электронный коагулирующий скальпель

Формула изобретения

1. Способ регулирования мощности в манипуляторе электронного скальпеля, выполняемый таким образом, что указанный манипулятор может быть использован для коагуляции крови, причем указанный электронный скальпель содержит, по меньшей мере, схему выпрямителя напряжения сети электропитания, подающей выпрямленное и постоянное напряжение в, по меньшей мере, радиочастотную схему, выполненную с возможностью обеспечения на выходе токового сигнала несущей с основной частотой, определяемой генератором, причем указанный токовый сигнал подают в качестве питания указанного манипулятора посредством радиочастотного трансформатора, причем указанный способ содержит этапы, на которых подают в указанный манипулятор результирующий сигнал (301, полученный в результате комбинирования указанного сигнала несущей (304) и модулирующего сигнала (201), причем указанный результирующий сигнал имеет такую частоту, что энергия, передаваемая в коагулируемую кровь, является достаточной для повышения температуры ткани, подвергаемой лечению, с тем, чтобы вызвать денатурацию фибриногена, содержащегося в ткани, для его преобразования в фибрин, отличающийся тем, что энергия, передаваемая манипулятором в коагулируемую кровь, является таковой, что температура крови, в которой происходит коагуляция, не превышает 75°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение амплитуды сигнала, подаваемого в манипулятор, производят путем изменения амплитуды сигнала (302) мощности, подаваемого на контрольную схему, или путем изменения напряжения питания (201).

3. Электронный скальпель для осуществления способа по п.1, содержащий манипулятор (41) для коагуляции органических тканей и, по меньшей мере, один электрод для замыкания электрической цепи, соединенной с ними, схему (20) выпрямителя, питаемую напряжением сети электропитания, подающую напряжение (201) в радиочастотную схему, радиочастотную схему (30), содержащую, по меньшей мере, электронный ключ (305), питаемый указанным напряжением (201) и управляемый контрольной схемой (306), при этом указанная радиочастотная схема в качестве выходного сигнала выдает результирующий сигнал (301), формируемый при помощи комбинирования в общем случае прямоугольного сигнала (304) несущей и модулирующего сигнала, причем указанный результирующий сигнал циркулирует в резонансном контуре с широкой полосой пропускания на частоте указанного сигнала несущей.

4. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что указанный резонансный контур образован, по меньшей мере, паразитной емкостью указанного электронного ключа (305) и индуктивностью первичной обмотки радиочастотного трансформатора, питающего указанный манипулятор.

5. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что амплитуда сигнала в манипуляторе (41) является изменяемой при помощи регулятора (303), который изменяет напряжение (302) контрольной схемы (306).

6. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что амплитуда сигнала в манипуляторе (41) является изменяемой при помощи изменения выпрямленного и постоянного напряжения (201), которое питает указанную радиочастотную схему (30), причем поддерживают постоянным напряжение (302), питающее контрольную схему (302) указанного, по меньшей мере, электронного ключа (305).

7. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что амплитуда сигнала в манипуляторе (41) является изменяемой при помощи изменения выпрямленного и постоянного напряжения (201), которое питает указанную радиочастотную схему (30), и при помощи регулятора (303), который изменяет напряжение (302) контрольной схемы (306).

8. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что контрольная схема (306) подсоединена к схеме (310) управления, содержащей микропроцессор (314), прерывающий на заданные интервалы питание указанной контрольной схемы таким образом, что результирующий сигнал, проходящий через резонансный контур, принимает форму последовательности импульсов, причем каждый содержит амплитудно-модулированный сигнал.

9. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что указанный модулирующий сигнал подают в коллектор указанного электронного ключа в виде сигнала (201) выпрямленного напряжения сети электропитания без отрицательной полуволны.

10. Электронный скальпель по п.3, отличающийся тем, что сигнал несущей имеет основную частоту 4 МГц.

11. Электронный скальпель по п.10, отличающийся тем, что последовательность импульсов модулирующего сигнала имеет частоту от 20 до 30 кГц.

