DE2626373A1

DE2626373A1 - Medizinisches geraet fuer chirurgische eingriffe und heilbehandlungseinrichtung mit ultraschallenergie

Info

Publication number: DE2626373A1
Application number: DE19762626373
Authority: DE
Inventors: Joseph Frederick Brumbach; Edward James Murry
Original assignee: Fibra-Sonics Inc
Current assignee: Fibra-Sonics Inc
Priority date: 1975-06-13
Filing date: 1976-06-11
Publication date: 1977-01-13
Also published as: GB1515236A; JPS5293A; DE2626373C3; DE2626373B2; CA1078926A; FR2313948B1; US3990452A; JPS6243692B2; FR2313948A1

Description

FIBRA-SONICS, INC., Chicago, Illinois, V.St.A.

Medizinisches Gerät für chirurgische Eingriffe und Heilbehandlungseinrichtung mit Ultraschallenergie

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein medizinisches Gerät für chirurgische Eingriffe und eine Heilbehandlungseinrichtung, mit welchen Ultraschallenergie angewendet werden, und vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf eine neue Ultraschalloperationseinheit .

Biologische Effekte wurden bei Anwendung von Ultra-

609882/0757

— 2 —

schall durch. Langevin nebenbei "beobachtet, welcher um 1922 ein "Fischsterben" durch militärische Zielsuche verursachte und kleine Fische vernichtete, wenn diese in das Feld schwammen. Aufzeichnungen zeigen, daß diese kleinen Organismen wahrscheinlich in einen niedrigen Schalldruckkegel eingefangen wurden und daß ihre Körperzellen durch die Beschalluug überhitzt wurden, was den Tod verursachte. Andere geschichtliche Ereignisse auf diesem Gebiet sind:

Eine erste Erwähnung des Gebrauchs von Ultraschall in der Medizin, vorwiegend für die Zwecke der Diathermie, findet sich in "Der Ultraschall in der Medizin" im Verlag S. Hirzel, Zürich, 1949.

Eine unmittelbare Demonstration der Technologie des Beschallens, wurde unter dem Thema "Strömung und Ultraschall" von sowjetischen Wissenschaftlern, die an Krebsbehandlung arbeiten, durchgeführt. Dieses Arbeit brachte erstaunliche Ergebnisse, wobei der Ultraschall allem Anschein nach das Wachsen der Krebszellen in einem Tumor unterdrückt oder verhindert. Aber nicht nur das, sondern die Zellen waren, sofern sie transplantiert wurden, ungeeignet, um in einem neuen Nährboden Krebs weiterzutragen, d.h. ein behandeltes Lebewesen war nicht nur geheilt, sondern es wurde immun.Die sowjetische Forschung verwendete "Flüssigkeitsauflösung" d.h. eine Ultraschall-Emulsion. Der Bericht wurde schon 1956 gegeben, jedoch geschah wenig seitdem, im wesentlichen wegen des Fehlens einer Einrichtung.

Ein weiterer interessanter historischer Artikel erschien in "Ultrasonic Uews" vom Dezember 1957 mit'dem Titel

609882/0757 - 3 -

_ 3 —

"Ultrasound in Medicine".In diesem Artikel wird festgestellt, daß "über Jahre hindurch Tausende von medizinischen Forschern Millionen von Behandlungen an

ρ Patienten ergeben haben, daß mehr als 3 Watt pro cm oder im gesamten mehr als 15 Watt in gewisser Weise riskant sein können und daß Leistungen nur unter diesem Wert sicher sind". In dem gleichen Artikel wird über ausgezeichnete Ergebnisse in der Verwendung von Ultraschall berichtet für Quetschungen, Verzerrungen, entzündlichen Hautverletzungen, Magengeschwüren, Warzen, offenen Beinen und Hautverhärtungen ebenso wie für andere Leiden. Dieser Artikel berichtet auch, daß mehr als 3OOO medizinische Abhandlungen über den Gebrauch von Ultraschall in der Medizin 1956 pupliziert wurden. Diese selbe Zeitschrift (Ultrasonic News) vom Januar 1958 berichtet auf Seite 31 "Hunderte sind gegenwärtig in der chemischen Forschung tätig, um neue Techniken und Methoden der Ultraschallanwendung zu entwickeln", und später "In jeder der medizinischen Spezialdisziplinen sind hier bedeutende Untersuchungen erfolgt, insbesondere Studien auf dem Gebiet der Urologie, der Kardiologie und Arbeiten an bestimmten Störungen des Auges und des Ohres".

Im Mai 1962 setzte Topp & Eisenklam die Anwendung von hoher Ultraschallenergie für medizinische Zerstäuber fort und eine Vorrichtung verwendete 40 Khz und 25 Watt Eingangsleistung und ein Einspeisen durch die Mitte zum Einführen von Flüssigkeit zur Beschallung.

Eine weniger bekannte Art der direkten Anwendung von Ultraschallenergie auf Gewebe ist die Behandlung von seltenen Erkrankungen de^r Kehlkopf-Papillamatose, welches der einzige Weg ist, um von dieser Krankheit Betroffenen

609882/0757

2B26373

das Leben zu erhalten (Birck & Manhart), (1963). Die Anwendung von Ultraschallenergie ist die einzige bekannte Heilmethode.

In The Acta Anaesth. Scandinavia, Band 8, 1964, auf Seite 49 "berichten Herzog und andere von der Anwendung des Ultraschalls zur "Verdunstung von inhalierten Gasen über Aerosole".

In dem Journal "Ultrasonic", Ausgabe Juli 19671 ist eine komplette Beschreibung eines Gerätes und einer Behandlungssonde für die Merier'sehe Krankheit erschienen. Die Arbeit wurde in Upsala, Schweden, durch S.J. Johnson, durchgeführt. Der Autor benötigte 5 Jahre (zurück bis 1958).

In "Ultrasonic, the Low and High Intensity Application" von Ensminger auf Seite 143 unter "Surgery", daß "Hier sind sehr wenig Apparaturen für die chirurgischen Anwendungen auf dem Markt. Kleine in der Hand zu haltende Übertrager zur Entfernung von Zahnstein sind vorhanden. Ein ähnliches Instrument ist erhältlich zur Behandlung des grauen Stars für die Auflösung und der Entfernung der Linsenflüssigkeit".

In Japan existieren Aufzeichnungen aus dem 5· Jahrhundert und tatsächlich sind die derzeitigen Instrumente der japanischen Maxima Periode vorhanden für Behandlungen am grauen Star. Diese besonderen Vorrichtungen bestanden aus einer feinen rohrförmigen Nadel, welche in den weichen grauen Star des Auges gebracht wurde und eine zugehörige Saugröhre, über welche mit dem Mund gesaugt wurde. Die Daten und Geräte sind bei der Nagoya

609882/0757 - 5 -

Universität von Japan (Hurad).

Diese wirklich antike Anwendung von Spülung und Absaugung des grauen Star wurde im Westen erst von Brisseau 1676-1743 wiederholt(veröffentlicht 1709). Im Jahre 1755 erfand Jacques Dairiel die Voll-Spülungs-Absaugtechnik mit dem chirurgischen Messer. Um 1860 folgte die Erfindung von Graefe mit seinem berühmten, noch gebräuchlichen Graefe-Messer. Vor 1952 machte Fuchs von der Zwei-Nadel-Technik Gebrauch, um bei der Entfernung des grauen Stars gleichzeitig zu spülen und abzusaugen.

