WO2013107532A1 - Sonotrode - Google Patents

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WO2013107532A1
WO2013107532A1 PCT/EP2012/071053 EP2012071053W WO2013107532A1 WO 2013107532 A1 WO2013107532 A1 WO 2013107532A1 EP 2012071053 W EP2012071053 W EP 2012071053W WO 2013107532 A1 WO2013107532 A1 WO 2013107532A1
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sonotrode
shaft
helical
recess
instrument head
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PCT/EP2012/071053
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Abtin Jamshidi RAD
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Söring GmbH
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Publication date
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Priority to EP12779039.2A priority patent/EP2760352B1/de
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    • A61B17/1604—Chisels; Rongeurs; Punches; Stamps
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49005—Acoustic transducer

Definitions

  • the invention relates to a sonotrode for an ultrasound surgical instrument with a shaft and an instrument head at the distal end of the shaft.
  • the instrument head is equipped with a cutting structure for processing bones.
  • On the shaft a helical recess is formed.
  • the invention also relates to a method for producing such a sonotrode.
  • Such sonotrodes can be used, for example, in dentistry to sever or remove bone material from the patient.
  • an ultrasonic transducer With an ultrasonic transducer, a high-frequency mechanical vibration is generated.
  • the sonotrode is connected to the ultrasonic transducer and is vibrated by the ultrasonic transducer. When the cutting structure of the sonotrode is brought into contact with the bone, bone material is removed by the high-frequency vibration.
  • the helical recesses cause the shaft to twist when the longitudinal vibration of the ultrasound transducer acts on the proximal end of the shaft. As a result, the instrument head is excited at the distal end of the shaft to a torsional vibration. In general, the greater the amplitude of the torsional vibration, the deeper and the wider the helical recesses engage in the material of the shaft. However, it is not possible to arbitrarily increase the amplitude of the torsional vibration in this way, because the shaft must not be weakened too much by the recesses.
  • the invention is based on the object to present a sonotrode and an associated manufacturing method, so that an effective processing of the bone is achieved. Based on the above-mentioned prior art, the object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous embodiments can be found in the subclaims.
  • the heiixförmige recess of the shaft is provided with a transverse paragraph.
  • a shoulder in the hollow-shaped recess can be produced by intervening deeper in the material of the shaft in a region of the helical recess than in an adjacent region of the helical recess.
  • the transition between the two areas is called a paragraph.
  • the helical recess has a longitudinal extent that winds around the shaft.
  • the paragraph according to the invention is oriented transversely to the longitudinal extent, thus enclosing an angle with the longitudinal extent.
  • the heel may extend over the entire width of the helical recess. It is also conceivable that the shoulder extends only over part of the width of the helical recess.
  • the invention has recognized that by a transverse step in the helical recess, the amplitude of
  • Torsional vibration is amplified at the distal end of the shaft.
  • the instrument head at the distal end of the shaft is thus placed in an intense torsional vibration, which allows effective editing of the bone material.
  • the reason for the increased amplitude is probably that the paragraph forms a kind of singularity for the power transmission within the shaft. There is a break in the transmission which, as a result, results in increased torsional vibration at the distal end of the shaft.
  • the shoulder may include an angle of 90 ° with the longitudinal expansion of the helical recess. It has proved to be particularly effective when the angle deviates from 90 °.
  • the angle between the heel and the longitudinal extent of the helical may be between 10 ° and 80 °, preferably between 30 ° and 60 °.
  • the shoulder may have an edge that extends transversely to the helical recess.
  • the edge can extend in a straight line over the entire width of the helical recess.
  • it is advantageous for the effect according to the invention if the edge extends in a straight line over only a portion of the width of the helical recess and is then interrupted. Interruption of the edge in this context means that the edge does not continue in a straight line in the same direction.
  • the amplitude of the vibration at the distal end of the shaft can be further increased if the helical recess a Has a plurality of paragraphs with the mentioned features.
  • the paragraphs can extend parallel to each other. With the longitudinal axis of the sonotrode, the paragraphs can include an angle of 90 °.
  • the helical recess may be composed of a plurality of cutouts, wherein the paragraphs are formed at the transition from a cutout to the next cutout.
  • a helical recess may for example comprise between eight and twelve cutouts. The cutouts can be aligned transversely to the longitudinal extent of the helical recesses.
  • the cut-outs can be produced, for example, by first cutting a cutter into the shaft and then moving it out of the material of the shaft to the side (that is, perpendicular to the axis of the cutter and perpendicular to the axis of the sonotrode). Each cutout then has a wall with a rounded contour at one end, while at the other end it goes straight into the base of the shaft.
  • the milling cutter can first be moved a distance parallel to the longitudinal axis before the movement begins transversely to the longitudinal axis.
  • an identical cut-out can be achieved by reversing the movement of the milling cutter. For a total of a helical recess is formed, the shaft between the one cutout and the next cutout can be moved parallel to its longitudinal axis and rotated about the longitudinal axis, while the cutter maintains its original position.
  • the sonotrode may have a plurality of helical recesses with the described features.
  • the plurality of helical recesses is preferably arranged in the same longitudinal section of the shaft.
  • the helical recesses can be interlaced so that together they form a helical structure.
  • the helical recesses may extend for example over a length between 8 mm and 15 mm of the shaft. In the circumferential direction, the helical recess may extend for example over an angle of 180 °.
  • the diameter of the shaft may for example be between 5 mm and 8 mm.
