DE102015106749A1 - Multifunctional ultrasonic cutting device for attachment to a device for a minimally invasive procedure - Google Patents
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Abstract
Ultraschallschneidvorrichtung zur Befestigung an einer Vorrichtung für einen minimal invasiven Eingriff, insbesondere an einem Endoskop oder Laparoskop, umfassend: – ein Gehäuse, das an einer ersten Seite mit Befestigungsmitteln zur Befestigung an einer in den Körper einzuführenden Spitze des Endoskops oder Laparoskops versehen ist; – eine Schneidklinge die an einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet ist; – elektro-mechanische Antriebsmittel, die in dem Gehäuse integriert und mit der Schneidklinge in Wirkverbindung stehen, zur Ausübung von Schneidbewegungen verbunden sind.Ultrasound cutting device for attachment to a device for a minimally invasive procedure, in particular on an endoscope or laparoscope, comprising: - a housing, which is provided on a first side with attachment means for attachment to a tip of the endoscope or laparoscope to be introduced into the body; A cutting blade disposed on a second side of the housing; - Electro-mechanical drive means, which are integrated in the housing and in operative connection with the cutting blade, are connected to the exercise of cutting movements.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallschneidvorrichtung zur Befestigung an einer Vorrichtung für einen minimal invasiven Eingriff, insbesondere an einem Endoskop oder Laparoskop.The invention relates to an ultrasonic cutting device for attachment to a device for a minimally invasive procedure, in particular on an endoscope or laparoscope.
Gebiet der Erfindung:Field of the invention:
Im Bereich der Klingen für Schneidvorrichtungen gibt es eine Reihe von Anmeldungen US20l30123774,
Ferner gibt es eine Reihe von Ultraschalllanzetten, umfassend:
Diese Ultraschall-Lanzetten sind auch teilweise in der Lage, Knochengewebe zu schneiden und weisen mehrere Klingen auf. Die Ultraschallfunktionalität ist jedoch nicht direkt in die Klinge integriert und weist keine Vielfalt an Funktionen auf.These ultrasound lancets are also partially capable of cutting bone tissue and have multiple blades. However, the ultrasound functionality is not integrated directly into the blade and has no variety of functions.
Die Ultraschall-Lanzetten verwenden eine Technologie, bei der die Ultraschallschwingungen im Griff erzeugt werden, wodurch sie nicht in flexiblen Endoskopen verwendet werden können. Auch sind die Klingen nur Einsätze für diese Geräte und daher kein eigenständiges Ultraschallgerät. The ultrasound lancets use technology that creates the ultrasonic vibrations in the grip, which prevents them from being used in flexible endoscopes. Also, the blades are only inserts for these devices and therefore no independent ultrasound device.
Übersicht über die Erfindung:Overview of the invention:
Zur Lösung der oben genannten Probleme wird eine Erfindung gemäß den Merkmalen der Ansprüche vorgeschlagen.To solve the above-mentioned problems, an invention according to the features of the claims is proposed.
Insbesondere handelt es sich um eine miniaturisierte integrierte Ultraschallschneidvorrichtung zur Befestigung an einer Vorrichtung für einen minimalinvasiven Eingriff, insbesondere einem Endoskop oder Laparoskop, bei der die Schneidklinge in unmittelbarer Verbindung mit einem mechanischen Antriebsmittel steht. Diese umfasst
- – ein Gehäuse, das an einer ersten Seite mit Befestigungsmitteln zur Befestigung an einer in den Körper einzuführenden Spitze des Endoskops oder Laparoskop versehen ist. Diese Verbindung kann steckend, schraubend oder klemmend erfolgen.
- – eine Schneidklinge die an einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet ist;
- – elektro-mechanische Antriebsmittel, vorzugsweise ein piezoelektrisches Material, die in dem Gehäuse integriert und mit der Schneidklinge in Wirkverbindung stehen zur Ausübung von Schneidbewegungen.
- - A housing which is provided on a first side with fastening means for attachment to a tip of the endoscope or laparoscope to be inserted into the body. This connection can be stuck, screwed or clamped.
- A cutting blade disposed on a second side of the housing;
- - Electro-mechanical drive means, preferably a piezoelectric material, which are integrated in the housing and in operative connection with the cutting blade for performing cutting movements.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfindung ein zylinderförmiges Gehäuse, dessen Form und Größe einen bündigen Übergang zur Spitze des Endoskop oder Laparoskop bereitstellt.In a preferred embodiment, the invention includes a cylindrical housing whose shape and size provides a flush transition to the tip of the endoscope or laparoscope.
Das Gehäuse hat vorzugsweise einen Durchmesser von 1–20mm und eine Länge von 1–40mm.The housing preferably has a diameter of 1-20mm and a length of 1-40mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich das Gehäuse in Richtung der Schneidklinge konisch bzw. kegelförmig, um einen fließenden verjüngenden Übergang zu der Schneidklinge zu bilden.In a preferred embodiment, the housing tapers in the direction of the cutting blade to form a flowing tapered transition to the cutting blade.
In einer alternativen Ausführungsform erweitert sich die Schneidklinge kegelförmig, um sich in das Gehäuse zu erstrecken. Hierbei kann das Gehäuse rohrförmig sein und die Schneidklinge zum Gehäuse eine runde Erweiterung aufweisen, so dass die runde Erweiterung sich passgenau in das rohrförmige Gehäuse erstreckt, wobei ausreichend Spiel gegeben sein kann, um die Vibration des elektro-mechanischen Antriebsmittels zu übertragen, das im Gehäuse angeordnet ist und das auf die Rückseite der Schneidklinge wirkt.In an alternative embodiment, the cutting blade widens conically to extend into the housing. Here, the housing may be tubular and the cutting blade to the housing have a round extension, so that the round extension fits precisely into the tubular housing, with sufficient clearance can be given to transmit the vibration of the electro-mechanical drive means, which in the housing is arranged and which acts on the back of the cutting blade.
