Vorrichtung und Verfahren zum Schneiden von biologischem Gewebe
Die Erfindung betrifft ein mechanisches Schneidgerät wie ein Skalpell oder dergleichen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrochirurgischen Schneiden und Koagulieren von biologischem Gewebe, bei dem die mechanische Schneidewirkung eines Schneidgerätes, beispielsweise eines Skalpells, durch Erhitzen unterstützt werden kann und/oder geöffnete Gewebegefäße, insbesondere Blutgefäße durch thermische Denaturierung koaguliert werden können.
Zusätzlich betrifft die Erfindung eine externe Stromversorgung für ein Schneidgerät.
Die bekannte, mit Hochfrequenz arbeitende Elektrochirurgie zum Schneiden und/oder zum Koagulieren von biologischem, insbesondere menschlichem Gewebe beruht darauf, daß zwischen der Schneidvorrichtung und dem an geeigneter Stelle mit einer Neutralelektrode elektrisch leitend verbundenem Gewebe ein Lichtbogen erzeugt wird, der aufgrund seiner thermischen Wirkung das Gewebe auftrennt und je nach Wellenform des Stromes bzw. der Spannung die Schnittränder denaturiert,
d.h. die angeschnittenen Gefäße koaguliert. Als Schneidvorrichtung kann dabei ein chirurgisches Messer, also ein Skalpell, aber auch jede andere Schneideelektrode (wie z.B. eine Schlaufe, eine Nadel oder dergleichen) verwendet werden. Durch die Koagulation wird ein Bluten im Schneidebereich weitgehend unterbunden, was für verschiedene Aufgabenstellungen in der Chirurgie von großer Wichtigkeit ist (vgl. Helmut Wurzer, Dissertation, Universität der Bundeswehr, München, Mai 1995).
Ein ähnlicher Effekt wird beim Einsatz von Lasern, besonders von Argon- und Nd:YAG-Lasem, in der Chirurgie erzielt.
Als problematisch erweist sich dabei die Tatsache, daß der Schneideffekt beim Einsatz von Elektrochirurgiegeräten und Lasern auf dem Verdampfen von Gewebe beruht, wobei Temperaturen von einigen hundert Grad, im Falle des Einsatzes von Impulslasern sogar kurzzeitig von einigen tausend Grad erzeugt werden ( vgl. H.-P. Bedien, G. Müller, Angewandte Lasermedizin, Lehr- und Handbuch für Praxis und Klinik, Ecomed-Verlag, Landsberg, 1989). Diese Temperaturen führen nicht nur zu einer Koagulation sondern auch zu einer Gewebeschädigung, die den Heilungsprozeß verzögert. Weiterhin werden beim Verdampfen von Gewebe toxische und karzinogene Produkte erzeugt, die eine potentielle Gefährdung für das medizinische Personal und den Patienten darstellen (vgl. J. Lademann, H.-J. Weigmann, H. Meffert, W. Sterry, Investigation of harmful volatile substances during laser tissue interaction in laser surgery by laser spectroscopic methods, in: "Laser in Medicine", W. Waidelich, G. Staehler (Edits.), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, (641 -644, 1995].
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schneidgerät der eingangs genannten Art anzugeben, das die Vorteile einer schnellen Gewebekoagulation mit einer besonders geringen thermischen Gewebeschädigung erzielt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein mechanisches Schneidgerät gelöst, das Heizmittel umfaßt, die derart gestaltet sind, daß das Schneidgerät auf eine zur Koagulation von Körpergewebe geeignete Temperatur beheizbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Schneidgerät wird die Schneidewirkung im wesentlichen durch ein mit einer scharfen Schneide versehenes Werkzeug erzeugt, wie es bei einem chirurgischen Skalpell der Fall ist. Wird dieses Schneidewerkzeug, z.B. diese Skalpellklinge, während des Schneidens nun aber gleichzeitig erhitzt, so wird es möglich, durch die thermische Denaturierung des Gewebes die Schnittränder zu
koagulieren und dadurch die aufgeschnittenen Gefäße zu verschließen. Gleichzeitig erfolgt bei Bedarf auch eine Unterstützung der mechanischen Schneidewirkung durch das Erhitzen des Schneidwerkzeuges.
Die Erfindung ist sowohl anstelle der üblichen Elektrochirurgie als auch vorzugsweise in der Mikrochirurgie anwendbar.
