Elektrochirurgie

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Bei der Hochfrequenz-Chirurgie (im weiteren als HF-Chirurgie bezeichnet; auch Diathermie oder Elektrokauterisation) wird Wechselstrom mit hoher Frequenz durch den menschlichen Körper geleitet, um Gewebe gezielt zu schädigen bzw. zu schneiden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlicher Schneidetechnik mit dem Skalpell ist, dass gleichzeitig mit dem Schnitt eine Blutungsstillung durch Verschluss der betroffenen Gefäße erfolgen kann. Die benutzten Geräte werden auch als Elektroskalpell bezeichnet.

Beim Resezieren bösartiger Tumore sollte die Verwendung des Elektromessers nahe am Tumor unterbleiben, da der Pathologe die verbrannten Schnittflächen nicht beurteilen kann und keine Aussage, ob der Tumor vollständig (in sano) entfernt wurde, treffen kann. Es spricht jedoch nichts dagegen, die Resektionsflächen mit dem Kauter abzufahren, um Tumoraussaat zu zerstören (selbstverständlich nicht präparateseitig).

Physikalisches Prinzip

Die HF-Elektrochirurgie baut auf dem Joule’schen Gesetz auf. Wenn elektrischer Strom durch den menschlichen Körper fließt, treten drei verschiedene Effekte auf:

• Nervstimulation
• Elektrolyse (chemische Wirkung)
• Erwärmung

In der Hochfrequenz-Chirurgie macht man sich den thermischen Effekt der Erwärmung zunutze. Bei Wechselstrom hoher Frequenz treten Elektrolyse und Nervstimulation nur in sehr geringem Maße auf.

Die pro Gewebevolumen ΔV entstehende Wärmeleistung ΔQ ist nach dem Joule’schen Gesetz direkt proportional zum spezifischen Widerstand ρ und dem Quadrat der Stromdichte j.

$\Delta Q = \rho\cdot j^2\cdot \Delta V\cdot \Delta t$

Stromdichten von $\!\,j = 1 - 6 A / cm^2$ sind üblich. Die Bedingungen, von denen die Art bzw. das Aussehen und die Wirkung des Schnitts abhängen, sind:

• Stromdichte
• Einwirkdauer bzw. Geschwindigkeit der bewegten Elektrode
• Elektrodenform
• Stromform
• Gewebezustand

Anwendungstechniken

Monopolare Anwendungstechnik

Monopolare Anwendungstechnik

Am häufigsten wird die monopolare Technik angewendet. Dabei wird ein Pol der HF-Spannungsquelle über eine möglichst große Fläche mit dem Patienten verbunden. Diese Elektrode nennt man Neutralelektrode. Der andere Pol ist das chirurgische Instrument (Aktive Elektrode). Der Strom fließt über den Weg des geringsten Widerstandes von der Aktivelektrode zur Neutralelektrode. In unmittelbarer Nähe der Aktivelektrode ist die Stromdichte am höchsten, hier findet der thermische Effekt am stärksten statt. Die Stromdichte nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab.

Die Neutrale Elektrode sollte möglichst großflächig sein, sodass die Stromdichte im Körper gering gehalten wird und keine Verbrennungen stattfinden. Die Haut an der Neutralelektrode wird durch die große Fläche nicht spürbar erwärmt. Bei der Anbringung der Neutralelektrode gelten strenge Sicherheitsmaßnahmen. Um keine Verbrennungen zu verursachen, sind richtige Position und guter Kontakt der Neutralen Elektrode (abhängig vom Operationsgebiet) ausschlaggebend.

Bei der monoterminalen Anwendungstechnik, einer Sonderform der monopolaren Technik, wird die neutrale Elektrode weggelassen. Der Generator ist einseitig mit Erde verbunden und der kapazitive Widerstand (Impedanz) von einigen hundert Ohm des menschlichen Körpers gegen Erde schließt den Stromkreis. Ein Nachteil ist, dass sich dieser kapazitive Widerstand und damit auch der wirksame Strom ändert, sobald man den Körper berührt. Deshalb wird diese Methode nur bei Eingriffen mit kleinen Strömen verwendet (z. B. Zahnheilkunde und Dermatologie).

Bipolare Anwendungstechnik

Bipolare Anwendungstechnik

Bei der bipolaren Technik fließt der Strom im Gegensatz zur monopolaren Technik nur durch einen kleinen Teil des Körpers – denjenigen, in dem die chirurgische Wirkung (Schnitt oder Koagulation) gewünscht ist. Zwei gegeneinander isolierte Elektroden, zwischen denen die HF-Spannung anliegt, werden direkt an die Operationsstelle geführt. Der Stromkreis wird über das dazwischen liegende Gewebe geschlossen. In dem Gewebe zwischen den Elektroden (im Bild sind es Pinzettenspitzen) findet der thermische Effekt statt.