Die Länge der Schneidklinge ist vorzugsweise 5–20 mm und /oder die Zähne springen 1–8mm vor.The length of the cutting blade is preferably 5-20 mm and / or the teeth project 1-8mm.
Das Gehäuse weist an der ersten Seite mindestens zwei elektrische Anschlüsse, insbesondere Steckverbindungen auf, über die Spannung für die elektro-mechanischen Antriebsmittel bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann es einen dritten elektrischen Anschluss geben, der seine Energie direkt auf die Schneide ausgibt.The housing has on the first side at least two electrical connections, in particular plug connections, via which voltage is provided for the electro-mechanical drive means. In addition, there may be a third electrical connection that outputs its energy directly to the cutting edge.
Die ersten beiden Anschlüsse geben Energie an ein oder mehrere Piezoelemente weiter, wobei die Piezoelemente vorzugsweise keramische Piezoelemente sind, die vorzugsweise frei von Blei sind.The first two terminals pass energy to one or more piezo elements, the piezo elements preferably being ceramic piezo elements, which are preferably lead-free.
Ferner kann die Erfindung einen Kanal zur Fluid-Zuführung umfassen, der sich vorzugsweise durch das Gehäuse erstreckt, und mit einer Seite mit einem Kanal im Endoskop oder Laparoskop in Verbindung steht, und mit einer anderen Seite im Bereich der Klinge eine Öffnung für einen Fluid-Auslass hat. Further, the invention may include a fluid delivery channel which preferably extends through the housing and communicates with one side with a channel in the endoscope or laparoscope and another with an opening in the region of the blade for fluid communication. Outlet has.
Auch kann die Erfindung einen Kanal zur Fluid-Absaugung umfassen, der sich vorzugsweise durch das Gehäuse erstreckt und mit einer Seite mit einem Kanal im Endoskop oder Laparoskop in Verbindung steht, und mit einer anderen Seite im Bereich der Klinge eine Öffnung für eine Fluid-Absaugung hat. Also, the invention may include a fluid suction channel which preferably extends through the housing and communicates with one side with a channel in the endoscope or laparoscope, and with another side in the region of the blade has an opening for fluid suction Has.
Die Öffnungen treten vorzugsweise im kegelförmigen Bereich, der beim Übergang vom Gehäuse zur Klinge angeordnet ist, und vorzugsweise seitlich der Klinge aus.The openings preferably occur in the conical region which is arranged at the transition from the housing to the blade, and preferably laterally from the blade.
Ein weiterer Teil der Erfindung ist eine Steuerung für eine Ultraschallschneidvorrichtung wie oben beschrieben, die ausgebildet und angepasst ist, dass durch Steuerung der Spannung und/oder der Amplituden und Frequenzen der Spannung am ersten und zweiten elektrischen Anschluss an der Klinge eine Frequenz im Bereich von 22–44 kHz erzeugt wird, so dass eine Leistung an der Klinge von vorzugsweise 4 bis 60 Watt erreicht wird, um Knochengewebe zu schneiden, und/oder
- – dass durch Steuerung der Spannung und/oder deren Amplituden und Frequenzen der Spannung am ersten und zweiten elektrischen Anschluss eine Frequenz im Bereich von mehr als 55 kHz an der Klinge erzeugt wird, um Weichgewebe zu schneiden.
- - That by controlling the voltage and / or their amplitudes and frequencies of the voltage at the first and second electrical connection, a frequency in the range of more than 55 kHz is generated on the blade to cut soft tissue.
Ferner kann die Steuerung eine Koagulation, ein Verschweißen oder Löten durch die Schneidklinge umsetzen, vorzugsweise durch Verbrennen/Schmelzen des Weichgewebes Further, the controller may implement coagulation, welding or brazing by the cutting blade, preferably by burning / melting the soft tissue
Auch eine Ablation kann mit der Klinge und dem dritten Anschluss durchgeführt werden.Ablation can also be performed with the blade and the third port.
In einer weiteren Ausführungsform ermöglicht die Steuerung eine Irrigation. Eine Kühlung kann durch die Klinge und Kanäle erreicht werden, indem vorzugsweise eine physiologische Kochsalzlösung eingeleitet wird.In another embodiment, the controller allows for irrigation. Cooling may be achieved through the blade and channels, preferably by introducing a physiological saline solution.
Auch kann die Steuerung eingesetzt werden, um eine Materialextraktion durch Ansteuerung der Klinge und des Kanals zum Absaugen von Fluid zu erreichen, indem eine Extraktion der verbleibenden physiologischen Flüssigkeiten, Blut, und Schnittresten von sowohl mineralisierten als auch Weichgewebe erfolgt, wobei durch eine Vakuumpumpe über den Kanal eine Druckdifferenz in den Bereich der Klinge transferiert wird. Also, the controller may be used to achieve material extraction by driving the blade and channel to aspirate fluid by extracting the remaining physiological fluids, blood, and cut remnants of both mineralized and soft tissue, via a vacuum pump Channel a pressure difference is transferred to the area of the blade.
Auch kann eine Medikamenten-Versorgung über die Klinge und den Kanal zur Fluid-Zuführung erreicht werden, wobei die Steuerung eine Spannung am ersten und zweiten elektrischen Anschluss anlegt, die vorzugsweise über eine Frequenz so ausgelegt ist, dass Proteine und kleinere chemische Mittel durch Verwendung der Kavitationsblasen transportiert werden.Also, drug delivery may be accomplished via the blade and the fluid delivery channel, the controller applying a voltage across the first and second electrical leads, which is preferably configured at a frequency such that proteins and minor chemical agents may be released by use of the Cavitation bubbles are transported.
Ein weiterer Teil der Erfindung ist die Verwendung der Erfindung zur Durchführung der folgenden und oben genannten Arbeitsschritte.Another part of the invention is the use of the invention for carrying out the following and above steps.
Auch kann die Steuerung genutzt werden, um Bilder vom Bereich der Schneidklinge und dem dort verarbeiteten Material bereitzustellen, indem die Reaktion und Verhaltensweisen der Klinge und der Piezokeramik erfasst werden, wobei die modifizierten Vibrationen, Amplituden oder Frequenzen als Reaktion auf Schnittkräfte erfasst und dargestellt werden. Also, the controller may be used to provide images of the area of the cutting blade and material processed thereon by detecting the response and behaviors of the blade and piezoceramic, detecting and displaying the modified vibrations, amplitudes or frequencies in response to cutting forces.
Die Integration des piezoelektrischen Materials in die Spitze ermöglicht die Entwicklung eines miniaturisierten Werkzeuges, das für eine Vielzahl sinnvoller Anwendungen eingesetzt werden kann, z.B. um gezielt harte oder weiche Materialien zu schneiden, zum Löten, Schweißen und zur Erhitzung. Darüber hinaus erlaubt die Integration der piezoelektrischen Technologie direkt in die Klinge die Verbindung mit bereits vorhandenen Produkten, wie Endoskopen und Lapraskopen, mit nur minimalem Aufwand.The integration of the piezoelectric material into the tip allows the development of a miniaturized tool that can be used for a variety of useful applications, e.g. to selectively cut hard or soft materials, for soldering, welding and heating. In addition, the integration of piezoelectric technology directly into the blade allows for connection to existing products such as endoscopes and laproscopes with minimal effort.
Durch diese Erfindung wird das Ziel, eine miniaturisierte multifunktionale Klinge bereitzustellen, erreicht. Es erfolgt somit die Integration eines bleifreien, ungiftigen piezoelektrischen Materials in eine exakt gestaltete Klinge, die mit einer Frequenz im Ultraschallbereich vibriert.This invention achieves the goal of providing a miniaturized multifunctional blade. There is thus the integration of a lead-free, non-toxic piezoelectric material into a precisely shaped blade which vibrates at a frequency in the ultrasonic range.
Die Entwicklung der Klinge kann als medizinisches minimal-invasives Gerät erfolgen. Bleifreie piezoelektrische Materialien sind in besonderer Weise für Anwendungen im medizinischen Bereich geeignet. So ist es z.B. möglich, Knochen mit einer minimalen iatrogenen Verletzung des weichen Gewebes zu schneiden, was für bestimmte medizinische Eingriffe eine kritische Eigenschaft ist. Die Klinge ermöglicht diesen selektiven Schnitt durch sehr präzise Ultraschallvibrationen bei geeigneter Frequenz und Energieabgabe. Die präzise Bewegung der Klinge wird durch ein darauf optimiertes piezoelektrisches Material und vorzugsweise durch ein entsprechendes Design der Erfindung erreicht. Darüber hinaus hat die Klinge auch in Verbindung mit einer passenden Steuerung viele weitere Funktionen, wie das Schneiden und Abtragen von Gewebe, sowie eine unipolare Koagulation. Außerdem wird die Klinge mit isotonischer Kochsalzlösung gekühlt, die auch zur Spülung eingesetzt werden kann, und sie hat die Möglichkeit, abgeschnittenes Material nach außen abzuführen. Alle Funktionen können durch ein einzelnes Klingenelement mit einer Größe von vorzugsweise einem halben Zentimeter (andere Größen sind denkbar) durchgeführt werden, was das Schneiden von Knochen mit Ultraschall in einem minimal-invasiven Chirurgie(MIC)-Gerät, z.B. einem Laparoskop oder Endoskop, ermöglicht. Im Folgenden wird nicht explizit zwischen Laparoskop oder Endoskop unterschieden, obwohl technisch unterschiedlich, jedoch in der Anwendung ähnlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet sich besonders für komplizierte Operationen an, wie Operationen im neurologischen Bereich oder Operationen an der Wirbelsäule, da bei diesen Operationen die Patienten im Falle eines medizinischen Fehlers einem hohen Kollateralschadensrisiko ausgesetzt sind. The development of the blade can be done as a medical minimally invasive device. Lead-free piezoelectric materials are particularly suitable for medical applications. For example, it is possible to cut bone with minimal iatrogenic injury to the soft tissue, which is a critical property for certain medical procedures. The blade allows this selective cutting by very precise ultrasonic vibrations at a suitable frequency and energy output. The precise movement of the blade is achieved by a piezoelectric material optimized thereon and preferably by a corresponding design of the invention. In addition, the blade also has many other functions in connection with a suitable control, such as the cutting and ablation of tissue, as well as a unipolar coagulation. In addition, the blade is cooled with isotonic saline, which can also be used for rinsing, and it has the ability to cut material to the outside dissipate. All functions may be performed by a single blade element of preferably one-half centimeter size (other sizes are conceivable), which allows ultrasound to be cut in a minimally invasive surgery (MIS) device such as a laparoscope or endoscope , The following does not explicitly distinguish between laparoscope and endoscope, although technically different, but similar in use. The device according to the invention is particularly suitable for complicated operations, such as operations in the neurological area or operations on the spinal column, since in these operations the patients are exposed to a high risk of collateral damage in the event of a medical error.
Die technologischen Parameter der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.The technological parameters of the invention will be described below.
Piezoelektrisches Material: Die Vibration wird vorzugsweise durch eine piezoelektrische Keramik erzeugt, die im Vergleich zu den aktuell verfügbaren Materialien hervorragende Eigenschaften besitzt. Diese piezoelektrische Keramik kann bleifrei sein. Es wird ein piezoelektrisches Material verwendet, welches hohe Schwingungsgeschwindigkeiten und Verschiebungen erreichen kann und zusätzlich eine geeignete Blockierkraft bei geringer Dissipation von Wärme aufweist. Die notwendige Energiedichte sollte auch bei dem geforderten Maßstab erreicht werden, was eine technische Schwierigkeit darstellt, die nur mit einem geeigneten Design gelöst werden kann. Hierbei kann ein monolithisches oder ein vielschichtiges Materialdesign verwendet werden.Piezoelectric material: The vibration is preferably generated by a piezoelectric ceramic, which has excellent properties compared to the currently available materials. This piezoelectric ceramic can be lead-free. A piezoelectric material is used which can achieve high vibrational speeds and shifts and additionally has a suitable blocking force with little dissipation of heat. The necessary energy density should also be achieved at the required scale, which represents a technical difficulty that can only be solved with a suitable design. Here, a monolithic or a multi-layered material design can be used.
