DE3225237C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Sicherungsvorrichtung für ein elektrochirurgisches Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Elektrochirurgie oder Hochfrequenzchirurgie ist eine bekannte, verbreitet angewendete Technik, um bei Operationen Schnitte und Koagulation vorzunehmen. Um einen elektrochirurgischen Operationsvorgang auszuführen, wird der Patient mit einem Generator für die elektrische Energie verbunden, der Hochfrequenzenergie erzeugt, gewöhnlich im Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz. Die Hochfrequenzenergie wird dem Patienten mit Hilfe einer aktiven Elektrode im zu operierenden Bereich zuführt, die eine kleine Kontaktfläche zum Patienten hat. Die elektrochirurgische Hochfrequenzquelle kann einen beträchtlichen Strom bei relativ hohen Spannungen erzeugen, und die hohe Stromdichte ergibt sich durch die kleine Kontaktfläche der aktiven Elektrode, wodurch der lokalisierte Schnitt oder der Koagulationsvorgang stattfinden. Nachdem der Strom durch die Operationsstelle geflossen ist, wird er zum Hochfrequenzgenerator über eine Rückführelektrode oder Stromrückführungsplatte zurückgeführt. Der Stromrückführungspunkt besitzt typischerweise einen großen Kontaktbereich mit dem Patienten, so daß die Stromdichte an der Stelle, wo der Strom vom Patienten auf die Platte fließt, an allen Kontaktpunkten gering ist. Aufgrund der niedrigen Stromdichte werden elektrische Verbrennungen an den Punkten, an denen die Rückführungselektrode den Patien­ ten berührt, vermieden. Die meisten herkömmlichen elektro­ chirurgischen Geräte haben den Mangel, daß der Patient ernsthafte elektrische Verbrennungen davontragen kann, wenn der elektrochirurgische Strom den Körper des Patienten über eine Bahn neben der Rückführungselektrode verläßt. Chirurgi­ sche Verbrennungen können durch sekundäre Erdungen auf tre­ ten, die einen Nebenstrompfad bilden. Wenn die Fläche des Kontaktpunktes, an dem der Strom den Körper des Patienten verläßt, klein ist, treten Verbrennungen auf. Sekundäre Er­ dungspfade können über Beobachtungselektroden gebildet wer­ den, die zwischen dem Patienten und einer geerdeten elektri­ schen Überwachungseinrichtung entstehen. Zusätzliche Erdungs­ bahnen können auch zwischen dem Patienten und einem geerde­ ten Träger oder dem Operationstisch oder zwischen Patient und Chirurg auftreten.

Unglücklicherweise können derartige Verbrennungen sehr ernsthafte Folgen haben, weil der Patient häufig während des chirurgischen Eingriffs unter Narkose steht und des­ wegen nicht reagiert. Die Verbrennungen können deshalb wäh­ rend erheblicher Dauer, in der der chirurgische Eingriff abläuft, stattfinden.

Ein Versuch, das Problem der Verbrennungen aufgrund wech­ selnder Erdungspfade in den Griff zu bekommen, hat zu ei­ nem elektrochirurgischen Generator geführt, der einen iso­ lierenden Ausgangstransformator verwendet. Bei diesem Ge­ nerator ist die von der Ausgangsstufe des Generators erzeug­ te elektrische Energie mit der aktiven Elektrode und der Rückführungselektrode über eine Sekundärwicklung eines Transformators verbunden, der nicht mit der Primärwicklung verbunden ist und nicht geerdet ist. Unglücklicherweise ist die elektrische Isolation wegen der Streu- oder Leck­ kapazität zwischen den Transformatorwicklungen und zwischen der Sekundärwicklung und Erde weit davon entfernt, perfekt zu sein, und es können am Patienten ernsthafte Verbrennungen auftreten, wenn das Rückführungskabel, das die Rückführungselektrode mit der elektrochirurgischen Energiequelle verbindet, unterbrochen wird oder wenn der Patient keinen Kontakt mehr mit der Rückführelektrodenplatte hat.

Eine Sicherheitsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus US 36 83 923 bekannt. Die Sicherheitsvorrichtung umfaßt einen Übertrager mit drei Wicklungen, von denen zwei primäre Wicklungen vom Arbeitsstrom durchflossen werden. Die eine der primären Wicklungen wird vom Strom im aktiven Stromkreis und die andere vom Strom im Rückführstromkreis durchflossen. Beide rufen ein Magnetfeld hervor, das sich aufhebt, solange die Ströme in den beiden Stromkreisen gleich groß sind. Fällt im Fehlerfall, etwa bei Unterbrechung der Masseleitung vom Patienten zum Generator der Strom im Rückführstromkreis weg, so wird allein durch den Strom im aktiven Stromkreis ein Magnetfeld hervorgerufen. Um dieses im Fehlerfall auftretende Magnetfeld zu erfassen, ist die dritte Wicklung, eine Sekundärwicklung, vorgesehen, die an ihren Ausgangsanschlüssen ein Fehlersignal bereitgestellt, bei dessen Auftreten durch geeignete aktive Schaltungen ein Alarmsignal erzeugt wird oder mit Hilfe eines Relais die Stromzufuhr unterbrochen wird. Jedoch bestellt bei dieser Vorrichtung weiterhin die Gefahr, daß bei Ausfall der dort vorgesehenen Warn- oder Abschalteinrichtungen weiterhin ein Strom den Patienten zugeführt wird, der Verbrennungen hervorrufen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung zu schaffen, bei der ein den Patienten schadigender Strom zuverlässig und ohne Einbeziehung aktiver Schaltungsteile ausgeschlossen wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sicherheitsvorrichtung der eingangs genannten Art mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist die Impedanz der Einrichtung zur Einführung einer Impedanz in den Arbeitsstromkreis sehr gering, solang der Strom im aktiven Stromkreis nahezu gleich dem Strom im Rückführstromkreis ist. Ist der Strom im aktiven Stromkreis aber größer als der Strom im Rückführstromkreis, weist diese Impedanz eine Größe auf, bei der der Strom im Arbeitsstromkreis auf einen eine Verbrennung des Patienten vermeidenden Wert verringert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, in denen zeigt:

Fig. 1 in schmeatischer Darstellung ein bekanntes elektrochirurgisches Gerät;

Fig. 2 ein elektrochirurgisches Gerät mit einer Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung die zwischen dem Generator und dem Patienten eingeschaltet ist;

Fig. 3 eine Darstellung der räumlichen Ausbildung eines Transformators und

Fig. 4 einen Transformator für die Verwendung mehrer aktiver Elektroden.

Fig. 1 zeigt ein elektrochirurgisches Gerät herkömmlicher Bauart, das eine Schaltung mit elektrisch isolierten Ausgang hat. Der Einfachheit und Deutlichkeit wegen ist nur der Ausgangstransformator des elektrochirurgischen Gerätes gezeigt. Die übrigen Teile und seine Arbeitsweise sind dem Fachmann wohl bekannt.

Das Gerät erzeugt ein Hochfrequenzsignal in der Primär­ wicklung 100 des Ausgangstransformators, das seinerseits ein hochfrequentes Hochspannungssignal in der Sekundär­ wicklung 121 hervorbringt. Die elektrochirurgische Ener­ gie vom Ausgang des Transformators des Gerätes wird über eine Leitung 129 der aktiven Elektrode 106, mit der am Pa­ tienten 123 operiert werden soll, zugeführt.

Während einer elektrochirurgischen Operation liegt der Pa­ tient auf einer Rückführelektrode 125, und der Strom I1, der über die aktive Elektrode 106 fließt, kehrt als Strom I2 über die Rückführelektrode 125 und die Leitung 127 zur Sekundärwicklung des Ausgangstransformators zurück. Die elektrochirurgische Operation, ein Schneid- oder Koagula­ tionsvorgang, kann mit der aktiven Elektrode 106 durchge­ führt werden, weil ihre Kontaktfläche zum Patienten 123 klein ist und deshalb die örtliche Stromdichte derart hoch ist, daß Erhitzung und sonstige Wirkungen auftreten, die in der Fachwelt bekannt sind.