Gegenüber der monopolaren Technik wird 20–30 % weniger Leistung benötigt. Das umgebende Gewebe wird, weil hier kein Strom fließt, nicht geschädigt und Messgeräte am Patienten (z.B. EKG) nicht gestört. Diese Methode ist für kritische und präzise Anwendungen, wie beispielsweise Mikro-, Neuro- und HNO-Chirurgie gut geeignet.

Frequenzbereich

Der verwendete Frequenzbereich liegt im allgemeinen zwischen 300 kHz und 4000 kHz, da unterhalb von 300 kHz (sehr stark unter 100 kHz) durch Reizungen von Nerven störende Muskelzuckungen auftreten. Diesen Effekt nennt man Faradisation (auch Faradaysation).

Die obere Grenze des Frequenzbereichs ist hingegen durch die kapazitiven Ableitströme der Elektrodenkabel bestimmt. Mit steigender Frequenz strahlen sie immer mehr Energie ab, und die Beherrschung der Ströme wird problematischer. Die Gefahr, den Patienten durch Verbrennungen zu verletzen, würde steigen. Deshalb ist in der Praxis die Obergrenze 4 MHz. Es gibt jedoch einzelne Geräte die weit höhere Frequenzen nutzen.

Faradaysche Reizungen können aber auch in den Betriebsfrequenzen wegen niederfrequenter Störimpulse auftreten. Sie entstehen wegen der gleichrichtenden Wirkung des Funkenübergangs von der Elektrode zum Patienten. Um diesen Gleichstromanteil zu unterdrücken, wird ein Kondensator mit geringer Kapazität (<2500 pF) in Serie zur Funkenstrecke eingebaut. Aber dennoch können Muskelzuckungen an bestimmten Stellen (z.B. in der Harnblase) nicht vollständig vermieden werden. Dieser Effekt ist nicht eindeutig geklärt und beruht wahrscheinlich auf thermischen Reizwirkungen.

Körpergewebe als elektrischer Leiter

Bei den Frequenzen, die für die HF-Chirurgie verwendet werden, verhält sich das Körpergewebe wie ein Ohm’scher Widerstand. Der spezifische Widerstand hängt stark von der Gewebeart ab. Nach der obigen Formel verhält sich die Leistungszufuhr bei gleicher Temperaturerhöhung des Gewebes direkt proportional zum spezifischen Widerstand.

Der spezifische Widerstand von Muskelgewebe und stark durchblutetem Gewebe ist relativ gering. Der von Fett ist ca. um den Faktor 15 höher und der von Knochen um den Faktor 1000. Die Form und Höhe des Stroms müssen somit auf die Gewebeart, an der operiert wird, abgestimmt sein. Prinzipiell verwendet man die für das Gewebe niedrigstmögliche Frequenz.

Zur Veranschaulichung sind hier noch ein paar Werte aufgelistet:

Gewebeart - Frequenz = 1MHz	Spezifischer Widerstand $\mathsf{\rho \; in \; m \; \Omega \cdot cm}$
Blut	0.16
Muskel, Niere, Herz	0.2
Leber, Milz	0.3
Gehirn	0.7
Lunge	1
Fett	3.3

Der wirksame Widerstand hängt aber zusätzlich auch von der Elektrodenart und –form, sowie dem Zerstörungsgrad des Gewebes ab. Er erhöht sich nach Brandschorfbildung sprunghaft auf den 10fachen Wert.

Gerätetechnik

Prinzipschaltbild

Für die HF-Elektrochirurgie werden meist Generatoren mit einer maximalen Leistung von 400 W verwendet. Die Spitze-Spitze Ausgangsspannung kann (im Leerlauf) bis zu 10kV betragen. In der Zahn- oder Augenheilkunde sind Geräte mit max. 50W üblich.

In der Abbildung sieht man das Prinzip der Schaltung eines transistorisierten Chirurgiegeräts. Der Oszillator (Frequenz ca. 700 kHz) steuert über eine Treiberstufe die Endstufe. Der Oszillator wird bei oberflächlicher Koagulation mit etwa 20 kHz im Verhältnis 1:5 moduliert. Mit zwei getrennten Potentiometern wird über den Regler-Transistor die Betriebsspannung der Treiberstufe und somit die Leistung für Schneiden bzw. Koagulieren eingestellt. In der Endstufe sind mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet, die im Schaltbetrieb arbeiten, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.

Der Sekundärkreis des Endstufentransformators führt über Filterkondensatoren (siehe voriges Kapitel) zu den Anschlüssen der Aktiven bzw. Neutralen Elektroden. Die Neutrale Elektrode kann direkt oder kapazitiv geerdet oder elektrisch schwebend (floating) betrieben werden. Die Patientenschutzschaltung bewirkt, dass der Generator nur betrieben werden kann, wenn beide neutrale Elektroden A und B am Patienten angeschlossen sind. Dann fließt ein schwacher Strom zwischen A und B und das Relais G ganz oben ist betätigt. Bei Unterbrechung dieses Stromkreises gibt ein Summer akustischen Alarm und die Treiberstufe wird abgeschaltet.

