СХЕМА ДЛЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ УСТРОЙСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ, И УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ ЭТУ СХЕМУ Российский патент 2012 года по МПК A61B18/12 H03H1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к новой схеме для радиочастотных устройств, применяемых для живых тканей, а также к устройствам для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока различных типов, к электроскальпелям, в которые внедрена схема согласно настоящему изобретению, причем упомянутая схема имеет существенные признаки новизны и изобретательского уровня, допускающие реализацию значительных преимуществ по сравнению с тем, что известно в настоящее время в данной области техники.

В частности, схема для устройств для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, и для электроскальпелей согласно настоящему изобретению допускает затухание гармоник несинусоидального сигнала, позволяя получать синусоидальный сигнал на выходе высокоэффективного усилителя, в целях соответствия стандартам электромагнитной совместимости (ЭМС), которые являются обязательными практически во всех странах мира.

Как известно, ЭМС представляют собой характеристику, посредством которой электронный прибор не создает помехи сам и не подпадает под помехи других электронных приборов, когда они функционируют правильно.

Предшествующий уровень техники

Диатермия представляет собой использование специальных электрических токов для повышения температуры живой ткани в терапевтических целях. Она также известна как гипертермия, в частности, в медицинской сфере.

Оборудование для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, очень эффективно во многих применениях в области электромедицины и электроэстетики. Электроскальпели также иногда называются электроприборами для диатермии.

Работа устройств для диатермии и электроскальпелей может быть успешной при использовании высокоэффективных усилителей (с точки зрения энергопотребления), но при этих условиях они обычно испускают множество электромагнитных сигналов, главным образом, из-за паразитных элементов, которые взаимодействуют с другими электронными элементами оборудования.

Эти элементы устройства для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, и электроскальпелей обычно функционируют с помощью синусоидальных сигналов, подобно тому, как это представлено на Фиг.1. Фиг.2 иллюстрирует частотный спектр сигнала на Фиг.1, с использованием преобразования Фурье, которое является другим способом отображения сигнала в частотной области, где ось X показывает частоту, а ось Y показывает амплитуду сигнала.

Повышение температуры живой ткани посредством диатермии обеспечивается путем передачи энергии к ткани двумя способами: посредством индуцированных токов (электроды не находятся в контакте с тканями) или посредством пропускаемых токов (электроды находятся в контакте с тканью).

Вообще частота сигнала, применяемая в способе бесконтактного подключения, должна быть намного выше, чем частота сигнала, применяемая в способе контактного соединения.

При диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, два электрода контактируют с живой тканью таким образом, что между двумя электродами протекает электрический ток, и он проходит через ткань, которая находится на его пути. Ток, текущий через ткань, вызывает повышение температуры за счет эффекта Джоуля из-за электрического сопротивления ткани.

Оборудование для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, представляет собой электроды, соединенные посредством контакта. Существуют два способа применения: один известен как емкостной способ, а другой - как резистивный способ.

Электроды, используемые в диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, обычно бывают асимметричными. В этом случае, и из-за плотности тока, максимальное повышение температуры происходит в ткани вблизи активного электрода (меньшего электрода). В емкостном способе два электрода являются металлическими, но один из них имеет изолирующий слой. В резистивном способе два электрода являются металлическими без изоляции.

В электрохирургическом оборудовании, таком как электроскальпели, плотность тока настолько высока в точке контакта между активным электродом и тканью, что происходит разрезание, коагуляция или фульгурация ткани (прижигание в косметологии).

Очень сложно соответствовать стандартам ЭМС, указанным выше при использовании этого типа оборудования. Фактически, стандарт IEC 60601-2-2, которому должны отвечать электроскальпели, указывает, что тесты ЭМС необходимо осуществлять с помощью подключенного оборудования, но с выходной мощностью, равной нулю, поскольку было принято, что очень сложно удовлетворять требованиям ЭМС при использовании электроскальпеля для отрезания, фульгурации или коагуляции, и, поскольку оборудование используется в ходе хирургической операции в течение относительно короткого времени, преимущества для пациента очень высоки.

