DE2626373B2

DE2626373B2 - Medizinisches Ultraschallgerät

Info

Publication number: DE2626373B2
Application number: DE2626373A
Authority: DE
Inventors: Joseph Frederick Niles Brumbach; Edward James Palos Park Murry
Original assignee: Fibra-Sonics Inc Chicago Ill (vsta)
Current assignee: Fibra-Sonics Inc Chicago Ill (vsta)
Priority date: 1975-06-13
Filing date: 1976-06-11
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2626373C3; US3990452A; FR2313948B1; CA1078926A; JPS6243692B2; JPS5293A; FR2313948A1; GB1515236A; DE2626373A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein medizinisches Gi/ät für chirurgische Eingriffe und Heilbehandlungen unter Anwendung von Ultraschallenergie und im besonderen auf ein medizinisches Ultraschallgerät gemäß den Merkrrilen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Biologische Effekte bei Anwendung von Ultraschall wurden durch Lange vi η schon um 1922 nebenbei beobachtet.

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. Seither wurde der Einsatz von Ultraschallenergie in verschiedenen Bereichen der Medizin vorgeschlagen und versucht, wobei es praktisch bis heute an entsprechenden Geräten und Apparaten fehlt.

So wird beispielsweise in »Ultrasonic, the Low and High Intensity Application« von Ensminger auf Seite 143 unter »Surgery« gesagt »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 die Entfernung der Linsenflüssigkeit«.

Soweit entsprechende Geräte entwickelt wurden, hatten diese λ/2-Wellen-Vibrationsschwingeraufbau aus Nickellegierungen. Die Schwingungen wurden dabei durch das Anlegen eines hochfrequenten Magnetfeldes erzeugt, an welche die Arbeitsspitze der verschiedenen chirurgischen Instrumente angebracht wurde. In den meisten Fällen wurde die Ultraschallschwingung zunächst wie im Labor erzeugt und Messer, Nadel, Säge u. a. wurden 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 20 bis 60 Watt Instrumenteneingangsenergie bei Zahnsteinentfernern

h^r, zu verwenden, auch wenn die Arbeit mit 10 Watt oder weniger und mit weit höherer Effektivität erledigt werden könnte, falls die Vorrichtung als ein System zur Durchführung von speziellen Arbeiten ausgebildet wird.

Auch als Erfinder voll erkannt hatten, daß es notwendig ist, das anzuwendende Instrument als Teil des Schwingungssystems zu machen, gelang noch nicht der Durchbruch, da die Anpassung durch Übertragung von schon existierenden Geräteformen selbst versucht wurde, welche aber nicht zu den Ultraschallbedingungen paßten.

Auf diese Weise wurden in der Vergangenheit zu viele Kompromisse gemacht bei dem Bemühen, überhaupt etwas zu tun, was dazu führte, daß bltraschallenergie nur für einzelne Behandlungsmethoden angewandt wurde und im allgemeinen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad.

So wurden beispielsweise spezielle Geräte für

die Augenheilkunde (US-PS 36 18 594;

DD-PS 1 09 2961
die Steinezertrümmerung (DE-AS 20 20 345;

CH-PS 4 70 172),

die Harnwege (US-PS 37 92 701) und

die Katheterisierung (US-PS 34 33 226)

entwickelt In Verbindung mit Ultraschallgeräten auch außerhalb einer medizinischen Anwendung ist es bekannt (Bergmann. »Der Ultraschall«, 1954, Seiten 197/198), zur Erzeugung von im Vergleich zu der vom Ultraschalloszillator abgegebenen Amplituden vergrößerten Amplitude zwischen dem Schwingungsoszillator und dem Instrument ein sich im Querschnitt verjüngendes Anpassungshorn einzubauen, dessen Länge ebenso wie die Länge des Instrumentes selbst auf die Hälfte der vom Schwingungsoszillator abgegebenen Wellenlä ige (λ/2) oder ein Vielfaches davon abgestimmt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein medizinisches Ultraschallgerät anzugeben, welches universell einsetzbar ist, das trotz Anpassung des Instrumentes an die anzuwendende Wellenlänge und Verwendung eines Anpassungshornes auch für die verschiedensten Zwekke handlich bleibt und bei welchem die einzelnen Instrumente bei guter Schallübertragung leicht auswechselbarsind.

Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschallgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Dabei sind die an ein Ultraschallgerät zu stellenden Bedingungen, wie noch gezeigt wird, voll erfüllbar. Diese Bedingungen sind:

a) Es sollte vollständig sterilisierbar sein, zumindest mittels Gastechnologie aber bevorzugt durch Sterilisieren;

b) Es sollte jeweils ein absolutes Minimum an Energie verbrauchen;

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

Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf so ein typisches medizinisches Ultraschallgerät, bei welchem durch die guten Anpaßbedingungen zwischen Schwingungsoszillator und Instrument die aufzuwendende Energie und damit die Wärmeentwicklung wesentlich geringer als bei bekannten Geräten gehalten werden kann.

Einzelheiten sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden an Hand detaillierter

Beschreibung von bestimmten, bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. IA eine Ausführungsform eines in der Hand zu haltenden Ultraschallgerätes gemäß dem Stand der Technik,

F i g. 1B eine Darstellung der Schwingungsamplitude bei dem Gerät nach F i g. 1A,

F i g. 2A ein entsprechendes Gerät gemäß dem Stand der Technik mit einem Instrument mit gebogener Arbeitsspitze,

F i g. 2B den Schwingungsverlauf am freien Ende des Instrumentes in F i g. 2A,

F i g. 2C eine Darstellung der Schwingungeamplitude über die Länge des Gerätes, ι ϊ

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

F i g. 3B die Grundausführung für eine Frequenz unterschiedlich von der Einrichtung von F i g. 3A,

F i g. 3C die Grundausführung für noch eine andere Frequenz,

F i g. 4A, B ein funktionsfähiges Werkzeugsiück nach der Erfindung,

Fig.5A eine Ansicht einer früheren Ausführungsform, 2i

F i g. 5B eine Darstellung der Schwingungsamplitude der Ausführungsform nach F i g. 5A bei freischwingendem Arbeitsteil (man beachte das Auftreten der drei Halbwellen in einer typischen Weise),

F i g. 6A eine verbesserte Ausführung der Erfindung, jo

F i g. 6B eine Darstellung der Schwingungsamplitude bei körperlichem Abstand (man beachte das Auftreten von zwei Halbwellen und die größere Amplitude am Nadelkopf),

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

F i g. 8 eine Ansicht der Frontplatte der Steuereinheit, F i g. 9 eine Rückansicht mit Frequenzeinstellung,

F i g. 10 einen elektrischen Schaltplan, -10

F i g. 11 ein vereinfachtes Blockschaltbild,

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

F i g. 13 einen anschließbaren Zeitfolgeanzeiger, 4 >

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

Fig. 15die tatsächliche Bewegung eines quersdiwingenden Stabes,

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

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

Fig. 18, 19 und 20 Schwingungen zu »gewollten« r, MikroStrömungen am Kopf einer längs schwingenden, festen Nadel bei verschieden »angeschliffenen« Winkeln und

Fig. 21 eine mit optimalem Winkel aufgeschliffene Hohlnadel und das Verfahren zum Einfangen von w> Fragmenten in den Mikroströmungs »pool«.

Die Fig. IA zeigt eine aus »Fundamental Studies of Phaco-Emulsification« (Sect. VII: Y. K u w a h a r a u. a.) vorbekannte Ultraschallvorrichtung 10, welche aus einem hohlen äußere" Gehäuse 11 besteht, in welchem (,-, ein Schwingungsantrieb 15 angeordnet ist, dessen Front mit einem Anpassungshot η 12 gekoppelt ist, dessen Teil 13 mit einem Gewinde versehen ist. Eine Nadel 14 wird mit ihrem mit Innengewinde versehenen Kupplungsteil 116 auf das Gewindeteil 13 aufgeschraubt

F ί g. 1B zeigt die Schwingungsamplitude beim freien Schwingen der Vorrichtung nach F i g. 1A.

