Elektrochirurgie

1. Geschichte

Gewebetrauma

ElektrochirurgieBei jeder Operation sollte das Gewebetrauma minimiert werden. Dazu wäre es günstig, wenn das gesamte Gewebe nur scharf mit dem Skalpell oder der Schere durchtrennt wird, denn dabei wird das benachbarte Gewebe nicht beschädigt. Dieses Vorgehen würde aber zu vielen kleinen Blutungen führen, die den Blutverlust bei der Operation unnötig erhöhen und die weitere Präparation erschweren, weil die Schichten nicht mehr so gut zu erkennen sind. Man kann zwar darauf vertrauen, dass sich kleine Gefäße kontrahieren und bei einer normalen Gerinnung die Blutung spontan aufhört, aber mittelgroße Gefäße würden munter weiter bluten.

Elektrochirurgie

In der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts wurde die Elektrochirurgie eingeführt, bei der der Effekt eines elektrischen Stromes auf das Gewebe genutzt wird. Hierbei wird ein hochfrequenter Strom von 300 bis 500 kHz verwendet, weil er die Nerven oder andere Rezeptoren nicht anregt und auch keine Muskelaktivitäten bzw. Tetanie auslöst. Von dem amerikanischen Chirurgen George A. Wyeth 1923 angeregt, kombinierte der Harvard-Physiker William Bovie 1926 zwei Generatoren, die jeweils einen Strom zum Schneiden (gelbe Taste) und einen zum Koagulieren (blaue Taste) erzeugten. Die Ingenieure fanden damals heraus, das eine Sinusschwingung mit geringer Spannung und hoher Stromstärke das Gewebe leicht durchtrennt, während eine sehr stark gedämpfte Schwingung mit kurzen Unterbrechungen, mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke das Gewebe koaguliert. Nachdem sich die Elektrochirurgie als sehr hilfreiches Instrument erwiesen hatte, wurde sie kontinuierlich weiterentwickelt, so dass man heute mit ihrer Hilfe komplexe chirurgische Tätigkeiten ausüben kann. Um die Elektrochirurgie in der Praxis optimal einzusetzen, sollte die Wirkungsweise des elektrischen Stromes auf das Gewebe bekannt sein.

An dem elektrochirurgischen Instrumentarium existiert auch heute noch eine gelbe und blaue Taste. Das bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass mit der blauen Taste koaguliert wird und mit der gelben geschnitten. Je nachdem wie der Generator eingestellt wurde, kann mit der gelben Taste auch koaguliert und mit der blauen Taste geschnitten werden.

 
2. Grundlagen

Thermische Energie

ElektrochirurgieBei der elektrochirurgischen Anwendung wird die elektrische Energie beim Durchfließen des Gewebes in thermische Energie umgewandelt. Das Gewebe erhitzt sich, wobei die erzeugte Temperatur das Ausmaß der Gewebeschädigung definiert. Bei Temperaturen im Bereich 50 bis 60 °C sind die Schädigungen makroskopisch nicht sichtbar, sondern nur histologisch. Bereits bei dieser geringen Temperatur wird der Metabolismus der Zellen irreversibel geschädigt. Erst bei einer Temperaturerhöhung auf 60 bis 80 °C verfärbt sich das Gewebe durch die Denaturierung der Proteine weißlich. Es trocknet und schrumpft. Bei Temperaturen über 100 °C kocht das Wasser in den Zellen, Wasserdampf entwickelt sich und die Zellen platzen durch den erhöhten intrazellulären Druck. Die Temperatur steigt bei weiterer Energiezuführung sehr rasch auf über 200 °C an. Das Gewebe beginnt zu verbrennen und verkohlt. Es entsteht Rauch.

Nähte

Effekt der Wärmeentwicklung auf das Gewebe

Wärmeentwicklung

Aber nicht nur die absolute Menge an elektrischer Energie beeinflusst die Gewebeschädigung, sondern auch in welchem Zeitintervall sie appliziert wird. Wenn die Wärme sich sehr schnell entwickelt, dann steigt die Temperatur extrem rasch im Gewebe an und zerstört es. Das Gewebe verdunstet oder verkohlt. Wird dieselbe Wärmemenge dem Gewebe langsamer zugeführt, dann breitet sie sich weiter in die Umgebung aus, so dass die Temperatur im Gewebe nicht ganz so hoch ansteigt. Statt der vollständigen Zerstörung einer kleinen oberflächlichen Gewebemenge wird jetzt eine größere Gewebemenge erwärmt. Wenn sich die Wärme in die Tiefe ausbreiten soll, um das Gewebe dort zu koagulieren, dann darf die nötige Energie also nicht zu schnell appliziert werden.

