So lassen sich Touch-Displays in der HF-Chirurgie einsetzen

In der Elektrochirurgie, auch Diathermie genannt, wird hochfrequenter elektrischer Strom genutzt, um durch gezieltes Aufheizen Modifikationen am Gewebe zu bewirken. Besonders bei minimal-invasiven Eingriffen, bei denen das operierte Gewebe nicht direkt zugänglich ist, hat die HF-Chirurgie große Vorteile. Sie ermöglicht sauberes und zügiges Arbeiten, da sich Blutungen frisch getrennten Gewebes durch Koagulation schnell stillen lassen.

Hochfrequenter elektrischer Strom

Die elektrische Energie, die im Gewebe in Wärme umgesetzt wird, liefert ein Hochfrequenz-Generator. Je nach Anwendungsfall werden vielfältige Instrumente mit unterschiedlicher Ausbildung der Elektroden an den HF-Generator angeschlossen.

Die elektrische Energie wirkt auf das Gewebe. Je nach Intensität und Dauer kann sie damit zum Schneiden, Koagulieren (Stillen von Blutungen), Devitalisieren (Zerstören) von Gewebe oder zum Thermofusionieren (Versiegeln von Gefäßen) verwendet werden. Die lokale Erwärmung ist abhängig von der Impedanz des Gewebes, der Form der Elektrode und dem Querschnitt der Eintrittsstelle, der Höhe der HF-Leistung (mittlerer und Spitzenstrom) und der Einwirkdauer. Unterhalb von 40 °C wird das Gewebe nicht beeinflusst; die wirksamen Temperaturen beginnen bei 60 °C zur Devitalisierung von Zellen (z.B. Krebsgewebe). Schnitte werden mit 100 °C ausgeführt, und jenseits 150 °C wird das Gewebe karbonisiert und durch den Körper ausgeschieden.

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen monopolarem und bipolarem Betrieb, siehe Bild 1. Dies bezieht sich auf die Ausführung der Elektrode und das Spannungspotenzial, dem der Patient ausgesetzt wird.

Monopolar mit Masse

Die Einleitung der Hochfrequenz in den menschlichen Körper findet an einem Punkt über die Aktiv-Elektrode statt. Dort kann mit ihr ein punktueller Effekt wie ein Schnitt oder eine Koagulation bewirkt werden (siehe Bild 1 oben). Der Rückkanal verläuft über eine Neutral-Elektrode, die großflächig mit dem Körper, etwa am Rücken, verbunden ist. An ihr sind die auftretenden Ströme pro Flächeneinheit so gering, dass nur eine geringe und damit unschädliche Erwärmung auftritt.

Die bipolare Technik

Bei der bipolaren Technik verfügt die zur Behandlung verwendete Elektrode über zwei Pole, die mit Ausgang und Massepotenzial des Generators verbunden sind (siehe Bild 1 unten). Eine Neutral-Elektrode wird nicht benötigt. Der Effekt entsteht zwischen den beiden Polen, die z.B. in Form einer Pinzette ausgebildet sein können.

Spray-Koagulation – Monopolare Behandlungsform

Bei dieser (monopolaren) Behandlungsform wird die Koagulation über einen hochfrequenten Lichtbogen (Plasma) durchgeführt, der sich zwischen Elektrode und Gewebe ausbildet. Zur Bildung des Lichtbogens muss der Generator hohe Spannungen mit hoher Modulation ausgeben. Die Intensität und damit die Impedanz des Lichtbogens moduliert in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Elektrode und Gewebe und dem Zustand des Gewebes (von bereits koagulierten zu weniger koagulierten Stellen).

Aufgaben des Hochfrequenzgenerators

Die Aufgabe des HF-Generators besteht darin, die für die Operation nötigen elektrischen Signale an die Elektrode abzugeben. Es handelt sich dabei um eine Wechselspannung, denn Gleichspannung würde zur Elektrolyse im Gewebe führen. Die Frequenz dieser Spannung muss hoch genug sein, damit sie den sogenannten faradischen Effekt umgeht, bei dem Nerven und Muskelzellen durch elektrischen Strom gereizt werden und Muskeln wie bei einem Stromschlag am Lichtnetz ins Flimmern geraten können. Die untere Grenze hierfür liegt bei etwa 200 kHz. Der thermische Effekt entsteht durch die im Gewebe in Wärme umgesetzte Verlustleistung.

Die Höhe der Spannung variiert je nach Betriebsart zwischen ein paar Hundert Volt bis zu wenigen Kilovolt (in der Spitze). Die Anforderungen an die HF-Quelle sind also vielseitig und erfordern eine schnelle Ausregelung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Impedanz des Gewebes. Sie hängt vom Übergangswiderstand der Kontaktfläche, aber auch vom Zustand des Gewebes während der laufenden Behandlung ab. Als weiterer Faktor spielt die vom Operateur bestimmte Einwirkzeit eine Rolle, denn die thermische Energie bestimmt sich aus der Leistung und der Dauer. Typische Werte liegen bei monopolarem Schneiden bei über 300 kHz und bis zu 1 kV. Bei der monopolaren Spraykoagulation sind dies in der Spitze etwa 1 MHz und mehr als 4 kV. Die Leistung variiert dabei zwischen wenigen 10 W und 300 W.