Da die Fläche der Rückführelektrode 125 groß ist, bleibt die örtliche Stromdichte klein, so daß keine elektrochirur­ gischen Wirkungen an den Punkten auftreten, an denen der Strom vom Körper des Patienten auf die Rückführelektrode 125 übergeht.

Normalerweise ist ein derartiges bekanntes System so aus­ gelegt, daß die Sekundärwicklung 121 des Ausgangstransfor­ mators elektrisch "isoliert" oder mit Erde nicht verbun­ den ist. Man hält eine elektrische Isolation gewöhnlich aus Sicherheitsgründen für den Patienten während der elek­ trochirurgischen Operation für wünschenswert. Wenn bei per­ fekter Isolation eine Unterbrechung 103 in der Rückführ­ leitung 127 auftritt, hört theoretisch der Stromfluß im elektrochirurgischen Kreis auf, da kein vollständiger Strom­ kreis mehr zwischen dem Patienten und der Sekundärwicklung 121 des Ausgangstransformators besteht. In praktisch ange­ wendeten chirurgischen Geräten ist jedoch dieses theoreti­ sche Ziel deswegen nicht realisiert, weil beträchtliche Leckkapazitäten zwischen der aktiven und der Rückführlei­ tung bestehen (die schematisch als Kondensatoren 115 und 102 angedeutet sind). Zusätzlich besteht gewöhnlich eine erhebliche Kapazität zwischen den Windungen der Primär­ und der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators (sche­ matisch als Kondensator 101 dargestellt).

Aufgrund dieser Leckkapazität entsteht ein erhebliches Ver­ brennungspotential, wenn die Rückführleitung unterbrochen wird, weil Strom über die aktive Elektrode 106 in den Kör­ per des Patienten eintritt und zum elektrochirurgischen Ge­ nerator über irgendwelche Leckpfade zurückkehrt. Ein wei­ terer Pfad kann dadurch entstehen, daß der Patient irgend­ wo einen geerdeten Operationstisch berührt oder daß Beob­ achtungselektroden, die mit geerdeten elektrischen Ein­ richtungsgegenständen verbunden sind, mit dem Patienten in Berührung kommen, oder daß der Operateur selbst einen Rück­ führpfad darstellt. Wenn ein Nebenerdungspfad auftritt, kann z. B. am Punkt 135 ein Strom, der über die Leitung 129 und die aktive Elektrode 106 zufließt, in den Nebenerdungspfad gelangen (schematisch durch eine Leitung 140, einen Wider­ stand 145 und die Erde 150 angedeutet). Der in diesen Ne­ benpfad fließende Strom kann dann über die Leckkapazität 102 zur Sekundärwicklung 121 des elektrochirurgischen Transfor­ mators zurückfließen, da in den meisten elektrochirurgi­ schen Generatoren die Primärwicklung geerdet ist (bei 104), wobei dann der Rückführweg über die Zwischenwicklungskapa­ zität 101 zur Sekundärwicklung besteht.

Außerdem kann eine Verbrennung durch Bruch der aktiven Lei­ tung hervorgerufen werden. In diesem Fall fließt Strom durch den äußeren Kreis 130 zum Patienten und gelangt über den Generator über den normalen Rückführkreis zurück.