  • the angle between the longitudinal extent of the helical recess and the longitudinal axis of the sonotrode can be between 30 ° and 60 °.
  • the sonotrode may have a length between, for example, 6 cm and 18 cm from the proximal end to the distal end.
  • the sonotrode may be configured to extend straight from the proximal end to the distal end.
  • the sonotrode is preferably tuned to the ultrasonic transducer of the associated ultrasonic surgical instrument that forms a node in the central region of the sonotrode when the instrument is in operation with the sonotrode.
  • the helical recess is preferably arranged between the vibration node and the proximal end of the sonotrode. This means that the helical recess, as seen from the proximal end, is preferably arranged in the first half, more preferably in the first third of the sonotrode.
  • the advantages of the invention can therefore be particularly beneficial when extending in the interior of the shaft aligned parallel to the longitudinal axis of the sonotrode channel.
  • the channel can be For example, have a diameter between 0.5 mm and 1.5 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the helical recess has the effect that a force which acts at the proximal end of the sonotrode in the longitudinal direction is partially converted into a rotational movement.
  • the vibration of the instrument head at the distal end of the sonotrode is thus a superposition of a vibration in the longitudinal direction and a torsional vibration.
  • the longitudinal vibration has a large amplitude. This can be achieved by providing the sonotrode with a cross-sectional taper in the region between the hollow-shaped recess and the instrument head.
  • the processing of bone material can be further improved if, in addition to the longitudinal vibration and the torsional vibration, further directions of movement are superimposed in the instrument head.
  • This can be achieved in that the instrument head has an asymmetrical shape with respect to the longitudinal axis of the sonotrode. Viewed from the proximal end of the instrument head then forms a kind of imbalance, which means that the instrument head also performs a movement in the radial direction.
  • the chips removed by the bone are rapidly removed from the surgical field. If the chips remained in the surgical field, they would act as a kind of heat storage and increase the heat on the surrounding tissue.
  • the instrument head performs a pitching motion in itself.
  • the instrument head then acts like a shovel, which removes the chips.
  • Such a pitching movement can cause the instrument tenkopf be provided by the distal end face of the Soothrode is provided with a blind hole.
  • the diameter of the blind bore may for example be 0.2 mm to 0.3 mm.
  • the length of the blind bore may for example be between 1.2 mm and 1.8 mm.
  • the feature of the blind bore has independent inventive content, even without the shaft is provided with a helical recess.
  • the blind bore may extend parallel to the longitudinal axis of the sonotrode and have a distance from the central axis of the sonotrode.
  • the blind bore is arranged in the region between the central axis and the cutting structure.
  • the end face is provided with two such blind holes.
  • Such blind holes also have the effect of optimizing the vibration profile to reduce the feedback of forces from the instrument head to the ultrasonic transducer, thus preventing overloading of the ultrasonic transducer.
  • the invention also relates to a surgical instrument having an ultrasonic transducer and a sonotrode connected to the ultrasonic transducer according to the invention.
  • the instrument may be provided with a supply line via which a liquid can be supplied to the channel inside the shaft. Additionally or alternatively, the supply line can be designed so that a liquid is passed along the outside of the sonotrode.
  • the invention also relates to a method for producing such a sonotrode.
  • the method provides a sonotrode intermediate comprising a stem and an instrument head at the distal end of the stem.
  • a plurality of cut-outs are produced in the shaft.
  • Two each Cut-outs are adjacent to each other in such a way that a shoulder is formed at the transition of the cut-outs.
  • the adjacent recesses are each offset relative to each other both in the longitudinal direction of the sonotrode and in the circumferential direction, so that the cut-outs in their sum form a helical recess.
  • the cutouts may extend parallel to each other, wherein in each case the largest extent of the cutout forms a right angle with the longitudinal axis of the sonotrode.
  • the milling cutter initially pierces the shaft in the radial direction and is then guided out of the material of the shaft in the lateral direction. The movement of the milling cutter can also be reversed.
  • the cutter may for example have a diameter between 0.5 mm and 1.5 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the greatest depth of the recess, so the largest distance that the cutter penetrates from the surface of the shaft into the material for example, between 0.5 mm and 1.5 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the method can be developed with further features which have been described above with reference to the sonotrode according to the invention.
  • the invention also relates to a sonotrode obtainable by the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a side view of an ultrasonic surgical instrument according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of a sonotrode according to the invention
  • FIG. 3 shows a detail of Figure 2 in an enlarged view.
  • Fig. 4 a detail of Fig. 2 in an enlarged view and from another perspective.
  • An ultrasound surgical instrument in Fig. 1 comprises at its rear end a handle 14 over which the surgeon can guide the instrument.
  • a non-visible in Fig. 1 ultrasonic transducer is arranged, which receives as an input signal, an electrical AC signal from a signal generator, also not shown in Fig. 1.
  • the frequency of the AC voltage may be, for example, between 20 kHz and 40 kHz.
  • the ultrasonic transducer comprises a piezoelectric element with which the electrical signal is converted into a mechanical vibration, which is aligned in the longitudinal direction of the instrument.
  • the mechanical oscillation is transmitted to a sonotrode 16 which, according to FIG. 2, comprises a shaft 19 with an instrument head 17 at the distal end.
  • the surface of the tool head 17 shown in Fig. 1 below and in Fig. 2 in the image plane is equipped with a cutting structure 18 and serves as a cutting surface.