12. Электронный скальпель по п.10, отличающийся тем, что модулирующий сигнал имеет частоту от 50 Гц.

13. Электронный скальпель по п.10, отличающийся тем, что модулирующий сигнал имеет частоту от 60 Гц.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электронному скальпелю для коагуляции крови в сосудах, приспособленному для хирургических приложений.

Более точно, как более подробно излагается в нижеследующем описании, изобретение относится к электронному скальпелю, выполненному с возможностью передачи в манипулятор электрической мощности и, тем самым, энергии, для коагуляции крови в кровеносных сосудах, не вызывая коллапса стенки сосудов.

Хорошо известно, что сворачивание крови происходит вследствие того, что белковое вещество, растворенное в плазме, называемое фибриноген, во время сворачивания крови организуется в волокнистую устойчивую структуру, называемую фибрин.

Образуемая таким образом фибриновая сеть предотвращает выход крови из кровеносного сосуда, по которому она протекает.

Таким образом, улучшение перехода фибриногена в фибрин означает организацию условий для коагуляции крови.

Тесты показали, что коагуляция, представляющая собой преобразование фибриногена в фибрин, происходит, когда молекулам плазмы сообщают такую кинетическую энергию, что их температура при этом повышается, по меньшей мере, до 63°С. В таких условиях фибриноген преобразуется в фибрин без коллапса кровеносных сосудов.

Если температура превышает 80-85°С, сосуды коллапсируют и клетки стенок кровеносных сосудов погибают.

Доступные в настоящее время способы коагуляции выполняют электрическими скальпелями, вызывающими разрушение сосудов, которые образуют зоны омертвения и, помимо этого, электрические скальпели работают с опасными уровнями напряжений, иногда до нескольких тысяч вольт.

Опасность высоких напряжений сочетается с избытком энергии, передаваемой через электрические скальпели, вызывая разрушение тканей кровеносных сосудов, как указывалось выше.

Проведенные тесты выявили, что клетки, подвергнутые воздействию электронного скальпеля, не испытывают некротическую дегенерацию, если передаваемая энергия для разрушения молекулярных связей в этих клетках по существу равна энергии указанных молекулярных связей.

Фактически, всякий раз, когда энергия передается в клеточную ткань, это вызывает вибрацию молекул ткани, и увеличение кинетической энергии преобразуется в повышение температуры указанной ткани.

Если температура клеток превышает 50°С, клетки некротизируются и погибают.

Таким образом, является чрезвычайно важным действовать таким образом, чтобы электронный скальпель выполнял рассечение без генерации тепла в окружающих тканях.

Помимо этого, обнаружено, что эффект повышения температуры не имеет место тогда и только тогда, когда энергия, передаваемая молекулам ткани, равна энергии молекулярной связи.

В самом деле, в этом случае подаваемая энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул, а только на разрыв связей, соединяющих молекулы друг с другом.

Задачей настоящего изобретения является предоставление способа управления электронным устройством, передающим сигналы в манипулятор электронного скальпеля, а также выполнение указанного электронного скальпеля таким образом, чтобы передавать в область ткани, предназначенную для коагуляции, энергию, по существу равную энергии, требуемой, для того чтобы вызвать денатурацию белка, преобразующую фибриноген, содержащийся в плазме, в фибрин, без коллапса кровеносных сосудов.

Другой задачей настоящего изобретения является предоставление возможности того, чтобы мощность, передаваемая электронным скальпелем, была такой, при которой температура окружающих тканей не повышалась до таких высоких значений, при которых происходит коллапс ткани кровеносных сосудов.

Другими словами, задачей является обеспечение возможности, чтобы температура, передаваемая манипулятором электронного скальпеля в коагулируемую кровь, никогда не превышала 70-75°С.

Другой задачей настоящего изобретения является ограничение, насколько это возможно, или полное предотвращение коллапса кровеносных сосудов и, тем самым, их разрушения вследствие того, что данная область, более не снабжаемая кровью, погибает в силу естественных причин.