Устройство для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, функционирует аналогично электроскальпелю, но со значительно более крупным активным электродом, вследствие чего плотность тока J в области контакта с тканью значительно ниже, тогда как ток I, который течет через ткань (эффективное среднеквадратичное значение составляет до 3 A), выходное напряжение V (эффективное среднеквадратичное значение составляет до 800 В) и частота сигнала (0,4-3 МГц) имеют приблизительно тот же порядок величины. С точки зрения ЭМС, эти напряжения, токи и частоты являются относительно высокими, и это очень осложняет достижения их соответствия стандартам ЭМС в различных странах. Поскольку для этого типа оборудования нет конкретных стандартов, какие есть для электроскальпелей, оборудование для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, должно отвечать основному стандарту ЭМС для медицинского оборудования - EN 60601-1-2 в Европе. Это указывает на то, что ЭМС необходимо измерять с помощью оборудования при наихудшем возможном состоянии, которым является состояние при максимальной выходной мощности, в отличие от электроскальпелей, где необходимо измерять в состоянии при мощности, равной нулю, что сильно облегчает достижение ситуации, при которой возможно выполнение требований ЭМС.

Любой чистый и периодический несинусоидальный сигнал можно разбивать на множество синусоидальных сигналов, известных как гармоники (разделение частоты, амплитуды и фазы), которые можно вычислять из преобразования Фурье для периодического сигнала.

Способ для минимизации электромагнитных помех содержит этап, на котором получают сигнал, на котором работает усилитель и который является чисто синусоидальным, например усилитель класса A, но в этом случае максимальный теоретический коэффициент полезного действия составляет 50%, что приводит к потерям энергии и нагреву оборудования.

Некоторые высокоэффективные усилители, например, принадлежащие к классу C, D, E или F, могут привести к теоретическим коэффициентам полезного действия до 100%. Эти усилители основаны на генерировании сигнала, который в идеале является квадратичным (но может быть и трапециевидным или квазитрапециевидным) или импульсным сигналом, и на фильтрации основного сигнала с целью достижения максимального затухания нежелательных гармоник, обычно с помощью LC-фильтра второго порядка, который может быть последовательным или параллельным, но в известном уровне техники описано отсутствие фильтра, и, в отличие от этого, он описан в данном патенте для этого типа усилителя.

На практике коэффициент полезного действия этих усилителей меньше, чем теоретический коэффициент полезного действия, что вызвано потерями в составляющих и/или несогласованием импедансов.

Фиг.3 иллюстрирует квадратичный (прямоугольный) сигнал. Фиг.4 показывает, что частотный спектр упомянутого квадратичного (прямоугольного) сигнала содержит много других высокочастотных сигналов (гармоник). Эти сигналы являются нежелательными, поскольку они могут подключаться к сетевому кабелю, или поскольку они могут испускаться в форме излучения, проходящего через цепь пациента, что может легче вызвать электромагнитные помехи в другом оборудовании.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее изобретение относится к схеме, благодаря которой оборудование для диатермии легко может отвечать требованиям ЭМС в различных странах, в частности в испытаниях на излучение и управляемое излучение.

Схему можно использовать в электрохирургическом оборудовании и электроскальпелях, а также в оборудовании для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение затухания нежелательных сигналов насколько возможно, чтобы устройство не создавало помехи другому электронному оборудованию, когда в качестве источника сигналов используется генератор квадратичных, трапециевидных, импульсных или любых других сигналов, содержащих гармоники.

