WO2009059732A1 - Chirurgisches system zur steuerung von fluid - Google Patents

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WO2009059732A1
WO2009059732A1 PCT/EP2008/009264 EP2008009264W WO2009059732A1 WO 2009059732 A1 WO2009059732 A1 WO 2009059732A1 EP 2008009264 W EP2008009264 W EP 2008009264W WO 2009059732 A1 WO2009059732 A1 WO 2009059732A1
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fluid
aspiration
fluid container
irrigation
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PCT/EP2008/009264
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Inventor
Christoph KÜBLER
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Carl Zeiss Surgical Gmbh
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    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M1/00—Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/71—Suction drainage systems
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61M2205/00—General characteristics of the apparatus
    • A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
    • A61M2205/3331—Pressure; Flow
    • A61M2205/3355—Controlling downstream pump pressure

Definitions

  • the invention relates to a surgical system and a method for controlling fluid in the treatment of a cataract with the phacoemulsification technique.
  • cataracts There are several surgical techniques for treating cataracts, which are referred to in medicine as cataracts.
  • the most common technique is phacoemulsification, in which a thin tip is inserted into the diseased lens and excited to vibrate with ultrasound. The vibrating tip emulsifies the lens in its immediate vicinity so that the resulting lens fragments can be aspirated from a pump through a conduit. Once the lens has been completely emulsified, a new artificial lens can be inserted into the empty capsular bag so that a patient treated in this way can regain good vision.
  • a device In phacoemulsification, a device is used which generally has a vibratory tip in a handpiece, a purge line for supplying irrigation fluid to the lens to be treated, and a suction line for aspirating emulsified lens fragments into a collection container. During removal into the collection container, a lens fragment may clog the entrance area of the handpiece tip.
  • a vacuum builds up downstream in the aspiration line with, for example, a pressure of -700 mm Hg. If the obstruction does not resolve itself after a certain period of time (occlusion blockage), the negative pressure in the aspiration line must be compensated for safety reasons.
  • Another possibility is to carry out a pressure equalization by means of ambient air. Air at atmospheric pressure is introduced into the aspiration line. It is advantageous that there is no excitation of a pressure fluctuation in the irrigation line. However, the introduced into the aspiration line air changes the fluidic properties of the intake system, so that the air must be pumped out of the aspiration line in order to achieve a dynamic suction pressure curve in the aspiration line again.
  • the surgical system according to the invention for controlling a fluid comprises:
  • an irrigation line connected at one end to a first fluid container for receiving irrigation fluid and at another end to a surgical handpiece
  • an aspiration input line which is provided by the surgical handpiece to an inlet of a suction pump so as to be separated from the
  • Suction pump lets fluid suck through the handpiece
  • a second fluid container for receiving the irrigation fluid
  • an aspiration vent line connecting the second fluid container to the aspiration input line, a vent valve provided in the aspiration vent line and switchable in response to a fluid pressure in the aspiration input line,
  • the second fluid container is fillable by a filling line, wherein the filling line is connected at one end to the Irrigationstechnisch, and wherein the filling line is a flow element with a constant hydraulic resistance, which is between 0.5 and 50 mmHg / (ml / min) , having.
  • Such a system is advantageous because the flow element with a hydraulic resistance that is between 0.5 and 50 mmHg / (ml / min), a strong
  • Vibration damping for the fluid starting from the flow element along the filling line to the irrigation line and in the irrigation line to the eye causes. More preferably, the hydraulic resistance has an amount of 0.5 to 5.0 mmHg / (ml / min). Thus, the hydraulic inner diameter of the flow element is not too small, so that no high production cost for the flow element is required.
  • the flow element does not cause the pressure fluctuation in the second fluid container unhindered to reach the Irrigationstechnisch, but is greatly attenuated due to the relatively high hydraulic resistance of the flow element. Due to the flow element, the vibration in the second fluid container is not completely kept away from the irrigation line. It is still measurable in the Irrigationstechnisch, but in their amplitude so low that there is never the risk of eye collapse.
  • Another advantage is that not just one but two fluid containers are used.
  • fluid from the second fluid container can be guided through the aspiration ventilation line into the aspiration inlet line if the ventilation valve has been correspondingly released. Since the second fluid container contains sterile fluid, contamination of the aspiration line by venting is excluded. Thus, it is possible to use the surgical system without the risk of contamination with previously introduced contaminants in a number of patients being treated consecutively.
  • Fluid container is the handling in practice relatively easy and safe possible. It suffices, for example, to fill only the first fluid container with irrigation fluid or to control its fill level before starting an operation, so that the second fluid container is subsequently filled from this sterile fluid, this being done automatically and with very little vibration by means of the flow-limiting flow element. A control by the operator, whether the second fluid container is filled, is not required.
  • Another advantage is that the flow element does not have to be controlled, but can act independently. For a relatively simple and thus fast-reacting safety logic for the still to be controlled valves is possible. In addition, the cost of a switching and wear-prone valve can be saved by the use of the flow element.
  • BSS solution an irrigating saline solution
  • the flow element may preferably be formed as a conduit, channel, bore or aperture, wherein the cross section is preferably round, but may also be square as in a channel in an injection molded part.
  • the second fluid container has a hydraulic capacity in a range of 0.05 to 0.2 (ml / min) / (mmHg / s).
  • the hydraulic capacity of the second fluid container is only about one twentieth to one fifth of the hydraulic capacity of an irrigation tube.
  • the ability to achieve a corresponding volume change with a changing fluid pressure can be set relatively low. This is due to the fact that in the second fluid container only a small volume of fluid compared to the elastic Irrigationstechnisch stored or delivered in a ventilation operation, since the hydraulic capacity of the aspiration line is about a factor of 10 to 20 smaller than the hydraulic capacity of the irrigation line.
  • the hydraulic capacity of the second fluid container is at least equal to and preferably more than twice the hydraulic capacity of the aspiration input line.
  • the filling line at the other end with the second fluid container by a mechanical or chemical connection means or by a compound based on a thermal Connection method is coupled. It may, for example, involve clamping, gluing, welding and, in particular, plastics, by means of polymerization or polycondensation.
  • the second fluid container is tubular, for example, formed as a hose such as the filling line or Aspirationsbe Kunststoffungs Koch, whereby a cost-effective and easy to implement solution is achieved.
  • the hose also has the advantage that it is elastically deformable not only in a limited area but along its entire circumference.
  • at least a part of the filling line, the second fluid container and at least part of the aspiration ventilation line are integrally formed so that a simple mounting in a cassette is achieved.
  • the irrigation line has an irrigation valve, this can be brought into such a position that the irrigation line is interrupted. If the irrigation valve is arranged in the irrigation line between the handpiece and the filling line, filling of the second fluid container with fluid from the first fluid container by means of the filling line can be carried out particularly quickly. Since the irrigation valve is closed at the beginning of an operation, the second fluid container fills first due to the hydrostatic pressure in the irrigation line. In addition, occur during filling of the second fluid container and closed irrigation valve no pressure fluctuations in the part of the irrigation line, which is arranged between irrigation valve and handpiece. This ensures that during the filling of the second fluid container in the eye no pressure fluctuations are induced.
  • fluid is derivable from the aspiration vent line at the bottom or near the bottom of the second fluid container. This ensures that the maximum available amount of aeration fluid can always be made available and, in addition, no air is supplied to the aspiration input line when the container is filled.
  • the pressure sensor detects the fluid pressure in the aspiration line near the handpiece.
  • the pressure sensor senses the fluid pressure in the aspiration line within the handpiece, preferably near the handpiece tip.