Die nächsten Fortschritte bei der operativen Heilbehandlung des grauen Star erfolgten an verschiedenen Orten gleichzeitig: In Rußland, Japan, England und in USA, mit ausgelöst von Y. Kuwahara und seinen Mitarbeitern im Jahre 194-2 während der schwierigen Kriegsperiode und mehrere Jahre danach (bis 1952). Im Jahre 1952 veröffentlichten Lavine und andere "Effects of Ultrasonic Waves on the Eefractive Media of the Eye" (Arch. Ophth. 47-204-1952), während zur gleichen Zeit Bergran und andere in "Ultrasonics and their Scientific and Technical Application" (Eduard Buss, 3rd Edition, Ann Arbor, 1942) die früheste Anwendung von Ultraschall für medizinischen Zweck ausführen.

Beispiele hierin von vorbekannten Vorrichtung©!! aei.ges, daß 1/2 Wellen-Vibrationsschwingeraufbau aus Nickellegierungen verwendet wurden - die Schwingungen wurden erzeugt durch das Anlegen eines hochfrequenten Magnetfeldes -, an welche die Arbeitsspitze der verschiedenen chirurgischen Instrumente angebracht wurde. In den meisten Fällen wurde die Ultraschallschwingung zunächst wie im

609882/0757

Labor erzeugt und Messer, ETadel, Säge u.a. wurde dann meist nachträglich "aufgesetzt". Die Energie wurde dann angeschlossen und die hochfrequenten Schwingungen erreichten etwa nur 2 "bis 10 % Wirkungsgrad. Deshalb ist es auch üblich 2C bis 60 Watt Instrumenteneingangsenergie bei Zahnsteinentfernern zu verwenden, auch wenn die Arbeit mit 10 Watt oder weniger und mit weit höherer Effectivität erledigt werden könnte, falls die Vorrichtung als ein System zur Durchführung von speziellen Arbeiten ausgebildet wird.

Erst als frühere Erfinder voll erkannt hatten, daß es notwendig ist, das Werkzeug, (d.h. das benutzte Instrument) als Teil des Schwingungssystems zu machen, wurde eine Übertragung von den schon existierenden Geräteformen selbst, - auf deren Verwendung sie bestanden -, dem ausgewählten Werkzeugmaterial oder der Funktionslänge des Werkzeuges unmöglich, die Ultraschallenergie in den Arbeitsbereich zu übertragen, da diese nicht zu den TJltraschallbedingungen paßten.

Auf diese Weise wurden in der Vergangenheit zu viele Kompromisse ' gemacht bei dem Bemühen überhaupt etwas zu tun oder einfach nur irgend eine Menge von Ultraschallenergie anzuwenden. Dies führte zu dem Ergebnis, daß die meisten in der Medizin benutzten Ultraschallvorrichtungen untauglich , unwirksam und schwierig im Gebrauch waren - wenn sie überhaupt srbeitet.en =

Durch die Vorlage der im folgenden beschriebenen Erfindung, wird gezeigt, wie Vorrichtungen entwickelt sein können, welche die Kriterien des gewünschten Arbeitsproblems genau treffen. Dabei ist der Zweck der Erfindung .

ein vollständiges elektromechanisch.es System und seine Teile zu beschreiben und zu zeigen, wie die Prin-

609882/0757

zipien eines Ultraschallaufbaus anzuwenden sind, was neu ist und hier das erste Mal offenbart wird.

In "!Fundamental Studies of Phaco - Emulsification" (Sect. VII:Y. Kuwahara u.a.) ist der maßgebende Zustand der Ultraschallmedizin - -vor unserer Erfindung auf Seite 4-8, Mg. 38, im Auszuge dargestellt, jedoch wird hier auch in zahlreichen Textstellen über Ultraschallwandler, Anpassglieder und verschiedene Instrumente gesprochen und sie sind kurz gezeigt in Fig. ΊΑ und 1B.

In den Fig. 2A, B und C wird eine "Idealisierung" der "gekrümmten Nadel" in Annäherung gezeigt, wie sie von Kuwahara und seinen Assistenten vorgestellt wurde. Zu beachten sind die Voraussetzungen, daß die Ultraschallwelle wirklich gekrümmt wird und daß irgend eine Mischabbildung an der Verbindungsstelle fehlt, zwei Bedingungen die niemals exakt zutreffen.

Die Erfinder hatten genau Kenntnis von der Anwendung des Ultraschalls gegen Zahnstein, zur Entfernung von grauem Star, zur Homogenisierung von Zellen, zur Hämolyse, zum Schneiden, zur ZeilZertrümmerung im Gewebe, zur Zertrümmerung von Nierensteinen usw. und hatten die Notwendigkeit von verbesserten Apparaturen erkannt. Sei begannen deshalb zuerst, die verschiedenen Phänomene besser zu verstehenund ein verbessertes Gerät zu entwickeln, das all diese schwierigen medizinischen Arbeiten mit mehr ■ Sicherheit, mit viel mehr Wirksamkeit und weniger Kosten, als bisher vorhandene Geräte ausführen konnte. Dabei wurde berücksichtigt, dieses Gerät mit "den Augen des Arztes" zu konstruieren, mit einem Maximum an Sicherheit, leicht in der Bedienung und anpassungsfähig im Operationssaal. Ein medizinisches Gerät sollte nach der Erfindung die folgenden Kriterien erfüllen:

609882/0757

Sie muß sicher sein unter allen möglichen Bedingungen, nämlich:

a) Sie muß explosionssicher sein.

b) Sie sollte den Betriebszustand anzeigen (d.h. sichtbar, fühlbar und akkustisch).

c) Sie sollte vollständig sterilisierbar sein, zumindest mittels Gastechnologie aber bevorzugt durch Sterilisieren.

d) Sie sollte mehrfach elektrisch geerdet sein und eine Fehler/Sicherheitsanzeige haben, wenn eine Erdung unterbrochen ist.

e) Sie sollte geprüft sein(durch das Underwriter Laboratory und F.D.A.)

f) Sie sollte eine einfache fehlerfreie Anzeige der Ausgangsleistung haben und jeweils ein absolutes Minimum an Energie verbrauchen.

g) Sie sollte alle bekannten Sicherheitsgesichtspunkte einschließen.

h) Sie sollte Ultraschallenergie für jeden medizinischen Zweck, in sauberer, vollkommen sinnvoller, preisgünstiger Menge abgeben.

i) Sie sollte verfügbar sein zum Verkauf an Ärzte in passender Form und sollte gut getestet und markterprobt sein.

Die vorliegende Erfindung trifft diese Kriterien in einem sehr hohen Maße und arbeitet sehr wirtschaftlich und wirkungsvoll im Vergleich zu vorhandenen Vorrichtungen.

Am meisten vermißt werden gegenwärtig Kenntnisse über Ultraschallwellen in der Medizin auf dem Gebiet der Übertragung von hochfrequenten Schwingungen auf das eigentliche Instrument - das Teil also, mit welchem die Arbeit durchgeführt wird, d.h. von welchem die Energie dann an die Behandlungsstelle übertragen wird. Auf diesem Gebiet wurden

609882/0757 -9-

viel zu wenig Arbeiten getan. Es existieren zwar noch. Hunderte von Patenten über einzelne Vorrichtungen^die aber nichts nützen, weil die verfügbare Energie nicht wirklich in das Arbeitsteil (Instrument) gebracht wird (Geschweige denn an die Behandlungsstelle) oder nur in einer kleinen unwirtschaftlichen Menge.

