CN1620270A - 自限制电外科回流电极 - Google Patents

Abstract

一种在自限制电外科回流半绝缘台布中与电外科手术一起使用的可去除半绝缘台布(34)。通过选择半绝缘台布主体电极材料的阻抗特性，以及通过裁剪半绝缘台布的几何形状，本发明的回流电极对于电流密度和温度上升可以是自规范和自限制的，因此能够防止病人受伤。半绝缘台布具有等于或大于4,000Ω·cm的有效体积阻抗。台布的有效体积阻抗可以来自于电阻性成分、电容性成分、电感性成分，或者它们的组合。本文讲述的回流电极的结构允许电极能够自限制电极的电流密度，因此防止了在手术期间对病人的烧灼。

Description

自限制电外科回流电极

发明领域

本发明涉及电外科学，更为确切地说，涉及半绝缘台布(sheet)或部件，它提供有效和安全的电外科能量回流，而不需要导电或介电凝胶，并且能够使用单独导电元件来提供这种安全的电外科能量回流。

背景技术

本领域的普通技术人员都知道，利用现代外科技术进行外科手术时，一般使用射频(RF)功率来切除身体组织和进行止血。下面参考由D’Amelio等人申请的题为“Electroprobe Apparatus”的美国专利申请第4,936,842号，来进行这种技术的历史回顾和细节阐述，其中公开的部分已经以引用的方式融入到本文中。

医疗领域的普通技术人员都知道，电外科学已经得到广泛使用并具有包括使用单个医疗仪器进行切割和凝固在内的许多优势。每一个单极电外科发电机系统必须具有一个有源电极和一个电连接子，其中电极由外科医生用于对外科现场的病人进行外科手术，电连接子连接病人和发电机。在与病人相接触之处的有源电极的尺寸必须要小，这样才能产生高电流密度，以便达到切割或凝固的医疗效果。与有源电极承载相同电流的回流电极，在与病人相连之处必须有足够大的有效表面积，以便低密度电流从病人流向回流电极。如果在回流电极产生了相对高的电流密度，则病人皮肤和组织在这一区域的温度将上升，并且将导致不想发生的病人烧灼。

1985年，一个众所周知的医疗测试机构——应急护理研究机构，发布了它对电外科回流电极场所烧灼进行测试的结果，报告显示，当电流密度将超过每平方厘米100毫安时，将发生身体组织加热到坏疽的临界温度值。

医疗仪器使用改进协会(AAMI)已经公布的标准，要求在所述的测试条件下，靠近电外科回流电极的病人最大表面组织温度的上升应该不超过6摄氏度(6℃)。

过去20年以来，工业上已经以两种主要的方式发展了能够满足对更为安全的回流电极的医疗需要的产品。首先，这些产品发端于约12×7英寸大小的、小而平的、外面覆盖有电导凝胶的、放置于病人的臀部、股部、肩部或任何重力能够确保与柔性电极有足够接触面积的位置处的不锈钢板。这些柔性电极一般与不锈钢板具有相同的尺寸，外面覆盖着导电的或绝缘的聚合物，并且在它们上面具有粘性边界，即使在没有重力作用时也会粘附在病人身上，并且在使用之后可被处理掉。到1980年代早期，美国的大部分医院已经转而使用这种类型的回流电极。这些回流电极是对早期钢板的改进，它们会更少发生病人回流电极烧灼的情况，但是每年在美国将导致上千万美元的额外手术成本。甚至尽管有了这种改进，医院还会面临着由电极所引起的一些病人烧灼，在手术期间，病人烧灼的情况只是偶尔会减少，或者与病人部分分离。

紧接着，有了进一步的改进，一种电极接触质量监视系统能够监视与病人相接触的电极的接触面积和在接触面积不够大时关闭掉电外科发电机。这种电路如授予Newton的题为“Safety Monitoring Circuit forElectrosurgical Unit”的美国专利号4,231,372中所示，并且该专利的公开部分为本文所引用。该系统已经使病人回流电极烧灼情况进一步减少，但是需要在发电机中有可随意使用的专门电极和附加电路，这使得每次手术的费用更高。自15年前第一次引入该系统至今，由于其高昂的花费，在美国进行的所有外科手术中，只有不到40％的手术使用了该系统。

发明内容

本发明通过提供半绝缘台布或部件，克服了先前技术中的问题，这种台布或部件的使用，结合了耦合到电外科发电机的电连接子上的单独导电元件。这种结合一起作为回流电极，消除了病人烧灼情况的发生，而不需要昂贵的可随意使用的电极和与专用的RF发电机有关的监视电路。

简单说来，半绝缘台布或部件在结合诸如金属桌、金属椅或其他现有的工作表面等导电元件进行使用时，提供了自限制的特性。将半绝缘台布或部件包括进来，将把这种导电元件转换成为具有改进型回流电极的理想自限制特性的经过改进的电极。根据本发明提出的一个实施例，当将半绝缘台布或部件与导电元件一起使用时，半绝缘台布提供的有效表面面积大于在先前的外科手术中所公开的或使用的其他回流电极的有效表面面积。其表面是如此之大和如此之适用于对病人身体进行相对定位，使得将半绝缘的台布和导电元件的结合将消除对导电凝胶或绝缘凝胶的需要。

半绝缘台布或部件是可以去除的，并且其结构适于与任何导电元件一起合作充当回流电极。这样，通过使用半绝缘的台布和增加在现有导电工作表面与电外科发电机之间的电流连接，可以将任何导电工作表面转变成具有理想自限制特性的回流电极。而且，半绝缘台布或部件是用一种容易洗涤和/或消毒的材料做成的，以便能够有助于方便和快速的重复利用。

一般地，如果将电极工作表面的有效面积减少到理想水平以下，则台布所使用的几何形状和材料的阻抗特性，在通常所使用的电外科频率情况下，能够使台布或其元件的自限制电流密度(以及相应的温度上升)维持在安全临界值以内。因此，就消除了在前述专门的RF发电机中安装昂贵的监视电路的需要。另外，也消除了对提供完整回流电极的需要，这进一步减少了用在提供改进型电极方面的花费。这样，只通过提供半绝缘的台布和能够粘附于单独导电元件的电连接子，就能够得到改进的回流电极，然后再结合这种导电元件来提供具有理想特性的电外科回流电极。

在本发明的实施例中，使电外科回流电极(例如，半绝缘台布或部件与导电元件的结合)足够得大，以便能够在通常用于医疗手术的电外科频率下，提供足够低的阻抗和低的电流密度，以减少病人周围组织的温度过度提升的可能性(即，通过将温度(“T”)的上升大小维持在六摄氏度(6℃)以内)，因此能够避免组织坏疽或病人的其他未预料之烧伤。因此，使半绝缘台布或部件的工作表面(与病人相接触或紧挨着病人的表面)在面积上足够得大，以便在正常使用中，电流流动不会减少到会阻碍外科医生在手术台执行外科手术的能力的某一点。

根据本发明的一个实施例，半绝缘台布或部件具有足够的介电属性，当将半绝缘台布连接到导电元件时，这种介电属性将提供足够的阻抗，以将其中通过的电流限制在安全值以内。在一个实施例中，通过对诸如导线或碳黑等导电材料的包括，将受控电导传给台布，可以得到理想的电阻特性。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种防湿工作表面，用于放置病人身体的毗邻表面附近部分，因此有助于半绝缘台布的清洗和再用。这种防湿工作表面对于一般所遇到的清洗剂、消毒剂和杀菌剂等具有抵抗力，因此有助于清洗和再用。

在另一个实施例中，提供了袖筒，与半绝缘台布或部件在一起使用，因此保护了台布免遭可能发生的不经意破坏，例如，由于现有手术刀的意外剪切而导致的破坏。在另一个实施例中，一种保护性凸缘耦合到半绝缘台布或部件，使得保护性凸缘基本上覆盖了导电工作表面，以防止与导电元件的意外接触。

