Charakterisierung der Argonplasma-Koagulation (APC)

6. Zusammenfassung
6. Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde die Argonplasma-Koagulation (APC), als eine medizinische
Plasmaapplikation für die chirurgische Gewebebehandlung untersucht. Für die Untersuchung
stand ein kommerziell erhältliches APC-System der Firma ERBE Elektromedizin GmbH,
bestehend aus dem elektrochirurgischen Generator ERBE VIO 300D, der
Gasversorgungseinheit APC-2-System und eine flexible APC-Sonde zur Verfügung.
Ziel dieser Arbeit war es, die bei der plasmainduzierten Gewebebehandlung entstehende
Gewebeschädigung hinsichtlich des Einflusses des Argonplasmas auf den Gewebeeffekt zu
untersuchen und Parameter zur Steuerung des resultierenden Gewebeeffekts zu finden. Hierzu
wurden verschiedene Verfahren in Kombination angewendet. Dabei kamen die optische
Emissionsspektroskopie, die Mikrofotografie, die numerische Simulation und die
Lichtmikroskopie zum Einsatz. Um die Zuverlässigkeit der Plasmacharakterisierung unter
APC-Bedingung zu erhöhen, wurden die genannten Verfahren durch Strommessungen
ergänzt.
Die Applikationen wurden auf Schweineniere als medizinisches Gewebemodell in einem
definierten Abstand von 2 mm des distalen APC-Sondenendes senkrecht zur
Gewebeoberfläche vorgenommen.
Zur Klärung des Entladungsprozesses bei APC-Anwendungen wurde zusätzlich die
Applikation auf einer metallischen Oberfläche unter sonst identischen Bedingungen
durchgeführt.
Bei der Untersuchung des Entladungsprozesses (Kapitel 5.1) konnte herausgefunden werden,
dass bei APC zwei unterschiedliche Entladungsformen vorliegen. Der APCEntladungsprozess ist stets von der positiven und der negativen auftretenden Spannungsphase
des applizierten Spannungspulses abhängig. Weiterhin ist der Entladungsprozesses für jeden
applizierten Spannungspuls identisch. Es stellte sich heraus, dass es sich bei der positiven
Spannungsphase um eine Funkenentladung handelt, die sich ausbildet nachdem ein kathodengerichteter Streamer den Spalt zwischen der aktiven Elektrode und der Gewebeoberfläche
überbrückt hat. Dabei ist ein intensiv leuchtender Plasmakanal zuerkennen, welcher durch die
zahlreichen Prozesse den Plasmakanal auf Tg > 1000 K heizt. Die Funkenentladung geht
während der positiven Phase in eine normale Glimmentladung über. Nach dem Wechsel der
Polarität des Spannungspulses, also in der negativen Spannungsphase, bildet sich ebenfalls
eine Glimmentladung jedoch mit negativem Glimmlicht auf der APC-Elektrode. Während
dieser Phase sind das Glimmlicht auf der APC-Elektrode und ein diffuser Plasmakanal
zwischen der APC-Elektrode und der Gewebeoberfläche zu erkennen. Dieser diffuse
Plasmakanal resultiert aus den Restteilchen des zuvor aufgeheizten Plasmakanals aus der
positiven Spannungsphase und trägt nicht zum Heizen des Plasmakanals bei. Nach
Beendigung der negativen Spannungsphase erlischt die Plasmaentladung und beginnt dann
gemäß dem beschriebenen Ablauf, sobald ein weiterer Spannungspuls auftritt, wieder von
vorn.
Für die Erkenntnis, dass während der positiven Spannungsphase ein intensiv leuchtender gut
abgegrenzter Plasmakanal aufgebaut wird, der stark geheizt wird, wurden für verschiedenen
Leistungs- und Gasflusseinstellungen am elektrochirurgischen Generator untersucht. Dazu
wurden die charakteristischen Plasmakenngrößen, wie Gastemperatur, elektrischer
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Plasmastrom, Plasmadurchmesser, Plasmadauer und die Plasmaparameter, wie
Elektronendichte, Elektronenverteilungsfunktion, reduziertes elektrisches Feld, sowie die
resultierenden Gewebeeffekte für eine drei sekündige Plasmaapplikation bestimmt. Dabei
stellte sich heraus, dass die im Experiment bestimmten Gastemperaturen (> 1000 K)
wesentlich höher liegen als die Temperaturen die für den experimentell ermittelten
Gewebeeffekt notwendig sind (~ 150 °C). Da am Gewebe ausschließlich eine leichte bis keine
Karbonisation zu erkennen war, die durch Temperaturen von ca. 150 °C hervorgerufen
werden, wurden sowohl Abschätzungen als auch numerische Simulationen mittels Comsol
Multiphysics® zur Erwärmung des Gewebes mittels eines heißen Gases (Kapitel 5.2.2.2) und
endogener Erhitzung (Kapitel 5.2.3.2) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Erwärmung des
Gewebes mittels der ermittelten Gastemperaturen nicht auf Temperaturen steigt, die zur
Karbonisation führen. Weiterhin zeigte sich, dass der resultierende Gewebeeffekt von der
endogenen Erwärmung des Gewebes herrührt. Aus der Simulation konnte geschlossen
werden, dass die Karbonisation der Gewebeoberfläche nur entstehen kann, wenn mehrere
Plasmakanäle die Gewebeoberfläche in einer Stelle kontaktieren. In Kapitel 5.2 wurde
festgestellt, dass der Gewebeeffekt von dem elektrischen Strom abhängig ist, durch den das
Gewebe endogen erhitzt wird.