Im einzelnen wurde über 30 Jahre hindurch viel hinsichtlich des Gebrauches von medizinischen Ultraschallgeräten gesprochen und geschrieben, jedoch sind nur wenige Geräte tatsächlich verkauft und durch Mediziner in ihrer täglichen Praxis angewendet worden - die aber' ausschließlich die offensichtliche Nutzlosigkeit des Bemühens zeigten. Praktisch ist die einzige Ausnahme der Regel "Reden und nicht Realisieren" der Zahnsteinentferner, welcher ein wirklich exzellenter Job ist, trotz seines offensichtlich geringen Wirkungsgrades. Es ist manches effektiv aber nicht effizient.

Dies und nichts andeees dürfte schuld für das Unverständnis der Besonderheit der schwierigen mechanischen Konstruktionsprobleme und der Schallkomplexität des elektromechanischen Problems mit dem ihm innewohnendenfelektronischen "Anpassungs"-(phasing) Problem. Diese Probleme bestehen bei allen Ultraschall-Anwendungssystemen. Die der Erfindung zugrundeliegenden Bemühungen wurden speziell auf die Verminderung der Höhe der notwendigen Ultraschallenergie gerichtet, die bei medizinischen Operationen gebraucht wird, und auf die Erreichung einer hervorragenden Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit. Das Gerät muß einfacher, zuverlässiger und billiger sein als verschiedene für besondere Anwendungen schon gebrauchte Geräte, wie zur Entfernung des grauen Stares oder zur Zahnsteinentfernung,

609882/0757

und zusätzlich höchste Sicherheit "beim Gebrauch haben.

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich also auf so ein typisches medizinisches Ultraschall Gerät, welches für charakteristisch schwierige Arbeiten konstruiert wurde und welches von bestehenden wissenschaftlichen Erkenntnissen Gebrauch macht, und welches einen einheitlichen,

hochleistungsfähigen, elektromechanischen Aufbau hat, der einen Gebrauch mit einem Minimum an Anstrengung bei Operationen, sicher und voll zuverlässig zuläßt.

Weitere Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich durch die folgende detaillierte Beschreibung von bestimmten, bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die selbstverständlich variiert und verändert werden können, ohne von dem Sinn und dem Scop der Erfindung und ihrer Ausführungen abzuweichen.
In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A eine Ausführungsform eines geraden, in der Hand zu haltenden Instrumentes,

Fig. 1B eine Darstellung der Schwingungsamplitude bei abgehobenen Instrument.

Fig. 2A das gebogene Ende einer Ausführungsform einer Arbeitsspitze

Fig. 2B die Querbewegung des Kopfes an seinem freien Ende,

Fig. 20 eine Darstellung der Schwingungsamplitude bei abgehobenen Instrument.

609882/0757

- 11 -

Fig. 3A die Grundausführung der Erfindung für eine "bestimmte Frequenz,

Fig. 3B die Grunderfindung für eine Frequenz unterschiedlich von der Einrichtung von Fig. JA,

Fig. 3C die Grunderfindung für noch eine andere Frequenz,

Fig. 4A ein tatsächlich funktionsfähiges Werkzeugstück nach der Erfindung,

Fig. 4B einen Arbeitskopf nach der Erfindung,

Fig. 5A eine Ansicht einer früheren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5B eine Darstellung der Schwingungsamplitude der Ausführungsform nach Fig. 5A "bei frei schwingendem Arbeitsseil (Man beachte das Auftreten der drei Halbwellen in einer typischen Weise),

Fig. 6A eine verbesserte Ausführung der Erfindung,

Fig. 6B eine Darstellung der Schwingungsamplitude bei körperlichem Abstand (Man beachte das Auftreten von zwfci Halbwellen und die größere Amplitude am Nadelkopf),

Fig. 7A bis F einen Stab, einen Meißel, eine Kanüle und' verschiedene Messer einschließlich eines Graefemesser zur erfindungsgemäßen Verwendung,

Fig. 8 eine Ansicht der Frontplatte der Steuereinheit nach der Erfindung,

609882/0757

- 12 -

Fig. 9 eine Rückansicht mit Frequenzeinstellung für die Zwecke der Erfindung,

Fig.10 einen elektrischen Schaltplan für die Zwecke der Erfindung,

Fig.11 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung,

Fig.12 ein genau anzeigendes Hochfrequenz-Wattmeter, welches direkt an das Gerät angeschlossen werden kann,

Fig.13 einen anschließbaren Zeitfolgeanzeiger,

Fig.14 Mikroströmungen entlang der Oberfläche eines Stabes, quer und ungewollt schwingend,

Fig.15 die tatsächliche Bewegung eines querschwingenden Stabes,

Fig.16 Mikroströmungen am Frontende eines runden Stabes mit ungewollten Querschwingungen,

Fig.17 eine Seitenansicht der Mikroströmungen am Kopf eines gebogenen runden Stabes auch mit unerwünschten Querschwingungen,

Fig.18,19 u.20 Schwingungen zu ^Jlgewollten" Mikroströmungen am Kopf einer längs schwingenden, festen Uadel bei verschieden "angeschliffenen" Winkeln und

Fig.21 eine mit optimalem Winkel gemäß der Erfindung aufgeschliffene Hohlnadel und das Verfahren zum Einfangen von Fragmenten in den Mikroströmungs "pool".

609882/0757 - 13 -

Die Pig. 1A zeigt eine vorbekannte Ultras challvorriclitung 10, welche aus einem hohlen äußeren Gehäuse 11 besteht, in welchem ein Schwingungsantrieb 15 angeordnet ist, dessen Front mit dem Anpassungshorn 12 gekoppelt ist, dessen Teil 13 mit einem Gewinde versehen ist. Eine Nadel 14 wird mit ihrem mit Innengewinde versehenen Kupplungsteil 16 auf das Gewindeteil 13 aufgeschraubt.

Fig. 1B zeigt die Schwingungsamplitude beim freien Schwingen der Vorrichtung nach Fig. 1A.

Die Fig. 2A zeigte eine abgewandelte Form dieser Vorrichtung, welche aus einer gebogenen Nadel 18 mit einem abgebogenen Kopf 21, welcher seitwärts in einer querlaufenden Bewegung schwingt, wie es durch die Pfeile angedeutet ist.

Fig. 2B zeigt die Bewegung des Kopfes 21, während die Fig. 20 die Amplitudenverteilung dieser Ausführungsform zeigt.

Eozenberg weist in seinem Buch "Sources of High Intensith Ultrasound Volume II" daraufhin, daß der Lagepunkt des eingebauten Antriebs 15 sich bei äußerer Belastung verlagert und daß auf diese Weise bei den vorbekannten Vorrichtungen nach Fig. 1A und 2A Energie· genau an der Behandlungsstelle verloren und unangenehme Vibrationsenergie auf die Hand des Benutzers, der diese Instrumente in Gebrauch hatte, übertragen wurde.

Die bekannten Antriebe können aus einem äußeren Trägerrohr 11 bestehen, in welchem ein magnetostriktiver Nickel-Stahl-Schwingungserzeuger 15 angeordnet wird. Dieser Schwingungsantrieb 15 trägt eine Spule 20 mit Anschlüssen 25 und 30, welche an eine entsprechende Energiequelle angeschlossen werden und die mit Kühlkanälen 35 und 40 zur

609882/0757

- 14 -

2826373

Flüssigkeitskühlung der gesamten Einheit versehen sind.