Die Fig.2A zeigt eine ebenfalls vorbekannte abgewandelte Form dieser Vorrichtung mit einer »gekrümmten Nadel« wie sie von Kuwahara und seinen Assistenten vorgestellt wurde. Diese Vorrichtung besteht aus einer gebogenen Nadel 18 mit einem abgebogenen Kopf 21, welcher seitwärts in einer querlaufenden Bewegung schwingt, wie es durch die Pfeile angedeutet ist.

F i g. 2B zeigt die Bewegung des Kopfes 21, während die Fig.2C die Amplitudenverteilung dieser Ausführungsform zeigt.

Rozenberg weist in seinem Buch »Sources of High lntensith Ultrasound Volume Λ« daraufhin, daß der Lagepunkt des eingebauten Antriebes, 15 sich bei äußerer Be.'astung verlagert und daß auf diese Weise bei den vorbekannten Vorrichtungen na' o· F i g. 5 A und 2A Energie genau an der Behandiungssieiip 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 1! 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 Flüssigkeitskühlung der gesamten Einheit versehen sind.

Die Fig.3A, 3B, 3C, 4A und 4B 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 Antrk'bskriütalle 24. Die F i g. 3A, 3B und 3C zeigen Handstücke desselben Aufbaus aber für unterschiedliche Frequenzen. Das Frontteil des Antriebes 26 ist direkt mit dem Übergangskonus 27 gekuppelt.

Die F i g. 4A 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 Erdunp des Antriebes durch die Schraube 31/1 herstellt. Diese zusätzliche Erdung wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, so daß bei iSerinfim Verschleiß und guter Elastizität die Möglichkeit besteht, die ganze Einheit mit Heißdampf zu sterilisieren. Diese \/eitere Abschirmung unt das Kabel 28 kann einen spezifischen Widerstand von angenähert 8 Ohm vom Handstück 22 zu einer an der Kontrolleinheit 105 angebrachten Sicherheits-Erdungsschraube 28S haben und benn 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 veranlassen, 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 F i g. 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 n> 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. ι >

Für den Aufbau des Antriebs (Übertrngers bzw. Wandlers), der von einem elektrischen Generator anaptriphpn u/irH tinrt u/plrhpr Hip pIpIctrUrhp Fnpruip in

mechanische Schwingungsenergie umwandelt, sind die folgenden Gleichungen von Bedeutung .'»

2 Ol

li C ■ r

Dabei ist ρ das spezifische Gewicht des verwendeten Materials, cdie Schallgeschwindigkeit im schwingenden Material, ρ der Schalldruck, ν die Schallgeschwindigkeit (Teilchengeschwindigkeit) und / 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 (PZTS) notwendig sind, um die akustische Impedanz »gc« großzumachen. Die Kraftübertragung vom Antrieb auf andere Substanzen, z. B. zwischen Luft. Wasser, tierischem Gewebe, Metali usw. führt zu einem Mischmasch-Problem.

Die akustische Impedanz (ρ χ c) in ubar/cm/sek für Luft ist 42. während diese für Wasser 15! 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:

b0

wobei λ die Wellenlänge, c die Übertragungsgeschwindigkeit in dem Antrieb und f die Frequenz der e>5 Eingangsschwingungsenergie ist