Ein Problem besteht darin, daß das Schneidewerkzeug, z.B. das Skalpell, durch Wärmeleitung augenblicklich an den Stellen abkühlt, an denen es mit dem Gewebe in Berührung kommt, wodurch es seine vorteilhafte Wirkung weitgehend einbüßt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneidgerätes zeichnet sich daher dadurch aus, daß die Heizmittel elektrisch beheizbar sind. Auf diese, besonders einfache Weise kann die Temperatur des Schneidgerätes bei Bedarf schnell wieder erhöht werden.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang insbesondere, wenn das Schneidegerät Regelungsmittel zum Regeln der Temperatur des Schneidegerätes aufweist. Mit Hilfe der Regelungsmittel wird die Temperatur des Schneidegerätes während eines Einsatzes auf der für das Schneiden und schnelle Koagulieren jeweils optimalen Temperatur gehalten.
Zur Bestimmung der Temperatur des Schneidegerätes können die Regelungsmittel ein Thermoelement umfassen, so daß die vom Thermoelement erzeugte, der Temperatur des Schneidegerätes entsprechende Spannung direkt zur Erzeugung einer Stellgröße zur Änderung der Temperatur verwendet werden kann.
Eine besonders einfache Konstruktion sieht vor, die Schneidklinge als elektrisches Heizelement auszubilden. Es kann dadurch auf den Einbau eines oder mehrerer separater Heizelemente, etwa in Form eines entsprechend der Klingenform geführten Heizdrahtes, verzichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Leitfhähigkeit des Heizelementes in Abhängigkeit von der Temperatur der Schneidklinge ändert. Durch eine Kalibrierung der Abhängigkeit des Widerstandswertes von der Temperatur ist auf diese Weise eine direkte Temperaturmessung anhand des Widerstandes des Heizelementes möglich und es entfällt die Notwendigkeit einer separaten Vorrichtung zur Temperaturmessung .
Dabei kann das Heizelement auch als eine elektrisch leitende Schicht der Schneidklinge ausgebildet sein, wodurch ohne Einschränkung der Funktion eine Materialersparnis des vergleichsweise teuren Materials des Heizelementes erzielt wird.
Bei einem derart ausgebildeten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Schicht zumindest im Bereich der Schneide auf einen elektrisch isolierenden, beispielsweise aus Keramik gefertigten Schneidkörper der Schneidklinge aufgebracht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schneidkörper eine geringere Wärmekapazität hat als die elektrisch leitende Schicht, weil dadurch der Wärmeverlust der Heizschicht an den Schneidkörper gering gehalten wird. Die in der Heizschicht erzeugte Wärmeenergie steht im wesentlichen zur Temperierung der Schneide zur Verfügung. Gleichzeitig wird durch diese Konstruktion eine präzisere Bestimmung der Temperatur der Klinge ermöglicht, da durch eine relativ hohen Wärmekapazität der Heizschicht bei einer Zuführung elektrischer Energie die Temperatur der Heizschicht nur vergleichsweise wenig zunimmt. Die Temperatur ist also bei entsprechend geringer Dosierung der zugeführten Energiemenge sehr fein einstell- und meßbar.
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die Schneidklinge eine äußere Schutzschicht und kann dadurch nach außen hin in bewährter Weise ausgeführt und insbesondere auf einfache Weise nachgeschliffen werden.
Für Anwendungen, bei denen es durch einen Kontakt des zu schneidenden Gewebes mit stromführenden Abschnitten des Schneidwerkzeugs unerwünschte Schädigungen des Gewebes zu befürchten sind, wird die Schutzschicht elektrisch isolierend ausgeführt.
Die Schutzschicht kann insbesondere auch zum mechanischen Schutz der darunterliegenden Bestandteile der Schneidklinge ausgebildet werden, um Schäden etwa an der konstruktiv aufwendigeren Heizschicht zu vermeiden.
Vorzugsweise weist dabei auch die Schutzschicht eine niedrigere Wärmekapazität als das Heizelement auf. Es genügt dann, wie oben bereits erläutert, ein relativ geringer Verlust an Wärmeenergie der Heizschicht zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Schutzschicht, wenn diese mit kälterem Gewebe in Berührung tritt. Dadurch wird ein aufwendiges Nachregeln durch zusätzliche Energiezufuhr in die Heizschicht vermieden. Auch die Schutzschicht kann zur Erzielung dieses Vorteils beispielsweise ein keramisches Material enthalten.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Heizmittel elektrische Anschlüsse für den Anschluß des Heizmittels an eine Stromversorgung auf. Dadurch eine externe Energieversorgung wird das Schneidwerkzeug selbst leicht und kompakt gehalten.