  • the object is further achieved by a method of controlling fluid upon venting an aspiration input line in a surgical system as described above, wherein the venting valve is switched immediately or after a predetermined vacuum pressure is reached in the aspiration input line to cause fluid from the second fluid reservoir Aspiration vent line is supplied to the aspiration input line, and the second fluid container is filled with irrigation fluid from the first fluid container, wherein the irrigation fluid flows through the flow element in the filling line.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the surgical
  • FIG. 2 shows a further schematic illustration of the embodiment of the surgical system according to the invention
  • FIG. 3 A -3 C show schematic representations of a plurality of second fluid containers in a surgical system according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of a fluid vibration curve in the eye in
  • Fig. 5 is a schematic representation of a fluid waveform in the eye in
  • Fig. 6 is a diagram of the vibration damping in dependence on the hydraulic resistance of the flow element
  • Fig. 7 is a table showing the most important characteristics of the components of the surgical system according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the inventive surgical system 1 is shown.
  • a first fluid container 2 an irrigation fluid 21 is contained, which can be passed via an irrigation line 3 by a handpiece 40 to an eye 50 to be treated.
  • the handpiece 40 may be a phacoemulsification handpiece in which a vibrating tip 5 emulsifies a clouded lens of the eye 50 and the smashed lens fragments are aspirated.
  • the removal is caused by a suction pump 8, which is connected at its input 9 via an aspiration input line 7 with the handpiece 40.
  • a fluid pressure in the aspiration input line 7 is detected by a pressure sensor 11, which is arranged in the embodiment shown in FIG. 1 between the inlet 9 of the suction pump 8 and the handpiece 40.
  • the pressure sensor 11 may be arranged in a cassette 60. Preferably, however, it is provided in the vicinity of the handpiece 40, so that a pressure change in the region of the tip 5 can be detected after a short distance through the handpiece 40. An even faster detection of a pressure change is achieved when the pressure sensor 11 detects the fluid pressure in the aspiration line 6 within the handpiece 40.
  • the aspiration line 6 can be understood in this case as the front portion of the aspiration input line 7.
  • the suction pump 8 forwards the Linsengfragmente and fluid at its output 10 through an Aspirationsausgangstechnisch 12 in a sump 13 on.
  • an aspiration vent line 14 is connected, which is connected to a second fluid container 15.
  • a fluid 22 is contained, which in the appropriate position of a provided in the aspiration ventilation line 14 two-way vent valve 17 in the Aspiration input line 7 can be supplied.
  • the ventilation valve 17 is controlled by a controller 70 such that fluid 22 passes from the second fluid container 15 into the ventilation line 14 and from there into the evacuated aspiration input line 7.
  • the second fluid container 15 is filled with a fluid 22, which is supplied in the embodiment shown in FIG. 1 through a filling line 18.
  • a flow element 19 is provided as a hydraulic resistance, which limits the fluid passage.
  • the filling line 18 is connected at one end 30 to the irrigation line 3, so that fluid 21 can enter the filling line 18.
  • the other end 31 of the filling line 18 is connected to the second fluid container 15, so that fluid 21 can penetrate through the flow element 19 into the second fluid container 15.
  • a pressure equalization within the container must be provided. This takes place in such a way that fluid flows in through the flow element 19 into the second fluid container 15.
  • the pressure compensation is assisted if a wall of the second fluid container 15 is provided with at least one elastically deformable region, see for example FIGS. 3A to 3C.
  • This elastically deformable region can be a flexible lid on a rigid fluid container 15 or a flexible sidewall. Further, it is possible that the entire second fluid container 15 is formed elastically deformable, for example as a hose or bag.
  • the elastically deformable region of the second fluid container 15 can contract, whereby the fluid volume within the second fluid container 15 is slightly reduced. Due to the direct connection between the second fluid container 15 and the filling line 18 then irrigation fluid 21 flows through the Flow valve 19 into the second fluid container 15, so that it is filled again with sterile irrigation fluid 22.
  • FIGS. 3A to 3C show several forms of a second fluid container 15 with at least one elastically deformable region.
  • the fluid container 15 are tubular, with a direct connection to the filling line 18 and the
  • Ventilation line 14 is.
  • the compound can be achieved by mechanical or chemical bonding agents or by a thermal bonding method.
  • the filling line 18, the second fluid container 15 and the vent line 14 are integrally formed.
  • the second fluid container 15 thus represents a diameter-widened central portion of the lines 18 and 14.
  • the second fluid container 15 is a piece of tubing with tapered at the ends of diameters, which with the lines 18th and 14 are connected, while in the form shown in Fig. 3 C an additional hose with associated reducers 32 is provided.
  • the manufacture of the fluid container 15 can be done for example by extrusion, blow molding or injection molding.
  • FIG. 4 shows in the upper diagram a waveform of the intraocular pressure in the eye as a function of time in accordance with a system according to the prior art.
  • the diagram below shows the associated aspiration pressure, which rises very rapidly to almost 0 mm Hg during a pressure compensation of -700 mm Hg.
  • the "sudden" venting, also called reflux, of the aspiration input line 7 with irrigation fluid 22 is shown in the bottom diagram of Fig. 4 as a jump function from 0 to 1.
  • the initial amplitude of the oscillation is denoted by AQ.
  • FIG. 5 in comparison, the instantaneous switching to aeration with irrigation fluid 22 (bottom diagram), the course of the pressure in the aspiration input line 7 (middle diagram) and the associated course of the intraocular pressure (top diagram) are shown.
  • the initial amplitude A ⁇ is significantly lower than in a prior art surgical system, see Fig. 4.
  • the attenuation is about 75% at the selected parameters, so that the risk of eye collapse or damage of the Capsular bag is no longer given.
  • Fig. 6 shows a diagram with a family of curves, wherein on the ordinate the damping during ventilation with the system according to the invention and on the abscissa the resistance of the flow element is plotted. The following statements can be derived from FIG. 6:
  • the damping is higher by a factor of 2 if, with a hydraulic resistance of 0.5 mmHg / (ml / min), the hydraulic capacity is 0.02 (ml / min) / (mmHg / s) by a factor of 10 to 0.2 (ml / min) / (mmHg / s) is increased.
  • FIG. 2 The technical and mathematical relationships for the optimal design of the surgical system according to the invention are detailed below by means of a hydraulic simulation model.
  • Fig. 2 the underlying model is shown with symbols from electrical engineering, wherein the representation of FIG. 1 is derived.
  • the handpiece 40, the eye 50 and the cassette 60 are shown as a block.
  • the model in FIG. 2 has hydraulic resistances, hydraulic capacities and hydraulic inductances. These can be described as follows: • Hydraulic resistance R ⁇
  • the hydraulic resistance R h of a pipe can be determined in laminar pipe flow according to the Hagen-Poiseuille Law:
  • the inner radius r of a pipe or hose is included in the calculation of the R h with the reciprocal of the fourth power.
  • Viscosity ⁇ of the liquid in each case enter linearly into the calculation of the R h .
  • the hydraulic resistance of a conduit characterizes the pressure that must be applied to carry a fluid flow.
  • the unit of hydraulic resistance can be expressed in [mmHg / (ml / min)].
  • a hydraulic line has an inductance Z h -
  • the hydraulic inductance characterizes the dynamic pressure change due to the inertia of the fluid volume to be accelerated. It can be determined according to the following formula:
  • the density p of the fluid determines with the line length / as well as with the inner line cross-section A the hydraulic inductance L h , the unit of which can be expressed in [mmHg * s / (ml / min)].
  • the hydraulic capacity characterizes a volume change of a fluid with changing fluid pressure.
  • the hydraulic capacity C h can be over the elastic Properties of the hose or wall material of the cables Ewandung be determined according to the following equation:
  • VQ denotes the volume of fluid enclosed by the line.
  • the wall thickness h of the pipe wall and the inner radius r of the pipe and the ⁇ -module of the elastic wall Ew orung determine the capacitive properties of the elastic line.
  • the hydraulic capacity has the possible unit [(ml / min) / (mmHg / s)].
  • the propagation velocity c of pressure waves in such a line can be determined according to the following formula:
  • the unit of wave propagation velocity or phase velocity is [m / s].
