FR2951348A1 - Element chauffant et appareil chirurgical le mettant en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément chauffant de dimensions inférieures au centimètre comprenant : - un substrat métallique (1) qui est constitué d'un matériau possédant une conductibilité ou conductivité thermique supérieure à 5 W/m.k et une résistante ultime à la traction mesurée à température ambiante supérieure à 400 MPa et qui comprend une face de travail adaptée pour être placer au contact d'un milieu ou d'un élément à chauffer, - une couche conductrice (3) qui est supportée par une face du substrat opposée à la face de travail et qui forme un circuit comprenant deux éléments d'alimentation reliés par un élément résistif fin et destinés à être raccordés à une source de courant, et - une couche diélectrique (2) interposée entre la couche conductrice et le substrat métallique.

Description

ELEMENT CHAUFFANT ET APPAREIL CHIRURGICAL LE METTANT EN OEUVRE La présente invention concerne le domaine technique des éléments chauffants de petites dimensions à savoir de dimensions inférieures au centimètre, voire au demi-centimètre. Dans une application préférée mais non exclusive, l'invention concerne l'utilisation de tels éléments chauffants dans des dispositifs médicaux, pour la réalisation de sutures par soudage de portions de fils de suture thermofusibles. Dans le cadre de cette application préférentielle, une demande internationale WO/2008 779 248 a proposé un dispositif chirurgical de soudage de sutures comprenant une mâchoire définissant une zone de préhension d'au moins deux portions de fils de suture à souder entre elles. Le dispositif chirurgical de soudage de sutures comprend en outre à l'intérieur de la zone de préhension un élément chauffant électrique permettant de souder des portions de fils de sutures en étant appliqué contre ces dernières. Une demande internationale WO/2008 079 247 a, par ailleurs, proposé un élément chauffant susceptible d'être mis en oeuvre dans un tel dispositif chirurgical de soudage de sutures. Cet élément chauffant comprend un substrat réalisé en un matériau diélectrique ou isolant, tel qu'une céramique non conductrice ou un polyimide.

Ce substrat comprend au niveau d'une face de travail, une couche d'adhésion sur laquelle est déposée une couche conductrice définissant des contacts électriques reliés par un élément résistif fin réalisé en or. La face de travail ainsi recouverte de ces différentes couches est alors destinée à être appliquée contre les portions de fils de suture devant être soudées. Un tel élément chauffant permet effectivement de réaliser des sutures par soudage dans le cadre du dispositif décrit par la demande WO/2008 779 248 mais présente toutefois certains inconvénients inhérents à sa conception. Tout d'abord, le substrat diélectrique utilisé présente une certaine fragilité mécanique en étant susceptible de se fissurer sous l'effet des chocs thermiques successifs qu'il va connaître lors de sa mise en température et de son application contre les portions de fils de sutures à souder. De plus, il est également susceptible de se fissurer sous l'effet des contraintes mécaniques résultant de son application contre les fils de suture. Pour tenter de remédier à ces inconvénients, il peut être envisagé d'augmenter l'épaisseur du substrat, mais alors ce dernier présente une telle épaisseur qu'il n'est plus en mesure d'épouser convenablement la forme des fils de suture à souder, de sorte que l'efficacité du transfert thermique par conduction n'est plus assurée. De plus, dans le cadre de la mise en oeuvre d'un substrat diélectrique épais, ce dernier présente alors une inertie thermique relativement importante qui ralentit le processus de suture dans la mesure où l'ensemble de l'élément chauffant mettra un certain temps à atteindre la température de fusion requise. Par ailleurs, dans la mesure où, selon WO/2008 079 247, l'élément résistif chauffant doit être nécessairement placé sur la face de travail du substrat pour compenser l'inertie thermique de ce dernier et se trouve alors placé au contact des portions de fils de sutures à souder, il en résulte une usure progressive de l'élément résistif chauffant et de ses éléments de connexion associés. Ainsi, au fur et à mesure de la réalisation des sutures, la qualité de ces dernières est susceptible de varier et après une certaine durée d'utilisation, l'élément chauffant n'est plus en mesurer d'assurer convenablement sa fonction. Par ailleurs, la forte inertie thermique du substrat pénalise le dispositif en lui-même et impose la mise en oeuvre d'une source d'énergie électrique de grande capacité nuisant à sa maniabilité.