  • the ultrasound surgical instrument also includes a visible in Fig. 1 line 12 to the surgical field to perform a rinsing liquid can.
  • the rinsing liquid is passed through an arranged in the interior of the sonotrode 16 channel 24 to the instrument head 17 and can there escape into the surgical field.
  • the distal end of the channel 24 is visible in FIG.
  • the rinsing liquid can also be routed along the outside of the sonotrode.
  • the sonotrode 16 extends as shown in FIG. 2 from a proximal end 20, via which the sonotrode 16 with the handpiece of surgical instrument can be connected in a straight line to a distal end 21, on which the instrument head 17 is arranged.
  • Shank 19 transitions with a cross-sectional taper 15 from a thicker area near proximal end 20 to a slimmer area near distal end 21. In the thicker area, the shaft has a diameter of 6.5 mm.
  • the length of the sonotrode from the proximal end 20 to the distal end 21 is about 10 cm.
  • At the proximal end 20 of the shaft 19 is provided with recesses 23, which can be attacked with a wrench to screw the sonotrode 16 with the handpiece or to release the handpiece.
  • a vibration node forms approximately in the middle between the proximal end 20 and the distal end 21.
  • the shaft 19 is provided with a helical structure consisting of four helix-shaped recesses 22 interlinked with each other.
  • a helical recess 22 is substantially completely visible and two helical recesses 22 are partially visible, while the fourth recess is concealed by the shaft 19 and therefore not visible.
  • the helical recesses 22 have a longitudinal extent with which they wind around the shaft 19 around. In their longitudinal extent, the helical recesses 22 form an angle of 45 ° with the longitudinal axis of the shaft 19.
  • the helical recesses 22 have a longitudinal extent of about 1.5 cm.
  • the width perpendicular to the longitudinal extent, which can not be determined unambiguously, since the helical recesses 22 have no straight edge, is of the order of 2 mm.
  • Each of the helical recesses 22 is composed of ten recesses 25, the largest extent of which is aligned at right angles to the longitudinal axis of the shaft 19.
  • the cutouts 25 are offset relative to one another in each case both in the longitudinal direction and in the circumferential direction of the shaft 19, so that the overall result is the helical shape.
  • the respective first cutout 25 of a helical recess 22 (in each case the right-hand recess 22 in FIG. 3) is produced by cutting perpendicularly into the material of the shaft 19 with a milling cutter and then cutting the milling cutter sideways (in FIG. 3 upward). is guided until it emerges from the material of the shaft 19.
  • the cutter In order to produce the next cutout 25, the cutter can be moved back to its original position.
  • the shaft 19 is longitudinally displaced relative to the cutter and rotated slightly about its longitudinal axis so that the cutter can pierce the stem 19 material in a new position to produce the next cutout 25.
  • the displacement in the longitudinal direction is about half the width of the cutout 25, so that an overlap with the first cutout 25 is when the cutter for the second cutout 25 pierces into the material.
  • the cutter is then first a piece parallel to the longitudinal axis of the shaft 19 before it is led out with the movement in the lateral direction of the material.
  • a helical recess 22 is generated.
  • the edges 26 form shoulders in the sense of the invention, which run transversely to the helical recess 22.
  • the described sequence when generating the helical recess 22 is merely illustrative. Other processes are also possible, for example in which the cutouts 25 are produced in a different order or the milling cutter moves in the opposite direction.
  • the longitudinal vibration in which the proximal end 20 of the sonotrode 16 is displaced by the ultrasound transducer, is partially converted into a torsional vibration.
  • the instrument head 17 at the distal end is thereby put into a complex movement comprising torsional vibrations and longitudinal vibrations.
  • Torsional vibration of the instrument head 17 a greater amplitude than in classical helical recesses 22.
  • the longitudinal amplitude is amplified.
  • Fig. 4 the distal end 21 of the sonotrode 16 is shown enlarged, wherein the perspective is selected so that the end face is visible with the exit of the channel 24, while the cutting structure 18 obliquely backwards and is hidden.
  • the distal end surface of the sonotrode 16 is provided with two blind holes 27 which extend parallel to the channel 24 and are arranged between the channel 24 and the cutting structure 18.
  • the blind holes have a diameter between 0.2 mm and 0.3 mm and a length of about 1.5 mm.
  • a sonotrode is presented in which the instrument head 17 performs a multi-dimensional vibration, can be removed by the bone material with high efficiency. Due to the additional pitching movement of the instrument head 17, chips detached from the bone material are well transported away.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für ein ultraschallchirurgisches Instrument mit einem Schaft (19) und einem Instrumentenkopf (17) an einem distalen Ende (21) des Schafts (19). Der Instrumentenkopf (17) ist mit einer Schneidestruktur (18) zum Bearbeiten von Knochen ausgerüstet. Der Schaft (19) weist eine helixförmige Ausnehmung (22) auf. Erfindungsgemäß ist die helixförmige Ausnehmung (22) mit einem quer verlaufenden Absatz (26) versehen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sonotrode und ein chirurgisches Instrument mit einer solchen Sonotrode. Durch den Absatz in der helixförmigen Ausnehmung (22) wird die Drehschwingung des Instrumentenkopfs (17) verstärkt, so dass das Knochenmaterial besonders wirksam abgetragen werden kann.

Description

Sonotrode
Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für ein ultraschallchirurgisches Instrument mit einem Schaft und einem Instrumentenkopf am distalen Ende des Schafts. Der Instrumentenkopf ist mit einer Schneidestruktur zum Bearbeiten von Knochen .ausgerüstet. An dem Schaft ist eine helixförmige Ausnehmung ausgebildet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sonotrode.
