-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument mit mindestens einer segmentierten Koagulationselektrode. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des chirurgischen Instruments und ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, um alle Schritte des Verfahrens durchzuführen.
-
Stand der Technik
-
In der konventionellen Chirurgie wurden früher Blutungen bei Schnitten akzeptiert und durch Tupfer, Drainagen und Absaugung geregelt. Bei der minimalinvasiven Chirurgie sind Blutungen nicht akzeptabel, da das Operationsgebiet beispielsweise nicht mit einem Tupfer zugänglich ist. Daher kommt ganz besonders in diesem Bereich die Elektrochirurgie zum Einsatz, bei der das Gewebe bei oder vor dem Schnitt zunächst koaguliert wird. Dabei wird das Gewebe thermisch durch einen hochfrequenten Stromfluss erhitzt und es kommt zu einem Gerinnen der Eiweiße sowie einem Wasserentzug aus dem betroffenen Gewebeabschnitt. Dadurch ist ein verlässlicher Verschluss der Blutgefäße vor dem Schnitt möglich. Neuere elektrochirurgische Instrumente sind als bipolare Instrumente ausgeführt, bei denen Elektroden als beide Pole des Stromflusses fungieren können. Dadurch fließt der hochfrequente Strom unmittelbar im Bereich des Operationsgebietes und der Patient wird nicht weitläufig von Strom durchströmt.
-
Die
US 7,862,565 B2 beschreibt ein elektrochirurgisches Instrument mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden, bei denen eine Elektrode als segmentierte Elektrode und die andere Elektrode als unsegmentierte Elektrode ausgeführt ist. Dadurch ist es möglich, einen elektrischen Strom nur zwischen ausgewählten Bereichen des Elektrodenpaares fließen zu lassen. Allerdings ist es dazu erforderlich, jedes Segment der segmentierten Elektrode durch ein eigenes Kabel mit einer elektrischen Spannungsquelle des chirurgischen Instruments zu verbinden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
In dem chirurgischen Instrument mit mindestens zwei segmentierten Koagulationselektroden, insbesondere mit genau zwei segmentierten Koagulationselektroden, weist jedes Segment einer Koagulationselektrode ein Schaltelement auf. Dieses ist auf einer von der Gewebeseite des jeweiligen Segments abgewandten Seite des chirurgischen Instruments angeordnet. Unter der Gewebeseite wird sie Seite verstanden, die eingerichtet ist, um einem Gewebe zugewandt zu werden. Dadurch ist es möglich, alle Segmente einer Koagulationselektrode über ein einziges Kabel mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei über die Schaltelemente gesteuert werden kann, welches Segment beziehungsweise welche Segmente zu einem bestimmten Zeitpunkt elektrisch mit dem Kabel verbunden werden sollen. Hierdurch kann eine komplexe, teure und wenig flexible Kontaktierung der Segmente mit jeweils einem eigenen Kabel vermieden werden.
-
Indem jedes Segment individuell mit elektrischer Energie versorgt werden kann, ist eine räumlich aufgelöste Diagnose des Koagulationsfortschritts über die von einem Hochfrequenzgenerator gesehene Gewebeimpedanz möglich. Bei Verwendung von vollflächigen, nicht segmentierten Koagulationselektroden wäre dies nicht eindeutig möglich, da nicht bekannt ist, wie viel Gewebe der Operateur zwischen den beiden Koagulationselektroden des chirurgischen Instruments eingeklemmt hat und damit der Querschnitt des durchströmten Gewebes unbekannt ist. Die Formel 1 würde deshalb zwei Unbekannte enthalten:
-
In dieser Formel bezeichnet R den vom Hochfrequenzgenerator gesehenen elektrischen Widerstand, ⌷ die spezifische Leitfähigkeit des Gewebes, die abhängig vom Koagulationszustand und dem Gewebetyp ist, d die Dicke des eingespannten Gewebestücks und A die Fläche des eingespannten Gewebestücks. Ohne Verwendung von segmentierten Koagulationselektroden würde der Hochfrequenzgenerator eine mittlere Impedanz sehen. Durch die einzelne Ansteuerung der Segmente der segmentierten Koagulationselektroden kann allerdings die Impedanz jedes Segmentpaares separat ermittelt werden. Insbesondere kann der zeitliche Verlauf der Impedanzänderung verfolgt und so der Koagulationsfortschritt als zunehmende Dehydrierung der Gewebezone analysiert werden.