Il apparaît donc le besoin d'un nouveau type d'élément chauffant qui permette de remédier aux inconvénients de l'élément chauffant selon l'art antérieur, tout en présentant un coût de fabrication bien moins important. Afin d'atteindre cet objectif, l'invention concerne un élément chauffant de dimensions inférieures au centimètre comprenant : un substrat métallique qui est constitué d'un matériau possédant une conductibilité ou conductivité thermique supérieure à 5 W/m.K et une résistance ultime à la traction mesurée à température ambiante supérieure à 400 MPa et qui comprend une face de travail adaptée pour être placer au contact d'un milieu ou d'un élément à chauffer, une couche conductrice qui est supportée par une face du substrat opposée à la face de travail et qui forme un circuit comprenant deux éléments d'alimentation reliés par un élément résistif fin et destinés à être raccordés à une source de courant, et ù une couche diélectrique, interposée entre la couche conductrice et le substrat métallique. Au sens de l'invention, la résistance ultime à la traction correspond la résistance mécanique généralement notée Rm soit en anglais « Ultimate Tensile Strength » notée U.T.S.. La mise en oeuvre d'un substrat métallique permet d'obtenir de bonnes caractéristiques de résistance mécanique et de résistance aux chocs thermiques de l'élément chauffant dans la mesure où le substrat métallique assure la cohésion de l'ensemble. De plus, la mise en oeuvre d'un substrat métallique permet d'utiliser ce dernier comme élément de conduction thermique pour assurer le transfert de la chaleur produite par l'élément résistif au milieu ou à l'élément à chauffer. Ainsi, dans le cadre d'une utilisation de l'élément chauffant selon l'invention dans une application de soudure de fils de suture, c'est la face de travail qui se trouve au contact des fils à souder, tandis que la couche conductrice se trouve sur la face opposée et n'est donc pas soumise au risque d'abrasion que pourrait lui faire courir le contact répété avec les fils à chauffer. Par ailleurs, la mise en oeuvre d'un substrat de faible épaisseur permet de réduire l'inertie thermique de l'élément chauffant et d'obtenir un substrat ayant des capacités de déformation élastique de sorte que la face de travail du substrat peut épouser, en partie au moins, la forme de l'élément à chauffer qui est placé à son contact. Afin d'optimiser cette capacité de déformation élastique, selon une forme de réalisation de l'élément chauffant conforme à l'invention : le substrat métallique possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2 pm à 1 mm et de préférence de 2 pm à 0,5 mm ; la couche diélectrique possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2 pm à 25 pm et de préférence de 2 pm à 4 pm ; la partie de la couche conductrice constitutive de l'élément résistif fin possède une épaisseur inférieure à 2 pm ; la partie de la couche conductrice constitutive des branches de liaison possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2pmà3mm.

Ainsi, la mise en oeuvre de telles caractéristiques dimensionnelles pour les différentes couches constitutives de l'élément chauffant permet d'obtenir des caractéristiques thermiques et mécaniques optimales. De plus, compte tenu des valeurs d'épaisseurs adoptées, il est possible de recourir à des techniques de fabrication courantes en microélectronique telles que, par exemple, mais non exclusivement les techniques d'électrodéposition, les techniques de dépôt ionique, les techniques de dépôt en phase gazeuse, les techniques de gravures plasma, ou encore les techniques de photolithogravures, de spin coating, de pulvérisation cathodique (sputtering).