Solche Sonotroden können beispielsweise in der Zahnmedizin dazu verwendet werden, Knochenmaterial des Patienten zu durchtrennen oder abzutragen. Mit einem Ultraschallwandler wird eine hochfrequente mechanische Schwingung erzeugt. Die Sonotrode ist an den Ultraschallwandler angeschlossen und wird durch den Ultraschallwandler in Schwingung versetzt. Wenn die Schneidestruktur der Sonotrode mit dem Knochen in Kontakt gebracht wird, wird durch die hochfrequente Schwingung Knochenmaterial abgetragen.
Es ist bekannt, dass eine von dem Ultraschallwandler erzeugte Längsschwingung teilweise in eine Drehschwingung des Instrumentenkopfs umgesetzt werden kann, indem der Schaft mit helixförmi- gen Ausnehmungen versehen wird, US 2009/0236938 AI, US
2006/0041220 AI, WO 2010/049684 AI. Durch die helixförmigen Ausnehmungen verwindet sich der Schaft in sich, wenn die Längsschwingung des Ultraschallwandlers auf das proximale Ende des Schafts wirkt. Dadurch wird der Instrumentenköpf am distalen Ende des Schafts zu einer Drehschwingung angeregt. Im Allgemeinen wird die Amplitude der Drehschwingung desto größer, je tiefer und je breiter die helixförmigen Ausnehmungen in das Material des Schafts eingreifen. Allerdings ist es nicht möglich, die Amplitude der Drehschwingung auf diese Weise beliebig zu vergrößern, weil der Schaft durch die Ausnehmungen nicht zu sehr geschwächt werden darf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sonotrode sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren vorzustellen, so dass eine wirksame Bearbeitung des Knochens erreicht wird. Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte AusfUhrungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist die heiixförmige Ausnehmung des Schafts mit einem quer verlaufenden Absatz versehen.
Zunächst werden einige Begriffe erläutert. Ein Absatz in der he- lixförmigen Ausnehmung kann erzeugt werden, indem in einem Bereich der helixförmigen Ausnehmung tiefer in das Material des Schafts eingegriffen wird als in einem benachbarten Bereich der helixförmigen Ausnehmung. Der Obergang zwischen den beiden Bereichen wird als Absatz bezeichnet.
Die helixförmige Ausnehmung hat eine Längsausdehnung, die sich um den Schaft herumwindet. Der erfindungsgemäße Absatz ist quer zu der Längsausdehnung ausgerichtet, schließt also mit der Längsausdehnung einen Winkel ein. Der Absatz kann sich über die gesamte Breite der helixförmigen Ausnehmung erstrecken. Denkbar ist es auch, dass der Absatz sich nur über einen Teil der Breite der helixförmigen Ausnehmung erstreckt. Die Erfindung hat erkannt, dass durch einen quer verlaufenden Absatz in der helixförmigen Ausnehmung die Amplitude der
Drehschwingung am distalen Ende des Schafts verstärkt wird. Der Instrumentenkopf am distalen Ende des Schafts wird also in eine intensive Drehschwingung versetzt, was ein wirksames Bearbeiten des Knochenmaterials ermöglicht. Ihren Grund hat die vergrößerte Amplitude vermutlich darin, dass der Absatz eine Art Singularität für die Kraftübertragung innerhalb des Schafts bildet. Es kommt zu einem Bruch in der Kraftübertragung, der im Ergebnis eine verstärkte Drehschwingung am distalen Ende des Schafts zur Folge hat.
Der Absatz kann mit der Längsauadehnung der helixförmigen Ausnehmung einen Winkel von 90° einschließen. Als besonders wirksam hat es sich erwiesen, wenn der Winkel von 90° abweicht. Beispielsweise kann der Winkel zwischen dem Absatz und der Längsausdehnung der helixförmigen zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° liegen.
Der Absatz kann eine Kante aufweisen, die quer zu der helixförmigen Ausnehmung verläuft. Die Kante kann sich geradlinig über die gesamte Breite der helixförmigen Ausnehmung erstrecken. Versuche haben aber gezeigt, dass es für die erfindungsgemäße Wirkung von Vorteil ist, wenn die Kante sich nur über einen Abschnitt der Breite der helixförmigen Ausnehmung geradlinig erstreckt und dann unterbrochen ist. Unterbrechung der Kante bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kante sich nicht geradlinig in der gleichen Richtung fortsetzt. Indem die Kante selbst wieder unterbrochen ist, gibt es einen weiteren Bruch in der Kraftübertragung innerhalb des Schafts, was sich positiv auf die Amplitude der Schwingung am distalen Ende des Schafts auswirkt.
Die Amplitude der Schwingung am distalen Ende des Schafts kann weiter vergrößert werden, wenn die helixförmige Ausnehmung eine Mehrzahl von Absätzen mit den erwähnten Merkmalen aufweist. Die Absätze können sich parallel zueinander erstrecken. Mit der Längsachse der Sonotrode können die Absätze einen Winkel von 90° einschließen.
Die helixförmige Ausnehmung kann aus einer Mehrzahl von Ausfräsungen zusammengesetzt sein, wobei die Absätze am Obergang von einer Ausfräsung zur nächsten Ausfräsung gebildet sind. Eine helixförmige Ausnehmung kann beispielsweise zwischen acht und zwölf Ausfräsungen umfassen. Die Ausfräsungen können quer zur Längsausdehnung der helixförmigen Ausnehmungen ausgerichtet sein.
