UA89033U

UA89033U - Electrosurgical generator for welding and cutting biological tissues

Info

Publication number: UA89033U
Application number: UAU201312555U
Authority: UA
Inventors: Борис Євгенович Патон; Ігор Віталійович Крівцун; Юрій Миколайович Ланкін; Євген Миколайович Байштрук; Павло Петрович Осєчков; Ірина Юріївна Романова; Людмила Федорівна Суший; Валерій Феодосійович Сємікін; Володимир Георгійович Соловйов; Дмитро Дмитрович Кункін
Original assignee: Інститут Електрозварювання Ім. Є.О. Патона Нан України
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-04-10

Abstract

An electrosurgical generator for welding and cutting the biological tissues connected to the electrodes of the bipolar electrosurgical instrument for applying high-frequency current contains the mains rectifier, the controlled power converter, the output transducer connected to the bipolar electrosurgical instrument (one output – directly, the other output – via current probe), the voltage probe connected in parallel to the bipolar electrosurgical instrument, the automated regulator of the welding current (with the input of the feedback signal connected to the output of current probe), the probe for finishing the generation of the welded joint (with one input connected to the voltage probe), the probe for the initial tissue impedance (with its input connected to the voltage probe), the control device (with the outputs connected to the mains rectifier, to the input of the signal generator for the automatic regulator of the welding current, and to input of the signal generator of the probe for finishing the generation of the welded joint, and the inputs connected to the outputs of the automated regulator of the welding current, the probe for finishing the generation of the welded joint, and the probe for the initial tissue impedance.

Description

Корисна модель належить до медичної техніки, а саме до медичних електрохірургічних генераторів, що використовують високочастотну електричну енергію для контактного зварювання м'яких біологічних тканин біполярним електрохірургічним інструментом.The utility model relates to medical equipment, namely medical electrosurgical generators that use high-frequency electrical energy for contact welding of soft biological tissues with a bipolar electrosurgical instrument.

Електричне контактне біполярне зварювання - це створення нероз'ємного з'єднання двох частин м'якої біологічної тканини шляхом стискання їх між електродами зварювального інструменту з деяким зусиллям та пропускання крізь тканину високочастотного електричного струму. При протіканні крізь тканину електричного струму в ній виділяється тепло. Внаслідок сумісної дії тепла та прикладеного тиску відбувається коагуляція білків, клітини руйнуються, волога з клітин та міжклітинного простору видаляється, товщина тканини між електродами зменшується в декілька разів. В результаті первинно структурована тканина перетворюється в гомогенну масу колагену, еластину та основних субстанцій тканини з істотно зменшеними кордонами між структурами. Ця єдина гомогенна маса і утворює зварне з'єднання двох спочатку роздільних ділянок м'якої біологічної тканини.Electric contact bipolar welding is the creation of an inseparable connection of two parts of soft biological tissue by squeezing them between the electrodes of a welding tool with some force and passing a high-frequency electric current through the tissue. When an electric current flows through the fabric, heat is released in it. As a result of the combined action of heat and applied pressure, proteins coagulation occurs, cells are destroyed, moisture is removed from cells and the intercellular space, and the thickness of the tissue between the electrodes decreases several times. As a result, the originally structured tissue turns into a homogeneous mass of collagen, elastin and the main substances of the tissue with significantly reduced boundaries between the structures. This single homogeneous mass forms a welded joint of two initially separate areas of soft biological tissue.

В результаті різноманітних збуджень, що діють на процес зварювання, - варіації кількості захоплених інструментом тканин, відмінність фізичних властивостей тканин, їх зміни в процесі зварювання і таке інше - якість зварного з'єднання залежить від мистецтва, інтуїції та досвіду хірурга. Це ускладнює широке розповсюдження даного процесу.As a result of various stimuli acting on the welding process - variations in the amount of tissue captured by the tool, differences in the physical properties of tissues, their changes during the welding process, etc. - the quality of the welded joint depends on the art, intuition and experience of the surgeon. This complicates the widespread distribution of this process.