Схема состоит из двух резонансных фильтров - одного последовательно и одного параллельного, которые разделены не обязательно трансформатором (который может иметь коэффициент трансформации 1:N, где N - это действительное число, которое может быть больше единицы, если основная частота входного сигнала должна быть усилена, или меньше единицы, если основная частота входного сигнала должна быть ослаблена, или равна единице, если сигнал должен быть только гальванически развязан), что позволяет основной частоте входного сигнала (синусоидального сигнала) проходить через схему полностью, в результате чего остальные гармоники затухают с повышением их частоты. Этот тип оборудования для диатермии обычно имеет конденсатор на входе, известный как подавляющий конденсатор для обеспечения того, чтобы нелинейные эффекты, порождаемые высокими напряжениями (дуговыми разрядами), не вызывали демодуляцию, которая может генерировать низкие частоты (которые могут вызвать фибрилляцию, например, в ходе процедуры с использованием электроскальпеля (IEC 60601-2-2).

Упомянутые подавляющие конденсаторы вызывают падение напряжения и во избежание этого обеспечено внедрение индуктивности с таким значением, чтобы при последовательном подключении с подавляющим конденсатором резонансная частота блока была равна основной частоте входного сигнала. Таким образом достигается дополнительный эффект, состоящий в том, что очень высокие частоты затухают из-за индуктивности, снижая уровень излучений, проходящих через провода пациента.

Краткое описание чертежей

Эти и другие отличительные признаки будут лучше поняты из подробного описания, в виде неограничивающего примера, которое следует ниже, и из прилагаемых чертежей, где показаны графики обычно используемых сигналов.

Фиг.1 - синусоидальный сигнал (например, 500 кГц, нормализованный при единичной амплитуде);

Фиг.2 - частотный спектр сигнала на Фиг.1 с использованием преобразования Фурье, что является другим способом отображения Фиг.1, изменение времени (Фиг.1) для частоты по оси X, где ось Y отображает амплитуду сигнала;

Фиг.3 - квадратичный сигнал;

Фиг.4 - частотный спектр сигнала согласно Фиг.3 с использованием преобразования Фурье, причем квадратичный сигнал содержит другие смешанные сигналы на повышенных частотах (гармониках), которые могут потенциально вызвать помехи, где оси X и Y имеют логарифмическую шкалу;

Фиг.5 - схема согласно изобретению, где 1 указывает на емкостной выход (CAP), а 2 указывает на резистивный выход (RES);

Фиг.6 - диаграмма выходного сигнала фильтра от сопротивления пациента (R_PAT), показано, что гармоники практически затухают, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Настоящее изобретение (фиг.5) содержит схему для устройства для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, схема содержит два резонансных фильтра, один из которых последовательный, а другой параллельный, синтонизированных (настроенных в тон) для обеспечения прохождения основной частоты входного сигнала, который содержит гармоники, пропускаемые через фильтры (этот сигнал основной частоты является синусоидальным сигналом), что приводит к экспоненциальному затуханию остальных гармоник, поскольку частота упомянутых гармоник возрастает.

Последовательный фильтр состоит из катушки индуктивности L_S1 и емкости C1 и обеспечивает очень низкий импеданс (фактически почти короткозамкнутая цепь) при основной частоте входного сигнала и высокий импеданс при остальных гармониках входного сигнала с повышением их частот.

Параллельный фильтр состоит из катушки индуктивности L и конденсаторной емкости C и обеспечивает очень высокий импеданс (фактически, практически разомкнутая цепь) при основной частоте входного сигнала и низкий импеданс при остальных гармониках входного сигнала с ростом частоты упомянутых гармоник.

Основная частота входного сигнала с гармониками (синусоидальный сигнал) будет проходить практически без затуханий к выходу, тогда как резонансные последовательные и параллельные фильтры будут все больше и больше ослаблять гармоники, которые вызывают помехи с повышением частоты гармоник, что, таким образом, облегчает соответствие стандартам ЭМС.

Трансформатор TRF (Tuned Radio Frequency, настроенный на радиочастоту) может быть вставлен (не обязательно) между резонансным последовательным фильтром, состоящим из L_S1 и C_S1, и резонансным параллельным фильтром, состоящим из L_p и C_p, с коэффициентом трансформации 1:N, где N - это действительное число, которое может быть больше единицы, если основная частота входного сигнала должна быть усилена, или меньше единицы, если основная частота входного сигнала должна быть ослаблена, или равной единице, если она должна быть только гальванически развязана. Но можно обойтись также и без трансформатора.

