DD240133B1 - Chirurgisches handinstrument zur entfernung von tumorgewebe - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument, mit dem in Verbindung mit einer Operationseinrichtung Tumorgewebe oder andere krankhafte weiche biologische Gewebe subtil durch mechanische Schwingungen entfernt und gleichzeitig mittels Unterdruck abgesaugt werden können. Die Erfindung ist zur Durchführung onkologischer Operationen, vorzugsweise in der Neurochirurgie, geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die Entfernung von Tumorgewebe, vorzugsweise Hirntumoren, sehr subtil und präzise arbeitende chirurgische Instrumente erfordert, um einerseits alle pathologisch veränderten Gewebesubstanzen zu entfernen und andererseits an den Grenzen zum gesunden Gewebe die funktionswichtigen Strukturen, besonders Gefäße, zu schonen. Gegenwärtig werden dafür kleine Faßzangen, Pinzetten und Mikroraspatorien verwendet. Die erforderliche Blutstillung erfolgt üblicherweise durch Koagulation unter Verwendung von Hochfrequenzströmen. Das chirurgische Vorgehen ist dabei durch ein ständiges Wechseln der Instrumente gekennzeichnet, um die wiederkehrenden Arbeitsschritte Tumorabtragung und -entfernung, Blutstillung und Flüssigkeitsabsaugung zu realisieren. Die Möglichkeiten einer intraoperativen hämatogenen Tumorzellverschleppung sind nicht auszuschließen. Besonders schwierig gestaltet sich die Tumorgewebeentfernung in der Tiefe des Operationsgebietes und an den Grenzen zu funktionswichtigen Gewebestrukturen und Gefäßen im Hirn. Das Manipulieren mit den verschiedenen Instrumenten ist zeitaufwendig. Außerdem wird bei der herkömmlichen Operationstechnik das Hirngewebe durch die mechanische Präparation Zug- und Druckkräften ausgesetzt. Besonders bei sehr derben und festen Tumoren sind Sekundärschäden am tumorumgebenden Hirngewebe nicht zu vermeiden.

Medizinische Geräte, die mit Hilfe von Ultraschallschwingungen biologische Gewebe zerstören sowie Gewebepartikel absaugen, sind aus DE-OS 2605968, DE-AS 2626373, DE-OS 2758909 und US-PS 3589363 bekannt. In DE-OS 2605968 wird eine Vorrichtung für chirurgische Zwecke vorgestellt, die zum Beseitigen von pathologisch verändertem Gewebe vorzugsweise am Hirn geeignet ist. Sie arbeitet jedoch mit Biegeschwingungen an einem abgewinkelten Arbeitssegment und die Ultraschallschwingungen werden von einem magnetischen Ultraschallwandler erzeugt. Dieser hat einen relativ niedrigen elektromechanischen Wirkungsgrad und muß wassergekühlt werden. Das abgewinkelte Arbeitssegment hat den Nachteil, daß nicht in größeren Tiefen des Hirns gearbeitet werden kann, da die Bearbeitungsrichtung quer zur Längsachse des Handinstrumentes liegt. Durch den zusätzlich notwendigen Kühlkreislauf müssen 4 Schlauchanschlüsse und zusätzlich die elektrischen Kabel an das Handstück geführt werden, dadurch wird die Manipulierbarkeit wesentlich herabgesetzt.

In DE-AS 2626373 und DE-OS 2758909 wird eine komplexe Operationseinrichtung für chirurgische Eingriffe und Heilbehandlungseinrichtung mit Ultraschallenergie, Aspiration und Medikamentenzufuhr vorgestellt. Sie ist für die Vitrektomie in der Ophthalmologie konzipert. Das Handinstrument ist durch folgende Nachteile gekennzeichnet:

- Eine komplette Einbettung des Schwingsystems in Gummi (Fig.4A, Nr. 23) führt zu Energieverlusten infolge von Reibung, wodurch Schalldämpfung und Handstückerwärmung entstehen. Diese konstruktive Lösung ist für große Leistungen bis 100 W ungeeignet.

- Nadel-und kanülenförmigeApplikatoren (Fig. 4 bis 6) sind zur Übertragung der für die Tumorgewebeentfernung notwendigen Ultraschalleistungen ungeeignet, erfordern zusätzliche Verbindungsstellen oder Anpassungshörner, die Energieverluste hervorrufen, eine Bruchgefahr darstellen und die Arbeitslänge unnötig vergrößern.

