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[Electrosurgical unit setting - 원리부터 ERBE VIO 300D까지]


1. 왜 고주파 전류를 사용합니까?

고주파전류장치는 고주파를 이용하여 에너지를 전달하는 도구입니다.

일반 가정용 전기와 같은 50-60Hz로도 에너지를 전달할 수 있지만, 근육의 수축이 발생하므로 의료용으로 사용할 수 없습니다. 톰과 제리를 생각해 보세요!

고주파 전류에서는 근육수축이 발생하지 않습니다. 의료용으로 사용할 수 있다는 의미입니다. 1926년 William Bovie라는 biophysical engineer가 개발했습니다. Bovie 아시지요?


2. Cutting current와 coagulation current는 어떻게 다른가요?

의료용 고주파 전류는 duty cycle에 따라 cutting current와 coagulation current의 특성을 가질 수 있습니다. Duty cycle이란 전체 시간 중 전류가 흐르는 시간의 percent입니다. 100%에서는 pure cut 효과가, 6%에서는 pure coagulation 효과가 나옵니다. 그 중간 12-80%에서는 blended effect가 나옵니다 (Gastroinet Endosc 2003).

- Cutting (= incision): 고주파전류를 이용하여 높은 Joule heat를 지속적으로 가하면 세포내액 온도가 급속시 상승하며 steam explosion (spark)가 발생하여 조직이 잘립니다.

- Coagulation: Joule heat를 간헐적으로 올려서 세포내 및 세포간 액체의 온도를 천천히 올려서 탈수,건조 효과가 발생하면 조직이 응고됩니다.

[참고] 응고효과는 고주파 전류의 duty cycle을 낮추는 방법이 전통적입니다. 최근에는 constant voltage source에서 전압을 낮게 유지하면 응고효과를 낼 수 있습니다. VIO 300D의 soft coagulation이 좋은 예입니다.

[참고] ERBE ICC 200이나 300D를 사용하면 coagulation current를 이용한 cutting도 가능합니다. "ESUs are known to act differently above and below a borderline of 200 peak voltage (Vp). Because a spark is generated when more than 200 Vp is applied, an incision effect can be created even from the coagulation output when the current density is high and the contact area is narrow." 즉 knife를 이용하여 접촉면적을 작게 하면 높은 전압의 coagulation current로 cutting 효과를 볼 수 있다는 뜻입니다.


3. 과거에 사용하던 ESU


창고에서 쉬고 있는 오래된 ESU


4. 최초의 constant voltage source ERBE ICC 200

1) ERBE ICC 200은 어떤 종류의 고주파 발생장치입니까?

고주파 전류 발생장치는 constant power source와 constant voltage source의 두 종류로 나누어집니다.

- Constant power source generates a broad power curve and, as resistance rises, power stays constant by increasing the voltage.
- Constant voltage source keeps voltage constant when the resistance varies, thus, current and power increases when the resistance decreases, and current and power decreases when the resistance rises (AUTO CUT mode in ICC200)

과거에 사용하던 constant power source는 구조가 단순하지만 몇 가지 중요한 단점이 있습니다.
(1) 조직절개를 위해서는 spark가 필요하고 200V 이상의 높은 전압이 필요합니다.
(2) 일반적인 cutting mode에서는 출력이 일정하게 조절되므로 저항이 증가하면 전압도 높아집니다 (W= V2/R).
(3) 전류에 의하여 조직이 건조해지고 저항이 높아지면, 이에 따라서 전압이 높아지다가 200V 이상이 된 시점에서 방전이 되고 조직이 절개됩니다 (time lag).
(4) 일반적으로 조직의 저항은 일정하지 않으므로 전압도 불규칙하게 변하고, 그 결과 절개가 불안정합니다.

ERBE ICC 200(Auto Cut 모드)은 절개 도중 고감도 센서가 전류, 전압, 스파크 강도 등을 계속 감지하여 전압을 일정하게 제어하여 균일한 절개를 가능케 한 최초의 constant voltage source입니다.

ICC는 intelligent cutting and coagulation의 약자라고 합니다.


