DE19538015A1 - Künstliches Gewebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Gewebe sowie künst­ liche Organe, Organteile oder Organsysteme und eine Verwen­ dung von künstlichen Geweben oder künstlichen Organen zum chirurgischen Operationstraining.

Künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme für Unter­ richtszwecke im Fach Anatomie sind bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. Es existieren jedoch keine künstlichen Organe, Organteile oder Organsysteme, an welchen spezielle diagnostische und/oder interventionelle, wie z. B. HF-chir­ urgische Verfahren oder dergleichen trainiert werden kön­ nen.

Ein Training an künstlichen Organen, Organteilen oder Organsystemen ist aber insbesondere in der starren wie in der flexiblen Endoskopie außerordentlich wichtig, um eine sichere Handhabung der endoskopischen Instrumente zu erler­ nen.

Bekanntermaßen enthalten operative Verfahren der Endo­ skopie, wie beispielsweise die endoskopische Polypektomie und die transurethrale Resektion der Prostata, relativ viele variable und interdependente Parameter, so daß es sich zur sicheren Anwendung und zur Vermeidung von Kompli­ kationen bei entsprechenden operativen Verfahren als drin­ gend notwendig erweist, ein umfassendes Training durch­ zuführen.

Ein wichtiger Parameter bei allen operativen Verfahren, bei denen die Hochfrequenzchirurgie genutzt wird, ist die Hoch­ frequenzleistung, deren Intensität sowohl beim Koagulieren als auch beim Schneiden entscheidend ist. Das Einstellen der jeweiligen Leistung und das Führen des Operations­ instrumentes erfordern Erfahrung und Geschick, das nur durch entsprechendes Training zu erlernen ist.

Unter Koagulieren wird die Anwendung hochfrequenten elek­ trischen Wechselstromes zur lokalen endogenen Erwärmung biologischen Gewebes verstanden, wobei die Erwärmung bis zu einer Temperatur erfolgt, bei welcher intra- und extrazel­ luläre kolloidale Gewebebestandteile aus dem Sol in einen Gelzustand übergehen. Zusätzliche Erwärmung des koagulier­ ten Gewebes führt zum Austrocknen, d. h. zur Desikkation, wodurch das Gewebevolumen schrumpft. Eine weitere Erwärmung des ausgetrockneten Gewebes führt zur Karbonisation, d. h. zur Verbrennung. Die drei vorgenannten thermisch verur­ sachten Nekrosestadien unterscheiden sich lediglich durch die hierfür erforderliche Wärmemenge.

Bereits hieraus wird deutlich, daß große Erfahrungswerte vorliegen müssen, um die gewünschte Technik erfolgreich an­ wenden zu können. Beispielsweise reicht in einigen Fällen für eine effiziente Hämostase, d. h. Blutstillung die Ko­ agulation, in anderen die Desikkation aus. Für das Schnei­ den mittels HF-chirurgischer Verfahren ist es notwendig, Energie dergestalt zuzuführen, daß gezielt und schnell ein endogenes Erwärmen des biologischen Gewebes bis zu einer Temperatur erfolgt, bei welcher intra- und extrazelluläres Wasser so schnell verdampft, daß hierüber die Zellmembranen durch den plötzlichen Dampfdruck zerrissen werden.

Zusätzliche Schwierigkeiten entstehen dann, wenn in der Gastroenterologie unter Zuhilfenahme endoskopischer Instru­ mentarien mittels Argon-Plasma-Koagulationen durchgeführt werden sollen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein künstliches Gewebe sowie künstliche Organe anzugeben, das bzw. die in effekti­ ver Weise ein realitätsnahes Training und Ausbildung zur Handhabung chirurgischer Operationstechniken ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Ge­ genstand nach den Merkmalen der Patentansprüche 1, 11 und/oder 12, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmä­ ßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein künstli­ ches Gewebe anzugeben, welches zum einen eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist, so daß die physikali­ schen Effekte, die das Schneiden bei der HF-Chirurgie er­ möglichen, eintreten, weiterhin Wasser im Gewebe einge­ bunden ist, welches verdampfen kann und darüber hinaus Mit­ tel vorgesehen sind, welche festen organischen Gewebebe­ standteilen gleichkommen, so daß eine Verbrennung selbiger analog dem natürlichen Gewebe möglich ist.

Darüber hinaus ist, dem Grundgedanken der Erfindung fol­ gend, das künstliche Gewebe formbar, so daß natürliche Or­ gane, Organteile oder Organsysteme nachgebildet werden kön­ nen.