- Eine lösbare Kopplung des nadeiförmigen Applikators im Schwingungsknoten (Fig.6A, Anspruch 2) ist nicht geeignet zur Übertragung der an dieser Stelle vorhandenen hohe elastomechanischen Werkstoffdehnung. Diese Dehnung verursacht entsprechend große mechanische Spannungen mit dem Risiko des Brechens der Verbindungsstelle, der Lockerungsgefahr und bewirkt Energieverlust durch Schlupf der lösbaren Verbindung. Gewindeverbindungen innerhalb eines

Halbwellenschalleiters sind für.Schwingungs- und Ultraschallenergieübertragungen ungeeignet. Dagegen bewirken Kopplungen im Schwingungsbauch verlustarme Energieübertragungen.

In US-PS 3589363 wird ebenfalls eine Einrichtung zur Anwendung von Ultraschall in der Ophthalmologie beschrieben. Diese arbeitet mit einem magnetostriktiven Wandler und besitzt somit die Nachteile der zusätzlichen Wasserkühlung infolge des schlechten Wirkungsgrades, wie bereits zu DE-OS 2605968 beschrieben.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Möglichkeiten der Hirntumorentfernung zu erweitern und ein Ultraschallinstrument zu schaffen, das die Nachteile bekannter technischer Lösungen beseitigt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter, medizinisch genutzter Ultraschallinstrumente wie geringe Schalleistung, schlechter Wirkungsgrad, Energieverluste und Eigenerwärmung sowie Verstopfungsgefahrzu beseitigen und ein chirurgisches Ultraschallinstrument zu schaffen, das durch Abgabe einer zur Tumorentfernung ausreichend hohen Schallintensität bei geringen inneren Energieverlusten durch gute Handhabung, Sterilisierbarkeit, Übersichtlichkeit im Operationsfeld und leichten Zugang zu den verschiedenen Hirntumoren eine sichere, umfassende und zugleich schonende Entfernung von Tumorgewebe ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäß zu schaffendes chirurgisches Handinstrument gelöst, das in Verbindung mit einer Operationseinrichtung, bestehend aus Ultraschallgenerator und Flüssigkeitssauger, betrieben wird. Das funktionsbestimmende chirurgische Handinstrument besteht aus einem Leistungsultraschallwandler und einem Aspirationsapplikator, die durch den Ultraschallgenerator in ihrer Eigenfrequenz zwischen 20 und 4OkHz zu iongitudinalen Schwingungen angeregt werden. Die schwingenden Elemente des chirurgischen Handinstruments besitzen die Länge einer ganzen Ultraschallwellenlänge. Auf zusätzliche schallübertragende Zwischenstücke wird verzichtet. Der Leistungsultraschallwandler und der Aspirationsapplikator sind im Schwingungsmaximum lösbar miteinander verbunden. Dadurch werden die Austauschbarkeit, thermische Sterilisierbarkeit und Reinigung mit flüssigen Desinfektionsmitteln für den Aspirationsapplikator gewährleistet. An dieser Koppelstelle ist die innere dynamische Werkstoffbeanspruchung gleich Null, wodurch eine stabile, zuverlässge Verbindung gesichert wird. Bei gutem Kontakt der Koppelflächen wird die Schallenergie verlustarm übertragen. Weitere lösbare Koppelstellen in Schallübertragungsrichtung werden wegen des damit verbundenen Energieverlustes sowie des technologischen Aufwandes vermieden.

Der Leistungsultraschallwandler besitzt erfindungsgemäß zur Erzeugung der erforderlichen Leistung vier piezokeramische Scheiben, die mechanisch in Reihe und paarweise elektrisch parallelgeschaltet sind. Dadurch werden eine Verringerung der elektrischen Impedanz bei Reihenresonanzbetrieb und eine Minimierung der elektromechanischen Wandlungsverluste sowie eine Verdopplung der Schwingungsamplitude des Piezoantriebs erreicht. Die dadurch erreichte geringe Verlustleistung ermöglicht den Betrieb des chirurgischen Handinstruments ohne zusätzliche Kühlung während chirurgischer Manipulationen. Die vier piezokeramischen Scheiben ermöglichen die Lagerung des Schwingsystems durch eine elektrisch masseführende Metallscheibe, die symmetrisch zwischen den piezokeramischen Scheiben im Iongitudinalen Schwingungsknoten angeordnet ist. Das bringt den Vorteil, daß auf eine elektrische Isolation zwischen der Metallscheibe und dem Gehäuse verzichtet werden kann. Diese Anordnung der Lagerstelle bewirkt ein Maximum der Amplitudentransformation des Piezoantriebes in Richtung des Aspirationsapplikators. Durch eine membranelastische Gestaltung der elektrisch masseführenden Metallscheibe erfolgt eine dämpfungs- und verlustarme Lagerung des Schwingsystems im Gehäuse. Durch ein schallabstrahlendes Koppelelement mit niedriger akustischer Impedanz, das sich mit definierter, an sich bekannter Mantelgeometrie auf den Durchmesser des Aspirationsapplikators verjüngt, wird die Schwingungsamplitude des Leistungsultraschallwandlers deutlich vergrößert und die Reflexion gemindert.