Erzeugt werden können die Ausfräsungen beispielsweise, indem ein Fräser zunächst in den Schaft einsticht und dann zur Seite (also rechtwinklig zur Achse des Fräsers und rechtwinklig zur Achse der Sonotrode) wieder aus dem Material des Schafts herausgeführt wird. Jede Ausfräsung hat dann an einem Ende eine Wand mit einer abgerundeten Kontur, während sie am anderen Ende direkt in die Ilmfangsfläche des Schafts abergeht. Um die Kante zu unterbrechen, kann der Fräser zunächst ein Stück parallel zur Längsachse bewegt werden, bevor die Bewegung quer zur Längsachse beginnt. Eine identische Ausfräsung lässt sich selbstverständlich durch einen umgekehrten Bewegungsablauf des Fräsers erreichen. Damit insgesamt eine helixförmige Ausnehmung entsteht, kann der Schaft zwischen der einen Ausfräsung und der nächsten Ausfräsung parallel zu seiner Längsachse verschoben werden und um die Längsachse gedreht werden, während der Fräser seine Ausgangsposition beibehält.
Die Sonotrode kann eine Mehrzahl von helixförmigen Ausnehmungen mit den beschriebenen Merkmalen aufweisen. Die Mehrzahl von helixförmigen Ausnehmungen ist vorzugsweise in demselben Längsabschnitt des Schafts angeordnet. Die helixförmigen Ausnehmungen können so miteinander verschränkt sein, dass sie gemeinsam eine helixförmige Struktur bilden. Die helixförmigen Ausnehmungen können sich beispielsweise über eine Länge zwischen 8 mm und 15 mm des Schafts erstrecken. In Umfangsrichtung kann sich die helixförmige Ausnehmung beispielsweise über einen Winkel von 180° erstrecken. Dabei kann der Durchmesser des Schafts beispielsweise zwischen 5 mm und 8 mm liegen. Der Winkel zwischen der Längsausdehnung der helixförmigen Ausnehmung und der Längsachse der Sonotrode kann zwischen 30° und 60° liegen.
Die Sonotrode kann vom proximalen Ende bis zum distalen Ende eine Länge zwischen beispielsweise 6 cm und 18 cm haben. Die Sonotrode kann so gestaltet sein, dass sie sich geradlinig vom proximalen Ende zum distalen Ende erstreckt.
Die Sonotrode ist vorzugsweise so auf den Ultraschallwandler des zugehörigen ultraschallchirurgischen Instruments abgestimmt, dass sich im zentralen Bereich der Sonotrode ein Schwingungsknoten bildet, wenn das Instrument mit der Sonotrode in Betrieb ist. Die helixförmige Ausnehmung ist vorzugsweise zwischen dem Schwingungsknoten und dem proximalen Ende der Sonotrode angeordnet. Dies bedeutet, dass die helixförmige Ausnehmung vom proximalen Ende ausgesehen vorzugsweise in der ersten Hälfte, weiter vorzugsweise im ersten Drittel der Sonotrode angeordnet ist.
Das Problem, dass der Schaft geschwächt wird, wenn die helixförmigen Ausnehmungen zu tief in das Material des Schafts eingreifen, stellt sich insbesondere dann, wenn sich im Inneren ein Kanal erstreckt, der beispielsweise dazu dienen kann, eine Spülflüssigkeit zum distalen Ende der Sonotrode zuzuführen. Die Vorzüge der Erfindung können folglich besonders zur Geltung kommen, wenn sich im Inneren des Schafts ein parallel zur Längsachse der Sonotrode ausgerichteter Kanal erstreckt. Der Kanal kann bei- spielsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 1,2 mm haben.
Die helixförmige Ausnehmung hat die Wirkung, dass eine Kraft, die am proximalen Ende der Sonotrode in Längsrichtung wirkt, teilweise in eine Drehbewegung umgesetzt wird. Die Schwingung des Instrumentenkopfs am distalen Ende der Sonotrode ist folglich eine Oberlagerung aus einer Schwingung in Längsrichtung und einer Drehschwingung. Für die wirksame Bearbeitung des Knochens ist es von Vorteil, wenn nicht nur die Drehschwingung, sondern auch die Längsschwingung eine große Amplitude hat. Dies kann erreicht werden, indem die Sonotrode im Bereich zwischen der he- lixförmigen Ausnehmung und dem Instrumentenkopf mit einer Querschnittsverjüngung versehen wird.
Die Bearbeitung von Knochenmaterial kann weiter verbessert werden, wenn in dem Instrumentenkopf außer der Längsschwingung und der Drehschwingung noch weitere Bewegungsrichtungen überlagert sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Instrumentenkopf eine asymmetrische Gestalt bezogen auf die Längsachse der Sonotrode hat. Vom proximalen Ende aus betrachtet bildet der Instrumentenkopf dann eine Art Unwucht, was dazu führt, dass der Instrumentenkopf auch eine Bewegung in radialer Richtung vollführt.