-
Weiterhin ermöglicht dieses chirurgische Instrument eine räumlich aufgelöste Koagulation. Befindet sich im eingespannten Gewebestück ein Blutgefäß, ist dort lokal viel mehr Koagulationsenergie erforderlich als im umgebenden Gewebe. Für eine gute Verheilung des Operationsgebietes ist es wichtig, das Gewebe nicht zu karbonisieren. Die segmentierten Koagulationselektroden des chirurgischen Instruments ermöglichen es, die Koagulationsenergie dem jeweiligen örtlich begrenzten Energiebedarf anzupassen, um so Regionen mit vielen oder dicken Blutgefäßen länger oder kräftiger zu koagulieren. Die Koagulationselektroden sind vorzugsweise jeweils auf einem Träger angeordnet. Besonders bevorzugt besteht der Träger aus einer Keramik, die als guter elektrischer Isolator zwischen benachbarten Segmenten einer Koagulationselektrode sowie zwischen den Koagulationselektroden und den Schaltelementen fungieren kann.
-
In einer einfachen Ausführungsform des chirurgischen Instruments sind die Schaltelemente einfach auf der von ihrer Koagulationselektrode und damit vom Gewebe abgewandten Seite des jeweiligen Trägers angeordnet. Bevorzugt weist der Träger jedoch Kavitäten auf, in denen die Schaltelemente angeordnet sind. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung und niederohmige Ankopplung der Schaltelemente.
-
Eine elektrische Verbindung zwischen einer Koagulationselektrode und ihren Schaltelementen kann beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Drahtbonden erfolgen. In unterschiedlichen Ausführungsformen des chirurgischen Instruments sind dabei unterschiedliche Anordnungen der Kontaktierung möglich:
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des chirurgischen Instruments ist jedes Schaltelement mittels mindestens einer Durchkontaktierung durch den Träger mit seinem Segment verbunden. Durchkontaktierungen können durch elektrisch leitfähig geführte Kanäle durch den Träger realisiert werden.
-
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des chirurgischen Instruments ist jedes Schaltelement mittels mindestens einer Kontaktierung mit seinem Segment verbunden, die an einer Kante des Trägers entlanggeführt ist. Dies ermöglicht einen direkten rückseitigen Kontakt ohne die Notwendigkeit einer Durchkontaktierung.
-
Die Kontaktierungen und Schaltelemente werden vorzugsweise mit einem Polymer umhüllt und/oder verfüllt, um sie mechanisch zu stabilisieren und vor äußeren Einflüssen zu schützen.
-
Die Breite jedes Segments der Koagulationselektroden liegt vorzugsweise im Bereich von 7 bis 8 mm. Unter der Breite wird dabei die Ausdehnung verstanden, welche sich von einem Spalt, der ein Segment von einem ersten benachbarten Segment trennt, bis zu einem Spalt, der das Segment von einem zweiten benachbarten Segment trennt, erstreckt. Die Breite jedes Spaltes liegt vorzugsweise im Bereich von 250 bis 1.000 um. In diesem Bereich ist der Spalt so schmal ausgeführt, wie es möglich ist, ohne das Risiko einzugehen, dass im feuchten menschlichen Gewebe ein Spannungsüberschlag von einem Segment zu einem benachbarten Segment erfolgt.
-
Die Dicke der Koagulationselektroden liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 200 µm. Koagulationselektroden mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 200 µm können dabei insbesondere als Blech realisiert werden. Bei dieser Dicke genügt es, jedes Schaltelement mittels einer einzigen elektrischen Kontaktierung mit seinem Segment zu verbinden. Dicken unter 100 µm können insbesondere mittels Siebdruck realisiert werden. Da in so dünnen Koagulationselektroden nur wenig Strom fließt, ist es bevorzugt, dass hier jedes Segment mittels mehrerer elektrischer Kontaktierungen mit seinem Schaltelement verbunden ist.
-
Der Träger weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm auf, um einerseits eine gute elektrische Isolierung zwischen jeder Koagulationselektrode und ihren Schaltelementen zu gewährleisten, dabei aber dennoch eine für die Mikrochirurgie geeignete kompakte Bauform des chirurgischen Instruments zu ermöglichen. Dies ist auch dann gewährleistet, wenn die Schaltelemente in Kavitäten des Trägers angeordnet sind, der eine Dicke aufweist, die insbesondere im Bereich von 50 bis 1.500 µm liegt. Bei Verwendung von Kavitäten ist der Träger vorzugsweise mindestens 1 mm dicker als die Schaltelemente.