Bei dem hier vorgeschlagenem Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Schneidgerätes wird entsprechend der durch Gewebeberührung bedingten Wärmeableitung durch einen automatischen Regelmechanismus entgegengewirkt und dadurch die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten.
Die Realisierung eines solchen automatischen Systems kann auf zwei verschiedene Weisen erreicht werden, die im folgenden beschrieben werden.
Bei dem Konzept des "eingeprägten Stromes", was soviel wie das Erzwingen eines konstanten vom Verbraucher unabhängigen Stromes bedeutet, ist das Schneidwerkzeug, z.B. die Skalpellklinge, als Serienschaltung von Widerständen aufzufassen bzw. mit in Reihe geschalteten Widerständen zu belegen. Dabei müssen die Widerstände einen möglichst hohen negativen Temperaturkoeffizienten (TK) aufweisen. Wird nun durch Berührung mit dem Gewebe einer dieser Widerstände abgekühlt, so steigt sein Widerstandswert infolge seines negativen TK augenblicklich an, was bei der Serienschaltung der Widerstände und unter der Voraussetzung eines konstanten Stromes zum Anstieg der in Wärme umgesetzten Leistung und damit augenblicklich zur Wiedererhöhung der Temperatur an der berührten Stelle führt.
Aus diesem Grunde wird für den Widerstand die Verwendung eines leitenden Materials mit negativem Temperaturkoeffizienten (TK), z.B. eines Halbleiters vorgeschlagen, der in der Größenordnung von einigen % / K liegen kann.
Bei dem alternativen Konzept der "eingeprägten Spannung", was soviel wie das Anlegen einer konstanten, vom Verbraucher unabhängigen Spannung bedeutet, ist das Schneidewerkzeug, z.B. die Skalpellklinge, als eine Parallelschaltung von Widerständen aufzufassen bzw. mit parallel geschalteten Widerständen zu belegen. Dabei müssen die Widerstände einen möglichst hohen positiven Temperaturkoeffizienten (TK) aufweisen. Wird nun durch Berührung mit dem Gewebe einer dieser Widerstände abgekühlt, so fällt sein Widerstandswert infolge seines positiven TK augenblicklich ab, was bei der Parallelschaltung der Widerstände und unter der Voraussetzung einer konstanten Spannung ebenfalls zum Anstieg der in Wärme
umgesetzten Leistung und damit augenblicklich zur Wiedererhöhung der Temperatur an der berührten Stelle führt. In beiden Fällen müssen die Temperaturkoeffizienten (TK) möglichst hoch sein. Aus diesem Grunde wird für den Widerstand die Verwendung eines Materials mit positivem Tunporeturkoeffizienten (TK) vorgeschlagen, der ebenfalls in der Größenordnung von einigen % / K liegen kann.
Sollte der Leistungsanstieg mit dem erzielbaren Wert für den TK den Wärmeverlust durch Berührung nicht ausreichend ausgleichen können, so kann durch eine zusätzliche, aktive Regelung der konstanten Strom- bzw. Spannungsquelle der erhöhte Bedarf an Wärmeleistung aufgebracht werden. Dafür soll der Widerstandswert der Heizwiderstände als Maß für die mittlere Temperatur des Schneidewerkzeugs herangezogen und die Strom- bzw. Spannungsquelle entsprechend nachgeregelt werden.
Im Falle der seriell angeordneten Widerstände mit negativem TK und der Heizung des Schneidewerkzeugs mit eingeprägtem Strom wäre einer Widerstandserhöhung durch Abkühlung mit einer Stromeinspeisung mit ansteigendem Strom zu begegnen. Dies entspricht einer Stromquelle mit negativem Innenleitwert. Damit würden aber auch die nicht betroffenen Widerstände der Serienschaltung stärker erwärmt, was nur durch ein gut wärmeleitendes Material für das Schneidewerkzeug weitgehend ausgemittelt werden kann
Im Falle der parallel angeordneten Widerstände mit positivem TK und der Heizung des Schneidewerkzeugs mit eingeprägter Spannung wäre einer Widerstandserniedrigung durch Abkühlung mit einer Spannungsversorgung mit ansteigender Spannung zu begegnen. Dies entspricht einer Spannungsquelle mit negativem Innenwiderstand. Damit würden aber auch die nicht betroffenen Widerstände der Parallelschaltung stärker erwärmt, was ebenfalls nur durch ein gut wärmeleitendes Material für das Schneidewerkzeug weitgehend ausgemittelt werden kann.