2) ERBE ICC 200의 Auto Cut 모드

ERBE ICC 200의 Auto Cut 모드가 constant voltage 모드입니다. 통전을 할 때마다 즉시 높은 전압의 전류가 흘러서 거의 동시에 spark가 발생하여 일정하고 깨끗한 절개를 할 수 있습니다. 전압조절을 위하여 effect를 변경합니다. Effect 1은 low voltage로 spark가 거의 없으므로 조직손상 없이 절개를 할 수 있지만 지혈능력은 minimal합니다. Effect 4는 high voltage로 spark가 강하고 지혈능력이 좋으나 조직손상이 심합니다. EMR이나 ESD를 할 때에는 보통 Effect 3를 많이 사용합니다.

ERBE ICC 200 Auto Cut의 Effect 버튼은 peak voltage를 조절합니다. Max Watt로 출력을 조절합니다. 출력 watt를 올리면 같은 Effect에서도 peak voltage가 약간 올라가면서 incision power와 coagulation power가 동시에 올라갑니다.


3) Endo Cut 모드

ERBE ICC 200에는 Endo Cut라는 획기적인 모드가 있어 인기가 있었습니다. 일정한 간격의 cutting 사이에 coagulation current가 자동으로 흘러주는 방식이었습니다. Endo Cut의 한 주기는 0.8초(Auto Cut 0.05 sec + Soft Coagulation 0.75 sec)입니다. 전압은 Effect로 출력은 Max Watt로 조절할 수 있지만 보다 섬세한 조절은 어려웠습니다. ERBE ICC 300D가 나오면서 cutting duration, cutting interval, baseline coagulation 강도 등 보다 섬세한 조절이 가능해졌습니다.


4) ERBE ICC 200의 응고 모드

ERBE ICC 200의 coagulation mode는 Soft와 Forced가 있습니다.

(1) Soft coagulation mode: gentle coagulation with minimal carbonization. 200 V 이하로 전압이 억제되기 때문에 spark가 발생하지 않고 조직의 온도가 80까지만 상승합니다. 비교적 굵은 혈관을 변성, 소실시킬 수 있습니다.

(2) Forced coagulation mode: hemostasis with relatively small-surface electrode like IT knife. 2650 V 이상의 전압이 걸리며 spark가 발생하여 조직이 한 순간에 건조 응고된다. Marking이나 미세혈관 절개에 사용된다


5) ERBE ICC 200을 사용한 ESD (IT knife)

1) Marking using needle knife: Forced Coag 20 W
2) Cutting: Endo Cut 80 W, Effect 3
- Partial precutting: needle knife
- Circumferential precutting: IT knife
- Submucossal dissection: IT knife
3) Bleeding control with IT knife: Forced 50W
4) Bleeding control with hot biopsy: Soft Coag 80W


5. 과도기적인 모델 - ERBE VIO 200D

ERBE ICC 200의 장점을 보완하고 몇 가지 기능을 더한 모델인데 잠시 나왔다가 VIO 300D로 교체되었습니다. 과도기적 모델이었다고 생각합니다. 현재 가지고 있는 곳이 많지 않습니다.

다양한 종류의 cutting mode가 추가되었습니다.


6. ERBE VIO 300D의 Endo Cut 모드에서 Effect, Cut duration, Cut interval은 무슨 의미입니까?

ERBE VIO 300D의 Endo Cut 모드의 모니터 화면은 아래와 같습니다. Effect는 coagulation 정도를, Cut duration은 incision width를, Cut interval은 incision speed를 조절합니다.


1) Endo Cut I와 Endo Cut Q

ERBE VIO 300D의 Endo Cut voltage는 과거보다 단순해졌습니다. Peak voltage를 섬세하게 조절하는 것을 포기하고 두 가지(550 V와 770 V)만 쓰는 것으로 단순화 되었습니다. Endo Cut I의 peak voltage는 550V, Endo Cut Q의 peak voltage는 770V입니다. 같은 Effect, Cut duration, Cut interval에서 Endo Cut Q가 Endo Cut I보다 에너지가 조금 강하다고 이해하면 되겠습니다.

Endo Cut I는 needle papillotome에 최적화된 것이고, Endo Cut Q는 snare에 최적화된 것입니다. 그러나 needle과 함께 Endo Cut Q를 사용할 수 있습니다. ESD (IT-2 knife)에서는 Endo Cut I를 쓰는 것이 표준이지만, 간혹 Endo Cut Q를 선택하는 전문가도 있습니다.

