Brevet FR2519541A1 — publié le 19830718

1.- "Appareil d'électrochirurgie à élimination des courants de fuite " L'invention concerne un appareil d'électrochi- rurgie à élimination des courants de fuite et, plus préci- sément, les circuits de sécurité et d'annulation des cou- rants de fuite dans cet appareil. L'électrochirurgie est une technique bien con- nue et largement utilisée pour effectuer des opérations chirurgicales de coupe et de coagulation Pour effectuer une opération électrochirurgicale, le patient est relié à un générateur électrique produisant de l'énergie haute fré- quence, généralement dans la plage des fréquences compri- ses entre 100 k Hz et 1 M Hz L'énergie haute fréquence est appliquée au patient, dans la zone d'opération, au moyen d'une électrode "active" présentant une petite surface de contact avec le patient La source 1 électrochirurgicale hau- te fréquence est capable de produire une quantité de cou- rant importante à des tensions relativement élevées, et la grande densité de courant dûe à la petite surface de contact de l'électrode active, produit un effet localisé de coupe ou de coagulation. Le courant, après avoir été injecté au point d'opération, revient au générateur haute fréquence par une électrode neutre ou plaque de retour Le point de retour du courant présente typiquement une grande surface de con- tact avec le patient, de sorte que la densité de courant passant du patient à la plaque est faible en tout point de contact Cette faible densité de courant évite les risques de brûlures électriques à l'endroit o l'électro- de indifférente vient en contact avec le patient. La plupart des appareils électrochirurgicaux de l'art antérieur, présentent l'inconvénient commun que le patient risque de subir des brdlures électriques gra- ves si le courant électrochirurgical sort du corps du pa- tient par un chemin différent de celui de l'électrode neu- tre Les brûlures chirurgicales peuvent être produites par des mises à la masse secondaires établissant d'autres che- mine de passage du courant Si la zone de contact o le courant quitte le corps du patient est petite, il peut en résulter une brûlure Des chemins de masse secondaires peu- vent s'établir sur les électrodes de surveillance branchées entre le patient et l'équipement de surveillance électri- que mis à la masse, des chemins de masse supplémentaires peuvent se produire entre le patient et un support relié à la masse, u& entre le patient et la table d'opération, ou entre le patient et le chirurgien. Malheureusement, ces brûlures peuvent tre très graves, car le patient est souvent inconscient pen- dant l'opération chirurgicale et ne réagit donc pas Par suite, les brûlures peuvent durer pendant une très longue période de temps au cours de l'opération. Pour tenter de supprimer les problèmes de brd- lures par chemins de masse parasites, on utilise un généra- teur électrochirurgical à transformateur de sortie isolé. Dans ce type de générateur, la puissance électrique produi- te par l'étage de sortie du générateur est appliquée aux électrodes active et neutre par l'enroulement secondaire d'un transformateur non relié à l'enroulement primaire et isolé par rapport à la masse Malheureusement, du fait des capacités parasites ou des capacités de fuite entre les 3.- enroulements du transformateur et entre l'enroulement se- condaire et la masse, l'isolation électrique est loin d'être parfaite et le patient peut subir des brdlures gra- ves si le c Able de retour reliant la plaque d'électrode neutre à la source électrochirurgicale est coupé, ou si le patient bouge de manière à perdre le contact avec la plaque d'électrode neutre. L'invention a donc pour but de pallier ces in- convénients de l'art antérieur en créant un circuit d'an- nulation permettant de neutraliser les fuites produites par une mauvaise mise à la masse du bloc électrochirurgi- cal, de manière à éviter tout risque de brûlures électri- ques du patient le circuit d'annulation de fuites selon l'invention, est destiné à être utilise sur un appareil d'électrochirurgie pour éviter les brûlures électriques. L'invention a également pour but de créer un circuit d'annulation de fuites capable de réduire le débit de courant traversant le patient à l'endroit des points de masse secondaires