DE69616443T2

DE69616443T2 - Elektrochirurgiegerät und Systeme

Info

Publication number: DE69616443T2
Application number: DE69616443T
Authority: DE
Inventors: Colin Charles Owen Goble; Nigel Mark Goble
Original assignee: Gyrus Medical Ltd
Current assignee: Gyrus Medical Ltd
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: AU721220B2; IL118702A; ES2259967T3; US6364877B1; US6261286B1; US6306134B1; ES2161977T5; DE69636102T2; DE69616443T3; DE69616443D1; JPH0910223A; JP4484256B2; CA2179144C; US20020029036A1; ES2161977T3; AU5613296A; EP0754437B1; IL118702A0; DE69636102D1; EP0754437A2

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochirurgischen Generator für die Abgabe eines elektrochirurgischen Stroms insbesondere aber nicht ausschließlich bei der intrakavitären endoskopischen Elektrochirurgie. Der Begriff "intrakavitär" wird in dieser Beschreibung zur Bezeichnung einer Elektrochirurgie verwendet, bei der lebendes Gewebe durch minimal invasiven chirurgischen Zugang in eine Körperhöhle behandelt wird. Dies kann "Unterwasser-Elektrochirurgie" umfassen, ein Begriff, der bedeutet, dass Chirurgie unter Verwendung eines elektrochirurgischen Instruments mit einer oder mehrerer Behandlungselektroden ausgeführt wird, die an der Operationsstelle in eine Flüssigkeit eintauchen. Die Erfindung ist insbesondere auf den Gebieten der Urologie, Hysteroskopie und Arthroskopie anwendbar.
Die intrakavitäre endoskopische Elektrochirurgie ist zur Behandlung von Gewebe in anatomischen oder chirurgisch geschaffenen Hohlräumen des Körpers nützlich, die durch für den Patienten minimal traumatischen Verfahren zugänglich sind, sei es durch einen natürlichen oder einen künstlich geschaffenen Zugang. Der Hohlraum wird gedehnt, um Raum für den Zugang zum Operationsgebiet zu gewinnen, um die Sichtbarkeit zu verbessern und die Handhabung der Instrumente zu ermöglichen. In kleinen Körperhöhlen, insbesondere wenn die Höhle mit höherem Druck gedehnt werden soll, wird anstelle von Gas häufiger eine Flüssigkeit verwendet, weil sie bessere optische Eigenschaften hat und das Blut vom Operationsgebiet wegspült. Üblicherweise wird eine Nichtelektrolytlösung wie Glycin bei der Elektrochirurgie als flüssiges Dehnmedium verwendet. Glycin ist elektrisch nichtleitend.
Durch den beschränkten chirurgischen Zugang bei intrakavitären endoskopischen Eingriffen ist die Entfernung von Gewebestücken, die mit einer typischen elektrochirurgischen schlingenförmigen Schneidelektrode gewonnen werden, sowohl schwierig als auch zeitraubend. In dieser Situation ist die Verdampfung des Gewebes, bei der dieses zu Rauch und Wasserdampf abgebaut wird, gegenüber der stückweisen Entfernung die bevorzugte Methode. Die Verdampfungsprodukte können nach Auflösung in einem flüssigen Spülmedium entfernt werden.
Hinsichtlich der endoskopischen Unterwasser-Elektrochirurgie haben die Anmelder gefunden, dass man an stelle von Glycin eine leitfähige Flüssigkeit wie physiologische Salzlösung verwenden kann. Diese ist das bevorzugte Dehnmedium bei der endoskopischen Unterwasserchirurgie, wenn keine Elektrochirurgie ausgeführt wird oder eine nichtelektrische Gewebewirkung wie etwa Laserbehandlung angewendet wird. Obwohl physiologische Kochsalzlösung (Gewichtskonzentration 0,9%; 1.50 mmol/l) eine etwas größere elektrische Leitfähigkeit als die meisten Körpergewebe hat, besitzt sie den Vorteil, dass ihre Entfernung aus dem Operationsgebiet durch Absorption oder als Extravasat nur geringe physiologische Wirkungen hervorruft und die so genannten Wasservergiftungseffekte durch Glycin vermieden werden.
Zu den einschlägigen Dokumenten des Standes der Technik gehört EP-A-0316469, die Elektrochirurgiegeräte mit einer Rückkopplungsschleife zur Regelung der Speisespannung des Hochfrequenzverstärkers zur Einstellung der erforderlichen Ausgangsspannung beschreibt. Die US-A-4727874 bezieht sich auf eine Pulsbreitenmodulationstechnik zur Steuerung der Ausgangsleistung eines elektrochirurgischen Generators, die auf der Erzeugung eines Fehlersignals der Leistung beruht, das durch Multiplikation einer gemessenen Ausgangsspannung und eines gemessenen Ausgangsstroms abgeleitet wird. Die US-A-4114623 befasst sich mit der Erkennung eines Lichtbogens bei der elektrochirurgischen Behandlung, während die nachveröffentlichte EP-A-0694290, die ein früheres Prioritätsdatum als die vorliegende Anmeldung hat, einen elektrochirurgischen Generator mit einem seriengeschalteten Ausgangsinduktox offenbart, der die zum elektrochirurgischen Gewebeschneiden verfügbare Ausgangsspannung erhöht. Die US-A-4617927 bezieht sich auf einen elektrochirurgischen Generator, bei dem die Ausgangsleistung durch Rückführung von einer Sensorspule in einer Ausgangsstufe vermindert werden kann, die Speisespannung jedoch nicht beeinflusst wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirksame elektrochirurgische Behandlung von Gewebe durch Koagulation oder Entwässerung zu ermöglichen, wenn das Gewebe im Operationsgebiet in Flüssigkeit eingetaucht ist.
Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Generator nach Anspruch 1 bereitgestellt. Diese Patentschrift beschreibt auch ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochirurgischen Systems zur Koagulation oder Entwässerung von Gewebe mit einem Generator, der an zwei Ausgangsklemmen ein hochfrequentes elektrochirurgisches Ausgangssignal erzeugt und mit einem elektrochirurgischen Instrument mit einer bipolaren Elektrodenanordnung mit zwei Elektroden, die an die Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen sind wobei das Verfahren die Stufen: Eintauchen der Elektroden des Instruments in eine elektrisch leitende Flüssigkeit zur Herstellung eines Leitungspfads zwischen diesen; Anlegen des elektrochirurgischen Ausgangssignals über die Ausgangsklemmen des Generators an die Elektroden des Instruments, um dadurch einen Hochfrequenzstrom durch die leitende Flüssigkeit hervorzurufen, wobei die Flüssigkeit infolge des Stromflusses erwärmt wird; Ableitung eines Sensorsignals, das die Hochfrequenzspannung zwischen den Elektroden darstellt und automatische Regelung der vom Generator an die Elektroden abgegebenen Hochfrequenzleistung in Abhängigkeit vom Sensorsignal, um die Flüssigkeit an den Elektroden zur Koagulation oder Entwässerung des Gewebes an ihrem Siedepunkt zu halten, ohne dass an einer der Elektroden eine Dampftasche entsteht. Das Sensorsignal hat typischerweise die Form eines Auslösersignals, das erzeugt wird, wenn die Spannung zwischen den Elektroden einen vorbestimmten Schwellwert der Ausgangsspannung erreicht. Vorzugsweise hat das System mindestens zwei Betriebsmodi, einen, der zur Koagulation oder Entwässerung des Gewebes und einen anderen, der zum Schneiden oder Verdampfen des Gewebes angewendet werden kann. Das bevorzugte Verfahren umfasst die Auswahl eines dieser Modi. Wenn Schneiden oder. Verdämpfen gewählt ist, wird die Hochfrequenzleistung automatisch so angepasst, dass eine die Elektrode umgebende Dampftasche aufrechterhalten wird, während gleichzeitig die Leistung begrenzt ist, um Überhitzung der Elektrode zu vermeiden.
Die Leistungsregelung in den beiden oben erwähnten Betriebsmodi wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass die in jedem Modus angewandte Ausgangsspitzenspannung begrenzt wird. Beim Koagulations/Entwässerungsmodus wird die Hochfrequenz-Spitzenspannung zwischen den Ausgangsklemmen des Generators gemessen, das resultierende Sensorsignal wird zur Regelung der Ausgangsleistung rückgeführt, wobei die Ausgangsspitzenspannung im ersten Modus (Koagulation oder Entwässerung) auf einen Wert im Bereich von 150 bis 200 V und im zweiten (Schneiden oder Verdampfen) von 250 bis 600 V begrenzt wird.
Kann das. System im ersten und zweiten Modus betrieben werden, dann kann der Regelkreis so betrieben werden, dass die angewandte Hochfrequenzleistung angepasst wird, dass die Flüssigkeit an der Elektrode im Koagulations- oder Entwässerungsmodus an ihrem Siedepunkt gehalten wird, ohne dass um die Elektrode eine Dampftasche entsteht.
Durch Ausbildung der Elektrodenanordnung als bipolare Anordnung mit einer aktiven und einer benachbarten Rückführungselektrode, wobei beide Positionen in die leitende Flüssigkeit einzutauchen sind, kann das Anlegen von Hochfrequenzleistung an die Anordnung Gewebekoagulation oder -entwässerung in der Nähe der aktiven Elektrode verursachen, wobei der Hochfrequenzstrom von der aktiven Elektrode durch das Gewebe und durch die leitende Flüssigkeit zurück zur Rückführungselektrode fließt. Vorausgesetzt, dass die Leistung wie oben beschrieben angepasst wird, kann genügend Wärme zum Erreichen einer solchen Koagulation oder Entwässerung erzeugt werden, ohne dass um die aktive Elektrode eine Dampftasche entsteht. Wenn andererseits Schneiden oder Verdampfen des Gewebes erforderlich ist, lässt man eine solche Dampftasche entstehen, wobei wiederum der Strom durch die leitende Flüssigkeit zur Rückführungselektrode fließt.
Beim bevorzugten Generator sind Sensormittel so angeordnet, dass sie ein Messsignal ableiten, das die zwischen den Ausgangsanschlüssen erzeugte Hochfrequenz-Ausgangsspitzenspannung wiedergibt, und die Ausgangsstufe umfasst einen mit den Ausgangsanschlüssen verbundenen Ausgangsresonanzkreis und ein an diesen gekoppeltes Schaltgerät. Der Regelkreis kann das Schaltgerät betätigen, um die abgegebene Hochfrequenzleistung zu vermindern. Das Schaltgerät ist vorzugsweise zwischen dem Ausgangsresonanzkreis und einer der beiden Versorgungsleitungen der Stromversorgungsmittel angeschlossen, und zwar so, dass er den Strom wiederholt über den Ausgangsresonanzkreis bei dessen Resonanzfrequenz schaltet. Der Regelkreis ist so angeordnet und an das Schaltgerät gekoppelt, dass er die "Ein"-Zeit des Schaltgeräts während der einzelnen Hochfrequenz-Schaltzyklen hinreichend rasch vermindern kann, um innerhalb von 100 us eine Verminderung der abgegebenen Ausgangsleistung um 50% des vorgegebenen Schwellenwerts zu erreichen, damit er ein Überschwingen der Regelung, ausgedrückt als das Maß, in dem die abgegebene Leistung vermindert wird, wenn die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellenwert erreicht, hervorruft. Dies gestattet die Ausführung der Chirurgie in einem Umfeld aus leitfähiger Flüssigkeit, insbesondere in einer Salzlösung. Große und schnelle Änderungen der Lastimpedanz können auftreten ohne wesentliche unerwünschte elektrochirurgische Wirkungen hervorzurufen. Wenn man beispielsweise eine elektrochirurgische Entwässerung erreichen möchte, kann jede Impedanzerhöhung durch Verdampfung der umgebenden Salzlösung im Bereich der aktiven Elektrode, die sonst beim zur wirkungsvollen Entwässerung erforderlichen Leistungsniveau zur unerwünschten Lichtbogenbildung führen würde, weitgehend vermieden werden. Wenn Gewebe elektrochirurgisch geschnitten oder verdampft werden muss, kann die Begrenzung der Ausgangsspannung angewendet werden, um Abbrennen der Elektrode und/oder übermäßige Gewebeverdampfung zu verhindern.