Для підвищення надійності та стабільності якості зварного з'єднання, більшої зручності та спрощення процесу зварювання електрохірургічні апарати обладнані системами автоматичного регулювання, в тому числі і з негативними зворотними зв'язками.To increase the reliability and stability of the quality of the welded joint, greater convenience and simplification of the welding process, electrosurgical devices are equipped with automatic adjustment systems, including those with negative feedback.

З існуючого рівня техніки відомі електрохірургічні генератори, що містять в собі блок стабілізації вихідної напруги по ланцюгу зворотного зв'язку, наприклад патент 5 5472443.From the existing state of the art, electrosurgical generators are known, which include a unit for stabilizing the output voltage through a feedback circuit, for example patent 5 5472443.

Недоліком цих генераторів є значні зміни потужності внаслідок зміни повного опору тканини при нагріві.The disadvantage of these generators is significant changes in power due to changes in the total resistance of the fabric during heating.

Відомі електрохірургічні генератори з блоком автоматичної стабілізації вихідної потужності при зміні поточного опору тканини, наприклад патент ОЗ 5827271. Недоліком таких генераторів є необхідність обчислення потужності шляхом помноження напруги на струм, що ускладнює апаратуру при аналоговому помноженні або знижує швидкодію цифрового регулювання потужності 3-за складності операції цифрового помноження.There are well-known electrosurgical generators with a unit for automatic stabilization of the output power when the current resistance of the tissue changes, for example, OZ patent 5827271. The disadvantage of such generators is the need to calculate the power by multiplying the voltage by the current, which complicates the equipment for analog multiplication or reduces the speed of digital power regulation 3-due to the complexity of the operation digital multiplication.

Зо Найбільш важливим завданням системи автоматичного регулювання електрохірургічних генераторів для зварювання біологічних тканин є надійне визначення факту завершення формування зварного з'єднання та вимикання після цього подальшого нагріву тканини.З The most important task of the system of automatic regulation of electrosurgical generators for welding biological tissues is the reliable determination of the fact of completion of the formation of the welded joint and shutdown after this further heating of the tissue.

Існує ряд патентів, в яких нагрів тканини вимикаються пристроєм керування при досяжності повного опору тканини заданої величини, наприклад, 2 кОм в патенті 05 6203541. Недоліком цих генераторів є необхідність використання операції аналогового або цифрового ділення напруги на струм для отримання значення повного опору тканини. При аналоговому діленні це ускладнює апаратуру, а при цифровому потребує значних витрат часу на обчислення.There are a number of patents in which the heating of the fabric is turned off by a control device when the total resistance of the fabric of a given value is reached, for example, 2 kΩ in patent 05 6203541. The disadvantage of these generators is the need to use an operation of analog or digital division of voltage by current to obtain the value of the total resistance of the fabric. In the case of analog division, this complicates the equipment, and in the case of digital division, it requires considerable time spent on calculations.

З існуючого рівня техніки найбільш близьким до заявленого технічного рішення є пристрій для зварювання біологічних тканин, патент України ОА 77064, опублікований 16.10.2006 р., бюл.From the existing state of the art, the device for welding biological tissues, patent of Ukraine OA 77064, published on October 16, 2006, Bull.