Da bisher der Einfluss der Polarität der Spannungsphasen auf den resultierenden
Gewebeeffekt nicht untersucht wurde, schlossen sich Untersuchungen an, bei denen mittels
eines Zweiweggleichrichters Spannungsphasen gleicher Polarität zur plasmainduzierten
Gewebebehandlung benutzt wurden. Bei diesen Untersuchungen stellte sich heraus, dass sich
die ermittelten Plasmaparameter nicht von denen der Standard APC-Applikation aus dem
vorigen Versuchen (siehe Kapitel 5.2) unterscheiden. Es stellte sich heraus, dass die
charakteristische Kenngröße eines Plasmas, die Plasmadauer einen entscheidenden Einfluss
auf die resultierende Gewebeschädigung hat. Mit einer langen Plasmadauer im Bereich von
einigen hundert Nanosekunden bis wenigen Mikrosekunden lassen sich dabei
Vaporisationseffekte erzielen, wohingegen eine kurze Plasmadauer in einer ausschließlich
koagulierten Gewebeoberfläche resultieren kann.
Weiterhin wurde zur Verhinderung bzw. Reduktion der an der Gewebeoberfläche
makroskopisch sichtbaren Gewebeschädigung die APC-Applikation mit seitlicher
Wassernebelbeimischung zum Plasma untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das
beigefügte Wasser die Plasmaparameter beeinflusst. Durch die Dissoziation der
Wassermoleküle im elektrischen Feld und durch die Anlagerung von Elektronen an die
Wassermoleküle kommt es zur Bildung negativer Ionen im Plasma. Diese negativen Ionen
bewirken einerseits eine Reduktion der Elektronendichte und andererseits durch deren
Beschleunigung im elektrischen Feld führen diese zu zusätzlichen Kollisionen mit neutralen
Gasteilchen, wodurch das Plasma stärker geheizt wird. Durch das Auftreten der negativen
Ionen wird weiterhin das elektrische Feld stark erhöht. Der Einfluss von negativen Ionen
wurde anhand einer Untersuchung überprüft, bei der dem Arbeitsgasgemisch ArgonStickstoff in unterschiedlichen Konzentrationen Sauerstoff beigemischt wurde.
Bei der APC-Applikation mit seitlicher Wassernebelbeimischung stellte sich weiterhin
heraus, dass der ausbildende Plasmakanal während der positiven Spannungsphase vor dem
Erreichen der Gewebeoberfläche in viele kleine Plasmakanäle aufspaltet. Durch dieses
Aufspalten wird die Stromdichte der einzelnen Plasmakanäle herabgesetzt, wodurch die
punktuelle endogene Erhitzung des Gewebes durch den Plasmakanal sinkt. Mit dieser
Erkenntnis wurde ein weiterer Parameter gezeigt, mit dem der Grad der Gewebeschädigung
beeinflusst werden kann – die Stromdichte am Ort der Gewebeberührung.
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Zusätzlich konnte durch die Simulation der endogenen Gewebeerwärmung in wasserhaltiger
Umgebung der Kühlungseffekt der Gewebeoberfläche mittels Wasserbeimischung zur APCPlasmaanwendung bestätigt werden. Dabei zeigte das Experiment, dass eine gewisse Menge
an Wasser in das Plasma eingesprüht werden muss, um die Karbonisation der
Gewebeoberfläche zu vermeiden. Durch den Kühlungseffekt des eingebrachten Wassers, das
an der Gewebeoberfläche einen Wasserfilm bildet, kann die Erwärmung des Gewebes auf
karbonisationsinduzierende Temperaturen vermieden werden. Somit ist der Kühlungseffekt,
durch die eingebrachte Flüssigkeit ein weiterer Faktor, mit dem der resultierende
Gewebeeffekt gesteuert werden kann.
Anhand der hier gezeigten, beschriebenen und diskutierten Experimente konnten durch die
plasmatechnische Charakterisierung der APC-Applikation vier für den resultierenden
Gewebeeffekt bei einer APC-Behandlung beeinflussende Faktoren identifiziert werden:
1.
2.
3.
4.
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Die Stromdichte, die die Fläche mit der das Gewebe plasmabehandelt beschreibt,
die Plasmadauer, die die Dauer der Plasmabehandlung des Gewebes beschreibt,
der elektrische Strom, der zur endogenen Erhitzung des Gewebes führt, und
der Kühlungseffekt, mit dem eine Überhitzung des Gewebes mit sich anschließender
Karbonisation oder Vaporisation durch bspw. die Beigabe von Wasser vermieden
werden kann.