Das Schneidwerkzeug, beispielsweise die Skalpellklinge, die mit dem Gewebe in Kontakt kommt, kann aus einem elektrischen Leiter bestehen bzw. mit einem elektrischen Leiter belegt sein und mit Hilfe elektrischer Leistung auf den medizinisch erforderlichen Temperaturbereich erhitzt werden.
Der elektrische Leiter kann mit negativem Temeperaturkoeffizienten seiner elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet sein und bei Anlegen einer aufgeprägten Spannung automatisch auf den medizinisch erforderlichen Temperaturbereich
geregelt werden.
In einer Variante kann der Leiter auch mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet sein und bei Anlegen einer aufgeprägten Spannung automatisch auf den medizinisch erforderlichen Temperaturbereich geregelt werden.
Die elektrische Leitfähigkeit des Schneidewerkzeugs mit positivem bzw. negativem Temperaturkoeffizienten wird vorzugsweise durch Verwendung eines einen Halbleiter enthaltenden Materials bewirkt.
Die elektrische Leitfähigkeit des Schneidewerkzeugs, beispielsweise der Skalpellklinge, wird bei einer weiteren Ausführungsform zur Bestimmung der mittleren Temperatur der Skalpellklinge herangezogen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Regelmechanismus der elektrischen Leitfähigkeit des Schneidewerkzeugs aufgrund seines negativen bzw. positiven Temperaturkoeffizienten durch entsprechende Nachregelung, vorzugsweise eine Erhöhung des eingeprägten Stromes bzw. der eingeprägten Spannung zusätzlich unterstützt.
Beim Schneiden oder Koagulieren entstehen bei einer anderen Ausführungsform keine toxischen oder karzinogenen Pyrolyseproduukte.
Das Material, aus dem die Skalpellklinge besteht, ändert vorzugsweise mit der Temperatur seine Leitfähigkeit und ist so kontaktiert, daß sich beim Beaufschlagen des Schneidewerkzeugs mit vorbestimmtem elektrischem Strom bzw. Spannung automatisch die erforderliche gewünschte Temperatur der Skalpellklinge einstellt.
Das Schneidewerkzeug, beispielsweise die Skalpellklinge, wird mit einer Schicht überzogen, deren Leitfähigkeit sich mit derTemperatur ändert und die so kontaktiert ist, daß sich beim Beaufschlagen des Schneidewerkzeugs mit vorbestimmtem elektrischen Strom bzw. vorbestimmter Spannung die erforderliche Temperatur der Skalpellklinge einstellt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Schneidewerkzeug bzw. die elektrisch leitfähige Schicht durch einen Überzug mit einer Isolationsschicht mechanisch und elektrisch geschützt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird zur elektrischen Versorgung des Schneidewerkzeugs eine Strom- bzw. Spannungsquelle mit negativem Innenwiderstand benutzt, die den Wert des eingeprägten Stroms bzw. der eingeprägten Spannung automatisch nach dem elektrischen Leitwert bzw. elektrischen Widerstand so regelt, daß die mittlere Temperatur des Schneide Werkzeugs konstant gehalten werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile werden bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung deutlich. Darin zeigen
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Figur 3 eine Querschnittsansicht des Schneidwerkzeugs aus Figur 2 entlang der Linie lll-lll und
Figur 4 eine stark vereinfachte Schaltskizze eines Stromversorgungsgerätes zur Verwendung bei der Temperaturregelung des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs.
