АППАРАТ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ЭЛЕКТРОХИРУРГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к электрохирургическим аппаратам.
Известен плазменный дуговой скальпель, предназначенный для рассечения и одновременной коагуляции биологической ткани (США 3991764, А61В 17/36, 16.11.1976, Д1). Скальпель содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем трубчатым анодом. Внутри анода, концентрично по отношению к нему, расположен катод. Между катодом и анодом имеется оболочка, обеспечивающая протекание охлаждающей жидкости по раздельным каналам для охлаждения последнего. Кроме того, для продольного перемещения катода и приведения его в соприкосновение с анодом предусмотрен плунжер, с помощью которого зажигается электрическая дуга. После зажигания дуги протекающий через нее инертный газ выходит из небольшого анодного отверстия в виде горячей плазменной струи и при этом имеет температуру, достаточную для одновременного рассечения и коагуляции живой биологической ткани.
Однако вышеописанное устройство не в состоянии обеспечить стабильное и воспроизводимое воздействие на биологическую ткань. Неустойчивость истекающего из выходного канала устройства плазменного потока, а часто и полное его исчезновение вследствие шунтирования дуги значительно затрудняет работу хирурга, снижает эффективность плазменного воздействия, а подчас и делает невозможным выполнение операции. Особенного активно процессы шунтирования проявляются при низких расходах плазмообразующего газа, увеличение же его в устройствах хирургического назначения невозможно вследствие повышения вероятности возникновения газовой эмболии, высушивания операционного поля, разбрызгивания крови и т.д.
Известен также электрохирургический аппарат (США 6086585, А61В 17/36, 11.07.2000, Д2), который 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, и блок подачи жидкости в зону воздействия, включающий ресивер и компрессор, соединенный с гидромагистралью.
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, что 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 качество абляционного воздействия, создает дополнительные осложнения хирургу для визуального контроля за ходом операции. Концентрация продуктов распада в области электрохирургического воздействия является потенциальным очагом септических заражений и послеоперационных осложнений.
Известен электрохирургический аппарат, работающий в плазменном режиме, содержащий источник питания, генератор высокой частоты, блок управления и рабочую часть, включающую ассиметричный мультиполярный электрод (J.Wolozko, K.R.Staler, I.G.Brown, IEEE Transaction on plazma science, Vol.30, No.3, June 2002. "Plazma Characteristics of Repetitevly-Pulsed Electrical Discharges in Saline Solution Used for Surgical Procedures", Д3), либо игольчатый монополярный электрод (Н.В.Бабурин, Ю.К.Данилейко, С.М.Нефедов, В.В.Осико, В.А.Салюк "Взаимодействие импульсных высокочастотных токов с биотканями", Медицинская физика, №1, 2008, стр.98-109, Д4). Особенностью работы данных аппаратов является использование слабых растворов сильных электролитов (физиологического раствора) как среды, в которой возбуждается плазменный разряд тлеющего типа. При этом в случае использования биполярных электродов, необходимо их погружение в раствор электролита, а в монополярном случае одним из электродов должен являться электролитом. Существенным моментом при использовании биполярной системы электродов является необходимость их сильной асимметрии по площади контакта с плазмой тлеющего разряда. Разрушающим биоткань фактором в такой плазменной системе является плазмохимическое взаимодействие органических молекул с ионами и возбужденными атомами плазмы тлеющего разряда при их гетерогенной рекомбинации на границе плазма - биоткань (Д4). Как показали проведенные исследования, режим плазменного горения на рабочем
электроде может использоваться применительно к задаче рассечения биологических тканей различной структуры. При этом важным с практической точки зрения является выявление критерия перехода в режим плазменного горения, разработка методов его поддержания, а также выявления пороговых условий возникновения искровых пробоев при повышении напряжения на рабочем электроде. Таким критерием, а также параметром для стабилизации, может являться отличие формы импульса тока, при переходе от режима линейного омического протекания тока к нелинейному плазменному процессу Фиг.1 и 2. Возникновение искровых пробоев также может фиксироваться по появлению высших гармоник тока. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность подобной системы стабилизации при сравнительной простоте его технической реализации.
Настоящая полезная модель решает задачу обеспечения высокой стабильности параметров высокочастотного электрохирургического воздействия и надежности работы аппарата в режиме плазменного горения за счет введения управляющей обратной связи, работающей по двум независимым каналам.