en cas de coupure de la liaison entre l'électrode neutre et le patient, soit par suite d'un mau- vais contact du patient avec l'électrode neutre, soit par suite d'une coupure de la ligne de branchement de l'élec- trode neutre au générateur électrochirurgical. À cet effet, l'invention concerne un appareil d'annulation de courants de fuite, destiné à éviter les br Xlures du patient, dans un système électrochirurgical utilisant un générateur électrochirurgical destiné à four- nir de la puissance électrochirurgicale à une fréquence de fonctionnement convenable, et un circuit de fonctionnement électrique comprenant un circuit électrique actif fournis- sant le courant du générateur à une électrode active, et un circuit électrique de retour destiné à ramener le cou- rant au générateur, appareil caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens répondant au courant circulant dans le circuit actif et au courant circulant dans le circuit de 4.- retour, pour insérer une impédance électrique dans le cir- cuit de fonctionnement lorsque le courant circulant dans le circuit actif n'est pas exactement égal au courant cir- culant dans le circuit de retour. Dans la forme de réalisation de l'invention mise en oeuvre ici, un transformateur d'annulation de fuites utilisant des enroulements primaire et secondaire à cou- plage serré, est branché dans le circuit électrique entre le générateur électrochirurgical et le patient L'enroule- ment primaire est branché électriquement en série avec le conducteur actif et l'enroulement secondaire est branché en série avec le conducteur de retour Ces enroulements sont polarisés et branchés de façon que les champs magnétiques produits dans le noyau du transformateur, par le courant électrochirurgical circulant dans les enroulements, ten- dent à s'annuler. Par suite, pendant le fonctionnement normal, au cours duquel le courant électrochirurgical passant dans le conducteur actif est approximativement égal au courant élec- trochirurgical passant dans le conducteur de retour, le champ magnétique régnant dans le noyau du transformateur est très faible, ce qui conduit à une impédance très faible des enroulements du transformateur Au contraire, lorsque le courant primaire et le courant secondait nt s'équilibrent plus dans les enroulements, par suite de conditions de fonc- tionnement anormales, le champ magnétique résultant n'est plus nul dans le noyau du transformateur, ce qui fait appa- rattre une impédance d'enroulements importante branchée électriquement en série entre le patient et le générateur électrochirurgical Cette impédance réduit considérablement le courant électrochirurgical arrivant au patient et sup- prime les risques de brlures graves. En particulier, les enroulements primaire et secondaire sont parfaitement bien adaptés en nombre de tours et en disposition physique sur le noyau du transfor- 5.- mateur de manière à donner une annulation pratiquement com- plète du champ magnétique dans ce noyau lorsque le système fonctionne en mode normal pour lequel les courants dans le conducteur actif et dans le conducteur de retour sont équi- libras. Suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, la position et le nombre des spires du transformateur sont choisis de façon que l'inductance des enroulements non équilibrés soit résonnante avec la capacité de fuite à la fréquence de fonctionnement de la source électrochirur- gicale Dans ces conditions, l'impédance du circuit réson- nant peut atteindre des valeurs élevées qui sont éliminées essentiellement par le coefficient de surtension "Q" du circuit résonnant et par l'impédance du patient Cela per- met d'éliminer complètement les risques d'apparition de tensions conduisant à des br Olures graves. D'autre part, le transformateur d'annulation de fuites selon l'invention peut 8 tre muni d'enroulements primaires multiples pour permettre les utilisations diver- ses de plusieurs électrodes actives. Enfin, le transformateur selon l'invention peut être placé en n'importe quel point physique du conduc- teur actif ou du conducteur de retour, entre le patient et l'électrode, de manière à permettre l'annulation des diverses capacités de fuites. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un appareil électrochirurgical selon l'art antérieur, la figure 2 représente un appareil électro- chirurgical dans lequel un transformateur d'annulation de fuites selon l'invention, est branché électriquement en série entre le générateur électrochirurgical et le patient, la figure 3 illustre une forme de construc- tion physique d'un transformateur d'annulation de fuites 6.- selon l'invention, la figure 4 représente un transformateur d'an- nulation de fuites à enroulements multiples destiné à être utilisé avec des électrodes actives multiples. La figure 1 représente un bloc d'électrochirur- gie selon l'art antérieur, utilisant un circuit de sortie isolé électriquement Pour plus de clarté, seul le trans- formateur de sortie du bloc d'électrochirurgie est repré- senté Les autres parties du générateur et son type de fonctionnement sont bien connus des spécialistes de la question - L'appareil d'électrochirurgie fournit un signal haute fréquence au primaire 100 du transformateur de sortie qui donne, à son tour, au secondaire 121, un signal haute fréquence à haute tension La puissance électrochirurgicale produite par le transformateur de sortie de l'appareil d'électrochirurgie est appliquée, par le conducteur 129 à l'électrode active 106 pour effectuer les opérations 61 élec- trochirurgicales sur le patient 123. Pendant une opération électrochirurgicale, le patient est allongé ou attaché à une électrode neutre ou de retour 125, et le courant I 1 passant dans l'électrode active 106 revient (en I 2) au générateur par l'électrode de retour 125 et le conducteur 127 branché à l'enroulement secondaire du transformateur de sortie Les opérations électrochirurgicales telles que la coupe ou la coagulation peuvent être effectuées au moyen de l'électrode active 106 du fait que sa surface de contact avec le patient 123 est petite et que, par conséquent, la densité de courant loca- le est élevée, ce qui produit un chauffage et d'autres ef- fets bien connus de la technique. Du fait que la surface de l'électrode neutre est grande, la densité de courant locale est faible, de sorte qu'aucun effet électrochirurgical ne se produit au point oh le courant sort du corps du patient. 7.- Normalement, un tel système selon l'art anté- rieur est conçu de façon que l'enroulement secondaire 121 du transformateur de sortie soit "isolé" électriquement ou non relié à la masse On considère, en pratique, que l'iso- nlation électrique est indispensable pour la sécurité du patient pendant les opérations électrochirurgicales Théo- riquement, si l'isolation est parfaite, le courant cesse de passer dans le circuit électrochirurgical en cas de coupure 103 du cable de retour 127, car il n'existe pas de circuit fermé entre le patient et le secondaire 121 du transfor- mateur de sortie. Malheureusement, dans les blocs chirurgicaux réels, les conditions théoriques ne sont pas respectées, car il existe des pertes importantes par capacité entre le cable actif et le cable de retour (représentées schématique- ment par les condensateurs respectifs 115 et 102) De plus, il existe généralement une capacité interspires im- portante entre les enroulements primaire et secondaire du transformateur de sortie (représentée schématiquement par le condensateur 101). Du fait des capacités de fuite, une tension de brlage importante apparait si une coupure 103 se produit dans le cable de retour, car le courant pénétrant dans le corps du patient par l'électrode active 106 peut revenir au générateur électrochirurgical par des chemins parasites. Ces courants sont représentés schématiquement par le cir- cuit 130 de la figure 1 Un chemin parasite peut 4 tre créé ai le patient touche une table d'opération reliée à la masse ou si les électrodes de surveillance sont reliées à un équipement électrique mis à la masse, ou si le chirur- gien lui-même est relié à la masse. Quand un chemin de masse parasite est créé, par exemple au point 135, le courant peut passer par le conducteur 129, l'électrode active 106, le point 135 et le chemin de masse parasite (représenté schématiquement 8.par le fil 140, la résistance 145 et la masse 150) le courant passant par le chemin parasite peut alors reve- nir, par la capacité de fuite 102, au secondaire 121 du transformateur électrochirurgical ou, comme dans la plu- part des générateurs électrochirurgicaux, à