Um Hitzeschäden am umliegenden Gewebe zu vermeiden, ist es wünschenswert, dass die vom Knochen abgetragenen Späne zügig aus dem Operationsfeld entfernt werden. Würden die Späne im Operationsfeld bleiben, würden sie als eine Art Wärmespeicher wirken und die Hitzeeinwirkung auf das umliegende Gewebe verstärken. Für den Abtransport der Späne ist es förderlich, wenn der Instrumentenkopf in sich eine Nickbewegung vollführt. Der Instrumentenkopf wirkt dann nach Art einer Schaufel, die die Späne abtransportiert. Zu einer solchen Nickbewegung kann der Instrumen- tenkopf veranlasst werden, indem die distale Stirnfläche der So- notrode mit einer Sackbohrung versehen wird. Der Durchmesser der Sackbohrung kann beispielsweise 0,2 mm bis 0,3 mm betragen. Die Länge der Sackbohrung kann beispielsweise zwischen 1,2 mm und 1,8 mm liegen. Durch die Sackbohrung wird die Struktur des Instrumentenkopfs gezielt geschwächt, so dass der Instrumentenkopf die gewünschte In-Sich-Beweglichkeit erhält. Das Merkmal der Sackbohrung hat eigenständigen erfinderischen Gehalt, auch ohne dass der Schaft mit einer helixförmigen Ausnehmung versehen ist.
Die Sackbohrung kann sich parallel zur Längsachse der Sonotrode erstrecken und einen Abstand zur zentralen Achse der Sonotrode haben. Vorzugsweise ist die Sackbohrung im Bereich zwischen der zentralen Achse und der Schneidestruktur angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Stirnfläche mit zwei solchen Sackbohrungen versehen. Solche Sackbohrungen haben außerdem die Wirkung, dass das Schwingungsprofil dahingehend optimiert wird, dass die Rückkopplung von Kräften vom Instrumentenkopf auf den Ultraschallwandler verringert wird und so eine Überlastung des Ultraschallwandlers verhindert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein chirurgisches Instrument mit einem Ultraschallwandler und einer an den Ultraschallwandler angeschlossenen erfindungsgemäßen Sonotrode. Das Instrument kann mit einer Zuleitung versehen sein, über die dem Kanal im Inneren des Schafts eine Flüssigkeit zugeführt werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Zuleitung so gestaltet sein, dass eine Flüssigkeit außen an der Sonotrode entlang geleitet wird.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sonotrode. Bei dem Verfahren wird ein Sonotroden- Zwischenprodukt bereitgestellt, das einen Schaft und einen Instrumentenkopf am distalen Ende des Schafts umfasst. Es wird eine Mehrzahl von Ausfräsungen in dem Schaft erzeugt. Jeweils zwei Ausfräsungen sind derart zueinander benachbart, dass am Übergang der Ausfräsungen ein Absatz gebildet wird. Die benachbarten Ausnehmungen sind jeweils sowohl in Längsrichtung der Sonotrode als auch in Umfangsrichtung relativ zueinander versetzt, so dass die Ausfräsungen in ihrer Summe eine helixförmige Ausnehmung bilden.
Die Ausfräsungen können sich parallel zueinander erstrecken, wobei jeweils die größte Ausdehnung der Ausfräsung einen rechten Winkel mit der Längsachse der Sonotrode einschließt. In einer vorteilhaften Ausführungsform sticht der Fräser zunächst in radialer Richtung in den Schaft ein und wird dann in seitlicher Richtung aus dem Material des Schafts herausgeführt. Der Bewegungsablauf des Fräsers kann auch umgekehrt sein. Der Fräser kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 1,2 mm haben. Die größte Tiefe der Ausnehmung, also die größte Strecke, die der Fräser von der Oberfläche des Schafts in das Material eindringt, kann beispielsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 1,2 mm liegen.
Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die oben mit Bezug auf die erfindungsgemäße Sonotrode beschrieben wurden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Sonotrode, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen ultraschallchirurgischen Instruments;
Fig. 2: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sonotrode;
Fig. 3: einen Ausschnitt aus Fig. 2 in vergrößerter Darstellung; und Fig. 4: ein Detail aus Fig. 2 in vergrößerter Darstellung und aus einer anderen Perspektive.
Ein ultraschallchirurgisches Instrument in Fig. 1 umfasst an seinem hinteren Ende einen Handgriff 14, über den der Chirurg das Instrument führen kann. Im Inneren des Instruments ist ein in Fig. 1 nicht sichtbarer Ultraschallwandler angeordnet, der als Eingangssignal ein elektrisches WechselspannungsSignal von einem in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Signalgenerator erhält. Die Frequenz der WechselSpannung kann beispielsweise zwischen 20 kHz und 40 kHz liegen. Der Ultraschallwandler umfasst ein Piezoelement, mit dem das elektrische Signal in eine mechanische Schwingung umgewandelt wird, die in Längsrichtung des Instruments ausgerichtet ist. Die mechanische Schwingung wird auf eine Sonotrode 16 übertragen, die gemäß Fig. 2 einen Schaft 19 mit einem Instrumentenkopf 17 am distalen Ende umfasst. Die in Fig. 1 unten und in Fig. 2 in der Bildebene dargestellte Fläche des Instrumentenköpfs 17 ist mit einer Schneidestruktur 18 ausgerüstet und dient als Schneidfläche. Wird der in Schwingung stehende Instrumentenkopf 17 mit der in Schwingung stehenden Schneidestruktur 18 an einen Knochen herangeführt, wird Knochenmaterial abgetragen.
