DE102021003506A1 - Insufflation tube for laparoscopy with heating element, humidifier and device for determining moisture content - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Insufflator mit Insufflationsschlauch mit integriertem Heizelement und Befeuchtungsmittel für die Laparoskopie, wobei eine Messung des Feuchtigkeitsgehaltes möglich ist.The present invention relates to an insufflator with an insufflation tube with an integrated heating element and humidifying means for laparoscopy, it being possible to measure the moisture content.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Insufflator mit Insufflationsschlauch mit integriertem Heizelement und Befeuchtungsmittel für die Laparoskopie, wobei eine Messung des Feuchtigkeitsgehaltes möglich ist.The present invention relates to an insufflator with an insufflation tube with an integrated heating element and humidifying means for laparoscopy, it being possible to measure the moisture content.
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art
Die Laparoskopie ist ein medizinischer Eingriff, bei dem die Bauchhöhle und die darin liegenden Organe visuell überprüft werden können. Hierzu werden üblicherweise kleine Hautschnitte (0,3 bis 2 Zentimeter) in die Bauchdecke gemacht und durch diese ein Trokar eingebracht, welcher wiederum eine optische Vorrichtung aufnehmen kann. Mithilfe eines speziellen Endoskops (Laparoskop) kann der Bauchraum eingesehen werden. Bei der diagnostischen Laparoskopie wird der Bauchraum lediglich visuell inspiziert, im Rahmen einer therapeutischen Laparoskopie können auch operative Eingriffe vorgenommen werden.Laparoscopy is a medical procedure that allows the abdominal cavity and the organs within it to be visually inspected. For this purpose, small skin incisions (0.3 to 2 centimeters) are usually made in the abdominal wall and a trocar is inserted through this, which in turn can hold an optical device. The abdominal cavity can be viewed using a special endoscope (laparoscope). During diagnostic laparoscopy, the abdominal cavity is only visually inspected, while surgical interventions can also be carried out as part of therapeutic laparoscopy.
Üblicherweise wird zu Beginn der Laparoskopie zunächst der Bauchraum mit Gas befüllt, um ein Pneumoperitoneum zu schaffen. Hierzu sind bereits verschiedene Gase verwendet worden, wie z. B. Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid (CO2). Die Verwendung von Kohlendioxidgas hat sich besonders gut bewährt. Es wurde festgestellt, dass es, insbesondere bei längeren laparoskopischen Eingriffen sinnvoll ist, das eingeführte Gas einerseits zu erwärmen und anderseits zu befeuchten. Die Gaserwärmung dient dazu, den Patienten nicht abzukühlen, sowie ein diffuses Schmerzgefühl des Patienten zu vermeiden, welches wahrscheinlich eine Folge lokaler Abkühlung infolge des Eintritts von kaltem Gas ist. Die Befeuchtung dient dazu, einem Austrocknen der inneren Bauchoberflächen vorzubeugen, um die dabei entstehende Abkühlung zu vermeiden.Usually, at the beginning of the laparoscopy, the abdomen is inflated with gas to create a pneumoperitoneum. Various gases have already been used for this purpose, e.g. As air, nitrogen or carbon dioxide (CO 2 ). The use of carbon dioxide gas has proved particularly effective. It was found that it makes sense, particularly in the case of longer laparoscopic interventions, to heat the introduced gas on the one hand and to moisten it on the other. The purpose of the gas heating is not to cool the patient down, as well as to avoid a diffuse feeling of pain in the patient, which is probably a consequence of local cooling due to the entry of cold gas. The humidification serves to prevent the inner abdominal surfaces from drying out in order to avoid the resulting cooling.
Hierzu sind im Stand der Technik bereits Anregungen gegeben. So beschreibt beispielsweise die deutsche Patentschrift
Die
Eine weitere Vorrichtung zur Befeuchtung von Gasen in der Medizintechnik wird in der
Eine weiterhin aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist, einen Feuchtesensor zu benutzen. Eine solche Lösung kann ein Sensor sein, der den Temperaturverlauf beim Aufheizen misst, wie in
Eine andere Möglichkeit, die Restfeuchte ohne Feuchtesensor zu bestimmen ist in
Die vorliegende Erfindung soll die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen überwinden.The present invention is intended to overcome the disadvantages of the solutions known from the prior art.
Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention
Die Erfindung lehrt eine Ausführungsform eines Heizschlauches mit der die Permittivität des Befeuchtungsmaterials gemessen werden kann. Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Aufbau des Heizschlauches analog zu einem Kondensator.The invention teaches an embodiment of a heating tube with which the permittivity of the moistening material can be measured. The basic principle of the solution according to the invention is a construction of the heating hose analogous to a condenser.
Aus der Elektrotechnik sind Kondensatoren als passive Bauelemente bekannt. Kondensatoren bestehen dabei im Prinzip aus zwei elektrisch-leitfähigen Flächen (Elektroden), die von einem isolierendem Material, dem Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Gängige Ausführungsformen derartiger Kondensatoren enthalten plattenförmige Elektroden (Kondensatorplatten). Die elektrotechnischen Eigenschaften der Kondensatoren werden neben der Fläche, dem Volumen und dem Abstand der Elektroden voneinander insbesondere durch die Permittivität des zwischen den Platten befindlichen Dielektrikums bestimmt.Capacitors are known as passive components from electrical engineering. In principle, capacitors consist of two electrically conductive conductive surfaces (electrodes) that are separated from one another by an insulating material, the dielectric. Common embodiments of such capacitors contain plate-shaped electrodes (capacitor plates). The electrical properties of the capacitors are determined not only by the area, the volume and the distance between the electrodes from one another, but also in particular by the permittivity of the dielectric located between the plates.
Es ist ebenfalls bekannt, dass ein Kondensator bei Anlegen eines Wechselstroms einen Widerstand bildet. Dieser Wechselstromwiderstand wird auch Impedanz genannt und kann als komplexer Wechselstromwiderstand beschrieben werden. Die Impedanz kann durch Methoden gemessen werden, die im Stand der Technik beschrieben sind, insbesondere durch Widerstandsmessung eines angelegten Wechselstroms. Für die vorliegende Erfindung ist relevant, dass sich die Impedanz eines Kondensators durch Änderung der Permittivität ε des Dielektrikums ändert.It is also known that a capacitor forms a resistance when an alternating current is applied. This AC resistance is also called impedance and can be described as a complex AC resistance. The impedance can be measured by methods described in the prior art, in particular by measuring the resistance of an applied alternating current. It is relevant for the present invention that the impedance of a capacitor changes as a result of the change in the permittivity ε of the dielectric.
Im vorliegenden Fall besteht das Dielektrikum vor allem aus dem Befeuchtungsmaterial und dessen Wassergehalt („Feuchtigkeit“). Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser müssen die Elektroden voneinander elektrisch isoliert sein. Hierzu ist mindestens ein der Elektroden mit einer elektrischen Isolierung ummantelt.In the present case, the dielectric mainly consists of the moistening material and its water content ("moisture"). Due to the electrical conductivity of water, the electrodes must be electrically insulated from one another. For this purpose, at least one of the electrodes is covered with electrical insulation.