ESD 초보자는 Endo Cut I를 쓰고 ESD 숙련자는 보다 강력한 Endo Cut Q를 쓰면 좋다는 이야기도 있으나, 아주 숙련된 전문가도 Endo Cut I를 쓰는 경우가 많기 때문에 취향에 따라 선택된다고 보는 편이 좋겠습니다.


2) Endo Cut의 Initial incision phase란 무엇인가요?

저도 정확히 이해하지 못하는 내용인지라 ERBE 회사 브로셔에서 옮깁니다.

A cutting cycle will always begin with a short initial incision stage of varying duration. This serves to heat the tissue in the immediate vicinity of the electrosurgical snare endogenously within a few tenths of a second to > 100°C, leading to an initial coagulation (hemostasis) of the tissue prior to the actual cutting.

The duration of the initial cutting stage is mainly dependent on the diameter of the snare wire, diameter of the polyp, and the traction of the snare on the tissue it has grasped.

However, the initial cutting stage should be as short as possible to prevent deep coagulation at the base of the polyp. The quicker the cutting phase is arrived at, the more superficial the coagulated area will be. In the following illustrations the cutting cycle is simply depicted as a yellow bar.


3) Effect

Effect를 올리면 cutting 전류 사이의 절개 휴지기에 깔리는 coagulation 전류의 전압이 높아집니다 (0-400 V). Effect를 올리면 cutting 효과가 강해지는게 아니고 응고효과(= 지혈효과)가 강해집니다. Cutting이 안된다고 Effect를 올리면 cutting은 더욱 안됩니다. Effect는 보통 2 혹은 3을 선택합니다. Effect 4는 coagulation이 너무 강해서 조직손상이 심하기 때문에 거의 사용되지 않습니다.


4) Cut duration

Cut duration을 올리면 cutting 전류가 지속되는 시간이 길어집니다. 즉 cutting이 잘 됩니다. Endo Cut I에서는 8 - 32 millisecond까지, Endo Cut Q에서는 2-14 millisecond까지 조절됩니다. 같은 Cut duration에서 Endo Cut I보다 Endo Cut Q의 cutting 지속시간이 다소 짧습니다. Peak voltage가 더 높기 때문으로 추정됩니다.


5) Cut interval

Cut interval을 조절하면 cutting 전류 사이에 coagulation 전류가 깔리는 지속시간을 조절할 수 있습니다. 400 millisecond에서 1,840 millisecond까지 조절됩니다.

응고 정도는 주로 Effect setting에 영향을 받습니다. 응고 지속시간의 영향은 크지 않습니다. Cut interval이 길어진다고 응고 효과가 크게 증가하는 것은 아닙니다. Knife를 조작할 여유시간이 생긴다고 보는 편이 좋겠습니다.


6) 종합적인 효과

ERBE VIO 300D Endo Cut의 여러 변수를 조절할 때 나오는 효과를 간단히 그려보았습니다.

Cutting power를 올리려면 Cut duration을 올려서 cutting 전류 지속시간을 길게 합니다. Coagulation은 다소 낮춰야 (Effect를 낮추고 Cut interval을 짧게) cutting이 잘 됩니다.

저는 ESD (IT-2 knife)에서 Endo Cut I, Effect 3, Cut duration 3, Cut interval 3을 가장 많이 사용하고 있습니다. 조금 강한 cutting이 필요한 경우는 Endo Cut Q, Effect 3, Cut duration 3, Cut interval 3을 쓰기도 합니다.


7. ERBE 300D의 Forced Coag, Swift Coag, Dry Cut, Spray Coag, Soft Coag은 어떻게 다른가요?

Dry cut, Swift coagulation, Forced coagulation의 주된 차이는 duty cycle입니다. 이름에 coagulation이 쓰이기도 하고 cut가 쓰이기도 했지만 본질적으로 비슷하고 모두 cutting에 이용할 수 있는 높은 voltage를 제공하는 모드입니다. Spray coagulation은 noncontact 방법이고, Soft coagulation은 peak voltage가 낮아 cutting 효과가 전혀 없는 지혈 전용입니다.

