RU2389444C1

RU2389444C1 - Plasma electrosurgical exposure apparatus

Info

Publication number: RU2389444C1
Application number: RU2008144655/14A
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Данилейко (RU); Юрий Константинович Данилейко; Вячеслав Васильевич Осико (RU); Вячеслав Васильевич Осико; Виктор Афанасьевич Салюк (RU); Виктор Афанасьевич Салюк; Сергей Михайлович Нефедов (RU); Сергей Михайлович Нефедов; Виктор Александрович Чиков (RU); Виктор Александрович Чиков; Николай Владимирович Бабурин (RU); Николай Владимирович Бабурин; Александр Дмитриевич Иванов (RU); Александр Дмитриевич Иванов; Татьяна Петровна Лебедева (RU); Татьяна Петровна Лебедева
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-20

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, namely to electrosurgical apparatuses. An electrosurgical apparatus for biological tissue dissection comprises a high-frequency current generator with a control unit, a galvanic isolation unit connected with an active electrode, an intervalometre and a twin comparator. Between the high-frequency current generator and the twin comparator, there is an instrument resistor with its output connected to a peak detector connected through the twin comparator to an input of the intervalometre connected to an input of control circuits of the high-frequency current generator to form the first feedback circuit. The instrument resistor is connected with an input of a high-frequency filter unit connected to the third input of the control circuits of the high-frequency current generator to form a sparkover protection circuit. An output of the galvanic isolation unit is connected with an average voltage detector connected to the second input of the control circuits of the high-frequency current generator to form the second feedback circuit.

EFFECT: application of the invention provides high stability of electrosurgical parametres and performance reliability of the plasma burning device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к электрохирургическим аппаратам.The invention relates to medical equipment, namely to electrosurgical devices.

Известен плазменный дуговой скальпель, предназначенный для рассечения и одновременной коагуляции биологической ткани (США 3991764, А61В 17/36, 16.11.1976, Д1). Скальпель содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем трубчатым анодом. Внутри анода, концентрично по отношению к нему, расположен катод. Между катодом и анодом имеется оболочка, обеспечивающая протекание охлаждающей жидкости по раздельным каналам для охлаждения последнего. Кроме того, для продольного перемещения катода и приведения его в соприкосновение с анодом предусмотрен плунжер, с помощью которого зажигается электрическая дуга. После зажигания дуги протекающий через нее инертный газ выходит из небольшого анодного отверстия в виде горячей плазменной струи и при этом имеет температуру, достаточную для одновременного рассечения и коагуляции живой биологической ткани.Known plasma arc scalpel designed for dissection and simultaneous coagulation of biological tissue (US 3991764, A61B 17/36, 11/16/1976, D1). The scalpel contains a cylindrical body with a tubular anode placed therein. Inside the anode, concentric with respect to it, is the cathode. Between the cathode and the anode there is a shell that allows the coolant to flow through separate channels to cool the latter. In addition, for longitudinal movement of the cathode and bringing it into contact with the anode, a plunger is provided with which an electric arc is ignited. After ignition of the arc, the inert gas flowing through it leaves the small anode hole in the form of a hot plasma jet and at the same time has a temperature sufficient to simultaneously dissect and coagulate living biological tissue.

Однако вышеописанное устройство не в состоянии обеспечить стабильное и воспроизводимое воздействие на биологическую ткань. Неустойчивость истекающего из выходного канала устройства плазменного потока, а часто и полное его исчезновение вследствие шунтирования дуги значительно затрудняет работу хирурга, снижает эффективность плазменного воздействия, а подчас и делает невозможным выполнение операции. Особенного активно процессы шунтирования проявляются при низких расходах плазмообразующего газа, увеличение же его в устройствах хирургического назначения невозможно вследствие повышения вероятности возникновения газовой эмболии, высушивания операционного поля, разбрызгивания крови и т.д.However, the above device is not able to provide a stable and reproducible effect on biological tissue. The instability of the plasma flow flowing from the output channel of the device, and often its complete disappearance due to arc bypass, greatly complicates the surgeon's work, reduces the effectiveness of the plasma exposure, and sometimes makes the operation impossible. Shunting processes are especially active at low plasma-forming gas consumption, but an increase in it in surgical devices is impossible due to the increased likelihood of a gas embolism, drying of the surgical field, blood spatter, etc.