Gewebeeffekt

Der Gewebeeffekt lässt sich durch folgende Faktoren kontrollieren: die applizierte elektrische Energiemenge pro Zeit bzw. Leistung [W], die Elektrodenform, die Modulation des elektrischen Stromes (Spannung, Stromstärke, Schwingung) und die Art der Applikation (monopolar oder bipolar).

Energiemenge

Die entwickelte Wärme hängt primär von der Menge der elektrischen Energie ab, die durch das Gewebe fließt. Die elektrische Energieabgabe des Generators pro Zeit wird als Leistung bezeichnet und in Watt angegeben. Diese Ausgangsleistung des Generators wird individuell eingestellt (z. B. 40 Watt). Ist die klinische Wirkung des elektrischen Stromes auf das Gewebe unzureichend, dann sollte die Leistung des Generators erhöht werden (z. B. 50 Watt). Nun wird mehr Energie pro Zeit abgegeben, so dass sich die Temperatur im Gewebe schneller erhöht und das Gewebe rascher verkocht bzw. verkohlt. Mit der Einstellung der Leistung kann der gewünschte Effekt grob eingestellt werden. Allerdings sollte berücksichtigt werden, dass mit der höheren Energieabgabe auch die Wärmeentwicklung im Gewebe beschleunigt wird, so dass das Gewebe eher verdampfen oder verkohlen kann, bevor die erwünschte Tiefenwirkung eingetreten ist. Da eine Koagulation nur bei Temperaturen unter 100 °C eintritt, darf das zu koagulierende Gewebe nicht zu schnell erhitzt werden. Bei einer zu starken Temperaturerhöhung würde das Gewebe zerstört und nicht koaguliert. Dadurch würde letztlich keine Blutstillung erreicht werden. Wird die Energieabgabe des Generators vermindert, dann ist unter Umständen gar kein Gewebeeffekt mehr festzustellen, weil die geringe Energie nur wenig Wärme bildet, die kontinuierlich mit dem Blut abtransportiert wird. Dies trifft besonders bei sehr gut durchblutetem Gewebe zu, welches die Wärme besonders gut leitet. In diesen Fällen ist die Energieabgabe zu erhöhen, um einen Effekt zu erzielen.

Elektrodenform

Die entwickelte thermische Energie hängt vom Fluss der Ladungen durch das Gewebe ab. Wird die Stromdichte erhöht, indem derselbe Strom über eine kleinere Elektrode fließt, dann erhöht sich an dieser Stelle auch die thermische Energie. Wenn mit einer normalen Messerelektrode operiert wird, dann werden mit der Spitze, der Schneide oder der breiten Fläche unterschiedliche Effekte erzielt, obgleich dieselbe Energiemenge appliziert wird. Mit der Spitze kann das Gewebe leicht durchtrennt werden, weil die Stromdichte an diesem Punkt sehr hoch ist. Mit der Schneide würde das Gewebe eher koaguliert werden. Wird die breite Seite verwendet, dann tritt möglicherweise gar kein Effekt auf, weil die geringe Stromdichte nur wenig thermische Energie produziert, die direkt abgeleitet wird. Die Elektrodenkonfiguration bestimmt somit über die Stromdichte an der Elektrode wesentlich den Gewebeeffekt.

Neutralelektrode

Das ist auch der Grund, warum an der Neutralelektrode, die breitflächig den Strom ableitet, die Haut nicht verbrennt. Die Stromdichte ist hier sehr gering. Liegt die Neutralelektrode aber nur an einer kleinen Stelle an, dann reicht die Stromdichte aus, um eine Verbrennung auszulösen. Obgleich die modernen Geräte alle über Warnhinweise verfügen, wenn Probleme mit der Neutralelektrode auftreten, sollte die Neutralelektrode unbedingt gemäß der Gebrauchsanweisung sorgfältig aufgeklebt werden, um Verbrennungen zu vermeiden. Die Neutralelektrode sollte möglichst nahe des Operationsgebietes auf gut leitendem Gewebe (z.B. Muskulatur) platziert werden. Der Strom sollte in Längsrichtung und nicht quer zur Körperachse fließen. Ein Stromfluss quer durch den Thorax oder in der Nähe von Schrittmachern sollte unbedingt vermieden werden. Einige Schrittmacher müssen kurz vor der Operationen ausgestellt werden. 