  • the solution of the hyperbolic wave equation can be performed by numerical methods such as the characteristic method.
  • the software Matlab / Simulink of Mathworks is suitable.
  • the hydraulic capacity C 1 , the second fluid container 15 is therefore preferably designed equal to or as a multiple of the aspiration line capacitance C ASP .
  • the hydraulic capacity of the second fluid container 15 can be realized, for example, by a small elastic hose with the following amounts:
  • the hydraulic resistance R ⁇ of the flow element 19 can advantageously be achieved in a simple manner by a narrow line cross-section.
  • Fig. 5 shows the course in a surgical system according to the prior art, in which no hydraulic resistance in the filling line and no hydraulic capacity between the filling line and vent line is arranged, but only a vent valve for pressure equalization between the irrigation line and the aspiration line is present.
  • the pressure in the aspiration inlet line 7 rises very rapidly from -700 mm Hg to nearly 0 mm Hg, see middle diagram.
  • Fig. 6 shows the same situation, but in the surgical system according to the invention with the values calculated above.
  • the pressure in the aspiration input line is stable only after about 0.6 seconds and has risen to 0 mm Hg, see middle diagram.
  • the pressure oscillation in the eye is significantly lower than in the system according to the prior art.
  • the amplitude A & reaches only about 25% of the height of the amplitude A +.
  • the attenuation a can be described as the 1 ⁇ Briggs logarithm from the ratio of the attenuated initial amplitude A ⁇ , as achieved in the surgical system according to the invention, and the initial oscillation amplitude AQ of the completely undamped oscillation in a system according to the prior art:
  • the table in Fig. 7 shows the basic data for the hydraulic simulation. The characteristic parameters and the hydraulic properties are shown for each element.
  • the irrigation line 3 is divided into a "BSS tube” from the first fluid container 2 to the junction with the filling line 18 and an "IRR tube” from the node to the input of the handpiece 4.
  • the irrigation line in the handpiece is "IRR handpiece ", wherein the aspiration line in the handpiece with” ASP handpiece "is designated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches System (1) zur Steuerung eines Fluides, aufweisend: - eine Irrigationsleitung (3), welche an einem Ende mit einem ersten Fluidbehälter (2) zur Aufnahme von Irrigationsfluid (21) und an einem anderen Ende mit einem chirurgischen Handstück (40) verbunden ist, - eine Aspirationseingangsleitung (7), welche vom chirurgischen Handstück (40) zu einem Eingang (9) einer Saugpumpe (8) so vorgesehen ist, dass sich von der Saugpumpe (8) Fluid durch das Handstück (40) saugen lässt, - einen zweiten Fluidbehälter (15) zur Aufnahme des Irrigationsfluids (22), - eine Aspirationsbelüftungsleitung (14), welche den zweiten Fluidbehälter (15) mit der Aspirationseingangsleitung (7) verbindet, - ein Belüftungsventil (17), welches in der Aspirationsbelüftungsleitung (14) vorgesehen ist und sich in Abhängigkeit von einem Fluiddruck in der Aspirationseingangsleitung (7) schalten lässt, - wobei der zweite Fluidbehälter (15) durch eine Befüllungsleitung (18) befüllbar ist, wobei die Befüllungsleitung (18) an einem Ende (30) mit der Irrigationsleitung (3) verbunden ist, und wobei die Befüllungsleitung ein Strömungselement (19) mit einem konstanten hydraulischen Widerstand, der zwischen 0,5 und 50,0 mmHg/(ml/min) beträgt, aufweist.

Description

Chirurgisches System zur Steuerung von Fluid
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches System und ein Verfahren zur Steuerung von Fluid bei der Behandlung eines Kataraktes mit der Phakoemulsifikationstechnik.
Zur Behandlung einer Linsentrübung, welche in der Medizin als Grauer Star bezeichnet wird, gibt es mehrere chirurgische Techniken. Die am weitesten verbreitete Technik ist die Phakoemulsifikation, bei der eine dünne Spitze in die erkrankte Linse eingeführt und mit Ultraschall zu Schwingungen angeregt wird. Die vibrierende Spitze emulsifiziert in ihrer nächsten Umgebung die Linse derart, dass die entstehenden Linsenfragmente durch eine Leitung von einer Pumpe abgesaugt werden können. Ist die Linse vollständig emulsifiziert worden, kann in den leeren Kapselsack eine neue künstliche Linse eingesetzt werden, so dass ein derart behandelter Patient wieder ein gutes Sehvermögen erreichen kann.
Bei der Phakoemulsifikation kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, welche allgemein eine schwingfähige Spitze in einem Handstück, eine Spülleitung (Irrigationsleitung) für die Zufuhr von Spülfluid zu der zu behandelnden Linse und eine Saugleitung (Aspirationsleitung) zum Abtransportieren emulsifϊzierter Linsenfragmente in einen Sammelbehälter aufweist. Während des Abtransportierens in den Sammelbehälter kann es vorkommen, dass ein Linsenfragment den Eingangsbereich der Handstückspitze verstopft. Bei kontinuierlich laufender Saugpumpe baut sich somit stromabwärts in der Aspirationsleitung ein Vakuum mit zum Beispiel einem Druck in der Höhe von -700 mm Hg auf. Wenn sich die Verstopfung nach einer gewissen Zeit nicht von selbst auflöst (Okklusionsblockade), muss aus Sicherheitsgründen der Unterdruck in der Aspirationsleitung ausgeglichen werden.
Im Stand der Technik werden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, einen solchen Druckausgleich zu erreichen. In US 4,832,685 ist beschrieben, dass sich die Aspirationsleitung mit der Irrigationsleitung verbinden lässt, so dass ein Druckausgleich durch das Irrigationsfluid erfolgt. Nachteilig ist dabei, dass das in der Irrigationsleitung vorhandene Fluid zu Druckschwankungen angeregt wird, welche sich über die Irrigationsleitung bis zum Auge fortleiten. Dies führt zu einer gefährlichen Destabilisierung des Druckes in der Augenvorderkammer, wodurch ein Augenkollaps verursacht werden kann. Es ist zusätzlich möglich, dass der Kapselsack zur Handstückspitze gezogen und von der Spitze durchstochen wird. Neben einer solchen Verletzung des Kapselsackes kann ferner eine zu tief eingedrungene Spitze eine Beschädigung des hinter dem Kapselsack liegenden Augen-Glaskörpers bewirken. Ein weiterer Nachteil dieses in US 4,832,685 beschriebenen Systems besteht darin, dass bei einem derartigen Fluid-Druckausgleich kontaminiertes Fluid aus der Aspirationsleitung in die Irrigationsleitung fließen kann. Ein solches chirurgisches System lässt sich daher nur für einen einzelnen Patienten verwenden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Druckausgleich mittels Umgebungsluft durchzuführen. In die Aspirationsleitung wird dabei Luft mit atmosphärischem Druck eingeleitet. Vorteilhaft ist dabei, dass es zu keiner Anregung einer Druckschwankung in der Irrigationsleitung kommt. Die in die Aspirationsleitung eingebrachte Luft verändert jedoch die fluidischen Eigenschaften des Ansaugsystems, so dass die Luft aus der Aspirationsleitung gepumpt werden muss, um wieder eine dynamische Saugdruckkennlinie in der Aspirationsleitung zu erzielen.