Für den erfindungsgemäßen Anwendungszweck, nämlich die Messung der Feuchtigkeit innerhalb eines Insufflationsschlauches, der seinerseits ein Heizelement und ein befeuchtetes Befeuchtungsmaterial enthält, können im einfachsten Fall zwei Drähte als Elektroden angeordnet werden, die den oben beschriebenen Kondensator bilden. Die Drähte können innerhalb des Schlauchlumens angeordnet sein, die Drähte können insbesondere an die Schlauchinnenwand angebracht (z. B. verklebt oder verschweißt) sein. Eine Fixierung ist empfehlenswert, weil sich die Impedanz ansonsten bei der möglichen Bewegung des Heizschlauches ändern kann. In weiteren Möglichkeiten können die Drähte in die Schlauchwandung eingearbeitet (z.B. eingegossen) sein oder an der Schlauchaußenwand
- • angebracht (z. B. angeklebt) sein. Eine Anordnung innerhalb des Schlauches ist bevorzugt. Die Drähte können dabei weitgehend gerade (parallel zur Orientierung des Schlauches) angeordnet sein. Alternativ können sie auch wendelförmig entlang der Schlauchwand angeordnet sein. Entscheidend für die erfindungsgemäße Funktion ist, dass sich das Befeuchtungsmaterial zwischen den Drähten befindet. Die beiden gegenpoligen Drähte, von denen mindestens einer isoliert sein muss, bilden auf diese Weise einen Kondensator, dessen Impedanz (bei konstanter Frequenz) von den Eigenschaften des Dielektrikums abhängt. Bei Änderung des Feuchtigkeitsgrades des Dielektrikums kommt es zu Änderungen der Impedanz, die messbar sind.
- • be attached (e.g. glued on). An in-tube arrangement is preferred. The wires can be arranged largely straight (parallel to the orientation of the hose). Alternatively, they can also be arranged helically along the hose wall. It is crucial for the function according to the invention that the moistening material is located between the wires. The two wires of opposite polarity, at least one of which must be insulated, thus form a capacitor whose impedance (at constant frequency) depends on the properties of the dielectric. Changing the degree of moisture in the dielectric results in changes in impedance that can be measured.
Der erfindungsgemäße Insufflationsschlauch wird üblicherweise in trockenem Zustand mit dem Insufflator verbunden und der Insufflator misst zunächst die Impedanz in trockenem Zustand, das heißt mit trockenem Befeuchtungsmittel. Anschließend wird das Befeuchtungsmittel mit der passenden Menge des Befeuchtungsmittels (z.B. Wasser) befeuchtet. Die hierfür nötige Wassermenge hängt von der Menge des Befeuchtungsmittels im Schlauch ab. Der Schlauch kann einen Einfüllstutzen für die Befüllung mit Wasser enthalten. Nach der Befeuchtung wird erneut die Impedanz gemessen. Im Betrieb gibt das Befeuchtungsmittel Wasser an die Luft ab. Die Impedanz nähert sich in der Folge wieder an das Niveau des trockenen Schlauches an.The insufflation tube according to the invention is usually connected to the insufflator in the dry state and the insufflator first measures the impedance in the dry state, ie with a dry moistening agent. The humectant is then moistened with the appropriate amount of humectant (e.g. water). The amount of water required for this depends on the amount of moistening agent in the hose. The hose may include a filler neck for water filling. After humidification, the impedance is measured again. In operation, the humectant releases water into the air. The impedance then approaches the level of the dry hose again.
Bei Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass einfache Metall- (z. B. Kupfer) Drähte mit einem Durchmesser von 0,1-1 mm bereits ausreichend sind, um die Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Befeuchtungsmittels zu messen (s.u.).
Es hat sich herausgestellt, dass produktionsbedingte Schwankungen der Drähte (z.B. Drahtdurchmesser, -länge) oder deren Verlegung zu geringfügigen Änderungen der Impedanzen führen können. Da die Impedanz frequenzabhängig ist, können derartige Schwankungen durch Frequenzänderungen kompensiert werden. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden die Impedanzen im trockenen und/oder befeuchteten Zustand vom Insufflator gemessen und durch Änderung der Frequenz des angelegten Wechselstroms auf eine vorher bestimmte Sollimpedanz eingestellt.It has been found that production-related fluctuations in the wires (e.g. wire diameter, length) or their laying can lead to minor changes in the impedances. Since the impedance depends on the frequency, such fluctuations can be compensated for by changing the frequency. In a special embodiment of the invention, the impedances are measured by the insufflator in the dry and/or humidified state and adjusted to a previously determined target impedance by changing the frequency of the applied alternating current.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden die Impedanzen nach der Produktion im trockenen und/oder befeuchteten Zustand gemessen und die Messwerte auf einem Datenträger gespeichert. Zu den gespeicherten Daten können folgende Daten gehören:
- - Impedanz (bei trockenem Befeuchtungsmaterial) bei einer oder mehreren bestimmten Messfrequenzen
- - Impedanz (bei feuchtem Befeuchtungsmaterial) feucht bei einer oder mehreren bestimmten Messfrequenzen
- - Messfrequenz zum Erzielen einer bestimmten Impedanz bei feuchtem Befeuchtungsmaterial
- - Messfrequenz zum Erzielen einer bestimmten Impedanz bei trockenem Befeuchtungsmaterial
- - Impedance (for dry dampening material) at one or more specific measurement frequencies
- - Impedance (for wet dampening material) wet at one or more specific measurement frequencies
- - Measurement frequency to achieve a certain impedance with moist dampening material
- - Measuring frequency to achieve a certain impedance with dry dampening material
Die Speicherung kann beispielsweise auf einem RFID-Chip, einem Magnetband oder auf einem Barcode erfolgen, wobei der Insufflator eine kompatible Leseeinheit aufweisen muss. In diesem Fall würde der Insufflator beim oder nach dem Fixieren des Insufflationsschlauches die gespeicherten Daten auslesen und zur Einstellung des Gerätes heranziehen.It can be stored, for example, on an RFID chip, a magnetic tape or a barcode, with the insufflator having to have a compatible reading unit. In this case, the insufflator would read out the stored data during or after fixing the insufflation tube and use it to set the device.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die kondensatorbildenden Drähte durch die Anschlusskabel eines Temperatursensors gebildet. Bei dieser Ausführungsform befindet sich im Schlauch ein üblicher Temperatursensor (z. B. DS18S20). Es muss sich in jedem Fall um einen bei der zum Messen anliegenden Wechselstromfrequenz hochohmigen temperaturabhängigen Widerstand handeln, damit der Kondensator nicht kurzgeschlossen wird. Ein prinzipielles Schaltbild ist in
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können Temperatur- und Feuchtigkeitsgehalt nicht gleichzeitig gemessen werden, die Messung dieser Eigenschaften erfolgt nacheinander, insbesondere im stetigen Wechsel. Durch Anlegen eines Gleichstromes an die beiden Anschlusskabel kann der Widerstand des Temperatursensors gemessen werden, aus dem dann die Temperatur bestimmt wird. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselstroms kann die Impedanz des gebildeten Kondensators ermittelt werden, welche in Relation zur Feuchtigkeit des Befeuchtungsmaterials steht.In another embodiment of the invention, the capacitor-forming wires are formed by the connection cables of a temperature sensor. In this embodiment, a standard temperature sensor (e.g. DS18S20) is located in the hose. In any case, it must be a high-impedance, temperature-dependent resistor at the AC frequency used for measurement, so that the capacitor is not short-circuited. A basic circuit diagram is in
In this embodiment of the invention, the temperature and moisture content cannot be measured simultaneously; these properties are measured one after the other, in particular in constant alternation. By applying a direct current to the two connection cables, the resistance of the temperature sensor can be measured, from which the temperature can then be determined. By applying a high-frequency alternating current, the impedance of the capacitor formed can be determined, which is related to the moisture content of the dampening material.
Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Anzahl der Drähte im Schlauch begrenzt wird. Auch in dieser Ausführungsform können die Anschlussdrähte für den Temperatursensor außerhalb oder innerhalb des Schlauches bzw. in der Schlauchwand angeordnet sein.The advantage of this embodiment is that the number of wires in the hose is limited. In this embodiment too, the connection wires for the temperature sensor can be arranged outside or inside the tube or in the tube wall.