Schwingung der Klinge: Zum einen wird ein geeignetes Design benötigt, um die gewünschten Schwingungen zu erreichen. Um eine oszillierende Bewegung einer sehr kleinen Klinge bei sehr hohen Frequenzen zu erreichen, ist das richtige geometrische Design der Klinge in Verbindung mit den Piezokeramiken zu wählen. Mit Hilfe fortschrittlicher Multiphysik-Simulationssoftware ist es möglich, die Effekte der Piezokeramiken auf die Vibration der Klinge im Vorfeld zu berechnen. Das Ziel dabei ist es, eine Geometrie zu erreichen, so dass die Eigenfrequenz der Klinge, d.h. deren Resonanz, mit dem elektrischen Signal, das die Piezokeramiken antreibt, übereinstimmt.Oscillation of the blade: First, a suitable design is needed to achieve the desired vibrations. In order to achieve an oscillating movement of a very small blade at very high frequencies, the correct geometric design of the blade in conjunction with the piezoceramics must be chosen. With the help of advanced multiphysics simulation software, it is possible to calculate the effects of the piezoceramics on the vibration of the blade in advance. The goal is to achieve a geometry such that the natural frequency of the blade, i. whose resonance coincides with the electrical signal driving the piezoceramics.
Materialauswahl der Klinge: Eine geeignete Materialauswahl für die Härte der Klingenspitze und den Widerstand gegen Abrasion ist ein möglicher Schlüssel, um eine gute Funktionalität des Gerätes zu garantieren. Außerdem ist ein geringer Reibungswiderstand erwünscht, um die Wärmeproduktion während der Teilung von harten Materialien klein zu halten. Des Weiteren kann eine Oberflächenbehandlung der Klingenspitze erfolgen. Die Fähigkeit, verschiedene harte Materialien zu zerschneiden, sowie die Effizienz des Schneidvorgangs sind jeweils sicherzustellen. Sobald das mechanische Verhalten der Klinge dem elektrischen Verhalten der Piezokeramiken angepasst ist, ist es möglich, die Schneidebewegung sehr präzise mittels einer kontrollierbaren Stromversorgung, bzw. Steuerung, einzustellen.Material selection of the blade: A suitable choice of material for the hardness of the blade tip and the resistance to abrasion is a possible key to guarantee a good functionality of the device. In addition, a low frictional resistance is desired to minimize heat production during the division of hard materials. Furthermore, a surface treatment of the blade tip can take place. The ability to cut various hard materials and to ensure the efficiency of the cutting process. Once the mechanical behavior of the blade is adapted to the electrical behavior of the piezoceramics, it is possible to adjust the cutting motion very precisely by means of a controllable power supply or control.
Biomedizinische Faktoren: Einerseits ist es möglich, durch die Anpassung der Resonanzfrequenz der Klinge, vorzugsweise zwischen 24 und 36 kHz und mit einer Leistung an der Spitze von 4 bis 60 Watt, ausschließlich Knochengewebe zu schneiden und damit zu verhindern, dass weicheres Gewebe, wie Haut oder Nerven, verletzt werden. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Klinge derart gestaltet, dass sie in der Lage ist, sowohl gezielt weiches Gewebe zu schneiden, als auch Gewebe abzutragen, Gewebe zu koagulieren, zu spülen und Gewebe zu extrahieren. Weiches Gewebe kann dadurch geschnitten werden, dass die Spitze auf eine zweite Resonanzfrequenz von mehr als 55 kHz ausgelegt wird (dies ist die obere Grenze der Frequenz, die weiches Gewebe aushalten kann) bzw. stärkere externe Kräfte angewendet werden, oder Spannung auf die Spitze gelegt wird. Die Abtragung von Gewebe und die unipolare Koagulierung können durch die Anwendung der korrekten Spannung an der leitenden Spitze erreicht werden. Dies ist eine Technologie, die durch eine Steuereinheit bereitgestellt wird. Die Spülung und die Extraktion von abgeschnittenem Gewebe während der Operation erfolgt über zwei Kanäle im sogenannten endoskopischen Arm und entsprechenden Pumpen, die von der Steuerung angefahren werden. Diese Kanäle befinden sich in oder nahe der Klinge und sichern damit eine maximale Integration und Miniaturisierung. Biomedical factors: On the one hand, by adjusting the resonant frequency of the blade, preferably between 24 and 36 kHz and with a peak power of 4 to 60 watts, it is possible to cut exclusively bone tissue and thus prevent softer tissue such as skin or nerves, get hurt. In addition, the blade of the present invention is designed to be capable of selectively cutting soft tissue as well as ablating tissue, coagulating, rinsing, and extracting tissue. Soft tissue can be cut by laying the tip at a second resonant frequency greater than 55 kHz (this is the upper limit of the frequency that soft tissue can endure), or applying stronger external forces, or placing stress on the tip becomes. Tissue removal and unipolar coagulation can be achieved by applying the correct voltage to the conductive tip. This is a technology provided by a control unit. The rinsing and the extraction of cut tissue during the operation takes place via two channels in the so-called endoscopic arm and corresponding pumps, which are approached by the control. These channels are located in or near the blade, ensuring maximum integration and miniaturization.
Integration: Die Klinge kann in kommerziell verfügbare Endoskope und Steuergeräte, sowie in andere minimal invasive Geräte integriert werden. Die gewünschten Funktionen der Klinge werden in kommerziell verfügbare, bereits vorhandene Arme und Steuereinheiten integriert.Integration: The blade can be integrated into commercially available endoscopes and controllers, as well as other minimally invasive devices. The desired functions of the blade are integrated into commercially available, existing arms and control units.
