DE2347230A1 - Chirurgisches instrument zum ultraschallverschweissen biologischer gewebe - Google Patents

Description

530-21.^21P 19- 9. 1973

Moskovskoe ordena Lenina i ordena Trudovogo Krasnogo Znameni Vyssee techniSeskoe imeni M.E. Baumana, Moskau (UdSSR)

Chirurgisches Instrument zum Ultraschall-Verschweißen biologischer Gewebe

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument, insbesondere ein chirurgisches Instrument zum Verbinden bzw. Verschweißen biologischer Gewebe mittels Ultraschall.

Bekannt sind Versuche, in der chirurgischen Praxis Geräte zum Ultraschall-Verschweißen biologischer Gewebe zu verwenden, die im wesentlichen einen an einen Ultraschallgenerator angeschlossenen Konzentrator mit einem Schweißglied oder -endstück enthalten, das während des Betriebs

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mechanische Ultraschall-Longitudina!schwingungen ausführt und einen unmittelbaren Kontakt mit den Fragmenten des biologischen Gewebes herstellt (vgl. Thesen der Re- ' ferate der Erfinder auf der dritten wissenschaftlichen Konferenz für operative Anwendung von Ultraschall in der Traumatologie, Orthopädie und Thorax-Chirurgie; Moskau, Juni 1972>

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein handliches chirurgisches Instrument langer Lebensdauer zum Verschweißen von Fragmenten biologischer Gewebe zu schaffen, das gewährleistet ein Verschweißen der Fragmente mit erhöhter Festigkeit, ein maximales Durchdringen von Knochengewebe durch einen Zusatzwerkstoff unter Ultraschalleinwirkung, eine zweckmäßige Formung der Schweißstelle auch im Falle eines Verschweißens von Knochenfragmenten mittels eines Transplantats und schließlich eine vorbestimmte Behandlungsfläche des Schweißkonglomßrats beim Gev/ebeverschweißen.

Diese Aufgabe wird durch ein chirurgisches Instrument zum Ultraschall-Schweißen und -Auftragsschweißen biologischer Gewebe, mit einem an einem Ultraschallgenerator angeschlossenen Konzentrator, der stetig in ein Behandlungsglied bzw. eine Schweißspitze übergeht, durch das bzw. durch die eine unmittelbare Berührung mit den beiden zu verschweißenden Fragmenten des biologischen Gewebes herstellbar ist, zwischen denen zuvor ein Zusatz-•werkstoff angeordnet wird, dadurch gelöst, daß das Behandlungsglied bzw. die Sehweißspitze als ein metallischer Keil ausgeführt ist, von dem mindestens eine Flanke unter einem Winkel von 90 - ^5 zur Längsachse des Behandlungsglieds bzw. der Schweißspitze angeordnet ist

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und von deren Ende bis zu deren Übergangsabschnitt in den Konzentrator reicht.

Eine derartige Ausführung der Sehweißspitze (Behandlungsglieds) des chirurgischen Instruments gestattet eine äußerst wirksame Ausnutzung ihrer relativ kleinen Abmessungen zur Übertragung der Ultraschallschwingungen auf eine maximal ausgedehnte Oberfläche«

Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, daß die keilförmige Schweißspitze mit zwei zueinander geneigten Flanken auf ihrem Abschnitt vom freien Ende bis zum Übergang in den Konzentrator ausgeführt ist.

Diese Ausführungsform des Instruments ist besonders geeignet für ein optimales gleichzeitiges Eindringen des Monomer-Zusatzwerkstoffs in die Oberfläche sowohl der zu verbindenden Fragmente des Gewebes als auch des Transplantats.