Die Fig. 3A, 3B, 3C, 4-A und 4-B zeigen die Vorrichtung nach der Erfindung in einem vollständig gekapselten Zustand, derart, daß das gesamte Handstück in Gummi, -z.B. RTV-Gummi, eingelagert z.B. eingegossen oder eingepreßt ist, so daß eine Einheit entsteht. Der Gummi 23 umgibt dabei die Antriebskristalle 24-. Die Fig. 3-A-, 3B und. 3C zeigen Handstückeiiesselben Aufbaus aber für unterschiedliche Frequenzen. Das Frontteil des Antriebes 26 ist direkt mit dem Übergangskonus 27 gekuppelt.

Die Fig. 4-A gibt in einer teilweisen Schnittdarstellung ein Gerät nach der Erfindung wieder. Sie zeigt ein Kabel 28, das eine Kupferelektrode 29 enthält, die über die Schraube 31 mit dem Antrieb verbunden ist. Der Anschlußleiter 32 ist zu den hintereinander geschalteten Kristallen geführt. Zusätzlich ist ein (nicht dargestellter) loser Knickschutz um das Kabel 28 angebracht, welcher eine weitere Erdung des Antriebes durch die Schraube 31 A herstellt. Diese zusätzliche Erdung wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, so daß bei geringem Verschleiß und guter Elastizität die Möglichkeit besteht, die ganze Einheit mit Heißdampf zu sterilisieren. Diese weitere Abschirmung um das Kabel 28 kann einen spezifischen Widerstand von angenähert 8 Ohm vom Handstück 22 zu einer an der Kontrolleinheit 105 angebrachten Sicherheits-Erdungsschraube 28 B haben und beim Auftreten eines Fehlers in der die Haupterdung übernehmenden Kupferelektroden 29 irgendwo im Handstück erzeugt diese zusätzliche Erdung über das leitende Kabel 28 eine Unterbrechung der Energiezufuhr zum Handstück 22, während die Sicherheit des Schaltkreises erhalten bleibt, aber ein weiteres medizinisches Arbeiten mit der Sonde wegen der geringen Energiezufuhr verhindert wird. Dies wird den Benutzer des Handstückes 22 automatisch ver-

609882/0757

- 15 -

anlassen, das ganze Handstück zu wechseln, ehe er mit der Operation fortfährt.

Die Nadel 33 muß für die Zwecke der Erfindung mit einer sehr hohen Präzision gefertigt sein. Die Nadeln werden hierzu durch Röntgenstrahlen geprüft, mit Schall gereinigt und getestet, ehe sie eingesetzt werden. Der Antrieb und das Anpaßstück können durch einen Mittenbolzen 34 mechanisch vorgespannt werden, wie aus Fig. 4A und 5A zu ersehen ist. Da die Nadeln und die Kanülen bis zu 85 % ihrer Bruchfestigkeit bei Anwendung des vollen Leistungspegels, der für jedes Teil festgehalten ist, beansprucht werden können, kann auch die Gesamtheit Antrieb/Übertragungsstück und Kristalle bis zu 85 % der maximalen Bruchfestigkeit vorgespannt werden durch den hohlen Mittelbolzen 34 aus Titan.

Für den Aufbau des Antriebs (Übertragers bzw. Wandlers), der von einem elektrischen Generator angetrieben wird und welcher die elektrische Energie in mechanische Schwingungsenergie umwandelt, sind die folgenden Gleichungen von Bedeutung

2 2

O Ύ ρ J? C ' , V

I- = -J^ = ^J

2 2tgv 2

Dabei ist <* das spezifische Gewicht des verwendeten Materials, c die Schallgeschwindigkeit im schwingenden Material, ρ der Schalldruck, ν die Schallgeschwindigkeit (Teilchengeschwindigkeit) und I die Energiedichte der Wellenfront.

Aus diesen Gleichungen ist zu ersehen, daß zur Erzeugung hoher Drücke kompakte Materialien, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, benötigt werden. Mit anderen Worten heißt dies, daß Metalle und dichte Keramiken (PZT¹S) not-¹ wendig sind, um die akkustische Impedanz "gc?" großzumachen. Die Kraftübertragung vom Antrieb auf andere Sub-

609882/0757

- 16 -

stanzen, z.B. zwischen Luft. Wasser, tierischem Gewebe, Metall usw. führt zu einem Mischmasch-Problem.

Die akustische Impedanz ( g χ c) in 66 bar/cm/sek. für Luft ist 42, während diese für Wasser 151 000 ist und Metalle haben einen Wert von 4- 500 000.Tierisches Gewebe variiert in seiner Dichte und der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall über das Gewebe. Im allgemeinen liegt diese aber im Bereich zwischen Werten von Wasser und Metall und kann in der Größenordnung von 980 000 liegen. Aus diesem Grunde kann die Übertragung von Schwingungsenergie auf tierisches Gewebe am besten durch direkten Kontakt oder durch die Verwendung von Wasser oder Öl als Übertragungsmittel vorgenommen werden. Luft ist aus verschiedenen Gründen ein sehr schlechtes und unwirksames Medium zur Übertragung von Schallenergie auf Gewebe. Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, immer zu spülen und am Eingang des Instrumentes (d.h. der Kanüle) Metall oder Plastik mit niederer Dichte zu verwenden. Sofern Frequenzen von 30 000 Hz oder höher verwendet werden, wird eine kurze körperliche Wellenlänge mit einer schnellen Schwingungsperiode nach folgender Gleichung erhalten:

2 -

A. -

wobei/Cdie Wellenlänge, c die Übertragungsgeschwindigkeit in dem Antrieb und f die Frequenz der Eingangsschwingungsenergie ist.

Die Gleichung zeigt klar, das eine einmal gewählte Frequenz die Länge des Schwingungsantriebes eindeutig bestimmt, Darüberhinaus wird die Beschleunigung und Geschwindigkeit des durch die Schwingungen beanspruchten Materials extrem hoch an öL±e Bruchfestigkeitsgrenze des vorhandenen Materials angenähert.

609882/0757 - 17 -

Zum Beispiel wird, wenn die Amplitude gleich "A sin wt" ist, die Geschwindigkeit gleich "wd¹ und die Beschleunigung "w J ", und wenn "bei JO Khz "w" gleich 1,9 x 1Cr Bogengraden (Radians) pro Sekunde ist und sofern genügend Energie vorhanden ist an dem Arbeitsteil, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung "betragen 3>8 m/sec

5 2
bzw. 7»2 χ Λ0 m/sec . Dieser Beschleunigungswert ent" spricht 72 000 G und bei solchen Beschleunigungskräften wurden die Trägheitskräfte aller Gewebe sehr viel größer sein als für die Nadel oder Messer benötigt, um vollständig einzudringen und selbst weiche Gewebe und Flüssigkeiten würden am Ort verharren und durchdrungen werden. Deshalb ist es bei medizinischen Anwendungen notwendig für den Antrieb Materialien mit hoher Bruchfestigkeit auszu wählen sowie hervorragende "Verbindungs- und Löttechniken anzuwenden um die Benutzung der hohen "G" - Last zuzulassen.