Wenn über einen derartigen Sekundärpfad ein Stromfluß auf­ tritt, können am Punkt 135 elektrische Verbrennungen auf­ treten, wenn die Kontaktfläche zwischen dem Patienten und dem Nebenstrompfad klein ist. Unglücklicherweise ist wäh­ rend der elektrochirurgischen Operation der Patient häufig narkotisiert und reagiert deshalb nicht auf eine solche Verbrennung. Da überdies der Patient während der Operation häufig bedeckt ist, kann die Verbrennung unbemerkt bleiben und damit sehr ernsthaft werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der in den elektrochirurgischen Stromkreis ein Leckströme aufhebender Transformator 208 eingefügt ist. Der Transfor­ mator besteht aus einem Kern 210, einer Primärwicklung 216 und einer Sekundärwicklung 220. Im Normalbetrieb fließt der elektrochirurgische Strom über die Primärwicklung 216 und die Leitung 229 zur aktiven Elektrode 206. Über die Rückführelektrode 225, die Leitung 227 und die Sekundärwicklung 220 kehrt der Strom dann zur Sekundärwicklung 221 des Elek­ trochirurgischen Ausgangstransformators zurück.

Der Transformator 208 ist der Einfachheit halber in der Fig. 2 schematisch wiedergegeben, weshalb Primär- und Se­ kundärwicklung getrennt dargestellt sind, die jedoch in Wirklichkeit nach Windungen und räumlicher Anordnung sehr eng aufeinander abgestimmt sind, wie es die Fig. 3 zeigt. Die Primärwicklung kann dabei die Wicklungsenden 301-303 und die Sekundärwicklung die Wicklungsenden 302-304 haben, wobei beide Wicklungen auf einen Ringkern 300 aufgewickelt sind.

Die Wicklungen sind in den elektrochirurgischen Stromkreis nach Darstellung gemäß Fig. 2 eingefügt, so daß der aktive Strom 11 über die Primärwicklung 216 in entgegengesetzter Richtung zum rückkehrenden Strom 12 fließt, der die Sekun­ därwicklung 220 durchströmt. Aufgrund der genau aufeinan­ der abgestimmten Wicklungen und des entgegengesetzten Strom­ flusses wird das Magnetfeld im Transformatorkern 210 fast vollständig aufgehoben.

Die normale elektrische Impedanz einer Transformatorwick­ lung bei einer bestimmten Betriebsfrequenz hängt von der In­ duktivität der Wicklung ab, die ihrerseits mit der Größe des im Transformatorkern herrschenden Magnetfeldes in Bezie­ hung steht. Bei einem typischen Transformator, der nach dem Prinzip der Erfindung aufgebaut ist, beträgt die Induktivi­ tät einer Wicklung des Transformators (Primärwicklung oder Sekundärwicklung) annähernd 3 mH, wenn die zweite Wicklung offengelassen ist. Sind die Wicklungen aber so geschaltet, wie es die Fig. 2 zeigt, so daß gleiche Ströme in entgegengesetzten Richtungen durch die Wicklungen flie­ ßen, bewirkt das Wegheben der Magnetfelder im Transformator­ kern, daß die Induktivität beider Wicklungen auf etwa 3 µH oder nahezu 1/1000 des nicht weggehobenen Induktivi­ tätswertes absinkt.

Bei einer Schaltung gemäß Fig. 2 und gleichen Strömen in Primärwicklung 216 und Sekundärwicklung 220 ist die Impe­ danz, die von der Transformatorwicklung dargeboten wird, im Vergleich zur Impedanz des Patienten sehr klein. Arbei­ tet ein derartiger Transformator mit einer Frequenz von 500 kHz, so bedeutet die Induktivität von 3 µH eine Gesamtimpedanz von etwa 9 Ohm. Bei dieser Frequenz ist hin­ gegen die Impedanz des Patienten etwa 200 Ohm. Da die elek­ trochirurgische Energie proportional zum Quadrat des Stromes ist, ist der Anteil der in der Transformatorwicklung ver­ lorengehenden Energie kleiner als 5% unter Normalbetriebs­ bedingungen.

