DE2609439A1

DE2609439A1 - (chirurgisches)schneidinstrument

Info

Publication number: DE2609439A1
Application number: DE19762609439
Authority: DE
Inventors: Robert F Dr Med Shaw
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-06
Publication date: 1976-09-16
Also published as: JPS51122986A; FR2303517B3; DE2609439C3; DE2609439B2; FR2303517A1; GB1546626A; CA1085253A; BR7601564A

Description

PATENTANWALT D-7261 Gech ι ngen/Bergwald

Lindenstr. 10

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _{Telefon: (07031}, _G67432

107056) 1367

Patentanwalt K. Schulte, D-7261 Gechingeri, Lindenstr. 16

2 6 0 9 439 ^{Telex: 07}-²⁶⁵⁷³⁹ · ^HeP^d

25. Februar 1976

Robert F. Shaw, San Francisco, Calif, (V .-St.A. J

(chirurgisches) Schneidinstrument

Die Erfindung betrifft ein(chirurgisches)Schneidinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei chirurgischen Eingriffen nimmt das Stillen von Blutungen einen wesentlichen Teil der gesamten Operationszeit in Anspruch. Solche Blutungen, die 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 chirurgischen Eingriffen. 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. Ein derartiges Skalpell überträgt von einer kleinen in der Hand des Chirurgen gehaltenen Elektrode Hochfrequenzsignale zur Erhitzung des Gewebes, und zwar als Funken hoher Energie. Üblicherweise gelangen dabei beträchtliche elektrische Ströme durch den Körper des Patienten zu einer großen Elektrode, welche unter dem Patienten angeordnet ist und den elektrischen Strompfad vervollständigt. Die Abgabe der Funken und die dadurch bewirkte Temperaturerhöhung in dem Gewebe sind bezüglich der Verteilung und Intensität nur wenig unter Kon-

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trolle und führen zu unregelmäßigen Muskelkontraktionen beim Patienten, so daß diese Vorrichtung nicht für eine genaue Arbeitsweise geeignet ist. Außerdem führt eine Vorrichtung dieser Art häufig zu ernsthaften Gewebebeschädigungen in der Form von verschmortem und totem Gewebe, wodurch wiederum die Wundheilung wesentlich beeinträchtigt wird.

Ein anderes bekanntes Skalpell enthält eine Klinge mit einem Widerstandsheizelement, welche das Gewebe durchtrennt und gleichzeitig eine Blutung unterbindet. Obgleich diese Widerstandselemente in der Luft vor der Berührung mit dem Gewebe leicht auf eine hohe und konstante Temperatur gebracht werden können, kühlen sie sich schnell ab, sobald Abschnitte der Messerklinge in Kontakt mit dem Gewebe geraten. Während des Operationsvorganges kommen in nicht vorhersehbarer Weise dauernd verschiedene Abschnitte der Messerklinge in Kontakt mit dem gerade geschnittenen Gewebe. Wenn die Messerklinge sich abkühlt, wird der Trennvorgang des Gewebes und die Unterbindung von Blutungen schwieriger, und das Gewebe neigt dazu, an der Messerklinge haften zu bleiben. Wenn in herkömmlicher Weise zusätzliche Leistung zugeführt wird, um der Abkühlung der Messerklinge entgegenzuwirken, so wird diese zusätzliche Leistung auch den nicht abgekühlten Abschnitten der Messerklinge zugeführt, und dieses führt häufig zu unzulässigen Temperaturerhöhungen, die eine Beschädigung des Gewebes und/oder der Messerklinge ergeben können. Die Ursache hierfür ist, daß die Erwärmung bei diesen bekannten durch Widerstandsheizung erhitzten Schneidinstrumenten eine Funktion des Quadrates des Stromes mal dem Widerstand ist. Bei herkömmlichen metallischen Messerklingen dieser Art erhöht sich der elektrische Widerstand mit der Erhöhung der Temperatur in einem Abschnitt der Messerklinge, was wiederum zu einer er-

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höhten. Temperatur infolge der zusätzlich zugeführten Wärmeleistung führt.