Der Regelkreis kann eine Steuerleitung aufweisen, die der Hochfrequenz-Ausgangsstufe ein erstes Steuersignal zur Verminderung der Leistung zuführt. Die Ausgangsstufe, die ein Hochfrequenz- Leistungsoszillator sein kann, hat typischerweise als schwingendes Element einen Hochfrequenzleistungsverstärker und in der bevorzugten Ausführungsform ist der Regelkreis so angeordnet, dass innerhalb von weniger als 20 us nachdem die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat eine Verminderung der Ausgangsleistung um mindestens 50% erzielt wird, indem die Durchlassperiode des Verstärkers während der einzelnen Perioden der Hochfrequenz-Ausgangssignals vermindert wird. Vorteilhaft wird diese Veränderung der Durchlassperiode unabhängig von jeglicher Schwankung der Versorgungsspannung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers erreicht. In der Praxis wird die Verminderung der Ausgangsleistung durch Verwendung nur einer Steuergröße, d. h. der Ausgangsspitzenspannung, unabhängig von der Versorgungsspannung und von der abgegebenen Ausgangsleistung, die sich je nach Lastimpedanz und Versorgungsspannung ändert, hervorgerufen. Daher geschieht je nach den Umständen die Auslösung der Leistungsverminderung bei dem gleichen eingestellten Schwellenwert der Ausgangsspannung, aber bei verschiedenen Werten der Ausgangsleistung und Lastimpedanz.
Das Sensorsignal stellt die Ausgangsspitzenspannung weitgehend unabhängig vom Scheitelfaktor der Ausgangsimpulsform dar und der Regelkreis umfasst in der Rückkopplungsschleife zum Schaltgerät keine Bauteile (wie Mittelungsschaltungen), die eine Signalverzögerung von mehr als 100 us verursacheh.
Die Mittel zur Verminderung der Ausgangsleistung können zusätzlich zur direkten Steuerung der Hochfrequenz-Ausgangsstufe eine weitere Steuerleitung umfassen, die an die Stromversorgungsmittel angeschlossen ist, wobei der Regelkzeis so eingerichtet ist, dass ein zweites Signal zur Verminderung der Leistung an das Stromversorgungsmittel abgegeben wird, um eine Verminderung der an die Ausgangsstufe abgegebenen mittleren Versorgungsspannung zu bewirken. Typischerweise ist die Geschwindigkeit der Leistungsverminderung durch Herabsetzung der Versorgungsspannung relativ langsam. Die Kombination beider Steuermittel kann jedoch einen größeren Bereich der verfügbaren Ausgangsleistungen schaffen.
Wenn die Stromversorgungsmittel ein Schaltnetzteil mit Glättungskomponenten im Ausgang sind, kann der Versorgungskreis so angeordnet sein, dass das zweite Steuersignal zur Leistungsverminderung eine Deaktivierung des Netzteils bewirkt, beispielsweise durch Sperren des gepulsten Ausgangssignals. Dementsprechend wird ein schnelles Ansprechen der Steuerung erreicht, wobei die Versorgungsspannung nach der anfänglichen Leistungsverminderung relativ langsam abfällt, um eine erneute Erhöhung des Taktverhältnisses des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers zu ermöglichen, wodurch bei Bedarf eine weitere schnelle Leistungsverminderung möglich ist.
Die direkte Steuerung der Hochfrequenz-Ausgangsstufe kann ausgeführt werden, indem man wiederholt erstens beim Erreichen des Ausgangsschwellenwerts eine schnelle Verminderung der Durchlassperiode aufeinanderfolgender Perioden des Leistungsverstärkers von einem Spitzen- zu einem Muldenwert erzeugt, auf die zweitens ein fortlaufender Anstieg der Durchlassperiode folgt, bis diese wiederum den Spitzenwert erreicht, wobei die Hochfrequenz-Ausgangsspannung während des fortlaufenden Anstiegs überwacht wird. Die Abfolge aus rascher Verminderung und fortlaufendem Anstieg kann wiederholt werden, bis der Spitzenwert der Durchlassperiode erreicht werden kann, ohne die Ausgangsspannung den Schwellenwert überschreitet, weil die Versorgungsspannung vom Schaltnetzteil wegen dessen Deaktivierung hinreichend gefallen ist. Die erneute Aktivierung des Schaltnetzteils erfolgt typischerweise nach einer Verzögerung, geeignet am Ende der ersten Schaltperiode, in der die Ausgangsspannung den Schwellenwert während der gesamten Periode nicht erreicht hat.
Die Ausgangsstufe umfasst bevorzugt einen Ausgangsresonanzkreis mit einem Gütefaktor Q, der hinreichend hoch ist, um Schaltrauschen aus dem Schaltgerät oder aus Geräten der Stufe zu entfernen, ohne das Ansprechen auf das Erreichen des vorgegebenen Schwellenwerts der Ausgangsspannung unangemessen zu verlangsamen. Typischerweise ist das Q ausreichend, um einen Scheitelfaktor unter 1,5 zu erreichen, wobei der Scheitelfaktor das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und dem quadratisch gemittelten Wert der Ausgangsimpulse ist.
Vorteilhaft hat der bevorzugte Generator eine Ausgangsimpedanz im Bereich von 100 bis 250 Ohm, bevorzugt zwischen 130 und 190 Ohm. Ein solcher Generator hat eine Hochfrequenz-Ausgangsstufe, die zur Erzeugung eines kontinuierlichen (continuous wave) Ausgangssignals betrieben werden kann, d. h. mit einem Taktverhältnis von 100% oder ohne eine Ein/Aus-Modulation der Pulsbreite mit Frequenzen unterhalb der HF-Schwingungsfrequenz. Dadurch kann die Ausgangsstufe im Leerlauf mit einer Leistungs/Lastimpedanz-Kurve arbeiten, die eine Spitze (bevorzugt nur eine Spitze) bei etwa 150 bis 160 Ohm hat, wobei die Kurve bei Impedanzen unterhalb und oberhalb der Spitze kontinuierlich abfällt.
Im bevorzugten System ist die Steuerschaltung des Generators so angeordnet, dass die Verminderung der Ausgangsleistung durch Verminderung der Durchlassperiode des Verstärkers während einzelner Perioden der Hochfrequenzschwingung bewirkt wird, vorzugsweise unabhängig von der Versorgungsspannung des Verstärkers. Auf das Sensorsignal der Ausgangsspitzenspannung ansprechende Mittel bewirken eine Reduktion der abgegebenen Ausgangsleistung um mindestens 50%, wenn das Sensorsignal anzeigt, dass ein vorgegebener Schwellenwert der Ausgangsspannung erreicht würde, wobei diese Verminderung in einem Zeitraum von 20 us oder weniger bewirkt wird.
Das elektrochirurgische Instrument umfasst einen Elektrodenaufbau mit einer distalen Behandlungselektrode und einer proximal im Abstand von der distalen Elektrode angeordneten Flüssigkeits-Kontaktelektrode. Beide Elektroden sind im Gebrauch von der leitenden Flüssigkeit umgeben und jede ist an die entsprechende der beiden Ausgangsklemmen angeschlossen. Der Leistungssteuerkreis des Generators kann so betrieben werden, dass er die Abfallzeit des Leistungsverstärkers infolge Verdampfung der leitenden Flüssigkeit an der distalen Elektrode vermindert:
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit. Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrochirurgischen Systems mit einem Generator ist,
Fig. 2 eine Teilansicht einer ersten Elektrodenanordnung zur Gewebeentwässerung im Gebrauch und eingetaucht in eine leitende Flüssigkeit ist,
Fig. 3 ein Graph einer Lastkennlinie ist, die die Änderung der Lastimpedanz über der abgegebenen Ausgangsleistung darstellt, die von einer Elektrodenanordnung nach Fig. 2 bei Benutzung in einer leitenden Flüssigkeit erzeugt wird;
Fig. 4 eine Teilansicht einer zweiten Elektrodenanordnung zur Gewebeverdampfung, dargestellt im Gebrauch in einer leitenden Flüssigkeit, ist,
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Generators ist,
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Teils der Steuerschaltung des Generators nach Fig. 5 ist,
Fig. 7 ein Diagramm der Impulsform ist, das eine typische Änderung des Musters der Hochfrequenz-Ausgangsspannung zeigt, das mit dem Generator nach Fig. 5 und 6 erhalten wird, wobei die zeitliche Änderung der Spannung im Zusammenhang mit Änderungen der Lastimpedanz und der Versorgungsspannung der Ausgangsstufe des Generators gezeigt wird,
Fig. 8 ein Schaltbild eines Teils des Generators nach Fig. 5 und 6 ist,
Fig. 9 ein Graph ist, der die Änderung der vom Generator als Funktion der ihm von der Elektrodenanordnung dargebotenen Lastimpedanz erzeugten Ausgangsleistung zeigt, wobei die Änderung der Ausgangsleistung in zwei Betriebsmodi des Generators dargestellt ist, und
Fig. 10 ein Graph ist, der die Änderung der Ausgangsleistung des Generators als Funktion der Lastimpedanz nach Modifikation der Generatorkennlinie aufgrund der Messung der Ausgangsspannung zeigt.
Von jeher war die Unterwasser-Elektrochirurgie für die Gerätetechnik die anspruchsvollste elektrochirurgische Anwendung. Der Grund dafür ist, dass die Anforderung für die elektrochirurgische Energie sehr hoch ist, insbesondere weil man zum Schneiden und Zerstören von Gewebe Lichtbögen unter Umständen erzeugen muss, bei denen die Energie von der umgebenden Flüssigkeit rasch verteilt wird. Demzufolge werden hohe Ströme angewendet, um die Verdampfung der die Elektrode umgebenden Flüssigkeit sicherzustellen. Leistungen bis zu 300 W sind üblich. Herkömmlich wird die Unterwasser-Elektrochirurgie unter Anwendung einer nichtleitenden Flüssigkeit oder eines solchen Spülmittels durchgeführt, um Verluste durch Stromleitung zu vermeiden. Das gewöhnlich verwendete Glycin hat den Nachteil, dass bei der Operation Gefäße durchtrennt werden können und das Spülmittel in den Kreislauf eingebracht werden kann. Diese Aufnahme verursacht unter anderem eine Verdünnung des Natriums im Serum, die zu einem als Wasserintoxikation bekannten Zustand führen kann.