Um das Verhalten der Klinge während der Schwingung bei Ultraschallfrequenzen zu evaluieren, kann ein theoretisches Modell auf Basis der finiten Elemente genutzt werden. Dieses erlaubt eine Simulation der Klinge, zusammen mit dem piezoelektrischen Material, wobei verschiedene mechanische und elektrische Parameter simultan analysiert werden können. Mehrere Gestaltungsoptionen können numerisch getestet und kontinuierlich verbessert werden. Verschiedene Geometrien für die Klinge und die Piezokeramiken können modelliert werden. Ebenfalls können verschiedene Materialien für die Spitze mittels numerischer Methoden analysiert werden: Titan, Stahl, Aluminium und 3D-gedruckte Polyamide. Verschiedene piezokeramische Materialien können ebenfalls getestet werden.In order to evaluate the behavior of the blade during oscillation at ultrasonic frequencies, a theoretical model based on the finite elements can be used. This allows simulation of the blade, along with the piezoelectric material, whereby various mechanical and electrical parameters can be analyzed simultaneously. Several design options can be numerically tested and continuously improved. Different geometries for the blade and the piezoceramics can be modeled. Also, different materials for the tip can be analyzed by numerical methods: titanium, steel, aluminum and 3D printed Polyamides. Various piezoceramic materials can also be tested.
Die Bewältigung aller genannten Herausforderungen ermöglicht die Entwicklung einer Ultraschallklinge in der Größe von einigen Millimetern mit dennoch ausreichender Leistung, die damit in einem Verfahren zum endoskopischen Schneiden von Knochengewebe in der MIC angewendet werden kann. Die Erfindung weist somit die folgenden wesentlichen Merkmale auf:
- • Neuartiges Design, das die Größe des Gerätes im Vergleich zur derzeit verfügbaren Technologie entscheidend verringert und damit erstmalig die Verwendung für MIC ermöglicht.
- • Nutzung von neuartigen, vorzugsweise ungiftigen piezoelektrischen Materialien mit und ohne Blei in Verbindung mit den bekannten Vorteilen des Schneidens von Knochen auf Basis von Ultraschall.
- • Kompatibilität mit bereits vorhandenen endoskopischen und laparoskopischen Instrumenten.
- • Durch das einfache und durchdachte Design ermöglicht das Gerät eine Fülle von Funktionalitäten, die so in den aktuell kommerziell verfügbaren Produkten nicht gegeben ist.
- • Novel design that dramatically reduces the size of the device compared to currently available technology, allowing it to be used for MIC for the first time.
- Use of novel, preferably non-toxic leadless and leadless piezoelectric materials in conjunction with the known advantages of ultrasonic bone cutting.
- • Compatibility with existing endoscopic and laparoscopic instruments.
- • The device's simple and sophisticated design provides a wealth of functionality not available in today's commercially available products.
Eine ultraschallintegrierte multifunktionale Spitze wurde bislang noch nicht im Bereich der MIC genutzt, wo gerade die Präzision das höchste Ziel ist. Die Klinge passt sehr gut zur MIC für komplizierte Wirbelsäulen-Operationen und neurologische Eingriffe, da sie wesentliche Vorteile für alle Beteiligten
mit sich bringt:
- • Für Patienten: Kleinere iatrogene Verletzungen, welche weniger Schmerzen und eine kürzere Genesungszeit mit sich bringen.
brings with it:
- • For Patients: Minor iatrogenic injuries that result in less pain and a shorter recovery time.
Die vorliegende Technologie richtet sich daher vorzugsweise an alle chirurgischen Verfahren die ein hohes Maß an Exaktheit erfordern, wie z.B. hoch komplexe Eingriffe in der Nähe von wichtigen Nerven oder nahe am Gehirn.The present technology is therefore preferably directed to all surgical procedures requiring a high degree of accuracy, such as e.g. highly complex procedures close to important nerves or close to the brain.
Neben dem neuartigen Design kann die Verwendung von ungiftigen oder bleihaltigen piezoelektrischen Materialien von entscheidender Bedeutung sein. Die Geometrie des Piezoantriebs kann rechteckig oder kreisförmig sein, eine monolithische Platte / Zylinder / Block oder ein Ring sein. Ferner kann es ein rechteckiger oder runder Vielschichtaktor mit 2 bis 50 Schichten mit einer variierenden Dicke der aktiven Schichten von 20 bis 100 µm sein. Die Elektroden können aus Ag, Ni, Ni-Pd, AI oder Anderem sein. Die piezoelektrischen Eigenschaften sind eine leitfähige Elektrode auf der Oberfläche, Spannung von 10–1000V, Betriebs-Temperatur von 25 bis 250 ° C, mit Beschichtungen für eine elektrische Isolation. Die Piezokeramik ist in einem Hohlraum in der Schneidklinge über einen Stecker, eine Sicke oder einen aushärtenden Kleber vormontiert. Die Piezokeramik befindet sich zwischen der Klinge und dem laparoskopischen / endoskopischen Gerät. Eine mechanische Vorspannung der Piezokeramik wird durch die starre Verbindung sichergestellt und fördert eine optimale Verarbeitbarkeit.In addition to the novel design, the use of non-toxic or lead-containing piezoelectric materials may be of crucial importance. The geometry of the piezo drive may be rectangular or circular, a monolithic plate / cylinder / block or a ring. Further, it may be a rectangular or round multilayer actuator having 2 to 50 layers with a varying thickness of the active layers of 20 to 100 μm. The electrodes may be made of Ag, Ni, Ni-Pd, Al or others. The piezoelectric properties are a conductive electrode on the surface, voltage of 10-1000V, operating temperature of 25 to 250 ° C, with coatings for electrical insulation. The piezoceramic is preassembled in a cavity in the cutting blade via a plug, a bead or a curing adhesive. The piezoceramic is located between the blade and the laparoscopic / endoscopic device. A mechanical bias of the piezoceramic is ensured by the rigid connection and promotes optimum processability.