Der massiv ausgebildete Aspirationsapplikator besitzt erfindungsgemäß einen vom Arbeitsende ausgehenden genau eine Viertelwellenlänge langen axialen Kanal, der in der Zone des Schwingungsknotens über eine radiale Bohrung nach außen geführt und mit dem Saugschlauch verbunden ist. Die Anordnung des Schlauchanschlusses in der Zone des Schwingungsknotens verhindert ein Lösen der Schlauchverbindung und vermindert die Dämpfung des Schwingsystems. Der Ultraschallaspirator wird durch den Ultraschallgenerator in seiner Systemresonanz zu Iongitudinalen Schwingungen vorzugsweise im Bereich von 20 bis 4OkHz erregt. Dadurch schwingt die kreisringförmige Applikatorspitze mit einer Schwingungsamplitude von 15 bis 30 [im und zerstört bei Berührung das Tumorgewebe infolge des hohen Schallwechseldrucks. Die mechanische Wechselbeanspruchung, die durch auftretende Kavitation an der Koppelstelle zwischen Applikator und Tumorgewebe verstärkt wird, führt zum Zerreißen der Zellmembranen und zur Desintegration der Zellinhaltsstoffe. Das desintegrierte Gewebe wird durch einen Aspirationskanal des Applikators simultan abgesaugt. Dadurch wird die Verschleppung von Tumorzellen im Operationsgebiet verhindert und eine sehr gute Sichtkontrolle realisiert.

Das Entfernen des Tumors kann dabei durch ein vorwählbares Schall-Saug-Regime mit kontinuierlicher oder intervallartiger Ultraschallapplikation bei Taktfrequenzen von 0,1 bis 10Hz genau dosiert erfolgen. Die intervallartige Ultraschallapplikation ermöglicht ein sehr subtiles Arbeiten und begrenzt die uttraschallspezifischen Wirkungen. Die genannten Vorteile der zuverlässigen Arbeitsweise, geringen Eigenerwärmung, guten Manipulierbarkeit und Sterilisierbarkeit resultieren aus der erfindungsgemäßen Gestaltung des chirurgischen Handinstruments, das unter Beachtung der physikalischen Gesetze der Ultraschallausbreitung in Festkörpern rechnergestützt dimensioniert ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der dazugehörigen Zeichnungen näher beschrieben werden.

Fig. 1: zeigtdas Blockschaltbild der chirurgischen Operationseinrichtung Fig.2: zeigtdasSchall-Saug-Regime

a) Intervallschallbetrieb

b) Dauerschallbetrieb

Fig.3: zeigt chirurgisches Handinstrument als Ultraschallaspirator mit Schwingungs- und Dehnungsverlauf

