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Die Erfindung betrifft ein Skalpell, umfassend einen Aktor, insbesondere Piezo-Aktor, mit dem eine Skalpellklinge zu einer schwingenden Bewegung anregbar ist.
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Im Stand der Technik sind allgemein Skalpells bekannt, die eine sehr scharfe Klinge aufweisen und beispielsweise in der Chirurgie für Operationen verwendet werden. Das Einsatzgebiet eines solchen Skalpells ist jedoch nicht ausschließlich auf den medizinischen Bereich beschränkt, sondern es sind auch andere Anwendungen denkbar, in denen von der hervorragenden Schärfe eines solchen Skalpells Gebrauch gemacht wird.
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Es ist weiterhin im Stand der Technik bekannt geworden, die Skalpellklinge zu einer schwingenden Bewegung anzuregen mit einem dafür vorgesehenen Aktor. Als Aktor können beispielsweise Piezo-Aktoren eingesetzt werden, mit denen Bewegungen einer Skalpellklinge im Nanometer- oder Mikrometerbereich erzielt werden können. Die aktive Bewegung einer solchen Skalpellklinge unterstützt den Schnittvorgang, den eine Person mit einem solchen Skalpell durchführt.
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Sofern mit einem solchen Antrieb eine schwingende Bewegung erzielt wird, deren Schwingungsfrequenz oberhalb des menschlichen Hörvermögens, also insbesondere größer 16 Kilohertz liegt, wird ein solches Skalpell oftmals auch als Ultraschallskalpell bezeichnet.
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Als nachteilig wird bei dem bislang im Stand der Technik bekannten Skalpellen empfunden, dass diese in der automatisierten schwingenden Bewegung mittels eines Aktors oftmals lediglich linear hin- und zurückbewegt werden, d. h. eine Bewegung im Wesentlichen in Schneidenlängsrichtung ausführen oder dass alternativ eine Skalpellklinge zu einer eher hackenden Bewegung angeregt ist, bei welcher die Schneide eine Bewegung senkrecht zur Schneidenlängserstreckung durchführt.
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Optimale Schnittergebnisse werden jedoch im Wesentlichen dann erreicht, wenn eine Klinge eines Skalpells oder auch allgemein eines jeglichen Messers ein aus beiden vorgenannten Bewegungsrichtungen überlagerte Bewegung durchführt, in der also eine Skalpellklinge im Wesentlichen eine taumelnde Bewegung durchführt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Skalpell der eingangs genannten Art, bei dem eine Skalpellklinge mit einem Aktor zu einer schwingenden Bewegung anregbar ist, derart weiterzubilden, dass die Skalpellklinge eine solche zuvor genannte Bewegung, insbesondere eine solche in zwei Freiheitsgraden, ausführen kann. Ein solches Skalpell soll dabei bevorzugt konstruktiv einfach ausgestaltet sein und kostengünstig herstellbar sein, insbesondere mit lediglich einem einzigen Aktor betreibbar sein.
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Unter einer schwingenden Bewegung wird dabei jede periodische Bewegung der Klinge verstanden unabhängig von der konkreten Bewegungsbahn, welche die Klinge vollzieht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Skalpellklinge und eine von dem Aktor angetriebene Masse mittels wenigstens zwei Federelementen miteinander verbunden sind.
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Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, dass durch eine solche Ausbildung ein Zwei-Massen-Schwingsystem aus der Masse der Skalpellklinge und der genannten angetriebenen Masse ausgebildet wird, das aufgrund der Verwendung von zwei Federelementen zwischen den schwingenden Massen zur selben Zeit zu mehr als nur einer einzigen Schwingungsmode anregbar ist.
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Es kann daher mit dem erfindungsgemäßen Skalpell aufgrund der verwendeten wenigstens zwei Federelementen eine Schwingung der Skalpellklinge hervorgerufen werden, die sich aus einer Überlagerung zweier einzelner möglicher Schwingungsmoden ergibt. Eine solche Überlagerung ist bevorzugt derart, dass die Skalpellklinge die zuvor genannte taumelnde Bewegung, d. h. eine Bewegung innerhalb der Ebene des Skalpells, mit wenigstens zwei Freiheitsgraden ausführt. Die Bewegungen der Skalpellklinge in den wenigstens zwei möglichen Schwingungsmoden sind somit nicht identisch, sondern verschieden.