Мо 10/2006. Вказаний пристрій містить силовий блок, вхід якого підключено до напруги мережі, а вихід до зварювального електрохірургічного інструмента, датчики для виміру напруги високої частоти та струму між електродами та пристрій керування, що підключений до керуючого входу силового блока. Пристрій керування відрізняється тим, що має можливість керувати вихідною високочастотною напругою силового блока під час першої стадії зварювання, вимірювати опір біологічної тканини, що зварюється, визначати мінімальне значення опору тканини, визначати відносний опір тканини як відношення виміряного опору тканини та мінімального опору тканини, визначати, коли відносний опір тканини досягне попередньо заданого значення опору тканини, що є ознакою закінчення першої стадії зварювання. На другій стадії зварювання пристрій керування встановлює та стабілізує величину вихідної напруги силового блока в залежності від значення вихідної напруги силового блока наприкінці першої стадії зварювання. Тривалість другої стадії зварювання пристрій керування встановлює в залежності від тривалості першої стадії зварювання.May 10/2006. The specified device contains a power unit, the input of which is connected to the mains voltage, and the output to the welding electrosurgical tool, sensors for measuring the high-frequency voltage and current between the electrodes, and a control device connected to the control input of the power unit. The control device differs in that it has the ability to control the output high-frequency voltage of the power unit during the first stage of welding, to measure the resistance of the biological tissue being welded, to determine the minimum value of the tissue resistance, to determine the relative resistance of the tissue as the ratio of the measured tissue resistance to the minimum tissue resistance, to determine, when the relative resistance of the fabric reaches a predetermined value of the resistance of the fabric, which is a sign of the end of the first stage of welding. At the second stage of welding, the control device sets and stabilizes the value of the output voltage of the power unit depending on the value of the output voltage of the power unit at the end of the first stage of welding. The control device sets the duration of the second stage of welding depending on the duration of the first stage of welding.

Головними недоліками даного технічного рішення є довільність вибору: 1) швидкості наростання напруги на першій стадії процесу; 2) величини відносного повного опору біологічної тканини, що зварюється, яка приймається як ознака закінчення першої стадії процесу; 3). параметрів функції обчислення величини напруги другої стадії процесу; 4) параметрів функції обчислення тривалості другої стадії процесу.The main disadvantages of this technical solution are the arbitrariness of the choice: 1) the rate of voltage increase at the first stage of the process; 2) values of the relative total resistance of the biological tissue being welded, which is taken as a sign of the end of the first stage of the process; 3). parameters of the voltage calculation function of the second stage of the process; 4) parameters of the function for calculating the duration of the second stage of the process.

Крім того, суттєвим недоліком є складність обчислення повного опору тканини в реальному бо масштабі часу та ненадійність визначення мінімуму повного опору на першій стадії процесу. Ці недоліки знижують вірогідність отримання зварного з'єднання стабільно високої якості в реальних умовах зміни повного опору біологічної тканини при зварюванні різноманітних органів.In addition, a significant drawback is the complexity of calculating the total resistance of the tissue in a real time scale and the unreliability of determining the minimum total resistance at the first stage of the process. These shortcomings reduce the probability of obtaining a welded joint of consistently high quality in real conditions of changes in the total resistance of biological tissue during welding of various organs.

Задачею, на рішення якої спрямовано технічне рішення, що заявляється, є підвищення надійності отримання високоякісного зварного з'єднання біологічних тканин, а також спрощення завдання режиму зварювання хірургом.The problem, the solution of which is aimed at the proposed technical solution, is to increase the reliability of obtaining a high-quality welded joint of biological tissues, as well as to simplify the task of the surgeon's welding regime.