Es ist ferner zweckmäßig, daß zum AuTtragsschweißen von Zusatzwerkstoff in eine Aussparung des biologischen 'ewebes die Schweißspitze ein sich vom Konzentrator zur freien Ende aufweitender, um die Längsachse symmetrischer Keil ist, so daß die Behandlungsfläche der Schweiß*· spitzenflanken vergrößert ist.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß der Konzentrator mit der keilförmigen Schweißspitze aus einer Titanlegierung besteht, und daß der Zusatzwerkstoff ein flüssiges Monomer-Zyakrin in Mischung mit Knochen-Homo- oder Heretospänen ist.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in« der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments zum Ultraschall-Verbinden biologischer Gewebe abgebildet sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schallkopf mit dem Ultraschallinstrument zum Verschweißen biologischer Gewebe;

Fig. 2 ein Schallsystem eines Geräts zum Ultraschall-Verbinden biologischer Gewebe gemäß der Erfindung;

Fig. j5 ein Blockschaltbild des in Fig. 2 dargestellten Geräts;

Fig. 4 eine keilförmige Schweißspitze gemäß der Erfindung (Gesamtansicht);

Fig. 5 das· Verschweißen von Knochenfragmenten mittels Transplantat mit einer Schweißspitze gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 eine Abwandlung der keilförmigen Schweiß- ? spitze zum Ultraschall-Auftragsschweißen mit dem Instrument gemäß der Erfindung.

Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau des .Behandlungsteils des Ultraschallinstruments. Dieses Instrument ist zum Ultrascha11-Verbinden oder -Versehweißen biologischer Knochengewebe bestimmt. Das Ultranchallinstrument (Fig. 1) hat einen Schaft 1 aus Titan, dessen Querschnitt sich exponentiell ändert, und auf dem verjüngten Ende des Schafts befindet sich ein Behandlungsglied, nämlich eine Schweißspitze 2. Das Instrument ist Teil eines Schall-

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systems. Es ist an einem Schallkopf j5 mittels einer Verschraubung 4 lösbar befestigt. Das Ultraschallinstrument gehört zum Gebiet medizinischer Geräte zum Ultraschall-Schneiden, -Schweißen und -Auftragsschweißen lebender biologischer Gewebe.

Das Gerät besteht aus einem Ultraschallgenerator 5 (vgl. Fig. 2) mit einer Leistung von ca. 250 W, drei akustischen Köpfen (zum Schweißen, Auftragsschweißen und Trennen) und einem Satz von Instrumenten zur Ultrascha11-Behandlung biologischer Gewebe.

Zum Gerät gehört auch eine hermetische Kapsel (nicht gezeigt) für die Sterilisierung der Schallköpfe und Instrumente.

Das Schallsystem (vgl. Fig. 2) des Geräts besteht aus dem Generator 5 elektrischer Schwingungen, einem Magnetostriktions-Wandler 6, einem kegelstumpfförmigen Halb-* wellen-Konzentrator 7 und einem auswechselbaren Halbwellen-Konzentrator-Instrument 8. Es- arbeitet im Resonanzbetrieb. Der Magnetostriktions-Wandler 6 ist starr mit dem kegelstumpfförmigen Konzentrator 7 verbunden und gehört zum 'Schallkopf. Der Wandler 6 besteht aus untereinander anhaftend verbundenen Nickellamellen und einer Erregerwicklung 9«

Der Ultraschallgenerator 5, dessen Blockschaltbild in Fig. 3 gezeigt ist, hat folgende Baugruppen: einen Steueroszillator 10, einen Leistungs-Vorverstärker 11, einen Leistungs-Endverstärker 12, eine Stromversorgungseinrichtung l~5, eine Vormagnetisierungsstufe 14 und eine Schaltstufe 15. An den Ausgang des Ultraschallge-

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nerators ist ein Schallkopf l6 mit dem Instruraent-Konzentrator angeschlossen. Der Ultraschallgenerator 5 (vgl. Fig. 2) wird von einem 220 V- 50 Hz-Wechsel-» stromnetz versorgt. Die Leistungsaufnahme aus diesem Netz ist nicht größer als 0,45 kVA, die Nennleistung des Generators beträgt .250 W und die Arbeitsfrequenz bemißt sich zu 26,5 Hz.