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Dabei können z. B. die überlagerten Bewegungen der Skalpellklinge zwei unter einem Winkel, z. B. unter einem rechten Winkel, stehende lineare Bewegungen des Skalpellklinge sein, ebenso wie die Überlagerung einer linearen Skalpellklingenbewegung mit einer rotierenden Bewegung, bei welcher die Skalpellklinge um eine Normale seiner Klingenebene rotiert.
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Das Auftreten von wenigstens zwei verschiedenen Schwingungsmoden, die bei dem erfindungsgemäßen Skalpell überlagerbar sind, kann bevorzugt dadurch unterstützt werden, dass die wenigstens zwei Federelemente, die bei dem erfindungsgemäßen Skalpell eingesetzt werden, bewusst mit unterschiedlichen Federeigenschaften, insbesondere Federkonstanten gewählt werden. In einem solchen Fall kann beispielsweise ganz gezielt auswählbar sein, welche möglichen Schwingungsmoden eine Skalpellklinge durchführen kann. Die Federkonstanten zweier Federelemente können sich z. B. in einem Bereich von 1 bis 10% unterscheiden.
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Es kann in einer Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass grundsätzlich identisch gefertigte Federelemente zum Einsatz kommen, wobei jedoch aufgrund der Tatsache, dass wenigstens zwei Federelemente verwendet werden, selbst bei einer identischen Fertigungsweise nie zwei exakt identische Federelemente hergestellt werden können. Solche identisch gefertigten Federelemente weisen somit grundsätzlich zumindest leicht voneinander abweichende Federeigenschaften/Federkonstanten auf, so dass schon allein durch die Tatsache, dass mehr als ein einziges Federelement verwendet wird, eine Schwingung der Skalpellklinge in wenigstens zwei überlagerten Moden entstehen kann.
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Hier kann es in einem Fertigungsschritt beispielsweise auch vorgesehen sein, ein Skalpell herzustellen mit den zuvor genannten wenigstens zwei Federelementen, wobei sodann nach der Herstellung des Skalpells durch eine Beobachtung des Betriebs des Skalpells und der bei einem Betrieb erzeugten Schwingung der Skalpellklinge eine Feinabstimmung der Federeigenschaften zumindest bei einem der beteiligten Federelemente vorgenommen wird, beispielsweise eine solche Feinabstimmung, welche die Federkonstante oder eine sonstige, mit dem Federelement verbundene physikalische Eigenschaft beeinflusst, wie z. B. die Masse des Federelementes selbst.
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So besteht demnach die Möglichkeit, dass z. B. abtragende Maßnahmen, wie beispielsweise Feilen, Fräsen oder Laserablation angewendet werden, um die wenigstens zwei Federelemente einer Feinbearbeitung zu unterziehen und so zumindest leicht verschiedene Federeigenschaften zu erreichen, aus denen die Betriebsweise des Skalpells in wenigstens zwei überlagerbaren Moden resultiert.
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Wie eingangs genannt, beruht der wesentliche Kerngedanke der Erfindung darauf, dass ein erfindungsgemäßes Skalpell ein Zweimassenschwingsystem ausbildet. Es kann hier in einer möglichen Ausführung vorgesehen sein, dass die Skalpellklinge eine erste Masse dieses Schwingsystems bildet und dass ein Griffelement die zweite Masse bildet. Ein solches Griffelement kann beispielsweise dasjenige Element sein, welches eine Person zum Bedienen des Skalpells für jegliche Schnittaufgaben ergreift. Ein solches Griffelement kann beispielsweise im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet sein.
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Bei einer solchen Ausführungsform kann in einer Variante der Aktor, beispielsweise ein Piezo-Aktor, zumindest zu einem Teil die zweite Masse ausbilden. Beispielsweise kann der Aktor in das Griffelement integriert sein oder der Aktor kann das Griffelement zumindest überwiegend oder vollständig selbst bilden. In einer solchen Ausführung kann beispielsweise ein Aktor, insbesondere Piezo-Aktor stiftartig ausgebildet sein oder zumindest in ein stiftartiges Gehäuse integriert sein.