-
Jedes Schaltelement weist vorzugsweise einen Treiberbaustein und einen Halbleiterschalter auf. Unter einem Treiberbaustein wird dabei ein Baustein verstanden, welcher mittels eines elektrischen Kommunikationsprotokolls angesprochen werden kann. Der Treiberbaustein ist besonders bevorzugt eingerichtet, um über Ein-Draht-Kommunikationsprotokoll angesprochen zu werden. Mittels seines Treiberbausteins ist jeder Halbleiterschalter digital adressierbar und linear mit der Anzahl der Segmente zunehmende Steuerleitungen entfallen. Der Schaltzustand jedes Halbleiterschalters und damit das Segment des jeweiligen Schaltelements ist somit auslesbar und schaltbar und kann so lange gehalten werden, bis ein anderer Schaltzustand gesetzt wird.
-
Der Halbleiterschalter kann vorzugsweise dadurch realisiert werden, dass er zwei Transistoren aufweist. In unterschiedlichen Ausführungsformen des chirurgischen Instruments handelt es sich hierbei um eine Parallelschaltung eines n-Kanal- und p-Kanal-Feldeffekttransistors, eine Antiseriellschaltung von zwei n-Kanal-Feldeffekttransistoren, Triacs, GTO-Thyristoren und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor).
-
Vorzugsweise sind alle Schaltelemente einer segmentierten Koagulationselektrode über eine einzige Signalleitung und eine einzige Hochfrequenzleitung miteinander verbunden. Die Signalleitung ist dabei bevorzugt mit allen Treiberbausteinen der Koagulationselektrode verbunden. Diese Verbindung erfolgt besonders bevorzugt seriell. Die Hochfrequenzleitung ist bevorzugt mit allen Halbleiterschaltern der Koagulationselektrode verbunden. Dabei ist sie besonders bevorzugt parallel zu den Halbleiterschaltern angeordnet.
-
Diese Leitungsführung ist platzsparend und ermöglicht ebenfalls eine besonders kompakte Ausführung des chirurgischen Instruments. Während dabei bei einander gegenüberliegenden Koagulationselektroden für jede Koagulationselektrode eine Hochfrequenzleitung benötigt wird, ist es sogar möglich, bei Verwendung eines digitalen Kommunikationsbusses alle Koagulationselektroden mit einer einzigen Signalleitung miteinander zu verbinden.
-
Die Hochfrequenzleitung und die Signalleitung können insbesondere in einer Leiterkarte angeordnet sein, die insbesondere mittels Lotkugeln, Stud-Bump-Bonds oder Leitkleben mit den Schaltelementen verbunden sein kann.
-
In den Verfahren zum Betreiben des chirurgischen Instruments weist dieses zur Koagulation zumindest zwei Betriebsmodi auf. In einem ersten Betriebsmodus wird ein elektrischer Strom von einem ersten Segment einer ersten Koagulationselektrode zu einem diesem ersten Segment gegenüberliegenden ersten Segment einer zweiten Koagulationselektrode geleitet. Dies ist der primäre Betriebsmodus des chirurgischen Instruments bei der Koagulation, in dem jeweils Paare von ersten Segmenten der beiden Koagulationselektroden zur Koagulation des zwischen diesen liegenden Gewebes verwendet werden. Würde ausschließlich dieser erste Betriebsmodus verwendet, bestände allerdings die Gefahr, dass im Bereich der Spalten zwischen den Segmenten der Koagulationselektroden unkoagulierte Gewebebereiche verbleiben. Daher ist ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen, in dem ein elektrischer Strom von dem ersten Segment der ersten Koagulationselektrode zu einem zu dem ersten Segment der zweiten Koagulationselektrode benachbarten zweiten Segment der zweiten Koagulationselektrode geleitet wird. Der elektrische Strom fließt in diesem Fall nicht mehr auf dem kürzesten Weg zwischen den beiden Koagulationselektroden, sondern nimmt einen gegenüber diesem kürzesten Weg abgewinkelten Verlauf, bei dem er einen Spalt zwischen den Segmenten der zweiten Koagulationselektrode überspringt. Dieser Betriebsmodus ermöglicht es, eine Koagulation von Gewebe auch im Bereich der Spalten zu gewährleisten.
-
Es ist bevorzugt, dass in einem dritten Betriebsmodus ein elektrischer Strom von dem ersten Segment der ersten Koagulationselektrode zu einem anderen Segment der ersten Koagulationselektrode geleitet wird. Durch den Abstand der derart verschalteten Segmente kann die Eindringtiefe des Stroms und damit die Koagulationstiefe eingestellt werden. Dieser Betriebsmodus ist besonders vorteilhaft zur impedanzbasierten Analyse der Gewebeeigenschaften.