Selon une variante de réalisation de l'invention et en fonction de la nature du substrat et des matériaux constitutifs de la couche conductrice, il peut être mis en oeuvre une couche d'adhésion interposée entre la couche diélectrique et la couche conductrice. Ainsi, selon une variante de réalisation de l'invention, la couche d'adhésion pourra alors être réalisée de manière à posséder une épaisseur inférieure à 0.1 pm et par exemple comprise entre 200-300 Angstrom. La mise en oeuvre d'un élément résistif est susceptible d'être obtenu par les techniques de fabrication de la microélectronique, permet de réaliser à un faible coût un ajustement précis des caractéristiques de conductivité électrique dudit élément résistif.

Selon une variante de réalisation de l'invention, l'élément résistif fin est conformé de manière à présenter une section de passage du courant variable. La mise en oeuvre d'une section de passage du courant variable permet de moduler la résistance électrique locale et donc la puissance localement dissipée par l'élément résistif.

Ainsi, il est possible de réaliser l'élément résistif fin, de manière à ce que celui-ci présente une forme générale allongée avec une section de passage du courant qui décroît depuis le milieu de l'élément résistif vers les zones de raccordement de l'élément résistif aux éléments d'alimentation. Une telle conformation générale de l'élément résistif fin permet d'obtenir une distribution de la chaleur au niveau de la face de travail du substrat sensiblement homogène, de sorte que cette dernière présentera une température de surface sensiblement égale en tout point, ce qui, dans le cadre de l'application au soudage de fils de sutures garantit la qualité de la soudure.

Dans le cas d'utilisation pour la réalisation de l'élément résistif fin de techniques de dépôt de la microélectronique et lorsque ces techniques de dépôt ne permettent pas d'agir facilement sur l'épaisseur déposée, l'élément résistif fin pourra présenter une épaisseur constante et une largeur variable de manière à moduler la puissance thermique dissipée sur la longueur de l'élément résistif fin. Comme cela a été dit précédemment, la mise en oeuvre d'un substrat métallique, qui présente de bonnes caractéristiques de conductivité thermique ou conductivité, ou encore de résistance mécanique, permet de réaliser un élément chauffant présentant une densité thermique élevée au niveau de sa face de travail. Ainsi, l'élément résistif pourra être adapté pour obtenir au niveau de la face de travail du substrat une densité de chaleur supérieure à 3W/mm2. Cette forme de réalisation de l'élément résistif fin et de l'élément chauffant selon l'invention le rend particulièrement adapté à l'application, à la réalisation de points de sutures par soudure.

Dans le même esprit et selon une autre forme de réalisation de l'élément chauffant, selon l'invention, les différents matériaux constitutifs de l'élément chauffant sont adaptés pour supporter des températures de fonctionnement supérieures à 250°C sans altération de leurs propriétés mécaniques. Selon l'invention, différents types de matériaux peuvent être envisagés pour le substrat et les différentes couches constitutives de l'élément chauffant. Ainsi, le matériau constitutif du substrat peut être choisi parmi : une feuille d'alliage de titane contenant de l'aluminium, du niobium, du vanadium ou zirconium, une feuille d'alliage de titane Ti-3A1-2.5V une feuille d'acier inoxydable, une feuille de titane pur, un feuillard obtenu par empilage de feuilles choisies parmi les feuilles ci-dessus. De la même manière, le matériau constitutif de la couche isolante est choisi parmi les matériaux suivants : û polyimide, û alumine, û verre, û polytetrafluroéthylène, û Parylène, û Silice, û zircone Le matériau constitutif de l'élément résistif fin peut être choisi parmi les matériaux suivants : û Or, û Niobium, û Palladium, û Platine, û Tantale, û Titane, û Zirconium, û Chrome, û Nickel, û Carbone, û des alliages ou mélange de ces matériaux. Tandis que les éléments d'alimentation sont réalisés en or ou en cuivre recouvert de Nickel.

