Аппарат для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в хирургии для рассечения и абляции мягких тканей организма. Аппарат для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии содержит блок управления, который первой многоразрядной двунаправленной шиной связан с блоком питания, а второй многоразрядной двунаправленной шиной - с генератором мощности, многоразрядный вход которого подключен к многоразрядному выходу блока питания. Первый и второй, третий и четвертый выходы блока управления подключены соответственно к первому и второму входам блока аспиратора и первому и второму входам блока подачи жидкости в зону воздействия, который связан гидромагистралью с гидравлическим входом матричного электрода. Гидравлический выход матричного электрода гидромагистралью соединен с блоком аспиратора. Многоразрядный выход генератора мощности подключен к многоразрядному входу матричного электрода. Изобретение позволяет повысить качество абляционного воздействия на биологические ткани за счет введения в состав аппарата блока аспиратора, обеспечить стабильность режимов электрохирургического воздействия и минимизировать вероятность послеоперационных осложнений. 1 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в хирургии для рассечения и абляции мягких тканей организма. Изобретение обеспечивает хирургическое воздействие на биологическую ткань потоком холодной плазмы.

Известно устройство для коагуляции, содержащее газодинамическое устройство, обеспечивающее подачу газа при определенном давлении и расходе, плазмотрон, собранный в герметичном корпусе, высокочастотный трансформаторный преобразователь, выполненный из двух секций -низковольтной и высоковольтной, диэлектрическую газоотводящую трубку. Устройство работает в режиме параметрического резонанса, в силу чего имеется возможность регулировать подводимую мощность изменением частоты источника питания, при этом осуществляется изменение глубины коагуляции в обрабатываемом участке ткани (патент РФ №2100013, А 61 В 17/39, 1988 г.)

Известное устройство имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих возможность его эффективного использования в медицинской практике.

Во-первых, устройство имеет нестабильную в пространстве зону воздействия, что обусловлено неустойчивостью положения холодной плазмы.

Во-вторых, устройство имеет ограниченную область применения - только поверхостные воздействия, при этом конструктивная реализация устройства достаточно сложна в эксплуатации, т.к. требует использования инертного газа для формирования потока холодной плазмы.

Известен также электрохирургический аппарат, описанный в патенте США №6086585 от 11.01.2000 г. Аппарат содержит блок управления, связанный первой двунаправленной многоразрядной шиной с блоком питания, второй двунаправленной многоразрядной шиной - с генератором мощности, многоразрядная выходная шина которого связана с многоразрядным входом матричного электрода, содержащего n каналов, при этом каждый канал матричного электрода включает активный и возвратный электроды, связанные с блоком управления, блок подачи раствора в область воздействия, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим входом матричного электрода и блок аспиратора, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим выходом матричного электрода.

Настоящий аппарат позволяет производить хирургическое воздействие: резание, абляцию - за счет формирования в среде физраствора области холодной плазмы, вокруг которой создается поток ионов, бомбардирующих прилегающие ткани, обеспечивая эффект электрохирургического воздействия.

Анализ показывает, что для данного аппарата характерны существенные конструктивные и эксплуатационные недостатки, которые снижают эффективность его использования в практической медицине.

В частности, в конструкции аппарата предусмотрено использование многоэлектродных рабочих инструментов, через которые напряжение генератора подается в область создания холодной плазмы. Поскольку активные электроды находятся на разном расстоянии от “возвратного” электрода, то электрическое поле, создаваемое электродом неравномерно, обуславливает неравномерность глубины абляции и коагуляции тканей в области электрохирургического воздействия, снижение качества коагуляционного шва, возможность образования зон краевого некроза и послеоперационных осложнений.

Кроме того, при работе аппарата поток физраствора подается в область воздействия “самотеком”. Это приводит к нежелательной концентрации продуктов распада в области воздействия, что также отрицательно сказывается на качестве абляционного воздействия, создает дополнительные осложения хирургу для визуального контроля за ходом операции. Концентрация продуктов распада в области электрохирургического воздействия является потенциальным очагом септических заражений и после операционных осложений.

Настоящее изобретение решает задачу повышения качества электрохирургического воздействия при проведении резания, абляции биологической ткани посредством потока холодной плазмы, обеспечивая при этом:

- равномерность глубины электрохирургического воздействия на биологические ткани;

- возможность автоматического (в зависимости от конфигурации, формы, площади поверхности и материала активного электрода) регулирования напряженности электрического поля, создаваемого многоэлектродными матричными электродами;

- возможность работы аппарата с частотой напряжения возбуждения плазмы от 100 до 500 кГц, что позволяет оптимизировать процесс воздействия в зависимости от состояния среды возбуждения плазмы;

