DD240133A1

DD240133A1 - SURGICAL HAND INSTRUMENT FOR THE REMOVAL OF TUMOR TISSUE

Info

Publication number: DD240133A1
Application number: DD27965385A
Authority: DD
Inventors: Gernod Fritzsch; Wolfgang Mueller; Jens Fuessel; Alexis Neumann; Wilfried Wehner; Jochen Schoeche
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1985-08-14
Filing date: 1985-08-14
Publication date: 1986-10-22
Also published as: DD240133B1; DE3625749A1

Abstract

Das Handinstrument ermoeglicht in Verbindung mit einer Operationseinrichtung, die aus einem Ultraschallgenerator und einem Fluessigkeitssauger besteht, das schonende und gezielte Entfernen von weichem pathologisch-veraenderten Biogewebe. Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Ultraschallinstrument zu schaffen, das die Moeglichkeiten der Hirntumorentfernung erweitert. Das wird erfindungsgemaess durch Verwendung eines daempfungsarm im Schwingungsknoten des Handinstruments gelagerten piezoelektrischen Ultraschallwandlers gehoert, der vier piezokeramische Scheiben und ein sich verjuengendes schallabstrahlendes Koppelelement mit niedriger akustischer Impedanz besitzt. Er ist loesbar mit einem massiven, sich definiert verjuengenden Aspirationsapplikator gekoppelt, der einen vom Arbeitsende ausgehenden axialen Kanal besitzt, welcher in der Zone des Schwingungsknotens ueber eine radiale Bohrung mit einem Saugschlauch verbunden ist. Der Ultraschallaspirator wird in seiner longitudinalen Eigenresonanz erregt. Bei Beruehrung des Biogewebes mit der hochfrequent schwingenden Applikatorspitze erfolgt eine Verfluessigung von kleinen Volumina des tumoroesen Zell- und Gewebeverbandes, das durch den axialen Kanal des Aspirators kontinuierlich abgesaugt wird. Fig. 3The hand instrument, in conjunction with an operating device consisting of an ultrasound generator and a liquid aspirator, enables the gentle and targeted removal of soft pathologically altered biological tissue. The object of the invention is to provide an ultrasonic instrument which extends the possibilities of brain tumor removal. According to the invention, this is achieved by using a piezoelectric ultrasonic transducer mounted in the vibration node of the hand instrument, which has four piezoceramic disks and a tapered sound-emitting coupling element with low acoustic impedance. It is releasably coupled to a solid aspirating aspirator with defined tapering, which has an axial channel emanating from the working end, which in the zone of the vibration node is connected to a suction hose via a radial bore. The ultrasonic aspirator is excited in its longitudinal self-resonance. Upon contact of the bio-tissue with the high-frequency oscillating applicator tip, liquefaction of small volumes of the tumorous cell and tissue association takes place, which is continuously aspirated through the axial channel of the aspirator. Fig. 3

Description

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein chirurgisches Instrument zu schaffen, das ein subtiles Abtragen und gleichzeitiges Absaugen von Tumorgewebe, vorzugsweise bei Hirntumoren, ermöglicht. Das chirurgische Handinstrument soll dabei eine zuverlässige Konstruktion und gute Manipulierbarkeit besitzen, gut sterilisierbar sein sowie einen leichten Zugang zu den verschiedenen Hirntumoren und eine umfassende Entfernung ermöglichen, als auch gute Übersichtlichkeit im Operationsgebiet gewährleisten.The invention has for its object to provide a surgical instrument that allows a subtle removal and simultaneous suction of tumor tissue, preferably in brain tumors. The surgical hand instrument should have a reliable construction and good manipulability, be well sterilizable and allow easy access to the various brain tumors and a comprehensive removal, as well as ensure good clarity in the surgical field.

Die Aufgabe wird durch eine Operationseinrichtung, die an sich bekannte, in geeigneter Weise verbundene Baugruppen, wie chirurgisches Handinstrument, Ultraschallgenerator und Flüssigkeitssauger enthält, gelöst. Das funktionsbestimmende chirurgische Handinstrument besteht aus einem Leistungsultraschallwandler und einem Aspirationsapplikator, die durch den Ultraschallgenerator in ihrer Eigenfrequenz zwischen 20 und 40 kHz zu longitudinalen Schwingungen angeregt werden. Die schwingenden Elemente des chirurgischen Handinstruments besitzen die Länge einer ganzen Ultraschallwellenlänge. Auf zusätzliche schallübertragende Zwischenstücke wird erfindungsgemäß 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, zuverlässige Verbindung gesichert wird. Bei gutem Kontakt der Koppelflächen wird die Schallenergie verlustarm übertragen. Weitere lösbare Koppelstellen im Schallübertragungsweg werden wegen des damit verbundenen Energieverlusts sowie des technologischen Aufwandes erfindungsgemäß vermieden.The object is achieved by an operating device which contains known, suitably connected assemblies, such as surgical hand instrument, ultrasonic generator and liquid aspirator. The functional surgical hand instrument consists of a power ultrasound transducer and an aspiration applicator, which are excited by the ultrasonic generator in their natural frequency between 20 and 40 kHz to longitudinal oscillations. The vibrating elements of the surgical hand instrument have the length of a whole ultrasonic wavelength. On additional sound-transmitting spacers is omitted according to the invention. The power ultrasound transducer and the aspiration applicator are detachably connected to each other in the maximum vibration. This ensures interchangeability, thermal sterilizability and cleaning with liquid disinfectants for the aspiration applicator. At this coupling point, the internal dynamic material stress is zero, ensuring a stable, reliable connection. With good contact of the coupling surfaces, the sound energy is transmitted with low loss. Further detachable coupling points in the sound transmission path are avoided according to the invention because of the associated energy loss and the technological complexity.

