DE2914401A1

DE2914401A1 - Verfahren und anordnung zum selbstregeln erhoehter temperaturen

Info

Publication number: DE2914401A1
Application number: DE19792914401
Authority: DE
Inventors: Robert Francis Dr Med Shaw
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-20
Filing date: 1979-04-10
Publication date: 1979-10-31
Also published as: FR2428279A1; JPS62129048A; JPH0351179B2; JPS6232938B2; GB2022974A; JPS54164389A; BR7902444A; NL7903018A

Description

-/- 29U401

PATENTANWALT D-7261 Gechingen/Bergwald

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE ^- _{Je|efon; {07056) 1367}

6.April 1979

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

Int.Az.: 155/79
US Case 154

Dr.Robert F.Shaw

135 Willowbrook Drive

Portola Valley/Kalifornien 94025

V.St.v.A.

Verfahren und Anordnung zum Selbstregeln
erhöhter Temperaturen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu dessen
Durchführung geeignete Anordnung zum Selbstregeln erhöhter Temperaturen, insbesondere für elektrisch beheizte Skalpelle.

Gewisse bekannte elektrisch beheizte Skalpelle,die bei der blutgerinnenden Chirurgie verwendet werden, erhöhen wahlweise die Energieverteilung in Bereichen des Schneidelementes, die durch die gerade getrennten O-ewebeabschnitte abgekühlt weardenj in-dem beispielsweise der Stromfluß in diesen Bereichen erhöht wird durch ^eine Erniedrigung der Eindringtiefe, bei welcher Hochfrequenzstrom hindurch geleitet wird. (Vergl.
P 26 09 327.6 und P 26 09 412.2) Bei Skalpellen dieser Art beruhen die Änderungen der Eindringtiefe, bei denen Hochfrequenzströme fließen, auf Änderungen der Permeabilität von
ferromagnetisehen Materialien, die _in den Strompfaden verwendet werden, die thermisch mit der Schneidkante verbunden sind bei Temperaturen unterhalb und oberhalb des Curie-Punktes dieser Materialien. Die Änderungen der Joule'sehen Erhitzung infolge Veränderungen der Eindringtiefe in Abhängigkeit von

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Volksbank Boblmgen AG. Kto 108458008 (BLZ 60390220) ■ Postscheck: Stuttgart 996 55-709

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Änderungen der Permeabilität als Funktion der Temperatur dienen dazu, die Temperaturen der verschiedenen Bereiche längs des das Gewebe trennenden Elementes aufrecht zuerhalten innerhalb eines relativ engen Bereiches nahe dem Curie-Punkt, d.h. es ergibt sich eine thermische Selbstregelung.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Anordnung zu schaffen, welche diese Selbstregelung von willkürlich abgekühlten Bereichen verbessert.

Ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 wird diese Aufgabe gelöst durch dessen gekennzeichnende Merkmale. Erfindungsgemäß wird die Selbstregelungswirkung infolge der Änderungen der Eindringtiefe bei denen Hochfrequenzströme entsprechend veränderlich kühlenden Lasten geleitet werden, die in unvorhersehbarer Weise auf verschiedene Bereiche des Schneidelementes einwirken, dadurch verbessert, daß die herkömmlichen ferromagnetischen Anordnungen derart geändert werden, daß diese zusammengesetzt sind aus ferromagnetisehen Materialien hoher Permeabilität und anderen Materialien, die eine wesentlich geringere effektive magnetische Permeabilität und eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die sorgfältige Auswahl dieser anderen Materialien verbessert zusätzlich die Selbstregelung und führt zu einem erhöhten thermischen Kurzschluß zwischen verschiedenen Bereichen der Schneidkante. Weiterhin kann die sorgfältige Auswahl der anderen Materialien der zusammengesetzten Anordnung zu einer erhöhten Schärfe und Dauerhaftigkeit der Schneidkante führen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeipiele unter Bezugnahme auch die Zeichnungen erläutert:

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Fig.1 ist eine Aufsicht einer Schneidanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig.2 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung gemäß Fig.1 und