Wenn jedoch in der Rückführleitung eine Unterbrechung 203 auftritt, fließt Strom über die Leitung 229 und die aktive Elektrode 206, und dann über den Patienten 223 und aus ir­ gendeinem Erdungspunkt 225 über einen Erdstromkreis 230, der an der Leitung 240, einem Widerstand 245 und der Erde 250 besteht. Der Strom fließt dann entweder über die Streu­ kapazität 202 oder die Kapazität 201 zwischen den Wicklun­ gen, wie früher beschrieben. Daraus ergibt sich, daß der durch die Sekundärwicklung 220 des den Leckstrom aufheben­ den Transformators fließende Strom praktisch auf Null herabgesetzt ist. Es fließt also kein Strom durch die Wick­ lung 220 zurück, so daß das Magnetfeld im Kern 210 nicht aufgehoben wird und die Primärwicklung 216 die gesamte normale Impedanz (im Beispielsfall 3 µH) vorfin­ det. Bei 500 kHz ergibt eine Induktivtät von 3 µH eine Im­ pedanz von etwa 9000 Ohm, was etwa das 50-fache der Impe­ danz von 200 Ohm des Patienten ist. Damit wird der durch den Patienten fließende Strom sehr klein gehalten, und die Gefahr, daß am Patienten Verbrennungen auftreten, ist damit gering.

Der durch den Patienten fließende Leckstrom kann zusätzlich dadurch noch weiter herabgesetzt werden, daß der Wert der nicht aufgehobenen Induktivität der Transformatorwicklung so gewählt wird, daß mit der auftretenden Leckkapazität Parallelresonanz entsteht. Bei einer Unterbrechung der Rückführungsleitung sollte die nicht weggehobene Wicklungsinduk­ tivität der Wicklung 216 mit der Kapazität der aktiven Lei­ tung, die durch den Kondensator 215 angedeutet ist, zur Re­ sonanz abgestimmt sein. Unter diesen Bedingungen kann die Impedanz des Resonanzkreises hoch werden, wobei sie vornehmlich durch die Gütezahl "Q" des Resonanzkreises und die Impedanz des Patienten von 200 Ohm begrenzt ist. Da die Leckkapazität (schematisch durch Kondensator 215 angedeutet) bei jedem elektrochirurgischen Gerät relativ fest ist, ist es möglich, eine Schaltung zu bekommen, die bei einem Bruch des Rückführkabels oder schlechten Erdungsbedingungen sich dem Resonanzpunkt nähert. Speziell können die Kapazität und die nicht aufgehobene Wicklungsimpedanz so gewählt werden, daß bei der Operationsfrequenz Resonanz auftritt.

Zusätzlich kann der dargestellte Transformator Leckströme aufheben, die durch schlechte Verbindung der aktiven elek­ trochirurgischen Leitung (häufig verursacht durch eine Un­ terbrechung in der aktiven Leitung oder wenn die aktive Leitung vom Patienten weggehalten wird und der Generator eingeschaltet ist) hervorgerufen werden. Unter diesen Um­ ständen kann die nicht aufgehobene Wicklungsinduktivität der Wicklung 220 so gewählt werden, daß bei der elektrochi­ rurgischen Arbeitsfrequenz Resonanz mit der Leckkapazität der Rückführleitung (schematisch durch Kondensator 202 dar­ gestellt) auftritt. Da die Leckkapazität der Rückführlei­ tung gewöhnlich etwa gleich der Leck- oder Streukapazität der aktiven Leitung bei den meisten elektrochirurgischen Geräten ist, sind die Transformatorwicklungen mit beiden Streukapazitäten auf Resonanz abgestimmt und heben somit Leckströme sowohl in der Rückführleitung als auch in der aktiven Leitung auf.