在另一个实施例中，提供了遮盖物，以便将诸如手术台或金属板等导电元件包围起来，这样，就保护了病人和用户对导电元件的意外碰触，而这种碰触有可能导致对病人或用户的严重损害。在另一个实施例中，形成了形式上适合于操作台的半绝缘层，在操作台上执行电外科手术，这样有助于实现本发明的其他特征。然而在另一个实施例中，半绝缘台布或部件具有封袋的形式，能够包围住独立的导电元件。

另外根据本发明的另一个实施例中，在台布或部件中和电极工作表面附近的材料电阻被提高的足够高，以便能够将工作表面的电流密度限制在低于病人组织坏疽临界值以下的水平。因此，这提供了自限制特性，以便在意外减少电极的有效工作面积的情况下，防止病人坏疽的发生。

下面将讲述本发明的其他特点和优势，其中的部分将从下面的讲述中显而易见，或者通过本发明的实践来得知。从下面的讲述和所附的权利要求中，或者通过下文中所阐述的本发明的实践中，可以更加明显地知道这些特点以及本发明的其他特点。

附图说明

为了进一步弄清楚本发明的上述和其他优点和特点，下面参考在附图中所给出的特定的实施例，来对本发明进行更为具体的讲述。需要知道的是，这些附图仅仅描述了本发明的一般实施例，因此不能将其认为是对本发明的主旨的限制。下面通过使用附图来讲述和解释本发明的其他特点和细节：

图1是一个简化了的电路结构图，图示了在手术操作期间提供给电外科发电机的射频电流流动的工作路径中所有效地包括的一般阻抗；

图2A是一个用于解释本发明原理的广域分布的电外科回流电极的俯视图；

图2B是图2A的电外科回流电极的局部放大图；

图2C是一个沿图2B的剖面线2C-2C所作的剖面图，图示了图2B的局部所表示的有效电路阻抗；

图3以图形的形式示出了回流电极的有效表面面积和电极中产生的有效射频电流密度之间的关系；

图4A是一个利用本发明来改进的电气回流电极的透视图，图示了半绝缘台布或部件、导电工作表面、手术台、以及从导电表面到电外科发电机的电连接子；

图4B是一个经过改进的电气回流电极的透视图，图示了半绝缘台布或部件，以及用于防止与导电元件进行意外接触的保护性凸缘；

图5是一个正面视图，图示了手术椅，其座位表面上放置有半绝缘台布或部件；

图6是电外科回流电极的俯视图，图示了根据本发明基本上覆盖导电工作表面的半绝缘台布或部件；

图7是一个沿图6中的剖面线7-7的横截面图；

图8是一个横截面图，类似于图7的横截面图，但是图示了病人的外科手术衣的电阻；

图9是一个用于包围住图6～8的任何一个实施例的袖筒或覆盖物的透视图；

图10图示了包围在图9的袖筒或覆盖物中的图6～8的实施例之一；

图11是一个用于包围住本发明的导电元件的袖筒或覆盖物的透视图；

图12为根据本发明的电极透视图，图示了当与病人的有效接触面积小于物理电极大小时的模拟条件；

图13是一个视图，图示了当病人有效接触面积比电极总面积小很多时的电极中的电流密度；

图14是一个图形，描述了半绝缘台布或部件的体积电阻系数的变化，该体积电阻系数作为针对不同电外科发电机频率的半绝缘台布或部件的厚度的函数；

图15是一个图形，图示了在各种电外科频率时，体积电阻系数作为面积除以根据本发明的半绝缘台布或部件的厚度的函数；

图16是一个透视图，为了便于分析的目的，图示了根据本发明与电极的电阻和电容区域有关的的病人等效电路，的；

图17是与图16等效的简单的电子结构电路；以及

图18是一个图形，描述了百分比电容性功率电导，作为针对不同电外科工作频率的半绝缘台布或部件的体积电阻系数的函数。

具体实施方式

现在回到附图，具体地说，是图1，它描述了一个简化了的电路结构图，该结构图示出了在手术期间提供给电外科发电机的射频电流的工作路径中所包括的等效阻抗。这样，可以看到现有的射频发电机10，诸如恒功率、恒电压和/或恒电流或可变功率、可变电压和/或可变电流等，但不仅仅局限于这些。

现有的电连接子11和12连接到发电机10，这两个电连接子将发电机10分别连接到外科医生的仪器上，这些仪器在图中分别用阻抗z1和表示电外科回流电极的阻抗z3所示。阻抗z2表示手术台和回流电极之间的病人组织的阻抗。电连接子11和12表示一个说明性的结构，这种结构具有连接装置的功能，用于实现到半绝缘台布或部件和/或导电元件的电子连接。在这里包含的教导下，本领域的普通技术人员都知道，其他各种结构也适用于执行预想的功能。

尽管图2A经过了简化，而且一般根据将分布在外科仪器、病人身体和回流电极上的电抗包括在内的主要电阻来考虑电路元件，以便能够清楚而简洁地解释出本发明的原理，但是需要知道的是，在实际中将会遇到其他一些参数，诸如分布电感和分布电容等，这些参数被认为相对较小，因此为了对原理进行清楚的解释起见，在这里的讲述中对这些参数不予考虑。不过，如下面所述，在一个实施例中，当将绝缘的袖筒置于电极和病人身体之间时，阻抗z3中可以包括重要的电容性电抗元件。需要指出的是，图1-11被有意简化了，以便能够简洁地表示出本发明的原理，在图12～18中对它们有更为严格和完整的讨论。

这里的初始实施例是电极的实施例，即，在电阻、电容和/或电感模式下工作的半绝缘台布或部件和导电元件。因此，如果忽略相对较小的寄生容抗和感抗，则电路的总的有效阻抗将等于单个阻抗的z1、z2和z3之和；并且由于通过这三个阻抗的电流基本上相同，因此RF发电机10所产生的电压将分布于阻抗z1、z2和z3上，各电压值正比于各阻抗的值。这样，每一个这种部件所释放的能量也将与各阻抗的值成正比。

由于想要将释放的能量集中到外科医生的仪器与病人组织相接触的区域，因此可以预料，z1所表示的阻抗的电阻性成分将占主要部分，并且流经该阻抗的电流(以及释放的能量)将集中在很小的区域。其中后者的实现需要将手术台上与病人相接触的区域变得很小。

与前述的串联电路相对照的是，如果将电阻性电抗和电容性电抗通过并联方式结合起来，就能表示总的有效电阻，公式如下：

$\mathrm{Zeff}=\frac{1}{\frac{1}{Z1}+\frac{1}{Z2}+\frac{1}{Z3}+\frac{1}{Z4}+\frac{1}{Z5}+\frac{1}{Z6}}\·\·\·\left(1\right)$

这样，如果将100个这样的阻抗进行并联，每一个阻抗值为100欧姆，则有效阻抗Zeff将等于1欧姆。如果有一半这样的阻抗脱离有效连接，则剩下的有效阻抗将为2欧姆，并且如果在电路中只有一个阻抗有效，则剩下的有效阻抗将为100欧姆。从对图2A、2B、2C和图3中所示的元件的下面讲述中，可以明显看出以上的考虑和对电极的自限制和自动防故障装置的使用的重要性。

现在回到图2A，我们看到对广域分布的电外科回流电极20的俯视图的结构表示，该结构表示的是自限制特性的原理。尽管在对本发明的实施例的讨论中参考了电外科回流电极20，我们可以认为，半绝缘台布或元件和导电元件的结合形成了电外科回流电极。