Betriebsart der Neutralen Elektrode

Die Anschlussart der Neutralen Elektrode hat Einfluss auf den maximalen Fehlerstrom bzw. den normalen Reststrom und kann folgendermaßen sein:

• elektrisch schwebend (floating)
• kapazitiv geerdet, d.h. ein Kondensator dazwischengeschaltet.
• direkt geerdet

Wenn die Neutrale Elektrode zwar am Gerät angeschlossen, aber nicht am Patienten angelegt ist, darf der Generator nicht in Betrieb genommen werden; denn auch wenn sie schwebend ist, ist eine Verbrennungsgefahr nicht völlig auszuschließen. Bei kapazitiver oder direkter Erdung der Neutralen Elektrode fließt der Strom im Fehlerfall über die Kapazität des Patienten (etwa 1 nF) zur Erde oder über kapazitiv geerdete Messwertabnehmer. Er kann den Betriebsstrom erreichen und zu schweren Verbrennungen führen. Wenn im Normalfall die Neutrale Elektrode ordnungsgemäß angelegt ist, können in der Betriebsart schwebend Restströme von der Neutralen Elektrode gegen Erde auftreten. Diese in bestimmten Anwendungsfällen störenden Ströme werden durch kapazitive oder direkte Erdung der Neutralen Elektrode verkleinert.

Überwachung der Neutralen Elektrode

Damit keine Verbrennungen oder Elektroschocks passieren, muss im monopolaren Betrieb der Rückfluss über die Neutrale Elektrode sichergestellt sein. Die Neutrale Elektrode muss direkten Kontakt mit dem Patienten und dem Gerät haben. Andernfalls könnte der Strom über andere Wege abfließen. Deshalb verfügen leistungsstarke Elektrochirurgiegeräte über eine Sicherheitsschaltung entsprechend dem Fehlerstromschutzschalter bei Netzfrequenz, die den Stromfluss zwischen Neutraler und Aktiver Elektrode ständig überprüft. Es wird ein Prüfsignal über den Kreislauf geführt, welches den gesamten Kreislauf zwischen den beiden Ausgängen des Geräts passieren muss. Andernfalls wird das Einschalten der hohen Frequenz verhindert bzw. das Gerät ausgeschaltet.

Anwendungsarten

Koagulation

Diese schnelle und effiziente Blutstillung kommt bei fehlender spontaner Gerinnung in Anwendung und ersetzt dann bei kleinen Gefäßen in den meisten Fällen den teuren Fibrinkleber oder die aufwendige Ligatur.

Der Begriff Koagulation umfasst zwei verschiedene Techniken des Operierens: Die Tiefenkoagulation und die (elektrische) Blutstillung.

Bei der Tiefenkoagulation wird das Gewebe großflächig auf 50-80°C erhitzt. Das geschieht mit Kugel-, Platten- oder Walzenelektroden und dient zum späteren Abtragen des Gewebes. Man verwendet eine große Stromdichte und Strom ohne Impulsmodulation. Durch die Größe der Stromstärke kann man die Tiefe der Koagulation beeinflussen.

Verwendet man einen großen Strom, bildet sich ein Brandschorf (Karbonisation), der die weitere Ausbreitung der Wärme in die Tiefe hemmt. Entfernt man später die Elektrode, entfernt man das verbrannte Gewebe ebenfalls, da es an der Elektrode klebt. Wählt man hingegen einen kleinen Strom und eine hohe Einwirkungsdauer, wird das Gewebe um die Elektrode und etwas tiefer als der Durchmesser der Elektrode verkocht.

Bei der Blutstillung verwendet man impulsmodulierten HF-Strom an Klemmen und Pinzetten. Die Blutgefäße werden mit den Spitzen des Werkzeugs gefasst und durch die Dehydration verengt bis sie komplett verschlossen sind. Es wird im bipolaren Betrieb gearbeitet, selten werden auch monopolare Pinzetten verwendet. Zur Blutstillung von Sickerblutungen werden großflächige Elektroden mit impulsmodulierten Strom betrieben.

Spezialformen der Koagulation sind: Fulguration und Desikkation.

Bei der Fulguration wird eine oberflächliche Koagulation durchgeführt. Die Intra- und Extrazullelärflüssigkeit verdampft durch den Funkenüberschlag von der Spitze der Elektrode (meistens Nadelelektrode), die im Abstand von einigen Millimetern über das Gewebe geführt wird. Bei der Fulguration kann es zu funkenbüscheln kommen. Desikkation ist die Koagulation über eine eingestochene Nadelelektrode.