Dementsprechend schlagen die Anmelder die Verwendung eines leitenden Mediums wie physiologische Kochsalzlösung vor, wobei die Elektrochirurgie unter Anwendung eines Systems mit einem Generator und einem Instrument durchgeführt wird, wobei letzteres einen Doppelelektrodenaufbau hat und die Salzlösung als Leiter zwischen den behandelten Gewebe und einer der Elektroden wirkt, die im Folgenden als "Rückführungselektrode" bezeichnet wird. Die andere Elektrode wird direkt auf das Gewebe gebracht und im Folgenden "aktive Elektrode" genannt.
Ein solches System ist in Fig. 1 gezeigt. Der Generator 10 hat eine Ausgangsbuchse 10S, die über ein Anschlusskabel 14 ein Hochfrequenz(HF)-Ausgangssignal an ein Instrument in Form eines Handstücks 12 abgibt. Der Generator kann vom Handstück 12 aus über eine Steuerleitung im Kabel 14 oder mittels einer Fußschaltereinheit 16, die, wie gezeigt, über ein Fußschalter- Anschlusskabel 18 getrennt mit der Rückseite des Generators 10 verbunden ist, eingeschaltet werden. In der dargestellten Ausführungsform hat die Fußschaltereinheit 16 zwei Fußschalter 16A und 16B zur Auswahl eines Entwässerungs- bzw. eines Verdampfungsmodus des Generators. Die Frontplatte des Generators weist Druckschalter 20 und 22 zur Einstellung der Leistungsstufen für Entwässerung bzw. Verdampfung auf, die auf einer Anzeige 24 gezeigt werden. Als alternative Mittel zur Auswahl zwischen Entwässerungs- und Verdampfungsmodus sind Druckschalter 26 vorgesehen.
Das Handstück 12 hält eine abnehmbare Elektrodenanordnung 28 mit einem doppelten Elektrodenaufbau, wie in der Teilansicht Fig. 2 dargestellt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des distalen Endes der Elektrodenanordnung 28. Am äußersten distalen Ende weist die Elektrodenanordnung eine aktive Elektrode 30 auf, die bei dieser Ausführungsform aus einer Reihe von Metalldrähten gebildet ist, die mit einem zentralen Leiter 32 verbunden sind. Die Drähte können aus Edelstahl hergestellt sein. Proximal zur aktiven Elektrode 30 und von dieser durch einen längs und radial sich erstreckenden Isolator 34 beabstandet befindet sich eine Rückführungselektrode 36. Diese ist koaxial als Hülse um den inneren Leiter 32 angeordnet und erstreckt sich als röhrenförmiger Stiel 40 zum proximalen Ende der Anordnung 28, wo sie im Handstück 12 an Leiter im Verbindungskabel 14 angeschlossen ist. In gleicher Weise erstreckt sich der innere Leiter 32 zum Handstück und ist an einen Leiter im Kabel 14 angeschlossen. Die Elektrodenanordnung 28 besitzt eine isolierende Hülle 42, die den Stiel 40 bedeckt und proximal zum Isolator 34 endet, wobei sie das distale Ende des Stiels 40 als Rückführungselektrode 36 freilässt.
Beim Betrieb als Entwässerungsinstrument wird die Elektrodenanordnung 28 wie in Fig. 2 gezeigt an das zu behandelnde Gewebe 44 angelegt, wobei das Operationsgebiet in physiologische Kochsalzlösung (Gewichtskonzentration 0,9%) eintaucht, hier als Tropfen 46 der den distalen Endabschnitt der Elektrodenanordnung 28 umgebenden Flüssigkeit dargestellt. Die Flüssigkeit umgibt sowohl die aktive Elektrode 30 als auch die Rückführungselektrode 36.
Weiter nach Fig. 2 sind die die aktive Elektrode 30 bildenden Metalldrähte alle miteinander und mit dem inneren Leiter 32 der Elektrodenanordnung unter Bildung einer einheitlichen aktiven Elektrode verbunden. Der Isolator 34 ist eine isolierende Hülse, deren distaler Endabschnitt proximal zum freiliegenden Teil der aktiven Elektrode 30 freiliegt. Typischerweise ist diese Hülse aus keramischem Material gefertigt, um eine Beschädigung durch Lichtbogenbildung zu vermeiden. Die Rückführungselektrode endet an einem Punkt kurz vor dem Ende des Isolators 34, sodass sie von der aktiven oder Gewebekontaktelektrode 30 sowohl radial wie auch axial beabstandet ist. Die Oberfläche der Rückführungselektrode ist beträchtlich größer als die der aktiven Elektrode 30. Am distalen Ende der Elektrodenanordnung liegt der Durchmesser der Rückführungselektrode typischerweise im Bereich von 1 bis 3 mm. Die Längsausdehnung des freiliegenden Teils der Rückführungselektrode beträgt typisch zwischen 1 und 5 mm und der Längsabstand zur aktiven Elektrode zwischen 1 und 5 mm.
Tatsächlich ist die Elektrodenanordnung bipolar, wobei sich nur eine der Elektroden (30) bis zum distalen Ende der Einheit erstreckt. Dadurch bleibt die Rückführungselektrode unter normalen Umständen im Abstand zu dem zu behandelnden Gewebe und zwischen den beiden Elektroden besteht ein Strompfad durch das Gewebe und die im Kontakt mit der Rückführungselektrode 36 stehende leitende Flüssigkeit.
Soweit es die Abgabe von bipolarer elektrochirurgischer Energie betrifft, kann die leitende Flüssigkeit 46 als eine Erweiterung des Gewebes mit niedriger Impedanz betrachtet werden. Die vom Generator 10 erzeugten Hochfrequenzströme fließen zwischen der aktiven Elektrode 30 und der Rückführungselektrode 36 durch das Gewebe 44 und die umgebende leitende Flüssigkeit 46. Die in Fig. 2 gezeigte Elektrodenanordnung ist sehr geeignet zur Gewebeentwässerung.
Axiale und radiale Trennung zwischen den Elektroden vermeiden den geringen Abstand herkömmlicher bipolarer Anordnungen, bei denen beide Elektroden das Gewebe berühren. Im Ergebnis besteht eine geringere Gefahr unerwünschter Lichtbogenbildung über die Oberfläche der Isolierung, was eine höhere Energiestreuung bei der Entwässerungsbehandlung ermöglicht und beim Schneiden oder Verdampfen des Gewebes übermäßige Lichtbogenbildung vermeidet, die zur Beschädigung der Isolierung zwischen den Elektroden führen kann.
Die umspülende Salzlösung kann durch eine (nicht gezeigte) Leitung im Instrument 12 zugeführt werden. So kann die Erfindung die Form eines elektrochirurgischen Systems zur Behandlung von Gewebe, das in eine leitende Flüssigkeit eintaucht, annehmen, das ein elektrochirurgisches Instrument mit einem Handstück und einem Stiel und an einem Ende des Stieles eine Elektrodenanordnung umfasst, die eine am äußersten distalen Ende des Instruments freiliegende Gewebekontaktelektrode und eine von der Gewebekontaktelektrode elektrisch isolierte Rückführungselektrode umfasst, die eine vom freiliegenden Teil der Gewebekontaktelektrode proximal beabstandete Kontaktoberfläche für Flüssigkeit aufweist. Das System umfasst ferner einen mit der Elektrodenanordnung des Instruments verbundenen Hochfrequenzgenerator, einen Vorratsbehälter für elektrisch leitende Flüssigkeit, wie physiologische Kochsalzlösung, und eine Leitung, typischerweise ein integraler Bestandteil des Endoskops, zur Förderung der Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in den Bereich der Elektrodenanordnung. Der Druck zur Förderung der Flüssigkeit kann von einer zum Gerät gehörenden Pumpe bereitgestellt werden.
Da bei dieser Ausführungsform der Elektrodenanordnung 28 die aktive Elektrode 30 aus Edelstahldrähten in Form eines Pinsels gefertigt ist, ist sie biegsam und ergibt eine reproduzierbare. Wirkung auf das Gewebe, der vergleichsweise unabhängig vom Berührungswinkel der Elektrode mit der Gewebeoberfläche ist. Die Biegsamkeit der Elektrode 30 führt auch zu einer differenzierten Berührungsfläche der aktiven Elektrode je nach dem ausgeübten Druck, wodurch die Breite der Entwässerung über die Gewebeoberfläche verändert und die Verfahrensdauer vermindert werden kann.
Die Entwässerung erfolgt kraft der zwischen der aktiven Elektrode 30 und der leitenden Flüssigkeit 46 durch die äußere Schicht des Gewebes 44 unmittelbar unter der und in einem Bereich um die aktive Elektrode 30. Die Ausgangsimpedanz des Generators wird auf ein Niveau eingestellt, das der Lastimpedanz der Elektrodenanordnung entspricht, wenn sie wie in Fig. 2 gezeigt verwendet wird, wobei beide Elektroden mit der leitenden Flüssigkeit 46 in Kontakt stehen. Um diesen für die Gewebeentwässerung angepassten Zustand aufrechtzuerhalten, wird die Ausgangsleistung des Generators automatisch in einer weiter unten beschriebenen Weise geregelt, so dass das Auftreten von Dampfblasen beträchtlicher Größe an der aktiven Elektrode 30 im Wesentlichen verhindert wird, was einen daraus folgenden Anstieg der Lastimpedanz vermeidet. Auf diese Weise wird die aktive Elektrode fortwährend von der leitenden Flüssigkeit benetzt, sodass die Impedanz einen oberen Grenzwert erreicht, der dem Punkt, an dem die leitende Flüssigkeit zu sieden beginnt, entspricht, während das Gewebewasser durch thermische Entwässerung entfernt wird. Im Ergebnis kann das System hohe Leistungen für die Entwässerung ohne unerwünschte Verdampfung der leitenden Flüssigkeit abgeben, was zu unerwünschten Wirkungen im Gewebe führen würde.
Das elektrische Verhalten der Elektrodenanordnung mit in die leitende Flüssigkeit 46 eintauchenden Elektroden 30 und 36 wird nun mit Bezug auf den Graphen in Fig. 3 betrachtet.
Beim ersten Anlegen des Stroms wird dem Generator eine anfängliche Lastimpedanz r dargeboten, welche durch die Geometrie der Elektrode und die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Flüs sigkeit bestimmt ist. Der Wert von r ändert sich, wenn die Elektrode das Gewebe berührt. Je höher der Wert von r ist, desto größer ist die Neigung der leitenden Flüssigkeit zum Verdampfen. Da die Energie sich im Gewebe und in der leitenden Flüssigkeit verteilt, steigt die Temperatur der leitenden Flüssigkeit an. Bei physiologischer Kochsalzlösung ist der Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit positiv und der entsprechende Koeffizient der Impedanz ist daher negativ, sodass die Impedanz anfänglich abnimmt. So zeigt die Kurve in Fig. 3 eine Abnahme der Lastimpedanz, wenn die abgegebene Leistung ansteigt, wobei die Impedanz durch einen Punkt A zu einem Minimum bei Punkt B fällt, bei dem die in unmittelbarem Kontakt mit der Elektrode stehende Salzlösung ihren Siedepunkt erreicht. Nun bilden sich kleine Dampfblasen an der Oberfläche der aktiven Elektrode und die Impedanz beginnt anzusteigen, wie durch die vom Punkt B zum Punkt C ansteigende Kurve gezeigt wird. Wenn der Siedepunkt erreicht ist, zeigt daher die Anordnung einen vorherrschend positiven Leistungskoeffizienten der Impedanz.
