DE3689308T2

DE3689308T2 - AUSBILDUNG DES MUNDSTÜCKS EINES MIT ULTRASCHALL ARBEITENDEN ABSAUG-ENDOSKOPS UND DAZUGEHöRIGER VIBRATOR.

Info

Publication number: DE3689308T2
Application number: DE3689308T
Authority: DE
Inventors: Robert Brendolan; Louis Katz; David Wuchinich
Original assignee: Valleylab Inc
Current assignee: Covidien AG
Priority date: 1985-08-28
Filing date: 1986-08-27
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2006-08-28
Also published as: CA1318000C; US4750902A; WO1987001276A1; CA1304639C; EP0233940A1; EP0233940B1; DE3689308D1; EP0233940A4

Description

ERFINDUNGSBEREICH

Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Entfernung von unerwünschtem biologischem Gewebe. Insbesondere bezieht sie sich auf einen endoskopischen Ultraschallaspirator mit einer längsförmigen, hohlen Sonde und gleichzeitiger Bewässerung und Aspiration, wodurch das äußerst nachgiebige Gewebe aus den Tiefen des Körpers durch eine schmale chirurgische Öffnung und mittels des im Aspirator enthaltenen Vibrationsapparates desintegriert und entfernt wird.

BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN FERTIGKEITEN

Der endoskopische Ultraschallaspirator (nachstehend EUA genannt) der vorliegenden Erfindung ist besonders nützlich auf dem Gebiet der transurethralen Resektion (TUR) der Prostata oder anderer urologischen Chirurgie, einschließlich der Zerstörung und Entfernung von Blasensteinen. Mehr allgemein ist er nützlich bei jeder Art von Chirurgie, bei der ein tiefes Eindringen in den Körper durch eine schmale Öffnung erforderlich wird, z. B., im Falle der arthroskopischen Chirurgie, Diskektomie, oder anderem orthopädischen Eingriff.
In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist eine Ultraschallsonde mit einer Endspitzen-Hochgeschwindigkeit zur Zerstörung von beweglichem Gewebe, etwa 19 cm tief in den Körper einsetzbar, und zwar bei gleichzeitiger Bewässerung des Operationsfeldes, wobei Flüssigkeit und Gewebe durch eine chirurgische Öffnung von nicht mehr als ca. 29 mm im Umfang abgesaugt wird, welcher die maximal akzeptierte Dimension zur Einführung eines Instruments in die Harnröhre darstellt. Der Umfang des Instruments kann ca. 29 mm betragen, beträgt jedoch vorzugsweise nicht mehr als ca. 25 mm. Eine Maßeinheit, bekannt als die französische, wird häufig verwendet zur Bezeichnung des Umfangs. Eine Hüllengröße in französischer Maßeinheit beträgt dreimal den Hüllendurchmesser in Millimeter. Folglich hat eine Hülle mit einem Umfang von 30 mm einen Durchmesser von 30/π= 9,55 und eine französische Größe von 9,55·3 = 28,65.
Seit den fünfziger Jahren war das TUR-Verfahren die bevorzugte Methode zur Entfernung der erkrankten Prostata. In einem konventionellen Verfahren wird der Patient in die konventionelle Steinschnittposition unter Lumbalanästhesie gebracht. Ein verlängertes Resektroskop mit einer Lichtquelle, ein Teleskop, eine Schneideelektrode und eine Quelle zur ständigen Bewässerung wird in die Harnröhre eingeführt und bis in die Nähe der Prostata geschoben, wobei der Zugang zur Prostata durch die Harnröhrenwand erreicht wird. Die Schneideelektrode ist ein halbrunder Draht, angebracht am Ende einer schiebbaren Hülle zwecks Vorwärts- und Rückwärtsbewegung; d. h., zum Vorder- und Rückenteil des Patienten. Die Elektrode ist mit einem pulsierten RF-Strom ausgestattet, der das Gewebe sowohl schneidet als auch verätzt. Die Hülle ist in rückwärtige Richtung des Patienten mit einer Feder ausgestattet, und wird wiederholt nach vorne gezogen durch einen abzugsartigen Hebel, wenn die Elektrode kleine Scheiben Prostatagewebe weghobelt, resp. abträgt.
Wenn das Gewebe abgehobelt wird, wird es durch die ständige Bewässerung, welche die Blase ca. jede 5 Minuten füllt, in die Blase hineingespült. Das gesammelte Wasser und das zertrümmerte Material müssen periodisch durch eine Absaugvorrichtung entfernt werden, wie z. B. durch das Elliksche Ausräuminstrument, das einen zusammenpressbaren Ballon aufweist, der mit einem flexiblen, plastischen Katheter verbunden ist. Das Resektroskop wird entfernt, der Ballon zusammengepreßt und der plastische Katheter in das Operationsfeld eingeführt. Dann wird der Ballon zum Absaugen des Wassers und der Gewebetrümmer expandiert.
Dieses traditionelle Verfahren weist eine Anzahl von Nachteilen auf, die durch die vorliegende Erfindung umgangen werden sollen. Damit der Chirurg das Operationsfeld besichtigen kann, muß der EUA mit einem Besichtigungs- und Beleuchtungssystem ausgestattet werden. Es wurde festgestellt, daß bei dem derzeitigen Stand der optischen Technologie eine adäquate endoskopische Sicht der chirurgischen Vorgänge ein optisches Relais-Linsensystem erfordert, bei dem Linsen mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm verwendet werden. Da diese Linsen innerhalb eines unbeweglichen Schlauches, der auch Illuminationsfasern enthält, angebracht werden müssen, beträgt der Gesamtdurchmesser des fertigen Teleskops typischerweise ca. 4 mm. Damit mit einer hohlen Ultraschallspitze zusätzlich festes Prostatagewebe in einer angemessenen Geschwindigkeit entfernt werden kann (üblicherweise zwischen ca. 5 bis ca. 10 Gramm pro Minute), muß die Ausbohrung der Spitze ebenfalls ca. 4 mm betragen.
In einem endoskopischen Aspirator werden sowohl das Teleskop, wie auch die Spitze, Seite an Seite innerhalb einer Hülle plaziert. Wenn der endoskopische Aspirator in den Körper eines Patienten eingeführt wird, schützt die Hülle das umgebende Gewebe vor der Berührung mit der Ultraschallspitze, die nicht nur an der chirurgischen Extremität, sondern in ihrer gesamten Länge vibriert.
Die Benutzung einer schleifenförmigen Elektrode zum Schneiden erfordert fortschreitendes Schneiden, damit das entfernte Gewebe sich nicht vor der Schlinge aufbaut und die Sichtlinse blockiert. Beim fortschreitenden Schneidevorgang ist jedoch die Schlinge stets unter einer Gewebedichte versteckt. Dies führt zu dem Risiko, daß die Sicht des Chirurgen blockiert wird und der Harnröhrenschließmuskel, die Blasenwand oder sogar die Gedärme versehentlich beschädigt werden. Der Chirurg kann auch die Prostatakapsel durchstechen, nämlich die festere, äußere Haut der Prostata, und kann somit die darunterliegenden Blutgefäße verletzen. Elektrisches Schneiden geht sehr schnell, so daß sich diese Dinge sogar bei Ausübung der üblichen Sorgfalt ereignen können. Ferner, wenn das Teleskop des EUA neben der Ultraschallspitze plaziert wird, stören die Wände der Ultraschallspitze für den Chirurgen die Sicht auf das Operationsfeld.
Die Ausräumung muß 10 bis 20mal erfolgen und jedesmal muß das Resektroskop entfernt werden; dies kann zwischen 20 und 50 Prozent der einstündigen Operationszeit in Anspruch nehmen.
Ein weiterer Nachteil der seitherigen Verfahrensweise ist der, daß der ständige Bewässerungsfluß, wie oben beschrieben, das Füllen und die Ausdehnung der Blase, und auch die Absorption der Flüssigkeit im Blut verursacht, was zur Gefahr einer Hypervolemie oder Hyponatremie führt. Auch erfordert das elektrische Schneiden die Verwendung eines relativ teuren, nicht-leitenden Flüssigkeitsmittels, wie z. B. isotonisches Glycin. Wenn eine leitende Flüssigkeit, wie z. B. Salzlösung, benutzt wird, kann der Schneidestrom durch die Arbeit einen Kurzschluß erfahren. Die Flüssigkeit muß isotonisch sein, damit intravaskuläre Hämolyse vermieden wird.
Ferner kann man mit dem seitherigen Verfahren Blasensteine nicht entfernen, was zwei Operationen erfordern könnte, wobei eine einzige Operation angezeigt gewesen wäre.
Da der EUA häufig im Bereich der transurethralen Resektion benutzt wird, muß dieser häufig in die Harnröhre eingeführt werden. Folglich ist die Größe des Umfangs der Hülle des EUA beschränkt auf die elastische Ausdehnung der Harnröhre, die typischerweise ca. 30 mm (oder ca. 28 in französischer Maßeinheit) beträgt. Chirurgen bevorzugen jedoch Hüllen von geringerer Größe, z. B. 24 oder 25 mm - französische Maßeinheit) zwecks Vermeidung von Strikturen oder Kontrakturen der Harnröhre nach exzessiver endoskopischer Erweiterung.
Durch die Entfernung und Ausschwemmung von Gewebe mittels endoskopischem Ultraschall werden diese Nachteile vermieden. In der Vergangenheit wurde die Entfernung von Gewebe durch Ultraschall für die Entnahme von biologischem Gewebe vorgenommen. Es war jedoch kein Ultraschallinstrument zur Entfernung von sehr beweglichem Gewebe durch eine schmale Öffnung, z. B. bei einer transurethralen Prostataresektion, verfügbar. Der Stand der Technik weist zwei wesentliche Mängel auf. Erstens gab es keine lange, dünne Sonde, die in der Lage war, Ultraschallvibrationen mit hohen Geschwindigkeiten an der Spitze aufrechtzuerhalten, wie sie bei der Entfernung von solchem Gewebe erforderlich sind. Zweitens ist beim Stand der Technik nicht bekannt, daß die effizienteste Entfernung von Gewebe diejenige ist, bei der durch Ultraschallvibrationen eine Kavernenbildung der Flüssigkeit innerhalb der Zellen verursacht wird. Dies e Vibrationen sollten vorzugsweise zwischen 10 und 20 kHz betragen, obgleich andere Frequenzen benutzt werden können. Die Bezeichnung "Ultraschall" wird hier in bezug auf alle interessanten Frequenzen, auch die im hörbaren Bereich, verwendet.