Известен также электрохирургический аппарат (США 6086585, А61В 17/36, 11.07.2000, Д2), который содержит блок управления, связанный первой двунаправленной многоразрядной шиной с блоком питания, второй двунаправленной многоразрядной шиной - с генератором мощности, многоразрядная выходная шина которого связана с многоразрядным входом матричного электрода, содержащего N каналов, при этом каждый канал матричного электрода включает активный и возвратный электроды, связанные с блоком управления, и блок подачи жидкости в зону воздействия, включающий ресивер и компрессор, соединенный с гидромагистралью.An electrosurgical apparatus is also known (US 6086585, A61B 17/36, 07/07/2000, D2), which contains a control unit connected by a first bi-directional multi-bit bus with a power supply, a second bi-directional multi-bit bus - with a power generator, the multi-bit output bus of which is connected to a multi-bit the input of the matrix electrode containing N channels, with each channel of the matrix electrode includes an active and return electrodes associated with the control unit, and a unit for supplying liquid to the exposure zone, including the receiver p and a compressor connected to gidromagistralyu.

Настоящий аппарат позволяет производить хирургическое воздействие - резание, абляцию - за счет формирования в среде физраствора области холодной плазмы, вокруг которой создается поток ионов, бомбардирующих прилегающие ткани, обеспечивая эффект электрохирургического воздействия.This apparatus allows for surgical intervention — cutting, ablation — by forming a cold plasma region in the saline environment around which a stream of ions bombarding adjacent tissues is created, providing the effect of electrosurgical action.

Анализ показывает, что для данного аппарата характерны существенные конструктивные и эксплуатационные недостатки, которые снижают эффективность его использования в практической медицине.The analysis shows that this apparatus is characterized by significant structural and operational shortcomings that reduce the effectiveness of its use in practical medicine.

В частности, в конструкции аппарата предусмотрено использование многоэлектродных рабочих инструментов, через которые напряжение генератора подается в область создания холодной плазмы. Поскольку активные электроды находятся на разном расстоянии от «возвратного» электрода, то электрическое поле, создаваемое электродом, неравномерно, что обуславливает неравномерность глубины абляции и коагуляции тканей в области электрохирургического воздействия, снижение качества коагуляционного шва, возможность образования зон краевого некроза и послеоперационных осложнений.In particular, the design of the apparatus provides for the use of multi-electrode working tools, through which the voltage of the generator is supplied to the area where the cold plasma is created. Since the active electrodes are at different distances from the "return" electrode, the electric field created by the electrode is uneven, which leads to uneven depth of ablation and coagulation of tissues in the area of electrosurgical exposure, reduced quality of the coagulation suture, the possibility of formation of marginal necrosis zones and postoperative complications.

Кроме того, при работе аппарата поток физраствора подается в область воздействия «самотеком». Это приводит к нежелательной концентрации продуктов распада в области воздействия, что также отрицательно сказывается на качестве абляционного воздействия, создает дополнительные осложнения хирургу для визуального контроля за ходом операции. Концентрация продуктов распада в области электрохирургического воздействия является потенциальным очагом септических заражений и послеоперационных осложнений.In addition, during the operation of the apparatus, the saline stream is supplied to the area of influence by gravity. This leads to an undesirable concentration of decay products in the area of impact, which also negatively affects the quality of the ablation effect, creates additional complications for the surgeon to visually monitor the progress of the operation. The concentration of decay products in the field of electrosurgical exposure is a potential focus of septic infections and postoperative complications.