Das Gerät arbeitet folgendermaßen:

Der Schallkopf 3 (vgl. Fig. 1) mit dem an ihm befestigten Ultraschallinstrument, ζ. B. der Schweißspitze 3, ist mittels einer Steckverbindung an den Ausgang des Ultraschallgenerators 5 angeschlossen, der seinerseits durch einen Kippschalter (nicht gezeigt) umschaltbar ist.

Bei Schalten des Kippschalters auf "Netz" beginnt der Ultraschallgenerator 5 (vgl. Fig. 2) mit der Erzeugung von Wechselstrom, dessen Frequenz gleich der Ultra-Schallfrequenz ist.

Der erzeugte Strom fließt in die Erregerspule 9 Magnetostriktions-Wsndlers, der die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen der Ultrasehallfrequenz umwandelt. Die erhaltenen mechanischen Schwingungen werden durch den kegeistumpfförmigen Konzentrator 7 verstärkt, aber auch durch das auswechselbareKonzentrator-Instrument 8 und gelangen auf das Behandlungsglied 2, das unmittelbar das Verbinden der biologischen Gewebe vornimmt. Der Chirurg führt dieses Verbinden durch, nachdem er den Schallkopf 3 mit dem Instrument ergriffet* und das Behandlungsglied 2 auf die Oberfläche gesetzt hat.

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Die Schwingungsamplitude des Behandlungsglieds erreicht 6O. yum.

Die Bildung der Schweißverbindung bei Ultraschall-Schweißen von Knochengewebe ist ein komplizierter Komplex von physikochemischen Vorgängen unter Freisetzung von Wärme.

Bei der Einwirkung von Ultraschall auf einen Zusatzwe'rkstoff, der auf die Oberfläche des Knochengewebes aufgetragen worden ist, kommt es infolge von Schallenergieströmen und Wechseldrücken zum Aufbrechen von Bindungen im Monomer und damit zur Entstehung freier Radikale.

Außerdem findet unter der Einwirkung der Wechseldrücke ein Eindringen des flüssigen Monomers in die Poren und Kapillaren des Knochengewebes statt. Der Vorgang des Eindringens von Zyakrin in das Knochengewebe wird von einer chemischen Wechselwirkung des Zyakrins mit den Aminogruppen des Knochenkollagens begleitet.

Zur Vergrößerung der Wechselwirkungsfläche des Zyakrins mit dem Kollagen des Knochengewebes werden die zu verschweißenden Khochenflächen vor dem Verschweißen mit einer 6 56-Lösung von Salzsäure -behandelt, um Calciumsalze zu entfernen und Kollagen herauszulösen.

Bei der weiteren Einwirkung von Ultraschall auf das erwähnte Schweißkonglomerat (Zyakrin und Knochenspäne) vollzieht sich eine Polymerisation des flüssigen Zyakrins und dessen Aushärtung.

Die Bildung der Schweißverbindung dauert etwa 20-30 s je nach der Größe des Konglomeratvolumens.

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Die erhaltene Schweißverbindung hält zuverlässig die Knochenfragmente während der gesaraten Dauer der Knochengeweberegeneration zusammen. Nach Ablauf dieser Zeit geht diese Schweißverbindung zurück unter Ersatz durch gebildetes junges Knochengewebe.

Einer der ftauptfaktoren, die Einfluß auf die Festigkeit der Schweißverbindung der Knochengewebe haben, ist die Große des Eindringens des flüssigen Monomers in das Knochengewebe.

Es wurde experimentell festgestellt, daß bei Einwirkung von Ultraschall auf den Zusatzwerkstoff in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Knochengewebes eine maximale Eindringtiefe des flüssigen Zyakrins in das zu schweißende Knochengewebe erreicht wird.

Die Schweißspitze oder das Behandlungsglied wird erfindungsgemäß in Keil-, Meißel-, Spaten-, Schaufel- od..dgl. Form ausgeführt. Eine derartige Formgebung der Schweißspitze und die weiter unten genauer betrachtete Geometrie von ihr erlauben, noch zweckmäßiger die Schweißstelle bzw. -naht zu formen.