在图2A的右侧示出了连接端子22，用于连接电回流电连接子。回流电极20的表面20a，即，半绝缘台布或部件的表面，可以是光滑的和同质的，并且包括薄的电阻性和/或绝缘层21a(图2C)。或者，表面20a包括回流电极20的半绝缘台布或部件，回流电极20可以包括电容性层和/或电感性层，这取决于半绝缘台布或部件的特定操作。为了讲解的指导性目的和为了有助于回流电极20的数学建模，可以将电极20看成为包括了多个均匀大小区域或由区域21、21a、21b、21c...21n所表示的分区。不过，本领域的普通技术人员都知道，回流电极可以包括或不包括离散的区域或分区。例如，在一个实施例电极20中具有连续的分区。区域/分区21在图2B中进行了放大显示，以便在比例上与它代表的电阻性阻抗z3’相似。现在确认对应分区21...21n的电极20的每个分区内在地具有表现出类似于阻抗z3’的阻抗的能力。不过，这种在电路中并联有效的分区的个数是躺在电极上面的病人表面面积的一个直接的功能体现。这样，在体形较大的仰躺着的病人身体与电极上表面的50％的面积进行有效接触的情况下，对应于分区21～21n的分区的50％在电路中都将有效的并联，以形成由图1中的z3所表示的阻抗；因此，如果电极20包括100个分区，每个分区100欧姆，则由50％的有效电极元件表示的有效阻抗将是2欧姆。由于2欧姆与由元件z1和z2表示的阻抗相比很小，因此在与病人和电极相接触的区域很少有能量耗散，而且也由于电极的相对大的有效工作面积，电流密度和温度提升将维持在上面所提到的危险临界值以下。

现在，如果由于某种原因，使得病人和电极之间的有效接触面积减少到只有分区21～21n中的一个表面那么大，则有效阻抗(考虑中的例子中的电容性电抗和电阻的结合)将增加到100欧姆；而且在接触面积减少的某些点，有效阻抗将上升到与在电外科仪器安装处的阻抗相关的一个水平，以减少外科仪器的电外科效果或阻止外科医生对于外科仪器的有效使用，这样将通知外科医生对病人进行安置，以便能够表示与回流电极相接触的更大表面面积。与此同时，总的电路阻抗将会增加，以至如果外科医生试图在不安置病人的情况下利用他的仪器，则流动的总电流将减少到能够给病人引起未预料的坏疽的值以下。因此，提供了自限制特征，该特征能够增强使用的安全性，而不需要前面所述的单独电路来监视和控制电路。

图2C是一个沿图2B的剖面线2C-2C所作的剖面图，图示了图2B的分区21所表示的有效电路阻抗z3’。这里，带有由引脚23电气表示的病人接触上表面24和由电引脚22a表示的下表面25的小分区21如图2C中所示。为了讲述的目的(并且为了清楚地表示该实施例所体现的原理)，可以认为阻抗z3’存在于引脚23和引脚22a之间。当然，本领域的普通技术人员明显可以看出，在一个其导电元件为薄而高度导电层的实施例中，由其余的分区所表示的每一个阻抗都在其末端并联地连接到引脚22；然而，如果这种元件不具有高度导电属性，则除了由位于每一个分区的上部和下部区域之间的材料表示的阻抗以外，还会有由材料所表示的额外阻抗(图中未示出)，通过该材料，电流将不得不横向流经或侧向流经电极，以便到达引脚22。

现在应该明显看出，如果通过提供前面提到的薄导电层来减小侧向阻抗，或者如果在区域21的材料下部的有效导电系数增加，则由回流电极表示的有效阻抗将和与病人相接触的电极的有效上表面成反比。

图3以图形的形式示出了回流电极的有效表面面积和电极上形成的有效射频电流密度之间的关系。不过，在对这种图表进行考虑之前，需要指出的是，该图表经过了简化，以便能够解释自限制回流电极的原理，而并不表示实质上变化的实际数据。在图3中，给出的是一个RF电流密度和电极有效表面面积的关系图，其中后者(这一点对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的)为与病人身体有着有效电气接触的回流电极的表面之一部分。从前面的讨论可知，当有效面积较大时，在外科医生的仪器上的电流较高(图中的虚线30)，在回流电极上的相应电流密度较低(实线31)。当然，这就是用于执行外科手术所需的条件。不过，如果我们假设有恒电流流经电路，则由于有效面积减少，回流电极的电流密度(实线31)将随着外科医生的仪器中电流的相应减少而增加(虚线30)。当有效表面面积下降到一些预定点时，则在外科仪器上用于有效进行手术的电流将会不够。

本领域的普通技术人员都知道，电流密度和外科医生的可用电流的改变，可以与或不与有效表面面积的改变同时发生。本发明的各个实施例在电流密度和可用电流上可以基本上同时改变，而本发明的其他实施例中二者之间则可具有滞后期。

用于材料和电极维度的参数的选取，能够使电流密度和在回流电极附近的相应组织的温度提升不超过在介绍中所提到的限制。现在我们会明白，对这种参数进行合适的选取，将使回流电极成为自限制的，因此避免了对额外监视电路的需要，前面已经对这种电路作了参考。

为了有助于对本发明原理的描述，前面根据主成分为电阻性和电容性电抗的阻抗进行了讲述。不过，本发明原理也可用于其他实施例中，在这些实施例中的阻抗包括对电阻性、电容性和/或电感性阻抗的任何组合。

本发明中的讲述结合了一些应用，在这些应用中电外科回流电极的自限制特性是通过使用可去除的半绝缘台布或部件和单独导电元件来取得的。半绝缘台布或部件的使用，将独立的导电元件转换成具有自限制特性的功能性电气回流电极。在下面的讨论中，术语“半绝缘台布”和“半绝缘用品”可以替换着用，并且对“台布”的讨论可用于对“用品”的讨论上，反之亦然。

参考图4A，该图描述了本发明的一个实施例的电气回流电极32的例子。如图所示，电气回流电极32包括半绝缘台布34，可以与手术台40相耦合，作为电外科回流电极的导电元件。本发明的半绝缘台布34，要么单独地，要么与手术台40相结合，提供了阻抗，以用于具有所需自限制特性的改进的电外科回流电极32的正常工作。下面将更加详细地讲述半绝缘台布34的阻抗特性和电外科回流电极32的自限制特性。

根据一个实施例，手术台40包括机件或工作表面42。工作表面42具有导电特性，使得工作表面42和手术台40具有基本上类似的电气特性。尽管在一个结构中是这样子的，但是根据这里包含的教导，本领域的普通技术人员都知道，工作表面42和手术台40的其余部分具有不同的电气特性。例如，工作表面42的导电性可以比手术台40的其余部分更低或更高。

图4A解释了透视的手术台40，它包括现有的腿44a～44d，这些腿可以适合如图所示的轮子或辊子。手术台40的全部或一部分可以作为导电元件，用于和半绝缘台布34一起创建自限制的电外科回流电极。因此，手术台40的结构能够执行导电元件的功能。类似地，手术台40的结构能够执行在医疗期间支持病人的装置的功能。不过，本领域的普通技术人员根据这里包含的教导，将会知道导电元件的其他各种结构和支持他的装置也是可以使用的。例如，导电元件的另一个实施例包括有椅子、板、床和手推车等导电物品或充以导电材料的物品，诸如金属组合或表面，炭黑、线路、铁制品及它们的组合，或其类似物品，但不仅仅局限于这些。在另一个实施例中，导电元件从手术台40的工作表面或其他在医疗期间支持病人的合适装置独立出来。这种独立的导电元件的例子可以包括金属台布、炭黑层、导电凝胶层、填充由离子溶液的床垫、电线以及它们的组合，或其类似物，或其他放置于用以支持病人和半绝缘台布34的装置之间的导电层。

作为导电元件的手术台40经由电连接子36被电耦合到电外科发电机10上。手术台40和电连接子36为电外科回流电极32执行正常的功能提供连接。换一种表述，即电连接子36被耦合到手术台40上，因此在使用耦合到电外科发电机10的电外科仪器37期间，为电流流动提供了连接。