In einer frühen Entwicklung berichteten von Ardenne und Grossman im Jahre 1960 über die Verwendung der Ultraschallvibration als Hilfe bei der Einsetzung von kleinkalibrigen Drahtsonden und Hohlnadeln in die Haut. Sie erwähnen die Konstruktion einer Spritze, angepaßt zum Einspritzen oder Absaugen von Flüssigkeit oder anderem Material nahe der Nadelspitze. Sie verwenden einen Geschwindigkeitsumwandler des Exponentialtyps und operieren bei einer Frequenz von ca. 25 kHz mit einer Spitzenexkursion von ca. 10 bis 100 Mikron.
Ebenfalls im Jahre 1960 berichteten Watkins et.al. über die Verwendung eines Ultraschallmeisels zur Zertrümmerung und Entfernung von Kalkablagerungen aus Herzklappen. Die Autoren erklären, daß ihre Fertigkeit bei weichem, flexiblem Gewebe nicht verwendbar ist, da man damals glaubte, dieses Gewebe sei durch Ultraschallvibration relativ unzerstörbar. Deren Apparatur arbeitet bei ca. 26,5 kHz, mit einer Spitzenexkursion von ca. 38 Mikron.
Ultraschallenergie ist auch benutzt worden, um ein Flüssigkeitsmittel zu kavitieren, damit suspendierte Mikroorganismen entweder zur Sterilisierung oder Extrahierung von Protoplasma aufgebrochen oder zerstört werden können. Bei dieser Vorgehensweise wird üblicherweise ein festes, rundes Metallkorn verwendet, eingetaucht in das Flüssigkeitsmittel und vibrierend bei vielleicht 20 kHz, mit einem Takt von ca. 20 bis 40 Mikron. Dies arbeitet, indem das Wasser eher um die Zellen verdrängt wird, als mit interzellulärem Wasser.
In früheren Patenten wurden chirurgische Instrumente offenbart, in denen mit Ultraschall vibrierende Werkzeuge unerwünschtes, biologisches Material entfernen, während sie die Bewässerung des Arbeitsfeldes und das Absaugen von Flüssigkeit und entferntem Material bewerkstelligen. Siehe z. B., US-Patent 2,874,470 (Richards), US-Patent 3,526,219 (Balamuth), US-Patent 3,589,363 (Banko und Kelman), und US-Patente 4,063,557 (Wuchinich et.al.) und 4,425,115 (Wuchinich). Die '470 Vorrichtung von Richards ist ein Dentalinstrument, das oberhalb des hörbaren Bereichs arbeitet, vorzugsweise bei ca. 25 kHz, mit einer Amplitude von ca. 10 Mikron. Die Vorrichtung ist ein Einzelverstärker von einer halben Wellenlänge und umfaßt eine kurze Betriebsspitze, angepaßt an Dentalarbeit. Innerhalb eines äußeren, röhrenförmigen Mantels der Vorrichtung ist eine magnetostriktive Röhre angebracht und eine enganliegende Manschette wird über den Knotenpunkt derselben gestreift. Der Teil des Vibrators zwischen dem Knotenpunkt und der Vibrationsspitze wird günstigerweise als einteilige Konstruktion gezeigt. In der '219 Vorrichtung von Balamuth kontaktiert ein scharfkantiges Werkzeug, das bei ca. 25 kHz vibriert, das Gewebe unmittelbar, um es zu "zerhacken". Bei der '363 Vorrichtung von Banko und Kelman wird mittels einer dünnwandigen, röhrenförmigen Spitze, die mit einer Amplitude von ca. 50 bis 70 Mikron vibriert, relativ hartes biologisches Material, wie z. B. Starmaterial in der Linse des menschlichen Auges, aufgebrochen und entfernt.
Das Patent '557 von Wuchinich et.al. offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung von beweglichem Gewebe, z. B. neurologische Neoplasmen, indem ein magnetostriktiver Umwandler eingesetzt wird, der bei ca. 25 kHz mit einem Takt von ca. 25 Mikron arbeitet. Ein abgestufter und sich verjüngender Transformator erhöht den Takt auf ca. 125 bis 400 Mikron. Die erforderliche Verstärkung wird jedoch mittels einer einzigen halben Wellenlängenzusammenstellung erhalten, erreicht durch die mechanische Verbindung von zwei verschiedenen Materialien. Dadurch wird der erforderliche Gewinn über eine Länge verteilt, die in der endoskopischen Chirurgie nicht ausreichend ist, bei der längere Spitzen erforderlich sind, als dies bei offenem Operationsfeld der Fall ist.
Das '115 Patent von Wuchinich umfaßt einen ersten Geschwindigkeitstransfer, wobei ein zweiter Transformator mit dem vorderen Ende desselben verbunden ist. Das Werkzeug kann den Taktinput, der in dem magnetostriktiven Schacht erzeugt wird, um einen Faktor von, sagen wir, fünfmal in dem Output an der Betriebsspitze vergrößern. In dem '115 Patent von Wuchinich wird auch die Notwendigkeit der Reduzierung von Spannung in einer vibrierenden Vorrichtung erwähnt.
Die Erfordernis zur Verringerung der Spannungshöhe wird auch behandelt in dem Artikel von E. Eisner und J.S. Seager mit dem Titel "A longitudinally resonant stub for vibrations of large amplitude" (Ultrasonics, Band 3, April-Juni 1965, Seiten 88-98), in dem ein sich verjüngendes Werkzeug beschrieben wird. In dem '115 Patent von Wuchinich wird auch ein Werkzeug mit einem sich verjüngenden, röhrenförmigen Teil zur vorzugsweisen Reduzierung der Spannung, der das Metall ausgesetzt wird, beschrieben.
Mit keiner dieser Vorrichtungen war man imstande, eine ausreichende Spitzengeschwindigkeit zu erreichen und eine genügend lange und schmale Sonde zur Ausführung einer endoskopischen Operation zu erzielen. Die größte erreichbare und einführbare Distanz mit den seitherigen chirurgischen Instrumenten betrug ca. 7 bis 8 cm. Deutlicher ausgedrückt, waren seitherige Vorrichtungen nicht in der Lage, ausreichend festen Druck auf bewegliche Zellen in einer biologischen Gewebestruktur auszuüben, z. B. auf ein Drüsentumor, um in den interzellulären Flüssigkeiten der Zellen eine Kavitation herzustellen oder um diese auf irgendeine Weise zu desintegrieren.
Da die seitherigen Vorrichtungen nicht effektiv waren, war es wünschenswert, die Geschwindigkeit und Effizienz der Gewebeentfernung zu verbessern und eine vibrierende Sonde herzustellen, länger und schneller als die für die endoskopische Chirurgie seither verfügbaren.
Experimente der Erfinder haben ergeben, daß die Effektivität der Ultraschallvibration bei biologischen Gewebearten mit dem Wasserinhalt des Gewebes in Zusammenhang steht. Gewebe, das sich entwässern konnte, ist viel weniger angreifbar und entfernbar durch Vibration, als die Gewebearten, welche frisch sind oder feucht gehalten wurden. Es wurde auch festgestellt, daß die Wände von Blutgefäßen oder die Muskeln und Hirntumore, welche zusammenhängendes Gewebe überlagern, durch ein mit Ultraschall vibrierendes Werkzeug viel weniger angreifbar sind, als weiche, fleischige Proben, wie z. B. Neoplasmen oder Muskelgewebe. Da der interzelluläre Wassergehalt des nichtbetroffenen Gewebes viel niedriger ist, als der von Gewebearten, die in größerem Masse angegriffen sind, scheint dieser "gewebedifferentiale" oder "gewebeselektive" Effekt mit dem Wassergehalt von Geweben in Zusammenhang zu stehen.
Die derzeitigen Erfinder haben begriffen, daß der gewebedifferentiale Effekt der Ultraschallaspiration bei der endoskopischen Chirurgie einen einzigartigen Vorteil verleihen könnte, da das unerwünschte Gewebe, ohne das Risiko der Verletzung anderer Strukturen, unter schwierigen Bedingungen von Sicht und Zugang zu dem Operationsfeld, entfernt werden könnte.
Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Gewebeentfernung und Wassergehalt, stellten die Erfinder die Hypothese auf, daß der physische Mechanismus, welcher die Gewebeteilung verursacht, der destruktive Effekt von interzellulärer Kavitation sei, d. h., die aufgrund rapiden wechselnden Drucks sich formierenden mikroskopischen Dunstblasen in den interzellulären Flüssigkeiten. Bei einer genannten Druckhöhe in einer Flüssigkeit wird der Kavitationsgrad durch eine Anzahl physischer Werte der Flüssigkeit festgelegt, z. B. Temperatur, Oberflächenspannung, Viskosität, Dampfdruck und Dampfdichte. Sehr wichtig ist die Abhängigkeit der Kavitation von (1) dem angewandten Druck, und (2) der Frequenz, bei der der angewandte Druck schwankt. Studien haben die Vermutung geweckt, daß die Intensität der Kavitation im Wasser zunimmt, wenn die Frequenz der Vibration verringert wird. Diese Hypothese wurde geprüft, indem zwei Umwandlerspitzen in genau derselben Größe, aber verschiedener Frequenz der Druckschwankung, aufgestellt wurden. Da der durch die Schwankungsbewegung erzeugte Druck in Proportion zu der Geschwindigkeit dieser Bewegung steht, wurden beide Spitzen mit derselben Geschwindigkeit an den Punkt des Gewebekontaktes gebracht. Eine Spitze vibrierte bei 40 kHz, die andere vibrierte bei 20 kHz. Bei derselben Probe verdoppelte die Benutzung der 20 kHz-Vibration etwa die Geschwindigkeit der Gewebeentfernung, wodurch ein Zusammenhang mit der Kavitation bestätigt, und jede Annahme, daß Gewebezerteilung nur durch die Zunahme der Vibrationsamplitude oder -geschwindigkeit erhöht werden könnte, widerlegt wurde. Gleicherweise wurde festgestellt, daß die Kavitationsgeschwindigkeit sich wieder verdoppelt, wenn die Frequenz weiter auf 10 kHz gesenkt wird. Unterhalb einer Schwelle von 10 kHz bleibt die Geschwindigkeit konstant.
Es besteht auch eine Druckschwelle, unter welcher es nicht möglich ist, eine bestimmte Flüssigkeit zu kavitieren. Diese Schwelle verringert sich in der Frequenz hinunter bis ca. 10 kHz, unter welcher die Druckschwelle sich nicht mehr verringert.