Enfin, le matériau constitutif de la couche d'adhésion est choisi parmi les matériaux suivants : û Alliage de titane-tungstène, û Titane pur. Bien entendu, ces listes de matériaux ne présentent ni un caractère exhaustif, ni un caractère limitatif, dans la mesure où tout autre matériau adapté pourrait être retenu. Dans le cadre d'applications médicales, des matériaux constitutifs de l'élément chauffant seront choisis parmi les matériaux biocompatibles. L'invention concerne également un dispositif chirurgical de soudage de sutures comprenant au moins un élément chauffant tel que défini ci-dessus, qui est disposé dans une zone de préhension et dont la face de travail est orientée de manière à pouvoir être appliquée contre des portions de fil de suture à souder entre elles.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes et variantes de réalisations de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Par ailleurs, diverses autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description ci-dessous effectuée en référence aux dessins annexés qui illustrent une forme non limitative de réalisation d'un élément chauffant selon l'invention et ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre d'un tel élément chauffant. - La figure 1 est une coupe transversale schématique montrant les différentes couches constitutives d'un l'élément chauffant selon l'invention. - La figure 2 une vue de dessus schématique montrant une forme de réalisation d'un élément chauffant selon l'invention. - La figure 3 est une perspective schématique d'un dispositif chirurgical pour le soudage de sutures. - La figure 4 est une coupe schématique de la mâchoire du dispositif chirurgical de la figure 3 lors de l'exécution de sutures par soudage. Un élément chauffant selon l'invention, tel qu'illustré à la figure 1 et désigné dans son ensemble par la référence E comprend un substrat métallique 1 qui est constitué d'un matériau possédant une conductibilité encore appelée conductivité thermique supérieure à 5 W/m.K et une résistance ultime à la traction mesurée à température ambiante supérieure à 400 MPa. Le substrat métallique 1 est par exemple constitué par une feuille roulable d'un alliage de titane, le substrat pourra, par exemple, être une feuille d'alliage de titane de type Ti 3AI 2,5V présentant une épaisseur de plusieurs microns, par exemple 2 pm. Le substrat 1 pourra par exemple présenter une forme générale rectangulaire, comme le montre la figure 2. Le substrat 1 présente alors une face de travail T destinée à être placée en contact avec le milieu ou l'élément à chauffer. La face de travail T est de préférence gardée nue afin de ne pas affecter ses caractéristiques de conductivité thermique. En revanche, la face D, appelée face de dépôt, du substrat est située à l'opposé de la face de travail T et est recouverte, en partie au moins, d'une couche diélectrique de toute nature appropriée, par exemple de la famille des polyimides. La couche diélectrique 2 pourra être déposée sur la face de dépôt D du substrat 1 par toute technique appropriée, telle que par exemple, mais non exclusivement, au moyen une technique de déposition centrifuge également appelée « spin coating ». La couche diélectrique pourra présenter une épaisseur de l'ordre de plusieurs microns, tels que par exemple 2 pm à 4 pm. Il doit être noté que la couche diélectrique pourra présenter une épaisseur voisine ou inférieure à celle du substrat 1 ou encore une épaisseur supérieure cette dernière. A cet égard, il doit être remarqué que la figure 1 est une coupe schématique montrant l'empilage des différentes couches structurelles constitutives de l'élément chauffant E sans respecter un rapport d'échelle entre les différentes épaisseurs des couches constitutives de l'élément chauffant E. La couche diélectrique 2 supporte à l'opposé du substrat 1 une couche conductrice 3. Selon la nature de la couche conductrice 3 et de la couche diélectrique 2, L'élément chauffant peut comprendre une couche d'adhésion 4 interposée entre la couche diélectrique 2 et la couche conductrice 3. Selon l'exemple illustré, la couche d'adhésion 4 est une couche d'alliage de titane d'une épaisseur inférieure au micron, déposée par toute technique appropriée de la microélectronique, telle que par exemple par pulvérisation cathodique.

