С конца XIX в. медицинская и хирургическая практика все больше опирается на применение энергии. В самом деле, большинство гинекологических хирургических процедур, которые проводятся сегодня, используют в своей практике некоторые формы прикладной энергии. К сожалению, многие хирурги не имеют полного представления о физических принципах, лежащих в основе энергии, и о том, как эти принципы регулируют желаемые биологические эффекты или каким образом выстраивать работу с энергией, чтобы достичь максимально эффективного результата.
Типичный ординатор или студент, оканчивающий свое обучение по программе «акушерство и гинекология», получает весьма ограниченные знания, касающиеся принципов и способов применения электрохирургии. Важно подчеркнуть, что ограниченность знания хирургом принципов электрохирургии может привести к нежелательному использованию энергии, что потенциально может стать причиной немедленных или отсроченных осложнений.
За последние три десятилетия электрохирургические инструменты и генераторы эволюционировали в сложные системы, которые могут взаимодействовать с тканями, чтобы модулировать, ограничивать и даже прекращать подачу энергии в ответ на быстрые изменения в импедансе тканей. В некоторых случаях различные формы энергии могут подаваться одним и тем же устройством. Для эффективного и безопасного использования таких устройств и систем необходимо, чтобы современный хирург-гинеколог обладал рабочими знаниями о генерации, подаче и воздействии энергии на ткани.
Цель этой статьи на сайте — осветить фундаментальные принципы электрохирургии и лазерных технологий. Если говорить конкретнее, мы хотим представить практический подход, который иллюстрирует, как имеющиеся устройства применяются в области гинекологической хирургии, чтобы способствовать их безопасному использованию.
а) История и развитие электрохирургии. Еще в IV в. до н.э. древние египтяне описали технологию лечения ран с использованием инструмента под названием «огненное сверло», которое быстро вращалось и создавало тепло вдоль своего стержня. Тогда же считалось, что рыба, известная как «морской громовержец», способная подавать электрический ток, обладает потенциальной способностью вылечивать при прикосновении к ней.
Последователи Гиппократа в своих ранних трудах (собранных в «Корпусе Гиппократа», приблизительно 400 г. до н.э.) описали лечение различных опухолей, а также геморроя через прямое воздействие тепла. В этот период применение тепла часто проводилось через нагревание металлического устройства и размещение его непосредственно на рану, что, по сути, приводило к нанесению ожогов 3-й степени без возможности изменять степень воздействия на ткани.
Слово «каутеризация» происходит от древнегреческого термина kauterion, означающего «раскаленное железо». Около 1600 г. английский физик и ученый Уильям Гилберт (William Gilbert) ввел термин electricus, означавший «янтарный», так как он обнаружил притяжение предметов друг к другу после трения их о янтарный стержень. Когда электричество стало широко доступным, эта концепция была расширена до электрокаутеризации, описывающей использование электричества для нагрева металлического наконечника прибора и последующего прямого воздействия тепла на ткань.
Именно эксперименты Бенджамина Франклина (Benjamin Franklin) с электричеством, которые он проводил в середине XVIII в., привели к идее о том, что прямое воздействие электрического тока на ткань может применяться в медицине. Пока Джон Уэсли (John Wesley, Англия), Иоганн Крюгер (Johann Kruger, Германия) и Жан-Антуан Нолле (Jean-Antoine Nollet, Франция) экспериментировали с паралитическим состоянием, Франклин и его голландский коллега Ян Ингенхауз (Jan Ingenhousz) описали «состояние сильного возбуждения» после нескольких непреднамеренных несмертельных электрических разрядов по голове и предложили эту терапию для лечения меланхолии.
Два значительных открытия легли в основу современного применения электричества в медицине. Первое — это обнаружение электромагнитной индукции Майклом Фарадеем и Робертом Тоддом, которое привело к возможности надежно использовать и сохранять электрическую энергию. Это послужило толчком для разработки электрохирургических генераторов. Второе — работа Луиджи Гальвани, в которой он продемонстрировал, что электричество, применяемое к лапкам лягушки, вызывало сокращение мышц.
Уильям Мортон и Жак Арсен Д’Арсонваль выяснили, что применение электричества при частоте >100 ГГц позволяет проходить электрическому току через тело, не вызывая болезненных ощущений, ожогов или мышечных (включая сердечные) спазмов, так называемый эффект Фарадея. Д’Арсонваль в дальнейшем отметил, что ток напрямую влияет на температуру тела, поглощение кислорода и выход углекислого газа, увеличивая их объемы каждый раз, как ток проходит сквозь тело. Следует отметить, что температура тела, как было установлено, увеличивается пропорционально квадрату силы тока.