-
Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, um mittels des Verfahrens das chirurgische Instrument zu betreiben. Durch Änderungen der Betriebssoftware des elektronischen Steuergeräts kann das chirurgische Instrument mit unterschiedlichen Ausführungsformen des Verfahrens betrieben werden, ohne hierzu bauliche Veränderungen am chirurgischen Instrument vornehmen zu müssen.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines chirurgischen Instruments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer eingespannten inhomogenen Gewebeprobe.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines chirurgischen Instruments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter detaillierter Darstellung seiner segmentierten Koagulationselektroden.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer segmentierten Koagulationselektrode in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung einer segmentierten Koagulationselektrode in einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments.
- 5 zeigt eine schematische Darstellung einer segmentierten Koagulationselektrode in noch einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments.
- 6 zeigt die Anordnung von Schaltelementen an einer Signalleitung und an einer Hochfrequenzleitung in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments.
- 7 zeigt eine Schaltskizze eines Halbleiterschalters eines chirurgischen Instruments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8 zeigt schematisch einen elektrischen Stromfluss in einem Betriebsmodus eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 9 zeigt einen elektrischen Stromfluss gemäß einem anderen Betriebsmodus eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 10 zeigt einen elektrischen Stromfluss in noch einem anderen Betriebsmodus eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
1 zeigt ein chirurgisches Instrument 100 in Form einer Koagulationszange mit zwei einander gegenüberliegenden Backen 101, 102. Zwischen diesen ist ein Gewebestück 200 eingeklemmt, das verschiedene Gewebezonen 201 bis 204 aufweist. In der ersten Gewebezone 201 verläuft ein großes Blutgefäß. In der zweiten Gewebezone 202 verlaufen keine Blutgefäße. In der dritten Gewebezone 203 verläuft ein kleines Blutgefäß. Die vierte Gewebezone 204 ist nur teilweise mit Gewebe des Gewebestücks 200 gefüllt. Hierdurch werden in den unterschiedlichen Gewebezonen 201 bis 204 unterschiedliche Koagulationsenergien benötigt.
-
Wie in 2 dargestellt ist, ist an jeder der Backen 101, 102 jeweils eine Koagulationselektrode 300 angeordnet. Diese ist jeweils segmentiert und weist vier Segmente 301 auf.
-
In einem ersten Ausführungsbeispiel des chirurgischen Instruments 100 sind die Koagulationselektroden 300 jeweils in der in 3 dargestellten Weise realisiert. Die Segmente 301 sind jeweils auf einem keramischen Träger 308 angeordnet. Jedes Segment 301 ist mittels einer Durchkontaktierung 302 mit der gegenüberliegenden Seite des Trägers 308 verbunden. Mittels einer Drahtverbindung 303 ist jede Durchkontaktierung 302 mit einem Schaltelement 304 verbunden, das auf der von den Segmenten 301 abgewandten Seite des Trägers 308 in einer Kavität des Trägers 308 angeordnet ist. Die Drahtverbindungen 303 sind dabei von einem nicht dargestellten, elektrisch nicht leitfähigen Polymer umgeben.
-
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des chirurgischen Instruments 100, das in 4 dargestellt ist, sind die Segmente 301 jeweils unmittelbar mittels einer Durchkontaktierung 302 mit jeweils einem Schaltelement 304 verbunden. Die Schaltelemente 304 sind mittels Stud-Bump-Bonds 307 mit einer Leiterkarte 306, die flexibel ausgeführt sein kann, verbunden. Anstelle der Stud-Bump-Bonds 307 kann auch eine Löt- oder Klebeverbindung verwendet werden.
-
In einem dritten Ausführungsbeispiel des chirurgischen Instruments 100, das in 5 dargestellt ist, weist der Träger 308 keine Kavitäten auf. Stattdessen sind die Schaltelemente 304 auf der von den Segmenten 301 abgewandten Seite des Trägers 308 aufgelötet. Wie im zweiten Ausführungsbeispiel des chirurgischen Instruments 100 sind sie mittels Durchkontaktierungen 302 unmittelbar mit ihrem jeweiligen Segment 301 verbunden. Über Stud-Bump-Bonds 307 sind sie mit einer Leiterkarte 306 verbunden, die flexibel ausgeführt sein kann. Anstelle der Stud-Bump-Bonds 307 kann auch eine Löt- oder Klebeverbindung verwendet werden.