Die Gleichung zeigt klar, das eine einmal gewählte Frequenz die Länge des Schwingungsantriebes eindeutig bestimmt. Darüber hinaus wird die Beschleunigung und Geschwindigkeit des durch die Schwingungen beanspruchten Materials extrem hoch an die Bruchfestigkeitsgrenze des vorhandenen Materials angenähert. Zum Beispiel wird, wenn die Amplitude gleich »A sin wife ist, die Geschwindigkeit gleich »wd« und die Beschleunigung »wo²«, und wenn bei 30 kHz »w«gleich 1,9 χ IO⁵ Bogengraden (Radians) pro Sekunde ist und sofern genügend Energie vorhanden ist an dem Arbeitsteil, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung betragen 3.8 m/sec bzw. 7,2 χ lO^m/sec². Dieser Beschleunigungswert entspricht 72 000 G und bei solchen Beschleunigungskräften würden 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 mpHi-7inki*hpn Änwpnrlitnapn nnlwpnrlio für Αρη An. ... _o — — ... _o — —

trieb Materialien mit hoher Bruchfestigkeit auszuwählen, 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 ΙΟ⁵ m/sec²,sich normale Plastikmaterialien v. ie unelastische Körper verhalten und ein Abschrien auch von sehr weichem oder gallertartigen Materialien in einer Weise erfolgt ähnlich wie auch in Flüssigkeiten, wie in dem US-Patent 36 14 069 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«.

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 Pegel auftreten. Dies ist im allgemeinen der Fall bei 0,5 w/cm² im Blut und 0,1 bis 3,0 w/cm² in gallertartigem Gewebe. Zur Ausnützung des durch die Ultraschallenergie erze igten Kavitationsphänomens müssen Einschlüsse oder kleinste Gasblasen vorhanden und die Energiehöhe muß genügend groß sein, um einen Diffusionausgleich zu bewirken, wie es im US-Patent 36 14 069 von M u r r y 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 Mikrochirurgie, bei der Beseitigung des Grauen Stars und der Zellzertrümmerung ist Für eine detaillierte Betrachtung enthält hierzu der Artikel von »Nyborg« mit dem Titel »First International Symposium On Ultrasound«, Seiten 124bisl35(17-19Septl970) Referenzen.

Es wurde entdeckt, daß die MikroStrömung und ihre richtige Anwendung wesentlich ist, um eine einwandfreie Zertrümmerung, Kavitation und Auflösung von Katarakt-Material-enthaltenden Geweben zu erreichen. Es wurde weiter gefunden, daß der Winkel des angeschliffenen Nadelendes bzw. Stabendes ziemlich kritir>.;i für die anzuwendenden Leiterabmessungen und Formeil ist.

Die Fig. 14 zeigt die Mikroslrömung entlang der Länge eines Drahtes, der qticrschwingt, uiicl I" i p. 15 die Abbildung eines Drahtes, der querschwingl (übertrieben dargestellt) wodurch diese Art der MikroStrömung verursacht wird.

Die Fig. If) zeigt die Draufsicht auf das Ende eines Drahtes 37 bei MikroStrömung, wie sie am Ende des Drahtes auftrin, wenn dieser querschwingt (von links nach rechts) und Fig. 17 zeigt einen abgerundeten Kopf

Λ nt· ΚΛ tL· r><-.e * *-λ geben.

Die Fig. 10 zeigt das elektrische Schaltbild des Nclzteiles 52, des Stcuergenerators 56 und des Leistungsverstärkers 54. Das Netzteil 52 besitzt einen Transformator Γ3 mit einer mehrfach angezapften Sekundärwicklung, um sechs Ausgangsspannungen über die Schalter Sa 1 bis 6 zu erhalten. Dadurch kann über die Ausgangsleitung 58 an den Fußschalter 51 eine Ausgangsleistung von 2,5, 5,0, 7,5, 10,0, 12,5 und 15 Watt zur Steuerung des Handstückes 22 abhängig von der Stellung eines der Schalter 5.7 1 bis 6 gegeben werden. Der Transformator Ti ist elektrisch abgeschirmt und die Schaltkontakte können durch Abkapselung oder Einbau in ein gasdichtes Isoliergehäuse 109 in der Frontplatte vollständig abgeschlossen sein. Die Ausgangslcitung 59 des Fußschalter 51 ist mit einem Anschluß des Verbindungsblockes /3 verbunden,

mung. 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 F i g. 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 F i g. 19 gezeigt, verursachen.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 20 ist der Draht 41 so geschnitten, daß am Kopf der Winkel Θ, wie gezeigt, entsteht, der eine Größe zwischen 30" und 40°, und .orzugsweise von 37,5° hat, um eine günstige Mikroströmungsverteilung zu erhalten, wie es in Fi g. 20 gezeigt ist.