In US 6,740,074 B2 und US 6,261,283 wird vorgeschlagen, aus einem am Ende der Aspirationsleitung angeordneten Sammelbehälter Fluid zu entnehmen und in die Aspirationsleitung zu führen. Bei dieser Lösung werden jedoch kontaminierte Partikel aus dem Sammelbehälter in die Aspirationsleitung gebracht, so dass ein solches System unsteril wird und nicht für mehrere Patienten, sondern nur für einen einzelnen Patienten geeignet ist.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein chirurgisches System zu schaffen, welches bei einem Unterdruck in einer Aspirationsleitung einen schnellen Druckausgleich ermöglicht, wobei keine Druckschwankungen im Auge induziert werden, dabei die fluidischen Eigenschaften in der Aspirationsleitung nicht verändert werden und eine höhere Betriebssicherheit erreichbar ist, und dabei kein kontaminiertes Fluid in die Irrigationsleitung gelangt, so dass das System auch für mehrere Patienten verwendet werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen chirurgischen Systems zu schaffen. Die Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße chirurgische System zur Steuerung eines Fluids weist auf:
- eine Irrigationsleitung, welche an einem Ende mit einem ersten Fluidbehälter zur Aufnahme von Irrigationsfluid und an einem anderen Ende mit einem chirurgischen Handstück verbunden ist,
- eine Aspirationseingangsleitung, welche vom chirurgischen Handstück zu einem Eingang einer Saugpumpe so vorgesehen ist, dass sich von der
Saugpumpe Fluid durch das Handstück saugen lässt,
- einen zweiten Fluidbehälter zur Aufnahme des Irrigationsfluids,
- eine Aspirationsbelüftungsleitung, welche den zweiten Fluidbehälter mit der Aspirationseingangsleitung verbindet, - ein Belüftungsventil, welches in der Aspirationsbelüftungsleitung vorgesehen ist und sich in Abhängigkeit von einem Fluiddruck in der Aspirationseingangsleitung schalten lässt,
- wobei der zweite Fluidbehälter durch eine Befüllungsleitung befüllbar ist, wobei die Befüllungsleitung an einem Ende mit der Irrigationsleitung verbunden ist, und wobei die Befüllungsleitung ein Strömungselement mit einem konstanten hydraulischen Widerstand, der zwischen 0,5 und 50 mmHg/(ml/min) beträgt, aufweist.
Ein solches System ist vorteilhaft, da das Strömungselement mit einem hydraulischen Widerstand, der zwischen 0,5 und 50 mmHg/(ml/min) beträgt, eine starke
Schwingungsdämpfung für das Fluid beginnend vom Strömungselement entlang der Befüllungsleitung bis zur Irrigationsleitung und in der Irrigationsleitung bis zum Auge bewirkt. Besonders bevorzugt weist der hydraulische Widerstand einen Betrag von 0,5 bis 5,0 mmHg/(ml/min) auf. Damit wird der hydraulische Innendurchmesser des Strömungselementes nicht allzu klein, so dass kein hoher Fertigungsaufwand für das Strömungselement erforderlich ist. Wenn das Belüftungsventil geöffnet wird und ein Druckausgleich der Aspirationseingangsleitung erfolgt, wird in sehr kurzer Zeit Fluid aus dem zweiten Fluidbehälter herausgesogen und befüllt die Aspirationsleitung. Das Strömungselement bewirkt, dass die Druckschwankung im zweiten Fluidbehälter nicht ungehindert zur Irrigationsleitung gelangen kann, sondern aufgrund des relativ hohen hydraulischen Widerstandes des Strömungselementes stark gedämpft wird. Durch das Strömungselement wird die Schwingung im zweiten Fluidbehälter nicht vollkommen von der Irrigationsleitung ferngehalten. Sie ist in der Irrigationsleitung noch messbar, in ihrer Amplitude jedoch so gering, dass nie die Gefahr eines Augenkollapses besteht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nicht nur ein, sondern zwei Fluidbehälter zum Einsatz kommen. Bei einer Okklusion in der Aspirationsleitung kann mit dem erfindungsgemäßen System Fluid aus dem zweiten Fluidbehälter durch die Aspirationsbelüftungsleitung in die Aspirationseingangsleitung geführt werden, wenn das Belüftungsventil entsprechend freigeschaltet wurde. Da der zweite Fluidbehälter steriles Fluid enthält, ist eine Kontamination der Aspirationsleitung durch das Belüften ausgeschlossen. Somit ist es möglich, das chirurgische System auch ohne Gefahr einer Kontamination mit zuvor eingebrachten Verunreinigungen bei mehreren Patienten zu verwenden, die aufeinander folgend behandelt werden. Durch Einsatz eines zweiten
Fluidbehälters ist auch die Handhabung in der Praxis relativ einfach und sicher möglich. Es genügt, zum Beispiel vor Beginn einer Operation nur den ersten Fluidbehälter mit Irrigationsfluid zu füllen bzw. dessen Füllstand zu kontrollieren, so dass anschließend aus diesem sterilen Fluid der zweite Fluidbehälter befüllt wird, wobei dies mittels des Strömungsbegrenzenden Strömungselementes selbsttätig und sehr schwingungsarm erfolgt. Eine Kontrolle durch das Bedienpersonal, ob der zweite Fluidbehälter gefüllt ist, ist nicht erforderlich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Strömungselement nicht angesteuert werden muss, sondern selbständig wirken kann. Damit ist eine relativ einfache und somit schnell reagierende Sicherheitslogik für die noch anzusteuernden Ventile möglich. Außerdem lassen sich durch den Einsatz des Strömungselementes die Kosten für ein schaltendes und verschleißanfälliges Ventil einsparen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Strömungselement bei einer dynamischen Viskosität des Fluids mit einem Betrag von η = 0,001 Ns/m2, welches ein üblicher Wert für eine Irrigations-Kochsalzlösung (nachfolgend BSS-Lösung) ist, eine von der Strömung passierte Länge mit einem Betrag kleiner als 100 mm bei einem hydraulischen Radius mit einem Betrag kleiner als 1 ,0 mm, bevorzugt 0,7 mm aufweist. Mit diesen Werten kann der geforderte hydraulische Widerstand in der Höhe von 0,5 bis 50 mm Hg / (ml/min) erreicht werden, wobei die Toleranz für den Radius relativ klein ist, da dieser gemäß dem Hagen-Poiseulle' sehen Gesetz mit der vierten Potenz in die Berechnung des hydraulischen Widerstandes eingeht. Das Strömungselement kann vorzugsweise als Leitung, Kanal, Bohrung oder Blende ausgebildet sein, wobei der Querschnitt vorzugsweise rund ist, jedoch auch eckig wie bei einem Kanal in einem Spritzgussteil sein kann.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung besitzt der zweite Fluidbehälter eine hydraulische Kapazität in einem Bereich von 0,05 bis 0,2 (ml/min)/(mmHg/s). Damit beträgt die hydraulische Kapazität des zweiten Fluidbehälters nur etwa ein Zwanzigstel bis ein Fünftel der hydraulischen Kapazität eines Irrigationsschlauches. Das Vermögen, bei einem sich ändernden Fluiddruck eine entsprechende Volumenänderung zu erreichen, kann relativ gering angesetzt werden. Dies liegt darin begründet, dass beim zweiten Fluidbehälter nur wenig Fluidvolumen im Vergleich zu der elastischen Irrigationsleitung gespeichert oder bei einem Belüftungsvorgang abgegeben werden muss, da die hydraulische Kapazität der Aspirationsleitung etwa um den Faktor 10 bis 20 kleiner ist als die hydraulische Kapazität der Irrigationsleitung.
Es ist vorteilhaft, wenn die hydraulische Kapazität des zweiten Fluidbehälters mindestens gleich und bevorzugt mehr als das Doppelte der hydraulischen Kapazität der Aspirationseingangsleitung ist. Bei einem Druckausgleich der Aspirationsleitung fließt Fluid von dem zweiten Fluidbehälter in die evakuierte Aspirationsleitung. Analog zur Entladung bei einem elektrischen Kondensator verläuft auch hier die Entleerung des Fluidbehälters in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einer Exponentialfunktion. Die Entleerung des zweiten Fluidbehälters bzw. der Druckausgleich in der Aspirationseingangsleitung geschieht umso schneller, je größer die hydraulische Kapazität des zweiten Fluidbehälters ist. In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein befriedigender Druckausgleich bei einer hydraulischen Kapazität des zweiten Fluidbehälters erreicht wird, wenn diese mindestens gleich der hydraulischen Kapazität der Aspirationseingangsleitung ist.