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Bevorzugt ist es in einem solchen Fall vorgesehen, dass die beiden Massen, also einerseits die Skalpellklinge und andererseits die den Aktor umfassende Masse, ausschließlich durch die wenigstens zwei Federelemente verbunden sind. In einem solchen Fall regt demnach der Aktor bei entsprechender Ansteuerung und Ausführung einer Schwingbewegung, dadurch dass die zweite Masse in eine Schwingbewegung versetzt wird, erst über die Kopplung an die Klingenmasse über die wenigstens zwei Federelemente die Skalpellklinge zu Schwingungen an. Die Federelemente können hier, wie auch in der nachfolgenden Ausführung Ihre zumindest überwiegende Federeigenschaft in der Richtung der Verbindung zwischen den beiden Massen haben.
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In einer anderen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass ein Griffelement die zweite Masse ausbildet, insbesondere welche den antreibenden Aktor nicht mit umfasst und dass diese beiden Massen, d. h. einerseits die Skalpellklinge und andererseits die zweite Masse des Griffelementes, über den Aktor und die wenigstens zwei Federelemente miteinander verbunden sind.
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Hier ergibt sich demnach eine Verbindung zwischen den beiden Massen sowohl durch den antreibenden Aktor als auch durch die wenigstens zwei Federelemente.
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Beispielsweise kann es hierfür vorgesehen sein, dass der Aktor durch die wenigstens zwei Federelemente umgeben ist. In einer solchen Ausführung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Schnittebene, in welcher die wenigstens zwei Federelemente und ein Aktor angeordnet sind, parallel zur oder sogar in der Ebene der Skalpellklinge liegt. In einem solchen Fall treibt der hier beschriebene Aktor, dessen Schwingrichtung bevorzugt parallel zu der mittleren Erstreckungsrichtung der Federelemente liegen kann, die Skalpellklinge sowie die zweite Masse des Griffelementes jeweils gleichzeitig an, wobei diese erzeugte Schwingung durch die wenigstens zwei vorgenannten Federelemente gedämpft ist und sich hierdurch unterschiedliche Schwingungsmoden einstellen, die überlagerbar sind. Hier kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Aktor, insbesondere ein Piezo-Aktor, ein in einer Längsrichtung schwingendes Element ist und dass in Verlängerung dieser Längsrichtung zu beiden Seiten des Aktors die beiden vorgenannten Massen angeordnet sind.
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Unabhängig von den vorgenannten Möglichkeiten zur konstruktiven Realisation eines erfindungsgemäßen Skalpells, insbesondere eines Ultraschallskalpells, bei welchem der Aktor, bevorzugt ein Piezo-Aktor, mit Frequenzen oberhalb von 16 Kilohertz, bevorzugt oberhalb von 20 Kilohertz, betreibbar ist, kann es in einer Ausführung vorgesehen sein, dass das Skalpell als Schwingsystem wenigstens eine der Anzahl der Federelemente entsprechende Anzahl von Resonanzfrequenzen aufweist und dass der Aktor mit einer Frequenz betrieben ist, die aus einem Frequenzintervall gewählt ist, welches die minimale und maximale aller Resonanzfrequenzen zumindest umfasst oder durch die minimale und maximale aller im Schwingungssystem vorhandenen Resonanzfrequenzen begrenzt ist.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einem bevorzugten Betrieb mit einer Frequenz zwischen den beteiligten Resonanzfrequenzen überlagerte Schwingungsmoden angeregt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann es dabei vorgesehen sein, dass das Skalpell exakt nur zwei Resonanzfrequenzen aufweist, was beispielsweise dadurch erzielt werden kann, dass das Skalpell exakt zwei Federelemente aufweist, die zwischen der Skalpellklinge und der zweiten Masse angeordnet sind.
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Bei einem solchen System mit exakt zwei Resonanzfrequenzen kann es demnach vorgesehen sein, dass der Aktor mit einer Frequenz betrieben wird, die zwischen diesen beiden Resonanzfrequenzen liegt, insbesondere in einer bevorzugten Ausführung exakt mittig zwischen den Resonanzfrequenzen oder im Schnittpunkt der beiden Resonanzkurven. Hierbei können z. B. die Federelemente derart gewählt bzw. abgestimmt werden, dass die beiden Resonanzkurven der überlagerbaren Moden sich im Bereich zwischen beiden Maxima oberhalb der Halbwertsbreite oder zumindest oberhalb der 1/e-Breite schneiden.