Дополнительные задачи настоящего изобретения относятся к предоставлению электронного скальпеля, использующего относительно низкие напряжения для коагуляции, так что время от времени возникающая возможность повреждения кишечника устраняется, даже в случае действий в удаленных от него местах.

Вышеупомянутые и другие задачи, которые более подробно будут описаны ниже, решаются электронным скальпелем настоящего изобретения, который, в соответствии с основным пунктом формулы изобретения, содержит:

- манипулятор для коагуляции органических тканей и, по меньшей мере, электрод для замыкания электрической цепи, являющейся частью указанного манипулятора;

- схему выпрямителя, питаемую основным напряжением, подающую выпрямленное, постоянное, или также стабилизированное напряжение в радиочастотную схему;

- радиочастотную схему, содержащую, по меньшей мере, электронный ключ, питаемый указанным выпрямленным напряжением, и управляемую контрольной схемой, выдающей сигнал по существу прямоугольной формы, имеющий установленную амплитуду и частоту,

причем указанный электронный скальпель отличается тем, что указанная радиочастотная схема выдает сигнал, получающийся в результате комбинации импульсного сигнала несущей по существу прямоугольной формы и модулирующего сигнала, причем указанный получающийся в результате сигнал циркулирует в широкополосном резонансном контуре на частоте указанного сигнала несущей. Преимущественно, согласно настоящему изобретению на манипулятор подают по существу с регулярными интервалами, пакеты сигналов, получаемые в результате комбинирования сигнала несущей с частотой равной резонансной частоте контура и набора гармоник и модулирующего сигнала с подходящей частотой.

Каждый пакет сигналов, получаемый в манипуляторе, имеет амплитуду, определяющую мощность и, следовательно, энергию, которая передается клеткам, подвергаемым коагуляции, и вызывает легкий нагрев, поскольку энергия, передаваемая указанным клеткам, отличается от энергии связи молекул в указанных клетках. При этом происходит нагревание, которое может быть в пределах 65-70-75°С, но не выше, так, что достигается эффект денатурации фибриногена в фибрин, но не некроза окружающих клеток.

Также преимущественно резонансную частоту сигнала несущей предпочтительно, но не обязательно, выбирают примерно 4 МГц, тогда как модулирующий сигнал может иметь частоту сети электропитания, например, 50 или 60 Гц или частоту 20-30 кГц.

Присутствие спектра гармоник в результирующем сигнале приводит к тому, что манипулятор передает мощность и, следовательно, энергию в коагулируемую ткань, которая является суммой различных определенных энергий, соответствующих различным частотам.

Это является особенно важным, поскольку каждой молекуле коагулируемой крови различного типа соответствует наиболее подходящая энергия, передаваемая для получения, в данном случае, подходящей температуры, позволяющей преобразование фибриногена в фибрин, не вызывая разрушений в других близлежащих клетках.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, результирующий модулированный сигнал получают, включая и выключая с периодическими интервалами буферную схему, разрешающую или запрещающую передачу кварцевым генератором или синтезатором сигнала произвольной частоты его сигналов в контрольную схему электронного ключа.

Таким образом, в этом случае получают периодические импульсные последовательности, причем указанные импульсные последовательности зависят от частоты, с которой микропроцессор, управляющий буферной схемой, выполняет операции разрешения и запрета.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения результирующий сигнал получают суммированием сигнала несущей, генерируемого на частоте кварцевого генератора или синтезатора сигнала произвольной частоты и подаваемого контрольной схемой в базу электронного ключа, с частично выпрямленным сигналом сети электропитания, который подают на коллектор электронного ключа.

Так называемая базовая модуляция, вызывающая генерацию последовательностей импульсов в контрольной схеме, является особенно пригодной для устройств большой мощности, тогда как коллекторная модуляция используется для устройств малой мощности.