In einer weiterhin alternativen Ausführungsform der Erfindung, kann einer der kondensatorbildenden Drähte auch durch einen Heizdraht gebildet sein (
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Gaszufluss in den Insufflationsschlauch durch einen als Geflechtsschlauch ausgeformtes Befeuchtungsmittel, das seinerseits innerhalb des Insufflationsschlauches positioniert ist. Wie in der
Wenn es sich bei dem Heizdraht um ein Material handelt, bei dem der Widerstand mit der Temperatur steigt (z. B. ein Material mit einem positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten (PTC oder NTC), wie in
Die erfindungsgemäße Messung der Feuchtigkeit des Befeuchtungsmittels erfolgt auf prinzipiell bekannte Weise, nämlich durch Messung der Impedanz mittels eines angelegten Wechselstroms möglichst hoher Frequenz (z. B. 100 kHz bis 100 MHz). Da die Impedanz von der genauen Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung abhängt (u. a. Abstand der kondensatorbildenden Drähte voneinander, Art des Befeuchtungsmaterials, Zusammensetzung des Befeuchtungsmittels, geometrische Anordnung der Drähte, etc.), ist für jede Bauweise eines derartigen Schlauches eine Impedanzmessung durchzuführen. Hierzu wird der weiter unten geführte Schlauchaufbau zunächst ohne Befeuchtungsmittel (Wasser) realisiert und die Impedanz des gebildeten Kondensators über übliche Methoden gemessen. Anschließend wird das Befeuchtungsmaterial durch Zugabe des Befeuchtungsmittels (Wasser) maximal befeuchtet. Unter Verwendung eines Dummys wird der Schlauch dann geheizt und von Gas durchströmt. Währenddessen wird die Impedanz kontinuierlich oder periodisch gemessen und der Verlauf der Impedanz aufgezeichnet. Auf Grund der möglichen verschiedenen Bauformen derartiger erfindungsgemäßer Insufflationsschläuche ist der Absolutwert der Impedanz vergleichsweise unwichtig. Entscheidend ist der Verlauf der Impedanz in Korrelation mit dem Befeuchtungsgrad des Befeuchtungsmaterials.The measurement of the humidity of the moistening agent according to the invention is carried out in a manner which is known in principle, namely by measuring the impedance using an applied alternating current of the highest possible frequency (eg 100 kHz to 100 MHz). Since the impedance depends on the precise design of the device according to the invention (among other things, the distance between the capacitor-forming wires, the type of moistening material, the composition of the moistening agent, the geometric arrangement of the wires, etc.), to carry out an impedance measurement of such a hose. For this purpose, the tube structure shown below is initially realized without a moistening agent (water) and the impedance of the capacitor formed is measured using conventional methods. Then the dampening material is maximally dampened by adding the dampening agent (water). Using a dummy, the tube is then heated and gas is passed through it. Meanwhile, the impedance is measured continuously or periodically and the course of the impedance is recorded. Due to the possible different designs of such insufflation tubes according to the invention, the absolute value of the impedance is comparatively unimportant. The course of the impedance in correlation with the degree of moistening of the moistening material is decisive.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor allem, den Zustand des Befeuchtungsmittels in Bezug auf seinen Wassergehalt, d.h. den Wassergehalt des Befeuchtungsmittels zu ermitteln, ohne die eingangs genannten Nachteile zu implementieren. Primäre Zielstellung ist die Generierung eines Nachfüllalarms/-signals, d. h. eines Signals, welches dem Benutzer mitteilt, wann eine Nachfüllung von Wasser nötig ist.The object of the present invention is primarily to determine the condition of the moistening agent in relation to its water content, i.e. the water content of the moistening agent, without implementing the disadvantages mentioned at the outset. The primary objective is to generate a refill alarm/signal, i. H. a signal that tells the user when a refill of water is needed.