一般地，电外科发电机10产生用于工作电外科仪器37的电流。本领域的普通技术人员都知道各种类型的电外科发电机，诸如恒功率、恒电压和/或恒电流，或可变功率、可变电压和/或可变电流等，但不仅仅局限于这些。

同样，本领域的普通技术人员都知道各种类型的电外科仪器，诸如对类似于病人身体内部或外部的任何部分进行切割、烧灼，以及它们的结合的电外科仪器，但是不仅仅局限于这些。例如，腹腔镜电极，电子医疗笔，电子医疗刀片。

进而，电连接子36可以有各种不同的结构，只要电连接子3电子式连接到手术台40，或其他合适的导电元件，以及电外科发电机10。例如，电连接子36可以永久连接到手术台40和电外科发电机10。另外，电连接子36可以通过夹子、线状插入元件或能够传输电能的插头，诸如但不限于此的香蕉插头、电话塞孔、网线塞孔、同轴连接子等类似物，可拆卸地连接到手术台40和电外科发电机10。本领域的一般熟练技术人员根据这里包含的教导，将会熟悉电连接子的其他结构，诸如与电外科发电机10长久耦合和与手术台40可拆卸地耦合的电连接子36或其他合适的导电元件。

在图4A中，所示的手术台的整个上表面为半绝缘台布34所覆盖。在一个实施例中，半绝缘台布34覆盖着整个工作表面42，其中的工作表面42由导电材料制成。不过需要明白的是，为了实践本发明的原理，并不需要全部覆盖。当使用现有的电外科发电机时，回流电极32只需要提供有效工作表面面积，以便能够以通常使用的RF频率充分地提供足够的电阻性、电容性或电感性耦合，以不干扰外科医生执行手术的能力，同时避免了非期望的组织损伤。已经发现在现有的电外科频率下，仅需要不大于如图5所示的躺在手术台上的成年病人的躯干或坐在椅子上的病人的屁股的一半的突出轮廓大小的有效工作表面面积。不过，在有些几何结构中，以及在电极上放置有多层工作间亚麻布的情况下，有效工作表面面积根据所使用的材料而变化。其中的工作原理是可以成功使用的，并且在这种情况下可以通过日常实验来决定回流电极的有效工作表面面积。在一定的条件下，有效工作表面面积可以小到约7平方英寸(或约45平方厘米)。

而且，尽管图6～8和图10所示的半绝缘台布34在描述上为矩形形状，但是，例如为了适合病人身躯干或其他主要部分的轮廓，明显可以将其描述成椭圆形或等高线形。从前面所述明显可以看出有一点非常重要，即半绝缘台布34的结构应该使得当使用回流电极32时：(1)病人表面的回流电流密度足够得低；(2)电极(即半绝缘台布34和导电元件的组合)与病人之间的电气阻抗足够得低，以便在电流回流路径的任何位置不会因电能的过分集中而对病人的皮肤进行超过六摄氏度的加热；以及(3)材料和几何形状的特点是，如果回流电极的有效面积减少到所选的门限值以下，则将不会有充足的能量耗散在外科医生的仪器上，以便他能够继续有效使用处于电外科模式下的仪器。

本领域的一般熟练技术人员将认识到，在病人的皮肤和它的回流电极之间不需要存在直接的欧姆接触，来使得电极执行通常根据前面的讲述，因为尽管如果诸如外科手术衣等物将它们分离开来就会引入电容性电抗(由病人的身体与电极之间的距离来表示)，这种电容性电抗将修正而不是破坏z3表示的阻抗。

本领域的一般熟练技术人员都知道，在另一个电路中(例如那些在电外科学中使用的电路)阻抗的电容性电抗是电容和提供给电抗的电流信号的频率的函数。因此，计算电容性电抗的公式为(单位：欧姆)：

$X_c=\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}---\left(2\right)$

其中，X₀为电容性电抗，单位欧姆，π为3.14159，f为频率，单位hz。C为电容，单位法拉第。并联平板电容器中电容的计算公式为：

$C=\frac{\mathrm{\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{t}---\left(3\right)$

其中，C为电容，单位为法拉第；κ为电容器有效平板之间材料的介电常数；A为电容器有效平板的最小一个面积，单位为平方米；t为有效平板之间的间隔，单位为米；ε₀为空气的介电常数，单位为法拉第每米。这样，你将看到，在电极电路电容占主要成分的实施例中，为了满足最大可能的温度上升标准，可以根据发电机电源的频率，病人身体与电极之间的分离，以及电极的有效导电区和邻近的身体表面之间的材料，使用不同的最小电极尺寸。因此，尽管本发明的原理可以应用到电外科能量的更宽的频率范围，但这里所作的对回流电极最小值的考虑中，特别考虑到了一般用于现有的电外科能量发电机的频率。

本领域的一般熟练技术人员都知道，对于当前使用的任一回流电极，将电流的有效尺寸减小到3平方英寸，将不会把RF电流减小到妨碍外科医生执行手术的程度，而且也不会把电流集中到引起病人坏疽的程度。不过，为了使电极到病人身体之间存在一定间隔，根据本发明的回流电极可以以距离病人皮肤的相对小的间隔利用大约7～11平方英寸(大约45～70平方厘米)之间的最小有效面积，其中这种皮肤由外科手术衣所提供，或中间根本没有手术衣。如果将病人置于有病人上半身那么大或更大的电极上，则这样一种有效面积是容易获得的。

本实施例的电介质特性完全能够与所选的橡胶、塑料和其他有关材料的介质特性相比，因此后者可以用作半绝缘台布34的材料。如上所述，对于半绝缘台布34，如果病人的位置使得没有足够的半绝缘台布34与病人紧密接触而导致了低阻抗，则结果将是，来自电外科发电机的电流将减少到一一定程度，使得外科医生很难进行手术。这样，在本实施例中，虽然有外科手术衣的额外电容的介入，这里所讲述的特征将继续发生。

现在参考图4B，它描述了标号34b所指的半绝缘台布的另一个可选实施例。如图所述，半绝缘台布34b可以包括保护性凸缘38。保护性凸缘38用于覆盖作为导电元件的桌子40的部分和/或病人或用户能够与之接触的桌子40的工作表面42。通过覆盖表面42和桌子40的这些部分，保护性凸缘38确保电流能够流经电气回流电极。回流电极1的自限制特性确保了来自病人或用户的电流密度处于安全的级别。

在另一个实施例中，如图11所示，半绝缘台布具有封袋的形式，并且在封袋内部能够容纳导电元件，这一点后面将要讲述。在另一个实施例中，保护性凸缘38被耦合到半绝缘台布34。在可选的实施例中保护性凸缘38包括用于包裹工作表面42的单独的覆盖和任何附加的导电元件，诸如如图4B所示的桌子腿等。然而在另一个实施例中，保护性凸缘38被耦合到可任意处理的、可重复使用的或可洗涤的保护性袖筒来覆盖半绝缘台布34。

如上所述，图5为正视图，解释了根据本发明带有半绝缘台布34的手术椅50，其中台布置于座位的上表面。因此，手术椅50和半绝缘台布34一起形成了电外科回流电极。在解释上，手术椅50的整个或部分在结构上可以作为本发明的导电元件。因此，当病人坐于椅子上时，病人臀部和大腿上部躺在半绝缘台布34上，并与其充分接触，以便二者之间的耦合所给出的阻抗能够满足前述的标准；也就是说，当假定电流密度足够得低，并且在回流阻抗两端产生的用以加热位于电流回流路径的任何位置处的病人皮肤的电能不足以加热到上升6摄氏度(6℃)以上，则半绝缘台布34和/或手术椅50的全部或一部分与病人之间的阻抗将足够得低，以允许外科医生执行手术。