Дополнительные характеристики и отличительные особенности настоящего изобретения будут более подробно изложены в нижеследующем описании конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, приводимых в качестве иллюстративных, но не ограничивающих примеров и описанных совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 является блок-схемой электронного скальпеля настоящего изобретения;

На Фиг.2 показана подробная схема радиочастотной схемы электронного скальпеля по Фиг.1;

На Фиг.3 показана форма сигнала мощности, подаваемой в манипулятор электронного скальпеля на различных частотах.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, вместо трансформатора 11 схемы выпрямителя с фильтром 20 может быть использован стабилизированный ключевой AC/DC преобразователь или трансформатор, соединенный со схемой выпрямителя с фильтром, имеющей на выходе стабилизированный DC/DC преобразователь.

В любом случае, напряжение 201 на выходе указанной схемы выпрямителя должно быть постоянным и стабилизированным, имеющим заданную величину, предпочтительно составляющую, например, от 50 до 200 В, причем выбираемое напряжение зависит от способа применения устройства.

В качестве альтернативы, для того же способа использования устройства напряжение может быть различным для различных функций.

Например, напряжение питания может подаваться по двум шинам с двумя различными значениями напряжения, в зависимости от биполярной или униполярной функции указанного скальпеля, присутствующих в одном оборудовании.

Указанная радиочастотная схема более подробно показана на Фиг.2.

Схема в данном примере использует два электронных ключа, например два КМОП транзистора.

Однако, если в электронном скальпеле необходима большая мощность резания, возможно использование трех или более КМОП компонентов.

Каждый КМОП транзистора 305 управляется контрольной схемой 306, питаемой напряжением 302, подаваемым стабилизированным источником питания постоянного тока известного типа, не показанного на чертежах, в котором предусмотрена возможность регулирования выходного напряжения и который может быть ключевого типа для достижения лучшей эффективности.

Контрольная схема 306 также управляется схемой 310 управления током, содержащей, помимо прочего, микропроцессор 314, который прерывает, на установленные интервалы, подачу питания на контрольную схему таким образом, что результирующий сигнал, проходящий через резонансную схему, приобретает форму последовательных серий импульсов, каждый из которых состоит из амплитудно-модулированного сигнала.

Более точно, радиочастотная схема 30 обеспечивает работу каждого КОМОП транзистора в качестве ключа, прерывающего постоянный ток, протекающий от выхода 201 выпрямительной схемы 20 и подаваемый на коллектор каждого КМОП транзистора.

Каждая контрольная схема 306 выдает униполярные импульсные сигналы 304 прямоугольной формы, которые подаются в базу каждого КМОП транзистора.

Частота контрольной схемы 306 поддерживается постоянной с помощью кварцевого генератора 311, имеющего частоту 4 МГц и подсоединенного к буферу 313.

Основная частота 4 МГц, а также и более высокие частоты, могут быть получены при помощи схемы или специального электронного устройства, например синтезатора частоты.

Управление КМОП транзистором 305 осуществляется сигналом, имеющим частоту колебаний, равную таковой кварцевого генератора или подходящей схемы или устройства и которая в данном случае составляет 4 МГц.

КМОП транзистор 305 в закрытом состоянии прерывает ток по шине 301 и в открытом состоянии обеспечивает протекание тока по шине 301.

Ширина токового сигнала по 301 зависит от управления сигналом 302, подаваемым на контрольную схему 306.

Управление сигналом 302, осуществляемое потенциометром 303, или, например, средством управления типа сенсорного экрана, позволяет выбрать ширину выходного сигнала таким образом, чтобы получить мощность в манипуляторе 41 электронного скальпеля в соответствии с проводимой операцией.

Приведенная ниже таблица показывает максимальные мощности, применяемые в некоторых приложениях, использующих скальпель настоящего изобретения для операций рассечения при хирургическом вмешательстве.

Таблица 1
Область	Мощность на скальпеле
Пластическая хирургия	Максимум 90-100 Вт
Челюстно-лицевая хирургия	Максимум 90-100 Вт
Дерматология	50-100 Вт
Отоларингология	Максимум 100 Вт
Гинекология	Максимум 100 Вт
Нейрохирургия	Максимум 25 Вт
Урология	Максимум 120 Вт

Из Таблицы 1 видно, что максимальная применяемая мощность может лежать в пределах от значений менее 25 Ватт для небольших дерматологических операций и до максимального значения 120 Ватт.

