DE2724558C3 - Thermistorschaltung für ein chirurgisches Schneid- und/oder Koagulationsinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine besondere Schaltung für einen Thermistor und die Verwendung eines Thermistors, der mit einer derartigen Schaltung ausgerüste t ist, in der Chirurgie, insbesondere in der Augenchirurgie.

Es wurde bereits ein chirurgisches Instrument zum Schneiden von Gewebe bei gleichzeitiger Hämosiase beschrieben (vgl. DE-OS 24 23 537), bestehend aus einem, das Gewebe schneidenden Abschnitt aus einem leitfähigen Element mit negativem Temperaturkoeffizienten, das mi: einer Leistungsquelle in Verbindung steht Die Energieversorgung des !eitfähigen Elements steuert ein Komparator zusammen mit einer Widerstandsbrücke, an der der dieses Element bildende Thermistor anliegt. Die Regelung des zur Heizung anstehenden Stromes erfolgt über Phasenverschiebungen. Zunächst muß zu dieser Vorrichtung festgestellt werden, daß deren langgezogene Schneidkanten für chirurgische Zwecke nicht brauchbar sind. Wird ein Teil dieser Kanten abgekühlt, so addiert sich die durch die zusätzlich zugeführte Wärmeenergie erzeugte Temperatur in den nicht abgekühlten Teilen der Schneidkanter,-zu der dort bereits vorherrschenden Temperatur; als Folge hiervon kann es zu Gewebeverbrennungen kommen, da eine Berührung mit den überhitzten Kanten praktisch nicht vermieden werden kann. Vorgeschlagen wurde deshalb, die Strecken zu unterteilen; für jedes Segment ist aber ein separater Kreis, bestehend aus zwei Triggergeneratoren und zwei Schwellwert-Detektoren, erforderlich, wodurch sich der schaltungstechnische Aufwand enorm erhöht. Der größte Nachteil des bekannten Instruments liegt in dessen Regelung durch Phasenverschiebungen. Vorgesehen ist eine Regel-Spannung von 24 Volt, das bedeutet, daß entsprechend dem Schaltungsaufbau zu Beginn der Regelung eine maximale Leistung von nur 0,192 Watt erbracht werden kann, wobei noch nicht ein zusätzlich eingebauter Widerstand mitberücksichtigt ist. Die Folge ist eine sehr lange Regelzeit bzw. eine sehr große Trägheit bezüglich der Einstellung der erforderlichen Endtemperatur. Dieser Zustand wird zusätzlich durch die angelegte Wechselspannung verschlechtert (angegeben sind 50 Hertz). Die vorbeschriebene Thyristorschaltung schneidet nämlich die Phase der Wechselspannung an, wobei dies dazu führt, daß die maximale Heizleistung nur für kurze Zeit und abhängig von der Amplitudenhöhe zur Verfügung steht. Auf der anderen

Seite sieht der Schaltplan den Einbau eines Widerstands vor, wodurch erreicht wird, daß bei der Abkühlung des Schneidinstruments die Energiezufuhr nicht ganz unterbunden wird; über den Widerstand wird immer eine bestimmte Basisleistung zugeführt. Dies hat aber zur Folge, daß der Thermisüor nicht einen bestimmten Temperaturwert unterschreitet und eine erforderlich werdende schnelle Abkühliingsregelung einfach nicht möglich ist Andererseils wird bei dieser Scbaltungsanordnung dieser Widerstand benötigt, um bei entsprechend dimensionierten Thermistoren beim Einschalten überhaupt in den Regelbereich zu gelangen. Solange nämlich die Schneide noch kalt ist, ist die Brücke so stark verstimmt, daß die Regelung nicht zur Wirkung gelangt Um diesen Zustand aufzuheben, muß eine Vorheizung über besagten Widerstand erfolgen. Das Gerät nach dieser Offenlegungsschrift darf jedoch bei Vorliegen eines elektrisch leitfähigen Materials aus Sicherheitsgründen (VDE-Bestimmungen Nr.ü750) mit einer Spannung von nicht mehr als 6 Volt Spitze Spitze bzw. 2,1 Volt effektiv, bei Vorliegen von isolierten Teilen an der Kante der Schneide von nicht mehr als 24 Volt Spitze Spitze betrieben werden. Bei den dabei erzielbaren Leistungen lassen sich selbst bei einer punktförmigen Gestaltung des Thermistors nur schwer Temperaturwerte von über 300° C beim Eintauchen in ein feuchtes Gewebe erzielen, die obengeschilderte systembedingte Trägheit des Instruments trägt noch ein übriges zu dessen nur bedingter Einsatzfähigkeit bei. Derartig hohe, aber erforderliche Temperaturwerte werden erst recht nicht erzielt, wenn die Thermistorspitze die Form einer Messerschneide einnimmt, also räumlich stark ausgedehnt ist; hierbei ist die Schneidgeschwindigkeit und damit die Leistung pro Zeiteinheit noch nicht einmal berücksichtigt. Unter den erwähnten Bedingungen und insbesondere bei zusätzlicher Berücksichtigung der großen passiven Wärmewiderstände des Schneideinstruments würde bei der so verminderten Leistung die Nachregelzeit viel zu lang werden. Der mit der Schaltung gewollte Effekt der möglichsten Wärmekonstanz und der raschen Nachführung von Wärme wäre nicht mehr möglich. Dieses bekannte Schneideinstrument ist also unpraktisch und nur unter Bedingungen zu betreiben, die den Sicherheitsvorschriften für medizinische Geräte nicht mehr entsprechen.

Bekannt ist desweiteren (vgl. DE-OS 23 05 510) eine Schaltungsanordnung zur stetigen Temperaturregelung, welche eine Widerstandsbrücke mit einem temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler und einem Transistorverstärker aufweist, wobei letzterer aus einem in integrierter Technik erstellten, mit seinen beiden Differenzeingängen in den Nullzweig der V.'iderstandsbrücke eingeschalteten Operationsverstärker und einem in Emitterschaltung betriebenen, dem Operationsverstärker nachguschalteten Transistor besteht. An dessen Kollektorelektrode ist ein Heizwiderstand angeschaltet, wobei parallel zum Heizwiderstand an dieser ein Spannungsteiler angeordnet ist, welcher mit einem Teilwiderstand zugleich in einen Zweig der Widerstandsbrücke eingeschaltet ist. derart, daß der Teilwiderstand in Serie zu einem in diesem Hriickenzweig enthaltenen Brückenwiderstand liegt, wobei die Widerstandswerte der in den einzelnen Briickenzweigen liegenden Widerstünde so gewählt sind, daß sie bei Nenntemperatur gleich groß sind und der in die Widerstandsbrücke eingeschaltete Teilwiderstand des Spannungsteilers nicdcrohmig gegenüber dem im selben Brückcn/wcig liegenden Brücken widerstand

bemessen ist. Der temperaturabhängige Widerstand (77m) in der Brücke wird also als Temperaturfühler verwendet. Es wird weiterhin in dieser Schaltanordnung ein separater Heizwiderstand über einen Transistorverstärker angesteuert. Die Temperaturregelung erfolgt damit stetig, wobei durch den separaten Heizwiderstand die Temperatursteuerung mit einer relativ großen Trägheit belastet wird. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltanordnung für einen Thermostaten besieht darin, daß für eine vorausschauende Bedarfsplanung für die Wärmeenergiezuführung keine Vorkehrungen möglich bzw. getroffen sind.

Mit den bekannten Geräten bzw. mittels der bekannten Schaltanordnungen ist die Erzeugung einer temperaturmäßig genau festgelegten Wärmequelle mit einer sehr schnellen Anheizphase und einer raschen Regelung des Energiebedarfs zur Konstanthaltung der vorgewählten Temperatur auch bei starken Temperaturschwankungen an der Wärmequelle in Verbindung mit einer vorausschauenden Wärmeenergiesteuerung nicht möglich. Es war deshalb das Ziel, eine Schaltung für die Energiezufuhr an einem Thermistor tu schaffen, die die obengenannten Nachteile der bekannten Schaltungen nicht kennt und die es ermöglicht, daß dem Thermistor zur Erreichung des Sollwertes zunächst immer die volle Energie zugeführt wird, um ein schnelles Anheizen zu ermöglichen, und daß, nach dem Erreichen des Sollwertes, die weitere Energiezufuhr und damit die Heizung des Thermistors intermittierend und vorausplanend erfolgt.

Dieses Ziel wird bei einer Thermistorschaltung für ein chirurgisches Schneid- und/oder Koagulalionsinstrument in der Form einer an einer Speisespannung liegenden Widerstandsbrücke, in der eine Diagonale mit einem Komparator verknüpft ist und in der mit einem gesteuerten Schalter nach erstmaligem Erreichen des Sollwertes eine intermittierende Einschaltung des Heizstromes erfolgt, dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der Ausgang des Komparators über einen Widerstand mit dem Steuereingang des gesteuerten Schalters verbunden ist, und ein Kondensator parallel zu dem Steuereingang des Schalters liegt, und daß die eine Halbbrücke ständig und die andere Halbbrücke über den Schalter intermittierend an der Brückenspeisespannung liegt. Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, c'ie eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltung für die Energieversorgung einer Thermistorpille betrifft.

Ein Thermistor (Rn) ist zusammen mit einem Strombegrenzungswiderstand (Rg), einem Ergänzungswiderstand (Re) und einem Sollwertwiderstand (Rs) in Form einer Widerstandsbrücke miteinander verbunden. Die eine Diagonale der Widerstandsbrücke ist beidseitig mit einem Komparator (K) verknüpft; der Ausgang des Komparators ist seinerseits, über ein W-C-Glied, bestehend aus dem Widerstand (R) und dem Kondensator (C), und über einen Schalttransistor (T]) mit einem Brückenspeisungspunkt der anderen Diagonalen der Widerstandsbrücke in der in der Zeichnung angezeigten Weise verbunden.

Der Thermistor (Rn)(Wm- und Meßelement) wird über einen Transistor (Ti), welcher als Schalter geschaltet ist, an die Betriebsspannung von maximal 24 V Gleichspannung gelegt. Durch den Thermistor fließt nun ein Strom

In der Gleichung ist;

Rn = Thermistorwiderstand und
Rb = Strombegrenzungswiderstand,
">

Der Thermistor ist in eine Brückenschaltung integriert. Eine Veränderung der Betriebstemperatur bedingt eine Spannung in der Diagonalen der Brücke und wird mit einem Sollwertwiderstand (Rs) durch den

in Komparator (K) verglichen. Der Ausgang des Komparators steuert über ein R-C-C\\ed (R= Widerstand, C= Kondensator) die Basis des Schalt-Transistors (Ti). Solange der Sollwert nicht erreicht ist, bleibt der Schalt-Transistor (Ti) geschlossen, d. h. es fließt durch

Ii den Thermistor Strom und heizt diesen auf. Ist der Sollwert erreicht, so schaltet der Schalt-Transistor (Ti) den Strom /771 ab. Durch dieses Abschalten des Schalt-Transistors geht der Istwert am Komparator auf Null, der Schalt-Transistor schaltet wieder ein. Dieser

>o Vorgang aber wird durch den Kondensator (C) verzögert, so daß hier ein Schwingv.-. falten eintritt Die Schwingungsfrequenz wird umso heiler, je näher der Istwert beim Sollwert liegt. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß bei einer geringen Abkühlung des

j! Thermistors die Energiezufuhr ebenfalls gering gehalten wird und so kein Überschwingen der Solltemperatur stattfindet. Bei einer starken Abkühlung wird im selben Maß Energie zugeführt, so daß die Nachregelung sehr schnell erfolgt. Kommt ein sehr starker Wärmeeinbruch

in am Thermistor zustande, wird der Kondensator (C) voll aufgeladen. Bei Erreichen des Sollwertes schaltet der Komparator ab, jedoch wird durch die vorhandene Ladung des Kondensators (C)der Schalt-Transistor (Tt) um die entsprechende Zeit länger geschlossen gehalten.

ji Letzteres tritt nur ein, wenn zuvor ein relativ hoher Wärmeeinbruch stattgefunden hat. Es wird dann der Sollwert um einen definierten Betrag überschritten, der notwendig ist, um den zu erwartenden nächsten Wärmeeinbruch zu kompensieren. Durch Jas Einfügen der Kapazität (C) extrapoliert die Schaltung somit den auf Grund des vorhergegangenen Ereignisses zu erwartenden künftigen Wärmebedarf.