1) Dry cut: duty cycle 30%, peak voltage 843 Vp (E4). 초보자는 사용하지 않는 것이 좋습니다. 다루기 어렵습니다. 너무 세다고나 할까요... Dry cut가 IT knife를 needle knife처럼 잘 잘리게 할 수 있는 마법 모드로 생각하는 사람이 있습니다. 그러나, 근층을 누르면 쉽게 천공이 생길 수 있으므로 세심한 주의가 필요합니다. 나이프를 근층에 대지 않도록 점막하층 중층까지만 유지하면서 적절한 통전 시간과 절개라인을 조절할 수 있는 시술자라면 빠르고 출혈이 적은 효율적인 절개가 가능합니다. 너무 위험합니다. 쓰지 않는 것이 상책이라고 생각합니다.

2) Swift coagulation: duty cycle 20%, peak voltage 990 Vp (E3). Dry cut에 비해 절개효과는 떨어지나 지혈능력이 우수합니다. 절개와 지혈목적 모두 사용이 가능하며, ESD에서 circumferential cutting이나 submucosal dissection에 가장 많이 사용되는 모드입니다. 연기가 적게 발생합니다.

3) Forced coagulation: duty cycle 10%, peak voltage 1430 Vp (E3). 기존 응고파에 가장 가까우며 높은 전압으로 빠른 응고를 유발합니다. 응고시간이 길어지면 조직이 탄화되고 knife에 달라 붙습니다. 최근 단순 지혈을 넘어서 ESD시 출혈이 심한 병변의 점막하박리 때 효과적인 모드로 사용되기도 합니다.

4) Soft Coagulation: Peak voltage (Vp)가 200 이하이므로 spark가 발생하지 않고 탈수,건조효과만 발생합니다. 응고가 진행되면 조직에 전류가 잘 흐르지 않아 조직이 달라 붙는 현상이 적습니다. Coagrasper (지혈겸자)에서 이용되는 기본적인 모드입니다.

5) Spray Coagulation: non-contact 방법입니다. 접촉하지 않고 공중 방전이 가능한 강력한 응고 모드입니다. 전기 스파크가 3 mm까지 발생하므로 응고 깊이가 얕습니다. 시술 후 넓은 범위의 미만성 출혈(diffuse hemorrhage)에 사용하면 좋습니다. 잔존 조직의 소작에도 사용할 수 있습니다. 연기가 많이 발생합니다. ESD에서는 변연부 marking에 사용할 수 있습니다.

Spray Coagulation은 achalasia의 내시경치료인 POEM에서 널리 사용되고 있습니다. 아래 그림은 http://www.achalasia-poem.net/에서 가져온 것입니다. 보시다시피 POEM의 mucosal tunneling에 Spray Coagulation Effect 2, 50 W가 추천되고 있습니다.


그림 source (이 그림의 Endo Cut setting은 조금 이상합니다. VIO 300D의 setting이 아니라 ICC200의 setting인 것 같습니다.)

[참고] ERBE VIO 300D에는 foot switch 큰 발판 사이에 작고 둥근 발판이 있습니다. 이를 누르면 Endo Cut 모드는 그대로 두고 응고모드만 변경할 수 있습니다. 자주 사용하는 응고모드 두개를 사전에 정해두고 서로 옮겨가면서 작업하면 편합니다.


8. Power Peak System (PPS)이란 무엇인가요?

일반적으로 절개가 시작될 때에는 조직의 전기 저항이 낮기 때문에 높은 전압이 필요한데, PPS는 절개 시작 시의 낮은 저항을 감지하여 단시간 내에 절개가 가능한 전압까지 출력을 증강하는 방법입니다. 시술자들이 ESD시 페달을 반복적으로 밟았다 떼었다 하면서 절개를 하는 것은 PPS의 특성을 이용한 것입니다 (이보인 강의록). 결국 페달을 밟은 직후가 가장 절개능이 높은 순간이 되도록 이미 설계된 것이므로 이를 이용하기 위하여 시술자들이 페달을 밟았다 떼었다 반복하는 것으로 생각됩니다.


