DE2609412C3

DE2609412C3 - Chirurgisches Schneidinstrument

Info

Publication number: DE2609412C3
Application number: DE2609412A
Authority: DE
Inventors: Robert F. Portola Valley Calif. Shaw; David E. Columbus Ohio Stutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-06
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE2609412A1; BR7601563A; JPS51122983A; US4091813A; FR2303566B3; DE2609412B2; FR2303566A1; CA1086173A; GB1546623A

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Schneidinstrument mit einer entlang der Schneidkante elektrisch aufheizbaren Messerklinge.

Bei chirurgischen Eingriffen nimmt das Stillen von Blutungen einen wesentlichen Teil der gesamten Operationszeit in Anspruch. Solche Blutungen, die vor allem beim Verletzen von kleinen, stark durchbluteten Blutgefäßen auftreten und das Gewebe durchdringen, behindern die Sicht des Chirurgen, verringern die Arbeitsgenauigkeit und führen häufig zu langwierigen und aufwendigen Handhabungen bei dem Eingriff. Es ist bekannt, das Gewebe zu erhitzen, um solche Blutungen wesentlich herabzusetzen, und es sind auch chirurgische Schneidinstrumente entwickelt worden, welche die Gewebetemperaturen entsprechend erhöhen. Es ist allgemein anerkannt, daß zur Unterbindung von Blutungen bei chirurgischen Eingriffen an der Schnittstelle eine Temperatur zwischen 300⁰C und 1000°C herrschen sollte. Es sind deshalb Skalpelle bekannt, die eine mit einem Widerstandsheizelement versehene Klinge aufweisen, welche das Gewebe durchtrennt und dabei die Blutung unterbindet. Obwohl das Widerstandsheizelement in der Luft vor der Berührung mit dem Gewebe leicht auf eine hohe und konstante Temperatur gebracht werden kann, kühlt es sich schnell ab, sobald Abschnitte der Messerklinge in Kontakt mit dem Körpergewebe geraten.

Während der Operation kommen in nicht genau vorhersehbarer Weise dauernd Abschnitte der Messerklinge in Kontakt mit dem gerade geschnittenen Gewebe. Kühlt sich die Messerklinge ab, so wird das Trennen des Gewebes und das Unterbinden von Blutungen schwieriger, und das Gewebe neigt dazu, an der Messerklinge haften zu bleiben. Wird dann zusätzliche Energie zugeführt, um der Abkühlung der Messerklinge entgegen zu wirken, so wird die zusätzliche Energie auch den nicht abgekühlten Abschnitten der Messerklinge zugeführt, und dies führt häufig zu unzulässigen Temperaturerhöhungen, die eine Beschädigung des Gewebes und/oder der Messerklinge ergeben können. Die Ursache hierfür hängt damit zusammen, daß bei den Heizelementen der bekannten Messerklingen der elektrische Widerstand sich mit der Temperatur in einem gegebenen Abschnitt der Messerklinge erhöht, was wiederum eine Erhöhung der Temperatur aufgrund der zusätzlich zugeführten elektrischen Energie bewirkt. Es ist deshalb anzustreben, daß elektrisch aufgeheizte chirurgische Schneidinstrumente zur Unterbindung von Blutungen eine Einrichtung aufweisen sollten, durch welche die Energie gezielt an jene Abschnitte der Messerklinge abgegeben werden sollte, die durch den Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt werden, so daß die Schneidkante innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden kann.

Es sind diese Forderung erfüllende chirurgische Schneidinstrumente bekannt (US-PS 37 68 482, US-PS 38 26 263), bei denen die die Temperatur steuernde Einrichtung eine ganze Anzahl von Widerstandsheizelerncntcn aufweist, die auf der Oberfläche der Messerkün-

ge verteilt angeordnet sind. Derartige Schneidinstrumente erfordern jedoch bei der Herstellung der Heizelemente eine sehr hohe Genauigkeit, um die gewünschten Widerstände zu erhalten. Außerdem unterliegen solche Widerstandsheizelemente während der Benutzung Änderungen des Widerstandswertes, die durch körpereigene Gewebesäfte und Proteine verursacht werden, welche sich auf der Oberfläche des Messers festsetzen.