Es ist allgemein anerkannt, daß zur Unterbindung von Blutungen an der Schnittstelle eine Temperatur zwischen 300 C und 1000°C herrschen sollte. Aus den vorgenannten Gründen ist anzustreben, daß elektrothermische, chirurgische Schneidinstrumente zur Unterbindung von Blutungen einen Mechanismus aufweisen sollten, durch den die Leistung wahlweise an jene Abschnitte der Messerklinge abgegeben werden sollte, die durch den Gewebekontakt abgekühlt werden, so daß die Schneidkante auf einer im wesentlichen konstanten Betriebstemperatur innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs gehalten wird. Aus US PS 3 768 482 und US PS 3 826 263 sind Skalpelle dieser Art bekannt, bei denen der die Temperatur steuernde Mechanismus Widerstandsheizelemente enthält, welche auf der Oberfläche der Messerklinge angeordnet sind. Derartige Schneidenstrumente erfordern jedoch bei der Herstellung eine hohe Genauigkeit bezüglich der Abmessungen der Heizelemente, um die gewünschten Widerstände zu erhalten. Außerdem unterliegen solche Widerstandsheizelemente während der Benutzung Änderungen des Widerstandswertes, die verursacht sind durch Gewebesäfte und Proteine, die sich auf der Oberfläche des Messers ansammeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Skalpellklinge zu schaffen, deren Schneidabschnitt in einfacher Weise während des Schneidvorganges auf einqcerhöhten Temperatur gehalten werden kann, um Blutungen zu stillen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Anspruch 1. Das Lösungsprinzip besteht darin,, daß die Skalpellklinge aus einem nicht-leitenden Material hergestellt

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ist und dielektrisch beheizt wird. Die dielektrische Beheizung hängt von der Wärme ab, die durch die Drehung der Dipole in einem dielektrischen Material durch ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird.

Von der Theorie der elektromagnetischen Felder her betrachtet, können alle Materialien nach zwei Parametern eingeteilt werden, nämlich nach der magnetischen Permeabilität μ, und der Dielektrizitätskonstante / . Die meisten dielektrischen Materialien sind nicht-magnetisch, und die Permeabilität ist gleich derjenigen von Vakuum. Daher ist der bestimmende Parameter in solchen Materialien die dielektrische Konstante, welche sehr groß bezüglich derjenigen von Vakuum sein kann. Um einen Verluststrom und einen Ladestrom zu bezeichnen, wird die Dielektrizitätskonstante üblicherweise in komplexer Form geschrieben als £= t^x - ji", wobei £' den Realteil der Dielektrizitätskonstante und £"' ' den Verlustfaktor bedeutet. Die dielektrische Konstante wird auch häufig relativ angegeben durch k = k¹ - jk¹·, wobei k = i/ £ und / die Konstante in Vakuum ist.

Die in einem Dielektrikum erzeugte auf das Volumen bezogene Leistung wird gegeben durch;

P= 0,55 . 10"¹² . E² . f , k¹ . tan S in W/cm³

Dabei bedeutet E die elektrische Feldstärke in V/cm, f die Frequenz in Hz, k¹ die relative Dielektrizitätskonstante, und tan S das Verhältnis des Verluststromes zum Ladestrom, bzw. k^lf/k'. Die in einem Dielektrikum erzeugte Leistung hängt von der zugeführten Spannung, der Frequenz und der komplexen Dielektrizitätskonstanten des Materiales ab.

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Gemäß der Erfindung wird die Schneidkante einer nach Art einer Messerklinge ausgebildeten Struktur mit einem dielektrischen Element erhitzt, indem ein elektrisches Signal mit einer hohen Frequenz zugeführt wird. Die Elektroden werden auf den Oberflächen des dielektrischen Elementes in einer Weise angeordnet, welche ein elektrisches Feld mit hoher Frequenz in dem Element in einem Bereich nahe der Schneidkante ergibt.

Weiterhin kann eine wahlweise Erhitzung derjenigen Abschnitte der Schneidkante erreicht werden, die durch den Kontakt mit dem Gewebe erwärmt werden, so daß die Temperatur durch Selbstregelung hinreichend konstant gehalten wird. Hierzu kann das Element aus einem dielektrischen Material hergestellt werden, bei welchem der Verlustfaktor k¹· (d.h. das Produkt aus der relativen Dielektrizitätskonstanten und tan S mit abnehmender Temperatur zunimmt. Da jeder lokale Bereich des dielektrisch erhitzten Materiales durch das elektrische Feld hoher Frequenz direkt beeinflußt wird-f kann die Temperatur jedes lokalen Bereiches unabhängig von den Betriebstemperaturen der angrenzenden Bereiche geregelt werden. Selbst bei nicht vorhersehbaren, wesentlichen Änderungen bei der Abkühlung der verschiedenen Bereiche der erhitzten Schneidkante, wie sie bei der Durchtrennung von Körpergewebe auftreten, kann die Schneidkante innerhalb eines hinreichend konstanten Temperaturbereichs gehalten werden.