Besonders bei der Spraykoagulation entsteht ein starkes Wechselfeld, das in der Amplitude moduliert ist, da der Generator nachregelt, um den Plasma-Lichtbogen mit konstanter Leistung zu erhalten.

Bild 2 zeigt die typischen Kurvenformen. Je nach Behandlung variieren Amplitude, Frequenz oder Puls/Pause-Verhältnis.

Das bietet die PCAP-Touch-Technologie für professionelle Geräte

Die PCAP-Touch-Technologie („Projected CAPacitive Touchscreen“) trat ihren Siegeszug in der Consumer-Elektronik an. Heute ist sie auch in professionellen Geräten die am weitesten verbreitete Touch-Technologie. Sie bietet durch die Integration hinter einem Deckglas Vorteile wie eine bündige, leicht mit allen gängigen Mitteln zu reinigende Oberfläche und ein attraktives Design mit Bedruckung und Hinterleuchtung der Frontplatte.

Gerade in der Medizintechnik profitieren Geräte mit Display von der Ergonomie eines Touchscreens, da Werte dort modifiziert werden können, wo sie auf dem Bildschirm dargestellt werden. Wenige Bereiche bleiben Domäne anderer Technologien, z.B. dort, wo es auf eine taktile Rückmeldung ankommt, oder bislang in der Umgebung starker elektrischer Störsignale.

Dank der immer weiter entwickelten Hard- und Software des Touchcontrollers können Störungen besser unterdrückt und erfasste Touchereignisse auf Plausibilität geprüft werden, sodass Betrieb und Bedienung immer sicher bleiben.

Komponenten eines Touchsystems

Das Touchsystem besteht aus zwei Komponenten: dem Touchsensor, der ein kapazitives Feld aufspannt, das durch die Berührung mit Fingern oder anderen Gegenständen beeinflusst wird, und dem Touchcontroller, der diese Berührungen auswertet. Die Auswertung findet durch sequenzielles Abtasten der Zeilen und Spalten statt. Dabei wird sowohl die Kapazität einzelner Elektrodenpaare („self capacitive“) als auch die Wechselwirkung benachbarter Elektroden („mutual capacitive“) ausgewertet.

Die Grundfunktionen sind: Erkennen eines Touch-Ereignisses („Touch“), Verschwinden eines Touch-Ereignisses („Release“) und die Erkennung von Gesten („swipe“, „zoom“, „pinch“). Dabei können je nach Einstellung auch mehrere Ereignisse gleichzeitig ausgewertet werden („Multi finger“ Touch und Gesten). Die auf dem Touchcontroller laufende Software deckt alle diese Funktionen ab.

Die Grundfunktionen können in weiten Grenzen parametriert werden, um die Funktion des Touchscreens an die gewünschte Bedienoberfläche und das elektrische Umfeld anzupassen. Dies wird auch als „Fine Tuning“ bezeichnet, bei dem über 50 Parameter in der Firmware eingestellt werden.

So wird ein PCAP sinnvoll verbaut

Bei der Integration in ein Gerät werden Display, Touchsensor und Deckglas miteinander verklebt und in das Gehäuse eingebaut. Die elektrische Anbindung an die Versorgung und besonders an die Masse (siehe Bild 4) des Systems muss unter EMV-Aspekten besonders beachtet werden. Details beschreibt das Hy-Line-Whitepaper „Integrationshinweise für ein PCAP-Design“. Der PCAP-Controller stellt im Kern die Grundfunktionen zur Auswertung von Touch-Ereignissen auf dem PCAP-Sensor zur Verfügung, deren Ergebnisse an das Hostsystem weitergegeben werden. Diese können vielseitig parametriert werden, um im finalen System eine optimale Funktion zu erzielen. Da das PCAP-Prinzip auf der Änderung kleinster Kapazitäten basiert, müssen alle Einflüsse, die das vom Sensor ausgehende elektrische Feld beeinflussen, berücksichtigt oder ausgeschaltet werden. Dies beginnt bei der Mechanik der umgebenden Frontplatte. Von elektrischer Seite aus sind dies Störfelder, die vom darunterliegenden Display ausgehen, aber auch Schaltnetzteile und vorbeiführende Leitungen zur Stromversorgung anderer Komponenten.