图6为根据本发明的另一个半绝缘台布的俯视图。观察可知，半绝缘台布上部暴露表面或工作表面是昂贵的，这样才能满足低阻抗的标准。半绝缘台布可选地覆盖着手术台的整个表面，或者牙科椅子或其他病人的椅子的整个座位表面，以提供比病人的臀部或躯干所投射的面积更大的表面面积，以便在病人于手术期间挪动位置时，病人的很大一部分仍然与半绝缘台布表面以及回流电极相配准，这样，有效阻抗将保持小于上述水平。

在这一结合处，对被认为是与理解本发明特别相关的改进的半绝缘台布和回流电极的特性进行强调是很有用的。首先，如上所述，半绝缘台布以及回流电极不需要与病人进行直接的接触或通过居间的导电凝胶或介电凝胶进行接触。另外，由于它的尺寸特别的大，因此不需要对半绝缘台布和回流电极进行裁剪，以使其适合病人的身体轮廓。在这一连接中，可以看出，尽管有了所选的材料及几何形状，只要半绝缘台布和回流电极在工作表面面积上有约7平方英寸(或大约45平方厘米)那么小，它就能具有自校正和自限制原理，半绝缘台布和回流电极的暴露的上部工作表面面积的一个例子范围为从约11至1,500平方英寸(或约70至9,680平方厘米)。通过将半绝缘台布和回流电极的工作表面面积增大到以前建议的若干倍(一般地，在幅度上要增大一个量级)，就消除了对直接身体接触，即要么直接与病人的皮肤相接触，要么通过凝胶进行接触，的需要。

如图6所示的根据本发明的半绝缘台布34，当将其与导电元件一起形成的回流电极具有由半绝缘台布的工作表面的每个平方厘米表示的大于8000欧姆的有效直流电阻时，可以由塑料、橡胶或其他柔性材料制成。硅树脂或丁基合成橡胶因作为柔性材料以及易洗涤和易消毒而特别具有吸引力。另外，半绝缘台布34的主体可以由其本身电阻就相当高的柔性材料制成，这些材料经过改变可以提供所需的导电性。关于后者，一个例子是硅树脂橡胶材料，从中可以提取诸如碳纤等浸渍导电纤维，或分布有诸如炭黑、大量金、银、镍、铜、钢、铁、不锈钢、黄铜、铝或其他导电体等其他大量的导电物质。

进一步参考图6和图7，其中表明了粘附于回流电极的导电元件47的电连接子54的存在，为诸如电外科能量源10(图1)等电外科射频能量源提供现有的电流回流。电连接子54是另一种能够执行用于连接到电极和/或导电元件的连接装置功能的结构。电连接子54仅解释了能够执行预想功能的其中一种结构；本领域的一般熟练技术人员都知道，其他各种结构也能够执行同样的功能。

如上所述，图7是沿图6中的线7～7剖开的剖面图。图7示出了电外科回流电极46，类似于图2A～2C的电极20，除了如图所示将电极46分开成半绝缘台布34和导电元件47。可选地，导电元件47可以是电子耦合到半绝缘台布34和可以从半绝缘台布34上移除的薄而高导电的较低层级。这一较低层级可以有助于电流朝向电外科射频能量源的导电性能。在一个实例形式中，半绝缘台布34的厚度的范围为从约1/32英寸至约1/4英寸(即约0.08厘米至0.64厘米)，这一范围与前面的形成半绝缘台布34和/或导电元件47和/或半绝缘台布34的电容性电抗的材料阻抗范围一起，提供了具有预想物理柔韧性的阻抗，方便使用和工作。

在本发明的一个实施例中，所选的半绝缘台布34的材料和电极几何形状能够防止躺在电极上的病人产生压力酸痛或胃溃疡，如未决的美国专利申请号09/773,282，2001年1月31日提交，题目为“PressureSore Pad Having Self-limiting Electrosurgical Return Electrode Propertiesand Optional Heating/Cooling Capabilities”。本申请是这个专利申请的继续申请，并引入它的内容作为参考。在另一种结构中，电外科电极在手术进行期间可以加热和/或冷却病人。

图8作为剖面图，与图7类似，但是提供了多层实施例，以解释根据本发明由病人的手术衣所表示的间隔。图8中示出了半绝缘台布34和下面的有效电容层48，表示绝缘介电层，病人的手术手术衣，工作房间的亚麻布，用于保护半绝缘台布34的保护性袖筒或外套，或它们的任意组合。需要明白的是，除了类似于图6～7的电极那样的结构，图8的导电元件47可以由台布、板、或由金、黄铜、铝、铜、银、镍、钢、不绣钢、电导性炭、电导性流体、凝胶、盐等类物质组成，这些物质可以铺在诸如接地手术台、椅或类似物品上，进一步参考图8可以看出，本发明的实施例能够有助于包括覆盖着半绝缘台布34的较低表面的另一个介电层49。

图9是一个袖筒50的透视图，该袖筒用于包围住图6～8的任何一个实施例。这样，在需要通过使用由不透水的材料制作的袖筒而使半绝缘台布34免受污染，来消除对清洁的半绝缘台布34自身的需要的情况下，为了在保护性封袋里包围住前面的半绝缘台布34而可选的提供，其中半绝缘台布34在使用后只需从袖筒中撤出，并将袖筒丢掉即可。本领域的一般熟练技术人员从中可以看出，这种袖筒可以由任何已知材料制成，如乙烯塑料，聚脂或聚乙烯。

图10示出了包围于图9的袖筒中的半绝缘台布34。可以看到一个袖筒50的外表面50a；并且包围在袖筒50中的用于解释目的的是图6的半绝缘台布34。

在如图11所示的另一个实施例中，袖筒52起到半绝缘台布34的作用，并且在袖筒52的内部容纳标号为54的导电元件。通过这种方式，半绝缘台布34完全或部分地包围住导电元件，并防止病人、医师或其他涉及电外科手术的个人与导电元件进行任意接触。

如图所示，袖筒52的一个端口为56，另一个端口为58。第一个端口56开放，允许将导电元件54放入袖筒52内部。在另一个端口58放置有封口60，它至少有部分位于袖筒52的内部，如虚线所示，覆盖着导电元件54的端口，并且防止与病人、医师等的接触。封口60的结构能够使它执行关闭袖筒端口的功能。本领域的一般熟练技术人员能够识别其他各种用于关闭袖筒端口的结构。例如，封口可以包括可去除的粘合剂，用于可移动地将封口耦合到袖筒52的外表面。在另一种结构中，袖筒52的外表面包括钩和环扣件的部分，其中封口部分具有钩和环扣件的互补部分。在另一种结构中，袖筒没有封口，并且使用了拉链型的扣件、钩和环类型的扣件、或其类似物，将袖筒端口关闭了。另外，在另一个实施例中，袖筒具有一种加长的形式，这样袖筒部分可以被折叠成与袖筒的外表面相接触的形式，以防止与导电元件的任意接触。

本领域的一般熟练技术人员可以识别出袖筒的其它各种结构。例如，袖筒在第一个端口和第二个端口都可以是开放的，可以通过关闭袖筒端口的合适方法来关闭这些端口。在另一种结构中，袖筒包括第一个端口和第二个端口之间的开口，而第一个端口和第二个端口则关闭。根据这里的教导，这一开口可以通过一或多种这里所公开的或本领域的一般熟练技术人员所熟知的方法来关闭。

总的电极接地焊盘阻抗和自限制特征

图12描述了电外科电极32，它包括半绝缘台布34和导电元件61；前面参考其他导电元件所讨论的结构和功能适用于导电元件61。电极32，或者更确切的说，半绝缘台布34，与另一个导电层63相接触，表明有病人在上面。由于电极32的总阻抗而产生电外科回流电极32的自限制特征(将电流密度维持在临界值以下的水平)，无论这种阻抗来自半绝缘台布34自己还是它与导电元件61和/或导电层63的结合。进而，总阻抗将来自于导电元件61、半绝缘台布34和/或导电层63的各种电阻性、电感性和/或电容性阻抗成分。