l'enroulement secondaire par la capacité entre spires 101, du fait que l'enroulement primaire est relié à la masse en 104. D'autre part, une brûlure peut être causée par une coupure du conducteur actif Dans ce cas, le courant pénètre dans le patient par le circuit extérieur parasite et revient au générateur par le circuit de retour nor- mal. Si le courant passe par un tel chemin parasite, une br Plure électrique peut se produire au point 135 si le patient est en contact avec ce chemin parasite par une fai- ble surface Malheureusement, le patient peut être sous anesthésie pendant l'opération électrochirurgicale et ne pas réagir à la brûlure De plus, comme le patient est souvent couvert pendant l'opération, la brûlure peut pas- ser inaperçue et devenir très grave. La figure 2 représente une forme de réalisation de l'invention dans laquelle un transformateur d'annula- tion de fuites 208 est inséré dans le circuit électrochirur- gical Le transformateur est constitué d'un noyau 210, d'un enroulement primaire 216 et d'un enroulement secondaire 220 En fonctionnement normal, le courant électrochirurgi- cal passe par l'enroulement primaire 216 et le conducteur 229 pour arriver à l'électrode active 206 le courant re- vient au générateur par l'électrode neutre 225, le conduc- teur 227, l'enroulement secondaire 220 et le secondaire 221 du transformateur électrochirurgical de sortie. En figure 2, le transformateur 218 est représen- té schématiquement pour plus de clarté Bien que les en- roulements primaire et secondaire soient représentés sépa- rés sur la figure 2, ces enroulements sont en fait étroite- 9._ ment adaptés en nombre de spires et en disposition physi- que, comme indiqué en figure 3 En figure 3, par exemple, le primaire peut Otre constitué par l'enroulement 301-303 et le secondaire par l'enroulement 302-304, ces deux en- roulements étant enroulés sur un noyau en forme de tore 300. Les enroulements sont reliés au circuit électro- chirurgical, comme indiqué en figure 2, de façon que le courant actif Il circule dans l'enroulement primaire 216 en sens inverse du courant de retour I 2 circulant dans l'enroulement secondaire 220 Du fait de l'adaptation étroite des enroulements et des sens de courant opposés, une annulation pratiquement complète du champ magnétique est obtenue, dans le noyau 210 du transformateur. Normalement, l'impédance électrique d'un en- roulement de transformateur à la fréquence de fonctionne- ment nominale, dépend de l'inductance de l'enroulement qui, à son tour, dépend de l'amplitude du champ magnétique dans le noyau du transformateur Par exemple, dans un trans- formateur typique selon l'invention, l'inductance d'un en- roulement du transformateur (soit primaire, soit secon- daire) est d'environ 3 millihenry quand l'autre enroule- ment est en circuit ouvert Cependant, quand les enroule- ments sont branchés, comme indiqué par la figure 2, de façon que des courants égaux circulent en sens inverses dans les enroulements, l'annulation du champ magnétique dans le noyau du transformateur fait tomber ltinductance de chaque enroulement à environ 3 microhenry soit environ 1/1000 e de l'inductance sans annulation. Par suite, quand le circuit est branché comme indiqué en figure 2 et quand des courants égaux passent dans le primaire 216 et le secondaire 220 du transformateur d'annulation, l'impédance présentée par les enroulements de ce transformateur est relativement faible comparative- ment à l'impédance vue de l'électrode active à travers le 10.- patient Plus précisément, dans le présent exemple de transformateur fonctionnant à une fréquence électrochirur- gicale de 500 k Hz, l'inductance de 3 microhenry correspond à une impédance totale d'environ 9 ohms L'impédance du patient est d'environ 200 ohms à cette fréquence Comme la puissance électrochirurgicale est proportionnelle au carré du courant, la puissance perdue dans les enroule- ments du transformateur représente moins de 5 % dans les conditions de fonctionnement normales. Au contraire, quand une coupure 203 se produit dans le chemin de retour et quand il existe une chemin de fuite, le courant passe par le conducteur 229, l'élec- trode active 206, le patient 223 et le point de masse pa- rasite 235 pour atteindre le circuit de masse 