Touchcontroller auf die Betriebsart einstellen

Sind alle diese Einflüsse bekannt und eliminiert, kann der Touchcontroller auf die gewünschte Betriebsart eingestellt werden: Wie viele Berührungen soll er gleichzeitig erkennen (Mehrfingergesten) und wie sensitiv muss er sein, um z.B. auch Finger durch Handschuhe hindurch erkennen zu können? Wie dick ist das Deckglas? Kommen erschwerte Bedingungen durch Fremdkörper auf der Oberfläche hinzu wie z.B. eine feuchte Oberfläche, Wassertropfen, fließendes oder stehendes Wasser oder andere Flüssigkeiten?

Die Controller-Firmware wertet die gemessenen Ereignisse aus und prüft sie. Sind die Koordinaten plausibel und bleiben über mehrere Scan-Durchläufe hinweg präsent? Stimmt das Signal/Noise-Verhältnis? Muss die Betriebsart geändert werden, um zuverlässigere Werte zu bekommen, z.B. weniger Finger gleichzeitig, liegt eine Benetzung mit einer Flüssigkeit vor, oder ein Handballen auf dem Touchscreen? Ein hoher Aufwand wird betrieben, um statische Störungen durch z.B. die Generator-Grundfrequenz auszuschließen. Durch Ändern der Abtastrate und damit der Arbeitsfrequenz versucht der Controller, durch Überlagerung verursachte Interferenzen zu umgehen.

Auch das GUI kann einen Einfluss auf die einwandfreie Funktion haben; man möchte nicht Funktionstasten am Rand des Touchscreens haben, wenn sich dort stehendes Wasser stauen kann.

Einflüsse von Störsignalen auf einen nicht optimal abgestimmten Touchscreen

Bild 5 zeigt, welche Auswirkungen Störsignale auf einen nicht optimal abgestimmten Touchscreen haben können. Große Kreise geben ein Touch-Ereignis an, kleine Kreise markieren das Loslassen. Linien zeigen den Pfad der kontinuierlichen Berührung.

Auf dem Touchsensor wurden zwei parallele Linien gezeichnet. Von links nach rechts sind zu sehen:

• Ohne Störsignal: Berühren und Loslassen des Touchscreens funktionieren einwandfrei, die Koordinaten der Touch-Ereignisse werden korrekt erkannt.
• Mit zunehmender Intensität wird die Lokalisierung der Touch-Ereignisse schwieriger: Die erkannte Position weicht zum Teil deutlich von der realen ab. Berührungen und Loslassen werden einwandfrei erkannt.
• Bei weiter ansteigendem Störsignal kommt es zu stärkeren Abweichungen von der korrekten Position. Die gleichzeitige Präsenz mehrerer Touch-Ereignisse wird nicht sicher erkannt. Trotz Kontakt zwischen Finger und Touchscreen wird ein Loslassen detektiert und an das System gemeldet.
• Bei stärkstem Störsignal ist der Touchscreen praktisch komplett in seiner Funktion gestört: Berühren und Loslassen werden nicht mehr sicher erkannt, es treten ohne Berührung „Ghost“-Ereignisse (grün) auf, die Zuordnung der Finger zu den Koordinaten stimmt nicht mehr (rot und blau wechseln ab).

EMV-Herausforderung der HF-Chirurgie

Nicht nur der HF-Generator selbst, sondern auch alle in der unmittelbaren Umgebung befindlichen elektrischen Geräte wie z.B. Bedienmonitore, OP-Leuchten und Infusionspumpen sind den abgestrahlten Signalen ausgesetzt. Die Änderung des Stroms kann ungleichmäßig sein, sodass mit hohen Stromspitzen zu rechnen ist, die einen Einfluss auf das sich ergebende Feld haben. Im monopolaren Betrieb (siehe Bild 1) sind Hin- und Rückleitung voneinander getrennt. Damit wird ein Störfeld zwischen den beiden Leitungen aufgespannt. Im bipolaren Betrieb hingegen sind Hin- und Rückleiter in einem Kabel geführt, sodass auf beiden Leitern befindliche elektrische Störungen sich gegenseitig abschwächen. Besondere und breitbandige Störungen wirken bei der Spray-Koagulation auf die gesamte Elektronik und das Touchsystem ein. Unbeabsichtigte Störsignale können nicht nur auftreten, wenn die Elektrode den Touchsensor berührt, sondern auch, wenn das Kabel während der Operation in der Nähe des Touchsensors verläuft.

Entwurf und Überprüfung

Für die Feinabstimmung wird in einem Testaufbau im Labor die Umgebung durch Simulation nachgestellt. Die Störquelle ist ein Funktionsgenerator, der mit einem Metallstift und definiertem Abstand auf den Touchsensor einwirkt (siehe Bild 6). Signalform, Amplitude und Frequenz werden nacheinander modifiziert, um die Realität nachzubilden. Unter dem Einfluss des Störsignals wird der Touchscreen mit dem Finger bedient und die resultierenden Touch-Ereignisse ausgewertet. Die Einstellungen werden so lange optimiert, bis die Funktion der Spezifikation entspricht. Das Ergebnis muss dann am realen HF-Generator nur noch geringfügig justiert werden. (neu)