Die Schneidklinge kann aus Stahl, Titan, Aluminium oder Keramik hergestellt sein. Sie kann beschichtet, oder nicht beschichtet sein mit Titan-Nitrid oder diamantähnlichem Kohlenstoff. Die schmale dünne Schneidklinge mit seinen scharfen Spitzen ist mit einer festen Basis in runder oder rechteckiger Form verbunden, die vorzugsweise monolithisch ausgebildet sind. Die Schneidklinge beträgt 5–20 mm, mit scharfen Schneidkanten von 2–8 mm. Es handelt sich um Maschinen bearbeitetes Material für eine optimale Festigkeit und mit einer Beschichtung, um die Härte und die Schneidfähigkeit zu erhöhen. Die Schneidklinge ist über das Gehäuse durch eine Schraube, ein integriertes Gewinde, einen mechanischen Stecker, oder eine Klammer mit dem laparoskopischen /endoskopischen Gerät verbunden.The cutting blade can be made of steel, titanium, aluminum or ceramic. It may be coated or uncoated with titanium nitride or diamond-like carbon. The narrow thin cutting blade with its sharp tips is connected to a solid base in a round or rectangular shape, which are preferably monolithic. The cutting blade is 5-20 mm, with sharp cutting edges of 2-8 mm. It is machined material for optimum strength and with a coating to increase hardness and cutting ability. The cutting blade is connected to the laparoscopic / endoscopic device via the housing by a screw, an integrated thread, a mechanical plug, or a clip.
Zusätzlich sind Kabelverbindungen als Spannungsversorgungen vorgesehen, die einen geringen Widerstand aufweisen und aus metallischen Legierungen bestehen können (Ag, Ni, Ni-Pd, Al und weitere). Die Kabelverbindungen haben einen runden oder flachen Querschnitt, sodass sie eine Spannung von 10–1000 V übertragen können und einen Strom im Bereich von 10–50 mA, wobei eine entsprechende Beschichtung zur Isolation gegeben ist. Die leitenden Kabel sind eingeschoben oder eingeklebt entlang der Seite des Blattes und erstrecken sich von der festen Basis bis zur scharfen Schneide.In addition, cable connections are provided as power supplies, which have a low resistance and can consist of metallic alloys (Ag, Ni, Ni-Pd, Al and others). The cable connections have a round or flat cross-section so that they can transmit a voltage of 10-1000 V and a current in the range of 10-50 mA, with a corresponding coating for insulation. The conductive cables are inserted or glued along the side of the blade and extend from the fixed base to the sharp edge.
Grundsätzlich gibt es 2 Kanäle; einerseits zum Bereitstellen von Fluid, andererseits zum Absaugen von Fluid. Diese Kanäle sind aus einer Metalllegierung oder aus einem flexiblen Polymer gebildet worden. Sie weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind als langer flexibler Schlauch ausgebildet. Der innere Durchmesser ist vorzugsweise nur 5–2 mm, sodass ein maximaler interner Druck von 10 KPa (Kilopascal) bis 2 MPa (Megapascal) aufrecht gehalten werden kann. Eine Beschichtung ist ebenfalls vorgesehen, um einen Oxidationsschutz bereitzustellen. Die Kanäle sind benachbart zum Blatt angeordnet und verwenden in einer möglichen nicht dargestellten Ausführungsform einen Unterstützungsring, der mit der festen Basis verbunden ist, wodurch eine enge Verbindung des Kanals und der Klinge erreicht werden kann. Um einen höheren Grad von Miniaturisierung zu erreichen, könnte ein Kanal auch innerhalb des Blattes ausgebaut werden, der sich dann von der festen Basis entlang der Seiten des Blattes ggfs. bis zur Spitze erstreckt. Ein solcher Kanal wird direkt in der Nähe des Blattes zusammengesetzt, unter Verwendung eines Unterstützungsringes, er ist mit der festen Basis verbunden. Neben dem Fluid-Kanal ist ebenfalls ein Vakuum-Kanal vorgesehen, dessen Aufbau ähnlich ist, der jedoch vorzugsweise einem inneren Druck von 1–30 Kilopascal standhält. Auch hier kann, zum Zwecke der Miniaturisierung, eine Anordnung innerhalb des Blattes im Seitenbereich oder seitlich des Blattes vorgesehen sein.There are basically 2 channels; on the one hand for providing fluid, on the other hand for sucking off fluid. These channels have been formed from a metal alloy or from a flexible polymer. They preferably have a circular cross section and are formed as a long flexible hose. The inner diameter is preferably only 5-2 mm, so that a maximum internal pressure of 10 KPa (kilopascals) to 2 MPa (megapascals) can be maintained. A coating is also provided to provide oxidation protection. The channels are located adjacent to the blade and in one possible embodiment, not shown, use a support ring connected to the fixed base, whereby a close connection of the channel and the blade can be achieved. To achieve a higher degree of miniaturization, a channel could also be expanded within the blade, which then extends from the fixed base along the sides of the blade, if necessary, to the tip. Such a channel is assembled directly in the vicinity of the sheet, using a Support ring, it is connected to the solid base. In addition to the fluid channel also a vacuum channel is provided, the structure of which is similar, but which preferably withstands an internal pressure of 1-30 kilopascals. Again, for the purpose of miniaturization, an arrangement may be provided within the sheet in the side area or laterally of the sheet.
Sollte beabsichtigt werden, zum Beispiel, ein hartes Material wie Knochen zu schneiden, so empfängt die Piezokeramik vorzugsweise eine Eingangsspannung von 10 bis 1000 V. Ferner soll eine Frequenz von 22 bis 44 kHz erzeugt werden. Die Spannung kann in Form einer Sinuswelle durch die Steuerung kontinuierlich angelegt oder moduliert werden, unter Berücksichtigung der Resonanz der Klinge, um einen moderaten oder maximierten Schnitt-Effekt zu erzielen. Die Modulationsfrequenz kann unter 100 Hz gehalten werden und kann als Modulationswelle als sinusförmiges Eingangssignal bestimmt werden. Die Piezokeramik wird Schwingungen in der vertikalen Richtung der Amplituden im Bereich von 1 bis 200 µm ausgesetzt. Die Ausgangsleistung reicht von 4 bis 60 Watt. Die Kräfte liegen im Bereich von 0,1 N (10 g) und 2 N (200 g), die für einen korrekten Schnitt angewendet werden.Should it be intended, for example, to cut a hard material such as bone, the piezoceramic preferably receives an input voltage of 10 to 1000 V. Further, a frequency of 22 to 44 kHz is to be generated. The voltage may be continuously applied or modulated in the form of a sine wave by the controller, taking into account the resonance of the blade, to achieve a moderate or maximized cutting effect. The modulation frequency can be kept below 100 Hz and can be determined as a modulation wave as a sinusoidal input signal. The piezoceramic is subjected to vibrations in the vertical direction of the amplitudes in the range of 1 to 200 μm. The output power ranges from 4 to 60 watts. The forces are in the range of 0.1 N (10 g) and 2 N (200 g), which are used for a correct cut.