Известен электрохирургический аппарат, работающий в плазменном режиме, содержащий источник питания, генератор высокой частоты, блок управления и рабочую часть, включающую ассиметричный мультиполярный электрод (J.Wolozko, K.R.Staler, I.G.Brown, IEEE Transaction on plazma science, Vol.30, No.3, June 2002. "Plazma Characteristics of Repetitevly-Pulsed Electrical Discharges in Saline Solution Used for Surgical Procedures", Д3), либо игольчатый монополярный электрод (Н.В.Бабурин, Ю.К.Данилейко, С.М.Нефедов, В.В.Осико, В.А.Салюк "Взаимодействие импульсных высокочастотных токов с биотканями", Медицинская физика, №1, 2008, стр.98-109, Д4). Особенностью работы данных аппаратов является использование слабых растворов сильных электролитов (физиологического раствора) как среды, в которой возбуждается плазменный разряд тлеющего типа. При этом в случае использования биполярных электродов необходимо их погружение в раствор электролита, а в монополярном случае одним из электродов должен являться электролит. Существенным моментом при использовании биполярной системы электродов является необходимость их сильной асимметрии по площади контакта с плазмой тлеющего разряда. Разрушающим биоткань фактором в такой плазменной системе является плазмохимическое взаимодействие органических молекул с ионами и возбужденными атомами плазмы тлеющего разряда при их гетерогенной рекомбинации на границе плазма - биоткань (Д4). Как показали проведенные исследования, режим плазменного горения на рабочем электроде может использоваться применительно к задаче рассечения биологических тканей различной структуры. При этом важным с практической точки зрения является выявление критерия перехода в режим плазменного горения, разработка методов его поддержания, а также выявления пороговых условий возникновения искровых пробоев при повышении напряжения на рабочем электроде. Таким критерием, а также параметром для стабилизации может являться отличие формы импульса тока при переходе от режима линейного омического протекания тока к нелинейному плазменному процессу (Фиг.1 и 2). Возникновение искровых пробоев также может фиксироваться по появлению высших гармоник тока. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность подобной системы стабилизации при сравнительной простоте его технической реализации.A known electrosurgical apparatus operating in a plasma mode containing a power source, a high frequency generator, a control unit and a working part including an asymmetric multipolar electrode (J.Wolozko, KRStaler, IGBrown, IEEE Transaction on plazma science, Vol.30, No. 3, June 2002. "Plazma Characteristics of Repetitevly-Pulsed Electrical Discharges in Saline Solution Used for Surgical Procedures", D3), or a monopolar needle electrode (N.V. Baburin, Yu.K. Danileyko, S. M. Nefedov, V. .V. Osiko, V. A. Salyuk "Interaction of pulsed high-frequency currents with biological tissues", Medical Physics, No. 1, 2008, pp. 98-109, D4). A feature of the operation of these devices is the use of weak solutions of strong electrolytes (physiological saline) as a medium in which a glow discharge plasma discharge is excited. In this case, in the case of using bipolar electrodes, they must be immersed in an electrolyte solution, and in the unipolar case, one of the electrodes must be an electrolyte. An essential point in using a bipolar electrode system is the need for their strong asymmetry in the area of contact with the glow discharge plasma. The destroying biological tissue factor in such a plasma system is the plasma-chemical interaction of organic molecules with ions and excited plasma atoms of a glow discharge during their heterogeneous recombination at the plasma – biological tissue interface (D4). As the studies showed, the plasma combustion mode at the working electrode can be used in relation to the task of dissecting biological tissues of various structures. At the same time, it is important from a practical point of view to identify the criterion for the transition to the plasma combustion mode, to develop methods for maintaining it, as well as to identify threshold conditions for the occurrence of spark breakdowns with increasing voltage on the working electrode. Such a criterion, as well as a parameter for stabilization, can be the difference in the shape of the current pulse during the transition from a linear ohmic current flow to a nonlinear plasma process (Figs. 1 and 2). The occurrence of spark breakdowns can also be detected by the appearance of higher current harmonics. The conducted experimental studies have shown the effectiveness of such a stabilization system with the comparative simplicity of its technical implementation.

Настоящее изобретение решает задачу обеспечения высокой стабильности параметров высокочастотного электрохирургического воздействия и надежности работы аппарата в режиме плазменного горения за счет введения управляющей обратной связи, работающей по двум независимым каналам.The present invention solves the problem of ensuring high stability of the parameters of high-frequency electrosurgical exposure and the reliability of the apparatus in the plasma combustion mode by introducing a control feedback operating via two independent channels.

Для достижения стабильного эффекта рассечения в плазменном режиме горения полезно использование автоматической системы стабилизации пиковой амплитуды рабочего напряжения на электроде. Заметим, что при повышении амплитуды рабочего напряжения до 600 В и выше в области пробоя наблюдается сильное повышение давления. При этом режим непрерывного плазменного рассечения сменяется на режим взрывного рассечения биоткани. Если времена энерговлажения короче или сравнимы со временем релаксации давления образовавшихся паров и продуктов разложения из области взаимодействия, то избыточное давление образующихся газов производит разрыв тканей при минимальной их коагуляции.To achieve a stable dissection effect in a plasma combustion mode, it is useful to use an automatic system for stabilizing the peak amplitude of the working voltage at the electrode. Note that with an increase in the amplitude of the operating voltage to 600 V and higher, a strong increase in pressure is observed in the breakdown region. In this case, the regime of continuous plasma dissection is replaced by the regime of explosive dissection of biological tissue. If the energy deposition times are shorter or comparable with the relaxation time of the pressure of the formed vapors and decomposition products from the interaction region, then the excess pressure of the resulting gases produces tissue rupture with minimal coagulation.