电极32包括半绝缘台布34，具有体积电阻系数ρ和厚度t。置于导电表面即导电元件61，和病人之间的区域A可被模拟成电阻(R)和电容(C)并联。

为了方便解释，我们将测定在电极32被模拟成电阻与电容并联形式的纯电阻性场景中，用于自限制的电极32的电阻性要求。根据对在纯电阻情况下用于自限制的最小电阻要求，我们归纳了对任何阻抗的分析，无论这种阻抗来自于电阻性、电容性和/或电感性成分。

这样，结果得到的等价于电阻器与电容器的结合的总阻抗。

$Z_{\mathrm{tot}}=R\left|\right|X_c=\frac{\left(R\right)\left(\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}\right)}{\left(R\right)+\left(\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}\right)}=\frac{R}{1+\mathrm{j\ωCR}}---\left(4\right)$

$\left|Z_{\mathrm{tot}}\right|=\sqrt{\frac{R^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}^2{R}^2}}=R\sqrt{\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}^2{R}^2}}---\left(5\right)$

其中j为电抗的虚部，并且ω为角频率，其定义为ω＝2πf，其中f为电外科发电机频率。阻抗的幅度为

将其中的依赖项R和C用面积A、厚度t、体积电阻系数ρ和材料κ的介电常数来表示如下：

$R=\frac{\mathrm{\ρt}}{A}---\left(6\right)$

和

$C=\frac{\mathrm{\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{t}---\left(7\right)$

$\left|Z_{\mathrm{tot}}\right|=\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\sqrt{\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\left(\frac{\mathrm{\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{t}\right)}^2{\left(\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\right)}^2}}=\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\sqrt{\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2{\mathrm{\ρ}}^2}}---\left(8\right)$

其中介电常数ε₀＝8.85×10^-12F/m，总阻抗的幅度为：

$\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\sqrt{\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2{\mathrm{\ρ}}^2}}\≤75\mathrm{\Ω}---\left(9\right)$

根据AAMI标准，在正常工作情况下，电外科电极的总阻抗应该小于75欧姆。因此，在一种结构中，

$\mathrm{\β}=\frac{Z_{\mathrm{tot}}}{75\mathrm{\Ω}}---\left(10\right)$

我们将β定义为：

如果β＜＜1，则与AAMI标准相比，电极将具有很低的阻抗值，并且外科医生将因这种电极而注意不到电外科切割功率的任何退化。如果β＞＞1，则电外科电极具有的阻抗值很大，这样使得外科医生将无法执行电外科手术。使用上面的不等式中的β，可以将该表达式写为：

$\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\sqrt{\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2{\mathrm{\ρ}}^2}}=75\mathrm{\β}---\left(11\right)$

在一个结构中，自限制发生于当电极具有大电极区域与病人相接触时(图16)，即，半绝缘台布34的大的表面区域与病人相接触；不过，在一个示例性实施例中，当病人只与整个半绝缘台布34的区域的一小部分相接触时，也可以发生自限制(图12)。为了使自限制工作正常，该例子电极的电流密度(I/A)不会超过一个如下面的公式所示的临界值，其中电流I为流经半绝缘台布34与电外科回流电极的接触区域A的总电流：

$\left(\frac{I}{A}\right)\≤{\left(\frac{I}{A}\right)}_{\mathrm{critical}}=100\mathrm{mA}/{\mathrm{cm}}^2---\left(12\right)$

AAMI标准说明，正常的电外科电流大小约为500～700mA。如果我们将1000mA＝I_max作为人们期望上述平均功率外科手术的安全上限，则为了将电流回流到电极而不超过I_critical，则现有的电外科回流电极的接触面积A_contact(min)必须有一个最小值：

$A_{\mathrm{contact}\left(\min \right)}\≥\frac{I_{\max }}{{\left(\frac{I}{A}\right)}_{\mathrm{critical}}}=\frac{1000\mathrm{mA}}{100\mathrm{mA}/{\mathrm{cm}}^2}={10\mathrm{cm}}^2---\left(13\right)$

可以理解，由于在电极与病人相接触的时间的长短，病人皮肤的电气特性(例如，电阻系数等)，病人所传导的热量，以及病人的初始皮肤温度等方面的不同，病人的I_max值各有不同。使用根据现有技术设计的电外科回流电极，在将与病人的接触面积减少到A_contact(min)以下同时维持I_max的值不变的情况下，将会因为(I/A)_critical＞100mA/cm²这一烧灼的临界值而导致烧灼的发生。与之形成对照，本发明限制了因接触面积减少到A_contact(min)以下而导致燃烧的可能性。同时在接触面积严重较少的情况下也防止了电外科手术的进行。因此当A＜A_contact(min)时，通过选择合适的电外科回流电极阻抗，电流I将总是被减少到I_max以下。

因此，面积为A_contact(min)的小电极和较大的金属箔之间的阻抗并不是简单的如下面的公式所示：

$R=\frac{\mathrm{\ρt}}{A_{\mathrm{contact}\left(\min \right)}}---\left(14\right)$

因为电流能够流经非直接位于病人接触面积A_contact(min)下面的区域(图13)。如果半绝缘台布34的总面积为A_contact(min)，则流经病人接触面积A_contact的电流要比人们所预计的多上大约10～20％。同样，如果不出现那些导致额外电流的边缘效应，则电极的有效阻抗要比人们所预计的小10～20％。

如前所述，图13通过电极的半绝缘台布34揭示了当与病人的上接触面积比总的电极表面面积小很多时的电流分布。如图中所述，电流流经位于接触面积附近的并联路径，因此减小了电流的整个阻抗，因此增加了大约10～20％的有效面积。在图中，不透明的或严重阴影的区域表示高密度电流，而浅的或稍微阴影的区域表示低密度电流。

为了使电极是自限制的，由AAMI标准所定义的有效性，则A_contact(min)可以具有的值从大约7cm²至大约22cm²，并且在一种结构中为大约10cm²，电外科电流在100mA至约2,000mA之间。类似地，β的范围从大约10至大约50，并且在一种结构中，值为大约10。利用A_contact(min)和β各个值，就可以求解方程11，其中当插入因子1.2来作为上述的边缘效应时，厚度t为在不同电外科发电机频率ω处的体积电阻系数ρ的函数。在这里讲述的特定的解释性实施例中，因子1.2包括于方程的电阻系数和电抗等项中；不过，本领域的普通技术人员都知道，因子1.2是依赖于电阻项和电抗项的几何关系，并且可以改变。另外，值1.2是基于上述的自限制电极的图示的几何关系，并且可以随着电极的几何关系而变化，这说明了不同的边缘效应。

结果得到的方程(该方程识别和定义了影响自限制的各参数之间的相互关系)为：

$t=\frac{1.2A\left(75\mathrm{\β}\right)\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2}}{\mathrm{\ρ}}---\left(15\right)$

利用方程15，图14解释了体积电阻系数最小值的变化，其中半绝缘台布34的厚度要求κ＝5。可以想见，使用的半绝缘台布34的厚度的最大值从大约0.5至大约4英寸(大约1.3cm至大约10.2cm)，并且在一个结构中，大约1英寸厚(大约2.5cm)。如果厚度大于上述范围，则半绝缘台布34用起来就很笨重，不适合病人。因此，为了自限制，具有这种厚度的电极的体积电阻系数的最小值大约为4000Ω·cm。

前述各方程和讨论的内容，是使电外科电极成为自限制的体积电阻系数的代表。不过，也可以理解为，可以重复上述分析以获得自限制阻抗，以用于主要使用由电容性或电感性组件，或者电阻性、电容性和/或电感性组件的结合来模拟的电极。因此，下面将对电外科电极的体积阻抗的自限制的要求进行讨论，无论这种阻抗是否来自于阻抗的电阻性、电容性和/或电感性组件。

