간격 동안, 가상 스위치(510)는 개방 상태에 있고, 바디 임피던스(ZB)는 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합되지 않으며, 비정상적인 ESI 전류 흐름이 존재하지 않는다. 제 1 시간 간격 동안, 보호 임피던스(ZP) 내의 리액티브 요소(도시되지 않음)에 의해 반사된 AC 기준 주파수 신호에 위상 편이가 부여된다. 따라서, 위상 정합 검출기(710)의 제 1 입력(730)에서의 AC 전압 신호는 위상 정합 검출기(710)의 제 2 입력 노드(732)에서의 AC 기준 신호에 대해 위상 편이된다. 그 결과, 제 1 시간 간격(t0 내지 t1) 동안, 위상 정합 검출기(710)는 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이에 ZB 결합이 없음을 나타내는, 반사된 AC 주파수 신호와 기준 AC 주파수 신호 사이의 위상 및 주파수 정합을 나타내는 제 1 값을 갖는 출력 라인(512) 상의 DC 제어 신호 전압을 생성한다.
제 2 시간 간격(t1 내지 t2) 동안, 위상 정합 검출기(710)의 제 1 입력(730)에 제공된 AC 전압 신호는 위상 정합 검출기(710)의 제 2 입력(732)에 제공된 기준 AC 신호와 동위상(즉, 위상 편이되지 않음)이다. 제 2 시간 간격 동안, 가상 스위치(510)는 폐쇄 상태에 있고, 바디 임피던스(ZB)는 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합되며, 비정상적인 ESI 전류 흐름이 존재한다. 제 2 시간 간격 동안, 보호 임피던스(ZP)와 병렬로 결합된 환자의 신체 조직(204) 임피던스(ZB)가 일반적으로 리액티브이 아니라 저항성이므로, 반사된 AC 주파수 신호에 다른 위상 편이가 부여되어, 반사된 AC 기준 주파수 신호에 대해 상이한 위상 편이가 부여된다. 따라서, 제 2 시간 간격(t1 내지 t2) 동안, 위상 정합 검출기(710)는 제 1 및 제 2 노드(N1, N2) 사이에 결합된 ZB의 존재를 나타내는, 반사된 AC 주파수 신호와 기준 AC 주파수 신호 사이의 정합 위상 및 주파수를 나타내는 제 1 값을 갖는 출력 라인(512) 상의 DC 제어 신호 전압을 생성한다.
제 2 모니터 회로(504)는 전기 수술 신호 발생기(502)가 ESI 신호를 생성하도록 동작하는지 여부와 무관하게 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 전기 수술 신호 발생기(702)가 턴 오프된 경우에도, 제 2 모니터 회로(504)는 비정상 ESI 신호 경로가 존재하는지 여부를 판정하도록 동작할 수 있다. 더욱이, 전기 수술 신호 발생기(502)의 정상 동작 동안, 환자 리턴 패드(210)를 통해 흐르는 ESI 리턴 신호의 일부는 2 차 권선(714)으로부터 1 차 권선(712)에 결합될 수 있다. 그러나, ESI 리턴 신호의 위상 및 주파수는 AC 기준 주파수 신호의 위상 및 주파수와 일치하지 않고, 그러므로 위상 정합 검출기(710)에 대한 ESI 주파수 신호의 결합은 잘못된 검출 결과를 야기하지 않으며, 정합 없음을 나타내는 라인(512)에서의 출력 제어 신호를 생성한다. 또한, 제 1 및 제 2 커패시터 및 저항기(C1, R1 및 C2, R2)는 2 차 권선(714)으로부터 결합될 수 있는 고주파수 ESI 신호 성분을 필터링하는 역할을 한다. 따라서, ESI 신호의 존재는 제 2 모니터 회로의 성능에 영향을 미치지 않는다.
상기 설명은 당업자가 절연체 손상으로 인한 부상으로부터 환자를 보호하는 전기 수술 시스템을 생성 및 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 실시예들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 명백할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예 및 애플리케이션에 적용될 수 있다. 전술한 설명에서, 설명을 위해 많은 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당업자는 이러한 특정 세부사항을 사용하지 않고 회로가 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 경우에, 공지된 회로 및 프로세스는 불필요한 세부 사항으로 본 발명의 설명을 모호하게하지 않기 위해 블록도 형태로 도시된다. 동일한 부재번호는 상이한 도면 및 명세서에서 동일하거나 유사한 아이템의 상이한 뷰를 나타내는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들의 전술 한 설명 및 도면은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시예에 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치로서,
    1 차 권선 및 2 차 권선을 포함하는 변압기;
    상기 1 차 권선에 기준 주파수 신호를 주입하도록 결합된 교류(AC) 기준 주파수 신호 발생기;
    제 1 노드와 제 2 노드 사이에 상기 2 차 권선과 병렬로 결합된 제 1 리액티브 임피던스; 및
    상기 기준 주파수 신호와 반사된 기준 주파수 신호 간의 위상 정합을 검출하기 위한 위상 정합 검출기 회로;
    를 포함하고,
    상기 1 차 및 2 차 권선이 자기 결합되어, 상기 1 차 권선 내의 주입된 기준 주파수 신호가 상기 2 차 권선 내에 AC 기준 주파수 신호를 유도하고, 상기 2 차 권선은 상기 제 1 및 제 2 노드 사이의 임피던스를 나타내는, 상기 주입된 AC 기준 주파수 신호에 대해 위상 천이를 갖는 반사된 AC 주파수 신호를 상기 1 차 권선으로 되반사하게 되는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수술 부위로부터 떨어져 있는 해부학적 조직 부분과 전기적으로 접촉하는 환자 접촉 패드; 및
    상기 보호 실드 도체와 상기 환자 접촉 패드 사이에 상기 리액티브 임피던스를 결합하기 위한 제 1 및 제 2 도체 경로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 정합 검출기 회로는 동기 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 정합 검출기 회로는 동기 검출기를 포함하고; 그리고