Die Fig. 21 ist eine vergrößerte Ansicht eines Hohlnadelendes mit einem Winkel von 37.5° und die zertrümmerten festen Partikeln 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, so daß sie leicht durch die Zentralbohrung 44 der Hohlnadel eingezogen werden können, wie in Fig. 21 gezeigt. Dabei ist zu beachten, daß bei Anwendung eines Winkels von 37,5° die bestehende Mikroströmungsenergie vollständig rechtwinklig zur Abstrahlungsfläche auftritt und daß eine große Behandlungsoberfläche bzw. ein großer ringförmiger Bereich hoher Ultraschallintensität auftritt und sobald die Partikeln 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 Partikeln 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, weiche einer Behandlung unterzogen wurden, einschließlich Knochen.

F i g. 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 Osziiiators führt zu einem Leistungsverstärker 54, welcher durch den Fußschalter 51 geschaltet wird, um die Energie über den Transformator Ti an ein Handstück 22 als elektromechanischen Wandler abzu-

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LIlLlgaULULI

Energie über die Leiter 62 bzw. 63 an die Brückenschaltung BRI zur Erzeugung einer gleichgerichteten Spannung parallel zum Kondensator Cl. Ein Wattmeter 107, wie in Fig. 12 gezeigt, kann mit den Anschlüssen 68 und 69 der Steckvorrichtung /4 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 F i g. 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 Sa 1 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 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 Schaltdiagramm ist der Oszillatortransistor Q 3 das Herz des Oszillators 56 und sein Ausgang speist die Primärwicklung 81 des Transformators TZ Die Rückkopplung zum Oszillator führt über die Leitung 82 vom anderen Ende der Primärwicklung über die in Serie geschalteten Widerstände R 7 und R 9 und dieser Spannungsteiler erzeugt eine Gleichstromvorspannung an der Basis des Transistors Q 3 sowie eine Schwingungsrückkopplung. Der Emitter-Widerstand R10 erzeugt eine Stromgegenkopplung. Die Dioden CR1 und CR 2 sind antiparallel an die Basis des Transistors Q 3 geschaltet, so daß der Durchlaßdiodenspannungsabfall die Rückkopplungsspannung bei angenähert

I '/2 Volt beidseitig begrenzt. Der Gleichstromsperrkondensator dient dazu die Dioden mil verschiedenen Gleichstromvorspannungspotential an die Basis anzuschließen. Der Widerstand R 8 ist mit der anderen Seite des Kondensators C3 verbunden und die Serienschaltung des Widerstandes RB und des Kondensators C3 hat nur einen gcingen Einfluß auf die Schaltoperation mit Ausnahme d^r Einspeisung des Rückkopplungsstromes. Der von dem das Handstück treibendem Transformator eingespeiste Rückkopplungsstrom ermöglicht eine Frequenz oder Phasensynchronisation unabhängig von der Amplitudenbegrenzung durch die Dioden CR 1 und CR 2 im Oszillatorkreis. Dies hat zum Ergebnis, daf3 weniger Zwischenmodulationen entstehen und daß nur eine geringe Tendenz besteht, einzelne und ungewollte Frequenzen zu erzeugen, die durch die Krisiallschwingungen erzeugt würden. Dies führt dazu, daß das Handstück 22 und die Nadel 33 mit einer eindeutig vorgewählten Frequenz arbeiten, die mit dem Abstimmknopf 57 (F i g. 8) eingestellt und die genau mit der Frequenz des Schwingungsantriebskristalles 24 des Transformators 7'2 übereinstimmt. Die zusätzliche Abschirmerdung 29 ist mit dem Stecker 29a verbunden, welcher in die Erdungssteckerbuchse 286 gesteckt wird.