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So wird bei einer solchen Auswahl einer Betriebsfrequenz erzielt, dass die Phasenverschiebung zwischen den beiden möglichen Schwingungsmoden sehr groß, insbesondere maximal wird und hierdurch eine optimale Überlagerung dieser Schwingungsmoden mit einer dementsprechend überlagerten Bewegung der Skalpellklinge erreicht wird.
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Beispielsweise kann so eine Bewegung der Klinge erzeugt werden, die bei Beobachtung eines singulären Punktes der Klinge, wie beispielsweise der vorderen Spitze, eine Lissajous-Figur beschreibt, insbesondere eine solche ohne einen Knoten. Besonders bevorzugt kann die Bewegung der Klinge so durch Auswahl der Betriebsfrequenz eingestellt werden, dass die Bewegung elliptisch ist.
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Hierbei ist gegenüber einer ebenso möglichen Bewegung der Klinge auf einer Kreisbahn die elliptische Bewegung bevorzugt, bei welcher die längere Achse der Bewegungsellipse zumindest im Wesentlichen in Klingenlängsrichtung bzw. Schneidenerstreckung zeigt. Dies bedeutet, dass bei der überlagerten Bewegung der Skalpellklinge eine Schneidbewegung in Längsrichtung der Klinge in der überlagerten Bewegung beider Schwingungsmoden dominiert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es weiterhin vorgesehen sein, dass ein Skalpell der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Art nicht nur mit einer einzigen Frequenz betreibbar ist bzw. betrieben wird, sondern dass die Frequenz, mit welcher der Aktor seine Schwingbewegung durchführt und die insbesondere derr Frequenz einer Spannung entspricht, mit welcher der Aktor angesteuert wird, einstellbar ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass die erzielte überlagerte Schwingung der Skalpellklinge beeinflussbar ist, dadurch, dass die Betriebsfrequenz des Aktors geändert wird. Hierdurch ändern sich die Phasenlagen der beiden separaten Schwingungsmoden relativ zur Anregungsfrequenz bzw. Betriebsfrequenz und demnach auch die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungsmoden, was sich auf die überlagerte Schwingung der Klinge auswirkt, so dass beispielsweise auswählbar ist, ob die Skalpellklinge überwiegend oder sogar ausschließlich nur in einer der insgesamt möglichen Schwingungsmoden, insbesondere einer von zwei verschiedenen Schwingungsmoden schwingt oder in einer überlagerten Bewegung schwingt.
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Beispielsweise kann es hierbei vorgesehen sein, dass die Betriebsfrequenz des Aktors einstellbar ist auf die diskreten Resonanzfrequenzen des schwingenden Systems, wobei sodann bei Abstimmung auf eine solche Resonanzfrequenz erreicht ist, dass das Ultraschallskalpell mit seiner Klinge zumindest überwiegend, wenn nicht gar ausschließlich, nur in dem dieser Resonanzfrequenz zugeordneten Schwingungsmodus schwingt.
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Durch eine Auswahl einer Frequenz zwischen zwei Resonanzfrequenzen wird hingegen eine bevorzugt abstimmbare Änderung der überlagerten Schwingung der Skalpellklinge zwischen den diesen Resonanzfrequenzen zugeordneten Schwingungsarten eingestellt.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass an einem Skalpell, z. B. an einem Griffelement, wenigstens ein Schalter vorgesehen ist, mit dem die Anregungsfrequenz des Aktors eingestellt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, einen Schiebeschalter zu verwenden, der in der einen extremalen Schiebeposition bewirkt, dass der Aktor mit einer ersten Resonanzfrequenz betrieben wird und der in der anderen Schiebeposition bewirkt, dass der Aktor mit einer zweiten Resonanzfrequenz betrieben wird, wohingegen eine Position zwischen den beiden Endbereichen des Verschiebeweges eine abstimmbare Frequenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen einstellt und somit eine Schwingungsüberlagerung erzielt werden kann.
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Ebenso ist es möglich, an dem Skalpell, insbesondere am Griffbereich, mehrere diskrete Schalter oder Taster anzuordnen, mit denen zwischen den Frequenzen beispielsweise erster oder zweiter Resonanzfrequenz und wenigstens einer dazwischen liegenden Frequenz umgeschaltet werden kann.
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Ein Federelement des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Skalpells kann in besonders einfacher Ausführung als ein Steg ausgebildet sein, insbesondere als ein Steg, der in einer Richtung, die seine beiden Enden verbindet seine zumindest überwiegende Federeigenschaft aufweist.