Французский хирург Жозеф Ривьер в начале XX в., возможно, был первым, кто использовал электричество в медицине в форме электрического разряда для лечения язв на руке. Однако в 1920-х гг. Грант Уорд продемонстрировал, что непрерывная синусоидальная форма электрической волны лучше режет ткани, а прерывистая синусоидальная форма приводит к более эффективной коагуляции. В результате это привело к печально известному сотрудничеству нейрохирурга Харви Кушинга и физика Уильяма Бови для создания электрохирургического блока (он же генератор), предназначенного для достижения интраоперационного гемостаза во время нейрохирургических процедур.
В 1928 г. они опубликовали результаты исследований иссечения внутричерепных опухолей с выдержкой доктора Бови, описывающего принципы поверхностного обезвоживания (высушивания), разрезания и коагуляции тканей. Эти знаменательные события привели к эпохе современного применения электричества в медицине. К сожалению, Бови сильно критиковали за его изобретение и говорили о том, что только шарлатан будет использовать электричество во время операции. В конце концов он продал свой патент за 1 доллар и умер впоследствии в бедности.
б) Основные принципы электрохирургии. Электрокаутеризация и электрохирургия не синонимы. Электрокаутеризация означает применение постоянного тока к инструменту с высоким сопротивлением (например, проволоке) для получения тепла и последующего прикосновения горячего инструмента непосредственно к ткани с целью ее разрушения. Это все равно что обжечь кожу раскаленной проволокой (ткани пациента не включены в электрическую цепь). Электрокаутеризация часто используется в отделении неотложной помощи для снятия подногтевых гематом. Само собой разумеется, что электрокаутеризация нечасто используется в классической операционной традиции.
Наоборот, электрохирургия — это использование кинетической энергии в виде частоты переменного тока, передаваемого в ткани, повышающего внутриклеточную температуру, которую можно модулировать для достижения желаемого эффекта (ткани пациента включены в электрическую цепь).
Существует три особых незаменимых элемента электрохирургии. Во-первых, должен присутствовать электрохирургический блок или генератор для модуляции электричества, подаваемого из розетки операционного зала (с частотой 60 Гц) до гораздо более высокой частоты (>200 000 Гц), и подачи его в требуемой форме. Во-вторых, должен быть активный электрод для подачи электричества к интересующей ткани в требуемой форме. В-третьих, для завершения электрической цепи необходимо наличие обратного, или пассивного, электрода.
Поток электричества в электрохирургический блок и обратно через ткань происходит согласно основным принципам физики. Переменный ток заставляет частицы энергии (электроны) двигаться по ткани между отрицательно и положительно заряженными полюсами, быстро меняя направление. Термин «цепь» используется для описания пути, который проходят электроны. В электрических цепях электричество обычно передается по проводникам (например, по проводам), но также оно может передаваться и по живой ткани. Поток электронов через клетки создает изменения в полярности клеточных электролитов (Na+, Са2, К+, Cl- и т.д.).
Электромагнитная энергия заставляет анионы мигрировать к положительному электроду, а катионы — к отрицательному, что называется гальваническим эффектом. Важно отметить, что высокочастотный поток электронов в радиочастотном спектре превосходит поток, необходимый для деполяризации клеточной мембраны (100 ГГц), и не влияет на открытие натриевых или кальциевых каналов. Наоборот, сила трения этих заряженных внутриклеточных ионов создает кинетическое возбуждение и последующий внутриклеточный тепловой нагрев в результате термодинамических изменений.
Поток электронов по проводнику называется электрическим током, который управляется двумя противодействующими силами, а именно напряжением (сила, толкающая электроны по цепи) и сопротивлением (противодействие свободному потоку электронов). Эта взаимосвязь определяется как закон Ома, который отражен на рис. 1. Можно увидеть, что, для того чтобы увеличить поток электронов (ток), необходимо либо увеличить электродвижущую силу (напряжение), либо уменьшить импеданс (сопротивление) для свободного потока. Понятнее всего будет представить это в виде воды, текущей по шлангу в вашем саду.
Рисунок 1. Закон Ома, описывающий поток электронов по электрической цепи
Если вы перегибаете шланг (увеличиваете сопротивление), ваш поток воды (ток) уменьшится. Единственный способ приспособиться к этому — пропорционально увеличивать давление воды (напряжение).
Мы можем продолжить тему взаимосвязи между сопротивлением и напряжением, изучив понятие мощности, определяемой через соотношение переданной энергии к времени передачи и измеряемой в ваттах. В частности, мощность определяется электродвижущей силой (напряжением), умноженной на поток электронов (ток): W = V х I. С помощью математической подстановки закона Ома (I = V / R) можно вывести, что мощность (ватты) связана с квадратом напряжения, деленным на сопротивление: W = V2 / R. В практическом плане это означает, что при увеличении сопротивления для поддержания мощности, необходимой для выполнения функции, напряжение также увеличивается.
Именно напряжение мы должны использовать и контролировать для эффективного и безопасного выполнения электрохирургических задач.
Если вернуться к аналогии со шлангом, это означает, что при повышении сопротивления (пережатие шланга), для поддержания количества ватт или мгновенной энергии, необходимой за единицу времени для выполнения работы (для полива сада), напряжение (давление воды) должно увеличиваться. Таким образом, перед нами базовая математическая и физическая основа для прикладной электрохирургии.