Wenn sich Dampfblasen bilden, erhöht sich die Leistungsdichte an der zurückbleibenden Grenzfläche der aktiven Elektrode zur Salzlösung (die freiliegende, nicht von Dampfblasen bedeckte Oberfläche der aktiven Elektrode), was die Grenzfläche weiter belastet und mehr Dampfblasen und eine noch höhere Leistungsdichte hervorruft. Dies ist ein instabiler Zustand und ein Gleichgewicht wird erst erreicht, wenn die Elektrode völlig von Dampf eingehüllt ist. Daher gibt es bei einer gegebenen Kombination von Variablen einen Schwellenwert für die Leistung beim Punkt C, wo ein neues Gleichgewicht erreicht ist.
Nach dem Gesagten erkennt man, dass der Bereich zwischen den Punkten B und C in Fig. 3 die Obergrenze der erreichbaren Entwässerungsleistung darstellt.
Nach der Bildung einer die Elektrode einhüllenden Dampftasche steigt die Impedanz auf etwa 1 kOhm, wie durch den Punkt D in Fig. 3 gezeigt ist, wobei der tatsächliche Impedanzwert von einer Reihe von Systemvariablen abhängt. Der Dampf wird dann durch Entladungen durch die Dampftasche zwischen der aktiven Elektrode und der Grenzfläche Dampf/Salzlösung aufrechterhalten.
- Dieser Betriebszustand wird durch Fig. 4 veranschaulicht, die eine alternative Elektrodenanordnung 28A mit einer halbkugel- oder ballförmigen Elektrode 30A anstelle der Pinselelektrode 30 der Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt. Wie zuvor ist die Rückführungselektrode 36A durch einen dazwischen angeordneten Isolator 34A proximal zur aktiven Elektrode 30A beabstandet. Die ballförmige Elektrode wird für die Gewebeverdampfung bevorzugt.
Die in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 50 versehene Dampftasche wird, nachdem sie sich erst einmal gebildet hat, durch Entladungen 52 zwischen der aktiven Elektrode und der Grenzfläche Dampf zu Salzlösung aufrechterhalten. Die Streuung der Leistung erfolgt hauptsächlich in dieser Tasche, wodurch die aktive Elektrode erhitzt wird. Die Menge der gestreuten Energie bei dieser Art Leitung ist eine Funktion der bereitgestellten Leistung. Man bemerkt in Fig. 3, dass der durch gestrichelte Linien bezeichnete Verdampfungsmodus bei viel geringerer Leistung aufrechterhalten werden kann, als zur Bildung der Dampftasche erforderlich ist. Die Impedanz-Leistungskurve zeigt daher Hysterese. Wenn der Verdampfungsmodus erst einmal eingerichtet ist, kann er über einen vergleichsweise großen Leistungsbereich aufrechterhalten werden, wie sich am sich beiderseits des Punkts D erstreckenden geneigten Teil der Kurve zeigt. Eine Erhöhung der bereitgestellten Ausgangsleistung über die durch den Punkt D bezeichnete hinaus verursacht jedoch einen raschen Temperaturanstieg der Elektrode und kann diese zerstören. Um die Dämpftasche zusammenfallen zu lassen und zum Entwässerungsmodus zurückzukehren, ist eine beträchtliche Verminderung der Leistung bis zum Punkt A erforderlich, wobei die direkte Berührung der Elektrode mit der Salzlösung wieder hergestellt wird und die Impedanz dramatisch abfällt. Auch die Leistungsdichte an der aktiven Elektrode fällt, sodass die Temperatur der Salzlösung nun unter den Siedepunkt fällt und die Elektrode dann wieder im stabilen Entwässerungsgleichgewicht ist.
Der im folgenden zu beschreibende Generator kann sowohl den Entwässerungs- als auch den Verdampfungsmodus aufrechterhalten. Während im allgemeinen die in den Fig. 2 und 4 dargestellten Elektrodenanordnungen in beiden Modi gebraucht werden können, ist die Pinselelektrode der Fig. 2 wegen der großen potentiell erreichbaren Fläche für den Entwässerungsmodus bevorzugt, und die Ballelektrode der Fig. 4 ist bevorzugt für den Verdampfungsmodus wegen ihres kleinen Verhältnisses zwischen den Oberflächen der aktiven und der Rückführungselektrode. Wie in Fig. 4 zu sehen, erfolgt die Gewebeverdampfung, wenn die Dampftasche 50 die Gewebeoberfläche durchschneidet, wobei bevorzugt die Elektrodenanordnung in einem kleinen Abstand (typischerweise 1 bis 5 mm) zur Gewebeoberfläche gehalten wird.
Der instabile Zustand, der auftritt, wenn die bereitgestellte Leistung das durch den Punkt C in Fig. 3 dargestellte Niveau erreicht, wird verschärft, wenn der Generator eine erhebliche Ausgangsimpedanz hat, weil dann die Ausgangsspannung plötzlich ansteigen kann. Mit erhöhter Verlustleistung und ohne kühlende Flüssigkeit um die aktive Elektrode 30 steigt die Temperatur der Elektrode rasch an, wodurch diese beschädigt wird. Dies erzeugt auch ein unbeherrschbares Zerreißen des Gewebes anstelle der beabsichtigten Entwässerung. Aus diesem Grund hat der bevorzugte Generator einen Ausgangsinnenwiderstand der der Lastimpedanz des benetzten Elektrodenaufbaus zumindest annähernd angepasst ist.
Der nun zu beschreibende bevorzugte Generator ermöglicht sowohl elektrochirurgische Entwässerung im Wesentlichen ohne unerwünschte Zerstörung der Zellen als auch elektrochirurgisches Schneiden oder Verdampfen im Wesentlichen ohne Abbrennen der Elektrode. Obwohl primär zum Operieren in einer leitenden Dehnflüssigkeit gedacht, kann er auch bei anderen elektrochirurgischen Verfahren angewendet werden, z. B. mit gasförmigen Dehnmedien oder wann immer rasche Änderungen der Impedanz auftreten können.
Nach Fig. 5 umfasst der Generator einen. Hochfrequenz (HF)- Leistungsoszillator 60 mit zwei Ausgangsanschlüssen 60C zum Anschließen an die durch die in Gebrauch befindliche Elektrodenanordnung dargestellte Lastimpedanz 64 über die Ausgangsklemmen 62. Der Oszillator 60 wird durch ein Schaltnetzteil 66 mit Energie versorgt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Hochfrequenzoszillator 60 bei 400 kHz, wobei jede Frequenz von 300 kHz aufwärts im HF-Bereich möglich ist. Das Schaltnetzteil arbeitet typischerweise bei einer Frequenz im Bereich von 25 bis 50 Hz. An die Ausgangsanschlüsse 60C ist ein Schwellwertdetektor mit einem an das Schaltnetzteil 66 angeschlossenen ersten Ausgang 68A und einem zweiten an einen Einschaltzeitsteuerkreis 70 angeschlossenen Ausgang 68B. Ein an Bedienfeld und Anzeige (in Fig. 1 gezeigt) angeschlossener Mikrokontroller 72 ist an einen Steuerungseingang 66A für die Stromversorgung 66, um die Generatorausgangsleistung durch Veränderung der Versorgungsspannung einstellen zu können, und an einen Schwellwerteingang 68C für den Spannungsschwellwertdetektor 68 zum Einstellen der Grenzwerte für die HF-Spitzenausgangsspannung angeschlossen.
Im Betrieb veranlasst der Mikrokontroller 72, dass Spannung an das Schaltnetzteil 66 angelegt wird, wenn elektrochirurgische Leistung vom Chirurgen durch Betätigung einer Aktivierungsschalteranordnung angefordert wird, die in einem Handstück oder einem Fußschalter vorgesehen sein kann (Fig. 1). Unabhängig von der Versorgungsspannung wird über den Eingang 68C an der Frontplatte des Generators (siehe Fig. 1) ein konstanter Ausgangsspannungsschwellwert entsprechend den Steuereinstellungen eingestellt. Zur Entwässerung und Koagulation wird der Schwellwert typischerweise auf einen Entwässerungsschwellwert zwischen 150 und 200 V eingestellt. Wenn ein Ausgangssignal zum Schneiden oder Verdampfen gefordert ist, wird der Schwellwert auf einen Wert im Bereich von 250 oder 300 bis 600 V eingestellt. Die Spannungen sind Spitzenspannungen. Dies bedeutet, dass es zur Entwässerung zumindest bevorzugt ist, eine HF-Signalform mit niedrigem Scheitelfaktor zu haben, damit man maximale Leistung erhält, bevor die Spannung auf den gegebenen Werten abgefangen wird. Typischerweise erhält man einen Scheitelfaktor von 1,5 oder weniger.
Wenn der Generator erstmals eingeschaltet wird, ist der Zustand des Steuereingangs 60I des HF-Oszillators 60 (der mit dem Einschaltzeitsteuerkreis 70 verbunden ist) "ein", sodass das Leistungsschaltgerät, welches das schwingende Element des Oszillators 60 bildet, während jeder Schwingungsperiode eine maximale Durchlasszeit eingeschaltet ist. Die an die Last 64 abgegebene Leistung hängt zum Teil von der vom Schaltnetzteil 66 an den HF-Oszillator 60 angelegten Versorgungsspannung und zum Teil von der Lastimpedanz 64 ab. Wenn die Versorgungsspannung hinreichend hoch ist, kann die Temperatur des die Elektroden des elektrochirurgischen Instruments umgebenden Flüssigkeit (oder in einem gasförmigen Medium die Temperatur der im Gewebe enthaltenen Flüssigkeit) so weit ansteigen, dass die Flüssigkeit verdampft, was zu einem raschen Ansteigen der Lastimpedanz und dadurch zu einem raschen Ansteigen der an den Klemmen 62 anliegenden Ausgangsspannung führt. Wenn ein Ausgangssignal für die Entwässerung gewünscht wird, ist dies ein unerwünschter Betriebszustand. Daher wird der Spannungsschwellwert für ein Ausgangssignal zur Entwässerung so eingestellt, dass Auslösesignale zum Einschaltzeitsteuerkreis 70 und zum Schaltnetzteil 66 gesendet werden, wenn der Schwellwert erreicht ist. Der Einschaltzeitsteuerkreis 70 bewirkt darin scheinbar sofort eine Verminderung der Einschaltzeit des HF-Oszillatorschalters. Gleichzeitig wird das Schaltnetzteil deaktiviert, sodass die an den Oszillator 60 abgegebene Spannung zu fallen beginnt.
Die nachfolgende Steuerung der Einschaltzeit der einzelnen Perioden des Oszillators 60 ist zu verstehen, wenn man den inneren Aufbau des Einschaltzeitsteuerkreises 70 betrachtet, der in Fig. 6 wiedergegeben ist. Der Kreis umfasst einen HF- Sägezahngenerator 74 (mit der HF-Oszillatorfrequenz durch ein Synchronsignal synchronisiert, das vom Oszillator abgeleitet und an einem Synchronisierungseingang 74I anliegt) und einen Rampengenerator 76, der durch einen Rücksetzimpuls vom Ausgang 68B des Spannungsschwellwertdetektors 68 (siehe Fig. 5) zurückgesetzt wird, der erzeugt wird, wenn die Schwellspannung erreicht ist. Dieser Rücksetzimpuls ist das oben erwähnte Auslösesignal. Der Einschaltzeitsteuerkreis 70 umfasst weiter einen Komparator 78 zum Vergleich der vom Sägezahngenerator 74 und vom Rampengenerator 76 erzeugten Sägezahn- und Rampenspannungen und gibt ein Rechtecksignal ab, das am Eingang 601 des HF-Oszillators 60 angelegt wird. Wie mit den Signalformkurven in Fig. 6 gezeigt, sehen die Signalformen von Sägezahn- und Rampensignal so aus, dass das Puls-Pausenverhältnis des am Oszillator 60 anliegenden Rechtecksignals nach jedem Rücksetzimpuls fortlaufend ansteigt. Dadurch wird, nachdem die Einschaltzeit des HF-Oszillators aufgrund des festgestellten Erreichens der Ausgangsschwellspannung scheinbar sofort vermindert wurde, die Einschaltzeit fortlaufend wieder auf den ursprünglichen Maximalwert gesteigert. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Versorgungsspannung des Oszillators aus der Stromversorgung 66 (Fig. 5) sich auf ein Niveau vermindert hat, bei dem der Oszillator mit maximaler Durchlassperiode arbeiten kann, ohne dass die vom Detektor 68 gemessene Ausgangsspannung die eingestellte Schwellspannung überschreitet.