230 cons- titué du conducteur 240 et de la résistance 245, pour at- teindre enfin la masse 250 Le courant passe alors, soit par la capacité de fuite 202, soit par la capacité entre enroulements 201, comme décrit ci-dessus Il en résulte que le débit de courant au secondaire 220 du transformateur d'annulation de fuite, se trouve ramené sensiblement à zéro. Dans ce cas, comme aucun courant ne revient par l'enroulement 220, il n'y a plus d'annulation du champ magnétique dans le noyau 210 et l'enroulement primai- re 216 présente sa pleine inductance normale (de 3 milli- henry comme indiqué ci-dessus) A 500 k Hz, l'impédance de 3 millihenry correspond à une impédance d'environ 9 000 ohms ce qui représente environ 50 fois l'impédance de 200 ohms du patient Ainsi, le courant traversant le patient se trouve considérablement réduit, ce qui réduit les risques de brûlures. De plus, on peut encore réduire le courant de fuite traversant le patient en choisissant la valeur d'in- ductance du transformateur nôn équilibré, de façon que cet- te inductance donne une résonnance parallèle avec la capa- cité de fuite correspondante En cas de coupure du conduc- 11.- teur de retour, l'inductance de l'enroulement 216 non équi- libré doit résonner avec la capacité du conducteur actif, cette capacité étant désignée par le condensateur 215 Dans ces conditions, l'impédance du circuit résonnant peut devenir très élevée et n'être limitée essentiellement que par le "Q" du circuit résonnant et l'impédance de 200 ohms du patient Comme la capacité de fuite (représentée schéma- tiquement par le condensateur 215) est relativement fixe pour chaque bloc électrochirurgical, il est possible d'ob- tenir un circuit arrivant à la résonnance en cas de cou- pure du cable de retour ou de mises à la masse intempesti- ves En particulier, la capacité et l'inductance de l'en- roulement non équilibré peuvent être choisies de manière à donner une résonnance à la fréquence de fonctionnement élec- trochirurgical. De plus, le transformateur selon l'invention permet d'annuler les courants de fuite provoqués par un branchement incorrect du conducteur électrochirurgical ac- tif (souvent dé à une coupure du conducteur actif ou au fait que le conducteur actif est maintenu éloigné du pa- tient pendant que le générateur électrochirurgical est al- lum 6) Dans ces conditions, l'inductance de l'enroulement 220 non équilibré, peut être choisie de manière à réson- ner avec la capacité de fuite du conducteur de retour (re- présentée schématiquement par le condensateur 202), à la fréquence de fonctionnement électrochirurgical Comme la capacité de fuite du conducteur de retour est, en général, approximativement égale à la capacité de fuite du conduc- teur actif, dans la plupart des blocs électrochirurgicaux, les enroulements du transformateur selon l'invention, ré- sonnent avec ces deux capacités pour annuler ainsi les courants de fuite aussi bien dans le conducteur de retour que dans le conducteur actif. Dans la forme de réalisation de la figure 3, le transformateur d'annulation de fuites utilise un noyau 300 12.- en poudre de fer, tel que celui du modèle 400 T 750 308 * fabriqué par Ferroxcube Inc, 5083 King's Highway, Sanger- ties, N Y 12 477 Des enroulements 301 et 302 sont cons- titués chacun de 22 spires de fil de calibre 22 enroulées physiquement très près les unes des autres, comme indiqué en figure 3. Le transformateur d'annulation de fuites fonc- tionne lorsqu'il est inséré en un point quelconque des con- ducteurs actif et de retour, entre le générateur électro- chirurgical et le patient Par exemple, ce transformateur peut être monté physiquement près du secondaire du trans- formateur électrochirurgical de sortie pour annuler la ca- pacité entre enroulements du transformateur Ce transfor- mateur d'annulation de fuites peut également être placé directement derrière le panneau avant du générateur élec- trochirurgical pour annuler la capacité entre enroule- ments du transformateur, la capacité des conducteurs, et les capacités de fuite éventuelles des circuits auxiliai- res tels que les commutateurs manuels ou les commutateurs de -plaque de patient. De transformateur d'annulation de fuites peut également être placé en un point physiquement éloigné du générateur, par