So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für das künstliche Gewebe formbeständige Hydrogele zu verwenden. Zusätzlich wird der Mischung zur Bildung des Gewebes ein Elektrolyt sowie brennbare Fasern, beispielsweise Baumwolle oder der­ gleichen, beigegeben.

Dadurch, daß gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfin­ dung unterschiedliche Mischungsverhältnisse der oben ge­ nannten Bestandteile realisiert werden können und innerhalb einer Gewebestruktur verschiedene künstliche Gewebe aus un­ terschiedlichen Mischungsverhältnissen miteinander ver­ bunden sein können, sind natürliche Gewebe mit un­ terschiedlichen Strukturen oder Strukturverteilungen nach­ bildbar.

In einer Ausführungsform werden dem künstlichen Gewebe Farbstoffe zugesetzt, so daß ein dem natürlichen Gewebe entsprechendes Aussehen einstellbar ist. Vorteilhafterweise werden Farbstoffe verwendet, welche bei einer oder mehreren verschiedenen definierten Temperaturen, beispielsweise bei der Temperatur, bei welcher natürliche, menschliche Gewebe thermisch koagulieren, einen oder mehrere Farbumschläge zeigen. Vorteilhafterweise werden Thermocolore eingesetzt, die im Temperaturbereich von ca. 50 und 100°C einen Farb­ umschlag zeigen. Hierdurch ist es möglich, die Temperatur­ entwicklung im künstlichen Gewebe während und nach einem Schneide- und/oder Koagulationsvorgang zu beobachten und zu kontrollieren.

In dem Falle, wo künstliche Gewebe verwendet werden, welche einen oder mehrere temperaturabhängige Farbumschläge zei­ gen, sind diese einerseits zum Trainieren von Schneideffek­ ten, andererseits aber auch zum Trainieren von thermischen Koagulationstechniken, wie beispielsweise monopolarer oder bipolarer Kontaktkoagulation, Argon-Plasma-Koagulation und Laser-Koagulation, einsetzbar.

Erfindungsgemäß wird gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung der Mischung zur Bildung künstlicher Gewebe ein hygroskopisches Mittel, beispielsweise Glyzerin, beigege­ ben, so daß ein frühzeitiges, unerwünschtes Austrocknen verhindert wird. Zusätzlich verbessert die Glyzerin-Bei­ mischung die Verbrennung der im Gewebe enthaltenen Fasern. Ebenso ist eine Beimischung von aus der Lebensmittelchemie bekannten Konservierungsmitteln zur Vermeidung von Schim­ melbildung vorteilhaft.

Erfindungsgemäß sind aus den künstlichen Geweben Organe, Organteile oder Organsysteme formbar, die nicht nur der Darstellung der Anatomie sowie pathologische Veränderungen dienen, sondern die auch zum Training chirurgischer Inter­ ventionen verwendet werden können.

Hierdurch wird der Chirurg in die Lage versetzt, zum einen die jeweiligen pathologischen Veränderungen, z. B. Polypen, Tumore, Ulzera usw. zu erkennen, und zum anderen darüber hinaus durch eine entsprechende Operationsmethode, z. B. Schneiden, Koagulieren, Vaporisieren, Argon-Plasma-Koagu­ lieren, Laser-Applizieren, derartige krankhafte Veränderun­ gen im Training chirurgisch zu behandeln oder zu entfernen.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung geht davon aus, daß in den künstlichen Geweben Gefäßstrukturen und Körperhöhlen eingeformt werden können, die mit Röntgenkon­ trastmitteln, Konkrementen, Flüssigkeiten oder Gasen füll­ bar sind, um diagnostische Verfahren, wie beispielsweise bildgebende Verfahren sowie kombinierte Verfahren, wie bei­ spielsweise die Papillotomie oder die Steinextraktion, zu trainieren. Derartige künstliche Körperhöhlen werden auch zum Training endoskopischer HF-chirurgischer Verfahren ver­ wendet.

Alles in allem gelingt es mit der Erfindung ein künstliches Gewebe bereitzustellen, welches insbesondere beim Schneiden oder Koagulieren mittels HF-Strom sowie Laser-Applikation Effekte zeigt, die denjenigen in natürlichen menschlichen Geweben weitestgehend entsprechen.

So wird infolge der elektrischen Leitfähigkeit die Möglich­ keit gegeben, daß HF-Strom fließen kann, wodurch endogene Wärme entsteht. Hierdurch wiederum wird die Dampfbildung und folglich Desikkation erreicht. Da die eingesetzten Hydrogele bei höheren Temperaturen vom Gel- in den Sol­ zustand übergehen, d. h. schmelzen und andererseits die beigemischten brennbaren Fasern erst dann durchtrennt wer­ den können, wenn die HF-Spannung ausreichend hoch ist, so daß sich ein elektrischer Lichtbogen zwischen Schneidelek­ trode und Gewebe ausbildet, werden Effekte erzielt, die sich am Verhalten fester organischer Gewebebestandteile orientieren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden.