в) Мощность электрохирургического аппарата. Электрический ток подается между электрохирургическим блоком и тканями в операционном поле с помощью электрохирургического инструмента (активного электрода) с частотой от 200 000 до 3 млн Гц в секунду. Эти частоты представляют собой часть радиочастотного спектра. Этот диапазон включает частоты, используемые в обычных бытовых приборах (60 Гц), в вещательном телевидении (108 Гц), микроволновой печи (1010 Гц), а также γ-излучении (1024 Гц), как показано на рис. 2.
Рисунок 2. Радиочастотный спектр. Частота, производимая электрохирургическими генераторами, совпадает с различными AM радиоволнами и поэтому называется «радиочастота» (RF)
Частоты <100 000 Гц в секунду могут вызвать мышечные судороги (эффект Фарадея). Редко во время использования электрохирургии в результате демодуляции частоты тока до уровня <100 000 Гц могут случаться мышечные судороги или стимуляции нервов, предположительно из-за нескольких цепей, взаимодействующих в биофизической среде.
Большинство современных полупроводниковых электрохирургических аппаратов способны производить >8000 В. Однако большинство мощностей при типичном использовании находятся в диапазоне от 500 до 3000 В с частотой до 500 000 Гц. Кроме того, большинство современных генераторов калибруются по выходной мощности, причем мощность, которую устанавливает хирургический персонал, отражает мощность, доступную в начале электрохирургического вмешательства.
Поскольку импеданс ткани увеличивается при нагревании в ответ на приложенную энергию, мы знаем из наших предыдущих расчетов, что мощность уменьшается. Кроме того, многие современные электрохирургические аппараты лучше всего характеризовать как адаптивные генераторы.
Часто разработанные для совместной работы с определенными инструментами, они могут регулировать управляемую компьютером мощность в режиме реального времени. Они измеряют импеданс тканей в месте проведения операции и соответствующим образом модулируют мощность на выходе. Кроме того, электрохирургические аппараты обычно оснащены функциями ограничения максимального напряжения, что позволяет снизить непреднамеренное воздействие рассеянной энергии.
г) Рассеивающие (возвратные) электроды. Исторически генераторы были наземными, а это означает, что земля была частью цепи. К сожалению, из-за этого цепь заканчивалась, обходя рассеивающую площадку (иногда называемую площадкой для заземления) по альтернативным путям к земле, создавая возможность непреднамеренного теплового повреждения пациента в таких местах, как кабель для ЭКГ. В конце 1960-х гг. появились электрохирургические аппараты с изолированной цепью, в которых ток, подаваемый аппаратом, возвращается в аппарат (а не в землю) для завершения цепи.
Кроме того, ток, подаваемый на ткани пациента, вырабатывается в трансформаторах, изолированных от электрохирургической рамы. Таким образом, когда электрическая цепь прерывается, электроны не стремятся к земле, и ток не течет. Таким образом, было введено понятие «возвратный электрод», а не «заземляющая площадка», хотя эти два термина часто (неправильно) используются как взаимозаменяемые. Технически даже термин «возвратный электрод» является ошибочным, учитывая, что ток через него проходит с той же частотой и с той же мощностью, что и через активный электрод.
Термин «рассеивающий электрод» наиболее точно описывает пластину, накладываемую на участок, удаленный от операционного поля; она практически исключает риск травмы благодаря большой площади поверхности, которая рассеивает ток.
Однако если рассеивающий электрод плохо установлен или частично отслаивается во время операции, в какой-либо точке рассеивающего электрода может быть достаточная плотность тока, чтобы привести к ожогу.
Мониторинг с помощью возвратного электрода был введен в 1980-х гг. и используется до сих пор. В этой системе дисперсный электрод состоит из двух расположенных рядом проводящих поверхностей, разделенных изолятором, которые находятся в одном блоке (рис. 3). Встроенные в электрохирургический блок мониторы измеряют целостность контакта пластины с кожей с помощью низкоимпедансного тока.
Рисунок 3. Рассеивающий, или возвратный, электрод состоит из двух расположенных рядом проводящих поверхностей, которые находятся в одном блоке. Цепь определяет импеданс между ними и не позволит генератору активироваться, если импеданс не соответствует ткани (от 20 до 100 Ом)
Сопротивление между двумя пластинами должно оставаться в пределах от 20 до 100 Ом, что достигается за счет равномерного контакта с кожей. При плохом контакте возникает сигнал и работа генератора автоматически прекращается. Рассеивающий электрод должен оставаться сухим и располагаться длинным краем ближе к хирургическому полю, что позволяет максимально рассеивать ток вдоль ведущего края. Размеры пластин различны, включая те, которые подходят для новорожденных, детей и взрослых; первые две имеют ограничение подачи питания для обеспечения безопасности пациента.