9. Examples

1) Personal selection of VIO 300D modes for gastric ESD (이준행)

Marking (Dual knife)Spray Coag E1 30W
Forced Coag E2 W50
Pre and circumferential cutting (Dual knife +/- IT-2 knife)Endo Cut I E3 D3 I3
Endo Cut Q E3 D3 I3
Submucosal dissection (IT-2 knife or Dual knife)Swift Coag E3 80W
Endo Cut I E3 D3 I3
Endo Cut Q E3 D3 I3
Hemostasis (Coagrasper)Soft Coag E5 80W


2) 삼성서울병원 stomach ESD standard (김재준, 민병훈, 이혁)


3) 김도하 - 소화관 종양 내시경 치료술의 실제


4) 고주파발생장치 (일본어 단행본)


5) Gastic ESD by Morita at Kobe University (Gastrointest Endosc Clin N Am 2014)

- Marking: APC2 Forced APC, E1, 30 W, 1.0 L/min

- Precutting: Endo Cut I, effect 4, duration 2, interval 3

- Circumferential cutting: Endo Cut Q, effect 2, duration 3, interval 2

- Submucosal dissection using IT-2 knife: Forced coagulation effect 3, 100 W 또는 Swift coagulation effect 3, 100 W

- Hemostasis: Soft coagulation, effect 5, 100W


6) Esophageal ESD by Oyama (Gastrointest Endosc Clin N Am 2014)

- Marking with Hook and Dual knives: Soft coagulation, effect 4, 20 W

- Mucosal incision with backside of Hook knife: Endo Cut I, effect 3

- Circumferential cutting with arm part of Hook knife: combination of Spray coagulation (effect 2, 60W) and Endo Cut I (effect 3, duration 2, interval 2)

- Hemostasis using knife: Spray coagulation, effect 2, 60 W

- Hemostasis using forcep: Soft coagulation, effect 5, 40 W

* Tip: Because the esophagus has no serous membrane and the intramediastinal pressure is lower than that of the esophageal lumen, mediastinal emphysema may appear without perforation. Under intubation general anesthesia, the mediastinal pressure is higher than the intraesophageal pressure, enabling prevention of mediastinal emphysema and/or subcutaneous emphysema.


7) Esophageal ESD by Fujishiro at Toko University


8) Colonic ESD (고봉민, 제3회 강남세브란스 single topic symposium)

Mucosal incision (Dual knife)Dry Cut E2 30W
Mucosal incision (Hook knife)Endo Cut E2 D2 I2
Submucosal dissection (Dual knife)Swift Coag E4 30W
Submucosal dissection (Hook knife)Swift Coag E4 40W
Coagulation (Coagrasper)Soft Coag E5 50W


9) 동경암센터에서 2015년 발표한 논문(Suzuki H. WJG 2015)에 소개된 setting


10) Dr. Uedo (2016-7-17. 건국대심포지엄 live demonstration)

Marking (Dual knife)Forced Coag E2 25W
Mucosal incision (Dual knife)EndoCut E2 D3 I3
Submucosal dissection (IT-2 knife)Swift Coag E3 80W


10. ERBE 이외의 다른 회사 제품은?

Olympus ESG-100이라는 모델이 있습니다. ERBE VIO 300D보다 약간 낮은 사양의 모델같은데 APC 기능은 없습니다. 아직 써보지 못했습니다.

회사 카탈로그에 나온 세 가지 장점은 아래와 같습니다.

1) High Power Cut Support (HPCS)
- Enables cutting procedures without initial delays
- Leads to high effectiveness of cutting procedures

2) Fast Spark Monitor (FSM)
- Allows the application of output powers that are as low as possible and as much as necessary
- Reduces leakage currents, optimizes tissue effects and protects ET instruments

3) Leakage Protection Sensor (LPS)
- Permanently measures the leakage current to earth
- S-cord obsolete --> simpler handling and cost-savings
- Offers highest safety to user and patient


[Olympus ESG-100 사용 례]


[References]

1) 이보인. 점막하박리술에 필요한 절제나이프, 전기소작기구, 그리고 점막하 주입액

2) 문원. 전기수술기구와 이상적인 전류의 사용: 나의 비밀 레시피

3) 류지곤. Electrosurgical Unit 이용 (2004, 내시경세미나)

4) 장진석. 점막하박리기법 (2011. EndoFEST)

5) Matsui. A technical review

6) Fujishiro. ESD for esophageal squamous cell neoplasm

7) ASGE technology evaluation report

8) ESGE guideline

9) ERBE 회사 브로셔 - 주로 Endo Cut Q에 대한 설명

10) Morita. lectrocautery for ESD: settings of the electrical surgical unit VIO300D

© 일원내시경교실 바른내시경연구소 이준행. EndoTODAY Endoscopy Learning Center. Lee Jun Haeng.