Auf dem Gebiet der Schweißtechnik ist ein Verfahren ι ο zum Stumpfschweißen von Metallteilen mittels hochfrequenter Erwärmungsströme bekannt, bei welchen mit dem Klemmen der Stromquelle verbundene Kontakte an auseinanderliegenden Stellen der gewünschten Schweißnahtlinie an den vorwärts bewegten, miteinander zu verbindenden Werkstücken angeordnet sind (AT-PS 2 66 546). Ein Teil der elektrischen Zuleitung zu den Kontakten erstreckt sich nahe über der gewünschten Schweißnahtlinie und dient dabei als sogenannter Nahleiter (Proximity conductor), durch den der Hochfrequenzstrom und somit auch dessen Wärmewirkung längs des Schweißnahtbereiches und in dessen Nähe konzentriert werden. Unvorhersehbare zeitliche und örtliche Temperaturschwankungen der zu verschweißenden Metallteile sind bei dem bekannten Verfahren nicht zu befürchten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein chirurgisches Schneidinstrument der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Schneidkante durch geeignetes Erhitzen des Schneidmessers auf eirisn jo vorgegebenen Temperaturbereich gebracht und während der Operation weitgehend konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnete chirurgische Schneidinstrument gelöst. J5

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den günstigen Auswirkungen des Nahwirkungseffekts auf die Erhitzung der Messerklinge. Die Messerklinge wird aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff hergestellt und auf deren Oberfläche wird ein den HF-Strom führender Zuleiter aus einem üblichen Leiterwerkstoff angeordnet, der gegen die Messerklinge isoliert und mit ihr nur an dem von dem Handgriff des Schneidinstruments abgewandten Ende elektrisch leitend verbunden ist.

Bei Zuführung eines HF-Stromes fließt der Rückstrom nur durch denjenigen Abschnitt des Klingenwerkstoffs, der dem den Strom in der entgegengesetzten Richtung führenden Leiter benachbart ist, und zwar im wesentlichen nur entlang der Breite dieses Leiters. Der Rückstrom konzentriert sich nahe der Oberflache des Werkstoffs der Messerklinge und die Stromdichte nimmt exponentiell mit dem Abstand von der « Oberfläche ab. Die Eindringtiefe ist definiert als diejenige Tiefe, bei welcher die Stromdichte 37% ihres Wertes an der Oberfläche beträgt, und dieser Wert wird beeinflußt durch den spezifischen elektrischen Widerstand und die magnetische Permeabilität des Schneiden- bo Werkstoffs sowie durch die Frequenz des HF-Stromes. Auf Grund der höheren Leitfähigkeit des Werkstoffs des den Strom in Vorwärtsrichtung führenden Leiters ist die Joulesche Erhitzung praktisch unabhängig von der Stromstärke in dem Leiter und die durchschnittliche b5 Temperatur der Schneidkante ist über die Amplitude und/oder Frequenz des zugeführten HF-Stromes einstellbar.

Weiterhin kann eine wahlweise Erhitzung derjenigen Abschnitte der Schneidkante erreicht werden, welche durch Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt sind, um die Temperatur der Schneidkante hinreichend konstant zu halten, d. h. eine selbständige Regelung der Temperatur zu bewirken. Hierzu kann die Messerklinge aus einem Material hergestellt werden, bei welchem wesentliche Änderungen der elektrischen Parameter, beispielsweise der Permeabilität oder des spezifischen elektrischen Widerstandes, als Funktion der Temperatur auftreten. Da die Eindringtiefe umgekehrt proportional der Wurzel des Wertes der magnetischen Permeabilität ist, setzt eine Erhöhung der magnetischen Permeabilität in den Abschnitten der Schneidkante, die durch Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt sind, die Eindringtiefe herab, so daß die Querschnittsfläche (Breite des Strompfades mal Eindringtiefe) herabgesetzt wird und der Widerstand der abgekühlten Abschnitte und deren Erwärmung erhöht wird.