Aus diesen Gründen erstreckt sich der Frequenzbereich, der vorzugsweise von dieser Erfindung erfaßt wird, von 10 kHz bis 20 kHz, und umfaßt folglich einen Teil des Ohrenspektrums, obgleich natürlich niedrigere oder höhere Frequenzen verwendet werden könnten. Es wurde zuvor angenommen, daß die Verwendung hörbarer Frequenzen störend und gefährlich für den Chirurgen wären, und daß die Frequenz auf die hörbaren Bereiche oberhalb von 18 kHz beschränkt werden sollten. Längere Wellenlängen wurden ebenfalls verworfen, weil ein halbwellenlanger Umwandler bei 20 kHz ca. 5 Inches lang wäre, d. h. ca. die maximale Länge für eine bequeme, von Hand geführte Verwendung.
Die derzeitigen Erfinder haben jedoch festgestellt, daß bei der endoskopischen Vorrichtung andere Überlegungen, als diejenigen, die seither vom Stand der Technik her bekannt waren, zu beachten sind. In der endoskopischen Chirurgie werden die meisten der vibrierenden Komponenten in eine natürliche Körperöffnung, wie z. B. in die Harnröhre, eingeführt, so daß die Ausbreitung des hörbaren Geräusches durch das dazwischen liegende Körpergewebe zum größten Teil gedämpft wird. Bei einigen perkutanen Anwendungen, z. B. in der arthroskopischen Chirurgie, bei der nur ein Teil des Instruments in das Gewebe eingeführt wird, ist die Geräuschausbreitung aus den äußerlichen Teilen minimal und kann, falls erwünscht, durch die Verwendung dämpfender Hüllen und Umhüllungen über den Umwandler und einen Teil der Spitze wirkungsvoll beschränkt werden.
Sogar bei Verwendung der günstigsten Frequenzen sollte auch die höchstmögliche Spitzengeschwindigkeit eingesetzt werden, damit der Druck und somit die Kavitation weiter vergrößert wird. Da der Druck mit der Geschwindigkeit des Umwandlers durch die konventionelle Formel P = ZV zusammenhängt, wobei Z der akustische Stromwiderstand der Flüssigkeit ist, wird die Verbindung zwischen Kavitation und Druck in eine direkte Abhängigkeit der Kavitation von der Geschwindigkeit übersetzt.
Es wird angenommen, daß Kavitation sowohl von der Beschleunigung, als auch von der Amplitude der Vibration, relativ unabhängig ist.
Die Geschwindigkeit kann jedoch ohne Beschränkung nicht erhöht werden, da eine definitive physische Beschränkung der Geschwindigkeit besteht, bei welcher Sonden oder Spitzen aus bekannten Materialien sicher vibriert werden können. Die mechanische Spannung an einem bestimmten Punkt innerhalb einer vibrierenden Spitze steht unmittelbar in Verbindung mit der Spitzengeschwindigkeit an diesem Punkt. Die Erhöhung der Spitzengeschwindigkeit erhöht gleichzeitig die Spannung innerhalb der Spitze, bis diese die Stärke der Kristallbindungen innerhalb des Materials der Spitze und den Spitzenfrakturen übersteigt. Spezielle Ausführungen können entwickelt werden, um große Spitzengeschwindigkeiten für eine bestimmte maximale Spannung zu ermöglichen, doch die Ausführungen des seitherigen Standes der Technik haben die Durchschnittsgröße der Spitze beständig erhöht und waren schwierig in der Herstellung. Zusätzlich zu der Senkung der Vibrationsfrequenz, ist es folglich auch ein wichtiges Ziel der Erfindung, die Kavitationsrate durch einen verbesserten Apparat zu erhöhen, damit die mögliche Spitzengeschwindigkeit gesteigert wird, ohne daß die höchstzulässige Spannung für das Material der Spitze überschritten wird.
Für eine regelmäßige Struktur, wie z. B. eine Röhre mit konstantem Querschnitt, bezieht sich die Spitzengeschwindigkeit an einem bestimmten Punkt auf die Spannung gemäß der Gleichung s = pcv, wobei v die Geschwindigkeit = velocity (Entfernung pro Zeiteinheit), p die Dichte des Materials, aus dem die Spitze hergestellt ist (Masse pro Volumeneinheit), c die Geschwindigkeit, mit der extensionale Schallwellen in die Spitze gelangen (Entfernung pro Zeiteinheit), und s die Spannung in der Spitze (Kraft pro Flächeneinheit) darstellt. Im Falle von Titan, welches die größte Spannung eines normal erhältlichen Materials zu tragen imstande ist, bedeutet die vorstehende Relation, daß die höchstzulässige Geschwindigkeit ca. 1270 cm pro Sekunde beträgt. Es ist jedoch bekannt, daß bei der effektiven Entfernung von lebendem Gewebe, Geschwindigkeiten von mindestens 2540 cm pro Sekunde vorzugsweise eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Entfernung von Gewebe kann eine größere Spitzengeschwindigkeit durch die Verwendung eines Geschwindigkeitstransformators erzielt werden, der einen ungleichen Querschnitt aufweist. Die obige Gleichung ist nur bei gleichen Strukturen anzuwenden, z. B. bei Röhren mit einem konstanten Querschnittsbereich. Ist die Röhre ungleich hergestellt, dann wird die Gleichung mittels eines Formfaktors M, manchmal Gütefigur genannt, modifiziert:
s = pcv/M
Je nachdem, wie die Änderung erfolgt, erhöht oder verringert der Formfaktor die erreichbare Spitzengeschwindigkeit für eine bestimmte, maximale Spannung. Von Interesse in diesem Fall ist die Erreichung eines Spitzenentwurfs, dessen Formfaktor größer als eins ist.
Aus der modifizierten Gleichung heraus wird klar, daß im Falle einer bestimmten, maximal zulässigen Spannung die Spitzengeschwindigkeit über diejenige hinaus erhöht werden kann, welche in einer gleichen Röhre durch einen Faktor M erreichbar ist.
Es gibt eine Vielzahl von Spitzenentwürfen, bei denen der Querschnittsbereich bezüglich der Länge unterschiedlich ist, und zwar zur Erlangung eines M-Wertes, der im wesentlichen größer als eins ist. Beispielsweise können exponentielle Spitzen, deren Querschnittsbereich unterschiedlich ist, entlang der Länge als
Bereich (Area) = Aoe-aL
wobei e die natürliche Basis ist, Ao und a Konstanten sind, und L die Entfernung von dem fraglichen Punkt zum Ende der Spitze darstellt, theoretisch einen Formfaktor bilden, der e oder 2,7 gleichkommt. Um dies jedoch zu erreichen, erfordert der M-Wert, daß die Spitze mit drastisch unterschiedlichen Durchmessern beginnt und endet. Eine das Gewebe entfernende Vorrichtung eines exponentiellen Designs mit einem Formfaktor 2, der bequem eine Spitzengeschwindigkeit von 25,4 m/sek. erzeugen könnte, würde mit einem Durchmesser ca. fünfmal so groß, wie der des chirurgischen Endes, beginnen. In einer endoskopischen Vorrichtung, die einige Zentimeter in eine enge Körperöffnung eindringen muß, ist ein exponentielles Design nicht praktizierbar. Bei einem Aufbau zur Aufnahme der Grenzen der menschlichen Anatomie, wäre dessen Spitze zu klein, um Gewebe bei einer praktischen Geschwindigkeit entfernen zu können.
Es wurde festgestellt, daß bei dem am meisten effizienten Design zur Erhöhung des M-Wertes von 1 auf ca. 2, die Benutzung eines Geschwindigkeitstransformators mit konstanter Belastung, gekoppelt mit einem Geschwindigkeitstransformator mit konstantem Durchmesser, angewandt wird. In einer einheitlichen Röhre, welche extensionale Vibration erzeugt, folgt die Belastung der Relation
s = sin πx/L,
wobei x die Entfernung zum fraglichen Punkt von einem Ende der Röhre, und L die Gesamtlänge der Röhre darstellt. Aus dieser Relation ist ersichtlich, daß die Belastung bei x = L/2 am größten ist. Folglich wäre es wünschenswert, am Betriebsende der chirurgischen Sonde mit der Länge L/2 einen weiteren Teil mit einem unterschiedlichen Querschnittsbereich vorzusehen, damit bei Werten von x, die größer als L/2 sind, die Belastung bei dem größten zulässigen Wert konstant bleibt.
Auch würde ein solches Design die größtmögliche Extension für eine bestimmte maximale Beanspruchung schaffen. Da das Hookesche Gesetz vorschreibt, daß die Extension eines jeden Teils des Transformators der Beanspruchung unterliegt, und da die Belastung konstant ist, erhöht sich die Extension, linear entlang der Spitzenlänge über den Mittelpunkt derselben hinaus.
Nachstehend wird aufgezeigt, daß eine solche Spitze, in dem für konstante Beanspruchung konzipiertem Bereich, einen Querschnittsbereich aufweist, der der Relation
Area = Be-by2
unterliegt, wobei B und b Konstanten sind, und y die Entfernung von einem bestimmten Punkt bis zum Ende der Spitze darstellt. Diese mathematische Funktion ist bekannt als Gauss'sche Funktion, nach dem Mathematiker Gauss, der diese Werte studiert hat. Folglich, wird die Spitze mit konstanter Beanspruchung ein Gauss'scher Resonator genannt. Gauss'sche Resonatoren stellen gegenüber jedem alternativen Design eine bedeutsame Verbesserung dar, da sie mit Durchmessern hergestellt werden können, die von der menschlichen Anatomie mit einem genügend großen Gewebekontaktbereich und Aspirationsdurchlaß aufgenommen werden können, welche eine wirksame Gewebeentfernung gestatten, und einen Formfaktor 2 ergeben, wodurch ermöglicht wird, daß praktisch eine Geschwindigkeit von 25,4 Metern pro Sekunde in einer endoskopischen oder perkutanen Vorrichtung erreicht wird. Ferner erfordert das Gauss'sche Design keine große Verschiedenheit zwischen den beiden Enddurchmessern.
Der Querschnittsbereich nimmt zunehmend entlang der Länge des Resonators ab, so daß die Beanspruchung konstant bleibt; dies muß jedoch nicht nahe dem das Gewebe berührende Spitzenende erfolgen. Da an dieser Stelle keine Beanspruchung besteht, ist der Streß gleich Null, so daß das Ende der Spitze nicht so konzipiert werden muß, damit sie dieselbe Beanspruchung aushält, sondern sie kann geformt und abgerundet werden, so daß die Beanspruchung allmählich auf Null verringert wird.