Для достижения стабильного эффекта рассечения в плазменном режиме горения полезно использование автоматической системы стабилизации пиковой амплитуды рабочего напряжения на электроде. Заметим, что при повышении амплитуды рабочего напряжения до 600 В и выше в области пробоя наблюдается сильное повышение давления. При этом режим непрерывного плазменного рассечения сменяется на режим взрывного рассечения биоткани. Если времена энерговлажения короче или сравнимы со временем релаксации давления образовавшихся паров и продуктов разложения из области взаимодействия, то избыточное давление образующихся газов производит разрыв тканей при минимальной их коагуляции.
Предлагаемое техническое решение реализуется в электрохирургическом аппарате, содержащем корпус с установленным в нем источником питания, генератором высокой частоты (ВЧ-генератор) с блоком управления и подключенного к ВЧ-генератору блока стабилизации плазменного режима, в состав которого входят:
1. измерительный резистор, пиковый детектор, сдвоенный компаратор, измеритель интервала времени, образующие первую петлю обратной связи;
2. блок гальванической развязки, детектор среднего значения напряжения, высокочастотный фильтр (ВЧ-фильтр), образующие вторую петлю обратной связи;
3. измерительный резистор и ВЧ-фильтр, образующие схему защиты от искровых пробоев, предназначенную для устранения нежелательных искровых пробоев.
Изменение формы импульса тока, при переходе от режима линейного омического протекания тока к нелинейному плазменному процессу, особенно проявляется (как видно из осциллограммы, Фиг.1 и 2) в области малых значений тока.
p
p
Отметим еще один важный момент, вытекающий из осциллограмм тока, усредненной по большому количеству периодов. Это ее несимметричный (ангармонический сигнал) характер по отношению к смене полярности напряжения на активном электроде. В данном случае первой измеряемой физической величиной может служить время t, когда напряжения на токовом резисторе находится между значениями пороговой величины ±U. Легко видеть, что это время зависит от амплитуды напряжения на токовом резисторе, и следовательно, значение порога U зависит от амплитуды U. Вторая измеряемая величина связана с различием амплитуд положительной и отрицательной полуволны напряжения в случае работы в режиме плазменного горения. При слишком большом
превышении напряжения на рабочем электроде возможны нежелательные искровые пробои. Во время пробоя появляются высшие гармоники высокочастотного сигнала (ВЧ-сигнала), которые выделяются ВЧ-фильтром. Время интегрирования гармоник ВЧ-сигнала - 50 мс. Блок-схема блока стабилизации плазменного режима воздействия на биоткань приведена на Фиг.3.
Выход ВЧ-генератора 1 подключен на вход измерительного резистора 2, выходное напряжение с которого идет на пиковый детектор 3, блок 8 гальванической развязки, ВЧ-фильтр 7 и сдвоенный компаратор 5. Выход пикового детектора 3 связан с входом сдвоенного компаратора 5, выходной сигнал которого идет на вход измерителя интервала времени 6. Выход измерителя интервала времени 6 связан с цепями управления ВЧ-генератора 1. На второй и третий вход цепей управления ВЧ-генератором подается сигнал с детектора среднего значения напряжения 4 и с блока ВЧ-фильтра 7, на вход которого поступает сигнал с измерительного резистора 2. Выход блока 8 гальванической развязки идет на вход детектора среднего значения напряжения 4 и на активный электрод.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
p
2
p
1
2
1
Сигнал с выхода ВЧ-генератора 1 поступает на активный электрод через измерительный резистор 2 (токовый трансформатор) и блок гальванической развязки 8. Амплитуда напряжения на резисторе измеряется с помощью пикового детектора 3, и ее значение поступает на установку величины порога напряжения ±U сдвоенного компаратора 5. С помощью измерителя временных интервалов 6 производится оценка интервала времени t, во время которого значение амплитуды напряжения на токовом резисторе находится между пороговыми величинами ±U и сравнивается со значением интервала времени для линейного режима работы прибора t. Значение величины разности интервалов времени t-t
служит первым управляющим сигналом, поступающим на ВЧ-генератор. При работе аппарата в режиме плазменного горения на выходе детектора среднего значения напряжения 4 появляется положительная постоянная составляющая напряжения, связанная с ангармоничностью сигнала, а величина этого напряжения служит вторым управляющим сигналом, поступающим на ВЧ-генератор, в результате чего происходит замыкание двухконтурной цепи обратной связи, обеспечивающей поддержание необходимого стабильного плазменного режима работы, с повышенной надежностью и помехоустойчивостью. Вход блока 7 ВЧ-фильтра соединен с измерительным резистором 2, а его выход подключен к ВЧ-генератору 1. Блок 7 ВЧ-фильтра предназначен для устранения нежелательных искровых пробоев.
Использование предлагаемой системы автоподстройки режима плазменного горения позволяет автоматически поддерживать на необходимом уровне мощность, вводимую в плазму.