Fig.3 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 und 2 besteht ein Klingenträger 9 aus einem geeigneten Kunststoffmaterial und ist befestigt an einem Griffabschnitt 11 eines chirurgischen Instrumentes. Die Anordnung 13> welche die Schneidkante 15 des Instrumentes bildet, ist an dem Klingenträger 9 befestigt und erstreckt sich von-einem proximalen Ende 17 nahe dem Griffabschnitt 11 zu einem distalen Ende 19₅ welches von dem Griffabschnitt 11 entfernt ist. Diese Laminatstruktur 13 bzw. dieser Schichtenaufbau, der im Querschnitt in Fig.2 dargestellt ist, enthält eine zentrale Schicht 21 einer beträchtlichen Härte, die für eine scharfe Schneidkante 15 geeignet ist und vorzugsweise eine niedrige magnetische Permeabilität aufweist, und beispielsweise aus nicht-magnetischem Stahl oder gehärtetem Kohlenstoffstahl besteht.

Auf gegenüberliegenden Seiten der Zentralschicht 21 befinden sich angrenzende Schichten 23 aus Materialien mit niedriger magnetischer Permeabilität undbtofaer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, welche einen ausgezeichneten Wärmeübergang von Bereichen hoher Temperatur zu Bereichen mit niedriger Temperatur längs der Schneidkante 15 ergeben, um die Temperaturänderungen entlang dieser Schneidkante zu vermindern. Zusätzlich ergeben diese laninatschichten 23 Strompfade hoher elektrischer Leitfähigkeit, um die Joule'sehe

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Erhitzung infolge der Hochfrequenzströme in noch zu beschreibender ¥eise zu vermindern. Daher bilden die verbundenen Schichten 21 und 23 den Abschnitt niedriger magnetischer Permeabilität und hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit der zusammengesetzten Anordnung.

Neben den Schichten 21 und 23 ist eine dünne Schicht 25 aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Legierungen von Eisen und Nickel, angeordnet, die eine hohe magnetische Permeabilität und einen Curie-Punkt nahe der oberen Grenze des gewünschten Betriebsbereichs aufweist. Für das Material der Laminatschicht 25 sind eine niedrige elektrische Leitfähigkeit und eine hohe magnetische Sättigung wünschenswert .

Zwischen der ferromagnetischen Laminatschicht 25 und einem elektrischen Leiter 29 ist eine elektrische Isolationsschicht 27 angeordnet, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der ferromagnetischen Schicht von dem proxi— malen Ende 17 ^zu dem d.istalen Ende 19 erstreckt, wo der elektrische Leiter 29 mit der ferromagnetischen Schicht 25 verbunden ist. Auf diese ¥eise werden Hochfrequenzsignale, die der Laminatstruktur I3 von einer Signalquelle 32 zugeführt werden, längs der elektrisch leitfähigen Laminatschicht 29 dem distalen Ende I9 und dann durch die Laminatschichten 21 und 23 und 25 im Rückweg zur Quelle 32 geführt. Die Frequenz oder Amplitude des durch die Quelle 32 zugeführten Hochfrequenzstromes kann geändert werden zur Steuerung der Betriebstemperatur der Schneidkante 15.

Es sei angemerkt, daß die Laminatstruktur der Fig,1 symmetrisch um die mittlere Ebene 3O herum aufgebaut sein kann, und daß dabei die elektrischen Leiter 29 auf beiden Seiten mit der ferromagnetischen zusammengesetzten Struktur am distalen Ende I9 verbunden und wiederum gemeinsam mit einem Leiter der Quelle 29 nahe dem proximalen Ende 17 verbunden sind.