Die mathematische Basis für die Schaffung eines Gauss'schen Resonators in dem EUA ist wie folgt: Gut eingerichtete akustische Prinzipien schaffen die Parameter, welche die höchste Geschwindigkeit bewirken, die von dünnen Polen ausgehen, welche einfache extensionale Vibration erfahren. Bei einem einheitlichen Pol mit beiden freien Enden steht die höchst-erreichbare Geschwindigkeit direkt in Zusammenhang mit der höchsten Beanspruchung, welcher das Material, aus dem der Pol hergestellt ist, mit Sicherheit standhalten kann:
Vmax = Smax/pc (1)
wobei Vmax die Geschwindigkeit (Entfernung pro Zeiteinheit), Smax die sichere Beanspruchungsgrenze (Stärke pro Gebietseinheit), p die Materialdichte (Masse pro Volumeneinheit) und c die Geschwindigkeit, mit welcher extensionale Wellen in dem Material wandern (Entfernung pro Zeiteinheit), darstellt. Da Metalle die einzigen, praktischen Materialien sind, die zur Aufrechterhaltung der hochgradig akustischen Vibration, wie sie uns interessiert, imstande sind, und da c etwa dasselbe für all diese Metalle darstellt, nämlich die Erzielung des größtmöglichen Vmax-Wertes, sollte ein Material gewählt werden, welches das höchstmögliche Kraft- und Gewichtsverhältnis (Smax/p) besitzt. Das sich gut eingeführte Material ist Flugzeug-Titan. Der sichere Wert von Schwingungsbeanspruchung wurde im Experiment festgestellt als ein Drittel des Wertes der Streckspannung (die Beanspruchung, bei der das Metall beginnt, sich unumkehrbar zu deformieren). Wenn Vmax berechnet wird, indem die angemessenen Werte von Smax, p und c verwendet werden, stellt sich heraus,
Vmax = 1219 cm/sek. (2)
bei einem einheitlichen Pol aus Flugzeug-Titan.
Durch diese Geschwindigkeit wird jedoch nur ein geringer Grad an entferntem weichem Gewebe erzielt, sogar wenn die Vibrationsfrequenz zur Erhöhung der Kavitation von intrazellulärem Wasser herabgesetzt wird. Ein Wert, ca. zweimal so hoch, wie der von der Gleichung 2, ist für die wirksame Desintegrierung dieses Gewebes wünschenswert. Folglich ist ein Geschwindigkeitstransformator erforderlich, der den Wert von Vmax etwa verdoppelt, ohne daß die Höchstbelastung über Smax steigt. Es ist auch wünschenswert bei einer endoskopischen Vorrichtung, daß dieser Geschwindigkeitstransformator innerhalb eines engen, kreisförmigen Kanals von vorzugsweise ca. 8 mm im Durchmesser ausgeführt wird, wovon ca. 4 mm aus einer kreisförmigen Aspirationsbohrung besteht. Es ist daher wichtig, daß die Geschwindigkeit mit einer minimalen Änderung im Querschnittsbereich erhöht wird, damit der gesamte Resonator innerhalb des Endoskops über eine Länge von mindestens ca. 17 bis 19 cm plaziert werden kann.
Die Fig. 1 zeigt einen hypothetischen Geschwindigkeitstransformator, bestehend aus einem einheitlichen Abschnitt von einer Viertel-Wellenlänge, gefolgt von einem integralen zweiten Abschnitt der Länge L. Die Fig. 2 stellt verschiedene mögliche Belastungsverteilungen in diesem Pol, für verschiedene hypothetische Querschnittsvariationen des zweiten Abschnitts bar. Die Geschwindigkeit an jedem Punkt rechts von dem einheitlichen Abschnitt kann dargestellt werden als
v(x) = [=2πf/E] Sxo s(x)dx (3)
wobei s(x = o) = Smax, s(x = L) = o, f die Frequenz der Vibration (Periode pro Zeiteinheit), und E die elastische Konstante oder den Young'schen Modulus (Stärke pro Gebietseinheit) darstellt. Folglich kann die Geschwindigkeitsverteilung entlang des Abschnitts direkt aus diesen Belastungsverteilungen berechnet werden. An jedem Punkt steht die Geschwindigkeit im Verhältnis zu dem Bereich innerhalb der Belastungskurven an diesem Punkt. In der Fig. 3 werden diese jeweiligen Geschwindigkeitsverteilungen dargestellt. Obgleich sie die höchste Endgeschwindigkeit erzeugt, übersteigt die Kurve 1 Smax, und wäre folglich keine praktische Wahl. Die Kurven 2 und 3 erzeugen sichere Belastungsverteilungen, ergeben jedoch nicht die höchst erreichbare Endgeschwindigkeit. Die Bereiche unter diesen Kurven in der Fig. 2 sind geringer, als die Bereiche unter den Kurven 1 und 4.
Nur die Kurve 4 erhöht die Geschwindigkeit am schnellsten, wobei sie eine sichere Betriebsbelastung aufrecht erhält. Die Kurve 4 stellt eine konstante Belastungsebene in dem Abschnitt dar, außer am Terminus, der freiliegt, und daher keinem Druck unterliegt.
Es bleibt noch, festzustellen, wie der zweite Abschnitt geformt werden muß, damit diese optimale Belastungsverteilung hergestellt werden kann. Die Geschwindigkeitsverteilung in einem extensionalen, vibrierenden, dünnen Pol hängt zusammen mit dem Geschwindigkeits- und Querschnittsbereich als
Da s(x) = Smax, für O ≤ x ≤ L, (5)
und da δs(x)/δx = O ist (6)
dann sind v(x) und s(x) verbunden durch die Gleichung 3 mit s (x) = Smax, welches v(x) = -2πf/E·Smaxx (7) ergibt.
Wenn die Gleichungen 5, 6 und 7 durch die Gleichung 4 ersetzt werden, ergibt sich der Zustand
welcher, wenn er zwischen A(x=o) = Ao und A(x), und zwischen x=o und x=x integriert wird, A(x) = Aoe(-k2x2/2), O ≤ x ≤ L ergibt,
wobei k² = [2πf/c]² ist. (9)
Folglich muß, zur Erreichung der optimalen Geschwindigkeitstransformation, der Querschnittsbereich des Resonators von dessen Wert bei x = o ausgehend, wie von der Gleichung 9 vorgeschrieben, welche die Gauss'sche Funktion darstellt, progressiv vermindert werden.
Es besteht keine theoretische Grenze für das Ausmaß, in dem die Geschwindigkeit zunimmt, solange wie A(x) der Gleichung 9 entspricht. Praktisch gesehen, ist der Resonator hohl, und die Wandstärke, welche für die stets abnehmenden Werte von A erforderlich ist, würde schließlich eine Struktur produzieren, die für den Umgang in der medizinischen Behandlung nicht ausreichend stark wäre. Der Gauss'sche Resonator zeigt jedoch einen Faktor des Geschwindigkeitstransformators von zumindest 2, mit einem akzeptablen anfänglichen Querschnittsbereich Ao, wodurch die Erzielung einer Gewebezertrümmerung mit einer endoskopischen Vorrichtung praktikabel wird.
Die Amplifikation der Konstanten-Beanspruchung kann auch erreicht werden in einer einheitlichen Struktur, z. B. einer zylindrischen Röhre, und zwar durch das Ändern der elastischen Konstante E, oder sowohl der elastischen Konstante E und der Dichte p, über die Länge der Struktur, ohne daß der Querschnittsbereich geändert wird.
Ein Beispiel ist ein System, in welchem Dichte in Proportion zu der elastischen Konstante steht, d. h. p = nE, wobei n eine Konstante ist. Es wird festgestellt, daß konstante Beanspruchung in einem solchen System erreicht werden kann, wenn E nach der Gauss'schen Funktion geändert wird:
E + Eoe-n(2πfx)2/2, (10)
wobei E(x=o) = Eo. Folglich verringert sich die elastische Konstante E von dem Vibrationsinput zum freien Ende des Resonators. Unter diesen Umständen ist
v(x) = 2πfSmax Sxo [s(x)/E(x)] dx. (11)
Nachdem S(x) = Smax in einem System der konstanten Beanspruchung darstellt, ist v(x) = -2πf Smax Sxo 1/E(x) dx. (12)
Nachdem E(x) eine abnehmende Funktion ist, erhöht sich die Integrale in der Gleichung (12) schneller als dies der Fall wäre, wenn E(x) eine konstante Funktion wäre, wie in der obigen Gleichung (3); daher kann unter diesen Umständen eine größere Geschwindigkeitsamplifikation erwartet werden, als in einem System, in dem der Querschnittsbereich zur Erzielung von Zuständen der Konstanten-Beanspruchung variiert wird.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Vibrationsapparat für einen endoskopischen Ultraschallaspirator eine Vibrationsquelle zur Vibrierung bei hoher Frequenz und mit einer ersten Amplitude; einen ersten Geschwindigkeitstransformator mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, wobei das Eingangsende mit der Vibrationsquelle, zwecks Vibrierung durch dieselbe, gekoppelt ist, und das Ausgangsende in Erwiderung der erhaltenen Vibrationen mit einer zweiten Amplitude, größer als die erste Amplitude, vibriert; einen zweiten, längsgestreckten Geschwindigkeitstransformator mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, wobei das besagte Ausgangsende dem Betriebsende des Apparates entspricht; das Eingangsende des zweiten Geschwindigkeitstransformators, welches mit dem vorderen Ende des ersten Transformators, zwecks Vibrierung durch denselben, verbunden wird, wobei das Ausgangsende in Erwiderung der so erhaltenen Vibrationen mit einer dritten Amplitude vibriert, die größer als die besagte zweite Amplitude ist, wobei der zweite Transformator eine unitäre Konstruktion aufweist, und, während des Vibrationsvorgangs eine im wesentlichen konstante mechanische Spannungsebene auf der im wesentlichen gesamten Länge aufweist. Der zweite Transformator kann einen Querschnittsbereich aufweisen, der von seinem Eingangsende bis zum Ausgangsende so unterschiedlich ist, daß er diese im wesentlichen konstanten mechanischen Spannungsebene erzeugt. Der Querschnittsbereich des zweiten Transformators kann sich ändern gemäß der Gauss'schen Funktion. Hingegen kann die im wesentlichen konstante Spannungsebene hergestellt werden, ohne daß der Querschnittsbereich geändert wird, indem die elastische Konstante des Materials des Transformators oder sowohl die elastische Konstante wie auch die Dichte des Materials geändert werden.
Die Erfindung sieht auch einen endoskopischen Ultraschallaspirator vor, der die vorgenannte Vibrationsquelle umfaßt, welche innerhalb eines hohlen Handstücks zur Erzeugung mechanischer Vibrationen in Einstellung auf Wechselstrom erhalten wird, der an die Vibrationsquelle geliefert wird; eine längliche Hülle mit einer Hohlbohrung in Verbindung mit dem Innern des hohlen Handstücks, und mit einem dem Handstück abgewandten Betriebsende; Mittel zur Lieferung des besagten Wechselstroms an die besagte Vibrationsquelle; ein längliches Werkzeugmittel, das mit der Vibrationsquelle verbunden ist und durch die Hohlbohrung der Hülle sich bis zu einem Arbeitsgebiet hinter dem Betriebsende der Hülle zwecks Beförderung der besagten mechanischen Vibrationen an die besagte Arbeitsstelle erstreckt; ein Betrachtungsmittel, das sich von dem Handstück bis zu diesem Arbeitsgebiet erstreckt, zur Erzielung einer Ansicht von dem Handstück dieses Arbeitsgebiets; ein Mittel zur Lieferung von Flüssigkeit in einen Flüssigkeitsraum, definiert zwischen dem besagten Werkzeugmittel und der besagten Hohlbohrung der besagten Hülle; und ein Flüssigkeitsanzeigemittel zur Feststellung des Vorhandenseins von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsraum und verbunden mit dem Mittel zur Lieferung von Wechselstrom zwecks Unterbindung des gelieferten Wechselstroms und dadurch zum Abbruch der mechanischen Vibration, wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist.
In einer anderen Form der Erfindung, umfaßt ein Apparat für die Entfernung von unerwünschtem biologischem Material ein Handstück; eine längliche Hülle, die sich von dem Handstück aus erstreckt und eine Hohlbohrung aufweist; und der den Vibrationsapparat der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 enthält, wie in Anspruch 15 beschrieben.
Nach einem weiteren Aspekt schließt das Absaugmittel auch ein Biopsieventil mit ein, das mit dem Flüssigkeitsgang gekoppelt ist, auf den das Absaugen zur selektiven Verteilung von Flüssigkeit und Gewebe aus demselben angewandt wird, und auch ein Fangmittel zum Auffangen und zur Filtrierung der gewünschten Flüssigkeit und des gewünschten Gewebes, welche selektiv abgefangen worden sind.
Mit der Anwendung der Erfindung in der transurethralen Resektion der Prostata wird diverser Nutzen erzielt, z. B. 1) die gewebsdifferentiale Wirkung, 2) eine thermale Atzung und das Fehlen einer Nekrose, welche die Heilung sehr beschleunigen sollte, 3) die rückwärtige Bewegung des Instruments, die eine direkte Sicht des Vorganges gestattet, 4) die Fähigkeit, Blasensteine oder ähnliches zu entfernen, und 5) die zeitliche Reduktion (und folglich die erhöhte Sicherheit) des Vorganges durch die Zunahme der Geschwindigkeit der Gewebeentfernung und durch die Ermöglichung einer durchgehenden Operation.
Die Gewebe-Auslesefähigkeit des endoskopischen Ultraschallvorgangs reduziert das Risiko des Durchstoßens der Prostatakapsel oder der Blase, es sei denn, das Instrument wird von dem Chirurgen gewaltsam geführt. Alle Hindernisse, z. B. Blutgefäße, werden vom Chirurgen leicht getastet, da das Handstück unmittelbar mit der Betriebsspitze mechanisch verbunden ist, was zwangsläufig zu einem sicheren Vorgehen führt, das mit weniger Schulung angewandt werden kann, als dies bei dem seitherigen Verfahren der Fall war.
Folglich verursacht das Ultraschallverfahren auch minimale mikroskopische Gewebgsmißgestaltungen, was genauere histologische Diagnosen gestattet. Das abgesaugte Gewebe kann rasch in eine Biopsiefalle des Systems geleitet und zur Analyse entfernt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Eliminierung von elektrischem Strom durch den Körper des Patienten, wodurch das Risiko von Schockzuständen, Verbrennungen oder Reflexen des Obturatornervs vermieden wird.
Durch die ständige Absaugung der Trümmer und des Wassers wird die Operationszeit bis auf lediglich eine halbe Stunde verkürzt. Dies resultiert in der Verminderung operativer Blutungen, sowie in der allgemeinen Abnahme des operativen Risikos für die Patienten. Die weitere Verminderung der Blutungen ergibt sich aus dem Verätzungseffekt der Reibung der sich bewegenden Spitze an dem angrenzenden Gewebe.
Auch gestattet die Entfernung des Gewebes mittels Ultraschall, zusammen mit ständiger Bewässerung und Absaugung, rückläufige Schnitte, wodurch der Chirurg eine bessere Sicht von dem bekommt, was der Schnittkante im Wege liegt. Da die entfernten Gewebestücke klein sind, werden sie leicht abgesaugt, was dem Chirurgen ermöglicht, bei guter Sicht einen durchgehenden Schnitt zu setzen, und zwar für jede Länge des zu entfernenden Prostatagewebes.
Eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung bezieht sich auch auf einen endoskopischen Ultraschallaspirator mit einer Spitze von reduziertem Umfang, was dem den Aspirator benutzenden Chirurgen eine erweiterte Sicht des Operationsfeldes bietet.
Eine weitere Ausführungsart der Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines endoskopischen Ultraschallaspirators des Typs, der einen Resonator mit einer vibrierenden Spitze zur Entfernung von biologischem Material, Mittel zur Lieferung von Flüssigkeit an die Spitze, Mittel zur Entfernung der Flüssigkeit und des abgetragenen biologischen Materials, und Mittel zur Betrachtung des Betriebs der vibrierenden Spitze beinhaltet. Diese Verbesserung umfaßt offene Kanalmittel, verbunden mit der Resonatorspitze, zur Ermöglichung der Betrachtung der Spitze,während diese benutzt wird, und Mittel zur Stützung des offenen Kanalmittels und Bildung einer Passage zur Unterstützung des korrekten Betriebs des Aspirators in bezug auf die Entfernung der Flüssigkeit und des abgetragenen biologischen Materials. Falls erwünscht, kann die gesamte Länge des Resonators in die Form der offenen Kanalmittel geformt und dimensioniert werden, so daß das Betrachtungsmittel von den offenen Kanalmitteln teilweise aufgenommen, gehalten und gestützt werden,und somit die Größe des Aspirators auf ein Minimum reduziert werden kann. Vorzugsweise besteht das Mittel zur Stützung des offenen Kanals aus einem elastischen Stöpsel, und das Kanalmittel weist einen U- oder V-förmigen Querschnitt auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird die rohrförmige Ultraschallspitze des Aspirators der Länge nach aufgeschnitten. Das Teleskop wird dann innerhalb des ausgeschnittenen Spitzenteils suspendiert. Folglich hat das Ende der Ultraschallspitze im Querschnitt eine U-Form, mit dem suspendierten Teleskop innerhalb des U. Als Ergebnis wird die Öffnung der U-förmigen Spitze durch die untere Fläche des Teleskops teilweise verschlossen, so daß ein Querschnitt der Öffnung an der Spitze, nahe dem Operationsende, eine Halbmondform aufweist.
Da das Teleskop in das Ende der Ultraschallspitze eingesetzt ist, ist der Gesamtumfang des Aspiratorends der vorliegenden Erfindung geringer als der eines Aspiratorends, bei dem die Ultraschallspitze dort, wo das Teleskop neben der Ultraschallspitze angebracht ist, im Querschnitt kreisförmig ist. Da der obere Teil der Ultraschallspitze neben dem Teleskop entfernt worden ist, wird die Sicht des Operationsfeldes für den Chirurgen durch die Ultraschallspitze nicht blockiert. Um sicher zu gehen, daß sich die jeweiligen Positionen des Teleskops und der Ultraschallspitze nicht ändern, kann zwischen Teleskop und U-förmiger Spitze ein Stöpsel angebracht werden. Die Ultraschallspitze und der Stöpsel werden dann innerhalb einer Hülle oder eines unteren Hohlraums angebracht, der mit dem oberen Hohlraum, in welchem das Teleskop angebracht wird, verbunden ist.
Andere Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 zeigt einen hypothetischen, extensionalen Resonator zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
Die Fig. 2 zeigt eine Kurvengruppe zum Aufzeigen möglicher Spannungsverteilungen in dem Resonator der Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt eine Kurvengruppe zum Aufzeigen von Geschwindigkeitsverteilungen,entsprechend den Kurven der Spannungsverteilungen der Fig. 2.
Die Fig. 4A und 4B bilden zusammen eine teilweise abgebrochene Ansicht eines endoskopischen Ultraschallaspirators (EUA) nach einer Ausführungsart der Erfindung.
Die Fig. 5A ist eine erhöhte Ansicht einer Resonatorzusammensetzung, die einen Umwandler und erste und zweite Geschwindigkeitstransformatoren zur Benutzung in dem EUA der Fig. 4A und 4B beinhaltet.
Die Fig. 5B ist eine graphische Darstellung der Extension und Spannungsverteilungen in den Komponenten der Fig. 5A.
Die Fig. 5C zeigt eine alternative Resonatorzusammensetzung.
Die Fig. 5D zeigt eine weitere alternative Resonatorzusammensetzung.
Die Fig. 6 ist eine Endansicht des EUA, entlang der Linie 6-6 der Fig. 4B.
Die Fig. 7 ist ein Detail der Fig. 6, das eine Endansicht des Teleskops 28 des EUA anschaulich macht.
Die Fig. 8 ist eine Grundrissansicht eines Abdichtungsrings 112, verwendet in dem EUA.
Die Fig. 9 ist eine erhöhte Ansicht von einem Teil einer alternativen Ausführungsart der Erfindung.
Die Fig. 10A und 10B bilden zusammen ein Blockdiagramm einer Ultraschall-Stromversorgung zur Benutzung mit dem EUA.
Die Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht des EUA, entlang der Linie 11-11 der Fig. 4A.
Die Fig. 12A zeigt schematisch ein Bewässerungssystem zur Benutzung mit dem EUA.
Die Fig. 12B zeigt schematisch ein Absaugsystem zur Benutzung mit dem EUA.
Die Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm des Teils einer alternativen Ultraschall-Stromversorgung zur Benutzung mit dem EUA.
Die Fig. 14 ist eine perspektivische Zeichnung einer Ausführungsart des endoskopischen Ultraschallaspirators der vorliegenden Erfindung mit offenem Kanal.
Die Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsart der Fig. 14, entlang der Linie 15-15.
Die Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsart der Fig. 15, entlang der Linie 16-16.
Die Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsart der Fig. 15, entlang der Linie 17-17.
Die Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsart
der Fig. 15, entlang der Linie 18-18.