    상기 동기 검출기는 곱셈 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사된 기준 주파수 신호는 반사된 기준 주파수 전류 신호를 포함하고;
    상기 반사된 기준 주파수 전류 신호를 기준 주파수 전압 신호로 변환하고 변환된 신호를 상기 위상 정합 검출기 회로에 제공하도록 결합된 변환기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사된 기준 주파수 신호는 반사된 기준 주파수 전류 신호를 포함하고;
    상기 반사된 기준 주파수 전류 신호에 기초하여 기준 주파수 전압 신호를 생성하도록 결합된 증폭기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 반사된 기준 주파수 신호는 반사된 기준 주파수 전류 신호를 포함하고;
    상기 2 차 권선의 제 1 단부와 기준 전압 사이에 결합된 저항; 및
    상기 저항에 걸친 전압에 기초하여 기준 주파수 전압 신호를 생성하도록 결합된 증폭기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 권선의 제 1 단부와 상기 제 1 노드 사이에 결합된 리액티브 장치; 및
    상기 2 차 권선의 제 2 단부 사이에 결합된 리액티브 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 노드와 도전성 실드 사이에 결합된 제 1 전기 경로; 및
    환자 접촉 패드와 상기 제 2 노드 사이의 제 2 전기 경로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 노드와 상기 보호 실드 도체 사이에 결합되어 상기 제 1 노드에 결합되는 제 1 전기 도체 경로로서, 상기 보호 실드 도체는 제 1 해부학적 조직 부분과 전기적으로 접촉하는 것인 상기 제 1 전기 도체 경로;
    제 2 해부학적 조직 부분과 전기적으로 접촉하기 위한 환자 접촉 패드; 및
    상기 환자 접촉 패드와 상기 제 2 노드 사이에 결합된 제 2 전기 도체 경로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  11. 삭제
  12. 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법으로서,
    리액티브 임피던스와 병렬로 결합된 변압기 회로의 1 차 권선에 기준 주파수 신호를 주입하는 단계; 및
    상기 변압기의 2 차 권선에서의 반사된 기준 주파수 신호가 주입된 기준 주파수 신호의 위상과 정합하는지 여부를 검출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 보호 실드 도체와 환자 접촉 패드 사이에 상기 리액티브 임피던스를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 보호 실드 도체와 환자 접촉 패드 사이에 상기 리액티브 임피던스를 결합하는 단계; 및
    상기 환자 접촉 패드에 해부학적 조직 부분을 전기적으로 접촉시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 변압기의 2 차 권선에서의 상기 반사된 기준 주파수 신호와 상기 주입된 기준 주파수 신호 간의 위상 정합의 검출에 응답하여 상기 활성 도체 상의 전기 수술 신호를 중단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 보호 실드 도체와 환자 접촉 패드 사이에 상기 리액티브 임피던스를 결합하는 단계;
    상기 환자 접촉 패드에 해부학적 조직 부분을 전기적으로 접촉시키는 단계; 및
    상기 변압기의 2 차 권선에서의 상기 반사된 기준 주파수 신호와 상기 주입된 기준 주파수 신호 간의 위상 정합의 검출에 응답하여 상기 활성 도체 상의 전기 수술 신호를 중단시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는 동기적 검출을 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    기준 주파수 전압 신호를 발생시키는 단계;
    상기 2 차 권선 내의 상기 반사된 기준 주파수 전류 신호를 포착하는 단계; 및
    포착되고 반사된 기준 주파수 전류 신호를 변환된 기준 주파수 전압 신호로 변환하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 주입하는 단계는 발생된 기준 주파수 전압 신호를 리액티브 임피던스와 병렬로 결합된 상기 변압기 회로의 상기 1 차 권선에 주입하는 단계를 포함하고; 그리고
    상기 검출하는 단계는 상기 변환된 기준 주파수 전압 신호가 상기 발생된 기준 주파수 전압 신호의 위상과 정합하는지 여부를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉으로 인한 손상으로부터 환자를 보호하는 방법.
  19. 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치로서,
    1 차 권선 및 2 차 권선을 포함하는 변압기;
    교류(AC) 기준 주파수 신호를 상기 1 차 권선으로 주입하기 위한 수단;
    제 1 노드와 제 2 노드 사이에 상기 2 차 권선과 병렬로 결합된 제 1 리액티브 임피던스; 및
    AC 기준 주파수 신호와 반사된 AC 기준 주파수 신호 사이의 위상 정합을 검출하기위한 수단을 포함하고,
    상기 1 차 및 2 차 권선이 자기 결합되어 상기 1 차 권선 내의 주입된 AC 기준 주파수 신호가 상기 2 차 권선 내에 AC 기준 주파수 신호를 유도하고, 상기 2 차 권선은 상기 제 1 및 제 2 노드 사이의 임피던스를 나타내는, 주입된 AC 기준 주파수 신호에 대해 위상 천이를 갖는 반사된 AC 주파수 신호를 상기 1 차 권선으로 되반사하게 되는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    수술 부위로부터 떨어져 있는 해부학적 조직 부분과 전기적으로 접촉하기 위한 환자 접촉 패드; 및
    상기 보호 실드 도체와 상기 환자 접촉 패드 사이에 상기 리액티브 임피던스를 결합시키기 위한 제 1 및 제 2 도체 경로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 부위 부근의 해부학적 조직 부분과 전기 수술 기구의 활성 도체를 둘러싸는 보호 실드 도체 간의 전기적 접촉을 검출하는 장치.
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