Die chirurgische Operationseinrichtung (Fig. 1) besteht aus einem als Ultraschallaspirator ausgeführten Handinstrument 1 und einer Schall-Saug-Geräteeinheit 2. Diese Geräteeinheit 2 enthält einen Ultraschallgenerator 3 und einen Flüssigkeitssauger 4, die über eine flexible elektrische Leitung 5 und einen Saugschiauch 6 mit dem Handinstrument 1 verbunden sind. Die Aktivierung des Handinstruments 1 mit den Funktionen Schall und/oder Saugen an der Wirkstelle zum biologischen System 9 erfolgt über einen Fußschalter 7, der über Fernbedienungskabel 8 mit der Schall-Saug-Geräteeinheit 2 in Verbindung steht. Nach Fig.2 kann das Schall-Saug-Regime so gewählt werden, daß sowohl der Betrag als auch der zeitliche Verlauf der Schallintensität J im Vergleich mit dem Unterdruck ρ des Aspirators während der Aktivierungszeit t, entweder intervallartig (Fig.2a) oder kontinuierlich (Fig.2b) erfolgt. Bei Intervallschallbetrieb nach Fig.2a sind Periodendauer T, Schallzeit t_us und Pausenzeit t_p am Ultraschallgenerator frei wählbar. Bei diesem Schall-Saug-Regime können die chirurgischen Manipulationen infolge des zeitlich dosierten Ultraschallenergieumsatzes am krankhaften Biogewebe sehr genau begrenzt erfolgen. Nach Fig.3 ist das funktionsbestimmende chirurgische Handinstrument so konstruiert, daß ein Aspirationsapplikator 10 mit spezieller Mantelgeometrie als Halbwellenresonator in seiner Ejgenresonanz schwingt, wenn dieser mit gleicher Frequenz von einem Leistungsultraschallwandler 14 angeregt wird. Der Aspirationsapplikator 10 besitzt einen von seinem schlanken Ende ausgehenden axialen Kanal 11 mit einem Lumen von 1,2 bis 4,0 mm, der in der Zone des longitudinalen Schwingungsknotens über eine radiale Bohrung 12 nach außen zum Anschluß des Saugschlauches 6 geführt ist. Mit Hilfe von Schlüsselflächen 13 und über einen Gewindestift 28 ist der aus einer schwingelastischen, dämpfungsarmen, sterilisierbaren und physiologisch unbedenklichen Titanlegierung bestehende Aspirationsapplikator 10 an dem Leistungsultraschallwandler 14 lösbar befestigt. Diese Verbindungsstelle befindet sich in einem Maximum des longitudinalen Schwingungsverlaufes 29, in dem der Dehnungsverlauf 30 eine Nullstelle hat.

Der Leistungsultraschallwandler 14 besteht aus vier piezokeramischen Scheiben 15, zwei Kontaktelektroden 16, zwei Isolierbuchsen 17, einer masseführenden Metallscheibe 18 sowie zwei Koppelelementen 19 und 20, die miteinander mittels einer Innensechskantschraube 21 mechanisch verspannt sind. Das schallabstrahlende Koppelelement 19 besteht aus einem Werkstoff mit vergleichsweise zum Koppelelement 20 niedriger akustischer Impedanz und ist konisch gestaltet, um eine Amplitudentransformation der longitudinalen Schwingungen zu ermöglichen. Eine masseführende Metallscheibe 18 ist als membranelastische Lagerscheibe ausgeführt und im longitudinalen Schwingungsknoten des elektromechanischen Wandlers angeordnet. Sie ist in einem Gehäuse 22 gemeinsam mit einem Dämpfungsring 23 befestigt. Über eine flexible elektrische Leitung 5 mit einem Stecker 24 werden die elektrischen Anschlüsse durch eine in einem Gehäusedeckel 25 eingeschraubte Buchse 26 gespeist. Die paarweise angeordneten piezokeramischen Scheiben 15 sind hierbei elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet. Die Stabilisierung der Systemresonanz erfolgt elektronisch über den Ultraschallgenerator durch automatische Frequenznachführung. Der Saugschlauch 6 ist am Handinstrument durch einen Schlauchhalter 27 positioniert. Das Gehäuse 22 ist auf Nullpotentional gelegt und über die Schall-Saug-Geräteeinheit 2 mit dem im Raum installierten Potentialausgleich verbunden.

Claims (1)

1. Chirurgisches Handinstrument zur Entfernung von Tumorgewebe, bestehend aus einem piezoelektrischen Leistungsultraschallwandler und einem Aspirationsapplikator, die im Schwingungsbauch lösbar gekoppelt sind, das in seiner Systemresonanz zwischen 20 kHz und 40 kHz zu longitudinalen Schwingungen mit genau einer ganzen Wellenlänge erregt wird, über flexible elektrische Leitungen und einem Saugschlauch mit einer Schall-Saug-Geräteeinheit verbunden ist und durch einen Fußschalter aktiviert wird, wobei das schallabstrahlende Koppelelement des piezoelektrischen Leistungsultraschallwandlers und der Aspirationsapplikator verjüngt ausgebildet sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Leistungsultraschallwandler (14) vier mechanisch in Reihe und paarweise elektrisch parallel geschaltete piezokeramische Scheiben (15) besitzt, die durch eine elektrisch masseführende Metallscheibe (18) verbunden sind, die gleichzeitig als membranelastische Lagerscheibe im Schwingungsknoten angeordnet ist und daß ein massiver Aspirationsapplikator (10) verwendet wird, der einen vom Arbeitsende ausgehenden genau eine Viertelwellenlänge langen axialen Kanal (11) besitzt, der in der Zone des Schwingungsknotens über eine radiale Bohrung (12) mit dem Saugschlauch verbunden ist.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen