DE3306402A1

DE3306402A1 - Ueberwachungsschaltung fuer einen patienten zur vermeidung unbeabsichtigter verbrennungen waehrend einer elektrochirurgischen behandlung

Info

Publication number: DE3306402A1
Application number: DE19833306402
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. 6301 Wettenberg Irnich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-02-24
Filing date: 1983-02-24
Publication date: 1984-09-06
Also published as: US4657015A; DE3306402C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsschaltung für einen Patienten zur Vermeidung von unbeabsichtigten Verbrennungen während einer elektrochirurgischen Behandlung.

Bei der Hochfrequenzchirurgie wird über eine kleinflächige "aktive" Elektrode elektrische Energie in das Gewebe eingeleitet, um dort entweder durch Verkochen von Gewebeflüssigkeit Flüssigkeitskanäle wie Arteriolen, Venolen oder Lympfgefäße zu schließen (Koagulieren), oder um durch lokales Verdampfen im Gewebe Schnitte auszuführen. Dabei entsteht die größte Hitzewirkung dort, wo der Widerstand am größten ist. Das ist in der Regel an der kleinflächigen aktiven Elektrode der Fall. Der Rückfluß des Stroms erfolgt über die sogenannte "neutrale" Elektrode, die auf der Körperoberfläche angeordnet und großflächig ausgebildet ist, um den Übergangswiderstand möglichst klein zu halten.

Wenn die neutrale Elektrode, die im allgemeinen aus einem flexiblen Messinggeflecht, aus einer leitenden Gummiplatte oder aus einer Aluminiumfolie besteht, sich nicht mit ihrer ganzen Fläche der Körperform anpaßt und mit der Haut in innigem Kontakt steht, dann erfolgt der Stromübergang von der Haut auf die Elektrode nur auf Teilflächen der Elektrode. Wird die Kontaktfläche zu klein, dann können sich folgende drei Phänomene ausbilden:

1. Durch die Konzentrierung des Stromes auf eine kleine Teilfläche wird die Stromdichte so groß, daß sich die Haut unter der Teilfläche unzulässig hoch erwärmt und zu einer Verbrennung II. oder III. Grades führt.

2. Durch die Erhöhung des Übergangswiderstandes an der nur teilaktiven Neutralelektrode erhöht sich die HF-Spannung der Körperoberfläche gegenüber der geerdeten Umgebung'. Berührt der Patient ein geerdetes, leitfähiges Teil, muß der Patient mit Verbrennungen II. oder III. Grades an dieser Berührungsstelle rechnen.

3. Über eine Feuchtigkeitsbrücke zwischen Körperoberfläche und der geerdeten Umgebung kann zur-Neutralelektrode ein Nebenschluß gebildet werden, der den Feuchtigkeitsfilm derart erhitzen kann, daß daraus ebenfalls eine Verbrennung II. Grades folgt.

Die beschriebenen unbeabsichtigten Verbrennungen entstehen im allgemeinen dann, wenn die neutrale Elektrode nicht sachgerecht angebracht wurde, oder wenn im Verlaufe einer Operation durch Verlagerung des Patienten sich die Elektrode unbemerkt verschiebt. Da der Patient in der Regel durch sterile Tücher abgedeckt ist, ist für den Operateur eine derartige Gefahrenquelle nicht erkennbar. . ' .

Es ist zwar bekannt und üblich, zur Verringerung der Gefahr solcher unbeabsichtigter Verbrennungen die HF-Elektrochirurgiegeräte mit einem Stromkreis auszurüsten, der die leitende Verbindung des Kabels der neutralen Elektrode und seiner Anschlüsse überwacht. Ist der überwachte Kreis nicht geschlossen, dann wird das HF-Chirurgiegerät abgeschaltet und ein akustisches Signal gegeben. Diese bekannte Überwachungsschaltung ist aber nicht in der Lage festzustellen, ob die neutrale Elektrode ordnungsgemäß angebracht wurde, und kann deshalb die hierauf zurückführenden Verletzungen nicht vermeiden.

- S-

Bei einer anderen bekannten Überwachungsschaltung werden zwei elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden an die Körperoberfläche angelegt, und der Überwachungskreis über den Patienten geschlossen. Wenn eine Elektrode den Kontakt zur Haut verliert, spricht der Überwachungskreis an und löst Alarm aus. Bei dieser bekannten Überwachungsmethode wird zwar die Gefahr einer unbeabsichtigten Verbrennung vermindert, kann hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der unbeabsichtigte, auf mangelhaftem Kontakt der Neutralelektrode mit der Haut oder auf einem fehlerhaften Anschluß der neutralen Elektrode beruhende Verbrennungen mit Sicherheit auszuschließen sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine die Körperspannung abgreifende Kontrollelektrode, eine die von der Kontrollelektrode abgegriffene Spannung quadrierende Schaltung, eine die quadrierte Spannung integrierende Schaltung, und eine die integrierte Spannung mit einer Referenzspannung vergleichende Komparator· schaltung, von der ein Signalgeber und/oder ein das HF-Chirurgiegerät abschaltendes Relais angesteuert wird.

Die Erfindung geht von der Ekenntnis aus, daß die auf der Körperoberfläche abgegriffene Spannung zwar ein Indiz dafür ist, daß ein ordnungsgemäßer Kontakt der Neutralelektrode nicht vorhanden ist, daß die elek-

trische Spannung als solche aber über die Verbrennungsgefahr noch nichts aussagt. Denn hierfür ist allein die Zufuhr der elektrischen Energie entscheidend, die sich aus dem Produkt aus der elektrischen Feldstärke und der Stromdichte einerseits und aus der Einwirkungszeit andererseits ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird aus der meßbaren Spannungsgröße die einwirkende elektrische Gesamtenergie, und dadurch unmittelbar das Ausmaß einer Verbrennungsgefahr ermittelt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich anhand folgender Überlegungen erklären:

Schädigungen durch Übererwärmung bei der HF-Chirurgie sind immer dann gegeben, wenn in einem stromdurchflossenen Areal sich das Gewebe durch elektrische Energie auf Temperaturen aufheizt, die nicht mehr tolerabel sind. Dies dürfte der Fall sein, wenn die Hauttemperatur von etwa 35 Grad C auf 45 Grad C und mehr erhöht" wird, also die Thermoregulation lokal nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Man kann annehmen, daß bei einem Stromfluß im Sekundenbereich dieser Zustand dann erreicht wird, wenn die verabreichte Energie pro Volumen, auch "volumenspezifische Energie", den Wert 15 J/cm übersteigt. Dem entspricht in den Begriffen der Elektrodynamik eine Energiezufuhr, die gegeben ist als das Zeitintegral über das Produkt aus elektrischer Feldstärke und Stromdichte. Kann man Proportionalität im Sinne des Ohm¹sehen Gesetzes zwischen Stromdichte und Feldstärke annehmen, und dies wird üblicherweise bei der

HF-Chirurgie vorausgesetzt, dann Jkann die Stromdichte durch die Feldstärke dividiert durch den spezifischen Widerstand ersetzt werden. Eine. Verbrennung muß also immer dann befürchtet werden, wenn die maximal zulässige volumenspezifische Wärme gleich dem Zeitintegral über das Feldstärkequadrat multipliziert mit dem Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist oder, als mathematische Formel ausgedrückt:

.lax wobei

dlV dV

max

die maximale volumenspezifische Wärme, die noch nicht zu einer Schädigung führt

den spezifischen Widerstand

die Einschaltzeit des HF-Chirurgiegerätes, und

die elektrische Feldstärke bedeuten.

Gegenüber der Neutralelektrode oder einem Berühren eines geerdeten Teiles kann man im allgemeinen die Berührungsfläche als groß gegenüber dem Abstand d zwischen der metallischen Oberfläche der Elektrode und dem gut leitenden transkutanen Gewebe unterhalb der Epidermis annehmen. Unter dieser Voraussetzung kann die elektrische Feldstärke E ersetzt-werden durch die Potentialdiffereiiz zwischen dem gut leitenden Gewebe und der metallischen Oberfläche der Elektrode dividiert durch den Abstand beider Schichten.