Auf Grund der theoretischen Arbeiten von E. ANDRICH (»PTC-Thermistoren als selbstregelnde

π Heizelemente«, Philips Technische Rundschau 30 (1969/70, 192-200) wäre zu erwarten, daß die Regelleistungen nur bei gegen Null strebenden Massen genügend erreicht werden könnten. ANDRICH folgert, daß »eine Aufheizung innerhalb von Bruchteilen

ίο einer Sekunde sich am ganzen zu heizenden System nicht erreichen läßt, denn wir haben hier noch nicht die Wärmewiderstände des Thermistors und der am Aufheizprozeß passiv beteiligten Materialien einschließlich ihrer Wärmekapazitäten berücksichtigt.

■11 Außerdem stehen meist nur begrenzte elektrische Anfangsleistunger: zur Verfügung«.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung jedoch haben Messungen gezeigt, daß die Aufheizzeiten im Millisekundenbereich liegen und die Regelzeiten nochmals

M) erheblich kürzer sind. Überraschend war, daß eine unter theoretischen Gesichtspunkten schon relativ große Thermistorpille von circa I mm Durchmesser in weniger ah 500 Mikrosekunden nachgeregelt wird. Die gleichbleibende Wärmeabgabe eines Thermistorkauters

h> wird durch sein Verhalten bei der Koagulation des Aiigenepithels bestätigt: Es gelingt ein gleichmäßiges Entfernen des Epithels auch in langen, sehr feinen Linien, wozu der Kauter bewegt werden muß. Dies ist

bedingt durch die große zur Verfügung stehende Leistung von

insbesondere bezogen auf das absolute Volumen der Thcrmistorpille. Durch die bestehenden Sicherheitsbestimmungen sind maximal 24 V zulässig. Diese werden bei der erfindungsgemäßen Schaltung voll ausgenutzt. Zum Beispiel

/' = 24 V^/0,2 K = 2,88 W

Das eingangs erwähnte, bekannte chirurgische Schncidcinstrumcnt (vgl. DL-OS 24 23 53/) kann hingegen unter Beachtung dieser maximalen Spannung von 24 V ζ. Fl. nur folgende Leistung erbringen:

/'= 8.5 V70.2K = 0.361 W

Mit einer Leistung von 0.361 W ist das bekannte Schncidegenii niche mehr ausreichend regelbar.

Die Sicherheil des crfindiingsgcmäUcn Thermistorkauters wird weiter dadurch erhöht. daD die extren einfache Schaltung eine höhere Betriebssicherheit hat An Patienten mit Herzschrittmachern wird die vorbc kannte Schaltung nach den künftigen VDL-Bcstim mungcn nicht mehr angewandt werden dürfen. Bei dci erfindungsgcmäfJcn Schaltung hingegen gibt es keim Einschränkungen.

Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, eigne sich ein mit einer derartigen Schaltung ausgerüs ctci Thermistor in vorzüglicher Weise als Trennelement zui Durchführung chirurgischer F.ingriffc, wobei die kugel förmige oder als Schneidfläche ausgebildete Thermi stormassc sogar relativ groß sein kann, beispielsweise kann der Durchmesser einer Thermistorpille mehrere Millimeter betragen. In der Augenchirurgie eignet siel der Thermistor vortrefflich als Kauter zur Koagulatior des Augencpithcls und zur Lntferniing desselben, ζ. Β bei der Lntferniing der Dendriten von Herpes simple?

Hierzu I Mliitl/eichnunucn

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Thermistorschaltung für ein chirurgisches Schneid- und/oder Koagulationsinstrument in F'orm einer an einer Speisespannung liegenden Widerstandsbrücke, in der eine Diagonale mit einem Komparator verknüpft ist und in der mit einem gesteuerten Schalter nach erstmaligem Erreichen des Sollwertes eine intermittierende Einschaltung des Heizstromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparator;; (K) über einen Widerstand (R) mit dem Steuereingang des gesteuerten Schalters (Tt) verbunden ist, und ein Kondensator (C) parallel zu dem Steuereingang des Schalters (Ti) liegt, und daß die eine Halbbrücke (R_E und Rs) ständig und die andere Halbbrücke (Rb und Rn) über den Schalter (Ti) intermittierend an der Brückenspeisespannung (+24 V) liegt