Катушка индуктивности резонансного параллельного фильтра L может представлять собой независимую индуктивность или паразитную индуктивность вторичной обмотки трансформатора TRF, если он присутствует.

Предложенная схема пригодна для применения в электрохирургическом устройстве, таком как электроскальпели, в устройстве для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, при наличии изолированного активного металлического электрода (при емкостном режиме, см. патент Испании 287964 в устройстве для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, при наличии двойного электрода: изолированного активного металлического электрода (емкостной режим), и при наличии активного металлического электрода (резистивный режим, см. патент Испании 2139507), и в устройстве для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, при наличии активного металлического электрода. Этот тип устройства имеет обратный или нейтральный электрод с большей площадью, чем активный электрод. Схема также является пригодной для устройства для диатермии, например, такого, которое известно как биполярное, в котором оба электрода ведут себя как активные электроды, находящиеся близко друг к другу и обладающие одинаковыми размерами.

Устройство для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока, описанное выше, обычно содержит на своем выходе конденсатор C_{S2_CAP} (и C_{S2_RES} , если система имеет резистивный выход, который представляет собой активный электрод без изоляции), известный как подавляющий конденсатор, обеспечивающий, чтобы дуговые разряды, порождаемые высокими напряжениями, не вызывали низкочастотные токи, за счет эффекта демодуляции. Эти низкочастотные токи (f<10 кГц) могут вызвать нервное возбуждение или мышечные сокращения при использовании устройства для диатермии.

Значение емкости подавляющего конденсатора обычно бывает низким (около несколько нФ), что вызывает падение напряжения, в зависимости от ее значения (C_{S2_CAP} и/или C_{S2_RES} ) и тока I, текущего через него.

Преимущество изобретения состоит в том, что в нем предусмотрено предотвращение падения напряжения и также предложено размещение катушки индуктивности (L_{S2_CAP} и/или L_{S2_RES}) последовательно с подавляющим конденсатором (соответственно, C_{S2_CAP} и/или C_{S2_RES}), значение которого вызывает резонансную частоту, равную основной частоте входного сигнала. Это вызывает образование импеданса в индуктивной емкостной цепи, практически равной нулю при основной частоте входного сигнала. Более того, достигается дополнительный эффект, состоящий в том, что очень высокие частоты затухают из-за индуктивности (L_{S2_CAP} и/или L_{S2_RES}), что еще больше снижает уровень излучения, пропускаемого через цепь пациента и через сетевой кабель.

Значения компонентов схемы не зависят от выходной мощности. Значения каждой индуктивно-емкостной цепи заявленной схемы являются функцией рабочей частоты в соответствии с формулой (1):

Для достижения максимального кпд усилителя выходную частоту можно изменять, в зависимости от импеданса системы электрод-плюс-пациент, и поэтому схему и/или частоту можно синтонизировать, чтобы импеданс выходной схемы соответствовал импедансу системы электрод-плюс-пациент.

Типичный диапазон частоты выходного сигнала для этого типа оборудования может составлять 100 кГц - 10 МГц, таким образом, чтобы не возникало нервного возбуждения, а ее значения не оказывало бы решающего влияния на корректировку функциональных возможностей схемы.

Конкретный вариант воплощения, который приведен лишь в качестве неограничивающего примера настоящего изобретения, показан на Фиг.5. На Фиг.6 показано, как высокочастотные гармоники затухали по сравнению со спектром квадратичного входного сигнала (Фиг.4).