Diese Potentialdifferenz, die in größerer Entfernung von

-Jr-

der Aktivelektrode auf der Körperoberfläche gegenüber geerdeten Teilen besteht, sei als "Körperspan-nung" UV bezeichnet. Die vorstehende Formel kann dann umgeformt werden in

Wie sich aus dieser Gleichung ergibt, geht die wirksame Fläche der Neutralelektrode oder die Berührungsfläche der Haut bei unbeabsichtigter Berührung'eines geerdeten Gegenstandes in diese Gleichung nicht ein, so daß diese Größen bei der erfindungsgemäßen Überi^achungsmethode keine Rolle spielen. Gerade hierin liegt der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Da in der Regel die HF-chirurgischen Aktionen nicht kontinuierlich zum Einsatz kommen, sondern intermittierend, wird in den Arbeitspausen ein Teil der erzeugten Wärme durch Konvektion abgeführt. Infolgedessen kann man bei intermittierendem Betrieb davon ausgehen, daß die durch die aufintegrierte elektrische Energie erzeugte volumenspezifische Wärme sich um diesen durch die Wärmeabfuhr in den Arbeitspausen bedingten Betrag vermindert. Aus der bekannten Wärmeleitungsgleichung, bei der die zeitliche Änderung der Wärme als proportional zum Temperaturgradienten angenommen wird, ergibt sich, daß der Betrag, um den sich die volumenspezifische Wärme vermindert, proportional dem zeitlichen Differentialquotienten der erzeugten Wärme ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung wird dementsprechend der integrierte Spannungswert um einen Betrag vermindert (Korrekturfaktor K),

Λ -

der die bei intermittierendem Betrieb durch Wärmeleitung abgeführte Wärmemenge berücksichtigt. Dieser Minderungsbetrag (Kofrekturfaktor K) ist proportional dem zeitlichen Differentialquotienten der erzeugten Wärme, und ist vorzugsweise empirisch zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Schaltung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung in Form eines Blockdiagramms, und

Fig. 2 eine für die Integrierstufe verwendete Schaltung, ebenfalls als Blockdiagramm.

Mit Hilfe einer auf der Körperoberfläche des Patienten angeordneten Überwachungselektrode 1, die weder die Neutralelektrode 2 noch ein anderes geerdetes Teil berühren darf, wird die gegenüber dem Erdpotential bestehende Körperspannung U^ gemessen. Die Körperspannung U_K auf der Körperoberfläche ist weitgehend unabhängig vom Angriffspunkt der aktiven Elektrode 3 und der Lage der Neutralelektrode 2, so daß die Lage der Überwachungselektrode auf der Körperoberfläche unkritisch ist.

Die durch die Überwachungselektrode 1 abgegriffene Körperspannung U_K wird über die Leitung 4 einer Quadrier-

stufe 5 zugeleitet. Für die Quadrierstufe 5 können handelsübliche elektronische Schaltkreise verwendet werden, und zwar sowohl integrierte Analogquadrierer als auch Thermoumformer. Die Verwendung von Thermoumformern bietet den Vorteil, daß an ihrem Ausgang eine NF-Spannung zur Verfügung steht, was für die folgenden Schaltstufen eine Vereinfachung bedeutet. In dieser Quadrierstufe 5 wird aus der eingehenden Spannung UV das Quadrat U„ gebildet. Der Spannungswert U^ wird über die Leitung 6 der Integrierstufe 7 zugeführt. Auch für die Integrierstufe 7 können handelsübliche elektronische Schaltkreise Verwendung finden. In dieser Integrierstufe 7 wird aus der am Eingang anliegenden Spannung U₁J*" eine Spannung gebildet, die dem