Ein künstliches Gewebe, aus welchem natürliche Organe, Organteile oder Organsysteme geformt wurden, besteht aus einem wasserhaltigen Material, insbesondere einem Hydrogel, welchem ein Elektrolyt, beispielsweise Natriumchlorid, Ka­ liumchlorid oder dergleichen, beigemischt wurde. Zusätzlich enthält die Mischung, aus welcher das künstliche Gewebe hergestellt wird, brennbare Fasern, beispielsweise Baum­ wolle, Leinen oder Kämmling, welcher bei der Schafwollpro­ duktion anfällt.

Als formbeständiges Hydrogel wird beispielsweise eine Mischung aus 0,2% Agar-Agar und 99,8% Wasser oder 0,6% Ge­ latine und 99,4% Wasser verwendet.

Analog sind auch andere Gele, d. h. an Flüssigkeiten und Gasen reiche disperse Systeme aus mindestens zwei Komponen­ ten verwendbar, die einen festen, kolloid verteilten Stoff und Wasser als Dispersionsmittel aufweisen. Vorteilhaft ist die Verwendung des erwähnten Agar-Agars, eines gelbildenden Heteropolysacchariden, dessen Herstellung kommerziell be­ trieben wird. Agar-Agar bildet noch in 1%-iger Lösung ein festes Gel, das zwischen 80 und 100°C schmilzt, und des­ halb vorteilhaft angewendet werden kann. Die verwendeten Hydrogele vereinen auf der einen Seite hydrophile, auf der anderen Seite aber wasserunlösliche Eigenschaften und gewährleisten die gewünschte Formerhaltung. Der der Mischung beigefügte Elektrolyt dient dem Erhalt der ge­ wünschten elektrischen Leitfähigkeit und die vorhandenen Fasern bilden dem Natürlichen entsprechend einen mechani­ schen Widerstand beim Schneiden des Gewebes, welcher nur überwunden werden kann, wenn die Energie, z. B. die HF-Spannung so hoch ist, daß sich ein Lichtbogen zwischen Schneidelektrode und Gewebe ausbildet und die im Lichtbogen befindliche Faser verbrennen.

Die durch den Elektrolyt gegebene elektrische Leitfähigkeit ermöglicht das Fließen von HF-Strom im künstlichen Gewebe, wodurch endogene Wärme entsteht. Die Wärme führt zur Dampf­ bildung und Desikkation des künstlichen Gewebes. Wie er­ wähnt, werden brennbare Fasern dem künstlichen Gewebe bei­ gefügt, um einen Schneideffekt zu erreichen, der der HF-Chirurgie im natürlichen menschlichen Gewebe entspricht, bei welchem feste organische Gewebebestandteile ein kraft­ loses Hindurchschmelzen der Schneidelektrode verhindern. Mit anderen Worten führt die Beimischung brennbarer Fasern, beispielsweise Baumwolle oder dergleichen in das Hydrogel zur Nachbildung der Eigenschaften natürlicher, menschlicher Gewebe, so daß das künstliche Gewebe entsprechend der ge­ nannten Zusammensetzung bezüglich des Schneideffektes mit HF-Strom ähnliche Eigenschaften zeigt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird dem künstlichen Gewebe mit der erwähnten Zusammensetzung ein Farbstoff bei­ gegeben, so daß sich ein entsprechendes natürliches Ausse­ hen einstellt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Farbstoffen, bei welchen Farbumschläge in vorgegebenen Tem­ peraturbereichen auftreten. Vorteilhaft ist die Anwendung sogenannter Thermocolore, die ein geändertes Farbverhalten im Temperaturbereich von ca. 50 und 100°C zeigen. Bei An­ wendung derartiger Farbstoffe kann die Temperaturentwick­ lung im künstlichen Gewebe während und nach einem Schneide- und/oder Koagulationsvorgang beobachtet und kontrolliert werden, wodurch sich der Ausbildungs- und Lerneffekt ver­ bessert.