Die Fig. 19 ist eine Ansicht des Transformator-Eingangsabschnitts der Erfindung.
Die Fig. 20 ist eine Ansicht,entlang der Linie 20-20 der Fig. 19.
Die Fig. 21 ist eine Ansicht des Transformatoreingangs der Erfindung, wenn das Teleskop eingesetzt ist.
Die Fig. 22 ist eine Veranschaulichung des Transformator- Eingangsabschnitts mit eingesetztem Teleskop, und darüber hinaus abgedichtet mit einem elastischen Material.
Die Fig. 23 ist eine Ansicht der Fig. 22, wobei ein Teil des elastischen Abdichtungsmaterials entfernt ist.
Die Fig. 24 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich wie die Fig. 15, wobei jedoch eine alternative Ausführungsart der Erfindung dargestellt wird.
Die Fig. 25, 26 und 27 sind Detailansichten von Resonatorspitzenmodifizierungen für die Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN

In den Fig. 4A und 4B wird ein endoskopischer Ultraschallaspirator nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung gezeigt. Ein Handstück 20 ist an der Stelle angebracht, die als das hintere Ende der Vorrichtung bezeichnet wird. Eine Hülle 22 ragt von dem Handstück 20 in Richtung der Stelle, die als das Betriebsende der Vorrichtung bezeichnet wird. Eine Haltemontage 24, integriert in die Hülle 22, koppelt das Handstück mit der Hülle. Das Handstück ist vorzugsweise aus Kunststoff, und die Haltemontage und Hülle sind vorzugsweise aus Metall. Der EUA besteht auch aus einem geraden Teleskop 28, welches sich horizontal von dem hinteren Ende zu dem Betriebsende des EUA erstreckt. Ein horizontaler, oberer Flügel 26 des Handstücks 20 enthält eine Öffnung 30, durch welche das Teleskop zum Äußeren des Handstücks führt. Das Handstück weist auch einen unteren Flügel 32 auf, der zusammen mit dem oberen Flügel 26 einen Winkel A bildet. Der Winkel A darf günstigstenfalls ca. 20 bis 45 Grad aufweisen, da sein Zweck darin besteht, daß sich verschiedene Komponenten innerhalb des Handstücks befinden, ohne daß sie die gerade, horizontale Sichtlinie beeinträchtigen, die von dem Teleskop benötigt wird.
Die Hülle 22 ist mit dem Handstück 20 mittels einer Haltemontage 24 verbunden, welche mit der Hülle 22 an deren hinterem Ende integriert ist. Die Haltemontage 24 ist im allgemeinen zylindrisch und weist eine kreisförmige Öffnung an ihrer hinteren Seite mit nach innen gerichteten Gewinden 34 auf. Das Handstück ist an seinem vorderen Ende kreisförmig und weist nach außen gerichtete Gewinde 36 auf, welche für das Anschrauben der Sperre 24 in den Gewinden 34 angepaßt sind. Die Sperre 24 hat einen vorderen Teil 38 mit ringförmigen Flächen 40 und 42, die jeweils nach hinten und vorne gerichtet sind. Das Handstück wird in die hintere Öffnung 30 der Haltemontage geschraubt, bis es die hintere Fläche 40 berührt. Die Vorderfläche 42 der Sperre 24 begrenzt die Entfernung, bei der das Betriebsende der Hülle 22 des EUA in eine chirurgische Öffnung eingeführt werden kann.
Das Teleskop 28 weist am hinteren Ende eine Lupe 50 und ein Kabel 52 zur Lieferung von elektrischem Strom an eine elektrooptische Lichtquelle 54 auf. Das Teleskop erstreckt sich von der Lupe in gerader Sichtlinie zum Betriebs ende des EUA. Das Design des Teleskops ist im Detail klarer ersichtlich in der Fig. 7. Das Teleskop beinhaltet ein zylindrisches Linsensystem 56, das sich nahe dem unteren Teil der zylindrischen Innenfläche 58 des zylindrischen Teleskops 28 befindet. In dem halbmondförmigen Raum zwischen der Innenfläche 58 und dem Linsensystem sind optische Fasern 60 angeordnet, welche Licht von der Lichtquelle 54 zum Betriebsende des Teleskops übertragen. Andere Behandlungsquellen können erstellt werden. In dieser Ausführungsart beträgt der Außendurchmesser des Teleskops 28 ca. 3 bis 4 mm, und der Außendurchmesser des Linsensystems 56 beträgt vielleicht 1,7 bis 2,7 mm, was von der Größe des gesamten Teleskops 28 abhängt.
Angebracht innerhalb des Handstücks und der Hülle ist eine allgemeine Resonatorzusammensetzung 68. Die Resonatorzusammensetzung 68, welche in der Fig. 5 deutlicher sichtbar wird, enthält einen piezo-elektrischen Umwandler 70; einen ersten Geschwindigkeitstransformator 72 mit einem relativ dicken, bogenförmigen Eingangsteil 74, gekoppelt mit dem Umwandler zum Empfang von Vibrationsenergie von demselben, und einen integral schmaleren Ausgangsteil 76, der nach vorne, aus dem Eingangsteil 74 ragt; und, integral verbunden mit dem vorderen Ende des Ausgangsteils 76, einen Geschwindigkeitstransformator 78, der sich von dem Ausgangsteil 76 zum Betriebsende des EUA erstreckt und etwas über die Hülle 22 hinausragt. Die Länge des Umwandlers beträgt im wesentlichen die Hälfte einer der Wellenlängen der in der Vorrichtung angewandten Schwingungen. Folglich weist der Umwandler an seinen Enden Bauchschwingungen und auf halbem Wege zwischen seinen Enden einen Schwingungsknoten auf. Die Länge des bogenförmigen Eingangs teils 74 des ersten Transformators 72 beträgt ein viertel Wellenlänge; folglich ist dessen Berührungspunkt mit dem Umwandler 70 eine Bauchschwingung und der Berührungspunkt mit dem Ausgangsteil 76 ein Schwingungsknoten. Die Länge des Ausgangsteils 76 beträgt eine halbe Wellenlänge. Daher befindet sich im Zentrum dieses Teils eine Bauchschwingung, und ein Knoten besteht dort, wo er mit dem zweiten Geschwindigkeitstransformator 78 verbunden ist.
Der zweite Transformator 78 ist vom oben beschriebenen Gauss'schen Typ. Wie in der schematischen Darstellung in der Fig. 5 zu sehen ist, gibt es wenig längsgestreckte Extension und wenig Spannung in dem Eingangsteil 74, weil er relativ massiv ist und ein wesentlicher Anteil seiner Vibration aus einer Biegeschwingung besteht. Die Spannung ist an beiden Enden des Ausgangsteils des ersten Transformators hoch, ist jedoch gleich Null am zentralen Punkt, der aus einer vibrierenden Bauchschwingung oder Schleife mit der größten längsgestreckten Extension besteht. Die Spannung in dem Ausgangsteil 76 ist für das verwendete Material und Design auf der höchst zulässigen Ebene, mit anderen Worten, Smax, wie oben definiert. Der Gauss'sche Resonator 78 zeigt konstante Spannung auf dieser selben Ebene Smax, in nahezu der gesamten Länge, fast bis zur Spitze 80 an ihrem Betriebsende. Die Spannung nahe der Spitze 80 ist im wesentlichen gleich Null, da normalerweise wenig oder gar keine Belastung auf der Spitze besteht.
Wie in der Fig. 6 ersichtlich, sind der zweite Transformator 78 und auch der Ausgangsteil 76 nicht rund. Vielmehr sind diese Teile oben und unten, zur Gewährung von reichlichem Wasserdurchfluß, wölbungsfrei, ohne daß ihre Schwingungsmerkmale wesentlich geändert werden. Die Zentralbohrung 110 ist jedoch im wesentlichen kreisförmig, mit einem Innendurchmesser von vielleicht 4,33 mm (13 in französischer Maßeinheit).
Das Betriebsende 80 muß nicht in einer senkrechten Ebene liegen, wie aufgezeigt wird, sondern kann winkelförmig oder auf andere Weise geformt sein, falls dies bei einer speziellen Anwendung gewünscht ist.
Die kombinierte Länge von Ausgangsteil 76 und des zweiten Transformators 78 beträgt günstigerweise ca. 19 cm. Falls erwünscht, könnte sie um ein vielfaches durch eine halbe Wellenlänge verlängert werden; das wäre bei ca. 20 kHz etwa 13 cm.
Ein piezo-elektrischer Umwandler, wie hier verwendet wird, hat typischerweise eine maximale Vibrationsamplitude von ca. 23 Mikron. Bei den hier interessanten Frequenzen wird bei Spitzenvibrationen mit der erforderlichen Geschwindigkeit eine Amplitude von ca. 350 Mikron erforderlich. Die Resonatorzusammensetzung 68 liefert diese 15-fache Zunahme der Vibrationsamplitude.
Eine Rille 90 wird oben in dem Transformator-Eingangsteil 74 geformt und wird zur Aufnahme des Teleskops dimensioniert. Die Rille 90 gestattet die Plazierung des Teleskops fast parallel mit den Transformatorteilen 76 und 78 innerhalb des vorderen Endes der Hülle, und zwar zur Bildung einer kompakten und engen Hülle, ohne daß auf das Empfangsteil 74 eingewirkt wird.
Der Buchstabe R in der Fig. 5A bezieht sich auf den Abrundungsradius des bogenförmigen Empfangsteils 74. Dieser Radius muß klein genug sein, damit das Handstück weit genug unter der Sichtlinie des Teleskops gekurvt ist - wünschenswert wäre zumindest ca. 20 Grad -, zur Erzielung einer kompakten und leicht zu handhabenden Einheit. Ein Radius R von ca. 5 cm ergibt einen Winkel von ca. 40º. Bei einer Betriebsfrequenz von 20 kHz, sind 5 cm ca. 0,2mal die Wellenlänge. Vorzugsweise sollte der Radius R nicht kleiner als ca. 0,1mal die Betriebswellenlänge sein, um exzessive Energieverluste zu vermeiden. Der Radius sollte also weniger als ca. 0,5mal die Wellenlänge sein, damit ein brauchbarer Absatzwinkel von ca. 20º über die Länge des Eingangsteils 74 entsteht, der etwa 6 cm beträgt. Die Bogenform des Eingangsteils ist nicht notwendigerweise kreisförmig; folglich wird der Radius R hier als Annäherungswert definiert.