Der Leistungsultraschallwandler besitzt erfindungsgemäß vier₆piezokeramische Scheiben. Durch elektrische Parallelschaltung von je zwei piezokeramischen Scheiben wird der elektrische Leitwert bei Reihenresonanzbetrieb und der elektromechanische Wirkungsgrad des Wandlers verbessert. 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 Schwingungssystems durch eine membran-elastisch konstruierte und elektrisch masseführende Metallscheibe, die symmetrisch zwischen den piezokeramischen Scheiben im longitudinalen Schwingungsknoten angeordnet ist.The power ultrasound transducer according to the invention has four ₆ piezoceramic discs. By electrical parallel connection of two piezoceramic discs, the electrical conductivity in series resonance mode and the electromechanical efficiency of the converter is improved. The low power dissipation achieved thereby allows operation of the surgical hand instrument without additional cooling during surgical manipulations. The four piezoceramic disks allow the vibration system to be supported by a membrane-elastically constructed and electrically conductive metal disk, which is arranged symmetrically between the piezoceramic disks in the longitudinal vibration node.

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.By a sound-emitting coupling element with low acoustic impedance, which tapers with defined, known shell geometry to the diameter of the Aspirationsapplikators, the oscillation amplitude of the power ultrasonic transducer is significantly increased and the reflection is reduced.

Der massiv ausgebildete Aspirationsapplikator besitzt erfindungsgemäß einen vom Arbeitsende ausgehenden axialen Kanal, der in der Zone des Schwingungsknotens über eine radiale Bohrung nach außen zu einem Saugschlauch geführt ist. Die Anordnung des Schlauchanschlusses in der Zone des Schwingungsknotens verhindert ein Lösen der Schlauchverbindung und vermindert die Dämpfung des Schwingungssystems.The massively trained Aspirationsapplikator according to the invention has an outgoing from the working axial channel, which is guided in the zone of the vibration node via a radial bore to the outside to a suction hose. The arrangement of the hose connection in the zone of the vibration node prevents detachment of the hose connection and reduces the damping of the vibration system.

Der Ultraschallaspirator wird durch den Ultraschallgenerator in seiner Systemresonanz zu longitudinalen Schwingungen vorzugsweise im Bereich von 20 bis 40kHz erregt. Dadurch schwingt die kreisringförmige Applikatorspitze mit einer Schwingungsamplitude von 15 bis 30/im und zerstört bei Berührung das Tumorgewebe infolge der hohen Schallwechseldrücke. 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 so kolliquierte Gewebe wird durch einen Aspirationskanal des Applikators simultan abgesaugt. Dadurch wird die Verschleppung von Tumorzellen im Operationsgebiet verhindert und eine sehr gute Sichtkontrolle realisiert.The ultrasonic aspirator is excited by the ultrasonic generator in its system resonance to longitudinal vibrations, preferably in the range of 20 to 40kHz. As a result, the annular applicator tip vibrates with a vibration amplitude of 15 to 30 / im and, when touched, destroys the tumor tissue as a result of the high sound pressure fluctuations. The mechanical alternating stress, which is increased by cavitation occurring at the coupling point between the applicator and tumor tissue, leads to the rupture of the cell membranes and to the disintegration of the cell contents. The thus colliquated tissue is simultaneously aspirated through an aspiration channel of the applicator. This prevents the carryover of tumor cells in the operating area and realizes a very good visual control.

Das Entfernen des Tumors erfolgt dabei genau dosiert durch ein vorwählbares Schall-Saug-Regime mit kontinuierlicher oder intervallartiger Ultraschallapplikation bei Taktfrequenzen von 0,1 bis 10Hz. Die intervallartige Ultraschallapplikation ermöglicht ein sehr subtiles Arbeiten und begrenzt die ultraschallspezifischen Wirkungen.The removal of the tumor takes place precisely metered by a preselected sound-suction regime with continuous or interval-like ultrasound application at clock frequencies of 0.1 to 10Hz. The interval-like ultrasound application allows a very subtle work and limits the ultrasound-specific effects.