Очевидно, настоящее изобретение будет использоваться для радиочастотного устройства, используемого для живых тканей, такого как устройство для диатермии, осуществляемой путем пропускания тока: только емкостное устройство (с активным металлическим электродом с изолирующим слоем), только резистивное устройство (с активным металлическим электродом) или емкостное и резистивное устройство с активным электродом, меньшим, чем пассивный электрод, биполярное устройство (с одинаковыми электродами) и электроскальпели. На Фиг.5 позиция 1 указывает емкостной выход (CAP), а позиция 2 указывает резистивный выход (RES).

Следует понимать, что изобретение, которое было разъяснено выше, приведено просто в качестве неограничивающего примера и многие варианты могут быть включены в объем изобретения, который задан следующей формулой изобретения.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к радиочастотным устройствам для воздействия на живые ткани. Схема для питания электродов устройства, включающего в себя электроскальпель и/или устройство для диатермии, путем пропускания тока с частотами от 100 кГц до 10 МГц, содержит резонансный последовательный фильтр и резонансный параллельный фильтр. Резонансный последовательный и параллельный фильтры синтонизированы для обеспечения пропускания через себя основной частоты входного сигнала и одновременно экспоненциального затухания остальных гармоник при повышении частоты гармоник. Резонансные последовательный и параллельный фильтры разделены трансформатором TRF, настроенным на радиочастоту, с коэффициентом трансформации 1:N, где N - действительное число. Схема используется в устройстве для диатермии и электроскальпеле. Использование изобретения позволяет снизить помехи другому электронному оборудованию. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Схема для питания электродов устройства, включающего в себя электроскальпель и/или устройство для диатермии, путем пропускания тока с частотами от 100 кГц до 10 МГц, отличающаяся тем, что содержит: резонансный последовательный фильтр, состоящий из индуктивности L_S1 и емкости C_S1;
резонансный параллельный фильтр, состоящий из индуктивности L_P и емкости С_Р;
при этом резонансный последовательный фильтр и резонансный параллельный фильтр синтонизированы для обеспечения пропускания через себя основной частоты входного сигнала, и одновременно экспоненциального затухания остальных гармоник при повышении частоты гармоник; причем
резонансные последовательный и параллельный фильтры разделены трансформатором TRF, настроенным на радиочастоту, с коэффициентом трансформации 1:N, где N - действительное число.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что содержит средство для изменения и синтонизирования частоты.

3. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что индуктивность резонансного параллельного фильтра L_P представляет собой паразитную индуктивность вторичной обмотки трансформатора TRF.

4. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что индуктивность резонансного параллельного фильтра L_P является независимой индуктивностью.

5. Схема по п.1, отличающаяся тем, что содержит подавляющий конденсатор C_{S2--_CAP}, C_{S2_RES} на каждом выходе, при этом индуктивность L_{S2_CAP}, L_{S2_RES} установлена последовательно с конденсатором, и имеет величину, обеспечивающую формирование резонанса на основной частоте входного сигнала.

6. Схема по п.1, отличающаяся тем, что индуктивность L_S1 и емкость C_S1 резонансного последовательного фильтра обеспечивают пониженный импеданс на основной частоте входного сигнала и повышенный импеданс на остальных гармониках входного сигнала.

7. Схема по п.6, отличающаяся тем, что индуктивность L_S1 и емкость C_S1 резонансного последовательного фильтра обеспечивают очень низкий импеданс на основной частоте входного сигнала и высокий импеданс на остальных гармониках входного сигнала.

8. Схема по п.1, отличающаяся тем, что индуктивность L_P и емкость С_Р резонансного параллельного фильтра обеспечивают повышенный импеданс на основной частоте входного сигнала и пониженный импеданс на остальных гармониках входного сигнала.

9. Схема по п.8, отличающаяся тем, что индуктивность L_P и емкость С_Р резонансного параллельного фильтра обеспечивают очень высокий импеданс на основной частоте входного сигнала и низкий импеданс на остальных гармониках входного сигнала.

10. Устройство для диатермии, содержащее схему по любому из пп.1-9.

11. Электроскальпель, содержащий схему по любому из пп.1-9.