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Insbesondere kann jedes der wenigstens zwei, bevorzugt genau zwei Federelemente einen solchen Steg bilden. Ein solcher Steg ist demnach gemäß der Erfindung zur Ausbildung eines Zwei-Massen-Schwingsystems zu seiner einen Seite mit der Skalpellklinge verbunden und zu seiner anderen Seite an der zweiten Masse befestigt, d. h. hier insbesondere dem Griffelement.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass ein solcher Steg nicht lediglich eine ausschließlich gerade Erstreckung zwischen seinen Enden aufweist, welche an den beiden Massen befestigt sind, sondern eine von der geraden Erstreckung abweichende Erstreckungsform hat. Insbesondere kann beispielsweise ein Steg in einer Ebene parallel zur Skalpellklinge oder in der Klingenebene zumindest teilweise gebogen ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn ein Steg eine Wellenform, zumindest eine Teilwellenform insbesondere in der vorgenannten Ebene aufweist.
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Hierdurch wird erzielt, dass ein Steg im Wesentlichen in seiner Längserstreckungsrichtung, d. h. zwischen seinen jeweiligen Enden, die einerseits an der Skalpellklinge und andererseits an der zweiten Masse befestigt sind, eine Flexibilität aufweist, die eine Abstandsänderung zwischen dessen Enden gestattet.
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Auch kann hierdurch erreicht werden, dass die Stegenden nicht lediglich eine lineare Bewegung relativ zueinander ausführen, selbst wenn die Anregung durch den Aktor in einer linearen Bewegungsrichtung erfolgt, z. B. mit einem Piezo, der als Längs- bzw. Dickenschwinger ausgebildet ist und der die zweite Masse zu einer Schwingung in einer Richtung anregt, die zumindest überwiegend in der Richtung der Klingenlängserstreckung liegt.
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Hierbei kann es auch vorgesehen sein, dass der Aktor, beispielsweise ein Piezo-Aktor, im Betrieb eine Längsschwingung in einer Längsrichtung ausführt, die unter einem Winkel ungleich 180 Grad, z. B. im Winkel von 135 bis < 180 Grad zur mittleren Längsrichtung der Skalpellklinge orientiert ist. Die Längsrichtung der Skalpellklinge kann hierbei der mittleren Längsrichtung der wenigstens zwei Stege, bevorzugt genau zwei Stege, entsprechen.
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In einer solchen Ausführung bilden demnach die Längserstreckungsrichtung der Skalpellklinge und der wenigstens zwei Stege zusammen mit der Längserstreckungsrichtung des Aktors, insbesondere der Längserstreckungsrichtung, in welcher der Aktor seine Schwingung ausführt, einen stumpfen Winkel, was zum einen die Anregung der überlagerten Schwingung aus den beiden einzelnen Schwingungsmoden begünstigt und zum anderen eine verbesserte Griffhaltung für eine bedienende Person mit sich bringt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Skalpellklinge und die Federelemente bzw. die Stege, über welche diese mit der zweiten Masse verbunden ist, aus verschiedenen Materialien gefertigt sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Klinge- und Federelemente aus demselben Material herzustellen. In einer wiederum anderen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, Klinge- und Federelemente bzw. Stege mit einem piezo-keramischen Aktor einstückig zu fertigen, d. h. insbesondere aus einem piezo-keramischen Material. Hier können in Längsrichtung des Griffelementes beabstandet elektrische Anschlusselektroden vorgesehen sein, so dass das piezo-elektrische Element zwischen diesen Elektroden eine Längs- bzw. Dickenschwingung durchführt, wenn das piezo-keramische Element mit einer elektrischen Spannung einer gewünschten Frequenz betrieben wird.
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In einer Ausführungsform des Skalpells, die mit allen vorherigen genannten Ausführungen kombinierbar ist, kann es vorgesehen sein, dass die Skalpellklinge beheizt ist.