 
3. Modulation

Strommodulation

ElektrochirurgieNeben der applizierten Energiemenge und der Elektrodenform wird der Effekt im Gewebe auch von der Modulation des Stromes bestimmt. Während man bei den ersten Generatoren nur zwischen Schneiden und Koagulieren unterschied, kann der Strom heute beliebig moduliert werden, wobei es drei Hauptmodulationen gibt: Koagulieren, Schneiden und Fulgurieren.

Koagulieren

Koagulieren ist ein Modus, indem die Elektrode fest an dem Gewebe liegt und das Gewebe zunehmend erhitzt, bis eine weiße Koagulation eintritt. Eine langsame weitere Erwärmung dehnt die Koagulationszone soweit aus, bis an den Rändern die zugefügte Wärme abgeleitet wird und sich das Gewebe nicht mehr verändert. Ist die Energieabgabe hoch, dann koaguliert das Gewebe in der Nähe der Elektrode sehr rasch. Die weiter zugeführte Energie wird dann nicht so schnell in das umgebende Gewebe transportiert, sondern erhöht die Temperatur nahe der Elektrode weiter. Das Gewebe verdampft und verkohlt. Wenn das Gewebe bei der Koagulation also zu schnell verkohlt und eine ausreichende Koagulation des umgebenden Gewebes nicht erreicht wird, dann ist die Energieabgabe des Generators zu hoch. Wenn überhaupt keine Koagulation entsteht, dann ist die Energieabgabe zu gering und die Energie wird zu schnell abgeleitet. Da bei der Koagulation die Elektrode fest im Kontakt mit dem Gewebe ist, verklebt das ausgetrocknete Gewebe häufig mit der Elektrode, so dass ein Teil der koagulierten Fläche beim Entfernen der Elektrode abgezogen wird.

Nähte

Effekt der verschiedenen Modulationen auf das Gewebe

Schneiden

Beim Schneiden und Fulgurieren berührt die Elektrode das Gewebe nicht. Der Generator produziert eine höhere Spannung, so dass an der Elektrode kleine (10 µm) Funken auftreten, die eine Temperatur von 4000 °C aufweisen. Aufgrund dieser extrem heißen Funken werden die einzelnen Zellen so schnell erhitzt, dass sie platzen, ohne dass die Elektrode das Gewebe berührt. Beim Schneiden gleitet die Elektrode quasi wie ein Skalpell durch das Gewebe, weil das Gewebe in der Nähe der Elektrode einfach evaporiert. Die Zellen verdampfen so schnell, dass die Wärme sich nicht auf das benachbarte Gewebe übertragen kann, sondern mit der verdampften Luft entweicht. Die Wirkung auf das Gewebe ist lediglich auf einige Zellschichten begrenzt. Eine begleitende Koagulation der Wundränder bleibt somit beim puren Schneidemodus aus. Der Schneidestrom lässt sich aber so modulieren bzw. „blenden“, dass auch die Wundränder in geringem Maße koaguliert werden.

Fulgurieren

Auch bei der Fulguration des Gewebes entstehen Funken an der Elektrode wie beim Schneiden. Allerdings sind diese Funken einige Millimeter lang. Durch die hohe Temperatur der Funken wird das Gewebe sofort zerstört und verkohlt. Die Wärme wird nicht in tiefere Schichten fortgeleitet, so dass diese Methode lediglich zur oberflächlichen Behandlung geeignet ist und nicht zur tiefen Koagulation. Da bei der Fulguration sehr hohe Temperaturen auftreten, verglühen spitze Elektroden rasch, so dass größere Elektroden wie eine Kugelelektrode verwendet werden sollten. Das Gewebe wird bei der Fulguration wie beim Schneiden nicht berührt, sondern die Elektrode wird in einigen Millimetern Distanz zum Gewebe gehalten. Zum Funkenübersprung von der Elektrode durch die schlecht leitende Luft zum Gewebe sind relativ hohe Stromspannungen erforderlich. Es gibt insgesamt nur wenig Anwendungsgebiete für die Fulguration. Oberflächliche Tumoren können damit zerstört oder großflächige Blutungen aus multiplen kleinen Gefäßen gestillt werden, wie sie bei Operationen an der Leber oder Milz auftreten.