其他示例性实施例

本发明的电外科电极的自限制行为来自于当病人和电外科回流电极之间的接触面积大大减少时，充足的回流阻抗的存在使得电极现场的烧灼不可能发生。如上所述，电外科电流为1000mA这一最大值与电流密度必须保持在100mA/cm²以下这一要求相结合，得到的是安全接触面积为10cm²这一最小值。

一般地，任意多个以各种结构，包括电容器、电阻器、甚至电感器的串联和并联组合，组装在一起的电子元件都可以满足这一要求，假定当将接触面积减少到10cm²时得到的电路总阻抗约为75β或者更大。

将诸如电外科发电机的可去除半绝缘台布34和导电元件61等回流电极和病人之间的电路的总阻抗定义为Z_TOT。这一阻抗由插于病人和回流电极之间的材料的电容、电阻和电感属性所产生的。我们将材料的“体积阻抗”定义为η，它是形成半绝缘台布34的材料的阻抗的体积独立的测量，但是是频率依赖的，方程如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\left(A\right)\left(Z_{\mathrm{TOT}}\right)}{t}---\left(16\right)$

这里A为材料的面积，t为厚度。这与体积依赖的欧姆电阻R和较早讲述的被称为“体积电阻系数”ρ的电阻性材料的有关体积独立特性之间的关系相类似。

一个描述自限制的要求的方式是用η来表示的：

$\left|Z_{\mathrm{TOT}}\right|=\frac{t\left|\mathrm{\η}\right|}{A}>75\mathrm{\β}---\left(17\right)$

或者由它得到的

$\left|\mathrm{\η}\right|>\frac{\left(75\mathrm{\β}\right)A}{t}---\left(18\right)$

对于前面的例子(最小体积电阻系数的定义)我们使用A＝A_contact(min)＝10cm²(约1.5平方英寸)，β＝10，t＝t_max＝1英寸(约2.5cm)，以及因子为1.2等，来解释边缘效应，以便发现对于纯粹的电外科电极，有

|η|＞4000Ω·cm                                (19)

因此，在纯粹的电阻性实例中，体积阻抗(η)被等同于电极中的导电元件的体积电阻系数(ρ)。不过，在方程19中的结果可以归纳为所有材料和电子组件，包括电阻的、电容的和电感的组件，以及它们的任意结合。只要电外科电极的体积阻抗大于4000Ω·cm，则该电极就将是自限制的，无论这种自限制行为是否是因为电阻性阻抗、电容性阻抗、电感性阻抗，或这些阻抗的结合而致。

作为另一个解释性的例子，我们可以使用表面覆盖有绝缘(非传导性的)材料的电导性/电阻性回流板来制作自限制电外科电极，或者利用非传导性材料来制作一件病人手术衣和使用金属的或电阻性的回流电极。这些设备的总效果将是创建了与电容性阻抗串联的电阻性阻抗。

对于上述定义的利用电阻性阻抗和电容性阻抗来模拟回流电极的解释性例子，电外科电极的总电阻为电阻性电阻和电容性电阻之和：

$Z_{\mathrm{TOT}}=R+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}---\left(20\right)$

根据材料的体积电阻系数、介电常数、面积和厚度，得到总阻抗为：

$Z_{\mathrm{TOT}}=\frac{\mathrm{\ρt}}{A}+\frac{t}{\mathrm{j\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}---\left(21\right)$

通过将方程的两边同时乘以面积A和除以厚度t，我们可以得到体积阻抗η：

$\mathrm{\η}=\mathrm{\ρ}+\frac{1}{\mathrm{j\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_0}---\left(22\right)$

体积电阻的幅度为：

$\left|\mathrm{\η}\right|=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+\frac{1}{{\left(\mathrm{\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_0\right)}^2}}---\left(23\right)$

如果我们让

$\left|\mathrm{\η}\right|>\frac{\left(75\mathrm{\β}\right)\left(1.2A\right)}{t}---\left(24\right)$

则

$\frac{A}{t}=\frac{\left|\mathrm{\η}\right|}{1.25\left(75\mathrm{\β}\right)}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+\frac{1}{{\left(\mathrm{\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_0\right)}^2}}}{1.2\left(75\mathrm{\β}\right)}---\left(25\right)$

这样，边缘效应将电极的体积阻抗减少了大约10～20％，因此使自限制电极的有效面积相应地增加了大约10～20％，减少了有害的电外科烧灼的可能性。

图15描绘的是对于不同的电外科频率，A/t和体积阻抗η的关系图。其中y轴具有A/t的最小比率值，以便使自限制行为成为体积阻抗的函数。注意到我们要求体积阻抗必须总是大于4000Ω·cm。在该图的右边，所有的曲线都汇集成一条曲线。在这种情况下，电路的总阻抗主要取决于电阻性成分，因此与频率无关。在该图的左边，电路阻抗主要取决于电流的电容性电导。我们要求面积与厚度的比率应该在几百至大约10,000之间，以便在这一区域能够提供足够大的总电阻同时又具有低的欧姆电阻。

结果得到的最低的可能的体积阻抗，因此将大于Twentier美国专利号4,088,133所预计的阻抗值；因此，根据本发明的自限制电极看来是在已知的现有技术中既没有被讲授过，也没有给出暗示。通过对体积阻抗的简单测试，诸如独立于电极面积或半绝缘台布厚度的绝缘材料的体积电阻系数，就能够容易地将根据本发明的产品从现有技术中区分开来。

几何材料和电源的相互关系

如上所述，图12～18用于定义材料的几何和特性，用于获得前述的自限制功能。

下面将通过讨论来提出解释性信息和有关于半绝缘台布的例子，该半绝缘台布可用于创建功能性回流电极，当该电极与导电元件相耦合时，可以使用电容性电导来进行电外科手术，同时保持自限制。尽管这里所作的讨论是与在电容性电导的情况下工作的电外科电极有关的，类似的解释性信息和例子也可以针对电阻性和电感性电导，这一点本领域的普通技术人员都知道。

图16描述了电外科电极60，它包括导电元件61和半绝缘台布34，后者由体积电阻系数为ρ、厚度为t和面积为A的材料制作而成。半绝缘台布34与另一个传导层相接触63，该传导层上躺有病人。电路可以被模拟成电阻R和电容C并联(图17)。电阻R与体积电阻系数ρ、厚度t和面积A有关，关系式为：

$R=\frac{\mathrm{\ρt}}{A}---\left(26\right)$

电容C大致与面积A、厚度t、电流介电常数ε0＝8.85×10^-12F/m和材料的介电常数κ的关系式如下：

$C=\frac{\mathrm{\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{t}---\left(27\right)$

电容器阻抗的幅度为：

$X_C=\frac{1}{\mathrm{\ωC}}=\frac{1}{\mathrm{\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}---\left(28\right)$

流经电容路径的电流与流经电阻路径的电流之比Y的计算公式如下：

$Y=\frac{\frac{1}{X_C}}{\frac{1}{R}}=\frac{\frac{\mathrm{\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{t}}{\frac{A}{\mathrm{\ρt}}}=\mathrm{\ω\κ}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ρ}---\left(29\right)$

比率Y与半绝缘台布34的面积和厚度无关，并且更一般地，比率Y与电极面积和厚度无关。比率Y只依赖于κ和ρ。对于电容性耦合为主导的情况，Y＞＞1，然而对于电阻性耦合为主导的情况，Y＜＜1。电容性电流和电阻性电流的边界为Y＝1。

1＝2πfκε₀ρ                                (30)

在给定κ额定值和ω＝2πf的情况下，我们可以利用这一方程以及ε₀值，来计算得到电容性电导的ρ值，其中f为电外科发电机的频率。

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2\mathrm{\πf}{\mathrm{\κ\ϵ}}_0}---\left(30\right)$