Auch ist darauf hinzuweisen, daß bei diesem extrem hohen "G"-Kräften und der resultierenden Beschleunigung von 7,2 χ Λ0 m/sec , sich normale Plastikmaterialien wie unelastische Körper verhalten und ein Abscheren auch von sh sehr weichem oder gallertartigen Materialien in einer Weise erfolgt ähnlich wie auch in Flüssigkeiten, wie in dem US-Patent 3 614 069 beschrieben. Dieses Mißverhältnis tritt zwischen der Abhebzeit und der Aufsetzzeit auf, wobei die Abhebzeit die Aufsetzzeit übersteigt, so daß der elastische Körper nicht in den Ruhezustand zurückkehren kann, ehe das Abscheren auftritt. Dies hat keine Folgen, wenn das Gewebe fest ist und der längsbetriebene Kopf extrem beständig betrieben wird oder wenn der Kopf fest ist und das Gewebe sehr beständig gegen den Kopf gedrückt wird. Sobald die Partikelgeschwindigkeit sehr hoch wird, können nichtfeste Körper normalfeste Körper leicht durchdringen und umgekehrt; ein Beispiel hierfür ist die "Impfpistole".

609882/0757

- 18 -

2S26373

Noch, ein anderes Phänomen ist zu berücksichtigen, Wird genügend Strahlungsintensität von einer Schwingungsoberfläche beispielsweise von einem Nadelkopf oder einem Knochenmeißel in Flüssigkeit abgegeben, so wird eine Kavitationsschwelle in der Flüssigkeit oder der Emulsion bei einem gewissen Pgel auftreten. Dies ist im allge-

meinen der Fall bei 0,5 w/cm im Blut und 0,1 bis 3,0

w/cm in gallertartigem Gewebe. Zur Ausnutzung des durch die Ultraschallenergie erzeugten Kavitationsphänomens müssen Einschlüsse oder kleinste Gasblasen vorhanden und die Energiehöhe muß genügend groß sein, um einen Diffusionausgleich zu bewirken, wie es im US-Patent 3 614 069 von Murry beschrieben ist.

Ein drittes für diese Arbeit sehr wichtiges Phänomen tritt auf, wenn große Ultraschallintensität wirksam wird und welches als "Mikroströmung" zu bezeichnen ist. In den Anfangsstadien der der Erfindung zugrundeliegenden Forschung wurde diese Kraft als unwesentlich für die Gewebeauflösung ignoriert. Es zeigt sich aber, nach weiteren Arbeiten und Experimenten, daß die Mikroströmung der Hauptfaktor in der Mikroschirurgie, bei der Beseitigung des Grauen Stars und der ZeilZertrümmerung ist. Für eine detaillierte Betrachtung enthält hierzu der Artikel von "Nyborg" mit dem Titel "First International Symposium On Ultrasound", Seiten 124 bis 135 (17-19 Sept. 1970) Referenzen.

Es wurde entdeckt, daß die Mikroströmung und ihre richtige Anwendung wesentlich ist, um eine einwandfreie Zertrümmerung , Kavitation und Auflösung von Katarakt-Material-enthaltenden Gewben zu erreichen. Es wurde weiter gefunden, daß der Winkel des angeschliffenen Nadelendes bzw. Stabendes ziemlich kritisch für die anzuwendenden .

609882/0757 -19-

Leiterabmessungen und Formen ist.

Die Fig. 14 zeigt die Mikroströmung entlang der Länge eines Drahtes, der querschwingt, und Fig. 15 die Abbildung eines Drahtes, der querschwingt (übertrieben dargestellt) wodurch diese Art der Mikroströmung verursacht wird.

Die Fig. 16 zeigt die Draufsicht auf das Ende eines Drahtes 37 hei Mikroströmung, wie sie am Ende des Drahtes auftritt, wenn dieser querschwingt (von links nach rechts) und Fig. 17 zeigt einen abgerundeten Kopf eines Stabes und die entsprechende Art der Mikroströmung . Bei Längsschwingungen, wie in den Fig. 18, 19 und 20 gezeigt, ergibt sich ein anderer Effekt. Fig. 18 zeigt die Mikroströmung an einem viereckig endenden Draht oder Stab 38, während die Fig. 19 einen Draht 39 zeigt, welcher am Kopf nach zwei Seiten im Winkel von 45 abgeschrägt ist, wodurch die Oberflächen 42 und 43 gebildet werden, welche ihrerseits ein Mikroströmungsmuster, wie in Fig. 19 gezeigt, verursachen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 20 ist der Draht 41 so geschnitten, daß am Kopf der Winkel Theta, wie gezeigt, entsteht, der eine Größe zwischen 30° und 40°, und vorzugsweise von 37»5 hat, um eine günstige Mikroströmungsverteilung zu erhalten, wie es in Fig. 20 gezeigt ist.

Die Fig. 21 ist eine vergrößerte Ansicht eines Hohlnadelendes mit einem Winkel von 37»5° und die zertrümmerten festen Partikel werden, wie dargestellt, in dem kleine Strudel bildenden Wirbel eingefangen und dabei der intensiven Schallenergie des Nadelkopfes 41 ausgesetzt. Da die

behandelten Fragmente umherwirbeln, werden sie kleiner und kleiner durch die Ultraschallbehandlung, bis sie klein genug sind, sodaß sie leicht durch die Zentralbohrung 44

- 20 609882/0757

der Hohlnadel eingezogen werden können, wie in Fig. 21
gezeigt. Dabei ist zu beachten, daß bei Anwendung eines
Winkels von 37 1/2 die bestehende Mikrostromungsenergie vollständig rechtwinklig zur Abstrahlungsfläche auftritt und daß eine große Behandlungsoberfläche bzw. ein großer ringförmiger Bereich hoher Ultraschallintensität auftritt und sobald die Partikel von der dreidimensionalen Mikroströmung erfaßt werden, werden sie schnell in ihrer Größe reduziert und bald vollständig emulgiert durch die starken Verflüssigungskräfte. Es wurde ohne Ausnahme beobachtet, wie diese Partikel erfaßt und gezwungen wurden, herumzuwirbeln und zu tanzen und schnell abzunehmen an Größe und wie sie dann leicht durch die Nadel eingezogen und beseitigt werden. Dieser Prozeß funktioniert in allen Geweben, welche einer Behandlung unterzogen wurden, einschließlich Knochen.

Fig. 11 zeigt in einem Blockdiagramm den Aufbau eines Netzteiles 22, welches seine Primärenergie über einen Wechselstrom-Netzstecker 53 erhält und einen Steuergenerator 56 speist, welcher eine Abstimmsteuerung 57 zur Veränderung der Oszillatorfrequenz und einen Abstimmanzeiger 58 besitzt. Der Ausgang des Oszillators führt zu einem Leistungsverstärker 5^, welcher durch den Fußschalter 51 geschaltet
wird, um die Energie über den Transformator T1 an ein Handstück 22 als elektromechanischen Wandler abzugeben.