Gemäß einer Ausfuhrungsform kann vorgesehen sein, dass die Befüllungsleitung an dem anderen Ende mit dem zweiten Fluidbehälter durch ein mechanisches oder chemisches Verbindungsmittel oder durch eine Verbindung auf der Basis eines thermischen Verbindungsverfahrens gekoppelt ist. Es kann sich zum Beispiel um Klemmen, Kleben, Schweißen und besonders bei Kunststoffen durch ein Verbinden mittels Polymerisation oder Polykondensation handeln.
Vorzugsweise ist der zweite Fluidbehälter rohrförmig zum Beispiel als Schlauch wie die Befüllungsleitung oder Aspirationsbelüftungsleitung ausgebildet, wodurch eine kostengünstige und einfach zu realisierende Lösung erreicht wird. Der Schlauch bietet ferner den Vorteil, dass er nicht nur in einem begrenzten Bereich, sondern entlang seines gesamten Umfangs elastisch verformbar ist. Besonders bevorzugt sind mindestens ein Teil der Befüllungsleitung, der zweite Fluidbehälter und mindestens ein Teil der Aspirationsbelüftungsleitung einstückig ausgebildet, so dass eine einfache Montage in einer Kassette erreicht wird.
Weist die Irrigationsleitung ein Irrigationsventil auf, kann dieses in eine solche Stellung gebracht werden, dass die Irrigationsleitung unterbrochen ist. Ist das Irrigationsventil in der Irrigationsleitung zwischen Handstück und Befüllungsleitung angeordnet, lässt sich ein Befüllen des zweiten Fluidbehälters mit Fluid aus dem ersten Fluidbehälter mittels der Befüllungsleitung besonders schnell durchführen. Da zu Beginn einer Operation das Irrigationsventil geschlossen ist, befüllt sich bedingt durch den hydrostatischen Druck in der Irrigationsleitung zuerst der zweite Fluidbehälter. Außerdem treten beim Befüllen des zweiten Fluidbehälters und geschlossenem Irrigationsventil keine Druckschwankungen in dem Teil der Irrigationsleitung auf, der zwischen Irrigationsventil und Handstück angeordnet ist. Somit ist sichergestellt, dass während des Befüllens des zweiten Fluidbehälters im Auge keine Druckschwankungen induziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist Fluid von der Aspirationsbelüftungsleitung am Boden oder in der Nähe des Bodens des zweiten Fluidbehälters ableitbar. Dies stellt sicher, dass stets die maximale verfügbare Menge an Belüftungsfluid zur Verfügung gestellt werden kann und bei gefülltem Behälter zudem keine Luft in die Aspirationseingangsleitung zugeführt wird.
Vorzugsweise erfasst der Drucksensor den Fluiddruck in der Aspirationsleitung nahe am Handstück. Damit ist es möglich, dass bei einem Okklusionsdurchbruch aufgrund der kurzen Wegstrecke von Handstückspitze zu Drucksensor die Druckänderung schnell erfasst und somit eine Ansteuerung des Belüftungsventils schnell erfolgen kann. Besonders schnell ist eine Belüftung erreichbar, wenn der Drucksensor den Fluiddruck in der Aspirationsleitung innerhalb des Handstückes, vorzugsweise in der Nähe der Handstückspitze, erfasst.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Steuerung von Fluid beim Belüften einer Aspirationseingangsleitung in einem wie vorstehend beschriebenen chirurgischen System gelöst, wobei unmittelbar oder zeitlich verzögert nach Erreichen eines vorbestimmten Vakuumdruckes in der Aspirationseingangsleitung das Belüftungsventil so geschaltet wird, dass vom zweiten Fluidbehälter Fluid von der Aspirationsbelüftungsleitung zur Aspirationseingangsleitung zugeführt wird, und der zweite Fluidbehälter mit Irrigationsfluid vom ersten Fluidbehälter befüllt wird, wobei das Irrigationsfluid durch das Strömungselement in der Befüllungsleitung hindurchfließt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen erklärt, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des chirurgischen
Systems gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung der Ausführungsform des chirurgischen Systems gemäß der Erfindung,
Fig. 3 A -3 C schematische Darstellungen von mehreren zweiten Fluidbehältern in einem chirurgischen System gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Fluidschwingungsverlaufes im Auge in
Abhängigkeit von der Zeit gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Fluidschwingungsverlaufes im Auge in
Abhängigkeit von der Zeit gemäß der Erfindung, Fig. 6 ein Diagramm der Schwingungsdämpfung in Abhängigkeit vom hydraulischen Widerstand des Strömungselementes, und
Fig. 7 eine Tabelle mit den wichtigsten Kenngrößen der Komponenten des chirurgischen Systems gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen chirurgischen Systems 1 gezeigt. In einem ersten Fluidbehälter 2 ist ein Irrigationsfluid 21 enthalten, welches über eine Irrigationsleitung 3 durch ein Handstück 40 zu einem zu behandelnden Auge 50 geleitet werden kann. Bei dem Handstück 40 kann es sich um ein Handstück zur Phakoemulsifikation handeln, bei dem eine vibrierende Spitze 5 eine getrübte Linse des Auges 50 emulsifiziert und die zertrümmerten Linsenfragmente abgesaugt werden. Ein Irrigationsventil 4, welches bei der Darstellung in Fig. 1 als 2- Wege- Ventil gezeigt ist, erlaubt einen Durchlass oder ein Sperren des Irrigationsfluides in Richtung zum Handstück 40. Von der Spitze 5 verläuft eine Aspirationsleitung 6 zu einem Ende des Handstückes 40, um emulsifizierte Linsenteile und Fluid aus dem Auge 50 abzutransportieren. Der Abtransport wird durch eine Saugpumpe 8 verursacht, welche an ihrem Eingang 9 über eine Aspirationseingangsleitung 7 mit dem Handstück 40 verbunden ist. Ein Fluiddruck in der Aspirationseingangsleitung 7 wird durch einen Drucksensor 11 erfasst, der bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zwischen dem Eingang 9 der Saugpumpe 8 und dem Handstück 40 angeordnet ist. Der Drucksensor 11 kann in einer Kassette 60 angeordnet sein. Vorzugsweise ist er aber in der Nähe des Handstückes 40 vorgesehen, so dass eine Druckänderung im Bereich der Spitze 5 nach kurzer Wegstrecke durch das Handstück 40 detektiert werden kann. Eine noch schnellere Detektion einer Druckänderung wird erreicht, wenn der Drucksensor 11 den Fluiddruck in der Aspirationsleitung 6 innerhalb des Handstückes 40 erfasst. Die Aspirationsleitung 6 kann in diesem Fall als vorderer Abschnitt der Aspirationseingangsleitung 7 verstanden werden.
Die Saugpumpe 8 leitet die Linsengfragmente und Fluid an ihrem Ausgang 10 durch eine Aspirationsausgangsleitung 12 in einen Sammelbehälter 13 weiter.