Предлагаемое техническое решение реализуется в электрохирургическом аппарате, содержащим корпус с установленным в нем источником питания, генератором высокой частоты (ВЧ-генератор) с блоком управления и подключенного к ВЧ-генератору блока стабилизации плазменного режима, в состав которого входят:The proposed technical solution is implemented in an electrosurgical apparatus containing a case with a power source installed in it, a high-frequency generator (RF generator) with a control unit and a plasma stabilization unit connected to the RF generator, which includes:

1) измерительный резистор, пиковый детектор, сдвоенный компаратор, измеритель интервала времени, образующие первую петлю обратной связи;1) a measuring resistor, a peak detector, a dual comparator, a time interval meter, forming the first feedback loop;

2) блок гальванической развязки, детектор среднего значения напряжения, высокочастотный фильтр (ВЧ-фильтр), образующие вторую петлю обратной связи.2) galvanic isolation unit, an average voltage detector, a high-pass filter (high-pass filter), forming a second feedback loop.

3) измерительный резистор и ВЧ-фильтр, образующие схему защиты от искровых пробоев, предназначенную для устранения нежелательных искровых пробоев.3) a measuring resistor and a high-pass filter, forming a circuit for protection against spark breakdowns, designed to eliminate unwanted spark breakdowns.

Изменение формы импульса тока, при переходе от режима линейного омического протекания тока к нелинейному плазменному процессу, особенно проявляется (как видно из осциллограммы, Фиг.1 и 2) в области малых значений тока.The change in the shape of the current pulse during the transition from the linear ohmic current flow to a nonlinear plasma process is especially evident (as can be seen from the waveform, Figs. 1 and 2) in the region of small current values.

Отметим еще один важный момент, вытекающий из осциллограмм тока, усредненной по большому количеству периодов. Это ее несимметричный (ангармонический сигнал) характер по отношению к смене полярности напряжения на активном электроде. В данном случае первой измеряемой физической величиной может служить время t, когда напряжения на токовом резисторе находится между значениями пороговой величины ± U_p. Легко видеть, что это время зависит от амплитуды напряжения на токовом резисторе, и следовательно, значение порога U_p зависит от амплитуды U. Вторая измеряемая величина связана с различием амплитуд положительной и отрицательной полуволны напряжения в случае работы в режиме плазменного горения. При слишком большом превышении напряжения на рабочем электроде возможны нежелательные искровые пробои. Во время пробоя появляются высшие гармоники высокочастотного сигнала (ВЧ-сигнала), которые выделяются ВЧ-фильтром. Время интегрирования гармоник ВЧ-сигнала - 50 мс. Блок-схема блока стабилизации плазменного режима воздействия на биоткань приведена на Фиг.3.We note one more important point arising from the waveforms of current averaged over a large number of periods. This is its asymmetric (anharmonic signal) character with respect to a change in the polarity of the voltage across the active electrode. In this case, the first measured physical quantity can be time t, when the voltage across the current resistor is between the threshold value ± U _p . It is easy to see that this time depends on the amplitude of the voltage across the current resistor, and therefore, the threshold value U _p depends on the amplitude U. The second measured value is related to the difference between the amplitudes of the positive and negative half-waves of voltage in the case of operation in the plasma combustion mode. If the voltage at the working electrode is too large, unwanted spark breakdowns are possible. During the breakdown, higher harmonics of the high-frequency signal (RF signal) appear, which are emitted by the RF filter. The integration time of the harmonics of the RF signal is 50 ms. The block diagram of the stabilization unit of the plasma mode of exposure to biological tissue is shown in Fig.3.