Aufgrund der Vibration treten Schwachstellen innerhalb des festen Materials auf, welche die Neigung von kristallinen Materialien, sich zu trennen (Spaltung), unterstützen. Kavitations-Nebel hilft beim Schneiden des Knochens durch genaues Anpassen der akustischen Impedanz des Knochens und der Schneidvorrichtung. Auch hilft die Kavitation Schnitt-Reste zu entfernen.Due to the vibration, weak spots occur within the solid material which promote the tendency of crystalline materials to separate (cleavage). Cavitation mist helps cut the bone by accurately adjusting the acoustic impedance of the bone and cutting device. Also, the cavitation helps to remove cut remnants.
Die Vorteile der Erfindung liegen im Schneiden des mineralisierten Knochengewebes, ohne Schnitte und Läsionen im Weichgewebe, und insbesondere bei neurovasculären Strukturen in einer minimal invasiven Umgebung mit starren oder flexiblen Vorrichtungen, die mit Laparoskopen oder Endoskopen kompatibel sind.The advantages of the invention are cutting of the mineralized bone tissue, without cuts and lesions in the soft tissue, and particularly in neurovascular structures in a minimally invasive environment with rigid or flexible devices compatible with laparoscopes or endoscopes.
Wie bereits oben ausgeführt kann die Erfindung auch unter bestimmten Parametern für das Schneiden von Weichgewebe (weiches Material) genutzt werden. Hierzu kann ein heißer Draht oder die Klinge bzw. Schneidklinge genutzt werden. Durch Auswahl der Schwingungsfrequenz der Klinge auf Werte von mehr als 55 kHz, durch Anlegen einer externen Kraft von 0,1–2N, oder durch die Anwendung einer unipolaren / bipolaren Spannung mit einer maximaler Amplitude von 180 V und einer Frequenz von 0,2 bis 3,3 MHz ohne Modulation kann ein Weichgewebe geschnitten werden.As already stated above, the invention can also be used under certain parameters for cutting soft tissue (soft material). For this purpose, a hot wire or the blade or cutting blade can be used. By selecting the vibration frequency of the blade at values greater than 55 kHz, by applying an external force of 0.1-2N, or by applying a unipolar / bipolar voltage with a maximum amplitude of 180 V and a frequency of 0.2 to 3.3 MHz without modulation, a soft tissue can be cut.
Eine Koagulation / Verschweißen/ Löten kann ebenfalls durch die Klinge bzw. Schneidklinge erfolgen. Die Koagulation erfolgt durch Verbrennen des Weichgewebes durch Aufbringen von alternierenden, unipolaren / bipolaren Spannungsamplituden von 180–1200V und Frequenzen von 0,2–3,3 MHz mit einer Modulation von vorzugsweise weniger als 10% Tastgrad. Der Tastgrad gibt für eine periodische Folge von Impulsen, gemäß Normung, das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer an. Löten besteht aus dem Schmelzen des Materials nach dem gleichen Prinzip. Hierbei wird vorzugsweise ein dritter elektrischer Anschluss genutzt.Coagulation / welding / brazing can also be done by the blade or cutting blade. Coagulation is accomplished by burning soft tissue by applying alternate, unipolar / bipolar voltage amplitudes of 180-1200V and frequencies of 0.2-3.3 MHz with a modulation of preferably less than 10% duty cycle. The duty cycle indicates, for a periodic sequence of pulses, according to standardization, the ratio of the pulse duration to the period duration. Soldering consists of melting the material according to the same principle. In this case, a third electrical connection is preferably used.
Hierbei fließt ein elektrischer Strom durch das weiche Material und erzeugt Wärme. Dies schädigt das Gewebe und kann verschiedene Effekte, abhängig von den elektrischen Signalen, haben.At this time, an electric current flows through the soft material and generates heat. This damages the tissue and can have various effects depending on the electrical signals.
Eine Ablation wird mit der Klinge und dem dritten Anschluss erreicht. Biologisches Gewebe wird vom Wirtskörper durch Anlegen einer alternierenden, unipolaren / bipolaren Spannung mit Amplituden von 180–1200V und Frequenzen von 0,2–3,3MHz, mit vorzugsweise einer Modulation von 25 bis 75% Tastgrad. Durch diesen Anschluss kann die Spannung an der Spitze der Schneidklinge erhöht werden. Dies erlaubt das unipolare Schneiden von Gewebe, die Koagulation oder Ablation. Das piezoelektrische Element ist davon unabhängig und muss nicht betrieben werden.Ablation is achieved with the blade and the third port. Biological tissue is delivered from the host body by applying an alternating, unipolar / bipolar voltage with amplitudes of 180-1200V and frequencies of 0.2-3.3MHz, preferably with a modulation of 25 to 75% duty cycle. This connection can increase the tension at the tip of the cutting blade. This allows for unipolar tissue cutting, coagulation or ablation. The piezoelectric element is independent of this and does not need to be operated.