Das ultraschallchirurgische Instrument umfasst außerdem eine in Fig. 1 sichtbare Leitung 12, um dem Operationsfeld eine Spülflüssigkeit zuführen zu können. Die Spülflüssigkeit wird durch einen im Inneren der Sonotrode 16 angeordneten Kanal 24 zum Instrumentenkopf 17 geleitet und kann dort in das Operationsfeld austreten. Das distale Ende des Kanals 24 ist in Fig. 4 sichtbar. Wahlweise kann die Spülflüssigkeit auch außen an der Sonotrode entlang geleitet werden.
Die Sonotrode 16 erstreckt sich gemäß Fig. 2 von einem proximalen Ende 20, über das die Sonotrode 16 mit dem Handstück des chirurgischen Instruments verbunden werden kann, geradlinig bis zu einem distalen Ende 21, an dem der Instrumentenkopf 17 angeordnet ist. Der Schaft 19 geht mit einer QuerSchnittsverjüngung 15 von einem dickeren Bereich nahe dem proximalen Ende 20 in einen schlankeren Bereich nahe dem distalen Ende 21 über. Im dickeren Bereich hat der Schaft einen Durchmesser von 6,5 mm. Die Länge der Sonotrode vom proximalen Ende 20 bis zum distalen Ende 21 beträgt etwa 10 cm. Am proximalen Ende 20 ist der Schaft 19 mit Vertiefungen 23 versehen, an denen mit einem Schraubenschlüssel angegriffen werden kann, um die Sonotrode 16 mit dem Handstück zu verschrauben bzw. von dem Handstück zu lösen.
Wenn die Sonotrode 16 in Betrieb ist und durch den Ultraschallwandler in Schwingung versetzt wird, bildet sich etwa mittig zwischen dem proximalen Ende 20 und dem distalen Ende 21 ein Schwingungsknoten. Im Bereich zwischen dem Schwingungsknoten und dem proximalen Ende 20 ist der Schaft 19 mit einer helixfürmigen Struktur versehen, die aus vier miteinander verschränkten helixfürmigen Ausnehmungen 22 besteht. Von der helixförmigen Struktur, die in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, ist eine helix- förmige Ausnehmung 22 im Wesentlichen vollständig sichtbar und sind zwei helixförmige Ausnehmungen 22 teilweise sichtbar, während die vierte Ausnehmung durch den Schaft 19 verdeckt und deswegen nicht sichtbar ist.
Die helixförmigen Ausnehmungen 22 haben eine Längsausdehnung, mit der sie sich um den Schaft 19 herum winden. In ihrer Längsausdehnung schließen die helixförmigen Ausnehmungen 22 mit der Längsachse des Schafts 19 einen Winkel von 45° ein. Die helixförmigen Ausnehmungen 22 haben eine Längsausdehnung von etwa 1,5 cm. Die Breite rechtwinklig zur Längsausdehnung, die sich nicht eindeutig bestimmen lässt, da die helixförmigen Ausnehmungen 22 keinen geradlinigen Rand haben, liegt in der Größenordnung von 2 mm. Jede der helixförmigen Ausnehmungen 22 setzt sich aus zehn Aus- fräsungen 25 zusammen, deren größte Ausdehnung jeweils rechtwinklig zur Längsachse des Schafts 19 ausgerichtet ist. Die Aus- fräsungen 25 sind jeweils sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung des Schafts 19 relativ zueinander versetzt, so dass in Summe die Helixform entsteht.
Die jeweils erste Ausfräsung 25 einer helixförmigen Ausnehmung 22 (in Fig. 3 jeweils die rechte Ausnehmung 22) wird erzeugt, indem mit einem Fräser senkrecht in das Material des Schafts 19 eingestochen wird und der Fräser dann zur Seite (in Fig. 3 nach oben) geführt wird, bis er aus dem Material des Schafts 19 austritt.
Um die nächste Ausfräsung 25 zu erzeugen, kann der Fräser wieder in seine Ausgangsposition zurückgefahren werden. Der Schaft 19 wird in Längsrichtung relativ zu dem Fräser verschoben und etwas um seine Längsachse gedreht, so dass der Fräser in einer neuen Position in das Material des Schafts 19 einstechen kann, um die nächste Ausfräsung 25 zu erzeugen. Die Verschiebung in Längsrichtung beträgt etwa die Hälfte der Breite der Ausfräsung 25, so dass eine Überschneidung mit der ersten Ausfräsung 25 besteht, wenn der Fräser für die zweite Ausfräsung 25 in das Material einsticht. Der Fräser wird dann zunächst ein Stück parallel zur Längsachse des Schafts 19 geführt, bevor er mit der Bewegung in seitlicher Richtung aus dem Material herausgeführt wird.
Da der Fräser bei der zweiten Ausnehmung 22 aus einer anderen Winkelposition in den Schaft 19 einsticht als bei der ersten Ausfräsung 25, entsteht zwischen den Ausfräsungen 25 eine Kante 26. Indem der Fräser zunächst in Längsrichtung geführt wird, wird die Kante 26 zwischen der ersten Ausfräsung 25 und der zweiten Ausfräsung 25 unterbrochen, die anderenfalls geradlinig wäre. In Fig. 3 zeigt sich die Unterbrechung der Kante 26 jeweils als halbkreisförmige Vertiefung in den Ausnehmungen 25.