Die Ausgangsspannung des Generators ist wichtig für den Betriebsmodus. Die Ausgangsmodi sind tatsächlich nur durch die. Ausgangsspannung, insbesondere die Ausgangsspitzenspannung, definiert. Absolutwerte der Ausgangsspannung werden nur für die Steuerung mit mehreren Variablen benötigt. Bei diesem Generator kann jedoch eine einfache Steuerung mit nur einer Stellgröße verwendet werden, um die Ausgangsspannung in den vorgegebenen Spannungsgrenzen zu halten. Daher vergleicht der in Fig. 5 gezeigte Schwellspannungsdetektor 68 die HF-Ausgangsspitzenspannung mit einem eingestellten Gleichspannungsschwellwert und besitzt eine hinreichend schnelle Ansprechzeit, um einen Rücksetzimpuls für den Einschaltzeitsteuerkreis 70 innerhalb einer HF-Halbperiode zu erzeugen.
Vor einer weiteren Betrachtung des Oszillatorbetriebs ist es nützlich, zur Impedanz-Leistungskurve der Fig. 3 zurückzukehren. Man erkennt, dass der wichtigste Schwellwert der bei der Entwässerung angewendete ist. Da die an der aktiven Elektrode sich bildenden Dampfblasen nicht leiten, erfährt die mit der Elektrode in Berührung bleibende Salzlösung eine höhere Leistungsdichte und hat daher eine größere Neigung zur Dampfbildung. Dieses Maß an Instabilität bewirkt einen Übergang zum Verdampfungsmodus bei gleicher Leistung wegen des instabilen Anstiegs der Leistungsdichte an der aktiven Elektrode. Im Ergebnis steigt die Impedanz an der aktiven Elektrode an. Die maximal aufgenommene Leistung fällt mit dem Elektrodenzustand unmittelbar vor der Bildung von Dampfblasen zusammen, weil diese mit der maximalen Leistungsverteilung und der größten benetzten Elektrodenoberfläche zusammenfällt. Daher ist es für maximale Entwässerungsleistung wünschenswert, dass die Elektrode im benetzten Zustand verbleibt. Die Anwendung der Grenzspannungserkennung bewirkt eine Leistungsverminderung, welche ein Kollabieren der Dampfblasen und wiederum eine höhere mögliche Leistungsaufnahme der aktiven Elektrode ermöglicht. Daher umfasst der in dieser Beschreibung dargestellte Generator eine Regelschleife mit einem großen Überschwingen, d. h. dass das Rückkopplungssignal durch die den vorgegebenen Schwellwert erreichende Spitzenspannung eine sofortige starke Leistungsverminderung durch die Verminderung der Ausgangsspannung auf einen Wert beträchtlich unter der durch den Schwellwertdetektor 68 gegebenen Ausgangsspitzenspannung verursacht. Dieses Überschwingen sichert die Rückkehr zum erforderlichen benetzten Zustand.
Bei dem mittels der Fig. 5 und 6 oben beschriebenen Generator erfolgt die Leistungsverminderung als Antwort auf das Erkennen der Schwellspannung auf zwei Wegen:
(a) eine sofortige Verminderung der an den Ausgangsschwingkreis des Oszillators abgegebenen HF-Energie und
(b) ein Abschalten des Gleichstroms zum Oszillator über eine oder mehrere Perioden des Schaltnetzteils (d. h. typischerweise über eine Minimaldauer von 20 bis 40 us).
Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die sofortige Leistungsverminderung mindestens drei Viertel der verfügbaren Leistung (oder mindestens die Hälfte der Spannung) der Gleichstromversorgung. Jedoch verursacht die kontinuierliche Rückkopplung der Schwellspannung fortlaufend eine Verminderung der von der Gleichstromversorgung abgegebenen Leistung. So wird eine schnelle Antwort der HF-Stufe selbst erreicht, wobei das Nachlaufen der Gleichstrom-Versorgungsspannung mit der Verminderung eine Rückkehr der HF-Stufe zu einem vollen Arbeitstakt oder einem Puls-Pausenverhältnis ermöglicht, wodurch eine erneute rasche Leistungsverminderung bei erneutem Überschreiten der Schwellspannung möglich ist.
Die Wirkung dieses Vorgangs auf die HF-Ausgangsspannung ist im Signalformdiagramm der Fig. 7 gezeigt, das Kurven für die HF- Spannung, die Versorgungsspannung des Oszillators und die Lastimpedanz während eines typischen Entwässerungsvorgangs in einem Zeitraum von 1 ms enthält. Ausgehend von der linken Seite des Diagramms mit annähernd konstanter Versorgungsspannung steigt die Ausgangsspannung mit steigender Lastimpedanz bis zu einem Punkt an, bei dem die Ausgangsschwellspannung erreicht wird, wonach die oben beschriebene sofortige Verminderung der Oszillator-Einschaltzeit erfolgt. Dies erzeugt, wie gezeigt, eine rasche Verminderung der HF-Ausgangsspannung, gefolgt von einem fortschreitenden Anstieg, wieder wie oben beschrieben. Wenn die Ausgangsspannung die Schwellspannung erreicht, deaktiviert der Spannungsschwellwertdetektor 68 (in Fig. 5 gezeigt) auch die Stromversorgung, was zu einem allmählichen Abfall der Versorgungsspannung führt. Im Ergebnis wurde, wie mit dem Punkt a in Fig. 7 gezeigt, die Schwellspannung nicht erreicht, wenn die Einschaltzeit des Oszillators wieder den Maximalwert erreicht hat. Jedoch beginnt die Lastimpedanz wieder zu steigen und verursacht einen weiteren, wenn auch langsameren, Anstieg der Ausgangsspannung; bis die Schwellspannung wieder erreicht ist (Punkt b). Wieder wird die Einschaltzeit des Oszillators sofort vermindert und dann fortschreitend erhöht, sodass die Signalform der Ausgangsspannung das vorherige Muster wiederholt. Nochmals wird die Schwellspannung erreicht, die Ausgangsspannung sofort vermindert (Punkt c) und die Einschaltzeit kann wieder ansteigen. An dieser Stelle erreicht jedoch (beim Punkt d) die Ausgangsspannung nicht den Schwellwert, bis eine beträchtlich längere Zeit verstrichen ist, weil die Versorgungsspannung sich weiter vermindert hat (die Stromversorgung ist noch deaktiviert). Tatsächlich ist dieser Zeitraum so lang, dass die Ausgangsspannung den Schwellwert über eine ganze Schaltperiode der Stromversorgung nicht erreicht hat, sodass diese inzwischen deaktiviert wurde (bei Punkt e).
Während dieses Zeitraums war die an die Elektrode abgegebene Leistung ausreichend, um die Lastimpedanz weiter zu steigern. Das unregelmäßige Verhalten der Impedanz ist typisch für den Beginn der Dampfbildung. Demzufolge sind nach dem nächsten Erreichen der Schwellspannung (bei Punkt d) mehrere aufeinanderfolgende Zyklen aus Einschaltzeitverminderung und -ansteigen (siehe f) verbunden mit einer weiteren Deaktivierung (siehe g) der Stromversorgung notwendig, um die Spannung unter dem. Schwellwert zu halten.
Man sieht dann, dass der Steuerkreis 70, 72 (Fig. 5) dynamisch arbeitet, um die Ausgangsspannung sowohl hinreichend schnell als auch in ausreichendem Maß zu vermindern, um die Spannung auf einem Wert zu halten, der mit dem zur Entwässerung ohne Zerreißen des Gewebes infolge Lichtbogenbildung erforderlichen im Einklang ist. Die gleiche Technik kann mit unterschiedlichem Spannungsschwellwert zur Begrenzung der Ausgangsspannung angewendet werden, um das Abbrennen der Elektrode und/oder übermäßige Gewebeverdampfung zu vermeiden. Im letzteren Fall kann die Grenzspannung auf einen Wert zwischen 250 (bevorzugt 300) und 600 V eingestellt werden.
Wegen der hohen Leistungsdichte an der aktiven Elekttode im Verdampfungsmodus wird der Hauptanteil der abgegebenen Energie in der Nähe der Elektrode verteilt. Im Verdampfungsmodus ist es erwünscht, dass nur minimale Erwärmung der Salzlösung erfolgt, aber jegliches Gewebe verdampft wird, das in die Dampfgrenze der aktiven Elektrode eindringt. Im Verdampfungsmodus wird der Dampf durch Lichtbögen in der Dampftasche aufrechterhalten, wie oben bei Fig. 4 beschrieben. Steigerung der Ausgangsspannung bei der Verdampfung führt wegen der größeren Dampftasche zu einem erhöhten Volumen des verdampften Gewebes. Ein Kollabieren der Dampftasche während der Gewebeverdampfung hat wegen der gesteigerten Nekrose infolge der größeren Energieverluste in die. umgebende Salzlösung weitergehende Folgen. Das Kollabieren der Dampftasche kann verhindert werden, indem man erstens die Elektrodenimpedanz im Verdampfungsmodus so einrichtet, dass das Instrument hinsichtlich der Impedanz in einem unangepassten Zustand ist, wodurch der Gütefaktor Q des Ausgangsschwingkreises hoch ist und die Ausgangsspannung sich nicht so rasch ändert wie bei niedrigerer Lastimpedanz, und zweitens, indem die aktive Elektrode eine beträchtliche Wärmekapszität hat, welche die Dampftasche über einen beträchtlichen Zeitraum aufrechterhält.
Eine unerwünschte Vergrößerung der Dampftasche kann vermieden werden, indem man die Ausgangsspitzenspannung im Verdampfungsmodus begrenzt, was in üblicher Weise durch Einsetzen eines unterschiedlichen Schwellwerts für den Spannungsschwellwertdetektor 68 (siehe Fig. 5) im Verdampfungsmodus erreicht werden kann.
Die Schaltung des HF-Oszillators 60, des Spannungsschwellwertdetektors 68 und des Einschaltzeitsteuerkreises 70 (in Fig. 5 gezeigt) im bevorzugten erfindungsgemäßen Generator ist in Fig. 8 gezeigt.
Der HF-Generator nach Fig. 8 umfasst einen als HF-Schalter wirkenden IGBT (bipolarer Isolierschichttransistor, insulated gate bipolar transistor) 80, der Energie in einen parallelen Resonanzkreis mit der Primärwicklung 82P des Transformators 8 und einen parallel geschalteten Resonanzkondensator 84 pumpt. Die HF-Energie wird von der Sekundärwicklung 82S des Transformators über die Entkopplungskondensatoren 86, 88 an die HF- Ausgangsklemmen 62 abgegeben. Die Energie für den Oszillatortransistor 80 wird durch eine Hochspannungs-Versorgungsleitung 90 geliefert, die an den Ausgang des Schaltnetzteils 66 (in Fig. 5 gezeigt) angeschlossen ist. Die Versorgungsleitung 90 wird durch den Kondensator 92 entkoppelt.