Eine Irrigation/ein Kühlen kann durch die Klinge und Leiterbahnen erfolgen. So kann eine physiologische Kochsalzlösung bei einer Temperatur von 4–25ºC für die Irrigation, sowie andere Arten von physiologischen sterilen Lösungen verwendet werden, die die gleiche Funktion erfüllen. Ein Volumenstrom von 0 bis 80 ml / min wird durch den Kanal geführt. Durch das Kühlen kann eine Temperaturerhöhung im Schnittbereich unter +4 ° C gehalten werden. Irrigation / cooling can occur through the blade and tracks. Thus, a physiological saline solution at a temperature of 4-25 ° C can be used for irrigation, as well as other types of physiological sterile solutions that perform the same function. A volume flow of 0 to 80 ml / min is passed through the channel. By cooling, a temperature increase in the cutting area can be kept below +4 ° C.
Eine Materialextraktion kann durch die Klinge und den Unterdruckkanal erreicht werden, in dem eine Extraktion der verbleibenden physiologischen Flüssigkeiten, Blut und Schnittresten von sowohl mineralisierten als auch Weichgewebe erfolgt. Hierbei wird eine Vakuumpumpe und ein Kanal genutzt, durch die die Druckdifferenz in den Bereich der Klinge transferiert wird. Hierdurch wird ein gesäuberter Arbeitsbereich geschaffen.Material extraction can be accomplished through the blade and vacuum channel, where extraction of the remaining physiological fluids, blood, and cut remnants of both mineralized and soft tissues occurs. Here, a vacuum pump and a channel is used, through which the pressure difference is transferred to the area of the blade. This creates a cleaned work area.
Eine Medikamenten-Versorgung erfolgt über Klinge und den Kanal. Hier wird eine Frequenz der Pulse im Bereich von 500 kHz bis 2 MHz angewendet. Diese Welle wird mit einer Welle im Bereich von 1 Hz bis 200 Hz moduliert. Unter Modulation versteht man in diesem Fall ein Verfahren, bei dem die Amplitude eines hochfrequenten Signals abhängig vom zu übertragenden, niederfrequenten Signal verändert wird. Die Ausgangsleistung beträgt 4 bis 60 Watt. Hierdurch kann der Transport von genetischem Material, Proteinen und kleineren chemischen Mitteln durch Kavitationsblasen erreicht werden. Auch kann ein zulässiger Transport von Wirkstoffen durch Zellmembranen und durch Störung der Bläschen, die Medikamente aufgrund von Ultraschallschwingungen und Kavitation transportieren, erfolgen. Es wird somit ein exponentieller Anstieg der Effizienz der Abgabe von genetischem Material, Proteinen und chemischen Mittel erreicht. Es kann somit zusammenfassend von einem verbesserten Transport- und einer Absorption, und einer Zellpermeabilisierung und einem Kapillarbruch gesprochen werden.A medication supply takes place over blade and the channel. Here a frequency of the pulses in the range of 500 kHz to 2 MHz is applied. This wave is modulated with a wave in the range of 1 Hz to 200 Hz. Modulation is understood in this case as a method in which the amplitude of a high-frequency signal is changed depending on the low-frequency signal to be transmitted. The output power is 4 to 60 watts. As a result, the transport of genetic Material, proteins and minor chemical agents can be achieved by cavitation bubbles. Also, permissible transport of drugs through cell membranes and disruption of vesicles that carry drugs due to ultrasonic vibration and cavitation may occur. Thus, an exponential increase in the efficiency of delivery of genetic material, proteins and chemical agents is achieved. It can thus be summarized as an improved transport and absorption, and a Zellpermeabilisierung and Kapillarbruch be spoken.
Eine Bildgebung kann durch die Klinge und Piezokeramiken erreicht werden. Die Vibrationen, Amplituden und Frequenzen werden als Reaktion auf Schnittkräfte modifiziert. Diese Änderungen werden erfasst und übersetzt in Reaktionskräfte am vibrierenden piezoelektrischen Material, die zu einer elektrischen Ausgabe durch den direkten piezoelektrischen Effekt umgewandelt werden können. Die direkten piezoelektrischen Effekte und Reaktionen und erzeugten Verschiebung des Materials können durch elektrische Signale erfasst werden, die analysiert und ausgewertet werden können. Diese werden dann visualisiert und können dann dargestellt werden.Imaging can be achieved through the blade and piezoceramics. The vibrations, amplitudes and frequencies are modified in response to cutting forces. These changes are detected and translated into reaction forces on the vibrating piezoelectric material that can be converted to electrical output by the direct piezoelectric effect. The direct piezoelectric effects and reactions and generated displacement of the material can be detected by electrical signals that can be analyzed and evaluated. These are then visualized and can then be displayed.
Figuren Beschreibung: Figures Description:
Im Folgenden erfolgt eine Beschreibung der Erfindung anhand der Figuren.In the following, a description of the invention with reference to the figures.
Beschreibung von Ausführungsformen entlang der Figuren:Description of embodiments along the figures:
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schneidklinge cutting blade
- 22
- Piezoelektrisches Element Piezoelectric element
- 33
- Anschluss für positive Spannungsversorgung Connection for positive voltage supply
- 44
- Anschluss für negative Spannungsversorgung Connection for negative voltage supply
- 55
- Gehäuse zur Abdeckung, das mit der Schneidklinge verbunden ist, zusätzlich kann der Vorsprung als dritter elektrischer Anschluss verwendet werden, um die Spannung an der Spitze der Schneidklinge zu erhöhen. Dies erlaubt das unipolare Schneiden von Gewebe, die Koagulation oder Ablation. Das piezoelektronische Element ist davon unabhängig und muss nicht betrieben werden. Housing to the cover, which is connected to the cutting blade, in addition, the projection can be used as a third electrical connection to increase the voltage at the tip of the cutting blade. This allows for unipolar tissue cutting, coagulation or ablation. The piezo-electronic element is independent of this and does not have to be operated.
- 66
- Kanal zur Fluid-Zuführung Channel for fluid supply
- 77
- Kanal zum Absaugen von Fluid Channel for aspirating fluid
- 88th
- Zähne teeth
- 99
- Endoskop oder Laparoskop Endoscope or laparoscope
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 119207 [0002] EP 119207 [0002]
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Publications (1)
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