Die genannten Vorteile der zuverlässigen Arbeitsweise, geringeren Eigenerwärmung, guten Manipulierbarkeit und Sterilisierbarkeit resultieren aus der erfindungsgemäßen konstruktiven Lösung, die unter Beachtung der physikalischen Gesetze der Schallausbreitung in Festkörpern rechnergestützt dimensioniert ist.The stated advantages of reliable operation, lower self-heating, good manipulability and sterilizability result from the constructive solution according to the invention, which is dimensioned computer-aided in compliance with the physical laws of sound propagation in solids.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der dazugehörigen Zeichnungen näher beschrieben werden.The invention will be described below with reference to an embodiment with the aid of the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt: Blockschaltbild der chirurgischen Operationseinrichtung Fig. 2 zeigt: Schall-Saug-RegimeFig. 1 shows: Block diagram of the surgical operation device Fig. 2 shows: Sound-suction regime

a) Intervallschallbetrieba) Intermittent sound operation

b) Dauerschallbetriebb) continuous sound operation

Fig. 3 zeigt: Chirurgisches Handinstrumentals Ultraschallaspirator mit Schwingungs- und DehnungsverlaufFig. 3 shows: Surgical hand instrument as Ultraschallspirator with oscillation and expansion course

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 Saugschlauch 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 Schaltintensität J im Vergleich mit dem Unterdruck ρ des Aspirators während der Aktivierungszeit ti entweder intervallartig (Fig.2a) oder kontinuierlich (Fig.2b) erfolgt. Bei Intervallschallbetrieb nach Fig.2a sind PeriodendauerT, Schallzeit t_us und Pausenzeit tp 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.The surgical operation device (Fig. 1) consists of a designed as an ultrasonic aspirator hand instrument 1 and a sound-suction unit unit 2. This unit 2 includes an ultrasonic generator 3 and a liquid aspirator 4, via a flexible electrical line 5 and a suction hose 6 with the Hand instrument 1 are connected. The activation of the hand instrument 1 with the functions of sound and / or suction at the point of action to the biological system 9 via a foot switch 7, which is connected via remote control cable 8 with the sound-suction unit 2 unit. According to Fig. 2, the sound-suction regime can be chosen so that both the magnitude and the time course of the switching intensity J in comparison with the negative pressure ρ of the aspirator during the activation time ti either intermittently (Figure 2a) or continuously (Fig .2b). In interval supersonic operation by 2a period lasts, sonic time t _us and pause time tp at the ultrasonic generator can be freely selected. In this sound-suction regime, the surgical manipulations due to the temporally metered ultrasound energy turnover on diseased biologic tissue can be very accurately limited.

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Nach Fig. 3 ist das funktionsbestimmende chirurgische Handinstrument so konstruiert, daß ein Aspirationsapplikator 10 mit spezieller Mantelgeometrie als Halbwellenresonator in seiner Eigenresonanz 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 4mm, 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.According to Fig. 3, the function-determining surgical hand instrument is constructed so that an Aspirationsapplikator 10 with special sheath geometry oscillates as a half-wave resonator in its natural resonance when it is excited at the same frequency by a power ultrasonic transducer 14. The Aspirationsapplikator 10 has an outgoing from its slender end axial channel 11 with a lumen of 1.2 to 4mm, which is guided in the zone of the longitudinal vibration node via a radial bore 12 to the outside to the connection of the suction hose 6. With the help of wrench flats 13 and a threaded pin 28, the Aspirationsapplikator 10 consisting of a swinging elastic, low-attenuation, sterilizable and physiologically harmless titanium alloy is releasably attached to the power ultrasonic transducer 14. This connection point is located in a maximum of the longitudinal vibration curve 29, in which the strain curve 30 has a zero point.

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 Nullpotential gelegt und über die Schall-Saug-Geräteeinheit 2 mit dem im Raum installierten Potentialausgleich verbunden.The power ultrasound transducer 14 consists of four piezoceramic disks 15, two contact electrodes 16, two insulating bushes 17, a ground-guiding metal disk 18 and two coupling elements 19 and 20, which are mechanically clamped together by means of a hexagon socket screw 21. The sound-emitting coupling element 19 is made of a material with a comparatively low coupling impedance to the coupling element 20 and is conically shaped to allow amplitude transformation of the longitudinal vibrations. A ground-guiding metal disc 18 is designed as a membrane-elastic bearing disc and arranged in the longitudinal node of the electromechanical transducer. It is mounted in a housing 22 together with a damping ring 23. Via a flexible electrical line 5 with a plug 24, the electrical connections are fed by a screwed into a housing cover 25 socket 26. The paired piezoceramic discs 15 are in this case electrically connected in parallel and mechanically in series. The stabilization of the system resonance takes place electronically via the ultrasonic generator by automatic frequency tracking. The suction hose 6 is positioned on the hand instrument by a hose holder 27. The housing 22 is set to zero potential and connected via the sound-suction unit 2 with the unit installed in the potential equalization.