Eine Rückkopplung wird über den relativ hochohmigen Widerstand R 16 von einem Punkt am Ausgangstransformator Ti gebildet, welcher die Resonanzimpedanz der Ultraschallantriebskristalle im Handstück 22 im Betrieb übersetzt. Eine Zeitfolgemeßvorrichtung 108, vergleiche Fig. 13, kann mit der Steckvorrichtung /4 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, die kritische Anpassung durch eine Rückwirkung in einzigartiger Weise ermöglicht wird, sobald die Eigenfrequenz des schwingenden Werkstückes gefunden wurde, und zwar unabhängig davon, 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.

Bei Verwendung von Nadeln zur Entfernung des Grauen Stars z. B. wünschen die Ärzte I9er, 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, IA 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 F i g. 5A dargestellt, wo die Nadel 81 und das Anpaßhorn 82 jedes ungefähr 1036 cm Länge aufweist und zusammengehalten werden von einem Gewindeschaft 84, welcher in das mit Innengewinde versehene Teil 83 der Nadel 81 eingeschraubt wird. Der Antrieb 86-32-87 hat dabei ebenfalls 1036 cm und die gesamte Länge der Kombination würde ungefähr 25 cm sein.

Der Antrieb 86-32-87 kann aus 304-austenit'.sc!ierr! rostfreiem Stahl für das rückwärtige Teil ?6, aus Blei-Zirkoniumtitanat für die Kristalle 32 und Titan für das Vorder feil 87 bestehen, so daß ein solcher Antrieb in Längsrichtung mi' 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 '/j-Wellenlängenantrieb so gebaut

"> sein, daß er ebenfalls mit 32,8 kHz schwingt. Auf diese besondere Weise kann ein Aufbau berechnet werden innerhalb '/io von I °/o der Anforderungen, was bedeutet, daß die Einrichtung in Grenzen von Zyklen der genannten Anforderungen arbeitet. Diese Antriebe

in haben ein niederes Z und ein niederes Q mit einem Wirkungsgrad von 92% der Umformung von elektrischer in Schwingungsenergie.

Sobald der Antrieb 86-32-87 aufgebaut ist, wird '/2-Wellen-Exponentialglied oder ein anderer Typ eines

ι '> Anpassungshornes 82 aus Titan eingesetzt und ein seh.· hoher Wirkungsgrad wird erhalten. Der Antrieb 86-32-87 und das Anpassungshorn 82 werden unter Verwendung eines Gewindeschaftes 34 miteinander verbunden und damit ist der Schwingungserzeuger

jo hergestellt. Ein derartiger Antrieb ergibt eine einfache Ganzwellenantrieb/Anpassungskombination, welche mit derselben Frequenz, wie das ausgewählte Operationsinstrument, 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 κι schwingen;

3. Ein getrenntes Teil ist zur Befestigung der Nadeln und Messer und anderer Werkstücke notwendig, was eine erhebliche Verstimmung des Schwingungssystems zur Folge hat;

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

Andererseits wird, wenn die Generatorfrequenz einfach verschoben wird, um die veränderten Bedingun-

Ki gen auszugleichen, ein ungünstiger Aufbau in Kauf genommen und weniger Energie wird an das Instrument gegeben, wodurch mehr Wärme entsteht und eine Frequenzabstimmung jedesmal notwendig wird, wenn die Belastung sich ändert, was aber nicht erschwert

■r> werden soll.

Die vorliegende Erfindung löst gleichzeitig auch alle diese Probleme durch vollständiges Eliminieren der Nadeln, Messer oder anderen Werkstücke als eine separate Größe und durch ihren tatsächlichen Einbau

Ίο als Teil des vorderen Impedanzwandlers, wie aus Fig.4A, 4B, 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;

3. Jedes Obermaß in der Ausbildung der an Vorsprüngen, Kanten usw, welche sonst die Nadeln, Messer oder das ganze System verunstal-

&5 ten, werden eliminiert;