Beispielsweise ergeben ferromagnetische Materialien aus Eisen, Nickel, Kobalt und deren Legierungen große Änderungen bezüglich der relativen Permeabilität, wenn deren Temperatur den »Curie«-Punkt durchläuft Bei vielen Eisen/Nickel-Legierungen liegt dieser Curie-Punkt in dem interessierenden Temperaturbereich. Oberhalb des Curie-Punktes kann die relative Permeabilität etwa eins betragen, und bei Temperaturen unterhalb dem Curie-Punkt kann die Permeabilität schnell um Faktoren zwischen 100 und 1000 bei magnetischen Feldstärken einer Größenordnung zunehmen, die für diese Anwendungszwecke verwendbar sind. Wenn daher das chirurgische Schneidinstrument bei einer Temperatur betrieben wird, die etwas über dem Curie-Punkt liegt, wird die Temperatur von denjenigen Abschnitten der Messerschneide unter den Curie-Punkt fallen, die durch den Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt werden, und zu diesem Zeitpunkt wird die Permeabilität des Materials in diesem Bereich sich um den Faktor 100 bis 1000 erhöhen, was wiederum zu einer Erhöhung bei der Erhitzung der abgekühlten Bereiche um Faktoren zwischen 10 und 30 führt.

Wenn das Material der Messerschneide einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat, erhöht sich der Widerstand desjenigen Bereichs der Schneidkante, der durch Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt wird, und dieses führt zu einer erhöhten Erhitzung. Beispielsweise haben verschiedene Halbleiter wie Silizium und Germanium und deren Verbindungen und verschiedene elektrolytische Keramikelemente wie ]3-Aluminiumoxydzirkonium einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

F i g. 1 schematisch eine Seitenansicht eines elektrisch beheizten chirurgischen Schneidinstrumentes und

F i g. 2 eine Querschnittsansicht der Messerklinge des Schneidinstrumentes gemäß Fig. 1.

Das chirurgische Schneidinstrument enthält einen Klingenabschnitt 9 und einen mit diesem verbundenen Handgriff 11. Ein Leiter 13 ist auf der Messerklinge 9 neben der Schneidkante 2! angeordnet und durch eine Isolationsschicht 15 im wesentlichen im Bereich der Länge des Leiters 13 isoliert, und zwar mit Ausnahme des entfernten Endes 17, an welchem der Leiter 13 an der Messerklinge 9 verbunden ist. Wenn von der Hochfrequenzquelle 19 durch Verbindungen 15 und 16 dem aus dem Leiter <i und der Messerklinge 9

bestehenden Schaltkreis Leistung zugeführt wird, fließt der Rückstrom durch den Strompfad It und die Messerklinge 9 im wesentlichen innerhalb der Eindringtiefe die der Breite des Leiters 13 entspricht, und zwar dicht entlang dessen Länge. Der Rückstrom in der Messerklinge 9 erhitzt den Strompfad 11 neben der Schneidkante 21 auf eine Temperatur, die durch die Eingangsieistung von der Hochfrequenz-Signalquelle 19 geregelt werden kann.

Eine selbständige Regelung der Betriebstemperatur wird erreicht, indem die Messerklinge 9 aus ferromagnetischem Material hergestellt wird, dessen Curie-Temperatur unterhalb der gewünschten Temperatur der Schneidkante vor dem Schneidvorgang ist, wobei die Curie-Temperatur jedoch innerhalb eines für den Operationsbetrieb annehmbaren Temperaturbereichs ist. Wenn ein Gewebeschnitt durchgeführt wird, werden die Bereiche der Schneidkante, welche in Kontakt mit dem Gewebe gelangen, bis auf die Curie-Temperatur oder unter diese abgekühlt Diese Abkühlung bewirkt eine Erhöhung der magnetischen Permeabilität, welche die Eindringtiefe und den Querschnittsbereich des Strompfades 11 innerhalb der Messerklinge 9 herabsetzen. Dadurch erhöhen sich der Widerstand und die Leistungsabgabe und somit die Erwärmung der Bereiche der Messerklinge, welche durch den Kontakt mit dem Gewebe abgekühlt wurden.

Die folgende Tabelle gibt einige Werte für den Leistungsverbrauch in einer Messerklinge mit einer Länge von 3 cm und einer Dicke von 0,25 mm aus 50-5C Eisen/Nickel-Legierung an, wobei der Oberflächenleiter 13 1 mm stark ist und das Schneidinstrument mit einem Strom von etwa 7 A bis 6 MHz gespeist wird. Dieser Hochfrequenzstrom kann konstant gehalten werden wenn herkömmliche Schaltungen verwendet werden sollen.