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Die Hochfrequenz-Permeabilität im Betriebstemperaturbereich der ferromagnetischen Schicht 25 kann derart gewählt werden, daß sie viel größer als die effektive Permeabilität der kombinierten Schichten 21 und 23, beispielsweise um einen Faktor von 200 bis 1000 größer ist, während die effektive elektrische Leitfähigkeit der kombinierten Schichten 21,23 sehr viel größer als diejenige der ferromagnetischen Schicht 25, beispielsweise um einen Faktor 10 bis 20 größer gewählt werden kann. Die Eindringtiefe, bei welcher Hochfrequenzstrom geführt wird, ist reziprok abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität des Materiales, durch welches der Strom fließt sowie der Frequenz des zugeführten Hochfrequenzstromes. Die Abmessungen der ferromagnetischen Schicht 25 und deren Permeabilität können derart gewählt werden, daß bei einer Zufuhr eines Stromes einer hinreichend hohen Frequenz der Skin-Effekt bewirkt, daß der Strom im wesentlichen in der ferromagnetischen Schicht 25 konzentriert wird. Wenn die Temperatur zum Curie-Punkt hin erhöht wird, nimmt die Permeabilität des Materiales der ferromagnetischen Schicht 25 zum Wert 1 hin ab und erhöht die Eindringtiefe, bei welcher der Hochfrequenzstrom geführt wird. Dieses führt zu einem kleineren Anteil des Hochfrequenzstromes, der in der ferromagnetischen Schicht 25 fließt, und zu einem größeren Teil des Hochfrequenzstromes^ der in den kombinierten Schichten 21 und 23 fließt. Die Neuverteilung des Stromes von der ferromagnetischen Schicht 25 zu den kombinierten Schichten 21 und 23, die bei einer Temperaturerhöhung zum Curiepunkt hin erfolgt, und die umgekehrte Neuverteilung, die bei einer Erniedrigung der Temperatur vom Curie-Punkt weg erfolgt, werden durch die effektiv höhere elektrische Leitfähigkeit der kombinierten Laminate 21 und 23 gegenüber dem ferromagnetischen Laminat 25 verstärkt.

Die Joule'sehe Erhitzung,welche in jeder der Schichten erfolgt, ist eine Funktion des elektrischen Widerstandes der

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betreffenden Laminatschicht und der Stärke des durch diese Schicht hindurch fließenden Hochfrequenzstromes. Der elektrische Widerstand der ferromagnetischen Laminat— schicht 25 ist wesentlich höher als der effektive elektrische Widerstand der kombinierten Schichten 21 und Daher erzeugen die Änderungen in der Verteilung des Hochfrequenzstromes zwischen den verschiedenen Schichten 21, 23 und 25, welche als Funktion der sich ändernden Temperaturen erfolgen, entsprechende Änderungen in der Joule'sehen Erhitzung, die durch den Hochfrequenzstrom erzeugt wird, was zu einer erhöhten Erhitzung bei tieferen Temperatureif^zu einer abnehmenden Erhitzung bei höheren Temperaturen führt. Daher besteht ein Vorteil der zusammengesetzten Anordnung in der erhöhten thermischen Selbstregelung gegenüber der Selbstregelung gemäß dem Stande der Technik mit Hilfe von Anordnungen, die vollständig aus ferromagnetischen Materialien bestehen.

Ein zweiter Vorteil der zusammengesetzten Anordnung gegenüber herkömmlichen Anordnungen mit einer einzigen ferromagnetischen Legierung besteht darin, daß die effektive thermische Leitfähigkeit der kombinierten Schichten 21 und 23 wesentlich höher gewählt werden kann als diejenige der ferromagnetischen Schicht 25. Daher können die kombinierten Schichten 21 und 23 die Wärmeleitung von Bereichen der Klinge wesentlich erhöhen, welche nicht abgekühlt werden durch den Gewebekontakt mit derart gekühlten Bereichen, wodurch der Selbstregelungsprozess unterstützt wird. Da eine Schicht mit niedriger Permeabilität, beispielsweise aus Kupfer, nicht-magnetischem Stahl und Kupfer, eine thermische Leitfähigkeit hat, die etwa zehnmal höher ist als diejenige einer typischen ferromagnetischen Legierung aus Eisen-Nickel, ist die Verbesserung der Temperaturregelung aufgrund dieses "thermischen Kurzschlusses" größer bei der zusammengesetzten Anordnung als bei einer vergleichbaren Anordnung, die vollständig aus ferromagnetischen Material besteht.

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Ein anderer Vorteil der zusammengesetzten Anordnung bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig.1 und 2, bei welcher das Schneidelement selbst elektrisch durch den durch dieses geführten Hochfrequenzstrom erhitzt wird, besteht darin, daß die zentrale Schicht bezüglich der Härte ausgewählt werden kann, so daß eine schärfere und dauerhaftere Schneidkante erhalten wird. Wenn beispielsweise die zentrale Schicht 21 aus nicht-rostendem Stahl · #. 302 besteht, hat sie eine Rockwell C -Härte von 30 verglichen mit Rockwell C-Härtegraden von etwa 10 für typische ferromagnetische Legierungen aus Nickel-Eisen, aus denen herkömmlicherweise die ganze Klinge bestand, welche selbst den elektrischen Strom leitete und direkt durch Joule'sehe lärme erhitzt wurde.