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Beispielsweise kann die Skalpellklinge aktiv auf eine Temperatur unterhalb der Koagulationstemperatur des Blutes geheizt werden, z. B. 50–60 Grad. Dies bedeutet, dass beim Schneiden von lebendem Gewebe, z. B. bei Operationen, keine Koagulation des Blutes stattfindet, wenn der Aktor des erfindungsgemäßen Skalpells außer Betrieb ist. Ist hingegen der Aktor in Betrieb, so wird durch die schwingende Bewegung der Skalpellklinge in dem geschnittenen Gewebe durch die Schwingung ein solcher Energieeintrag vorgenommen, der zusammen mit der Temperatur der geheizten Schneide eine Temperaturerhöhung des Gewebes auf eine Temperatur oberhalb der Koagulationstemperatur von Blut bewirkt, so dass ein erfindungsgemäßes Skalpell zumindest im Betrieb blutstillende Wirkung aufweist.
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In einer möglichen Ausführungsform kann es hierbei vorgesehen sein, dass die Beheizung der Skalpellklinge elektrisch, beispielsweise durch Widerstandsheizung erfolgt. Hier kann es vorgesehen sein, dass der Widerstand, der zur Beheizung führt, durch die Skalpellklinge selbst und/oder durch die Federelemente gegeben ist. Insbesondere können zwei der wenigstens zwei Federelemente als elektrische Leiter dienen und somit in den Stromkreis zur Widerstandsbeheizung eingebunden sein.
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In einer wiederum anderen Ausführung, kann das Skalpell, bzw. die Klinge unbeheizt sein, es erfolgt jedoch durch die überlagerte Schwingung der Klinge ein solcher Energieeintrag in das die Klinge umgebende Gewebe, dass sich dieses auf eine Temperatur über der Koagulationstemperatur erwärmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden nachfolgend erläutert. Es zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Skalpells
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2 die Bewegung der Skalpellklinge in der ersten möglichen Schwingungsmode
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3 die Bewegung der Skalpellklinge in der zweiten möglichen Schwingungsmode
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4 die Abhängigkeit der Schwingungsamplitude der Schneide bei jeder der beiden Schwingungsmoden in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz
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5 die Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungsmoden in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz
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6 den Weg eines singulären Punktes der Skalpellklinge im erfindungsgemäßen Betrieb
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7 eine bevorzugte konstruktive Ausführungsform des erfindungsgemäßen Skalpells
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Die 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung das Prinzip eines erfindungsgemäßen Skalpells, umfassend eine Skalpellklinge 1, die eine erste Masse eines schwingenden Systems darstellt und einen Piezo-Antrieb 2, der zusammen mit einem Übergangsbereich 2a eine zweite Masse des schwingenden Systems bildet, wobei die beiden Massen durch zwei Federelemente 3a und 3b verbunden sind, die hier lediglich in der zeichnerischen Darstellung als Schraubenfedern dargestellt sind, jedoch bei einer konstruktiven Ausgestaltung nicht dieser Darstellungsform entsprechen müssen.
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Bei der Ausführungsform der 1 sind bevorzugt die Federelemente 3a und 3b mit leicht unterschiedlichen Federeigenschaften, insbesondere verschiedenen Federkonstanten, ausgebildet, so dass sich mit den beiden schwingenden Massen ein Zwei-Mass-Schwingsystem ausbildet, welches zwei Schwingungsmoden aufweist, die überlagert werden können.
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Ist hier beispielsweise der Aktor 2 als Piezo-Aktor ausgebildet, der eine Dickenschwingung in seiner Längsrichtung L1 ausführen kann, so beeinflusst die Dickenschwingung die Länge des Piezo-Elementes in dieser Richtung L1 gemäß den gestrichelt dargestellten Linien 4 der 2, was in der einen möglichen Schwingungsmode eine Längsschwingung der Skalpellklinge 1 in dessen Längserstreckungsrichtung 12 bewirken kann. Hier ist die Konfiguration zwischen der Längserstreckungsrichtung L1 des Piezo-Aktors und der Längserstreckungsrichtung L2 der Skalpellklingel derart gewählt, dass diese beiden Richtungen einen stumpfen Winkel einschließen im Bereich zwischen 180 und 135 Grad.
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Die 3 zeigt, dass mit derselben Dickenschwingung in Längsrichtung L1 des Piezo-Aktors 2 aufgrund des auf zwei Federelementen 3a und 3b aufbauenden Zwei-Massen-Schwingsystems auch eine zweite Schwingungsmode angeregt werden kann, bei welcher die Skalpellklinge 1 eine Drehbewegung um die senkrecht zur Skalpellklinge 1 stehende Drehachse 5 ausführt.