Material

Spez. Widerstand
Ohm-cm(10-⁶)

500° C

400° C

Eindringtiefe in (10-5)

500° C

400° C Relative Permeabilität
500°C 400°C

Leistung je W/cm
Längeneinheit

500° C

400° C

105

100

8.3

0.81

Es ergibt sich, daß die Leistungsabgabe etwa zehnfach größer ist, wenn die Temperatur unter den Curie-Punkt abfällt. Die Curie-Temperaturen, spezifischen Wider- jo stände, relativen Permeabilitäten und Änderungen der Permeabilität als Funktion der Temperatur können geändert werden, indem für die Messerklinge 9 entweder andere Materialien oder eine andere qualitative Zusammensetzung des Legierungsmaterials verwendet wird.

Die Hochfrequenzquelle 19 kann bezüglich der Amplitude und/oder der Frequenz steuerbar sein, um die geeignete Betriebstemperatur der Schneidkante in Luft zu erreichen.

In F i g. 2 ist eine Querschnittsansicht der Messerklinge 9 dargestellt, bei welcher der Leiter 13 auf einer Fläche der Messerklinge nahe deren Schneidkante angeordnet ist Eine Schicht aus Isolationsmaterial 23 ist über dem Leiter 13 und der Messerklinge 9 angebracht,

100

2.41

23.5

um beide von dem getrennten Gewebe zu isolieren. Zur Verbesserung der Selbstregelung der Temperatur sollte die Stärke der Messerklinge in dem Bereich des Rückstrompfades 11 etwas größer als die maximale Eindringtiefe des Strompfades 11 in dem Bereich der Betriebstemperaturen sein.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat das leitfähige Material der Messerklinge 9 einer negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes um eine erhöhte Wärmeabgabe vom Rückstrom 11 in solchen Bereichen der Schneidkante zu erreichen, die durch den Kontakt mit dem getrennten Gewebe abgekühlt sind.

Somit isi das elekiruüieiiiiiSCne, auf uem Prinzip des Nahwirkungseffektes erhitzte Schneidinstrument insbesondere vorteilhaft wenn eine sehr dünne, selbstgeregelte Messerklinge hergestellt werden soll, um Gewebe zu trennen und gleichzeitig Blutungen zu unterbinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Chirurgisches Schneidinstrument mit einer entlang der Schneidkante elektrisch aufheizbaren Messerklinge, dadurch gekennzeichnet, daß die Messerklinge (9) in dem Bereich entlang der Schneidkante (21) einen elektrisch leitenden Werkstoff aufweist und mit einem bei Durchfluß eines HF-Stromes eine Erwärmung der Schneidkante (21) bewirkenden elektrischen Nahleiter (13) versehen ist.

2. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) einen als Funktion der Temperatur veränderlichen elektrischen Parameter aufweist, wodurch den stärker abgekühlten Bereichen der Schneidkante (21) erhöhte Leistung zugeführt wird.

3. Schneidinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Strom in abgekühlten Abschnitten der Messerklinge (9) einen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe verringerten Querschnitt durchsetzt.

4. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) eine bei steigender Temperatur abnehmende Permeabilität aufweist.

5. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) eine bei einem Curie-Punkt sich sprunghaft ändernde Permeabilität aufweist.

6. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) ferromagnetisch ist.

7. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel und Kobalt enthält.

8. Schneidinstrument nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) einen Curie-Punkt in dem Temperaturbereich von etwa 300⁰C bis 1000⁰C aufweist.

9. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messerklinge (9) und der Nahleiter (13) durch eine Isolierschicht (23) abgedeckt sind.

10. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Messerklinge (9) in dem Bereich nahe der Schneidkante (21) größer als die maximale Eindringtiefe des H F-Stromes ist.

11. Schneidinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messerklinge (9) einen elektrolytischen Keramikwerkstoff aufweist.

12. Schneidinstrument nach einem der Ansprüche bo 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Messerklinge (9) eine ß-Aluminium-Zirkonium-Verbindung enthält.

13. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß b5 der Nahleiter (13) an seinem einen Ende mit dem im Bereich der Schneidkante (21) elektrisch leitenden Werkstoff uei Messerklinge (9) ieiiend verbunden ist, so daß der die Erwärmung der Schneidkante (21) bewirkende Strompfad in dem Schneidenwerkstoff ausgebildet wird.