In dem Falle, wo künstliche Gewebe eingesetzt werden, wel­ che einen oder mehrere temperaturabhängige Farbumschläge zeigen, eignen sich diese nicht nur zum Trainieren von Schneideffekten, sondern auch zum Training von thermischen Koagulationstechniken, wie beispielsweise der monopolaren oder bipolaren Kontakt-Koagulation, Argon-Plasma-Koagula­ tion oder der Laser-Koagulation.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine künstli­ che, unterschiedliche Gewebestruktur dadurch nachgebildet, indem einzelne Gewebebestandteile unterschiedliche Mischungsverhältnisse zwischen Hydrogel und Faseranteil so­ wie Elektrolyten aufweisen, so daß unterschiedliche physi­ kalische Eigenschaften simulierbar sind. Zusätzlich können den unterschiedlich gemischten, künstlichen Geweben unter­ schiedliche Farben beigegeben werden, um die Gewebestruk­ turen auch visuell deutlich zu machen.

Es hat sich gezeigt, daß das Beimischen hygroskopischer Mittel, beispielsweise Glyzerin oder dergleichen, ein früh­ zeitiges Austrocknen des künstlichen Gewebes verhindert, so daß dessen Lager- und Einsatzfähigkeit über einen längeren Zeitraum gewährleistet ist. Zusätzlich verbessert die Gly­ zerinbeimischung während des Schneidvorganges die Verbren­ nung der Fasern.

Durch die Formbarkeit der Mischung können gemäß einem wei­ teren Ausführungsbeispiel künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme mit anatomischen und/oder pathologischen Abnormalitäten bzw. Befunden nachgebildet werden, so daß entsprechende chirurgische Interventionen, insbesondere auch endoskopische Techniken trainiert werden können. Ins­ besondere zum Training endoskopischer Operationstechniken können die künstlichen Organe, Organteile oder Organsysteme eingeformte Körperhöhlen aufweisen, so daß einerseits dia­ gnostische Verfahren und andererseits aber, wie bereits erläutert, chirurgische Operationstechniken erprobt und er­ lernt werden können. Es können aber auch pathologische Gewebestrukturen, wie beispielsweise Polypen und/oder Tumore, aus diesem erfindungsgemäßen künstlichen Gewebe geformt werden, welche in ebenfalls künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme einfügbar sind.

Die künstlichen Gewebe, Organe, Organteile oder Organ­ systeme gemäß vorliegenden Ausführungsbeispielen gewähr­ leisten die insbesondere für die HF-Chirurgie erforderli­ chen Effekte, nämlich zum einen eine ausreichende elektri­ sche Leitfähigkeit, die Verdampfung von enthaltenem Wasser bei HF-Behandlung sowie die Verbrennung fester, organischer Bestandteile dann, wenn sich beispielsweise ein elek­ trischer Lichtbogen zwischen Schneidelektrode und dem Ge­ webe ausbildet. Das erfindungsgemäße Gewebe kann außerdem auch zum Erlernen anderer thermischer Operationsverfahren, wie beispielsweise mit Laser, Kautern oder Mikrowelle ange­ wendet werden, wobei jedoch die Beimischung von Elektroly­ ten zur Nachbildung der elektrischen Leitfähigkeit nicht erforderlich ist.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß das künstliche Gewebe knochenähnliche Stützstrukturen aufweisen kann, so daß sich die Möglichkeit zum Erlernen und Trainieren der Operations­ techniken weiter verbessert.

Claims (12)

1. Künstliches Gewebe, gekennzeichnet durch eine formbare Mischung aus einem Hydrogel, einem Elektroly­ ten sowie brennbaren Fasern.

2. Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel Agar-Agar und Wasser enthält.

3. Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel Gelatine und Wasser enthält.

4. Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel ein hydrophiles, wasserunlösliches Polymer ist.

5. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kalzium­ chlorid oder dergleichen ist.

6. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die brennbaren Fasern aus Baumwolle, Leinen, Kämmling oder dergleichen bestehen.

7. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Beimischung von Farbstoffe zur farblichen Nachbildung natürlichen Gewebes.

8. Gewebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstoffe im Temperaturbereich zwischen 50 und 100°C einen oder mehrere Farbumschläge aufweisen.

9. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse und Zusammenfügen von mehreren Geweben unterschiedlicher Mischungsverhält­ nisse zur Bildung einer Gewebestruktur.

10. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Beimischung eines hygroskopischen Mittels, insbesondere Glyzerin zum Haltbarmachen.

11. Künstliches Organ, Organteil oder Organsystem minde­ stens bestehend aus einem Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Verwendung von künstlichem Gewebe oder künstlichen Organen, Organteilen oder Organsystemen nach einem der An­ sprüche 1 bis 11 zum chirurgischen Operationstraining, ins­ besondere für das Training HF-chirurgischer Effekte, ther­ mischer Koagulationstechniken, der Argon-Plasma-Koagula­ tion, von Laser-Applikationen, Schneiden, Vaporisieren, Kyro-Behandlungen sowie zur endoskopischen Polypektomie und Papillotomie.