- возможность реализации принудительного и управляемого потока физраствора, подаваемого в область воздействия.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В аппарате для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии, содержащем блок управления, связанный первой двунаправленной многоразрядной шиной с блоком питания, а второй двунаправленной многоразрядной шиной - с генератором мощности, многоразрядная выходная шина которого связана с многоразрядным входом матричного электрода, содержащего n каналов, при этом каждый канал матричного электрода включает активный и возвратный электроды, связанные с блоком управления, блок подачи раствора в область воздействия, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим входом матричного электрода и блок аспиратора, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим выходом матричного электрода, согласно настоящему изобретению блок питания и генератор мощности содержат n каналов, каждый канал блока питания включает стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому входу управляемого инвертора, выход которого подключен к входу низкочастотного фильтра, который своим выходом соединен с выходной многоразрядной шиной, являющейся многоразрядным выходом блока питания, связанным с многоразрядным входом генератора мощности, второй вход управляемого инвертора каждого канала подключен через многоразрядную шину к схеме управления блока питания, многоканальный вход которой является входом первой двунаправленной многоразрядной шины.

Согласно настоящему изобретению каждый канал генератора мощности содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, вход которого подключен к многоразрядной шине входа генератора мощности, и усилитель мощности, соединенный с входом блока согласования, первый выход которого подключен к многоразрядной выходной шине, связанной с матричным электродом, а второй выход соединен с многоразрядным входом второй двунаправленной многоразрядной шины.

При этом изобретение предусматривает, что число каналов составляет от 3 до 8.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении качества коагуляционного и абляционного воздействия на биологические ткани. Новая принципиально усовершенствованная схемотехническая реализация блока питания, генератора мощности и матричного электрода обеспечивают стабильность электрического поля и параметров электрохирургического воздействия в зоне активного электрода, что позволяет обеспечить равномерность глубины абляционного и коагуляционного воздействия, предотвратить излишнюю деструкцию тканей пациента. Реализованные в аппарате конструктивные решения оптимизируют работу хирурга.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного примера реализации устройства и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - блок-схема устройства;

фиг.2 - вариант реализации блока управления 1;

фиг.3 - вариант реализации блока питания 2;

фиг.4 - вариант реализации схемы управления 12 блока питания 2;

фиг.3 - вариант реализации генератора мощности 3;

фиг.6 - пример реализации блока подачи жидкости 4;

фиг.7 - пример реализации матричного электрода 6;

фиг.8 - укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.

Аппарат для холодно-плазменной высокочастотной электрохиругии содержит (фиг.1) блок управления 1, который первой многоразрядной двунаправленной шиной связан с блоком питания 2, а второй многоразрядной двунаправленной шиной - с генератором мощности 3, многоразрядный вход которого подключен к многоразрядному выходу блока питания 1. Первый и второй выходы блока управления 1 подключены соответственно к первому и второму входам блока подачи жидкости в зону воздействия 4, который связан с гидромагистралью 5. Многоразрядный выход генератора мощности 3 подключен к многоразрядному входу матричного электрода 6.

Блок управления 1 предназначен для задания всех управляющих сигналов, индикации уровня выходной мощности и режимов работы. Блок управления 1 содержит (фиг.2) центральный процессор 7 (например, типа Atmega 121), первый и второй многоразрядные выходы которого подключены соответственно к первому и второму многоразрядным входам порта ввода-вывода 8, который своими первым и вторым выходами подключен соответственно к первому и второму входам блока подачи жидкости 4. Порт ввода-вывода 8 обеспечивает буферизацию выходных сигналов и фильтрацию входных сигналов и может быть реализован в виде элементов типа 555ТЛ2 и полосовых RC-фильтров (см. техническую документацию заявителя на аппарат).

Блок питания 2 предназначен для формирования регулируемого напряжения питания многоканального генератора мощности 3 и напряжения питания узлов управления и выполнен в виде n-каналов, каждый из которых содержит (фиг.3) стабилизатор напряжения 9, первый и второй вход которого подключен к источнику питающего напряжения, а выход к первому входу управляемого инвертора 10, выход которого подключен к входу низкочастотного (НЧ) фильтра 11. Выход НЧ-фильтра 11 подключен к выходной многоразрядной шине, соединенной с многоразрядным входом генератора мощности 3. Второй вход управляемого инвертора 10 каждого канала соединен с многоразрядной шиной, которая подключена к схеме управления 12 блока питания. Максимальное количество каналов блока питания при его изготовлении составляет 8 каналов. Конкретное же число каналов, участвующих в работе, определяется автоматически (в блоке управления 1) в зависимости от числа активных электродов 20, их формы, размеров и площади поверхности, материала электродов, т.е. обусловлено конкретной конструктивной реализацией используемого матричного электрода 6.

Стабилизатор напряжения 7 и управляемый инвертор 10 могут быть реализованы по известной схеме, приведенной в книге “Микросхемы для импульсных источников питания и их применение” (изд. “ДО-ДЭКА”, 1997 г.) НЧ-фильтр 11 может быть реализован в виде RC-цепочки.