/"2
Uj, dt entspricht. Die Ausgangsspannung der

Integrierstufe 7 wird über die Leitung 8 einer !Comparators tufe 9 zugeführt. In dieser Komparatorstufe 9 wird die über die Leitung 8 zugeführte Spannung mit einer Referenzspannung U_R ,- verglichen, die an einem Potentiometer 1o einstellbar ist, um die maximal zulässige Temperatur erhöhung individuell anpassen zu können, und die der Komparatorstufe 9 über die Leitung 11 zugeführt wird. Auch bei der Komparatorstufe 9 handelt es sich um einen handelsüblichen elektronischen Schaltkreis. Von der Komparatorstufe 9 wird über die Leitung 12 ein Relais 13 angesteuert. Wenn die der Komparatorstufe 9 über die Leitung 8 zugeführte Spannung die über die Leitung 11 zugeführte Referenzspannung übersteigt, zieht das Relais 13 an. Die von dem Relais 13 betätigten Umschaltkontakte 14 unterbrechen die Stromzuführungsleitung zu dem HF-Chirurgiegerät 18 und schalten dieses dadurch augenblicklich ab. Gleichzeitig wird durch die Umschaltkontakte 14 ein optischer oder akustischer Signalgeber 15 eingeschaltet. Der Schaltkontakt 16 des Relais 13 wird gleichzeitig geöffnet, wodurch die Verbindung zwischen den für jedes HF-Chirurgiegerät vorgeschriebenen zur Neutralelektrode 2 führenden Lei

gen 17a, 17b unterbrochen wird,so daß das HF-Chirurgiegerät 18 im Sinne der VDE-Vorschrift abgeschaltet und die aktive Elektrode 3 spannungslos wird.

Die Ausgangsspannung der Integrierstufe 7 kann außerdem über die Leitung 19 einer Speichereinrichtung, Maximumsucher oder Registriergerät 2o zugeführt werden. Mit dieser Vorrichtung 2o kann während der Operation dieser integrierte Wert gespeichert oder registriert werden. Diese gespeicherten oder registrierten Werte können als Belege dafür dienen, daß etwaige durch die Operation entstandene Hauteffloreszenzen nicht durch die HF-Chirurgie entstanden sein können, sondern andere Ursachen haben müssen.

Die Integrierstufe 7 wird vorteilhafterweise so ausgebildet, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Im Eingang des Operationsverstärkers 23 ist ein veränderbarer Widerstand 22 angeordnet. Dieser Widerstand 22 dient dazu, den auf den jeweiligen Patienten bezogenen individuellen Werten des spezifischen Widerstandes des Körpergewebes, der Schichtdicke d zwischen der Elektrodenfläche der Neutralelektrode und der unter der Epidermis liegenden elektrisch leitenden Schicht, und der spezifischen Wärmekapazität hinsichtlich der Integrations-Zeitkonstanten Rechnung zu tragen. Ferner sind parallel zu dem Operationsverstärker 23 ein Kondensator 24 und veränderbarer Widerstand 25 geschaltet. Durch diese RC-Schaltung wird eine Korrektur im Sinne des weiter oben erwähnten Korrekturfaktors K vorgenommen, wodurch die Wärmeabfuhr bei intermittierendem Betrieb berücksichtigt wird..Die

individuelle Abklingkonstante des Wärmeleitungs vorgangs kann dabei durch Einstellen des Widerstandes 25 berücksichtigt werden.

Claims

NACHGEREiCHT

ι ..... ——— '

P 33 o6 4o2.4

Neue Patentansprüche

J Überwachungsschaltung für einen Patienten zur Ver- -' meldung von unbeabsichtigten Verbrennungen während einer elektrochirurgischen Behandlung, gekennzeichnet durch eine die Körperspannung abgreifende Kontrollelektrode (1), eine die von der Kontrollelektrode (1) abgegriffene Spannung quadrierende Schaltung (5), eine die quadrierte Spannung integrierende Schaltung (7), und eine die integrierte Spannung mit einer Referenzspannung vergleichende Komparatorschaltung (9), von der ein Signalgeber (15) und/ oder ein das HF-Chirurgiegerät (18) abschaltendes Relais (13) angesteuert wird.
2. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der integrierenden Schaltung (7) ein variabler Eingangswiderstand (22) vorgesehen ist, mit dem die Proportionalitätskonstante zwischen dem Integral der quadrierten Spannung und der dadurch erzeugten Wärme den individuellen Verhältnissen des Patienten anpaßbar ist.
3. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der integrierenden Schaltung (7) ein variabler Rückkopplungswiderstand (25) vorgesehen ist, mit dem die individuelle Wärmeabfuhr durch Konvektion berücksichtigt wird.
4. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die quadrierende Schaltung (5) ein Analogquadrierer ist.

-.-!GEREICHT
5. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die quadrierende Schaltung (5) ein Thermoumformer ist.
6. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine die Ausgangsspannung der integrierenden Schaltung (7) registrierende oder speichernde Einrichtung (2o).