La couche conductrice 3 comprend tout d'abord une première épaisseur 31 de matériau conducteur, destinés à former un élément résistif fin. La première épaisseur conductrice 31 est, par exemple, formée par une couche submicronique d'or déposée par pulvérisation cathodique sur la couche d'adhésion 4. La couche conductrice 3 comprend également une deuxième épaisseur 32 destinée à former des éléments d'alimentation de l'élément résistif R constitué par la première épaisseur 31. Dans la mesure où les deux épaisseurs de la couche conductrice 3 sont réalisées dans le même matériau, la structure de la couche conductrice 3 peut être obtenue par les techniques classiques microélectroniques, telles que, par exemple, la photolithographie ou la photogravure. Ainsi, la couche conductrice 3 et la couche d'adhésion 4 peuvent être structurées de manière à présenter un motif tel qu'illustré à la figure 2, dont il ressort que la couche conductrice comprend deux éléments d'alimentation A formés, selon l'exemple illustré, par deux branches parallèles qui sont reliées au niveau de leurs extrémités par l'élément résistif fin R. Les éléments d'alimentation A présentent, en outre, à l'opposé de l'élément résistif R, chacun une zone 6 de réception d'un fil d'alimentation électrique. Les deux éléments d'alimentation A sont réalisés de manière à présenter une épaisseur de plusieurs microns, par exemple de 5 pm tandis que la partie de la couche conductrice formant l'élément résistif fin R présentera une épaisseur inférieure au micron et, par exemple, de l'ordre de 0.25 pm. Compte tenu de la structure de la couche conductrice 3, les éléments d'alimentation A présentent une résistance électrique faible, tandis que l'élément résistif fin R présentera une résistance électrique élevée, de sorte que le chauffage de l'élément chauffant E résultant de l'effet joules sera concentré dans la région de l'élément résistif R. Selon l'exemple illustré, l'élément résistif fin R présente une forme allongée et afin de moduler la puissance thermique disponible sur sa longueur, l'élément résistif fin R est structuré de manière à posséder une largeur, mesurée transversalement à sa longueur, supérieure en son centre et décroissant progressivement depuis le centre vers les extrémités de liaison aux éléments d'alimentation A. Ainsi, dans la mesure où l'élément résistif fin présente une épaisseur constante, sa résistance électrique dans sa région centrale sera plus faible que ses régions extrêmes de liaison avec les éléments d'alimentation A. Ainsi, en modulant la largeur de l'élément résistif fin R, il est possible d'obtenir, en fonctionnement stabilisé, une température uniforme de la face de travail T de l'élément chauffant E située en regard l'élément résistif R. L'élément chauffant R ainsi réalisé est susceptible, compte tenu de la nature des matériaux choisis, de supporter des températures de fonctionnement supérieures à 250°C et d'offrir une densité de puissance thermique supérieure à 3 Watts/mm2, ce qui rend l'élément chauffant particulièrement adapté à des applications, où il est nécessaire de disposer rapidement de hautes températures uniformément réparties. Tel est, par exemple, le cas des applications de sutures par soudage réalisées par voie endoscopiques. Ainsi, l'élément chauffant selon l'invention est particulièrement adapté à une incorporation dans un dispositif chirurgical de soudage de sutures, tel qu'illustré à la figure 3. Un tel dispositif comprend généralement une mâchoire formée de deux mors 10 et 11 qui définissent une zone de préhension Z d'au moins deux portions S de fils de sutures à souder. Le dispositif chirurgical comprend alors, au moins un, et selon l'exemple illustré, deux éléments chauffants E selon l'invention, qui sont chacun adaptés sur une mâchoire, de manière à être placés en regard l'un de l'autre. Ainsi lors de la fermeture de la mâchoire, les faces de travail T des éléments chauffants sont appliquées contre les portions S de fils de sutures à souder, comme le montre la figure 4, de manière à en assurer la fusion. Il est à noter que les hautes températures uniformément réparties autorisées par les éléments chauffants E selon l'invention permettent d'obtenir une très grande qualité de suture. Par ailleurs, dans la mesure où les couches conductrices ne sont pas placées directement au contact des éléments à souder et elles ne se trouvent pas soumises à un risque d'usure par abrasion. Ainsi, l'élément chauffant selon l'invention, permet d'obtenir un fonctionnement particulièrement satisfaisant du dispositif chirurgical qui l'équipe. Par ailleurs, dans la mesure où l'élément chauffant selon l'invention, peut être réalisé facilement par des techniques de fabrication propres à la microélectronique, son coût de revient est particulièrement réduit, de sorte qu'il est susceptible de pouvoir être utilisé dans des applications nécessitant des températures contrôlées autres que la soudure endoscopique, telles que par exemple, les applications de stabilisation en température de composants électronique comme des oscillateurs à cristaux, des alimentations, des des amplificateurs, des accéléromètres, des convertisseurs digitaux -analogiques, des sources de courant ou des sources de tension, des jauges de contraintes, des circuits à transistor, sans que cette liste puisse être limitative ou considérée comme exhaustive. Selon l'exemple illustré, l'élément chauffant présente une couche d'adhésion 4, cependant, il doit être considéré qu'une telle couche d'adhésion est facultative et dépend de la compatibilité entre la couche conductrice et la couche isolante. De la même manière, il doit être remarqué que, selon l'exemple illustré, la couche conductrice 3 est constituée d'un seul et même matériau, mais il pourrait également être envisagé de réaliser l'épaisseur 31 constitutive de l'élément résistif R dans un autre matériau que l'épaisseur 32 destinée à former les éléments d'alimentation de l'élément résistif fin R. Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l'invention dans le cadre des revendications annexées.5

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Elément chauffant de dimensions inférieures au centimètre comprenant : un substrat métallique (1) qui est constitué d'un matériau possédant une conductibilité ou conductivité thermique supérieure à 5 W/m.k et une résistante ultime à la traction mesurée à température ambiante supérieure à 400 MPa et qui comprend une face de travail adaptée pour être placer au contact d'un milieu ou d'un élément à chauffer, une couche conductrice (3) qui est supportée par une face du substrat opposée à la face de travail et qui forme un circuit comprenant deux éléments d'alimentation (A) reliés par un élément résistif fin (R) et destinés à être raccordés à une source de courant, et une couche diélectrique (2) interposée entre la couche conductrice (3) et le substrat métallique (1).
2. 2. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que : le substrat métallique (1) possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2 pm à 1 mm et de préférence de 2 pm à 0,5 mm, la couche diélectrique (2) possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2 pm à 25 pm et, de préférence, s'étendant de 2 pm à 4 pm, la partie (31) de la couche conductrice constitutive de l'élément résistif fin (R) possède une épaisseur inférieure à 2 pm ; la partie (32) de la couche conductrice constitutive des branches de liaison (A) possède une épaisseur comprise dans une gamme de valeur s'étendant de 2pmà3mm.
3. 3. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'adhésion (4) interposée entre la couche diélectrique (2) et la couche conductrice (3).
4. 4. Elément chauffant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche d'adhésion (4) possède une épaisseur inférieure à 0,1 pm.
5. 5. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément résistif fin (R) est conformé de manière à présenter une section de passage du courant variable.
6. 6. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément résistif fin (R) est conformé de manière à présenter une forme générale allongée avec une section de passage du courant qui décroît depuis le milieu de l'élément résistif vers les zones de raccordement de l'élément résistif aux éléments d'alimentation.
7. 7. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément résistif fin (R) est adapté pour obtenir au niveau de la face de travail du substrat une densité de chaleur supérieure à 3 W/mm2.
8. 8. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau constitutif du substrat (1) est choisi parmi : - une feuille d'alliage de titane contenant de l'aluminium, du niobium, du vanadium ou zirconium, - une feuille d'alliage de titane Ti 3AI 2.5V, - une feuille d'acier inoxydable, - une feuille de titane pur, - un feuillard obtenu par empilage de feuilles choisies parmi les feuilles ci- dessus.
9. 9. Dispositif chirurgical de soudage de sutures comprenant au moins un élément chauffant (E) selon l'une des revendications précédentes, qui est disposé dans une zone de préhension (Z) et dont la face de travail (T) est orientée de manière à pouvoir être appliquée contre des portions (S) de fil de suture à souder entre elles.