Для осуществления способа регулировки мощности, отличного от описанного в примере, в котором для регулировки мощности изменяют питающее напряжение 302 возбудителей, управляющих мощными КМОП ключами, может быть использовано постоянное и стабилизированное напряжение 210 (AC/DC преобразователем или DC/DC преобразователем), но изменяемое, например, от 0 В до 200 В, в то время как напряжение 302 поддерживают неизменным.

Другая возможность заключается в том, что используют постоянное и стабилизированное напряжение 201, изменяемое, например, от 0 В до 200 В, и также изменяют напряжение 302 для получения в этом случае регулировки мощности смешанного типа.

Согласно возможному варианту осуществления настоящего изобретения основную частоту колебания 4 МГц модулируют при помощи микропроцессора 314, который входит в состав схемы 310 управления током, выполненной с возможностью выдачи на схему буфера сигнала запрета, и разрешения указанной схемы с частотой 20-30 кГц и с коэффициентом заполнения менее 30%.

При этом схема 310 буфера пропускает и блокирует колебания, генерируемые генератором 311, тем самым генерируя последовательность пачек импульсов, проходящую через контрольную схему 306 на базу электронного КМОП ключа 305.

Таким образом, получаемый в результате сигнал 301, выходящий из КМОП ключей 305, представляет собой модулированный сигнал, чья амплитуда управляется регулятором мощности 303.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, результирующий модулированный сигнал может быть получен не прерыванием кварцевого генератора 311, а используя в качестве питания электронных КМОП ключей 305 напряжение 201, которое является не постоянным, а частично выпрямленным пульсирующим напряжением (с одной полуволной).

Для обеспечения этого достаточно модифицировать выпрямительную схему 20 таким образом, чтобы сигнал 201 выходил из указанной схемы без отрицательной полуволны и содержал только положительную часть синусоидальной волны.

В этом случае также получают выходной ток 301 из радиочастотной схемы в виде результирующего сигнала, содержащего сигнал несущей 4МГц и модулирующий сигнал 50-60 Гц.

Поскольку выход радиочастотной схемы 30 соединен с первичной обмоткой радиочастотного трансформатора 40, устанавливается циркуляция тока 301 через резонансный контур на частоте 4 МГц, где емкости и индуктивность резонансного контура определяются емкостью КМОП транзистора 305 и индуктивностью первичной обмотки трансформатора 40, соответственно, причем реактивным сопротивлением конденсатора 307 можно пренебречь, т.к. он работает, отсекая постоянную компоненту напряжения 201.

Согласно настоящему изобретению, резонансный контур на частоте несущей имеет широкую полосу пропускания, так чтобы обеспечить прохождение, хотя и ослабленных, второй и третьей гармоник сигнала несущей сигнала 301.

Предпочтительно, сигнал 301 имеет, по меньшей мере, вторую, третью и четвертую гармоники.

Для получения резонансного контура с широкой полосой пропускания в варианте осуществления по Фиг.2 используют высокочастотный трансформатор, имеющий количество витков во вторичной обмотке большее, чем количество витков в первичной обмотке.

Это выполнено указанным образом, поскольку известно, что резонансный коэффициент Q дается формулой:

Q= C_RR_E=2ПfC _RR_E

где f является резонансной частотой, С_R является емкостью резонансного контура, R_E является эквивалентным сопротивлением первичной обмотки, когда вторичная обмотка имеет нагрузку, содержащую, например, тело пациента, оперируемого электронным скальпелем.

Так как эквивалентное сопротивление может быть получено по формуле:

где R_С является сопротивлением нагрузки, и N_1, и N₂ представляют собой количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно, видно, что резонансный коэффициент может быть выражен следующим образом:

Из данного уравнения следует, что резонансный коэффициент уменьшается, если количество витков вторичной обмотки увеличивается относительно такового для первичной обмотки.