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Neben der Tatsache, dass diese beiden Schwingungsmoden getrennt anregbar sind, da diese jede für sich diskrete Resonanzfrequenzen aufweisen, kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, den Piezo-Aktor mit einer Spannung einer solchen Frequenz zu betreiben, mit welcher gleichzeitig beide Schwingungsmoden, d. h. die in den 2 und 3 jeweils separat dargestellten Bewegungen der Skalpellklinge 1 ausgeführt werden, so dass dies zu einer überlagerten Bewegung jedes Punktes der Skalpellklinge 1 führt, die in der 6 beispielhaft dargestellt ist und die durch eine Ellipse repräsentiert ist. Eine Skalpellklinge 1, deren Schneide eine solche Bewegung darstellt, die die 6 zeigt, führt zu einer optimierten Schnittbewegung, beispielsweise durch Gewebe bei Operationen.
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Die 4 und 5 zeigen die physikalischen Zusammenhänge bei der Anregung dieses Zwei-Massen-Schwingsystems mit den beiden Federelementen 3a und 3b. Aufgrund des Vorhandenseins der beiden Federelemente 3a und 3b mit leicht unterschiedlichen Federeigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Federkonstanten, weisen die beiden möglichen Schwingungsmoden verschiedene Resonanzfrequenzen auf.
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Die 4 zeigt in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz auf der X-Achse des dargestellten Diagramms die Amplitude der Skalpellklinge 1 für die eine Schwingungsmode S1 in einer gestrichelten Linie und für die andere Schwingungsmode S2 in einer punktierten Darstellung.
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Erkennbar ist es hier, dass die Schwingungsmode S1 maximale Amplitude bei einer Resonanzfrequenz f1 aufweist, wohingegen die Schwingungsmode S2 ihre maximale Amplitude bei einer Resonanzfrequenz f2 hat, die, wie aus der 4 ersichtlich ist, von der Resonanzfrequenz f1 der vorgenannten Schwingungsmode S1 abweichend ist.
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Da die Resonanzfrequenzen von den Federeigenschaften der beiden Federelemente 3a und 3b abhängen, sind diese Federelemente bevorzugt derart gewählt, dass sich die Amplitudenkurve in der Abhängigkeit der Anregungsfrequenz beider möglicher Schwingungsmoden, also die sogenannten Resonanzkurven schneiden und zwar bevorzugt zwischen beiden Maxima vor Erreichen der jeweiligen Halbwertsbreite der beiden Resonanzkurven bzw. zumindest vor Erreichen der 1/e-Breite.
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In der 4 ist weiterhin illustriert, dass der Piezo-Aktor beispielsweise mit einer Frequenz fp angesteuert werden kann, die zwischen den beiden Resonanzfrequenzen f1 und f2 liegt, beispielsweise exakt mittig zwischen diesen beiden Frequenzen oder exakt zentriert auf den Schnittpunkt beider Resonanzkurven. Hierdurch wird deutlich, dass beide Schwingungsmoden gleichzeitig nahe von deren jeweiliger Resonanz angeregt werden können.
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Die 5 zeigt in Ergänzung zur 4 in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz die Phasenverschiebung zwischen der Auslenkung der Skalpellklinge und der Anregungsfrequenz wiederum für beide Schwingungsmoden S1 und S2. Entsprechend der Resonanzbedingung ergibt sich demnach eine Phasenverschiebung von 90 Grad für jede der beiden möglichen Schwingungsmoden exakt bei der jeweiligen Resonanzfrequenz.
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Aufgrund der Verschiebung beider Resonanzfrequenzen zueinander führt die Abstimmung einer Betriebsfrequenz fp des Piezo-Aktors im Bereich des Frequenzintervalls zwischen den beiden Resonanzfrequenzen f1 und f2 zu einer besonders großen Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungsmoden, was durch den Pfeil φ symbolisiert ist. Dies bedeutet, dass in diesem Frequenzbereich zwischen den Resonanzfrequenzen nicht nur diskret eine der beiden Schwingungsmoden angeregt wird, sondern jeweils beide Schwingungsmoden, so dass der Betrieb des Piezo-Aktors bei einer solchen Betriebsfrequenz zu einer überlagerten Schwingung der Skalpellklinge führt.