Die Rückkopplungsschleife des Oszillators verläuft von der Resonanz-Primärwicklung 82P (auf der entgegengesetzten Seite zur Versorgungsleitung 90) über eine Phasenschieberschaltung mit dem Kondensator 94, dem Widerstand 96 und den Kappdioden 98, 100 und über einen Feldeffekttransistor (FET) 104, die durch den Komparator 78 und verbundene Bauteile dargestellten spannungsgesteuerte monostabile Kippstufe und den Treiber 108, der an das Gate des Transistors 80 angeschlossen ist.
Die Spannung an der an den Transistor angeschlossenen Seite der Primarwicklung 82P ist im wesentlichen sinusförmig und wechselt mit einer Frequenz, die durch die parallel resonante Kombination von Wicklungsselbstinduktion und Kondensator 84 festgelegt ist. Der Spannungshub ist typisch mehr als das Doppelte der Versorgungsspannung auf der Versorgungsleitung 90 und fällt in negativen Halbperioden unter das Massepotential.
Die Phasenschieberschaltung 94, 96, 98, 100 liefert ein positives Rechtecksignal, das gegen die Primärspannung um 90º nach vorn phasenverschoben ist. Daher wird der FET 101 ungefähr dann eingeschaltet, wenn die Spannung auf der Primärwicklung 82P gerade ihr Minimum erreicht hat und ausgeschaltet, wenn sie gerade ihr Maximum erreicht hat. Wenn der FET 104 eingeschaltet wird, entlädt sich ein Verzögerungskondensator rasch und der Ausgang des Komparators 78 wird gesperrt. Der Treiber 108 ist nicht umkehrend und folglich wird der Transistor 80 zu diesem Zeitpunkt ebenfalls abgeschaltet. Es folgt, dass der Aus- Zeitpunkt des Transistors wiederholbar ist und durch den oben beschriebenen Rückkopplungspfad eine konstante Phasenbeziehung zur Primärspannung hat. Die Logik des Rückkopplungspfades ist auch so, dass das dem Steueranschluss des Transistors 80 zugeführte Rückkopplungssignal den Logikpegel "1" hat, wenn die Primärspannung sinkt (und die Potentialdifferenz an der Primärwicklung 82 steigt). Der Aus-Zeitpunkt tritt im Wesentlichen bei einer Spitze der Primärspannung ein, d. h. im gegebenen Fall, wenn die ihren Minimalwert hat.
Anders als der Aus-Zeitpunkt ist der Ein-Zeitpunkt des Transistors 80 variabel, wie nun beschrieben wird. Der Augenblick, zu dem der Logikpegel am Ausgang des Komparators 78 und an der Basis des Bauteils 80 auf "1" wechselt hängt von der am Umkehreingang 78I des Komparators 78 anliegenden Bezugsspannung ab. Im Ergebnis wird die Verzögerung zwischen Abschalten und Anschalten des Bauteils 80 durch den Spannungsvergleich am Eingang 78I des Komparators 78 festgelegt. Mit anderen Worten wird ein Ein-Signal zum Bauteil 80 im Vergleich mit dem Ausschalten um eine Zeitspanne verzögert, die der Vergleichsspannung am Umkehreingang entspricht. Diese Vergleichsspannung hängt von der Spannung am Widerstand 112 ab, der zu dem mit dem Widerstand 114 und dem Potentiometer 116 gebildeten Spannungsteiler gehört. Das Potentiometer 116 stellt die minimale Einschaltverzögerung ein, die dem maximalen Taktverhältnis des Transistors 80 entspricht. Die am Widerstand 112 erscheinende Spannung ist variabel und stellt den Steuerbereich der Einschaltzeit zwischen 25 und 100% des maximalen Taktverhältnisses dar. Der Verzögerungskondensator 110 wird über eine Niederspannungsleitung 120 vom Regelwiderstand 118 geladen (der für eine passende Zeitkonstante voreingestellt ist).
Vergleicht man Fig. 8 mit Fig. 6, dann erkennt man, dass die Spannung am nicht umkehrenden Eingang 78 N des Komparators 78 wie in Fig. 6 gezeigt eine Sägezahnform hat, die durch die wiederholte Auslösung des FET 104 und die Entladung des Kondensators 110 erzeugt wird, wobei jede Entladung des Kondensators von einer Aufladung über den Widerstand 118 gefolgt ist.
Die Spannung am Widerstand 112 ist normalerweise am Minimalwert und steigt, wenn die HF-Ausgangsspannung vom Generator einen vorgegebenen Spitzenschwellwert erreicht. Die dies bewirkende Schaltung wird nun beschrieben.
Die Messung der Ausgangsspannung erfolgt durch einen Spitzenspannungsdetektor, der an den Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen ist. Der Detektor umfasst eine Kapazitätsteilerkette 122, 124, die an den HF-Ausgang angeschlossen ist, wobei der Abgriff zwischen den Kondensatoren in die Primärwicklung eines Trennübertragers 126 eingespeist wird. Die parallel zu den Primär- und Sekundärwicklungen des Übertragers 126 angeschlossenen Widerstände 128 bzw. 130 wirken dämpfend, um unerwünschte Resonanzen zu vermeiden und hohe Frequenzen herauszufiltern, die bei der Bildung von Lichtbögen an der aktiven Elektrode auftreten können. Die an der Sekundärwicklung des Übertragers 126 erscheinende Messspannung wird dann zwei Komparatoren 132 und 134 zugeführt. Hier sollte man erkennen, dass nur eine Polarität der Messspannung (in diesem Fall die positive Halbwelle) für die Erkennung des Ausgangsspitzenspannungsschwellwerts herangezogen wird.
Jeder der Komparatoren 132, 134 hat zwei Eingänge, von denen einer an den Übertrager 126 zum Empfang der Messspannung und der andere an einen betreffenden Vergleichsspannungseingang 136, 138 (in. Fig. 8 mit CLAMR bzw. BOOST bezeichnet) angeschlossen ist. Die an diese Eingänge angelegten Vergleichsspannungen sind rechnererzeugte eingestellte Spannungsschwellwerte für den Entwässerungs- bzw. Verdampfungsmodus. Die Auswahl des Betriebsmodus erfolgt durch ein an den Steuereingang 140 und die Logikkette mit den Gattern 142, 144, 146 und 148 angelegtes Steuersignal (DES/VAP). Der Entwässerungsmodus wird durch den Logikpegel "1" am Eingang 140 eingestellt. Im Verdampfungsmodus deaktiviert der Logikpegel "0" an diesem Eingang wirksam den Ausgang des Komparators 132 über das NOR-Gatter 144, wobei die Ausgangsschwellwerterkennung dann dem NOR-Gatter 146 zugeführt wird. Man erkannt daher, dass die an den Eingang 136 angelegte CLAMP-Spannung die Vergleichsspannung ist, die den Schwellwert für die Ausgangsspitzenspannung bei der Entwässerung einstellt, während die am Eingang 138 anliegende BOOST-Spannung den Schwellwert für die Ausgangsspitzenspannung beim Verdampfungsmodus einstellt.
Wenn die Ausgangsspannung den eingestellten Schwellwert erreicht (d. h. eine Grenzspannung), wird der Transistor 150 eingeschaltet. Dieser Transistor kann den Kondensator 152 innerhalb von 50 ns von 1,5 auf 4 V aufladen. Die Basisladung des Transistors 150 ist groß genug um sehr schmale Impulse aus dem Spannungsdetektionskreis zu verbreitern und stellt daher sicher, dass der Kondensator 152 auch bei nur schwach erkannten Grenzspannungen am HF-Ausgang die maximale Spannung erreicht. Da das an der Basis des Transistors 150 anliegende Steuersignal nicht über mehrere Perioden gemittelt ist, schaltet der Transistor bei jeder Periode der HF-Oszillatorschwingung ein und aus, während die Ausgangsspitzenspannung den Schwellwert überschreitet. Demzufolge wird die Ausgangsspannung für jede Periode beobachtet und gesteuert. Der Kondensator 152 liefert nach Erkennen einer Grenzspannung fortschreitend niedrigere Vergleichsspannungen an den Komparator 78. Daher hat die Spannung am Emitter des Transistors 150 eine Signalform, wie sie für den Ausgang des Rampengenerators 76 in Fig. 6 gezeigt ist. Auf diese Weise wird der Einschaltzeitpunkt des Bauteils 80 sofort verzögert, wenn die HF-Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellwert erreicht und wird nachfolgend fortschreitend in dem Maß beschleunigt, wie die Spannung am Widerstand 112 langsam abfällt. Die Entladungsgeschwindigkeit des Kondensators 152 wird durch die Parallelschaltung des Widerstands 112 mit den Widerständen 114 plus 116 bestimmt.
Die vom Transistor 80 bereitgestellte Schaltenergie wird durch die in Reihe geschaltete Induktionsspule 154P in eine Stromsteuerung in die Primärspule 82P des Resonanzkreises umgewandelt. Die Wirkung der Induktionsspule 154P glättet die Energieeinspeisung in den durch die Wicklung 82P und den Kondensator 84 dargestellten Ausgangsschwingkreis und verhindert einen übermäßigen Einschaltstrom durch den Transistor 80 und Überschwingen der Eingangsspannung zur Wicklung 82P über die Spannung der Versorgungsleitung 90.
Bei voller Leistung erfolgt des erstmalige Einschalten des Transistors 80 beim Maximum der Spannung am Schwingkreis. Dies erzeugt einen Einschaltstrom von Null, da die Induktionsspule 154P nach jeder Periode völlig von Energie entleert ist. Der Strom in der Induktionsspule baut sich rasch bis zu einem Punkt auf, an dem die Spannung an der Wicklung 82P negativ wird. Dann setzt die Induktionsspule 154P ihre Energie in diese Sperrspannung frei. Der Nullstrom beim Ausschalten wird dann durch die sperrende Diode 156 sichergestellt, welche die Rückkehr von Energie vom Schwingkreis in die Induktionsspule 154P verhindert.
Wenn die Einschaltzeit des Transistors 80 vermindert wird, weil die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellwert erreicht, nimmt die Amplitude der Primärspannung an der Wicklung 82P soweit ab, dass die primäre Spitzenamplitude kleiner als die Versorgungsspannung ist. Insbesondere schwingt das Spannungsminimum an dem mit dem Transistor 80 verbundenen Ende der Primärwicklung 82P nicht mehr unter die Massespannung. Nun kann keine Energie mehr von der Induktionsspulew 154P zurück in den Schwingkreis abgegeben werden. Ein zweiter Pfad für die in der Induktionsspule 154P gespeicherte Energie wird dadurch eröffnet, dass diese Spule die Primärwicklung eines Transformators 154 ist, der eine Sekundärwicklung 154S aufweist, die über die Diode 158 an die Versorgungsleitung 90 angeschlossen ist. Die restliche beim Abschalten in der Induktionsspule 154P gespeicherte Energie bewirkt eine Vorspannung an der Diode 158, durch welche die Energie in die Versorgung zurückgespeist wird. Dieser Rückgewinnungsmechanismus gestattet Teilwerte der primären Resonanzamplitude ohne Beschädigung des Schalttransistors 80 durch ungekoppelte Energie, die übermäßige Spannung erzeugt.