Die Fig. 5C und 5D zeigen alternative Resonatorzusammensetzungen 68c und 68d. In der Fig. 5C wird ein erster Transformator 72 an einen Umwandler 70 gekoppelt. Wie in der vorherigen Ausführungsart, ist der erste Transformator ein halbwelliger Stufentransformator. Gekoppelt an das Betriebsende des ersten Transformators ist ein zweiter Transformator 78c, welcher einen konstanten Querschnittsbereich aufweist. Geschwindigkeitsverstärkung wird mittels Zunahme der elastischen Konstante des Materials im zweiten Transformator von dessen Berührungspunkt zum ersten Transformator, bis zu dessen Spitze 80c erreicht. Wahlweise kann die Materialdichte des ersten Transformators als eine Funktion der Entfernung von dem ersten Transformator zur Spitze verringert werden.
In der Ausführungsart der Fig. 5D wird derselbe zweite Transformator 78c, wie eben beschrieben, benutzt. In dieser Ausführungsart ist jedoch der erste Transformator 72d, der wie in den vorherigen Ausführungsarten gebogen ist, kein Stufentransformator. Die Geschwindigkeitsverstärkung im ersten Transformator wird vielmehr erreicht, indem die Elastizität des Materials des ersten Transformators erhöht, und die Dichte des Materials, als Funktion der Entfernung von dem Umwandler, wahlweise verringert wird. Wie in der Fig. 5D ersichtlich, müssen der Umwandler 70 und der erste Transformator nicht zwingend denselben Querschnittsbereich an ihrer Koppelung, zur Erzielung ausreichender Energieübertragung, aufweisen.
Aufgrund der Krümmung des Teils 74, können sich die Transformatorteile 74, 76, 78 einer bestimmten kleinen Anzahl transverser Biegungsschwankungen unterziehen. Alle transversen Schwingungskomponenten in den Teilen 76 und 78 sind jedoch durch das Vorhandensein von Bewässerungsflüssigkeit in dem umgebenden Raum 98 innerhalb der Hülle gedämpft.
Bewässerungsflüssigkeit wird durch einen Schlauch 92 geliefert, und wird von einem Ventil 94 kontrolliert. Die Bewässerungsflüssigkeit fließt durch eine radiale Bohrung 96 im äußeren Teil des vorderen Abschnitts 38 der Haltemontage 24. Dann fließt sie in die Räume 98, welche die Resonatoren 76 und 78 innerhalb der Hülle umgeben. Wie allgemein in der Fig. 6 angedeutet, weist die Rille generell einen eiförmigen Querschnitt auf. Ihr Umfang sollte vorzugsweise ca. 25 mm betragen, etwa dasselbe, wie der Umfang eines kreisförmigen Instruments mit einem Durchmesser von 8 mm, welche Dimension in Fachkreisen als 24, französischer Maßeinheit, bekannt ist. Falls erforderlich, ist ein Umfang von ca. 29 mm, der 28 in französischer Maßeinheit entspricht, verwendbar. Mit 28 französischer Maßeinheit, oder größere Instrumente, besteht das Risiko der Verletzung einer engen Öffnung, wie die der Harnröhre. Das Teleskop 28 befindet sich in dem schmaleren Teil der eiförmigen Hülle 22. Es ist umschlossen von Epoxy-Material oder ähnlichem, das sich innerhalb der Hülle zur Bildung einer Abteilung 100 erstreckt, die ein wasserdichtes Abteil für das Teleskop bildet.
Bewässerungsflüssigkeit fließt in Richtung des Betriebsendes des EUA durch den Raum 98 von der Umgebung der Sperre 24, und dämpft alle transversen Schwingungen der Transformatorteile 76 und 78, auch bewässert sie ein Operationsfeld nahe der Spitze 80. Behelfsmäßige Flüssigkeitsgänge können auch erstellt werden. Flüssigkeit wird durch einen Dichtungsring 112, wie in der Fig. 8 gezeigt, daran gehindert, in das Handstück zu fließen. Der Ring ist allgemein O-förmig, doch hat er in seinem oberen Teil eine kleinere Öffnung zur Aufnahme des Teleskops. Der Dichtungsring 112 dichtet den ringförmigen Raum um den Eingangstransformatorteil 74 innerhalb des Handstücks ab, und bildet das Loch 114 für den wasserdichten Durchgang für das Teleskop.
Zusätzliche Abdichtung und Stütze wird durch einen O-Ring 120 gewährt, der um den Umwandler innerhalb der Wand des unteren Handstückflügels 32 führt. Der O-Ring 120 befindet sich an dem Schwingungsknoten im Zentrum des Umwandlers.
Die Kuppelung zwischen Umwandler und Eingangsteil 74 kann begünstigend Hohlgewinde enthalten, die in die Stoßflächen der Absauggänge 110 des Umwandlers und des Eingangsteils versenkt sind, und auch einen Hohlgewindestift, der in diese beiden geschraubt wird. Eine solche Verbindung ermöglicht eine glatte, feine Bearbeitung der anliegenden Flächen dieser zwei Resonatorelemente und ergibt eine gute akustische Kupplung zwischen den Flächen.
Wiederum bezugnehmend auf die Fig. 4A und 4B, ist die Absaugung durch eine fortgesetzte konzentrische Bohrung 110 vorgesehen, die sich von der Spitze 80, durch den zweiten Transformator 78, den ersten Transformator 72 und den Umwandler 70, bis zu einem Schlauch 122 erstreckt, der mit einer Absaugquelle verbunden ist. Andere Durchgänge können zusätzlich erstellt werden. Durch diese Mittel fließen Flüssigkeit und entferntes Gewebe, weg von dem Operationsfeld, und werden durch den EUA, weg von dem Operationsfeld, entweder zwecks Beseitigung oder histologischer Analyse, angesaugt.
Die Ränder des Betriebsendes des zweiten Transformators 78 sind an der Spitze 80 gerundet, damit die Entfernung von Gewebe durch die Kavitation von intrazellulärem Wasser erfolgt, wie zuvor besprochen, und zwar,ohne daß wahlloses Schneiden durch die Spitze 80 geschieht, was versehentlich zu Verletzung von Gewebe führen könnte, das nicht abgetragen werden sollte.
Es ist wichtig für alle querlaufenden Schwingungskomponenten der Transformatorteile 76 und 78, daß sie durch Flüssigkeit, die in die Räume 98 fließt, gedämpft werden, und daß die Schwingung aufhört, falls keine Flüssigkeit vorhanden ist. Zu diesem Zweck ist ein Flüssigkeitssensor in Form eines isolierten Drahts 124 vorgesehen, der rückwärts entlang des Teleskops verläuft und von dem Flüssigkeitsraum 98 durch die Teilung 100 getrennt ist. Der Draht 124 verläuft durch das Loch 114 in dem Dichtungsring 112, und durch die Rille 90 in dem Eingangsteil 74 zu dem Innern des Handstücks. Der Draht könnte auch in eine Rille gesenkt werden, d. h. entweder in der Teilung 100, in der das Teleskop umgebenden Bohrung, oder in der Bohrung, welche die Resonatoren einschließt, sollte dies gewünscht sein. Er kann auch Flüssigkeit ausgesetzt werden, falls angemessene Isolierung vorgesehen ist. Der Draht ist so fein, daß er die Dichtung, vorgesehen in dem Dichtungsring 112, nicht beeinträchtigt. Dann wird der Draht 124 um den O-Ring 120 zum Äußeren des Handstücks geführt. Wie nachstehend erläutert, werden Mittel in dem Hochfrequenz-Stromzufuhrkreis vorgesehen zur Feststellung der Belastbarkeit zwischen diesem Draht 124 und dem zweiten Transformator 78, der geerdet ist. Sollte sich die Belastbarkeit erhöhen, was das Fehlen von Wasser anzeigt, wird die Schwingung des Umwandlers 70, zwecks Vermeidung exzessiver Querschwingungen und möglichen Schadens an den Resonatorkomponenten, unterbunden.
Die Fig. 9 zeigt Elemente einer alternativen Ausführungsart der Erfindung. In dieser Ausführungsart besteht keine Teilung zwischen dem Teleskop 28a und dem Bewässerungsflüssigkeit enthaltenden Raum, der die Resonatoren 76a, 78a umgibt. Zur Stützung des Teleskops wird eine Menge 82 biologisch neutrales Silikon-Gummi-Klebemittel oder ähnliches zwischen dem Teleskop und der Verbindungsstelle der Resonatoren 76a und 78a angebracht. Es ist wichtig, ein flexibles Klebemittel für die Ermöglichung einer relativen Bewegung zu benützen, obgleich diese Verbindungsstelle einen Schwingungsknoten darstellt, da jeder Punkt auf jedem Resonator einem geringen Grad an radialer Schwingung unterliegt, die für einen Körper, der extensionaler Vibration ausgesetzt wird, natürlich ist. Da jeder zusätzliche Teil eines Resonators komprimiert ist, beult es sich leicht unmittelbar. Folglich unterzieht sich jeder Punkt auf jedem Geschwindigkeitstransformator ständig einer leichten radialen Expansion und Verengung. Diese radialen Vibrationen sollten von dem Teleskop isoliert werden. Es können jedoch nicht mehr als ca. 250 bis 500 Mikron Trennung zwischen dem Teleskop und den Resonatoren, aufgrund der starken Beschränkung an Größe der Hülle, bestehen. Diese Erfordernis an Nähe wird,angesichts der weiteren Erfordernis an Schwingungsisolierung, durch die Verbindung der Elemente mit einem Klebemittel gelöst.
Der Ultraschallgenerator und das bezogene Schaltsystem für Strom und der Kontrolle des Ultraschallumwandlers 70 werden in den Fig. 10A und 10B ersichtlich.
Der Umwandler 70 umfaßt ein verlängertes, torisches, piezoelektrisches Kristall 71, das von einer zylindrischen Hochspannungselektrode 84 angetrieben wird, und eine ringförmige Masse-Elektrode 86. (Siehe auch die Fig. 4A und 11). Die Masse-Elektrode 86 ist mit einem konduktiven Futter 116 elektrisch verbunden. Das Futter 116 läuft durch die Länge des Umwandlers 70, wobei der Absaugungsgang 110 gefüttert wird, und mit den Geschwindigkeitstransformatoren elektrisch gekoppelt wird. Der Umwandler wird mit zylindrischen Isolatoren 88a, 88b, 88c isoliert, die sich an den Enden des Umwandlers und zwischen den Elektroden 84 und 86 befinden.