An die Aspirationseingansgleitung 7 ist eine Aspirationsbelüftungsleitung 14 angeschlossen, welche mit einem zweiten Fluidbehälter 15 verbunden ist. In dem zweiten Fluidbehälter 15 ist ein Fluid 22 enthalten, welches bei entsprechender Stellung eines in der Aspirationsbelüftungsleitung 14 vorgesehenen 2- Wege-Belüftungsventils 17 in die Aspirationseingangsleitung 7 zugeführt werden kann. Tritt innerhalb der Aspirationsleitungen 6 oder 7, zum Beispiel am distalen Ende der Aspirationsleitung im Bereich der Spitze 5 eine Verstopfung (Okklusion) durch zu große Linsenfragmente auf, so dass ein Absaugen durch die Aspirationsleitungen 6 und 7 blockiert ist, baut sich in diesen Leitungen ein Vakuumdruck auf. Dieser Druck kann mit dem Drucksensor 11 erfasst werden. Wenn dieser Druck eine vorbestimmte Zeit anliegt, wird, um einen Augenkollaps zu vermeiden, durch eine Steuerung 70 das Belüftungsventil 17 so angesteuert, dass Fluid 22 vom zweiten Fluidbehälter 15 in die Belüftungsleitung 14 und von dort in die evakuierte Aspirationseingangsleitung 7 gelangt.
Der zweite Fluidbehälter 15 ist mit einem Fluid 22 befüllt, welches bei der in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsform durch eine Befüllungsleitung 18 zugeführt wird. In der Befüllungsleitung 18 ist ein Strömungselement 19 als hydraulischer Widerstand vorgesehen, welches den Fluiddurchgang begrenzt. Die Befüllungsleitung 18 ist an einem Ende 30 mit der Irrigationsleitung 3 verbunden, so dass Fluid 21 in die Befüllungsleitung 18 gelangen kann. Das andere Ende 31 der Befüllungsleitung 18 ist mit dem zweiten Fluidbehälter 15 verbunden, so dass Fluid 21 durch das Strömungselement 19 in den zweiten Fluidbehälter 15 eindringen kann.
Um ein Befüllen der Aspirationseingangsleitung 7 durch ein Entleeren des zweiten Fluidbehälters 15 zu ermöglichen, muss ein Druckausgleich innerhalb des Behälters vorgesehen werden. Dies erfolgt derart, dass durch das Strömungselement 19 Fluid in den zweiten Fluidbehälter 15 nachströmt. Der Druckausgleich wird unterstützt, wenn eine Wandung des zweiten Fluidbehälters 15 mit mindestens einem elastisch verformbaren Bereich versehen ist, siehe zum Beispiel Fig. 3A bis 3C. Bei diesem elastisch verformbaren Bereich kann es sich um einen flexiblen Deckel auf einem starren Fluidbehälter 15 oder um eine flexible Seitenwand handeln. Ferner ist es möglich, dass der gesamte zweite Fluidbehälter 15 elastisch verformbar ausgebildet ist, zum Beispiel als Schlauch oder Beutel. Wird nach Schalten des Belüftungsventils 17 in eine geöffnete Position das Fluid 22 vom zweiten Fluidbehälter 15 in die Aspirationsbelüftungsleitung 14 transportiert, kann sich der elastisch verformbare Bereich des zweiten Fluidbehälters 15 zusammenziehen, wodurch das Fluidvolumen innerhalb des zweiten Fluidbehälters 15 etwas verringert wird. Aufgrund der direkten Verbindung zwischen dem zweiten Fluidbehälter 15 und der Befüllungsleitung 18 fließt dann Irrigationsfluid 21 durch das Strömungsventil 19 in den zweiten Fluidbehälter 15 nach, so dass dieser wieder mit sterilem Irrigationsfluid 22 gefüllt wird.
In Fig. 3 A bis 3C sind mehrere Formen eines zweiten Fluidbehälters 15 mit mindestens einem elastisch verformbaren Bereich dargestellt. Die Fluidbehälter 15 sind rohrförmig ausgebildet, wobei eine direkte Verbindung mit der Befüllungsleitung 18 und der
Belüftungsleitung 14 besteht. Die Verbindung kann durch mechanische oder chemische Verbindungsmittel oder durch ein thermisches Verbindungsverfahren erzielt werden. Bei der in Fig. 3 A dargestellten Form sind die Befüllungsleitung 18, der zweite Fluidbehälter 15 und die Belüftungsleitung 14 einstückig ausgebildet. Der zweite Fluidbehälter 15 stellt somit einen im Durchmesser geweiteten Mittelabschnitt der Leitungen 18 und 14 dar. Bei der in Fig. 3 B dargestellten Form handelt es sich bei dem zweiten Fluidbehälter 15 um ein Schlauchstück mit an den Enden verjüngten Durchmessern, welche mit den Leitungen 18 und 14 verbunden sind, während bei der in Fig. 3 C dargestellten Form ein zusätzlicher Schlauch mit zugehörigen Reduzierstücken 32 vorgesehen ist. Die Fertigung der Fluidbehälter 15 kann zum Beispiel durch Extrusion, Blasformen oder ein Spritzgussverfahren erfolgen.
Wird Fluid 22 in die Belüftungsleitung 14 abgeführt, kann sich bei einem zweiten Fluidbehälter 15 jeweils der Durchmesser im mittleren Bereich verringern, siehe gestrichelte Linien in Fig. 3 A bis 3C.
Da das Strömungsventil 19 einen relativ hohen hydraulischen Widerstand im Vergleich zur Irrigationsleitung 3 oder Aspirationseingangsleitung 7 aufweist, wird eine aufgrund des schlagartigen Entleerens des zweiten Fluidbehälters 15 entstehende Fluidschwingung in der Befüllungsleitung 18 und der daran anschließenden Irrigationsleitung 3 und somit auch dem Auge 50 signifikant gedämpft. In Fig. 4 ist im oberen Diagramm ein Schwingungsverlauf des Intraokulardruckes im Auge in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einem System nach dem Stand der Technik dargestellt. Das darunter dargestellte Diagramm zeigt den zugehörigen Aspirationsdruck, wobei dieser während eines Druckausgleiches von -700 mm Hg sehr schnell auf nahezu 0 mm Hg ansteigt. Das „schlagartige" Belüften, auch Reflux genannt, der Aspirationseingangsleitung 7 mit Irrigationsfluid 22 ist in dem untersten Diagramm von Fig. 4 als Sprungfunktion von 0 auf 1 dargestellt. Die Anfangsamplitude der Schwingung ist mit AQ bezeichnet. In Fig. 5 ist im Vergleich dazu das instantane Umschalten auf eine Belüftung mit Irrigationsfluid 22 (unterstes Diagramm), der Verlauf des Druckes in der Aspirationseingangsleitung 7 (mittleres Diagramm) und der zugehörige Verlauf des Intraokulardruckes (oberstes Diagramm) dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass die Anfangsamplitude A^ erheblich geringer ausfällt als bei einem chirurgischen System nach dem Stand der Technik, siehe Fig. 4. Die Dämpfung beträgt bei den gewählten Parametern etwa 75 %, so dass die Gefahr eines Augenkollaps oder einer Beschädigung des Kapselsackes nicht mehr gegeben ist.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit einer Kurvenschar, wobei auf der Ordinate die Dämpfung beim Belüften mit dem erfindungsgemäßen System und auf der Abszisse der Widerstand des Strömungselementes aufgetragen ist. Folgende Aussagen lassen sich aus Fig. 6 ableiten:
- Je höher die hydraulische Kapazität des zweiten Fluidbehälters 15 ist, umso höher ist bei konstantem hydraulischen Widerstand des Strömungselementes 19 auch die Dämpfung der Fluidschwingung im Auge.
Je höher der hydraulische Widerstand des Strömungselementes bei konstanter hydraulischer Kapazität des zweiten Fluidbehälters ist, umso höher ist die Dämpfung der Fluidschwingung im Auge.
Die Dämpfung ist um Faktor 2 höher, wenn bei einem hydraulischen Widerstand von 0,5 mmHg /(ml/min) die hydraulische Kapazität von 0,02 (ml/min)/(mmHg/s) um den Faktor 10 auf 0,2 (ml/min)/(mmHg/s) erhöht wird.