Резонансный коэффициент также может быть выражен как

где F_R является резонансной частотой и В является полосой пропускания.

В настоящем изобретении, если требуется расширить полосу пропускания с 4 до 8 МГц, 12 и 16 МГц, в резонансный контур вводят трансформатор с подходящим количеством витков, так что резонансный коэффициент имеет значение, меньшее 1, предпочтительно, между 0,4 и 0,6.

Модулирующий сигнал, также циркулирующий в резонансном контуре с частотой несущей, генерирует несколько сигналов с частотой, отличной от резонансной.

Вследствие этого результирующий сигнал является обогащенным сигналами с частотой, отличной от резонансной частоты несущей, вызывающей эффект повышения температуры крови ткани, подвергаемой коагуляции.

Такие сигналы с частотой, отличной от резонансной частоты, могут быть переданы в манипулятор, поскольку резонансный коэффициент резонансного контура является достаточно низким.

С указанными характеристиками широкой полосы пропускания резонансного контура сигнал во вторичной обмотке трансформатора 401 принимает вид, показанный на Фиг.3.

Из формы сигнала, показанного на Фиг.3 видно, что на 4, 8, 12 и 16 МГц присутствуют пики по мощности, представляющие интерес, и которые передаются в манипулятор скальпеля, что сопровождается упомянутыми выше эффектами.

Более конкретно, наблюдалось немедленное и эффективное сворачивание крови в тканях.

Окружающие ткани не подвергались некрозу, поскольку повышение температуры до 70-75°С ограничено определенной областью, в которой происходит сворачивание, и не затрагивает область окружающих тканей.

Преобразование фибриногена в фибрин является по существу немедленным.

Видно, что ток сигнала 401 после установки регулятора 302 мощности управляется через сигнал управления током от токового датчика 308, расположенного после КМОП транзистора 305.

Сигнал напряжения 309, поступающий от токового датчика 308, поступает на схему 310 управления током, обеспечивающую, при помощи быстрых компараторов, управляемых микропроцессором 314, или самого микропроцессора ограничение максимального тока 401, воздействуя сигналом 312 на контрольную схему КМОП транзистора.

В случае низкого импеданса, поскольку ток может возрасти до очень высоких значений, в схеме присутствует ограничитель тока, состоящий из индуктивности 402, ограничивающей ток в манипуляторе, и предотвращающий возрастание тока в схеме до неприемлемой величины.

Электрическая цепь замыкается через омическую нагрузку в виде тела пациента между двумя электродами, представляющими собой манипулятор 41 и электрод 42 в виде пластины.

Пластина 42 предпочтительно покрыта тонким слоем изолятора для того, чтобы пластина не обжигала пациента, что является обычным для электронных скальпелей.

Понятно, что электродная сборка, состоящая из манипулятора 41 и пластины 42, также может быть выполнена в различных формах в виде зажима для двусторонних операций.

Со способом регулирования мощности для электронного коагулирующего скальпеля настоящего изобретения является возможным обеспечение энергии в манипуляторе, которая по существу равна энергии, необходимой для клеток, подвергаемых коагуляции, для подъема температуры до величины, достаточной, чтобы вызвать денатурацию фибриногена, но меньшей, чем температура, вызывающая гибель клеток окружающей ткани.

Понятно, что указанное дозирование энергии получают при изменении амплитуды мощности сигнала, подаваемого на контрольную схему, или в качестве питания 201.

Результатом указанного дозирования энергии в манипуляторе является снижение послеоперационных болей, значительное снижение времени нахождения пациента в госпитале после хирургического вмешательства и, следовательно, снижение стоимости лечения.

Коагулирующий скальпель настоящего изобретения может быть использован для пациентов с ритмоводителем без каких-либо проблем, поскольку частоты, используемые в скальпеле настоящего изобретения, не создают помех нормальной работе ритмоводителя.