Die Beziehung zwischen der Einschaltzeit des Transistors 80 und der Schaltenergie hängt von einer Anzahl Variabler ab, die alle die nichtlineare Energiespeichergeschwindigkeit der Induktionsspule 154P beeinflussen, wie Anfangsenergiegehalt des Schwingkreises 82P, 84, Belastung der Ausgangsklemmen 62 (die den Gütefaktor Q des Schwingkreises beeinflusst), die Last, indem sie die Schwingungsfrequenz beeinflusst.
Wie bereits beschrieben, verursacht das Erkennen, dass die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, nicht nur eine sofortige Verminderung des Taktverhältnisses des Schalttransistors 80 sondern es deaktiviert auch das (in Fig. 5 gezeigte) Schaltnetzteil. Diese Deaktivierungswirkung wird durch Einspeisen eines Signals vom Ausgang der Logikkette 142 bis 148 über ein Filter 160 zur Entfernung von HF-Impulsen zu einem DISABLE-Ausgang 68A, der an das Schaltnetzteil 66 angeschlossen ist.
Die Ausgangsimpedanz des Generators ist auf etwa 160 Ohm eingestellt. Die Wirkung dieser Einstellung wird aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Fig. 9 und 10, die als Graphen die Änderung der Ausgangsleistung, die vom Generator in verschiedene Lastimpedanzen erzeugt werden kann.
In Fig. 9 ist die an die Last abgegebenen Leistung als Funktion der Lastimpedanz für zwei verschiedene Einstellungen der Versorgungsspannung des Oszillators dargestellt. In beiden Fällen sieht man, dass links vom Leistungs/Impedanz-Maximum eine Zunahme der Lastimpedanz zu einem Ansteigender Ausgangsleistung und daher auch der Ausgangsspannung führt. Bei höheren Impedanzen, rechts von den Maxima, steigt die Spannung zwar langsamer, aber weiter, an, wenn die Impedanz zunimmt.
Ein Merkmal des bevorzugten erfindungsgemäßen Generators besteht darin, dass die Ausgangsstufe als Oszillator ohne Rückführung mit einer Ausgangsimpedanz (entsprechend den Maxima in Fig. 9) von etwa 160 Ohm arbeitet. Dies ist wesentlich weniger als die Ausgangsimpedanz von herkömmlichen Generatoren für die Unterwasser-Elektrochirurgie, und trägt zur Fähigkeit bei, instabiles Lichtbogenverhalten und daraus folgende übermäßige Gewebebeschädigung und Abbrennen der Elektrode zu vermeiden.
Man sollte verstehen, dass zur Entwässerung die Entstehung einer Dampfhülle und die Bildung von Lichtbögen vermieden werden sollte. Umgekehrt ist zum Schneiden oder Verdampfen die Bildung einer Dampfhülle und von Lichtbögen notwendig, jedoch auf einem Niveau, das zur geforderten Wirkung auf das Gewebe und zur Vermeidung des Abbrennens der Elektrode passt. Die Arbeitspunkte für Entwässerung und für Schneiden oder Verdampfen bei niedriger und hoher Leistung sind in Fig. 9 gezeigt.
Ein Merkmal der Kombination des erfindungsgemäßen Generators und einer Elektrodenanordnung mit zwei benachbarten Elektroden ist es, dass das Ausgangssignal scheinbar bistabil ist. Beim Arbeiten im Entwässerungsmodus ist die gesamte Elektrodenoberfläche im Kontakt mit einem elektrisch leitenden Medium und daher ist die Lastimpedanz vergleichsweise niedrig, wodurch ein Anstieg der Ausgangsspannung auf einen zur Lichtbogenbildung ausreichenden Wert verhindert wird. Umgekehrt ist beim Schneiden und Verdampfen die gesamte aktive Elektrode mit einer Dampfschicht von wesentlich höherer Impedanz bedeckt und die Dampftasche wird durch in ihr stattfindende Lichtbogenbildung aufrechterhalten, sodass nahezu die gesamte Energiestreuung in der Dampfhülle erfolgt. Zum Übergang vom Entwässerungs- zum Schneidmodus ist ein starker Leistungsstoß erforderlich, daher liegt das Maximum der Leistungs/Last-Kurve zwischeh den Arbeitspunkten für Entwässerung und Schneiden auf der Kurve. Lässt man die Ausgangsleistung so mit der Impedanz steigen, erreicht man trotz der niedrigen Impedanz der Elektroden einen starken Leistungsstoß von ausreichender Energie zur Lichtbogenbildung. Wenn die Versorgungsspannung des Oszillators erhöht wird, hat dieser eine größere Neigung, in den Schneidmodus umzuklappen, während bei niedrigen Werten der Versorgungsspannung die bistabile Natur des Ausgangs zwar stärker ausgeprägt ist, aber zum Entwässerungszustand neigt.
Die bistabilen Eigenschaften gehen nicht nur aus dem Impedanzverhalten der Elektroden hervor, sondern auch aus der Form der Leistungs/Lastimpedanz-Kurve. Je flacher die Lastkurve ist, desto konstanter ist die Ausgangsleistung über einen Bereich von Lastimpedanzen und desto weniger ausgeprägt ist der Effekt.
In Fig. 9 erkennt man, dass im Schneid-- oder Gewebeverdampfungsmodus durch die mit steigender Impedanz abnehmende Ausgangsleistung ein Gleichgewichtspunkt der Leistung erreicht wird. Im Entwässerungsmodus ist das Gleichgewicht weniger zwingend, weil es zwei Mechanismen der Impedanzänderungen gibt. Der erste Mechanismus ist die Erwärmung des leitenden Mediums und/oder des Gewebes, die wegen des positiven Leitfähigkeitskoeffizienten zu einer anfangs fallenden Impedanz führt, sodass beim ersten Anlegen der Leistung der Arbeitspunkt zur linken Seite der Kurve in Fig. 9 wandert. Demzufolge gibt es einen wohldefinierten Gleichgewichtspunkt, der durch die Verminderung der Impedanz bei steigender Spannung der Stromversorgung und die daraus folgende Abnahme der abgegebenen Ausgangsleistung bestimmt wird. Wenn jedoch Salzlösung oder Gewebeflüssigkeit, die in Berührung mit der aktiven Elektrode stehen, zu sieden beginnen, bilden sich kleine Dampfblasen, welche die Impedanz erhöhen. Wenn der Generator vor dem Umklappen in den Schneidmodus steht, überwiegt die Impedanzerhöhung durch Dampfbildung. Daher wird die Impedanzänderung mit steigender Versorgungsspannung positiv und der Arbeitspunkt bewegt sich zur rechten Seite der Kurve, was wegen der Form der Lastkurve eine größere Eingangsleistung ermöglicht, wodurch ein rascher Wechsel in den Schneid- oder Verdampfungsmodus erfolgt. Wenn die Dampfbildung weiter ansteigt, verursacht ein Impedanzanstieg einen Abfall der abgegebenen. Ausgangsleistung.
Die Anmelder haben gefunden, dass die oben beschriebenen inhärenten Gleichgewichte unzureichend sein können, um einen stabilen Koagulations- oder Schneidzustand aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund wird die HF-Ausgangsspannung des HF-Oszillators 60 (Fig. 5) begrenzt, wobei die Begrenzung extrem schnell, typischerweise mit einer Ansprechzeit von 20 us oder weniger erfolgt. Durch lineare Änderung der Einschaltzeit der Oszillatorschaltvorrichtung in Abhängigkeit von einem Rückkopplungssignal vom Schwellspannungsdetektor wird übermäßige Störung durch Hochfrequenz vermieden. Diese Technik wird angewendet in Verbindung mit einem relativ niedrigen Q des HF-Oszillatorausgangs bei Anpassung an die Last. Dieses Q ist ausreichend, um Schaltrauschen ohne übermäßige Dämpfung des Ansprechens auf die Ausgangsschwellspannungserkennung zu unterdrücken.
Als Beispiel ist der Einfluss der Schwellspannungssteuerung auf eine bestimmte Elektrodenkonfiguration n Fig. 10 gezeigt. Die fetten Linien 200, 202 bezeichnen die modifizierten Leistungs/Lastimpedanz-Kennlinien. Zur Entwässerung, gezeigt mit Kurve 200, wird das Schaltnetzteil so eingestellt, dass es eine Leerlaufleistung zwischen 75 und 100 W erzeugt, wobei in diesem Fall die tatsächliche Spitzenleistung etwa 90 W ist. Für Schneiden und Verdampfen (nach Kurve 202) kann die Spitzenleistung zwischen 120 und 175 W liegen. In diesem Fall ist sie etwa 150 W. Beispielhaft werden die Schwellspannungen auf 180 V für die Entwässerung und 300 V für das Schneiden eingestellt, wie durch die hyperbolischen Kurven konstanter Spannung 204 bzw. 206 veranschaulicht ist. Die Leistungs/Impedanz-Kurven folgen den entsprechenden Kurven konstanter Schwellspannung rechts von ihrem Schnittpunkt mit den unmodifizierten Leerlaufkurven 208 und 210. So versteht man, dass die Schwellkurve für die Entwässerung die im Entwässerungsmodus maximal ohne Lichtbogenbildung erreichbare Spannung darstellt, während die Schwellkurve für die Ausführung des Schneidens oder der Gewebeverdampfung zum Erreichen des gewünschten Gewebeeffekts und im Extremfall zur Vermeidung des Elektrodenabbrands begrenzt. Die Schwellkurve für die Entwässerung bezeichnet auch eine Spannung, die zur Lichtbogenbildung für Schneiden oder Gewebeverdampfen nicht ausreicht.
Ein bedeutendes Merkmal der Generatorkennlinie zum elektrochirurgischen Schneiden oder Gewebeverdampfen besteht darin, dass bei der Spitzenleistung (angepasste Impedanz) die Lastimpedanz zwischen den Impedanzen liegt, die den Schwellspannungen bei dieser Leistung entsprechen. Dagegen hat im Entwässerungsmodus die Leistungs/Lastimpedanz-Kennlinie ein Leistungsmaximum bei einer Impedanz, die unter der Schwellkurve für die Entwässerung bei dieser Leistung liegt.
In der Praxis wird die Ausgangsleistung im Entwässerungsmodus höher als im Schneid- oder Gewebeverdampfungsmodus sein. Der Grund für diese Feststellung (ungeachtet eines scheinbaren Widerspruchs zu den Lastkurven in Fig. 10) liegt darin, dass die oben beschriebenen Gleichgewichtspunkte an verschiedenen Stellen der entsprechenden Kurven liegen. Um das Schneiden zu sichern muss die hohe Spitzenspannung die Schwellkurve für das Schneiden (entsprechend dem Maximum bei 300 V) erreichen. Der Schneidmodus folgt dann der Schwellkurve für das Schneiden oder Verdampfen. Der Arbeitspunkt für das Schneiden wird durch die Lastimpedanz bestimmt, die entsteht, wenn ein geeignetes Maß an Lichtbogenbildung auftritt. Typischerweise ist die Lastimpedanz unter diesen Umständen größer als 1000 Ohm. Daher kann die während des Schneidens oder Gewebeverdampfens tatsächlich aufgenommene Leistung für diese spezielle beispielhafte Elektrode zwischen 30 und 40 W liegen, obwohl eine Spitzenleistung von vollen 150 W verfügbar ist, um sicherzustellen, dass Dampftaschen zur Förderung der Lichtbogenbildung entstehen. Dieser Zustand ist besser zu verstehen, wenn auch Fig. 3 herangezogen wird.
Im Entwässerungsmodus wird der Arbeitspunkt durch den aus der Dampfbildung resultierenden positiven Leistungskoeffizienten der Impedanz bestimmt. Demzufolge stellt sich das Gleichgewicht natürlich im Bereich des Maximums der Leistungs/Lastimpedanz- Kurve für das Entwässern ein.
Durch fortdauerndes Wechseln zwischen Entwässerungs- und Schneidezustand oder durch Veränderung der Schwellwerte können gemischte Modi angewendet werden.