Zur Erzeugung von Ultraschallwellen, die senkrecht zur Oberfläche des zu verschweißenden Knochens gerichtet sind, hat die keilförmige Schweißspitze 17 (B¹Xg. 4) eine Zuschärf ung oder Abschrägung, d. h. mindestens eine Flanke l8 von ihr ist unter einem Winkel von 90 - 45° zur Längsachse der Schweißspitze geneigt und erstreckt sich vom Ende der Schweißspitze bis zum Abschnitt ihres stetigen Übergangs in den Konzentrator 8.

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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallinstrumdnts mit einer keilförmigen Schweißspitze, die zwei unter dem oben angegebenen Winkel geneigte Flanken 19 und 20 aufweist (vgl. Fig. 5)_; ist besonders zweckmäßig beim Verbinden von Knochenfragmenten 21 und 22 mittels eines Transplantats 23.

In diesem Fall kommt es gleichzeitig zum maximalen Eindringen von Zyakrin sowohl in die Oberfläche des Transplantats 23 als auch in die Oberfläche der zu versehweißenden Knochenfragmente 21 und 22.

Zur Durchführung von Ultraschall-Auftragsschweißen, das hinsichtlich der Möglichkeit eines größeren Bereichs von Schweißkonglomerat zu erwähnen ist, hat eine keilförmige Schweißspitze 24 (vgl. Fig. 6) erfindungsgemäß einen Abschnitt, der sich vom Konzentrator zum freien Ende aufweitet und symmetrisch zur Längsachse des Keils angeordnet ist, so daß die erforderliche Ausdehnung des Behandlungsbereichs der Schweißspitze erzielt wird.

Es versteht sich, daß für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des keilförmigen Ultraschallinstruments die verschiedensten Abwandlungen möglich sind, je nachdem, für welchen konkreten Zweck das Instrument.in der Praxis eingesetzt werden soll. Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele der Schweißspitze oder des BehandlungsglMs des Instruments wurden experimentell erprobt,und ergaben gute, stabile Resultate, wobei der Konzentrator zusammen mit der keilförmigen Schweißspitze aus einer Titanlegierung ausgeführt war, während als Zusatzwerkstoff

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ein flüssiges Monomer-Zyakrin vermischt mit Knochen-Homo- oder Heterospänen Verwendung fand.

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Claims (4)

Patentansprüche

1.1 Chirurgisches Instrument zum Ultraschall-Schweißen und "-Auftragsschweißen biologischer Gewebe, mit einem an einem Ultraschallgenerator angeschlossenen Konzentrator, der stetig in ein Behandlungsglied bzw. eine Schweißspitze übergeht, durch das bzw. durch die eine unmittelbare Berührung mit den beiden zu verschweißenden Fragmenten des biologischen Gewebes herstellbar ist, zwischen denen zuvor ein Zusatzwerkstoff angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsglied bzw. die Schweißspitze als ein metallischer Keil (2? 17) ausgeführt ist, von dem mindestens eine Flanke (18) unter einem Winkel von 90° * 45° zur Längsachse des Behandlungsglieds bzw. der Schweißspitze angeordnet ist und von deren Ende bis zu deren Übergangsabschnitt in den Konzentrator (1) reicht.

2. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmige Schweißspitze (17) mit zwei zueinander geneigten Flanken (17; 19* 20) auf ihrem Abschnitt vom freien Ende bis zum Übergang in den Konzentrator (Ij 8) ausgeführt ist.

3. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auftragsschweißen von Zusatzwerkstoff in eine Aussparung des biologischen Gewebes die Schweißspitze (24) ein sich vom Konzentrator (8) zum freien

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Ende aufweitender, um die Längsachse symmetrischer Keil (24) ist, so daß die Behandlungsfläche der Schweißspitzenflanken vergrößert ist.

4. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, -dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator mit der keilförmigen Schweißspitze aus einer Titanlegierung besteht, und daß der Zusatzwerkstoff ein flüssiges Monomer-Zyakrin in Mischung mit Knochen-Homo- oder Heterospänen ist.

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