Ferroelektrische Materialien sind Beispiele für Dielektrika, welche diese Eigenschaften nahe deren Curie-Punkten aufweisen. Der Curie-Punkt eines ferroelektrischen Materiales ist diejenige Temperatur, bei welcher der Realteil der Dielektrizitätskonstante sich stark ändert und der Verlustwinkel bei abnehmender Temperatur scharf ansteigt. Aus

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Fig. 3 gehen diese Verhältnisse für ferroelektrisches Bariumtitanat hervor. Es ist ersichtlich, daß k¹' Ck¹ χ tan 6 ) auf etwa den fünffachen Wert ansteigt, wenn die Temperatur von 17O°C auf 12O°C abfällt. Wenn dieses Material zur Erhitzung der Schneidkante einer Skalpellklinge entsprechend der Erfindung verwendet wird, und eine konstante Frequenz und Spannung vorausgesetzt werden, ergäbe sich eine auf den fünffachen Wert erhöhte Erwärmung bei einem Abfall der Temperatur von 170 C auf 120⁰C. Um eine selbsttätige Regelung in dem für chirurgische Eingriffe geeigneten Temperaturbereich zwischen 300°C und 1000⁰C zu erhalten, sollte der Curie-Punkt des Materiales innerhalb dieses Temperaturbereichs liegen. Es sind ferroelektrische Materialien erhältlich innerhalb eines weiten Bereichs von Curie-Punkten, Aus Fig. geht hervor, wie der Zusatz von Bleititanat zu Bariumtitanat sich auf den Realteil der Dielektrizitätskonstante auswirkt. Der Curie-Punkt wird bezüglich der Temperatur nach oben verschoben, wenn der Prozentsatz an Bleititanat zunimmt. Bleizirkonattitanat ist ein Beispiel für ein im Handel erhältliches Material mit einem Curie-Punkt um etwa 400⁰C.

Die ferroelektrischen Materialien haben zusätzlich zu dem Curie-Punkt, den dielektrische: Materialien im allgemeinen nicht haben, große Werte von k¹. Dadurch kann die gewünschte Energie in dem kleinen Materialvolumen des Schneidinstrumentes bei Spannungen erhalten werden, die mit herkömmlichen Oszillatoren erreicht werden und klein genug sind, um einen Durchbruch in koaxialen Übertragungsleitungen mit kleinem Durchmesser zu verhindern. Aus der folgenden Tabelle geht der Unterschied der innerhalb des Volumens erzeugten Energie hervor, die typischer-

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weise zwischen den Elektroden auf einer Skalpellklinge auftreten. Die Werte sind für zwei Dielektrika dargestellt, und zwar für ein ferroelektrisches und für ein herkömmliches Dielektrikum wie Glas.

Dielektrizitäts- Frequenz in Hz Elektr. Leistung (W) konstante Feldstärke

k¹ - jk" V/cm 0.01 cm³

4-j 0.01 4(1O⁷) 2(1O³) 1O~² 1700-j 34 4(1O⁷) 2ClO³) 30

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

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines chirurgischen Schneidinstrumentes gemäß der Erfindung?

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des klingenartigen Abschnittes eines Schneidinstrumentes gemäß Fig.

Fig. 3 den Verlauf der Dielektrizitätskonstanten und des Verlustfaktors von Bariumtitanatmaterial in Abhängigkeit von der Temperatur und

Fig. 4 den Verlauf der Dielektrizitätskonstanten als Funktion der Temperatur für verschiedene prozentuale Anteile von Bleititanat in Bariumtitanat,

In Fig. 1 ist ein chirurgisches Schneidinstrument unter Ausblendung von Teilen dargestellt, welches ein klingenartiges Element 9 enthält, das an einem Schaft 11 befestigt ist. Auf einer Hauptfläche des Elementes 9 nahe

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dessen Peripherie ist eine Elektrode 13 angeordnet und eine andere ähnliche Elektrode 15 ist auf der gegenüberliegenden Hauptfläche nahe der Elektrode 13 auf der einen Hauptfläche vorgesehen. Diese Elektroden 13 und können mit den entsprechenden Klemmen einer Quelle für ein Hochfrequenzsignal derart verbunden sein, daß ein elektrisches Hochfrequenzfeld innerhalb des Elementes 9 zwischen den Elektroden 13 und 15 entsprechend dem zugeführten Signal erzeugt wird. Dieses ruft eine lokale Erhitzung nahe den Bändern des Elementes 9 in der beschriebenen Weise hervor. Da das elektrische Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden 13 und 15 die lokalen Bereiche des Dielektrikums unabhängig voneinander beeinflußt, können die Betriebstemperaturen der lokalen Bereiche unabhängig von den Betriebstemperaturen der angrenzenden Bereiche geregelt werden. Bei einem Material, das die gewünschten, sich aus den Figuren 3 und 4 ergebenden Eigenschaften hat, kann die gesamte Schneidkante innerhalb eines hinreichend konstanten Temperaturbereichs gehalten werden, obgleich die verschiedenen Bereiche der Schneidkante in unregelmäßiger und unvorhersehbarer Weise eingesetzt werden.