Die technischen und mathematischen Zusammenhänge für die optimale Auslegung des erfindungsgemäßen chirurgischen Systems sind mittels eines hydraulischen Simulationsmodells nachfolgend detailliert aufgeführt. In Fig. 2 ist das zugrunde gelegte Modell mit Symbolen aus der Elektrotechnik dargestellt, wobei die Darstellung aus Fig. 1 abgeleitet ist. Das Handstück 40, das Auge 50 und die Kassette 60 sind als Block dargestellt. Das Modell in Fig. 2 weist hydraulische Widerstände, hydraulische Kapazitäten und hydraulische Induktivitäten auf. Diese lassen sich wie folgt beschreiben: • Hydraulischer Widerstand R^
Der hydraulische Widerstand Rh einer Leitung kann bei laminarer Rohrströmung nach dem Hagen-Poiseuille' sehen Gesetz bestimmt werden zu:
Figure imgf000014_0001
Der Innenradius r einer Rohr- bzw. Schlauchleitung geht bei der Berechnung des Rh mit dem Kehrwert der vierten Potenz ein. Die Länge / der Leitung sowie die dynamische
Viskosität η der Flüssigkeit gehen dabei jeweils linear in die Berechnung des Rh ein. Der hydraulische Widerstand einer Leitung charakterisiert den Druck, der zur Beförderung eines Fluid- Volumenstromes aufgebracht werden muss. Die Einheit des hydraulischen Widerstandes kann z.B. in [mmHg/(ml/min)] ausgedrückt werden.
• Hydraulische Induktivität Lh
Eine hydraulische Leitung besitzt eine Induktivität Zh- Die hydraulische Induktivität charakterisiert die dynamische Druckänderung auf Grund der Massenträgheit des zu beschleunigenden Fluidvolumens. Sie kann nach folgender Formel bestimmt werden:
L - B±
Die Dichte p des Fluides bestimmt mit der Leitungslänge / sowie mit dem inneren Leitungsquerschnitt A die hydraulische Induktivität Lh, deren Einheit in [mmHg*s /(ml/min)] ausgedrückt werden kann.
• Hydraulische Kapazität Ch
Die hydraulische Kapazität charakterisiert eine Volumenänderung eines Fluides bei sich änderndem Fluiddruck. Die hydraulische Kapazität Ch kann über die elastischen Eigenschaften des Schlauch- bzw. Wandungsmaterials der Leitungen Ewandung nach folgender Gleichung bestimmt werden:
V - 2 - r
^Wandung ' "
VQ bezeichnet dabei das durch die Leitung umschlossene Fluidvolumen. Die Wandstärke h der Leitungswandung sowie der Innenradius r der Leitung und der Ε-Modul der elastischen Wandung Ewandung bestimmen die kapazitiven Eigenschaften der elastischen Leitung. Bei einem weichen Silikonschlauch geht man von einem Elastizitätsmodul von EweiCh = 1 MPa aus, ein harter PVC bzw. Silikonschlauch wird mit einem E-Modul von Ehan = 3 MPa beschrieben. Die hydraulische Kapazität hat die mögliche Einheit [(ml/min) / (mmHg/s)].
Ausgehend von der hydraulischen Kapazität Cn und hydraulischen Induktivität Zn einer elastischen Leitung kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Druckwellen in einer solchen Leitung nach folgender Formel bestimmt werden:
Figure imgf000015_0001
Die Einheit der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit bzw. Phasengeschwindigkeit ist [m/s].
Für einen Aspirationsschlauch mit einem Innenradius r = 0.9 mm, welcher aus PVC gefertigt ist und einen E-Modul von Ewandung = 3 MPa und eine Wandstärke h = 1 mm aufweist, führt dies mit den vorab genannten Bestimmungsgleichungen zu einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit c = 40,8 m/s. Der Ε-Modul des elastischen Wandungsmaterials bestimmt dominant diese Phasengeschwindigkeit c der Druckwelle.
Die Ausbreitung einer eindimensionalen Welle kann mit der partiellen Differentialgleichung 2. Ordnung beschrieben werden. Sie wird Wellengleichung bzw. d'Alembert-Gleichung genannt, wobei folgender Zusammenhang gilt:
d2p 2 d2p Die Lösung der hyperbolischen Wellengleichung kann mittels numerischer Verfahren wie z.B. dem Charakteristikenverfahren durchgeführt werden. Hierfür eignet sich zum Beispiel die Software Matlab/Simulink der Firma Mathworks.
Um den Druckverlauf im Auge und in der Aspirationseingangsleitung zu berechnen, ist die Annahme einiger Zahlenwerte erforderlich. Sie sind anhand von Eperimenten an Modellaugen bestimmt und verifizert worden. Für das Auge wurde eine hydraulische Kapazität von Ch = 50 (μl/min)/(mmHg/s) ermittelt, welches 0,83 μl/mmHg entspricht. Als hydrostatischer Druck aus der Flasche wurde/? = 30 mmHg angegeben.
Wenn die Aspirationsleitung auf -700 mm Hg evakuiert ist (vorgespannt ist), wird eine bestimmte Menge an Fluidvolumen benötigt, um die Leitung auf das atmosphärische Niveau auszugleichen. Für die Berechnung der hydraulischen Kapazität CASP der Aspirationseingangsleitung 7 werden folgende Beträge verwendet:
Figure imgf000016_0001
Damit berechnet sich hydraulischen Kapazität CASP der Aspirationseingangsleitung 7 wie folgt:
Vo - 2 - r π - 0.92 - 2 - 2 - 0.9 - 60 - μl - s
' ASP = 24.427 (////min) /{mmHg I s)
^WandungASP ' " 760
3 - 106 0.001 mmHg • min 101325
Bei einer Vorspannung von -700 mm Hg Vakuum ergibt dies ein Ausgleichsvolumen von 24,427 μl/60 * 700 mm Hg = 0,23 ml, um den Druck in der Aspirationseingangsleitung 7 abzubauen. Die hydraulische Kapazität C1, des zweiten Fluidbehälters 15 wird deshalb vorzugsweise gleich oder als ein Mehrfaches der Aspirationsleitungskapazität CASP ausgelegt. Die hydraulische Kapazität des zweiten Fluidbehälters 15 kann zum Beispiel durch eine kleine elastische Schlauchleitung mit den folgenden Beträgen realisiert werden:
Figure imgf000017_0002
Die hydraulische Kapazität C^ berechnet sich dann wie folgt:
V0 - 2 - r π - 2.02 0.020 - 2 - 2.0 - 60 - μl - s
C1. = = 80.41 (////min) /{mmHg I s)
^Wandung ' " 760
0.2 • 10 - 0.0005 - • mmHg ■ min
101325
Der hydraulische Widerstand R^ des Strömungselementes 19 kann vorteilhaft in einfacher Weise durch einen engen Leitungsquerschnitt erzielt werden. Bei der Vorgabe von Rh = 4 mmHg/(ml/min) führt dies zu folgender Berechnung:
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000017_0001
Für eine Länge des Strömungselementes von 1 = 20 mm erhält man bei einem Widerstand von Rh = 4 mmHg/(ml/min) somit für das Strömungselement einen Leitungs- Innendurchmesser d = 0.4 mm.
Für die Simulation wurde als Ausgangssituation angenommen, dass das Handstück in der Aspirationsleitung verstopft (okkludiert) ist und die Pumpenförderung unterbrochen ist. Der Vakuumdruck in der evakuierten Aspirationsleitung beträgt - 700 mm Hg. Dann erfolgt eine Öffnung des Belüftungsventils 17, so dass ein Druckausgleich der Aspirationsleitung stattfindet. Die dabei entstehenden Druckschwingungen des Fluids in der Aspirationsleitung und im Auge werden in der Amplitude und in Abhängigkeit von der Zeit berechnet und so lange verfolgt, bis sie abgeklungen sind.