Выход ВЧ-генератора 1 подключен на вход измерительного резистора 2, выходное напряжение с которого идет на пиковый детектор 3, блок 8 гальванической развязки, ВЧ-фильтр 7 и сдвоенный компаратор 5. Выход пикового детектора 3 связан с входом сдвоенного компаратора 5, выходной сигнал которого идет на вход измерителя интервала времени 6. Выход измерителя интервала времени 6 связан с цепями управления ВЧ-генератора 1. На второй и третий вход цепей управления ВЧ-генератором подается сигнал с детектора среднего значения напряжения 4 и с блока ВЧ-фильтра 7, на вход которого поступает сигнал с измерительного резистора 2. Выход блока 8 гальванической развязки идет на вход детектора среднего значения напряжения 4 и на активный электрод.The output of the RF generator 1 is connected to the input of the measuring resistor 2, the output voltage from which goes to the peak detector 3, the galvanic isolation unit 8, the high-pass filter 7 and the dual comparator 5. The output of the peak detector 3 is connected to the input of the dual comparator 5, the output signal of which goes to the input of the time interval meter 6. The output of the time interval meter 6 is connected to the control circuits of the high-frequency generator 1. The signal from the average voltage detector 4 and the high-pass filter unit is supplied to the second and third input of the high-frequency generator control circuits and 7, the input of which receives a signal from the measuring resistor 2. The output of the galvanic isolation unit 8 goes to the input of the average voltage detector 4 and to the active electrode.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Сигнал с выхода ВЧ-генератора 1 поступает на активный электрод через измерительный резистор 2 (токовый трансформатор) и блок гальванической развязки 8. Амплитуда напряжения на резисторе измеряется с помощью пикового детектора 3, и ее значение поступает на установку величины порога напряжения ±U_р сдвоенного компаратора 5. С помощью измерителя временных интервалов 6 производится оценка интервала времени t₂, во время которого значение амплитуды напряжения на токовом резисторе находится между пороговыми величинами ±U_p и сравнивается со значением интервала времени для линейного режима работы прибораThe signal from the output of the RF generator 1 is fed to the active electrode through a measuring resistor 2 (current transformer) and a galvanic isolation unit 8. The voltage amplitude across the resistor is measured using a peak detector 3, and its value is applied to set the voltage threshold value ± U _{r of the} dual comparator 5. with the estimation time interval t ₂ via measuring time intervals 6 during which the voltage amplitude value at the current resistor located between the thresholds ± U _p and compared with values Niemi time interval for a linear mode of operation of the device

t₁. Значение величины разности интервалов времени t₂-t₁служит первым управляющим сигналом, поступающим на ВЧ-генератор. При работе аппарата в режиме плазменного горения на выходе детектора среднего значения напряжения 4 появляется положительная постоянная составляющая напряжения, связанная с ангармоничностью сигнала, а величина этого напряжения служит вторым управляющим сигналом, поступающим на ВЧ-генератор, в результате чего происходит замыкание двухконтурной цепи обратной связи, обеспечивающей поддержание необходимого стабильного плазменного режима работы, с повышенной надежностью и помехоустойчивостью. Вход блока 7 ВЧ-фильтра соединен с измерительным резистором 2, а его выход подключен к ВЧ-генератору 1. Блок 7 ВЧ-фильтра предназначен для устранения нежелательных искровых пробоев.t ₁ . The value of the difference in time intervals t ₂ -t ₁ serves as the first control signal supplied to the RF generator. When the apparatus is operating in plasma burning mode, a positive constant voltage component appears at the output of the average voltage detector 4, which is associated with the anharmonicity of the signal, and the voltage value serves as the second control signal supplied to the RF generator, as a result of which the double-circuit feedback circuit is closed, ensuring the maintenance of the necessary stable plasma mode of operation, with increased reliability and noise immunity. The input of the high-pass filter unit 7 is connected to the measuring resistor 2, and its output is connected to the high-frequency generator 1. The high-pass filter unit 7 is designed to eliminate unwanted spark breakdowns.

Использование предлагаемой системы автоподстройки режима плазменного горения позволяет автоматически поддерживать на необходимом уровне мощность, вводимую в плазму.Using the proposed system of automatic tuning of the plasma combustion mode allows you to automatically maintain at the required level the power introduced into the plasma.

Claims

An electrosurgical apparatus for dissecting biological tissue, which includes a high-frequency current generator with a control unit, a galvanic isolation unit connected to the active electrode, a time interval meter and a dual comparator, characterized in that a measuring resistor is installed between the high-frequency current generator and the dual comparator, the output of which connected to a peak detector connected via a dual comparator to the input of the time interval meter connected to the input of the control circuits high-frequency current generator with the formation of the first feedback loop circuit, in addition, the measuring resistor is connected to the input of the high-pass filter unit connected to the third input of the high-frequency current generator control circuits with the formation of protection against spark breakdowns, and the output of the galvanic isolation unit is connected to the middle detector voltage values connected to the second input of the control circuits of the high-frequency current generator with the formation of the second loop feedback circuit.