Aus der Schnittansicht in Fig. 2 geht die Anordnung der Elektroden 13 und 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Schneidelementes 9 in einem Muster im Bereich der Schneidkante hervor. Auf den Hauptflächen des Elementes 9 und über den entsprechenden Elektroden 13 und 15 kann ein Isolationsmaterial 21, beispielsweise Siliziumdioxyd, angeordnet sein, um den Körper eines Patienten von den an diesen Elektroden auftretenden elektrischen Signalen zu isolieren.

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Die Amplitude und/oder Frequenz der Hochfrequenzquelle 19 kann einstellbar sein, um die umgebende Betriebstemperatur der Schneidkante in Luft einzustellen.

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Claims

Case 117 25. Februar 1976

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Patentansprüche :

l.j Schneidinstrument, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidelement eine dielektrische Einrichtung (19) aufweist, die in dem Bereich entlang der Schneidkante angeordnet ist, Elektroden (13, 15} auf gegenüberliegenden Seiten der dielektrischen Einrichtung vorgesehen sind und ein elektrisches Feld entsprechend einem den Elektroden zugeführten elektrischen Signal erzeugen, wodurch ein elektrisches Wechselfeld innerhalb der dielektrischen Einrichtung hergestellt und Leistung abgegeben und dadurch die Temperatur in dem Bereich der Schneidkante erhöht wird.
2. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (19} einen elektrischen Parameter hat, der sich als Funktion der Temperatur ändert und die Leistungsabgabe bei einem zugeführten elektrischen Signal in den Bereichen der Schneidkante erhöht, die wahlweise abgekühlt sind.
3. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (19) einen Verlustfaktor hat, der sich umgekehrt zu der Temperatur verändert.
4. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (19} einen Curie-Punkt hat, bei welchem

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in Abhängigkeit von der Temperatur eine plötzliche Änderung des Verlustfaktors auftritt,
5. Schneidinstrument nach Anspruch 1 für hämostatische (blutungshemmende) Chirurgie, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (19) einen Curie-Punkt bezüglich des Verlustfaktors im Temperaturbereich zwischen etwa 300°C und etwa 1000⁰C aufweist.
6. Schneidinstrument nach Anspruch 1 für hämostatische (blutungshemmende) Chirurgie, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (.191 eine erhöhte Leistungsabgabe bei einer Abnahme der Temperatur in einem Abschnitt des Temperaturbereichs zwischen etwa 300°C und 1000⁰C bewirkt,
7. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichn.et , daß die dielektrische Einrichtung (19) ferroelektrisches Material enthält.
8. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (191 ein Titanat von Blei oder Barium enthält.
9. Schneidinstrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Einrichtung (19) Bleizirkonattitanat enthält.
10. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß

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eine Schicht C21)_ aus Isoliermaterial über den Elektroden (13, 151 vorgesehen ist,
11. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Quelle (17) für ein elektrisches Wechselsignal mit der Elektrodeneinrichtung (13, 15] der Messerklinge verbunden ist zur Ausbildung eines elektrischen Wechselfeldes innerhalb der dielektrischen Einrichtung C19) .
12. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung ein der Temperatur in einem Bereich längs der Schneidkante entsprechendes Steuersignal abgibt und eine Einrichtung auf das Steuersignal anspricht und einen ausgewählten Parameter eines Wechselsignales ändert, der den Elektroden (13, 15) von einer Quelle (17) zugeführt ist.
13. Schneidinstrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die auf das Steuersignal ansprechende Einrichtung die Amplitude oder Frequenz eines Wechselsignales ändert, das den Elektroden ü-3, 15) von der Quelle (17) zugeführt ist.
14. Trennverfahren mit einer Messerklinge, welche eine Schneidkante aufweist, die bei einer erhöhten Temperatur betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Messerklinge nahe einer Schneidkante durch dielektrische Verluste erhitzt wird, die durch ein der Messerklinge zugeführtes elektrisches Wechselfeld erzeugt werden.

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15. Trennverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungsabgabe in den Bereichen der Schneidkante erhöht wird, welche wahlweise abgekühlt werden, entsprechend der Temperaturcharakteristik eines elektrischen Parameters des dielektrischen Materiales.
16. Trennverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der sich mit der Temperatur ändernde elektrische Parameter der Verlustfaktor des dielektrischen Materiales ist.
17. Trennverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß das dielektrische Material einen Curie-Punkt aufweist, bei dem entsprechend der Temperatur eine plötzliche Änderung des Verlustfaktors auftritt.
18. Trennverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 zur Verwendung für hämostatisehe (blutungshemmende) Chirurgie, dadurch gekennzeichnet , daß das dielektrische Material einen Curie-Punkt bezüglich des Verlustfaktors innerhalb des Temperaturbereic]

aufweist.

turbereichs zwischen etwa 300°C und etwa 1OOO°C
19. Trennverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz oder Amplitude des elektrischen Wechselsignales entsprechend den Temperaturänderungen an der Schneidkante geändert wird.

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