Des Weiteren lässt sich die Koagulation wie folgt unterteilen:

Soft Koagulation (< 190 V):

Hierbei kommt es zu keinen Funken oder Lichtbögen und zu keiner ungewollten Schneidung, außerdem wird eine Karbonisation verhindert.

Forcierte Koagulation (auch Forced Koagulation, bis 2,65 kV peak):

Hier werden Lichbögen erzeugt um eine höhere Koagulationstiefe zu erreichen. Eine Karbonisation lässt sich dabei leider nicht vermeiden. Hierfür werden in der Regel kleinflächige Kugelelektroden eingesetzt.

Spray Koagulation (bis 4 kV peak):

Bei der Spray Koagulation kommt es zu langen und starken Lichtbögen, die das Gewebe exogen und endogen erwärmen.

Bei der Koagulation kann es zu folgenden Komplikationen kommen:

• Klebeeffekt bei Soft und Forcierter Koagulation
• Bei trockenem Gewebe kommt kein Stromfluss zustande und es kann nicht koaguliert werden

Elektrotomie

Als Elektrotomie wird das Schneiden des Gewebes (statt Schneiden mit Skalpell) in der HF-Chirurgie bezeichnet. Beim Schneiden wird das HF-Chirurgiegerät mit Nadel oder schmalem Blatt im monopolaren Modus betrieben. Neuerdings kommen zum Schneiden auch bipolare Scheren sehr erfolgreich zur Anwendung.
Wie oben erwähnt, handelt es sich dabei um eine Zellsprengung direkt an der aktiven Elektrode. Die Stromdichte nimmt quadratisch zur Aktiven Elektrode zu. Die Wärmeentwicklung steigt ebenfalls quadratisch an. Das ergibt einen Energieanstieg pro Fläche hoch 4.

An beiden Seiten des Schnitts ist das Gewebe oberflächlich koaguliert. Die Tiefe des Koagulationssaums ist vom Gewebe und von der Schnittgeschwindigkeit abhängig. Man unterscheidet den glatten und den verschorften Schnitt. Beim Glatten Schnitt wird unmodulierter oder mit 100 Hz modulierter Strom verwendet. Beim verschorften Schnitt wird impulsmodulierter Strom mit deutlich höherer Modulationsfrequenz verwendet. Die hohen Augenblickswerte sind eine relativ zum Mittelwert gesehen hohe Leistung. Das hat eine stärkere oberflächliche Koagulation und einen Verschluss der Wundränder zur Folge. Der Vorteil ist klar ersichtlich: Blutarmes Schneiden.

Sicherheitsmaßnahmen

Allgemeine Sicherheitsmaßnahmen bei monopolarer Elektrochirurgie

Um Verbrennungen (an anderen als den gewünschten Stellen) oder Elektroschocks zu vermeiden, sind folgende Sicherheitsmaßnahmen zu treffen:

• Der Patient muss auf dem Operationstisch isoliert gelagert werden (trockene Tücher, Kunststoffunterlagen usw.). Er muss auch isoliert von allen Metallteilen und leitfähigen (antistatischen) Schläuchen gelagert werden.
• In Hautfalten, Brustfalten und zwischen Extremitäten sind trockene Zellstoffzwischenlagen erforderlich.
• Die Gegenelektrode ist möglichst in der Nähe des Operationsfeldes anzulegen. Limitierend ist nur der sterile OP-Bereich. Sie muss den Strom möglichst niederohmig (das heißt durch guten Kontakt) aufnehmen und zum Generator zurückleiten.
• Auf großflächige und festhaftende Anlage der Gegenelektrode ist zu achten.
• Flüssigkeiten dürfen nicht unter die Neutralelektrode gelangen, da sie zu einer hohen punktuellen Stromdichte führen.
• Es sollte immer mit sogenannten zweigeteilten Neutralelektroden gearbeitet werden. Diese überwachen die korrekte Lage der Neutralelektrode.
• Die Elektrodenkabel sind so kurz wie möglich, die Dosierung der HF-Leistung ist so niedrig wie möglich zu wählen.
• Für peroperative Überwachung dürfen nur EKG-Kabel mit hochohmigen Eingängen oder HF-Drosseln verwendet werden.
• Bei Verwendung von explosiven Narkosegasen ist der Einsatz von Schutzgas erforderlich (Ähnlich dem Schutzgasschweissen im Metallbau).
• Vor dem Eingriff ist darauf zu achten, das der Strom von der Aktivelektrode zur Neutralelektrode nicht, oder möglichst wenig, durch die Herzgegend geleitet wird.
• Zur Sicherheitstechnischen Begutachtung wird die DIN EN 60601-1, sowie die HF-Chirurigie-Norm DIN EN 60601-2-2 herangezogen

Bitte beachte den Hinweis zu Gesundheitsthemen!