Claims

Invention claim:

A surgical tumor instrument removing hand instrument comprising a power ultrasonic transducer and an aspirating applicator excited in its system resonance to oscillate longitudinally between 20 and 40 kHz through flexible electrical leads and a suction hose having a sonic suction unit consisting of an ultrasonic generator and a liquid aspirator, and activated by a foot switch, characterized in that the length of all the elements of the oscillating system corresponds to a whole wavelength of the exciting ultrasonic wave, the power ultrasonic transducer (14) is releasably coupled to the aspiration applicator (10) at maximum vibration, the power ultrasonic transducer (14) contains four piezoceramic disks (15) and a sound-radiating coupling element (19) with a low acoustic impedance that tapers with a known shell geometry, as well as a low-attenuation by a membrane-elastic, massf metal disc (18) is mounted in the vibration node between the piezoceramic discs (15) and the Aspirationsapplikator (10) is solid, tapers with a defined sheath geometry defined and has an end extending from the working axial channel (11), in the zone of the vibration node is connected via a radial bore (12) with the suction hose (6).

2. Surgical hand instrument according to claim 1, characterized in that this surgical hand instrument is assigned a specific preselectable sound-suction regime with continuous or interval-like ultrasound excitation.

For this

3 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a surgical instrument and an operating device, with the tumor tissue or other diseased soft biological tissue can be subtly removed by mechanical vibrations and simultaneously sucked by vacuum. The invention is suitable for performing oncological surgery, preferably in neurosurgery.

Characteristic of the known technical solutions

It is known that removal of tumor tissue, preferably brain tumors, requires very subtle and precise surgical instruments in order to remove on the one hand all pathologically altered tissue substances and, on the other hand, to protect the functionally important structures, especially vessels, at the borders to the healthy tissue. At present small tongs, tweezers and micro-rasaspories are used. The required hemostasis is usually by coagulation using high frequency currents. The surgical procedure is characterized by a constant change of instruments to realize the recurring steps tumor ablation and removal, hemostasis and liquid suction. The possibilities of intraoperative hematogenous entomopathy of the door can not be ruled out. Tumor tissue removal is particularly difficult at the depth of the surgical site and at the borders with functionally important tissue structures and vessels in the brain. Manipulating with the various instruments is time consuming. In addition, in the conventional surgical technique, the brain tissue is subjected to tensile and compressive forces by the mechanical preparation. Secondary damage to the tumor-surrounding brain tissue can not be avoided, especially with very rough and solid tumors. Medical devices that destroy biological tissue with the aid of ultrasonic vibrations and aspirate tissue particles are known from DE-OS 2605968, DE-OS 2626373, DE-OS 2758909 and US Pat. No. 3,589,363. In DE-OS 2605968 a 'device for surgical purposes is presented, which is suitable for removing pathologically-altered tissue, preferably on the brain. However, it works with bending vibrations on an angled working segment and the ultrasonic vibrations are generated by a magnetostrictive ultrasonic transducer. This has a relatively low electromechanical efficiency and must be water cooled. The angled working segment has the disadvantage that can not be worked in greater depths of the brain, since the machining direction is transverse to the longitudinal axis of the hand instrument. Due to the additional necessary cooling circuit must

4 hose connections and in addition the electrical cables are guided to the handpiece, thereby the manipulability is significantly reduced. In DE OS 2626373 and DE OS 2758909 a complex surgical device for surgical interventions and treatment facilities with ultrasound energy, aspiration and drug delivery is presented. It is designed for vitrectomy in ophthalmology. This device is due to the small-lumen, cannula-shaped applicator and the associated risk of clogging and the risk of breakage when applying the necessary for tumor colliquation services only for the removal of vitreous tissue on the eye eeignet.Die described in DE OS 2626373 coupling of the working tips in a vibration node with disadvantages for the Reliability associated because at this point a relatively high elastomechanical material strain is present. This stretching causes correspondingly large mechanical stresses with the risk of breakage of the joint, loosening and energy loss due to slippage of the detachable connection

US Pat. No. 3,589,363 also describes a device for the use of ultrasound in ophthalmology. This works with a magnetostrictive transducer and thus has the disadvantages of additional water cooling due to poor efficiency, as already described in DE OS 2605968.

Object of the invention

The aim of the invention is to broaden the possibilities of brain tumor removal and to provide an ultrasonic instrument which overcomes the disadvantages of known technical solutions. _ _ _