Die Fig. 10 zeigt das elektrische Schaltbild des Netzteiles 52, des Steuergenerators 56 und des Leistungsverstärkers 54·· Das Netzteil 52 besitzt einen Transformator .13 mit einer mehrfach angezapften Sekundärwicklung, um
sechs Ausgansspannungen über die Schalter Sa1 bis 6 zu
erhalten. Dadurch kann über die Ausgangsleitung 58 an den Fußschalter 51 eine Ausgangsleistung von 2,5, 5,0, 7,5,

- 21 609882/0757

10,0, 12,5, und 15 Watt zur Steuerung des Handstückes 22 abhängig von der Stellung eines der Schalter Sa1 bis 6 gegeben werden. Ter Transormator T3 ist elektrisch abgeschirmt und die Schaltkontakte können durch Abkapselung oder Einbau in ein gasdichtes Isoliergehäuse 109 in der Frontplatte vollständig abgeschlossen sein. Die Ausgansleitung 59 des Fußschalter 51 ist mit einem Anschluß des Verbindungsblockes J3 verbunden, welcher eine Verbindungsbrücke 61 zur Weitergabe der Energie über die Leiter 62 bzw. 63 an die Brückenschaltung BEI zur Erzeugung einer gleichgerichteten Spannung parallel zum Kondensator 01. Ein Wattmeter 107, wie in Fig. 12 gezeigt, kann mit den Anschlüssen 68 und 69 der Steckvorrichtung J4 verbunden werden, welche über die Leitungen 66 und 67 zu der Primärwicklung des Transformators T3 geführt sind. Das Wattmeter ist gleichzeitig über die Leitungen 71 und 72 zur Messung der Energieaufnahme des Handstückes 22 verbunden. Wenn der Fußschalter 51 betätigt ist, kann ein an der Rückseite der Einheit angeordneter Summer 73 ausgelöst werden zu einer über die Einstellung 70 einstellbaren hörbaren Anzeige. Wenn der Fußschalter 51 betätigt ist wird der Ultraschallausgang das Handstück 22 und den Summer 73 speisen. Außerdem wird eine Abstimmanzeigebeleuchtung 74- an der Frontseite der Einheit, wie aus Fig. 8 zu ersehen, eingeschaltet. Eine mit Wechselstrom betätigte Beleuchtung 76 an der Frontseite zeigt an,

wenn Leistungsenergie in die Einheit eingespeist wird und die Schalter Sa1 bis 6 erlauben die Auswahl der gewünschten Energiehöhe.

Sobald der Fußschalter 51 geschlossen ist, wird das Handstück 22 durch Drehen des Abstimmknopfes 57 der Abstimmsteuerung abgestimmt, und zwar durch Bewegung der Abstimmspule des Transformators T2 bis die Abstimmbeleuchtung 74

609882/0757 -22-

die Abstimmbedingung durch. Dunkelwerden anzeigt. Somit muß der Benutzer lediglich das Handstück 22, den Fußschalter 51 und den Netzstecker 53 einstecken und den Abstimmknopf 57 (Fig. 8) "betätigen bis die Abstimmanzeigebeleuchtung 74- abdunkelt und das gesamte Gerät ist für eine Verwendung bei einer Operation fertig. Die einzige weitere Abstimmöglichkeit an dem Gerät ist die Einstellung der Höhe des Summers an der Rückseite der Einheit über die Steuereinrichtung 70, um einen gewünschten Summerton zu erhalten.

In dem Sehaltdiagramm ist der Oszillatortransistor Q3 das Herz des Oszillators 56 und sein Ausgang speist die Primärwicklung 81 des Transformators T2. Die Rückkopplung zum Oszillator führt über .die Leitung 82 vom anderen Ender der Primärwicklung über die in Serie geschalteten Widerstände R7 und R9 und dieser Spannungsteiler erzeugt eine Gleichstromvorspannung an der Basis des Transistors Q3 sowie eine Schwingungsrückkopplung. Der Emitter-Widerstand R10 erzeugt eine Stromgegenkopplung. Die Dioden CR1 und CR2 sind antiparallel an die Basis des Transistors Q3 geschaltet, so daß der Durchlaßdiodenspannungsabfall die Rückkopplungsspannung bei angenähert 1 1/2 Volt beidseitig begrenzt. Der Gleichstromsperrkondensator dient dazu die Dioden mit verschiedenen Gleichstromvorspannungspotential an die Basis anzuschließen. Der Widerstand R8 ist mit der anderen Seite" des Kondensators 03 verbunden und die Serienschaltung des Widerstandes R8 und des Kondensators C3 hat nur einen geringen Einfluß auf die Schaltoperation mit Ausnahme der Einspeisung des Rückkopplungsstromes. Der von dem das Handstück treibendem Transformator eingespeiste Rückkopplungsstrom ermöglicht eine Erequenz oder Phasensynchronisation unabhängig von der Amplitudenbegrenzung durch die Dioden GR1 und CR2 im Oszillatorkreis. Dies hat zum Ergebnis, daß

609882/0757 - 23 -

weniger Zwischenmodulationen entstehen und daß nur eine geringe Tendenz "besteht, einzelne und ungewollte Frequenzen zu erzeugen, die durch die Kristallschwingungen erzeugt würden. Dies führt dazu, daß das Handstück 22 und die Nadel 33 mit einer eindeutig vorgewählten Frequenz arbeiten, die mit dem Abstimmknopf 57 (Fig.8) eingestellt und die genau mit der Frequenz des Schwingungsantriebskristalles 24 des Transformators T2 übereinstimmt. Die zusätzliche Abschirmerdung 29 ist mit dem Stecker 29a verbunden, welcher in die Erdungssteckerbuchse 28b gestekct wird.

Eine Rückkopplung wird über den relativ hochohmigen Widerstand R16 von einem Punkt am Ausgangstransformator T1 gebildet, welcher die Resonanzimpedanz der Ultraschallantriebskristalle im Handstück 22 im Betrieb übersetzt. Eine Zeitfolgemeßvorrichtung 108, vergleiche Fig. 13» kann mit der Steckvorrichtung J4 verbunden werden, um die totale Benutzungszeit der Vorrichtung, z.B. die Gewebebehandlungszeit anzuzeigen.

Das Handstück 22 ist eines der Hauptteile des Gerätes nach der Erfindung, bei welchem der Vorschlag nach der Erfindung, die kritische Anpassung durch eine Rückwirkung in einzigartiger Weise ermöglicht wird, sobald die Eigenfrequenz des schwingenden Werkstückes gefunden wurde, und zwar unabhängig dabon, ob es sich um eine Nadel oder einen Stab oder ein Messer handelt, das jeweils vom Chirurgen ausgewählt wird. So kann der Chirurg im Voraus entscheiden, welche Größe eines Operationsinstrumentes er benötigt und er ist nicht gehalten, ein Instrument zu benützen, dessen Größe und Gewicht durch andere Fachleute bestimmt wird.

- 24 609882/0757

Bei Verwendung von Nadeln zur Entfernung des Grauen Stars z.B. wünschen die Ärzte 19er, 21er und 23er Nadeln mit einer Länge von ungefähr 1 inch mit einer größtmöglichen Einsaugöffnung. Sobald die Dimensionen der Nadel festgelegt ist, ist auch die komplette Vorrichtung "bestimmt. Wie vorher an Hand von Fig. 1A gezeigt, müßten diese Nadeln bei "bekannter Ausführung eine halbe Wellenlänge haben und so würde eine 1 inch Nadel mit einem Endstück zur Befestigung, wenn sie aus Stahl gefertigt würde, eine Frequenz von angenähert 25 Khz benötigen. Eine derartige Ausführungsmöglichkeit ist in Fig. 5A dargestellt, wo die Nadel 81 und das Anpasshorn 82 jedes ungefähr 10,36 cm Länge aufweist und zusammengehalten werden von einem Gewinde schaft 84-, welcher in das mit Innengewinde versehene Teil 83 der Nadel 81 eingeschraubt wird. Der Antrieb 86-32-87 hat dabei ebenfalls 10,36 cm und die gesamte Länge der Kombination würde ungefähr 25 cm sein.