对于大多数绝缘材料，κ的值为3～5。商业上可用的电外科发电机的工作频率为200kHz～4MHz。对于κ＝5和f＝4MHz，在一个结构中，ρ≥1×10⁵Ω·cm，以便使电外科电极将流经电容性耦合的大部分电流回流。对于κ＝3和f＝200kHz，我们要求ρ≥3×10⁶Ω·cm。

通过电容性耦合得到的总电流的百分比的计算公式如下：

$\mathrm{pct}=\frac{\frac{1}{{\left|X_C\right|}^2}}{\frac{1}{{\left|R\right|}^2}+\frac{1}{{\left|X_C\right|}^2}}=\frac{{\left|R\right|}^2}{{\left|R\right|}^2+{\left|X_C\right|}^2}=\frac{{\left(\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\right)}^2}{{\left(\frac{\mathrm{\ρt}}{A}\right)}^2+{\left(\frac{t}{A{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\κ\ω}}\right)}^2}---\left(32\right)$

$=\frac{{\mathrm{\ρ}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\κ\ω}}\right)}^2}=\frac{{\left({\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\κ\ω\ρ}\right)}^2}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\κ\ω\ρ}\right)}^2+1}$

图18示出了各种频率电外科发电机的电容性耦合所占百分比(％)。在极值(4MHz)处，值为10⁵Ω·cm的最小体积阻抗用于流经电容性耦合的大部分电流。

现在明显可以看出，这里已经讲述了在改进的电外科回流电极中所使用的半绝缘台布34，其中改进的回流电极当用于创建功能性电极时，其特点是已被塑造成电极的形状和显示出自限制的特征，同时可重复使用，容易清洁和避免了对使用导电凝胶或附加电路监视设备的需要。

尽管这里已经通过示例性实施例对本发明进行了讲述，但是很明显，只要不脱离本发明的精神和主旨范围，可以对其进行调整和修改。

本发明可以以其他的特定形式来体现，只要不偏离它的精神或主要特点。这里叙述的实施例所考虑到的各方面仅用于解释目的，并不局限于此。因此，本发明的主旨范围是由所附的权利要求书而不是前面的讲述所体现的。在等价的含义和范围内所作的所有改变都保安于本发明的主旨范围内。

Claims (33)

1.一种与单独导电元件一起使用的半绝缘部件，该单独导电元件被电耦合到电外科发电机，该部件包括：

台布，当所述台布材料基本上是与单独导电元件的至少一部分相接触时，所述台布材料具有等于或大于约4,000Ω·cm的有效体积阻抗。

2.如权利要求1所述的部件，其中所述台布的所述有效体积阻抗包括从电阻性组件、电容性组件和电感性组件中的至少一个组件中所选取的电气组件。

3.如权利要求1所述的部件，其中所述台布包括具有明确的电容性电抗的介电材料层，所述层接触并覆盖单独导电元件。

4.如权利要求1所述的部件，其中当所述台布材料基本上是与单独导电元件的至少一部分相接触时，所述台布包括具有所设计的体积阻抗等于或大于约4,000Ω·cm的导电材料层。

5.如权利要求1所述的部件，其中台布包括可以置于与病人相接触或紧密靠近的工作表面。

6.如权利要求1所述的部件，其中所述台布可以再利用。

7.如权利要求1所述的部件，其中单独导电元件包括金属板。

8.如权利要求1所述的部件，其中单独导电元件包括导电流体。

9.如权利要求1所述的部件，其中单独导电元件包括导电碳黑。

10.如权利要求1所述的部件，进一步包括包围着所述台布的绝缘袖筒。

11.如权利要求1所述的部件，其中台布包括内部适配装置，用于容纳单独导电元件。

12.如权利要求1所述的部件，进一步包括包围着单独导电元件的保护性凸缘。

13.如权利要求1所述的部件，其中所述台布具有预定的厚度，并且当所述台布材料基本上与单独导电元件的至少一部分相接触时，台布的体积阻抗、表面面积和预定厚度之间的关系由下面的方程所定义：

$t=\frac{1.2A\left(75\right)\mathrm{\β}\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2}}{\mathrm{\ρ}}$

其中，

t表示厚度(cm)

κ表示绝缘材料的介电常数；

β表示总阻抗除以AAMI标准(75欧姆)；

ω表示电外科发电机的角频率(弧度/秒)；

η表示体积阻抗(Ω·cm)；

A表示电极面积(cm²)

ε₀表示电气介电常数(F/cm)。

14.一种与单独导电元件一起使用的部件，该单独导电元件具有电导线连接到电外科发电机和与可去除部件相结合来作为电外科电极，该部件包括：

台布，当所述台布材料基本上是与单独导电元件的至少一部分相接触时，所述台布材料具有等于或大于约4,000Ω·cm的有效体积阻抗。

15.如权利要求14所述的部件，其中所述台布具有预定的厚度，并且当所述材料的台布基本上与单独导电元件的至少一部分相接触时，台布的体积电阻系数、表面面积和预定厚度之间的关系由下面的方程所定义：

$t=\frac{1.2A\left(75\right)\mathrm{\β}\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\κ}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0^2}}{\mathrm{\ρ}}$

其中，

t表示厚度(cm)；

κ表示绝缘材料的介电常数；

β表示总阻抗除以AAMI标准(75欧姆)；

ω表示电外科发电机的角频率(弧度/秒)；

ρ表示体积电阻系数(Ω·cm)；

A表示电极面积(cm²)；

ε₀表示电气介电常数(F/cm)。

16.如权利要求14所述的可去除部件，其中所述台布包括具有明确的电容性电抗的介电材料层，所述层接触并覆盖单独导电元件。

17.如权利要求14所述的部件，其中所述台布包括具有明确的电容性电抗的介电材料层，所述层接触并覆盖单独导电元件。

18.如权利要求14所述的部件，其中所述台布可去除地耦合到导电元件。

19.一种作为电外科电极的一部分来使用的可去除部件，该电外科电极包括可去除部件和单独导电元件，该单独导电元件具有电导线连接到电外科发电机，该可去除部件包括：

台布，当所述台布材料与单独导电元件的至少一部分相接触时，所述台布材料用于基本上覆盖着单独导电元件病具有等于或大于约4,000Ω·cm的有效体积阻抗。

20.如权利要求19所述的可去除部件，其中单独导电元件是桌子。

21.如权利要求19所述的可去除部件，其中单独导电元件是椅子。

22.如权利要求19所述的可去除部件，其中台布包括保护性凸缘。

23.如权利要求19所述的可去除部件，其中台布包围着单独导电元件。

24.如权利要求19所述的可去除部件，其中台布具有封袋的形式，用以包围单独导电元件。

25.如权利要求19所述的可去除部件，其中台布形式上与单独导电元件相配。

26.一种可去除半绝缘部件，包括与单独导电元件一起用作电外科回流电极的台布材料，其中单独的导电元件被电耦合到电外科发电机，并且其中当所述台布材料基本上与单独导电元件的至少一部分相接触时，台布材料具有的有效阻抗等于或大于约4,000Ω·cm。

27.一种电外科回流电极，它基本具有自限制属性，该电极包括：

导电元件；以及

可去除地耦合到导电元件的半绝缘部件，其中导电元件和半绝缘部件一起具有的阻抗等于或大于约4,000Ω·cm。

28.如权利要求27所述的电外科回流电极，进一步包括支持病人的装置。

29.如权利要求27所述的电外科回流电极，其中半绝缘部件用于基本上接触并基本上覆盖导电元件的表面。

30.如权利要求27所述的电外科回流电极，进一步包括用于在导电元件和电外科发电机之间提供电气连接的连接装置。

31.如权利要求27所述的电外科回流电极，其中一袖筒包围着导电元件。

32.如权利要求31所述的电外科回流电极，其中袖筒形式上与导电元件相配。

33.如权利要求27所述的电外科回流电极，其中半绝缘部件包括内部适配装置，用于容纳单独导电元件。

Images