Ähnliche Vorteile einer zusammengesetzten Anordnung können bei einer anderen Ausfuhrungsform erreicht werden, indem ein den Hochfrequenzstrom führender Leiter einer solchen Zusammensetzung um das Schneidelement einer Klinge angeordnet wird, wie in der Querschnittsansicht gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser Ausfuhrungsform besteht der elektrische Leiter 36 aus zwei Laminatschichten 39 und 37, von denen die eine aus einem stark magnetisch permeablen ferromagnetische]! Material mit einer niedrigen spezifischen elektrischen Leitfähigkeit, einer hohen Sättigungsmagnetisierung und einem Curie—Punkt bei einer vorgewählten Temperatur besteht, beispielsweise aus einer Eisen/Nickel-Legierung, und die andere Laminatschicht aus einem Material mit niederiger magnetischer Permeabilität und. hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besteht, beispielsweise aus Kupfer oder Silber. Die Anordnung 36 ist elektrisch durch die Schicht 38 von dem Schneidelement 40 isoliert, welches eine Schneidkante 15 aufweist und thermisch mit dieser verbunden ist (oder das Schneidelement ist aus einem nicht-leitenden Material wie Keramikmaterial oder Glas hergestellt). Der gesamte Hochfrequenzstrom fließt durch den Laminatleiter 36 zur Erhitzung des Schneidelementes durch thermische Leitung. Die verbesserte

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Selbstregelung der Joule'sehen Erhitzung der elektrisch leitenden zusammengesetzten Anordnung wird entsprechend dem vorstehend beschriebenen Mechanismus erreicht.

Selbstregelnde Heizsysteme der vorgeschriebenden Art
sind sinnvoll für die Chirurgie mit gleichzeitiger
Gerinnung und bei industriellen Prozessen, die erhöhte Temperaturen innerhalb eines engen Bereiches erfordern. Die Temperatur, nahe welcher die Selbstregelung erfolgt, kann durch die Auswahl der OurieJunkte der ferromagne—
tischen Materialien, beispielsweise von Legierungen aus Eisen und Nickel, erfolgen, welche in der zusammengesetzten Anordnung verwendet werden .

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Leerseite

Claims

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PATENTANWALT D-7261 Gechingen/Bergwald
Lindenstr. 16
DIPL-ING.
KNUD SCHULTE _Te,_{efon: (07056)1367}
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Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen

Int.Az.: 155/79
US Case 154

Dr.Robert F.Shaw

Patentansprüche

_# Verfahren zum Selbstregeln von erhöhten Temperaturen innerhalb eines engen Temperaturberexchs entsprechend einem zugeführten elektrischen Hochfrequenz-Strom , dadurch gekennze i chne t, daß ein Teil des Hochfrequenz^Stromes durch einen Strompfad (;25) gelangt, der einen Curie-Punkt-Permeabilitätübergang bei einer Temperatur nahe der oberen Grenze des Bereichs aufweist, und ein anderer Teil des Hochfrequenz—Stromes durch einen anderen Strompfad (21,23) gelangt, der an den einen Strompfad angrenzt .und mit diesem im elektrischen Kontakt steht und eine wesentlich geringere effektive magnetische Permeabilität und eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit als der eine Strompfad aufweist und die relativen Anteile des in jedem Strompfad fließenden Hochfrequenz-Stomes als Funktion von deren Temperatur geändert werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß ein Strompfad mit einer ferromagnetischen Schicht (25) vorgesehen ist, deren Curie-Punkt nahe der oberen Grenze des gewünschten Temperaturberexchs liegt und eine kontinuierliche Schicht (21,23) sich in elektrischem Kontakt mit diesem befindet und eine wesentlich geringere effektive magnetische Permeabilität und eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit als die ferromagnetische Schicht aufweist.

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Voiksbank Bötengsn AG. Kto. 108458008 (8LZ 60390220! ■ Postscheck: Stuttgart 996 55-709