Claims

1. Elektrochirurgiegerät zur Versorgung eines elektrochirurgischen Instruments (64) mit Hochfrequenzstrom, umfassend eine mit einer Versorgungsspannung (90) versehene Hochfrequenz-Ausgangsstufe (80, 82) mit zumindest einem Paar elektrochirurgischer Ausgangsklemmen (62) zur Abgabe von Hochfrequenzstrom an das Instrument, an die Ausgangsstufe angeschlossene Mittel (66) zu deren Stromversorgung, und einen Regelschaltkreis mit Sensormitteln (68), die ein Sensorsignal ableiten, das die an der Ausgangsklemmen entwickelte Hochfrequenz-Ausgangsspannung darstellt, und mit Mitteln (70), die auf das Sensorsignal reagieren und entweder unabhängig von der Versorgungsspannung (90) oder zusätzlich zu einer Verminderung der Versorgungsspannung (90) eine Verminderung der abgegebenen Ausgangsleistung bewirken, wenn das Sensorsignal das Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwerts anzeigt.

2. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 1, wobei das Mittel (70), das eine Verminderung der abgegebenen Ausgangsleistung bewirkt, so betrieben werden kann, dass es die abgegebene Ausgangsleistung mindestensum 50% vermindert, wenn das Sensorsignal das Erreichen des Schwellenwerts anzeigt, und wobei diese Verminderung innerhalb einer Zeitspanne von 20 us oder weniger bewirkt wird.

3. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 2, wobei die. Ansprechzeit des Regelschaltkreises und der an die Ausgangsstufe (80, 82) angeschlossenen Mittel hinsichtlich des Erreichens des vorgegebenen Schwellenwertes durch die Hochfrequenz-Ausgangsspannung 100 us oder weniger beträgt.

4. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel (70), die eine Verminderung der Ausgangsleistung bewirken, eine erste, an die Hochfrequenz- Ausgangsstufe (80, 82) angeschlossene Steuerleitung zur Abgabe eines ersten Steuersignals für die Leistungsverminderung an diese Stufe umfassen.

5. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ausgangsstufe (80, 82) zumindest einen Hochfrequenz- Leistungsverstärker (80) umfasst und wobei der Regelkreis so eingerichtet ist, dass die Verminderung der Ausgangsleistung um mindestens 50% unabhängig von der Versorgungsspannung des Verstärkers durch Verminderung der Durchlassperiode des Verstärkers während der einzelnen Perioden der Hochfrequenzschwingung bewirkt wird.

6. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Mittel, die eine Verminderung der Ausgangsleistung bewirken, außerdem eine zweite, an das Stromversorgungsmittel (66) angeschlossene Steuerleitung (68A) umfasst, und wobei der Regelkreis so eingerichtet ist, dass ein zweites Signal zur Verminderung der Leistung an das Stromversorgungsmittel abgegeben wird, um eine Verminderung der an die Ausgangsstufe abgegebenen mittleren Versorgungsspannung zu bewirken.

7. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 5, wobei das Mittel, das eine Verminderung der Ausgangsleistung bewirkt, außerdem eine zweite, an das Stromversorgungsmittel (66) angeschlossene Steuerleitung (68A) umfassen, und wobei der Regelkreis so eingerichtet ist, dass ein zweites Signal zur Verminderung der Leistung an das Stromversorgungsmittel. (66) abgegeben wird, um eine Verminderung der an die Ausgangsstufe (80, 82) abgegebenen mittleren Versorgungsspannung zu bewirken, und wobei das Stromversorgungsmittel (66) ein Schaltnetzteil mit Bauteilen zur Glättung am Ausgang umfasst, und wobei das Netzteil so eingerichtet ist, dass das zweite Steuersignal zur Leistungsverminderung eine Deaktivierung des Netzteils bewirkt.

8. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 5, wobei der Regelkreis wiederholt betrieben werden kann, um eine rasche Verminderung der Durchlassperiode aufeinanderfolgender Perioden des Leistungsverstärkers (82) von einem Spitzen- zu einem Muldenwert und danach einen langsameren fortdauernden Anstieg der Durchlassperiode zu bewirken, bis diese wieder den Spitzenwert erreicht, und wobei die Abfolge von rascher Verminderung und fortdauerndem Anstieg wiederholt wird, bis der Spitzenwert der Durchlassperiode erreicht werden kann, ohne dass die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

9. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 8, wobei der Regelkreis und das Stromversorgungsmittel so eingerichtet sind, dass das Netzteil (66) aktiviert ist, wenn der Spitzenwert der Durchlassperiode über eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten wurde.

10. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 9, wobei der Regelkreis und das Stromversorgungsmittel so eingerichtet sind, dass das Netzteil (66) bis zum Ende einer Schaltperiode deaktiviert ist, in der die Ausgangsspannung den vorgegebenen Schwellenwert während der gesamten Schaltperiode nicht erreicht hat.

11. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsstufe mindestens eine Hochfrequenz- Leistungsschaltvorrichtung (80) und frequenzselektive Bauteile (82, 84, 86, 88) aufweist, die in Verbindung mit der Schaltvorrichtung so betrieben werden können, dass eine Wellenform der Ausgangsspannung mit einem Scheitelfaktor von kleiner oder gleich 1,7 erzeugt wird.

12. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorsignal die Spitzenspannung am Ausgang darstellt.

13. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest im Entwässerungsmodus des Geräts der vorgegebene Schwellenwert im Bereich von 150 bis 200 V(peak) liegt und unabhängig von der Versorgungsspannung eingestellt wird.

14. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Regelkreis so eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung im Koagulationsmodus des Geräts auf den ersten vorgegebenen Schwellenwert und im Resektions- oder Gewebeverdampfungsmodus auf den zweiten, höheren vorgegebenen Schwellenwert der Ausgangsspannung begrenzt ist.

15. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch. 14, wobei die Ausgangsstufe (80, 82) eine Leistungs/Lastimpedanz-Kurve aufweist, deren Spitze bei konstanter mittlerer Versorgungsspannung auf der Seite niedriger Impedanz der die zweite vorgegebene Schwellenspannung darstellenden Linie (206) liegt.

16. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 15, wobei die Leistungs/Lastimpedanz-Kurve des Geräts im Resektions- oder Gewebeverdampfungsmodus zwischen der die zweite vorgegebene Schwellenspannung darstellenden Linie (206) und einer Linie (204), die die erste vorgegebene Schwellenspannung darstellt, liegt, und wobei die Impedanzkurve im Koagulationsmodus eine Spitze aufweist, die auf der Seite niedriger Impedanz der die erste Schwellenspannung darstellenden Linie (204) liegt.

17. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensormittel (68) zwischen den Ausgangsklemmen (62) angeschlossen sind.

18. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 17, wobei die Sensormittel (68) einen Transformator (126) mit einer Primärwicklung umfassen, die parallel zu feinem Teil (124) eines parallel zu den Ausgangsklemmen (62) angeschlossenen Spannungsteilers angeschlossen ist.

19. Elektrochirurgiegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Ausgangsstufe (80, 82), die kontinuierlich in Anordnung einer offenen Schleife betrieben werden kann und mit einer Ausgangsimpedanz im Bereich von 50 bis 250, bevorzugt zwischen 130 und 190 Ohm.

20. Elektrochirurgiegerät nach Anspruch 19 mit einer Ausgangsimpedanz zwischen 130 und 190 Ohm.