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Hierdurch erschließt sich auch gleichzeitig die Möglichkeit, ein Skalpell der erfindungsgemäßen Art in der Betriebsfrequenz des Piezo-Aktors lediglich auf eine der beiden Resonanzfrequenzen abzustimmen, was bedeutet, dass die Klinge ausschließlich oder zumindest überwiegend nur mit der zu dieser Resonanzfrequenz gehörigen Schwingungsmode schwingt. Ein Skalpell der erfindungsgemäßen Art, dessen Frequenz abstimmbar ist, kann demnach zwischen einem nahezu ausschließlichen Betrieb bei jeweils einer der beiden diskreten Schwingungsmoden betrieben werden sowie bei beliebigen Mischformen beider Schwingungsmoden.
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Die 7 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Skalpells, bei welchem die erste Masse des Zwei-Massen-Schwingsystems durch die Skalpellklinge 1 ausgebildet ist, deren Masse beispielsweise noch durch eine Ausnehmung 1a innerhalb der Klinge reduziert ist, wobei die Klinge 1 über zwei wellenförmig ausgestaltete Stege 3a und 3b, welche die vorgenannten Federelemente ausbilden, mit der zweiten Masse verbunden ist, die hier durch ein Griffelement 2 ausgebildet ist, das entweder durch die Piezoaktor insgesamt ausgebildet ist oder aber den Piezo-Antrieb zumindest umfasst.
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Allgemein kann es bei allen möglichen Ausführungen auch beispielsweise vorgesehen sein, dass das Griffelement neben dem Antrieb, insbesondere Piezo-Antrieb auch eine Energiequelle aufweist, um den Antrieb mit elektrischer Energie zu versorgen. In diesem Fall wird das Griffelement ebenso eine Steuereinheit aufweisen, um eine Spannung mit einer Frequenz, bevorzugt im Ultraschallbereich von beispielsweise 20.000–40.000 Hertz oder höher zu erzeugen und hierdurch den Antrieb anzutreiben. In einem solchen Fall kann die Energiequelle z. B. durch eine oder mehrere Batterien oder auch durch einen oder mehrere wiederaufladbare Akkus ausgebildet sein. Insbesondere durch den Betrieb eines erfindungsgemäßen Skalpells nahe oder in der jeweiligen Resonanzbedingung wird ein solcher Batterie-/Akkubetrieb möglich, da mit wenig Energie hohe Amplituden in den Schwingungsmoden in der Resonanzumgebung erzielt werden können.
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Gegebenenfalls kann es auch vorgesehen sein, eine externe Steuereinheit zu verwenden, die eine entsprechend hochfrequent modulierte Spannung mit ausreichender Amplitude über ein Kabel zu dem, insbesondere im Griffelement angeordneten Aktor, insbesondere Piezo-Aktor zuführt.
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Auch hier ist die Konfiguration derart, dass die mittlere Erstreckungsrichtung der Klinge 1 und/oder der beiden Stege 3a und 3b unter einem stumpfen großen Winkel relativ zur Längserstreckung des Griffelementes bzw. des darin angeordneten Piezo-Aktors und dessen Längsschwingungsrichtung liegt, wie es 2 zeigt. Der Winkel liegt hier bevorzugt im Bereich von 180–135 Grad.
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Um hier eine gewünschte Elastizität und somit eine ausreichend geeignete Federeigenschaft bei den Stegen 3a und 3b zu erhalten, sind diese, wie hier dargestellt, wellenförmig ausgebildet. Hierbei befindet sich ein Wellenberg der jeweils wellenförmigen Form eines Steges etwa mittig bezogen auf die gesamte Steglänge. Die Stege gehen somit jeweils im Bereich eines Wellentals ihrer wellenförmigen Ausgestaltung sowohl in die Skalpellklinge 1 als auch in das Griffelement bzw. den Piezo-Aktor 2 über. Bezogen auf die gewählte Wellenform umfasst demnach die Steglänge der wellenförmigen Stege bei dieser Ausführung eine gesamte Wellenlänge. Bevorzugt wird die Steglänge auf Vielfache einer halben Wellenlänge einer gewünschten oder vorgegebenen Wellenform eingestellt.
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Bei dieser Ausführung können die Klinge 1 und die beiden Stegen 3a und 3b einstückig aus einem Material gefertigt sein, z. B. Klingenstahl, der für Operationen geeignet ist.