Der Antrieb 86-32-87 kann aus 304-austenitischem rostfreiem Stahl für das rückwärtige Teil 86, aus Blei-Zirkoniumtitanat für die Kristalle 32 und Titan für das Vorderteil 87 bestehen, so daß ein solcher Antrieb in Längsrichtung mit einer Frequenz schwingt, die der des tatsächlich benützten Instrumentes entspricht. Wenn z.B. die Nadel 81 eine Eigenfrequenz von 32,8 Khz aufweist, müßte ein i/2 Wellenlängenantrieb so gebaut sein, daß er ebenfalls mit 32,8 Khz schwingt. Auf diese besondere Weise kann ein Aufbau berechnet werden innerhalb 1/10 von 1% der Anforderungen, was bedeutet, daß die Einrichtung in Grenzen von Zyklen der genannten Anforderungen arbeitet. Diese Antriebe haben ein niederes Z und ein niederes Q mit einem Wirkungsgrad von 92 % der Umformung von elektrischer in

- 25 609882/0757

Schwingungsenergie.

Sobald der Antrieb 86-32-8? aufgebaut ist, wird 1/2-Wellen-Exponentialglied oder ein anderer Typ eines Anpassungshornes 82 aus Titan eingesetzt und ein sehr hoher Wirkungsgrad wird erhalten. Der Antrieb 86-32-87 und das Anpassungshorn 82 werden unter Verwendung eines Gewinde schaft es 34- miteinander verbunden und damit ist der Schwingungserzeuger hergestellt. Ein derartiger Antrieb ergibt eine einfache Ganzwellenantrieb/Anpassungskombination, welche mit derselben Frequenz, wie das ausgewählte Operationsxnstrument, beispielsweise eine Nadel, arbeitet. Die Anwendung einer solchen unkomplizierten Einrichtung wie vorstehend beschrieben hat jedoch noch verschiedene Nachteile, wie z.B.

1. Die Einheit wird zu lang.

2. Der Antrieb neigt mit losem Arbeitsteil zu schwingen. 3· Ein getrenntes Teil ist zur Befestignug der Nadeln und Messer und anderer Werkstücke notwendig, was eine erhebliche Verstimmung des Schwingungssystems zur Folge hat.

4. Gewöhnlich ist eine Wasserkühlung notwendig, was den Wirkungsgrad vermindert.

Andererseits wird, wenn die Generatorfrequenz einfach verschoben wird, um die veränderten Bedingungen auszugleichen, ein ungünstiger Aufbau in Kauf genommen und weniger Energie wird an das Instrument gegeben, wodurch mehr Wärme entsteht und eine Erequenzabstimmung jedesmal notwendig wird, wenn die Belastung sich ändert, was aber nicht erschwert werden soll.

- 26 609882/0757

Die vorliegende Erfindung löst gleichzeitig auch, alle diese Probleme durch vollständiges Eleminieren der Nadeln, Messer oder anderen Werkstücke als eine separate Größe und durch ihren tatsächlichen Einbau als Teil des vorderen Impedanzwandler, wie aus Fig. 4-A, 4-B, 6A und 6B zu ersehen. Dies ergibt die folgenden Vorteile.

1. Die Gesamtlänge wird reduziert,

2. Die Verbindungsfläche C, die die Kopplung zwischen Übertragungshorn 82 und der Nadel 81 bildet, wird unter Ausschaltung jeglichen Zwischenraumes verbessert und unter Ausschaltung einer Tendenz des Werkstückes, sich zu lockern, was durch das Schwingen gegen den Schwingungsknoten verursacht wird.

5. Jedes Übermaß in der Ausbildung der an VorSprüngen, Kanten usw., welche sonst die Nadeln, Messer oder das ganze System verunstalten, werden eleminiert.

4. Die Energieübertragung wird um JOO ^c/o gesteigert.

5. Die Notwendigkeit zur Wasserkühlung wird beseitigt.

Die Maße der Nadeln, Stäbe, Röhren usw. folgt folgender Exponentialgleichung.

-X

S-S₀-C

Hierbei ist Z' der Steigungswert. Es kann gezeigt werden, daß, wenn einmal der große Durchmesser D. und der kleine Durchmesser D~ ausgewählt sind, die gesamte Länge L des AnpassungsStückes klar für eine gegebene Frequenz und ein danach gewähltes Material bestimmt ist. Damit ist die Länge L und die Durchmesser D^. und Dp frei wählbar und der Rest der Anpassungsdimensionen ist automatisch festgelegt. Der Durchmesser der Nadel und ihre gewünschte

609882/0757

Länge werden also zuerst gewählt und alle anderen für die Herstellung notwendigen Daten sind damit bestimmt.

Die Auswahl des Verbindungsbereiches C (Fig. 6 A und Figuren 7A bis 7F) ergibt den Schwingungsknoten, während die Oberfläche des Kontaktbereiches da gewählt wird, wo die Energie übertragen werden soll. Auf diese Weise ist der Werkstückaufbau komplett.

Die Fig. 4A und 4B zeigen auseinaddergezogen die Einheit des Gerätes nach der Erfindung.

Die Fig. 7A bis 7F zeigen verschiedene Instrumente und Werkstückaufbauten, wie sie im Eahmen der Erfindung benutzt werden, wobei Fig. 7A eine Nadel 33 zeigt, welche mit einem Anpasshorn 93 durch Lötung verbunden ist. Figur 7B zeigt einen Meißel °A> der mit dem Anpasshorn 93 verbunden ist. Die Fig. 7C gibt eine Hohlnadel 96 mit einem offenen Arbeitsende 94- wieder, die ebenfalls mit einem Anpasshorn 93 versehen ist. Fig. 7D, zeigt ein microchirurgisches Messer verbunden mit einem Anpasshorn 93· Fig. 7E gibt ein Graefe'sches Messer 99 wieder mit dem Anpasshorn 93 und Fig. 7F schließlich zeigt ein Girard'-sches-Cataract-Messer 101 mit dem Anpassungsteil 93· Weil einige dieser Teile unterschiedliche Formen haben, ist ihre Eigenfrequenz abhängig von ihrer Geometrie und mit Hilfe eines Rechners wird die Eigenfrequenz bestimmt. Auch Tests können, sofern notwendig, mit speziellen Frequenzen durchgeführt werden, um Korrekturen durchzuführen. Fehler können in dem Anpassungshorn weitgehend beseitigt werden.

Es wurde gefunden, daß zur erfolgreichen Übertragung von

- 28 609882/0757

Schwingungsenergie und für eine Operation jede Komponente Bestandteil der Gesamteinheit - also der Nadel oder dem Stift, dem Anpassungshorn ist und daß der Antrieb nicht ausgeglichen werden muß in seinem Aufbau und jedes separate Teil muß für eine spezielle Frequenz gebaut sein, um es vor Erwärmung und dem Verlust von Ausgangsenergie zu schützen. Obwohl die Generatoreinheit 105 gemäß der Erfindung leicht abgestimmt werden kann von 28 bis 58 Khz durch bloße Anpassung der Abstimmschraubenposition des Spulenkerns mit dem Knopf 57 wird die unterschiedslose Anwendung einer anderen frequenz die Antriebs/Anpassung-Werkstückkombination veranlassen, mit gewissem Kompromiß und uneffektiver Frequenz zu arbeiten. Andererseits können, sofern geeignete Aufbautechniken gemäß der Erfindung angewendet sind, medizinische Werkstücke so gebaut sein, daß sie mit 1 % oder besser der gewünschten Frequenz arbeiten, welche um eine hohe Effizienz der Energieübertragung zu erlauben bei einem leichten Auswechseln und Austauschen von allen Teilen und Zubehör,, so daß alle von den Teilen in der gewünschten Weise arbeiten und die geforderte Energie für spezielle Operationen zur Verfügung steht.

