DE2609439C3 - Chirurgisches Schneidinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Schneidinstrument mit einem entlang der Schneidkante elektrisch aufheizbarem Schneidelement.

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 durch-

Ί bluteten 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,

ίο um solche Blutungen wesentlich herabzusetzen, und es sind auch chirurgische Schneidinstrumente entwickelt worden, welche die Gewebetemperatur entspre-' chend erhöhen. Es ist allgemein anerkannt, daß zur Unterbindung von Blutungen bei chirurgischen Ein-

Ii griffen an der Schnittstelle eine Temperatur zwischen 300° C 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 Gewbe 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 verschiedene Abschnitte der Messerklinge in Kontakt mit dem gerade geschnittenen Gewebe. Kühlt sich die Messerklinge

in 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 entgegenzuwirken, so wird

Γ) 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 zusätz-

4> lieh 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.

V) Es sind diese Forderungen erfüllende chirurgische Schneidinstrumente bekannt (US-PS 3768482, US-PS 3826263), bei denen die die Temperatur steuernde Einrichtung eine ganze Anzahl von Widerstandsheizelementen aufweist, die auf der Oberfläche

bo der Messerklinge 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.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein chirurgisches Schneidinstrument der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Schneide während der Operation in einfacher Weise auf einer in etwa konstanten erhöhten Temperatur gehalten werden kann, bei der Blutungen gestillt werden.

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

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung beruhen darauf, daß die Klinge des Schneidinstruments, beispielsweise eines Skalpells, aus einem nicht-leitenden Material hergestellt ist und dielektrisch beheizt wird. Die elektrische Beheizung ergibt sich aus der Wärme, die durch die Drehung der molekularen Dipole in einem dielektrischen Werkstoff 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 ε. 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 Kontante, 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 ε = ε' — je",wobei c'den Realteil der Dielektrizitätskonstante und e"den Verlustfaktor bedeutet. Die dielektrische Konstante wird auch häufig relativ angegeben durch k = k' — jk", wobei εΙε_ο und e_o die Konstante in Vakuum ist.

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

P = 0,55 10-¹²£²-/*'tan δ in W/cm³

Dabei bedeutet E die elektrische Feldstärke in V/cm, /die Frequenz in Hz, fc'die relative Dielektrizitätskonstante, und tan δ das Verhältnis des Verluststromes zum Ladestrom, bzw. JIc "Ik'. Die in einem Dielektrikum erzeugte Leistung hängt von der zugeführten Spannung, der Frequenz und der komplexen Dielektrizitätskonstanten des Materials ab.

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 dielektrische» Elementes in einer Weise angeordnet, weiche 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 k" (d. h. das Produkt aus der relativen Dielektrizitätskonstanten und tan δ mit abnehmender Temperatur zunimmt. Da jeder lokale Bereich des dielektrisch erhitzten Materials durch das elektrische Feld hoher Frequenz direkt beeinflußt wird, kann die Temperatur jedes lokalen Bereiches unabhängig von den Betriebstemperaturen der angrenzenden Bereiche geregelt werden. Selbt 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 fer-ο roelektrischen Materials ist diejenige Temperatur, bei welcher der Realteil der Dielektrizitätskonstante sich stark ändert und der Verlustwinkel bei abnehmender Temperatur scharf ansteigt. Aus Fig. 3 gehen diese Verhältnisse für ferroelektrisches Bariumtitanat her-

r> vor. Es ist ersichtlich, daß k" (Jt'X tan δ) auf etwa den fünffachen Wert ansteigt, wenn die Temperatur von 170° C auf 120° C abfällt. Wenn dieses Material zur Erhitzung der Schneidkante einer Skalpellklinge entsprechend der Erfindung verwendet wird und eine konstante Frequenz und Spannung vorausgesetzt werden, e/gäbe sich eine auf den fünffachen Wert erhöhte Erwärmung bei einem Abfall der Temperatur von 170" C auf l20^ö C. Um eine selbsttätige Regelung in dem für chirurgische Eingriffe geeigneten

r> Temperaturbereich zwischen 300° C und 1000° C zu erhalten, sollte der Curie-Punkt des Materials innerhalb c"s2ses Temperaturbereichs liegen. Es sind ferroelektrische Materialien erhältlich innerhalb eines weiten Bereichs von Curie-Punkten. Aus Fig. 4 geht

»ι 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 400° C.