Схема управления 12 блока питания предназначена для регулирования уровня выходного напряжения каждого из каналов блока питания 2 и выполнена (фиг.4) в виде параллельно подключенных ШИМ-регуляторов 13 (13.1; 13.n), число которых определяется количеством каналов блока питания 1. Выходы всех ШИМ-регуляторов 13 подключены к многоразрядной шине, которая соединена со вторыми входами управляемого инвертора 10 (10.1; 10.n) каждого канала блока питания 2, а входы всех ШИМ-регуляторов соединены с многоразрядной шиной, которая соединена с дешифратором-мультиплексором 14, который может быть реализован, например, на базе микросхемы CD 4051 А (см. техническую документацию заявителя на аппарат).

Генератор мощности 3 предназначен для формирования высокочастотного напряжения, предназначенного для возбуждения холодной плазмы и выполнен в виде n-каналов (по числу каналов блока питания 2), каждый из которых содержит (фиг.5) последовательно соединенные предварительный усилитель 15 (усилитель “раскачки”) и усилитель мощности 16. Вход предварительного усилителя 15 (15.1; 15.n) соединен с входной многоразрядной шиной, подключенной к многоразрядному выходу блока питания 1. Выход усилителя мощности 16 подключен к входу блока согласования 17, первый выход которого соединен с выходной многоразрядной шиной, которая соединена непосредственно с рабочим инструментом - матричным электродом 6. Второй выход блока согласования каждого канала 17 соединен с многоразрядной шиной, которая подключена к блоку управления 1.

Предварительный усилитель мощности 15 может быть реализован, например, на базе ШИМ-контроллера типа MC340676DW и транзисторов IRLU024N (см. техническую документацию заявителя на аппарат), усилитель мощности 16 может быть реализован на базе транзисторов IRFB52N15D по полумостовой схеме (см. техдокументацию заявителя на аппарат), а блок согласования 17, например, в виде торроидальных трансформаторов с ферритовыми сердечниками (см. техдокументацию заявителя на аппарат).

Блок подачи жидкости в зону воздействия 4 обеспечивает принудительную “накачку” жидкости, например физраствора, в область формирования холодной плазмы и содержит (фиг.6) ресивер 18, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления 1, и компрессор 19, соединенный с гидромагистралью 5. Ресивер 18 предназначен для аккумулирования используемого физраствора и может быть реализован в виде металлической или пластиковой емкости объемом от 100 до 1000 мл. Компрессор 19 обеспечивает принудительную подачу жидкости в область формирования плазмы и выполнен в виде электродвигателя с крыльчаткой на валу и установленной в магистраль подачи жидкости.

Матричный электрод 6 предназначен для формирования области холодной плазмы и выполнен в виде n-каналов (по числу каналов генератора мощности 3), каждый из которых содержит (фиг.7) активный электрод 20 (20.1; 20.n), вход которого соединен с входной многоразрядной шиной, соединенной с многоразрядным выходом генератора мощности 3, и “возвратный ” электрод 21, вход которого соединен с многоразрядной шиной. Активный электрод 20 может быть выполнен в виде различных по материалам, геометрическим размерам и площади поверхности рабочих инструментов, имеющих форму: лопатки, части сферы, полусферы, игольчатой конструкции и т.д., а “возвратный” электрод 21 обеспечивает замкнутость цепи выходного тока и может быть реализован в виде концентрического кольца, охватывающего область расположения активных электродов.

Аппарат для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии работает следующим образом.

При включении устройства в сеть на выходе каждого канала блока питания 2 формируются все необходимые для питания аппарата напряжения. Укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата приведена на фиг.8. Подробная документация по программному обеспечению работы патентуемого аппарата содержится в технической документации заявителя на аппарат.

Для включения высокочастотного напряжения и поступления его на матричный электрод 6 врач устанавливает с помощью блока управления 1 требуемые параметры выходного воздействия (фиг.8) и с помощью внешних органов управления аппаратом (на схеме не приведены, а представляют собой педаль или кнопку) включает ток.

В зависимости от конкретной конструктивной реализации матричного электрода 6 блок управления 1 аппарата автоматически определяет количество каналов блока питания, которые должны быть задействованы при работе аппарата для обеспечения его стабильной работы (фиг.8). При этом начинает работать генератор мощности 3, формирующий высокочастотный сигнал, поступающий через схему согласования 17 на соответствующие входы матричного электрода 6. Одновременно в зону воздействия подается физраствор с помощью блока подачи жидкости 4 и гидромагистрали 5. За счет напряжения между электродами 20 и 21 и наличия жидкой токопроводящей среды вокруг электрода 20 формируется область плазмы или так называемый “плазменный карман”, где в области высокого электрического поля происходит ионизация молекул введенного физраствора и как следствие этого создается высокая концентрация ионизированных частиц.