So kann zum Beispiel ein Alarmsignal ausgelöst werden, wenn der Wassergehalt des Befeuchtungsmaterials einen voreingestellten Schwellenwert unterschreitet. Die Auslösung des Alarmsignals kann beispielsweise erfolgen, wenn ein voreingestellter Schwellenwert 50%, 40%, 30%, 20 %, 10% oder 5% der maximalen Feuchtigkeit entspricht.For example, an alarm signal can be triggered if the water content of the dampening material falls below a preset threshold. The alarm signal can be triggered, for example, when a preset threshold value corresponds to 50%, 40%, 30%, 20%, 10% or 5% of the maximum humidity.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe „Wassergehalt des Befeuchtungsmittels“ und „Feuchtigkeit des Befeuchtungsmittels“ als synonym angesehen.In the context of the present invention, the terms "water content of the humectant" and "moisture of the humectant" are considered synonymous.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Insufflationsschlauches: Oben dargestellt ist ein leerer Schlauch. In den Schlauch werden zwei Drähte eingebracht und an der Schlauchwand fixiert (Mitte). Die voneinander elektrisch isolierten Drähte wirken als Kondensator, dessen Impedanz von den dazwischenliegenden Medien abhängt. Die Anschlüsse zum Insufflator sind dargestellt. In der unteren Abbildung sieht man das Befeuchtungsmittel, das mit dem Heizdraht umwendelt ist. Die elektrischen Heizdrahtanschlüsse sind ebenfalls zu sehen.1 shows schematically the structure of an insufflation tube according to the invention: an empty tube is shown at the top. Two wires are inserted into the tube and fixed to the tube wall (centre). The wires, which are electrically isolated from one another, act as a capacitor whose impedance depends on the media in between. The connections to the insufflator are shown. In the figure below you can see the moistening agent, which is wrapped with the heating wire. The electrical heating wire connections can also be seen. -
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der die kondensatorbildenden Drähte durch die Anschlusskabel eines Temperatursensors gebildet werden.2 Figure 1 shows an embodiment of the invention in which the capacitor-forming wires are formed by the lead wires of a temperature sensor. -
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der einer der kondensatorbildenden Drähte durch einen Heizdraht gebildet ist. In einer optionalen Variante kann die Temperatur ebenfalls durch den Heizdraht gemessen werden (analog zuWO 2014/111083 A1 3 Figure 12 shows an alternative embodiment of the invention in which one of the capacitor-forming wires is formed by a heating wire. In an optional variant, the temperature can also be measured through the heating wire (analogous toWO 2014/111083 A1 -
4 zeigt beispielhaft den Messzyklus und die Ergebnisse: Der beispielhaft herangezogene Schlauch wird zunächst in trockener Form vermessen und zeigt eine Impedanz von 100 Ohm. Zum Zeitpunkt t=0 s wird mit 10 ml Wasser (destilliert) angefeuchtet, die Impedanz fällt dabei auf 10 Ohm. Durch das Durchleiten von Gas (hier: CO2) bei gleichzeitiger Heizung auf 39°C verdampft das Wasser im Laufe der Zeit, bzw. im Laufe des Gasflusses (hier: konstanter Gasfluss von 10 l/min). Nach Durchleitung von 200l ist das Wasser praktisch vollständig verbraucht, das Befeuchtungsmaterial ist wieder trocken, so dass wieder (annähernd) die ursprüngliche Impedanz von 100 Ohm gemessen wird. Es zeigt sich, dass sich die gemessenen Absolutwerte unterscheiden, wenn statt (destilliertem) Wasser eine isotone Kochsalzlösung verwendet wird (gestrichelte Linie). Der Verlauf der Messkurve ist allerdings ähnlich, so dass auch in diesem Fall eine Feuchtigkeitsmessung möglich ist.4 shows an example of the measurement cycle and the results: The hose used as an example is first measured in dry form and shows an impedance of 100 ohms. At time t=0 s it is moistened with 10 ml water (distilled), the impedance falls to 10 ohms. By passing through gas (here: CO 2 ) with simultaneous heating to 39°C, the water evaporates over time or in the course of the gas flow (here: constant gas flow of 10 l/min). After passing through 200l, the water is almost completely used up, the moistening material is dry again, so that the original impedance of 100 ohms is measured again (approximately). It turns out that the absolute values measured differ when an isotonic saline solution is used instead of (distilled) water (dashed line). However, the course of the measurement curve is similar, so that a moisture measurement is also possible in this case.
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