Bekannte Systeme weisen Schwierigkeit auf wegen einer bestimmten Arbeitsweise der Magnetostriktionseinheiten und diese Arbeitsweise wird manchmal "Killerart" genannt und besteht in einer Querschwingung in den Nadeln, Messern und Stiften. Wie in Fig. 15 gezeigt, kann eine Nadel mehr als 1/4 eines Inch ausschlagen im Innern des Auges, wenn der Wandler einmal in diese Schwingungsweise übergeht, was sehr gefährlich und schädlich für den Patienten ist.

Aus diesem und anderen Gründen ist der Aufbau der Erfindung einheitlich und das Gerät ist als ein Gesamtsystem gebaut, wobei jede Komponente zur optimalen Leistungsfähigkeit ausgelegt ist· In diesem Aufbau würde es nötig sein, wenn

609882/0757

- 29 -

zwei ode drei der Teile in eine Schwingung der "Killerart" übergingen, daß weitere vier Teile ebenso schwingen müßten, um dies zu erreichen. Die Erfindung garantiert also daß die Schwingungen nach der "Killerart" nicht auftreten können, weil

1. Die Nadel wissenschaftlich konstruiert wurde, so daß sie speziell vor Querschwingungen schützt,

2. Das Anpasshorn auch so konstruiert ist, daß es keine Querschwingungen erlaubt (der gefährdete Antrieb mit dem Kristall in sich wird niemals mitschwingen, obwohl er fähig ist, in drei Dimensionen zu schwingen),

5. Der Generator gemäß der Erfindung so aufgebaut ist (durch die hohe Eückkopplungssteuerung aller Oszillatorteile), daß Frequenzwanderungen strikt begrenzt werden.

Damit schützt die vorliegende Erfindung vollkommen vor jedem Beginn von wilden Schwingungen durch speziellen Aufbau der Instrumente, wodurch sich die Sicherheit des Patienten gegenüber herkömmlichen Systemen wesentlich erhöht.

Wie gezeigt wurde, umfaßt die Erfindung die einzigartige Möglichkeit der freien Auswahl der Instrumente, um sie bei Operationen zu benutzen, und dann die durch Bildung des Anpassungsstückes und des Antriebes derart, das alle diese Elemente der Kombination auf eine Frequenz abgestimmt sind, die durch das medizinische Werkzeug gewählt ist, das während der Operation benutzt werden soll. Die Frequenz der Einheit kajin dann festgelegt sein durch Einstellung des Knopfes 57 (Fig· 8 und 11), um das Kernabstimmelement des Transformators 02 zu verschieben auf die bekannte Frequenz und die in das Handstück 22 einzugebende Energie wird festgelegt durch betätigen des entsprechenden Schal-

609882/0757 -30-

ters Sa1 bis 6, um zu garantieren, daß die gewünschte Energie verfügbar ist. Durch diesen einzigartigen Systemaufbau wird das in der Hand zu haltende Instrument die Schwingungsart nicht wechseln und es ergibt sich auch kein Wechsel in der Energiehöhe.

Eine Saugkraft wird an das Ende von Hohlnadeln durch den Kanal 103, wie in Fig. 4-A gezeigt, angelegt, um Gewebe abzusaugen, welches abgebrochen und verkleinert wurde, wie in Fig. 21 gezeigt. Die Bemessung eines Winkels theta (0) von ungefähr 37 1/2°, wie in den Fig. 20 und 21 dargestellt, erzielt ein Optimum _aD. Beseitigung und Absaugung dieses Materials.

Patentansprüche

609882/0757

Z1 _

Claims

Patentansprüche

1. Medizinisches Ultraschallgerät bestehend aus einem
Oszillator, einem Handstück, einem Ultraschallerzeuger
als Schwingungsantrieb (Ultraschallantrieb), welcher in
dem Handstück angeordnet und mit dem Oszillator elektrisch verbunden ist, einem medizinischem Instrument und einem
Anpassungshorn zur Verbindung des Ultraschallantriebes
mit dem Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Instrument (33 5 8I;^) .und Anpassungshorn (82;

93) eine Wellenlänge gleich besitzt, wobei η eine

ganze Zahl und A die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz des
Antriebs (32) ist und wobei ein Teil des Instrumentes verjüngt ist, um der Ausbildung eines Anpassungshornes angepasst zu sein, um Reflexionen zu verhindern und um einen
gleichmäßigen tibergang des Hörnes zu ermöglichen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Handstück (22) vollständig in ein elektrisch isolierendes, keine Reflexion hervorrufendes Plastikmaterial eingebettet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
innere Ultraschallantrieb aus einem zylindrischen Rückteil aus Stahl, aus Blei-Zykoniumtitanatkristallen, (24-) die mit dem Rückteil verbunden sind, und einem Vorderteil (26) aus Titanium besteht, das mit den Kristallen verbunden ist und das einen Teil (27) aufweist, welcher verjüngt ist und daß ein Werkstück (33) mit einem verjüngtem Teil so ausgebildet ist, daß dessen Durchmesser als Verbindungsfläche
mit der Vorderseite des Frontstückes des Antriebes angeglichen ist.

- 32 609882/0757

4. Gerät nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument (Werkstück) (33) aus nichtrostendem Stahl oder Titan gebildet ist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Werkstück als Hohlnadel (41) ausgebildet ist und mit einer Saugvorrichtung zu der Nadel und der Höhlung des Halteteiles aus Titanium verbunden ist.

6. Gerät nach Anspruch 5_? dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Hohlnadel (41) abgeflacht ist mit einem Winkel der Größenordnung zwischen 30 und 40° gegen die Längsachse der Nadel.

7· Gerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Hohlnadel (41) abgeschrägt ist in einem Winkel von 37»5° gegen die Längsachse der Nadel (Pig. 21).

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen dem Instrument (Werkstück) und dem Anpassungshorn im wesentlichen in einem Schwingungsknoten angeordnet ist.

9· Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator elektrisch mit dem Ultraschallantrieb durch mindestens zwei elektrischen Leitern (25,30) verbunden ist, von welchen einer Erdpotential führt.

10. Gerät nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, niederohmiger Erdungsanschluß zwischen dem Ultraschallantrieb und dem Ultraschalloszillator als Sicherheitsverbindung und zur Fehleranzeige vorgesehen ist.

- 33 609882/0757

11. Gerät nach. Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite Sicherheitserdungsanschluß einen Widerstandswert von etwa 8 Ohm gegen Erde aufweist, um das Gerät zu erden und die Operationsenergie im Arbeitsstück drastisch zu vermindern, um diese nicht zu unterbrechen, aber doch zu begrenzen.

12. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator Schaltglieder zur Änderung seiner Frequenz über einen vorgesehenen Bereich aufweist, um Antrieb, Anpassungshorn und Arbeitsgerät anzupassen unerwünschte Schwingungen jedoch zu vermeiden.

13· Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltglieder (Sa1 - 6) vorgesehen sind zur Veränderung der Ausgangsleitung des Oszillators an die Motor-Arbeitsgeräte komb in at i on.

14. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Transistorverstärker und einen Rückkopplungswiderstand aufweist, der zwischen dem Antrieb und dem Basiskreis des Transistors eingeschaltet ist, um den Oszillator auf der Resonanzfrequenz der Antriebs-Arbeitsgerätekombination zu halten.

15· Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsstück als ein integriertes Teil des Anpassungshornes aufgebaut ist, um eine gute Energieübertragung zum Arbeitsstück mit geringem Verlust und geringer Neigung sich zu lösen, zu gewährleisten.

609882/0757