Figur 1 zeigt zur Veranschaulichung des Konzepts des "eingeprägten Stromes" in schematischer Darstellung ein Skalpell 10 mit einer Klinge 12, die eine Schneidkante 14 aufweist. Die Klinge 12 ist in einem Schaft 16 eines Handstücks befestigt. Eine aus einem Halbleitermaterial mit einem hohen negativen Temperaturkoeffizienten gefertigte Heizschicht 18 ist in die Klinge 12 integriert. Sie kann an der Oberfläche der Klinge, ebenso aber auch in einer darunter liegenden Schicht aufgebracht sein. Über eine mit der Heizschicht 18 verbundene distale Elektrode 19a und eine proximale Elektrode 19b sowie elektrische Leiter 20 und 24 wird die Heizschicht 18 von einer Stromquelle 24 her mit elektrischer Leistung versorgt. Diese Anordnung kann in einem Ersatzschaltbild als Serienschaltung von Heizwiderständen dargestellt werden. Eine Abnahme der Temperatur an der Schneidkante 14 der Klinge 12 bewirkt aufgrund des negativen Temparaturkoeffizienten des Heizwiderstandes eine Zunahme des Gesamtwiderstandes der Heizschicht 18, wodurch an der Stromquelle 24 die Spannung erhöht wird, um den Strom konstant zu halten. Die erhöhte elektrische Leistung bewirkt eine Temperaturerhöhung des Heizwiderstandes, wodurch auch die Temperatur der Klinge auf den vorbestimmten
Wert erhöht wird.
Figur 2 zeigt eine Abwandlung dieser Ausführungsform zur Veranschaulichung des Konzepts der "eingeprägten Spannung" . Analog zur Figur 1 ist ein Skalpell 26 mit einer Klinge 28 dargestellt, die eine Schneidkante 30 aufweist. Die Klinge 28 ist in einem Schaft 32 eines Handstücks befestigt. Eine aus einem Halbleitermaterial mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten gefertigte Heizschicht 34 ist in die Klinge 28 integriert. Sie kann an der Oberfläche der Klinge, ebenso aber auch in einer darunter liegenden Schicht aufgebracht sein. Über eine mit der Heizschicht 18 verbundene obere Elektrode 35a und eine untere Elektrode 35b sowie elektrische Leiter 36 und 38 wird die Heizschicht 34 von einer Spannungsquelle 40 her mit elektrischer Leistung versorgt. Diese Anordnung kann in einem Ersatzschaltbild als Parallelschaltung von Heizwiderständen dargestellt werden, eine Abnahme der Temperatur an der Schneidkante 30 bewirkt wegen des positiven Temperaturkoeffizienten des Heizwiderstandes ein Absinken des Gesamtwiderstandes der Heizschicht 34. Entsprechend wird die Leistung der Spannungsquelle 40 hochgefahren, um die Spannung konstant zu halten. Die dabei erzielte Erhöhung der Stromstärke bewirkt eine Erhöhung der Temperatur der Heizschicht 34 und folglich an der Schneidkante 30. Gleichzeitig sinkt der Strom aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten wieder auf seinen Normalwert.
Figur 3 zeigt eine Querschnitts-Teilansicht der Klinge 28. Die Schnittebene verläuft entlang der Linie lll-lll in Figur 2. Die Klinge 28 ist aus drei übereinanderliegenden Schichten 42 bis 46 aufgebaut. Dabei ist die äußere Schicht 42 mechanisch robust und eignet sich insbesondere zur Ausbildung der Schneidkante 30. Bei Bedarf kann die Schicht 42 aus elektrisch isolierendem Material, etwa mit keramischen Bestandteilen, ausgeführt werden. Nach innen hin schließt sich eine Heizschicht 44 an, die in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 34 versehen ist. Die untere Elektrode 35b ist der Einfachheit halber hier nicht dargestellt. Die Heizschicht 44 umgibt zumindest im Bereich der Schneidkante 34 einen Klingenkern 46.
Figur 4 zeigt eine stark vereinfachte Schaltskizze eines Stromversorgungsgerätes 40' zur Verwendung bei der Temperaturregelung des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs. Ein Spannungsmessgerät 48 und ein Strommeßgerät 50 sind zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes vorgesehen, aus dem in einer Regeleinheit 52 die Temperatur ermittelt wird. Die Regeleinheit 52 umfaßt alle üblichen Bauteile zur Regelung der elektrischen Leistung unter Konstanthaltung der Spannung. Durch eine Auswerteeinheit kann die Widerstandsmessung von einem
aus der Temperaturänderung der Leitungen 36 und 38 bei Erhöhung bzw. Verringerung der elektrischen Leistung resultierenden Fehler befreit werden.