exemple dans une botte placée sur la table d'opération Cette caractéristique permet de réali- ser de façon très pratique l'annulation des courants de fuite dans les salles d'opération européennes pour les- quelles le générateur électrochirurgical est souvent si- tué à l'extérieur de la salle d'opération. De plus, le transformateur d'annulation de fui- tes selon l'invention, peut être utilisé dans des blocs électrochirurgicaux utilisant plusieurs électrodes activest telles que des électrodes monopolaires commandées par des commutateurs à pied ou à main Dans ce cas, comme indiqué par la figure 4, un autre enroulement primaire 405 peut simplement être ajouté aux enroulements primaire et secon- 13.- daire normaux (respectivement 401 et 402), autour du no- yau de transformateur 400 Les électrodes actives sont reliées aux deux enroulements primaires et l'enroulement secondaire est relié à l'électrode de retour, comme in- diqué en figure 2. En variante, d'autres détails de construction du transformateur et, en particulier, d'autres formes de noyaux et d'autres configurations d'enroulements, peuvent être utilisées tout en restant dans le cadre de l'inven- tion. 14.- R E V E N D I C A T I O N S 1. Appareil d'annulation de courants de fuite, destiné à éviter les brtlures du patient, dans un système électrochirurgical utilisant un générateur électrochirurgi- cal ( 200 t 221) destiné à fournir de la puissance électro- chirurgicale à une fréquence de fonctionnement convenable, et un circuit de fonctionnement électrique comprenant un circuit électrique actif ( 229) fournissant le courant du générateur à une électrode ( 206) active et un circuit élec- trique de retour ( 227) destiné à ramener le courant au gé- nérateur, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens répondant au courant circulant dans le circuit ac- tif et au courant circulant dans le circuit de retour, pour insérer une impédance électrique dans le circuit de fonctionnement lorsque le courant circulant dans le cir- cuit actif n'est pas exactement égal au courant circulant dans le circuit de retour. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens d'insertion sont constitués par un transformateur ( 218) comprenant un noyau ( 210), un enrou- lement primaire ( 216) branché électriquement en série avec le circuit actif ( 229) et un enroulement secondaire ( 220) branché électriquement en série avec le circuit de retour ( 227). 3 Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que l'inductance en circuit ouvert de l'enroulement primaire ( 216) e-t de l'emn- roulement secondaire ( 220) donne une résonnance avec la capacité de fuite du circuit électrochirurgical à la fr 6- quence de fonctionnement. 4. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le transformateur d'annulation ( 218) de fuites comporte au moins un enroule- ment primaire supplémentaire monté physiquement dans la disposition convenable par rapport à l'enroulement secon- 9541 15.- daire et se branchant dans le circuit actif. 5. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un trans- formateur ( 218) comprenant un noyau ( 210) un enroulement primaire ( 216) branché électriquement en série avec le cir- cuit actif ( 229), et un enroulement secondaire ( 220) bran- ché électriquement en série avec le circuit de retour ( 227) ce premier et ce second enroulements étant montés physique- ment sur le noyau et se branchant de façon que les courants qui les traversent produisent des champs magnétiques oppo- sés dans le noyau, ces champs magnétiques slannulant exac- tement. 6. Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'inductance en circuit ouvert de l'enrou- lement primaire ( 216) et de l'enroulement secondaire ( 220) donne une résonnance avec la capacité de fuite du circuit électrochirurgical à la fréquence de fonctionnement. 7. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 5 et 6, caractérisé en ce que le transformateur d'annulation de fuites comporte au moins un enroulement primaire supplémentaire se montant physiquement dans la disposition convenable par rapport a l'enroulement secon- daire et se branchant dans le circuit actif. 8. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que le transformateur peut être situé physiquement à distance du générateur.