Рішення даної задачі досягається за рахунок того, що електрохірургічний генератор для зварювання та різки біологічних тканин, що підключається до електродів біполярного електрохірургічного інструмента для подачі струму високої частоти, містить послідовно з'єднані між собою мережевий випрямляч, керований силовий перетворювач електричної енергії, нерегульований вихідний перетворювач, один з виходів якого безпосередньо, а другий через датчик струму з'єднаний з біполярним електрохірургічним інструментом, датчик напруги, паралельно підключений до біполярного електрохірургічного інструмента, згідно з корисною моделлю, в нього введені автоматичний регулятор зварювального струму, вхід сигналу оборотного зв'язку якого з'єднано з виходом датчика струму, датчик завершення формування зварного з'єднання, один із входів якого з'єднано з датчиком напруги, датчик початкового повного опору тканини, вхід якого з'єднано з датчиком напруги, пристрій керування, виходи якого підключено до керованого силового перетворювача, до входу задання сигналу автоматичного регулятора зварювального струму та до входу задання сигналу датчика завершення формування зварного з'єднання, а входи підключено до виходів автоматичного регулятора зварювального струму, датчика завершення формування зварного з'єднання та датчика початкового повного опору тканини.The solution to this problem is achieved due to the fact that the electrosurgical generator for welding and cutting biological tissues, which is connected to the electrodes of the bipolar electrosurgical instrument for supplying high-frequency current, contains a series-connected network rectifier, a controlled power converter of electrical energy, an unregulated output converter , one of the outputs of which is directly connected, and the other through a current sensor is connected to a bipolar electrosurgical instrument, a voltage sensor connected in parallel to a bipolar electrosurgical instrument, according to a useful model, an automatic welding current regulator is introduced into it, the feedback signal input of which connected to the output of the current sensor, the sensor of the completion of the formation of the welded joint, one of the inputs of which is connected to the voltage sensor, the sensor of the initial total resistance of the fabric, the input of which is connected to the voltage sensor, the control device, the outputs of which are connected to the controlled power worker of the converter, to the signal input of the automatic welding current regulator and to the signal input of the sensor of the completion of the formation of the welded joint, and the inputs are connected to the outputs of the automatic regulator of the welding current, the sensor of the completion of the formation of the welded joint, and the sensor of the initial total resistance of the fabric.

Технічним результатом, що забезпечується наведеною сукупністю ознак, є підвищення надійності зварного з'єднання м'яких біологічних тканин за рахунок стабілізації зварювального струму та його автоматичного відключення при завершенні остаточного формування зварного з'єднання, а також спрощення задання режиму зварювання хірургом за рахунок автоматичного встановлення параметрів режиму зварювання в залежності від початкового повного опору тканини, що зварюється.The technical result provided by the given set of features is an increase in the reliability of the welded joint of soft biological tissues due to the stabilization of the welding current and its automatic shutdown upon completion of the final formation of the welded joint, as well as the simplification of the setting of the welding mode by the surgeon due to automatic setting parameters of the welding mode depending on the initial total resistance of the fabric being welded.

Суть корисної моделі пояснює креслення, на якому наведена структурна схема електрохірургічного генератора. Електрохірургічний генератор складається з послідовноThe essence of the useful model is explained by the drawing, which shows the structural diagram of the electrosurgical generator. The electrosurgical generator consists of in series

Зо з'єднаних мережевого випрямляча 1, керованого силового перетворювача 2, нерегульованого вихідного перетворювача 3, один з виходів якого безпосередньо, а другий через датчик струму 4 з'єднано з біполярним електрохірургічним інструментом, датчика напруги 5, паралельно підключеного до біполярного електрохірургичного інструмента, автоматичного регулятора струму 6, що з'єднаний з датчиком струму 4, датчика завершення формування зварного з'єднання 7, один із входів якого з'єднано з датчиком напруги 5, датчика початкового повного опору тканини 8, вхід якого з'єднано з датчиком напруги 5, пристрій керування 9, виходи якого підключено до керованого силового перетворювача 2, до входу завдання сигналу автоматичного регулятора зварювального струму б та до входу задання сигналу датчика завершення формування зварного з'єднання 7, а входи підключено до виходів автоматичного регулятора зварювального струму 6, датчика завершення формування зварного з'єднання 7 та датчика початкового повного опору тканини 8.From the connected network rectifier 1, controlled power converter 2, unregulated output converter 3, one of the outputs of which is directly connected, and the other through the current sensor 4, is connected to the bipolar electrosurgical instrument, the voltage sensor 5, connected in parallel to the bipolar electrosurgical instrument, automatic of the current regulator 6, which is connected to the current sensor 4, the sensor of the completion of the formation of the welded joint 7, one of the inputs of which is connected to the voltage sensor 5, the sensor of the initial total resistance of the fabric 8, the input of which is connected to the voltage sensor 5 , the control device 9, the outputs of which are connected to the controlled power converter 2, to the signal assignment input of the automatic welding current regulator b and to the input of the signal assignment of the sensor for the completion of the formation of the welded joint 7, and the inputs are connected to the outputs of the automatic regulator of the welding current 6, the completion sensor formation of the welded joint 7 and the sensor of the initial total resistance tk Anina 8.