Durch zehn auf diese Weise zueinander benachbarte Ausfräsungen 25 wird eine helixförmige Ausnehmung 22 erzeugt. Die Kanten 26 bilden Absätze im Sinne der Erfindung, die quer zu der helixför- migen Ausnehmung 22 verlaufen. Der geschilderte Ablauf beim Erzeugen der helixförmigen Ausnehmung 22 dient lediglich der Veranschaulichung. Es sind auch andere Abläufe möglich, etwa in dem die Ausfräsungen 25 in anderer Reihenfolge hergestellt werden oder der Fräser sich in entgegengesetzter Richtung bewegt.
Durch die helixförmigen Ausnehmungen 22 wird die Längsschwingung, in die das proximale Ende 20 der Sonotrode 16 durch den Ultraschallwandler versetzt wird, zum Teil in eine Drehschwingung umgesetzt. Der Instrumentenkopf 17 am distalen Ende wird dadurch in eine komplexe Bewegung versetzt, die Drehschwingungen und Längsschwingungen umfasst. Durch die Kanten 26, die die helixförmigen Ausnehmungen 22 quer unterbrechen, hat die
Drehschwingung des Instrumentenkopfs 17 eine größere Amplitude als bei klassischen helixförmigen Ausnehmungen 22. Durch die Querschnitteverjüngung 15 wird die Längsamplitude verstärkt.
In Fig. 4 ist das distale Ende 21 der Sonotrode 16 vergrößert dargestellt, wobei die Perspektive so gewählt ist, dass die Stirnfläche mit dem Austritt des Kanals 24 sichtbar ist, während die Schneidestruktur 18 schräg nach hinten weist und verdeckt ist. Die distale Stirnfläche der Sonotrode 16 ist mit zwei Sackbohrungen 27 versehen, die sich parallel zu dem Kanal 24 erstrecken und zwischen dem Kanal 24 und der Schneidestruktur 18 angeordnet sind. Die Sackbohrungen haben einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 0,3 mm und eine Länge von etwa 1,5 mm. Durch die Sackbohrungen 27 und eine Abschrägung 29 erhält der Instrumentenkopf 17 eine asymmetrische Gestalt bezogen auf die Längsachse der Sonotrode 16. Diese asymmetrische Gestalt führt dazu, dass der Instrumentenkopf 17 in sich eine Nickbewegung vollführt. Durch die Nickbewegung werden Späne, die mit der Schneidestruktur 18 vom Knochen abgetragen werden, besonders wirksam abtrans portiert.
Mit der Erfindung wird also eine Sonotrode vorgestellt, bei der der Instrumentenkopf 17 eine mehrdimensionale Schwingung vollführt, durch die Knochenmaterial mit hoher Wirksamkeit abgetragen werden kann. Durch die zusätzliche Nickbewegung des Instrumentenkopfs 17 werden von dem Knochenmaterial gelöste Späne gut abtransportiert.

Claims

Patentansprüche 1. Sonotrode für ein ultraschallchirurgisches Instrument mit einem Schaft (19) und einem Instrumentenkopf (17) an einem distalen Ende (21) des Schafts (19), wobei der Instrumentenkopf (17) mit einer Schneidestruktur (18) zum Bearbeiten von Knochen ausgerüstet ist und wobei der Schaft (19) eine he- lixförmige Ausnehmung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die helixförmige Ausnehmung (22) mit einem quer verlaufenden Absatz (26) versehen ist.
2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (26) mit der Längsausdehnung der helixförmigen Ausnehmung einen Winkel zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° einschließt.
3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz eine Kante (26) aufweist, die quer zu der helixförmigen Ausnehmung (22) verläuft.
4. Sonotrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (26) sich geradlinig über einen Abschnitt der helixförmigen Ausnehmung (22) erstreckt und dann unterbrochen ist.
5. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die helixförmige Ausnehmung (22) eine Mehrzahl von Absätzen (26) aufweist.
6. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die helixförmige Ausnehmung (22) aus einer Mehrzahl von Ausfräsungen (22) zusammengesetzt ist.
7. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (19) eine Mehrzahl von helixförmi- gen Ausnehmungen (22) aufweist.
8. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren des Schafts (19) ein Kanal (24) erstreckt, über den eine Flüssigkeit zum distalen Ende (21) der Sonotrode (16) zugeführt werden kann.
9. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der helixförmigen Ausnehmung (22) und dem Instrumentenkopf (17) eine QuerSchnittsverjüngung
(15) vorgesehen ist.
10. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenkopf (17) bezogen auf die Längsachse der Sonotrode (16) eine asymmetrische Gestalt hat.
11. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die distale Stirnfläche der Sonotrode (16) mit einer Sackbohrung (27) versehen ist.
12. Chirurgisches Instrument mit einem Ultraschallwandler und einer an den Ultraschallwandler angeschlossenen Sonotrode
(16) , dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
13. Verfahren zum Herstellen einer Sonotrode mit folgenden
Schritten:
a. Bereitstellen eines Sonotroden-Zwischenprodukts, das einen Schaft (19) und einen Instrumentenkopf (17) am distalen Ende (21) des Schafts (19) umfasst. b. Erzeugen einer Mehrzahl von Ausfräsungen (25) in dem Schaft (19), wobei jeweils zwei benachbarte Ausfräsungen (25) derart angeordnet sind, dass am Übergang der Ausfräsungen (25) ein Absatz (26) gebildet wird, und wobei jeweils benachbarte Ausfräsungen (25) sowohl in Längsrichtung der Sonotrode (16) als auch in ümfangs- richtung relativ zueinander versetzt sind, so dass die Ausfräsungen (25) in ihrer Summe eine heiixförmige Ausnehmung (22) bilden.
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