4. Die Energieübertragung wird um 300% gesteigert;

5. Die Notwendigkeit zur Wasserkühlung wird beseitigt

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

Die F i g. / A bis 7F zeigen verschiedene Instrumente und Werkstückaufbauten, wie sie im Rahmen der Erfindung benutzt werden, wobei F i g. 7A eine Nadel 33 zeigt, welche mit einem Anpaßhorn 93 durch Lötung verbunden ist. 7B zeigt einen Meißel 94, der mit dem Anpaßhorn 93 verbunden ist. Die F i g. 7C gibt eine Hohlnadel 96 mit einem offenen Arbeitsende 94 wieder, die ebenfalls mit einem Anpaßhorn 93 versehen ist. F i g. 7D zeigt ein microchirurgischcs Messer verbunden mit einem Anpaßhorn 93. Fi g. 7E gibt ein Gracfe'sches Messer 99 wieder mit dem Anpaßhorn 93 und F i g. 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 r.otwendig, mit speziellen Frequenzen durchgeführt werden, um Korrekturen durchzuführen. Fehler können in dem Anpassungshorn weitgehend beseitigt werden.

Es wurde gefunden, daß zur erfolgreichen Übertragung von 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, u,n es vor Erwärmung und dem Verlust von Ausgangsenergie zu schützen. Obwohl die Generatoreinheit 105 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/Anpassungs-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 F i g. 15 gezeigt, kann eine Nadel mehr als Ά 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. Γη diesem Aufbau würde es nötig sein, wenn zwei oder 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

κι Schwingungen nach der »Killcrart« nicht auftreten können, weil

I. die Nadel wissenschaftlich konstruiert wurde, so daß sie speziell vor Querschwingungen schützt,

r. 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),

-'ti 3. der Generator so aufgebaut ist (durch die hohe Ruckkopplungssteuerung aller Oszillatorteile), daß Frequenz'.vanderungen strikt begrenzt werden.

Damit schützt die vorliegende Erfindung vollkommen

r> 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

in 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

i) medizinische Werkzeug gewählt ist, das während der Operation benutzt werden soll. Die Frequenz der Einheit kann dann festgelegt sein durch Einstellung des Knopfes 57 (Fig. 8 und II), um das Kernabstimmelement des Transformators C 2 zu verschieben auf die

in bekannte Frequenz und die in das Handstück 22 einzugebende Energie wird festgelegt durch betätigen des entsprechenden Schalters Sa 1 bis 6, um zu garantieren, daß die gewünschte Energie verfüg¹ ίγ ist. Durch diesen einzigartigen Systemaufbau wird das in

4') der Hand zu haltende Instrument die Sehwingungsart 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.4A gezeigt, angelegt,

>n um Gewebe abzusaugen, welches abgebrochen und verkleinert wurde, wie in Fig. 21 gezeigt. Die Bemessung eines Winkels θ von ungefähr 37,5°, wie in den F i g. 20 und 21 dargestellt, erzielt ein Optimum an Beseitigung und Absaugung dieses Materials.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Medizinisches Ultraschallgerät, bestehend aus einem Schwingungsoszillator, aus einem Handstück, einem im Handstück untergebrachten und vom Schwingungsoszillator gespeisten piezoelektrischen Wandler als Schwingungsantrieb, einem auswechselbaren medizinischen Instrument und einem Anpassungshom zur Übertragung der Schwingungsenergie vom piezoelektrischen Wandler auf das Instrument, wobei die Einheit aus Anpassungshorn und Instrument auf η ■ λ/2 abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungshorn (S2, 93) derart unterteilt ist, daß ein Teil (93) des Anpaiisungshornes einen Teil des auswechselbaren Instrumentes bildet, während der andere Teil am Schwingungsantrieb angebracht ist, so daß die Verbindungsebene (C) in den sich verjüngenden Querschnitt aes Anpassungshornes zu liegen kommt
2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsebene (C) zwischen dem auswechselbaren Instrument und dem fest angeordneten Teil des Anpassungshornes in einem Schwingungsknoten angeordnet ist.