Мережевий випрямляч 1 перетворює змінну напругу мережі частотою 50 Гц в постійну напругу. Керований перетворювач 2 перетворює вихідну постійну напругу випрямляча 1 в постійну регульовану в широких межах напругу. Нерегульований перетворювач З перетворює вихідну постійну напругу керованого перетворювача 2 в змінну напругу високої частоти (більше кГц) з діючим значенням, пропорційним вихідній напрузі керованого перетворювача 2.Mains rectifier 1 converts alternating mains voltage with a frequency of 50 Hz into direct voltage. The controlled converter 2 converts the output constant voltage of the rectifier 1 into a constant voltage adjustable within wide limits. The unregulated converter C converts the output DC voltage of the controlled converter 2 into an alternating voltage of high frequency (more than kHz) with an effective value proportional to the output voltage of the controlled converter 2.

Вихідні напруга та струм перетворювача З є зварювальними напругою та струмом.The output voltage and current of the converter C are the welding voltage and current.

Вихідний сигнал Ізв датчика струму 4 порівнюється в автоматичному регуляторі струму 6 з сигналом задання зварювального струму Ізвд, що вироблюється пристроєм керування 9. Різниця 50 цих сигналів підсилюється та через пристрій керування 9 подається як керуючий на керований перетворювач 2. Таким чином, здійснюється негативний зворотний зв'язок за зварювальним струмом, величина якого стабілізується на заданому рівні незалежно від повного опору тканини, що зварюється.The output signal Izv of the current sensor 4 is compared in the automatic current regulator 6 with the welding current reference signal Izvd produced by the control device 9. The difference 50 of these signals is amplified and sent through the control device 9 as a control to the controlled converter 2. Thus, negative feedback is carried out connection to the welding current, the value of which stabilizes at a given level regardless of the total resistance of the fabric being welded.

Експерименти, проведені авторами, показують, що при зварюванні стабілізованим струмом після закінчення формування зварного з'єднання повний опар тканини та напруга на тканині починають швидко зростати. Це явище використане в корисній моделі, що патентується, для автоматичного вимикання зварювального струму при завершенні формування зварного з'єднання. Для цього вихідний сигнал (звд датчика напруги 5 порівнюється в датчику завершення формування зварного з'єднання 7 з заданим значенням ЮОзвд, що вироблюється бо пристроєм керування 9. Коли вихідний сигнал ЮОзвд датчика напруги перевищить задане значення Ізвд, датчик завершення формування зварного з'єднання 7 подає сигнал відключення зварювального струму на пристрій керування 9, який в свою чергу передає цей сигнал на керований перетворювач 2, що відключає зварювальний струм.The experiments conducted by the authors show that during welding with a stabilized current, after the formation of the welded joint, the full steam of the fabric and the tension on the fabric begin to increase rapidly. This phenomenon is used in a useful patent-pending model to automatically turn off the welding current when the formation of the welded joint is complete. For this purpose, the output signal (zvd of the voltage sensor 5 is compared in the sensor of the completion of the formation of the welded joint 7 with the set value of ХОзвд, which is produced by the control device 9. When the output signal of the ХОзвд of the voltage sensor exceeds the set value of Извд, the sensor of the completion of the formation of the welded joint 7 sends a signal to disconnect the welding current to the control device 9, which in turn transmits this signal to the controlled converter 2, which disconnects the welding current.