Argon-Beamer

Um die Fulguration zu erleichtern, wurde der Argon-Beamer entwickelt. Hierbei strömt Argongas an der Spitze des Instrumentes aus. Durch das Argongas wird der elektrische Strom sehr viel besser geleitet als durch die Luft, so dass mit dem gerichteten Gasstrahl genau der Ort der Fulguration festgelegt werden kann.

Mono- oder bipolarer Strom

Bei jeder elektrochirurgischen Anwendung wird zwischen mono- und bipolarem Strom unterschieden. Fulguration und Schneiden sind nur mit monopolarem Strom möglich, während die Koagulation mit bi- oder monopolarem Strom erreicht werden kann. Bei monopolarem Strom fließt der Strom von der stromführenden aktiven Elektrode des Instrumentes durch den Körper des Patienten zur ableitenden Neutralelektrode. Beim bipolaren Strom fließt der Strom nur zwischen den beiden aktiven Elektroden des Instrumentes durch das Gewebe. Dadurch ist der Gewebeeffekt beim bipolaren Strom sehr genau begrenzt und unabsichtliche Effekte werden verhindert, die beim Durchströmen durch den Organismus auftreten könnten.

Gewebeversiegelung

Gegenwärtig ist ein bipolares Instrument[B1] (Ligasure®, Covidien) verfügbar, das den Gewebeeffekt elektronisch kontrolliert. Es handelt sich dabei um eine bipolare Klemme, mit der das Gewebe mit einem definierten Druck zusammengepresst wird. Über einen speziellen Generator wird ein Koagulationsstrom appliziert und gleichzeitig der Widerstand im Gewebe gemessen. Im normalen Gewebe hängt der Gewebewiderstand vom Flüssigkeits- und Elektrolytgehalt ab, wobei z. B. Knochen einen sehr hohen Widerstand (ca. 1000 W/cm) und Blut nur einen geringen (ca. 30 W/cm) aufweisen. Während der Koagulation steigt der Widerstand von 200–300 W/cm auf bis zu 3000 W/cm an, weil das Gewebe zunehmend austrocknet. Das Gerät erkennt am Widerstand die adäquate Koagulation bzw. Gewebeversiegelung des Gewebes und schaltet sich automatisch aus. Mit dieser Technik, die sich sowohl in der konventionellen als auch in der laparoskopischen Chirurgie bewährt hat, können Gefäße bis zu einem Durchmesser von fünf bis sieben Millimeter sicher ligiert werden, wenn man den Strom auf jeder Seite einmal anwendet und die Gewebebrücke in der Mitte durchtrennt. Mit diesem Instrument kann eine Gastrektomie ohne jegliche Ligatur vorgenommen werden.

 
4. Praxis

ElektrochirurgieEs gibt keine optimale Einstellung des elektrischen Generators und keine optimale Elektrodenform für alle Situationen. Für die allgemeine Routine hat sich die Messerelektrode bewährt. Mit der Spitze der Elektrode wird das Gewebe durchtrennt und mit der größeren seitlichen Fläche koaguliert. Dazu wird ein Koagulationsstrom gewählt. Der Generator wird dazu so eingestellt, dass an der Spitze der Elektrode die Stromdichte so hoch ist, dass kleine Funken auftreten und das Gewebe durchtrennt wird. Wenn in dem Gewebe kleine Gefäße sind, dann werden sie mit der Messerschneide der Elektrode koaguliert und das Gewebe zugleich durchtrennt. Bei Gefäßen mit einem Durchmesser von ein bis zwei Millimetern wird das Gewebe mit der Pinzette gefasst und koaguliert.