Das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Leckströ­ me aufhebenden Transformators weist einen aus Eisenpulver gepreßten Kern 300 der Type 400T750-3C8 auf, der von der Firma Ferroxcube, Inc., 5083 King′s Highway, Saugerties, N.Y. 12477, hergestellt wird. Die Wicklungen 301 und 302 bestehen aus jeweils 22 Windungen der Drahtstärke 22 Gauge (0,11 mm Durchmesser) und liegen räumlich nahe beieinander. Seine Wirkung hat dieser Transformator, wenn er irgendwo in die aktive und die Rückführleitung zwischen dem elektrochi­ rurgischen Generator und dem Patienten eingefügt wird. Z. B. kann der Transformator nahe bei der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators installiert werden, um die Transformatorwicklungskapazität aufzuheben. Der den Leck­ strom aufhebende Transformator kann auch unmittelbar hin­ ter der Frontplatte des elektrochirurgischen Generators angeordnet sein, um die gegenseitige Kapazität des Trans­ formators, die Leitungskapazität und die Streukapazitäten in Hilfsschaltkreisen wie Handsteuerschaltern oder Patien­ tenelektrodenschaltern zu beseitigen. Der den Leckstrom auf­ hebende Transformator kann auch an einer Stelle angebracht werden, die sich vom Generator entfernt befindet, z. B. in einem Kasten am Operationstisch. Dies erlaubt ein erwünsch­ tes Aufheben von Leckströmen in europäischen Operationsräu­ men, bei denen der elektrochirurgische Generator oft außer­ halb des Operationsraums untergebracht ist. Außerdem kann gemäß der Erfindung der den Leckstrom aufhebende Transfor­ mator bei elektrochirurgischen Einheiten mit mehreren akti­ ven Elektroden verwendet werden, etwa Monopolarelektroden, die durch Fußschalter und Handschalter gesteuert werden. In diesem Fall weist er eine weitere Primärwicklung 405 auf, die einfach neben der normalen Primär- und der Sekundärwick­ lung 401 und 401 auf den Transformatorkern 400 aufgewickelt ist. Die aktiven Elektroden sind mit den zwei Primärwick­ lungen verbunden, während die Sekundärwicklung mit der Rück­ führelektrode verbunden ist, wie in Fig. 2 gezeigt.

Einzelheiten des Transformatoraufbaus kön­ nen im Rahmen der Erfindung verändert werden; so sind anders geformte Kerne oder Wicklungsanordnungen möglich.

Claims (5)

1. Sicherheitsvorrichtung für ein elektrochirurgisches Gerät mit

• - einem elektrischen Generator für elektrische Leistung zur Angabe eines hochfrequenten Stromes mit einer bestimmten Betriebsfrequenz,
• - einem aktiven Stromkreis (229) zur Zuführung des Stromes (11) zu einer aktiven Elektrode (206), mit der am Patienten (223) der elektrochirurgische Eingriff durchgeführt wird,
• - einem Rückführstromkreis (227) zur Rückführung des Stromes (12) von einer Rückführelektrode (205), und
• - einer Einrichtung (208), die in den aus aktivem Stromkreis und Rückführungsstromkreis bestehenden Arbeitsstromkreis eingeführt ist und eine Impedanz in den Arbeitsstromkreis einführt, wenn der Strom (11) im aktiven Stromkreis nicht mit dem Strom (12) im Rückführstromkreis übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Einrichtung (208) derart ausgestaltet ist, daß die eingeführte Impedanz eine Größe aufweist, bei der der Strom im Arbeitsstromkreis auf einen eine Verbrennung des Patienten vermeidenden Wert verringert wird.

2. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einführung einer Impedanz ein Transformator (208) mit einem Kern (210; 300; 400), einer Primärwicklung (216; 301; 401), die im aktiven Stromkreis (229) liegt, und einer Sekundärwicklung (220; 302; 402), die im Rückführstromkreis (227) liegt, ist.

3. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Primärwicklung (216; 301; 401) und der Sekundärwicklung (220; 302; 402) bei geöffnetem Stromkreis mit der Streukapazität (202, 215, 201) der elektrochirurgischen Schaltung bei der Betriebsfrequenz in Resonanz ist.

4. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (208) wenigstens eine zusätzliche Primärwicklung (405) hat, die mit der Sekundärwicklung (402) in körperlicher Beziehung steht und mit dem aktiven Stromkreis verbunden ist.

5. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (208) vom Generator räumlich entfernt untergebracht ist.