Для спрощення роботи хірурга та підвищення надійності отримання якісного зварного з'єднання пристрій керування 9 забезпечено функцією автоматичної установки параметрів режиму зварювання. На початку зварювання пристрій керування 9 подає на керований перетворювач 2 сигнал на протікання крізь тканину короткочасного (100 мс) імпульсу стабільного струму малої величини (0.1 А). Оскільки струм імпульсу стабілізовано та не залежить від повного опору тканини, повний опір тканини визначається як значення напруги на тканині, помножене на постійний масштабний коефіцієнт, обернено пропорційний струму імпульсу. Вихідний сигнал датчика напруги 5 подається на вхід датчика початкового повного опору тканини 8. Після помноження на масштабний коефіцієнт (10 при струмі імпульсу 0.1 А) на виході датчика 8 отримаємо значення початкового повного опору тканини Апчт, яке подається на пристрій керування 9. Таким чином, початковий повний опір тканини визначається без операції ділення напруги на струм, що відносно важко реалізується як апаратно, так і програмно. За величиною виміряного початкового повного опору тканини пристрій керування 9 обирає з таблиці, що записана в ПЗУ, значення заданого зварювального струму Ізад та заданої напругиTo simplify the surgeon's work and increase the reliability of obtaining a high-quality welded joint, the control device 9 is equipped with the function of automatically setting the parameters of the welding mode. At the beginning of welding, the control device 9 sends a signal to the controlled converter 2 to flow through the fabric a short-term (100 ms) pulse of a stable current of small magnitude (0.1 A). Since the pulse current is stabilized and independent of the total tissue resistance, the total tissue resistance is defined as the value of the tissue voltage multiplied by a constant scale factor inversely proportional to the pulse current. The output signal of the voltage sensor 5 is fed to the input of the sensor of the initial total resistance of the fabric 8. After multiplying by the scale factor (10 at a pulse current of 0.1 A), at the output of the sensor 8 we will get the value of the initial total resistance of the fabric Apcht, which is fed to the control device 9. Thus, the initial total resistance of the tissue is determined without the operation of dividing the voltage by the current, which is relatively difficult to implement both in hardware and software. According to the value of the measured initial total resistance of the fabric, the control device 9 selects the values of the specified welding current Izad and the specified voltage from the table recorded in the ROM

Мзвд. Вибрані значення струму та напруги надходять як задавальні в автоматичний регулятор зварювального струму 6 та в датчик завершення формування зварного з'єднання 7, тим самим автоматично задаючи основні параметри режиму зварювання - величину зварювального струму та часу зварювання.Mzvd. The selected current and voltage values are input to the automatic welding current regulator 6 and to the welding joint formation completion sensor 7, thereby automatically setting the main parameters of the welding mode - the amount of welding current and welding time.

Таким чином, електрохірургічний генератор для зварювання та різки біологічних тканин, що патентується, визначає електричні властивості тканини, що зварюється, встановлює параметри режиму зварювання даної конкретної тканини, стабілізує параметри режиму зварювання незалежно від зміни її властивостей під час зварювання, визначає момент закінчення формування зварного з'єднання та автоматично відключає зварювальний струм.Thus, the patented electrosurgical generator for welding and cutting of biological tissues determines the electrical properties of the tissue being welded, sets the parameters of the welding mode of this specific tissue, stabilizes the parameters of the welding mode regardless of changes in its properties during welding, determines the moment of completion of the formation of the welded connection and automatically turns off the welding current.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

З The electrosurgical generator for welding and cutting biological tissues, which is connected to the electrodes of a bipolar electrosurgical instrument for supplying high-frequency current, contains a series-connected network rectifier, a controlled power converter of electrical energy, an unregulated output converter, one of the outputs of which is directly, and the second through the current sensor is connected to the bipolar electrosurgical instrument, the voltage sensor is connected in parallel to the bipolar electrosurgical instrument, which is characterized by the fact that an automatic welding current regulator is introduced into it, the feedback signal input of which is connected to the output of the current sensor, a sensor for the completion of the formation of a welded joint, one of the inputs of which is connected to a voltage sensor, a sensor of the initial total resistance of the fabric, the input of which is connected to a voltage sensor, a control device, the outputs of which are connected to a controlled power converter, to the input of setting the signal of the automaton automatic welding current regulator and to the signal input of the weld completion sensor, and the inputs are connected to the outputs of the automatic welding current regulator, the weld completion sensor, and the initial total fabric resistance sensor.