Энергия, которой обладают частицы в области активного электрода 20 составляет от 4 до 5 эВ, что достаточно для того, чтобы бомбардировать окружающие молекулы биологической ткани и разрушать молекулярные связи, разбивая молекулу на свободные радикалы, которые в результате смешиваются в виде газообразной или жидкой субстанции и удаляются из области воздействия.

Энергия, развиваемая частицами плазмы, определяется рядом факторов, например, такими как: число активных электродов, геометрические размеры, форма и площадь поверхности активных электродов, материал электродов, шероховатость и наличие острых кромок на электродных поверхностях, подаваемое напряжение, электрическая проводимость жидкости в контакте с электродами, напряженность жидкости и другие факторы.

За счет такой ионной “бомбардировки” происходит низкотемпературный молекулярный распад тканей и, как результат этого процесса, - объемное удаление ткани, прилегающей к электроду. Настоящее изобретение обеспечивает чрезвычайно малую глубину коллатерального повреждения ткани. Это очень важно при проведении тонких воздействий, когда, например, хирургу необходимо удалить ткань близко к нерву без того, чтобы вызвать сопутствующее разрушение нервного волокна.

Изобретение не предусматривает прохождение электрического тока через ткань, поэтому нагрев ткани незначительный и составляет 40-70°С, при этом выделяемые побочные продукты легко удаляются из зоны хирургического воздействия путем вымывания струей жидкости.

Таким образом настоящее изобретение вызывает низкотемпературный молекулярный распад биологической ткани.

Значительным достоинством патентуемого электрохирургического аппарата является реализованная возможность автоматической подстройки режима формирования плазмы в зависимости от конструкции матричного электрода. Это обеспечивается тем, что в блоке управления 1 аппарата содержится информация, определенная экспериментальным путем, об уровне напряжения, которое необходимо подать на используемый матричный электрод для формирования и поддержания холодной плазмы в среде физраствора. Вид используемого матричного электрода автоматически определяется блоком управления 1 при подключении электрода.

При выключении напряжения с помощью внешних органов управления (на схеме не показаны) происходит выключение генератора мощности 3, выключение блока питания 2, блок управления 1 прекращает формирование сигналов управления, после чего аппарат готов к следующему включению.

Опытный образец аппарата для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии прошел экспериментальные испытания, которые подтвердили эффективность реализованных схемотехнических решений и существенное улучшение ряда основных характеристик аппарата:

- стабильности электрического поля в зоне рабочего электрода независимо от формы, размеров и конфигурации используемых инструментов;

- стабильности параметров абляции и коагуляции, что позволяет обеспечить равномерность глубины электрохирургического воздействия;

- испытания показали, что разработанный аппарат позволяет до минимума сократить излишнюю деструкцию тканей при использовании различных по конфигурации и форме рабочих инструментов (активных электродов);

- при этом в процессе испытаний опытного образца температура в области воздействия составляла 40-70°С, за счет чего обеспечивался минимальный нагрев и некроз близлежащих тканей;

- испытаниями подтверждена эффективность и практическое удобство для хирурга системы подачи и удаления жидкости из зоны воздействия, что существенно снижает риск септических послеоперационных осложнений и сокращает сроки реабилитации больных.

Формула изобретения

1. Аппарат для холодно-плазменной высокочастотной электрохирургии, содержащий блок управления, связанный первой двунаправленной многоразрядной шиной с блоком питания, второй двунаправленной многоразрядной шиной с генератором мощности, многоразрядная выходная шина которого связана с многоразрядным входом матричного электрода, содержащего n каналов, при этом каждый канал матричного электрода включает активный и возвратный электроды, связанные с блоком управления, блок подачи раствора в область воздействия, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим входом матричного электрода и блок аспиратора, соединенный гидравлической магистралью с гидравлическим выходом матричного электрода, отличающийся тем, что блок питания и генератор мощности содержат n каналов, каждый канал блока питания включает стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому входу управляемого инвертора, выход которого подключен к входу низкочастотного фильтра, который своим выходом соединен с выходной многоразрядной шиной, являющейся многоразрядным выходом блока питания, связанным с многоразрядным входом генератора мощности, второй вход управляемого инвертора каждого канала подключен через многоразрядную шину к схеме управления блока питания, многоканальный вход которой является входом первой двунаправленной многоразрядной шины, каждый канал генератора мощности содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, вход второго подключен к многоразрядной шине входа генератора мощности, и усилитель мощности, соединенный с входом блока согласования, первый выход которого подключен к многоразрядной выходной шине, связанной с матричным электродом, а второй выход - соединен с многоразрядным входом второй двунаправленной многоразрядной шины.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что число каналов составляет от 3 до 8.

РИСУНКИ