-
In allen Ausführungsbeispielen weist jedes Schaltelement 304 jeweils einen Treiberbaustein 400 und einen Halbleiterschalter 401 auf. Wie in 6 dargestellt ist, sind die Treiberbausteine 400 seriell mittels einer Signalleitung verbunden, sodass ein erster Abschnitt 410 der Signalleitung in einen ersten Treiberbaustein 400 führt, von dort aus ein zweiter Teil 411 der Signalleitung in einen zweiten Treiberbaustein 400 führt und aus diesem das Signal in einem dritten Abschnitt 412 der Signalleitung weitergeleitet wird. Jeder Treiberbaustein 400 weist eine Signalverbindung 413, 414 zu seinem Halbleiterschalter 401 auf. Die Halbleiterschalter 401 sind parallel zu einer Hochfrequenzleitung 415 geschaltet. Werden sie vom jeweiligen Treiberbaustein 400 so angesteuert, dass eine elektrische Verbindung zur Hochfrequenzleitung 415 geöffnet wird, so stellen sie eine Verbindung 416, 417 der Hochfrequenzleitung 415 zu ihrem jeweiligen Segment 301 her.
-
Wie in 7 dargestellt ist, kann der Halbleiterschalter 401 als MOSFETbasiertes Übertragungsglied ausgeführt sein. Dabei liegt eine elektrische Spannung an den Polen Uin, Uout an. Ein Schaltsignal S wird unmittelbar einem n-Kanal- Feldeffekttransistor 402 zugeführt. Weiterhin wird es einem p-Kanal-Feldeffekttransistor 403 nach Passieren eines Inverters 404 zugeführt. Hierdurch kann mittels des Schaltsignals S die elektrische Verbindung der Hochfrequenzleitung 415 die den Pol Uin kontaktiert, mit der Verbindung 416, 417 zu einem Segment 301 die den Pol Uout kontaktiert, hergestellt werden.
-
Die 8 bis 10 zeigen unterschiedliche Betriebsmodi eines chirurgischen Instruments 100 in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind drei Segmente 301a-c der ersten Koagulationselektrode 300 und drei Segmente 301d-f der zweiten Koagulationselektrode 300 dargestellt. Die Segmente 301a und 301d, die Segmente 301b und 301e sowie die Segmente 301c und 301f liegen einander jeweils gegenüber. Ein Gewebestück 200 ist zwischen den Segmenten 301a-f eingeklemmt. In der Darstellung in 8 sind die Schaltelemente 304 so geschaltet, dass lediglich zwischen dem ersten Segment 301a der ersten Koagulationselektrode 300 und dem ersten Segment 301d der zweiten Koagulationselektrode 300 ein elektrischer Strom fließt. Dieser kann für eine Messung, für eine Koagulation oder für einen Gewebeschnitt nur zwischen den Segmenten 301a und 301d verwendet werden. Bei der einzelnen Ansteuerung einander gegenüberliegender Segmente ist es wichtig, auch den Bereich zwischen den Segmenten zu durchströmen, da es sonst unter Umständen nicht zu einer vollflächigen Koagulation kommen würde. Hierzu wird nach einer Durchströmung gemäß der 8 zu einer diagonalen Durchströmung gemäß der 9 umgeschaltet. Dabei fließt ein elektrischer Strom zwischen dem ersten Segment 301a der ersten Koagulationselektrode 300 und dem zweiten Segment 301e der zweiten Koagulationselektrode 300, das benachbart zu ihrem ersten Segment 301d ist. Alternativ können auch mehrere Segmente zu einem größeren Segment parallel geschaltet werden oder alle auf einer Seite liegenden Segmente parallel geschaltet werden. Dies ist in 10 dargestellt, wo jeweils ein elektrischer Strom zwischen den Segmenten 301a und 301d, zwischen den Segmenten 301b und 301e und zwischen den Segmenten 301c und 301f fließt.
-
Eine weiteres Ausführungsbeispiel stellt die Verwendung von zwei Hochfrequenzleitungen und bipolaren Schaltelementen dar, sodass auch ein Betriebsmodus realisiert werden kann, bei dem der Stromfluss zwischen Segmenten der gleichen Elektrode fließen kann. Durch den Abstand der derart verschalteten Segmente kann die Eindringtiefe des Stroms und damit die Koagulationstiefe eingestellt werden. Beispielsweise führt der Stromfluss zwischen den Segmenten 301a und 301b der 8 bis 10 nur zu einer sehr oberflächlichen Koagulation, während ein Stromfluss zwischen den Segmenten 301a und 301c auch in tieferen Gewebelagen wirkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