Argon-Beamer

Wenn eine großflächige Blutung fulguriert werden soll, dann sollte der Argon-Beamer verwendet werden. Ist dieser nicht verfügbar, dann wird der Koagulationsmodus auf „Spray“ gesetzt und die Leistung des Generators erhöht. Mit einer Kugelelektrode wird das Gewebe fulguriert. Die Elektrode sollte das Gewebe dabei nicht berühren, denn die Elektrode wird sich sonst am Gewebe festbrennen. Besser ist hierzu der Argon-Beamer, der bereits bei einem Abstand von einem Zentimeter zum Gewebe „zündet“ und eine kontrollierte Fulguration ermöglicht. Die Fulguration führt nicht zu einer tiefen Blutstillung, sondern nur zu einer oberflächlichen Verkohlung. Es bildet sich eine harte Kruste, die den blutenden Gefäßen einen gewissen Widerstand bietet. Die Spitze des Argon-Beamer sollte niemals in das Gewebe gehalten werden, weil das Gas mit einem hohen Druck in das Gewebe geblasen wird.

Weiße Koagulation

Manchmal soll das Gewebe mehr in der Tiefe koaguliert und wenig Gewebe verkohlt oder evaporiert werden. Dazu sollte der Koagulationsmodus „Soft“ oder „Dessicate“ eingestellt werden, der primär eine weiße Koagulation erzeugt. Als sehr günstig hat sich dieser Modus bei oberflächlichen Blutungen aus parenchymatösen Organen erwiesen. Dieser Modus wird auch verwendet, wenn bei einer Leberresektion die kleinen Gefäße koaguliert werden sollen. Dieser Modus ist günstiger als der Fulgurationsmodus, weil das Gewebe nicht so schnell zerstört wird. Gerade kleine und verletzliche Gefäße werden damit gut koaguliert.

Laparoskopische Chirurgie

Bei laparoskopischen Operationen wird ein Koagulationsstrom für das Schneiden und Koagulieren eingesetzt. Der Effekt an der Elektrode kann zusätzlich moduliert werden, indem hintereinander nur sehr kurze Stromstöße appliziert werden. Dadurch kann sich die thermische Energie langsamer in die Tiefe ausbreiten und das Gewebe koaguliert, ohne dass das Gewebe verkohlt.

Gefahren

Vor monopolarem Strom wird in der laparoskopischen Chirurgie gewarnt, weil der Stromfluss nicht so genau zu kontrollieren sein soll wie in der konventionellen Chirurgie. Über unbemerkte Koagulationen benachbarter Darmabschnitte wurde berichtet. Dieses Risiko ist nach persönlicher Meinung bei adäquatem Gebrauch und normaler Umsicht nur geringgradig höher. Allerdings sollten die verwendeten Instrumente gut isoliert sein. Ist an kritischen Stellen eine Koagulation erforderlich, dann wird bipolarer Strom verwendet. Bei Blutungen aus dem großen Netz oder mittelgroßen Gefäßen hat sich ebenfalls der bipolare Strom als sehr günstig erwiesen. Mit dem laparoskopischen bipolaren Instrument, das mit einer Schneide kombiniert wurde (Atlas®, Covidien) wird die blutstillende Durchtrennung des Gewebes zusätzlich erleichtert.

 
5. Ultraschalldissektor

Ultraschalldissektor

ElektrochirurgieZusätzlich zu den elektrochirurgischen[B2] Instrumenten werden auch andere Energiequellen wie Licht oder Ultraschall in der Chirurgie eingesetzt. Am bedeutendsten in der Viszeralchirurgie ist sicherlich das sogenannte Ultraschallmesser (Harmonic Ace™ [Ultracision], Ethicon). Es handelt sich dabei um einen Metallstab, der in eine sehr hochfrequente Schwingung von 50000 Hz versetzt wird. Wenn das Gewebe mit diesem Metallstab berührt wird, dann wird die mechanische in thermische Energie transformiert. Da die Temperaturentwicklung nicht so hoch ist wie bei der Applikation elektrischer Energie, wird das Gewebe nicht evaporiert oder verkohlt, sondern nur koaguliert. Sehr häufig wird eine Art Klemme bzw. Schere eingesetzt, bei der zunächst die Energie zur Koagulation appliziert wird, und dann das Gewebe durchtrennt wird. Gegenüber dem monopolaren Strom hat es den Vorteil, dass die Wirkung streng lokalisiert ist und nur wenig Wärme nach lateral dringt. Es ist aber nicht ganz so effektiv wie der elektrische Strom.