Fig. 5 zeigt den Verlauf bei einem chirurgischen System nach dem Stand der Technik, bei dem kein hydraulischer Widerstand in der Befüllungsleitung und keine hydraulische Kapazität zwischen Befüllungsleitung und Belüftungsleitung angeordnet ist, sondern lediglich ein Belüftungsventil für einen Druckausgleich zwischen Irrigationsleitung und Aspirationsleitung vorhanden ist. Nach dem Öffnen des Ventils steigt der Druck in der Aspirationseingangsleitung 7 von -700 mm Hg sehr schnell bis auf nahezu 0 mm Hg an, siehe mittleres Diagramm. Wenige Zehntelsekunden später wird die somit verursachte Druckschwingung in der Irrigationsleitung im Auge wirksam, wobei die Schwingung eine Anfangsamplitude AQ besitzt, siehe oberes Diagramm. Fig. 6 zeigt die gleiche Situation, jedoch bei dem erfindungsgemäßen chirurgischen System mit den oben berechneten Werten. Der Druck in der Aspirationseingangsleitung ist erst nach etwa 0,6 Sekunden stabil und auf 0 mm Hg angestiegen, siehe mittleres Diagramm. Die Druckschwingung im Auge fällt aber erheblich geringer aus als bei dem System nach dem Stand der Technik. Wie aus dem oberen Diagramm zu erkennen ist, erreicht die Amplitude A& nur etwa 25 % von der Höhe der Amplitude Ao-
Die Dämpfung a lässt sich beschreiben als der 1 Ofache Briggsschen Logarithmus aus dem Verhältnis der gedämpften Anfangsamplitude A^, wie sie bei dem erfindungsgemäßen chirurgischen System erreicht wird, und der Anfangsschwingungsamplitude AQ der völlig ungedämpften Schwingung bei einem System nach dem Stand der Technik:
Figure imgf000019_0001
Bei einer hydraulischen Kapazität des zweiten Fluidbehälters von z.B. Ch > 50 (μl/min)/(mmHg/s) und einem hydraulischen Widerstand des Strömungselementes von Ry1 > 2 mmHg/(ml/min) ist gemäß Fig. 6 eine deutliche Dämpfungswirkung von a > 6 dB erreichbar.
Die Tabelle in Fig. 7 zeigt die Grunddaten für die Hydraulik-Simulation. Die charakteristischen Kenngrößen und die hydraulischen Eigenschaften sind dabei für jedes Element dargestellt. Die Irrigationsleitung 3 ist dabei aufgeteilt in einen „BSS-Schlauch" von dem ersten Fluidbehälter 2 bis zum Knotenpunkt mit der Befüllungsleitung 18 und einen „IRR-Schlauch" von dem Knotenpunkt zum Eingang des Handstückes 4. Die Irrigationsleitung im Handstück ist mit „IRR Handstück" bezeichnet, wobei die Aspirationsleitung im Handstück mit „ASP Handstück" bezeichnet ist. Diese beiden
Leitungsabschnitte weisen nur einen hydraulischen Widerstand auf, siehe auch Fig. 2. Die Incision (Einstich der Nadel in das Auge) wird durch einen hydraulischen Widerstand „EYE R" und das Auge durch eine hydraulische Kapazität „EYE C" charakterisiert. Die Aspirationseingangsleitung vom Handstück bis zur Pumpe ist mit „ASP Schlauch" bezeichnet. Mit diesen in Fig. 7 aufgeführten Werten wurde die Berechnung für die
Simulation der Druckschwingungen im Auge und in der Aspirationseingangsleitung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, durchgeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Chirurgisches System (1) zur Steuerung eines Fluides, aufweisend:
- eine Irrigationsleitung (3), welche an einem Ende mit einem ersten Fluidbehälter (2) zur Aufnahme von Irrigationsfluid (21) und an einem anderen Ende mit einem chirurgischen Handstück (40) verbunden ist,
- eine Aspirationseingangsleitung (7), welche vom chirurgischen Handstück (40) zu einem Eingang (9) einer Saugpumpe (8) so vorgesehen ist, dass sich von der Saugpumpe (8) Fluid durch das Handstück (40) saugen lässt, - einen zweiten Fluidbehälter (15) zur Aufnahme des Irrigationsfluids (22),
- eine Aspirationsbelüftungsleitung (14), welche den zweiten Fluidbehälter (15) mit der Aspirationseingangsleitung (7) verbindet,
- ein Belüftungsventil (17), welches in der Aspirationsbelüftungsleitung (14) vorgesehen ist und sich in Abhängigkeit von einem Fluiddruck in der Aspirationseingangsleitung (7) schalten lässt,
- wobei der zweite Fluidbehälter (15) durch eine Befüllungsleitung (18) befüllbar ist, wobei die Befüllungsleitung (18) an einem Ende (30) mit der Irrigationsleitung (3) verbunden ist, und wobei die Befüllungsleitung ein Strömungselement (19) mit einem konstanten hydraulischen Widerstand, der zwischen 0,5 und 50,0 mmHg/(ml/min) beträgt, aufweist.
2. System (1) nach Anspruch 1, wobei das Strömungselement (19) bei einer dynamischen Viskosität (η) des Fluids mit einem Betrag von 0,001 Ns/m2 eine von der Strömung passierte Länge (I) mit einem Betrag kleiner als 100 mm bei einem hydraulischen Radius (r;) mit einem Betrag kleiner als 1 ,0 mm aufweist.
3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Strömungselement als
Leitung, Kanal, Bohrung oder Blende ausgebildet ist.
4. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Fluidbehälter (15) eine hydraulische Kapazität (Ch) in einem Bereich von 0,05 bis 0,2 (ml/min)/(mmHg/s) besitzt.
5. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die hydraulische
Kapazität (Ch) des zweiten Fluidbehälters (15) mindestens gleich und bevorzugt mehr als das Doppelte der hydraulischen Kapazität (Ch) der Aspirationseingangsleitung (7) ist.
6. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Befüllungsleitung (18) an einem anderen Ende (31) mit dem zweiten Fluidbehälter (15) durch ein mechanisches oder chemisches Verbindungsmittel oder durch eine Verbindung auf der Basis eines thermischen Verbindungsverfahrens gekoppelt ist.
7. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Fluidbehälter (15) rohrförmig ausgebildet ist.
8. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der Befüllungsleitung (18), der zweite Fluidbehälter (15) und mindestens ein Teil der Aspirationsbelüftungsleitung (14) einstückig ausgebildet sind.
9. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Irrigationsleitung (3) ein Irrigationsventil (4) aufweist.
10. System (1) nach Anspruch 9, wobei das Irrigationsventil (4) in der Irrigationsleitung (3) zwischen Handstück (40) und Befüllungsleitung (18) angeordnet ist.
11. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei von der Aspirationsbelüftungsleitung (14) am Boden oder in der Nähe des Bodens des zweiten Fluidbehälters (15) das Fluid (22) ableitbar ist.
12. System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Drucksensor (1 1) den Fluiddruck in der Aspirationsleitung (6, 7) nahe am Handstück (40) erfasst.
13. System (1) nach Anspruch 12, wobei der Drucksensor (11) den Fluiddruck in der Aspirationsleitung (6) innerhalb des Handstückes (40), vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Handstückspitze (5), erfasst.
14. Verfahren zur Steuerung von Fluid beim Belüften einer Aspirationseingangsleitung (7) in einem chirurgischen System (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei unmittelbar oder zeitlich verzögert nach Erreichen eines vorbestimmten Vakuumdruckes in der Aspirationseingangsleitung (7) das Belüftungsventil (17) so geschaltet wird, dass vom zweiten Fluidbehälter (15) Fluid von der
Aspirationsbelüftungsleitung (14) zur Aspirationseingangsleitung (7) zugeführt wird, und der zweite Fluidbehälter (15) mit Irrigationsfluid (21) vom ersten Fluidbehälter (2) befüllt wird, wobei das Irrigationsfluid (21) durch das Strömungselement (19) in der Befüllungsleitung (18) hindurchfließt.
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