Die ferroelektrischen Materialien haben zusätzlich zu dem Curie-Punkt, den dielektrische Materialien im allgemeinen nicht haben, große Werte von k'. 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 Ubertragungsleiiun-

4") gen mit kleinem Durchmesser zu verhindern. Aus der folgenden Tabelle geht der Unterschied der innerhalb des Volumens erzeugten Energie hervor, die typischerweise zwischen den Elektroden -auf einer Skalpellklinge auftreten. Die Werte sind für zwei Dielek-

-)0 trika dargestellt, und zwar für ein ferroelektrisches und für ein herkömmliches Dielektrikum wie Glas.

Dielektrizitätskonstante

κ'-jk"

Fre- Elektr.
quenz FeId-ϊγϊ Hz stäricc
V/cm

Leistung (W)

0,01 cm'

4-y 0,01
1700-; 34

4(10⁷)
4 (K)⁷)

2(10³)
2 (10³)

ίο-²

30

bo Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einet, chirurgischen Schneidinstrumentes gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Querschnittsansicht des klingenartigen Abschnittes eines Schneidinstrumentes gemäß Fig. 1, 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 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 15 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 lo- \talf* Prhit7iina

int«>c O peraturen der lokalen Bereiche unabhängig von der Betriebstemperaturen der angrenzenden Bereiche geregelt werden. Bei einem Material, das die gewünschten, sich aus den Fig. 3 und 4 ergebenden Eigenschaften hat, kann die gesamte Schneidkante innerhalb eines hinreichend konstanten Temperature reichs gehalten werden, obgleich die verschiedener 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 gegeniihr.-iU-geiiden Seiten des Schneidelementes 9 in einem Mustci im Bereich der Schneidkante hervor. Auf den Haupt flächen des Elementes 9 und über den entsprechender Elektroden 13 und 15 kann ein Isolationsmaterial 21 beispielsweise Siliziumdioxyd, angeordnet sein, urr den Körper eines Patienten von den an diesen Elektroden auftretenden elektrischen Signalen zu isr'ii·

inder beschriebenen Weise hervor. Da das elektrische :< > Die Amplitude und/oder Frequenz der Hochfre-

Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden 13 und quenzquelle 19 kann einstellbar sein, um die umge

15 die lokalen Bereiche des Dielektrikums unabhän- bcnde JJeiricbstemperatur der Schneidkante in Luf

gig voneinander beeinflußt, können die Betriebstem- einzustellen.

Hierzu 2 Blatt Zeiclinunccn

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Chirurgisches Schneidinstrument mit einem entlang der Schneidkante elektrisch aufheizbaren Schneidelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidelement (9) eine verlustbehaftete dielektrische Einrichtung (19) aufweist, die in dem Bereich entlang der Schneidkante auf gegenüberliegenden Seiten an eine Hochfrequenz-Stromquelle anschließbare Elektroden (13, 15) trägt.

2. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) einen Temperaturbereich aufweist, in dem bei abnehmender Temperatur die Leistungsabgabe zunimmt.

3. Schneidinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) einen Curie-Punkt aufweist, bei dem eine sprunghafte Änderung der Temperaturabhängig_Vi*it des Verlustfaktors (#0 auftritt.

4. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) einen ferroelektrischen Werkstoff aufweist.

5. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) Blei- undl/oder Bariumtitanat enthält.

6. Schneidinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) Bleizirkontitanat enthält.

7. Schneidinstrumtnt nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine die Elektroden (13, ί~·) abdeckende Isolierschicht (21) aufweist.

8. Schneidinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) einen sich temperaturabhängig ändernden Parameter aufweist, wodurch die Energieabgabe in den Bereichen der Schneidkante erhöht wird, die einer stärkeren Kühlung unterliegen.

9. Schneidinstrument nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Einrichtung (19) einen in dem Temperaturbereich zwischen etwa 300° C und etwa 1000° C liegenden Curie-Punkt aufweist.

10. Schneidinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer ein der Temperatur in einem Bereich der Schneidkante entsprechendes Meßsignal abgebenden Fühleinrichtung sowie mit einer in Abhängigkeit von dem Meßsignal einen vorgegebenen Parameter des Hochfrequenzstrom« ändernden Steuereinrichtung versehen ist.

11. Schneidinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der geänderte Parameter die Amplitude oder die Frequenz ist.