Der piezo-elektrische Umwandler und die Spitze werden mittels eines doppelpoligen, koaxialen Kabels 130 von dem Generator angetrieben. Er erhält Energie von einem AC-Signal, dessen Größe und Frequenz von einem DC-AC-Umformer 132 kontrolliert wird. Dieser Umformer wandelt eine Eingangs-DC-Spannung in ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz, die von einem AC- Signal kontrolliert wird, das zu dem Frequenzkontrolleingang 134 geliefert wird, und einer Magnitude, die von einer DC- Spannungsebene, die an den Umformer an dessen Größenkontrolleingang 136 geliefert wird, kontrolliert wird. Die an dem Eingang 134 vorgesehene Frequenz ist die Frequenz, bei welcher der Umwandler zur Vibration angetrieben wird. Die an den Eingang 136 gelieferte DC-Spannung ist diejenige, welche für die Aufrechterhaltung einer selektierten Schwingungsamplitude bei der Vibrationsfrequenz erforderlich ist.
Die Frequenz- und Spannungsreizungen werden von einem Rückkuppelungssignal empfangen, indem zwei Signale, welche im Verhältnis zu dem Spannungs- und Strominput stehen, dem Umwandler zugeführt werden. In der Fig. 10 bilden C&sub1; und C&sub2; einen kapazitiven Spannungsverteiler, der über C&sub2; eine Spannung produziert, welche unmittelbar zu der Umwandlerspannung proportional und mit ihr phasengleich ist. Die Spannung über C&sub3; ist im Verhältnis zu dem Umwandlerstrom, doch ist sie in der Phase und 90 Grad verschoben. Die Spannung zwischen dem Kontaktarm des Potentiometers R&sub1; und der Erdung ist das Rückkuppelungssignal. Wenn R&sub1; korrekt eingestellt wird, ist das Rückkuppelungssignal bei allen Reizfrequenzen, außer an der resonanten Frequenz des Umwandlers, sehr niedrig, da bei der Resonanz die Umwandlerspannung und der Strom 90 Grad in der Phase verschoben sind.
In der Resonanz, wenn das Rückkuppelungssignal vorhanden ist, ist dessen Größe im Verhältnis zu der Vibrationsamplitude, und dessen Phase gleicht genau der des Umformerausgangssignals.
Die Induktanz L hebt reaktiv die statische Belastbarkeit des Umwandlers auf; d. h., die Belastbarkeit des Kabels 130 und die Netto-Belastbarkeit der Spannungsverteiler C&sub1;, C&sub2;. Diese Belastbarkeit wird günstigerweise neutralisiert, so daß die Spannung am Kontaktarm von R&sub1; im Verhältnis zu der Vibrationsamplitude sein wird, und bei Frequenzen, die anders als Resonanz sind, wird sie sehr niedrig sein.
Das Rückkuppelungssignal wird an zwei Kontrollschleifen weitergegeben: die eine zur Erreichung der korrekten Frequenz und die andere zur Erreichung der erwünschten Vibrationsamplitude Wenn der Aspirator entmagnetisiert ist, entsteht natürlich kein Rückkuppelungssignal, und ein Mittel zur Erzeugung der Schwingung muß gestellt werden. Ein vorbestimmtes Startsignal erfolgt mittels eines durch Spannung geregelten Oszillators 140. Bei Nichtvorhandensein jeglicher Rückkuppelung läuft diese Oszillator bei einer Frequenz, die mittels eines variablen Resistors R&sub3; an den allgemeinen Bereich der erwarteten Umwandlerresonanz angepaßt ist. Da generell diese anfängliche Reizfrequenz nicht die Resonanzfrequenz ist, wird ein wesentliches Rückkuppelungssignal nicht erfolgen. Akustische Resonatoren zeigen jedoch eine ziemlich verringerte Vibrationsebene bei Frequenzen innerhalb ca. fünf Prozent ihrer tatsächlichen Resonanz. Folglich wird ein kleines, aber feststellbares Rückkuppelungssignal erzeugt.
In der Frequenzkontrollschleife dringt das Rückkuppelungssignal in einen sehr empfindlichen Phasengleichheitsprüfer 142 ein, der eine DC-Spannung erzeugt, im Verhältnis zu dem Unterschied zwischen der Phase des Rückkuppelungssignals und der Phase des Ausgangs des durch Spannung geregelten Oszillators. Die Frequenz des Rückkuppelungssignals ist dieselbe, wie die des Oszillators, doch ist die Phase nicht dieselbe, weil die Frequenz die Resonanzfrequenz des Umwandlers noch nicht erreicht hat. Die Leistung von dem Phasenvergleicher wird sehr verstärkt durch einen Phasenfehlerverstärker 144, und dringt dann durch einen Begrenzer 146, der die Leistung des Verstärkers nach oben und unten begrenzt. Dieses verstärkte Signal, das den Grenzen des Begrenzers unterliegt, wird dann an ein Lenkinput 148 des durch Spannung geregelten Oszillators 140 geliefert und modifiziert dessen Leistungsfrequenz, bis der Phasenunterschied zwischen dem Rückkuppelungssignal und dem Leistungssignal des durch Spannung geregelten Oszillators herabgemindert ist. Die Frequenz des durch Spannung geregelten Oszillators, die dieses Ergebnis erzeugt, ist die tatsächliche Resonanzfrequenz des Umwandlers.
Das Ergebnis der Beschränkung der Steuerspannungsweite, angewandt auf den Oszillator bei Input 148, ist die Beschränkung des Ausmaßes, bei dem die Frequenz verschoben werden kann. Generell hat ein komplexer Akustikresonator, z. B. der Umwandler 70, mehr als eine extensionale Resonanz, wobei bei nur einer die gewünschte Leistung erhalten werden kann. Die Reizung anderer Resonanzfreqenzen würde weit niedrigere Schwingungsebenen und eine sehr schlechte Gewebezerlegung ergeben. Da die Schwingungsebenen bei diesen parasitären Resonanzen viel niedriger sind und eine geringere gesamte Vibrationsenergie bilden, falls Vorkehrungen nicht getroffen werden, würde das System natürlich dazu neigen, bei Frequenzen zu arbeiten, bei denen der Arbeitsaufwand geringer ist. Der Begrenzer 146 verhindert, daß der Oszillator zu Frequenzen veranlaßt wird, die außerhalb einer vorbestimmten Bandbreite, welche die vorgesehenen Resonanzen einengen, liegen.
In der Amplituden-Kontrollschleife wird das Rückkuppelungssignal einem Angleicher 150 zugeführt, der eine DC-Spannung erzeugt, die im Verhältnis zu der Größe des Rückkuppelungssignals steht. Ein Drosselfilter 152 eliminiert alle AC- Komponenten und filtert nur die direkte Stromkomponente heraus. Dieses Signal wird dann mittels einer Oberschwelle 154 von einer vorselektierten DC-Spannung abgezogen. Die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen wird sehr verstärkt durch einen Amplituden-Fehlerverstärker 156, und wird der Hauptstromversorgung 160 zur Kontrolle ihrer DC-Leistungsspannung zugeführt. Diese DC-Leistungsspannung ist die Stromquelle für den Umformer 132. Sie steht im Verhältnis zu der Größe des AC-Leistungssignals des Umformers, der wiederum im Verhältnis zu der Vibrationsamplitude des Umwandlers 70 steht. Diese Amplituden-Kontrollschleife hält die von dem Betreiber gewünschte Vibrationsamplitude aufrecht, und zwar ungeachtet des von dem Umformer 132 durch den Umwandler 70 bezogenen Stroms, wobei eine einheitliche Leistung bei Vorhandensein von nachgiebigem wie auch resistentem Gewebe erfolgt.
Da der von dem Umformer erhältliche Strom nicht unbeschränkt ist, wird in dieser Komponente ein interner Schaltkreis erstellt, damit der maximale Stromverbrauch von dem Umformer sicher beschränkt wird und dadurch unsichere Stromanforderungen durch willkürlichen oder unwillkürlichen Mißbrauch ausgeschlossen wird. Wenn die Stromgrenze des Umformers erreicht ist, wird die Leistung der Vibrationsamplitude automatisch reduziert. Die Amplitude wird am Kontrollregler wieder hergestellt, sowie die exzessive Stromanforderung beseitigt worden ist.
Ersichtlich aus der Fig. 10A ist auch ein Kapazitätensensor 162, der die Kapazität zwischen Kapazitätsucher 124 und Erdung mißt. Wenn diese Kapazität wesentlich steigt, was das Fehlen von Wasser um die Geschwindigkeitstransformatoren 72 und 78 anzeigt, wird der Kapazitätensensor 162 die Eingangsebene auf einen Input 138 des Umformers 132 auf eine Ebene bringen, welche den Umformer hemmt und die AC-Leistung aus dem Umwandler beendet.
Die Fig. 12 zeigt ein gesamtes, endoskopisches Ultraschall- Aspirationssystem. Eine Bewässerungsflüssigkeitsquelle 170 wird ca. 1 bis 2 Meter oberhalb des EUA angebracht. Diese Entfernung ergibt ausreichenden hydrostatischen Druck, damit die Phase sich weder erweitert noch zusammenfällt.
Angesaugte Flüssigkeit und Gewebe passieren den Absaugschlauch 122 bis zu einem Biopsieventil, das zwei Positionen 172 aufweist. Normalerweise werden die Trümmer von dem Ventil 172 durch einen direkten Schlauch 174 zu der Absaugquelle gelenkt. Wenn jedoch der Chirurg verdächtiges Gewebe sichtet, von dem eine Biopsie erwünscht wird, kann das Ventil 172 umgeschaltet werden, damit die Trümmer in eine Biopsiefalle 176 gelenkt werden. Die Biopsiefalle ist ein wasserdichter Behälter mit einem querstehenden Sieb 178, durch welchen die abgesaugten Trümmer passieren müssen. Das gewünschte Gewebe kann auf dem Sieb rasch gesammelt und zur histologischen Analyse gebracht werden. Die Biopsiefalle sollte relativ nah an dem EUA sein, z. B. ca. 0,3 bis 0,5 Meter. Aufgrund der Nähe kann mit dem Schlauch 122 sehr rasch geklärt werden, so daß das Biopsiematerial ohne unnötige Verzögerung gesammelt werden kann, nachdem das verdächtige Gewebe gesichtet worden ist. Die Falle kann auch steril gehalten werden, so daß Proben gesammelt werden können, ohne daß die Probe selbst oder die Handschuhe des Chirurgen verunreinigt werden.
Die abgesaugten Trümmer passieren dann durch eine Linie 179 zur Hauptabsaugfalle 180. Die Falle 180 ist ein geschlossener Behälter mit einem Eingang 182, umgeben von einem strumpfförmigen Sieb 184, durch den die Trümmer gefiltert werden. Nach dem Sieben kann das Gewebe für die medizinische Untersuchung im Ganzen entfernt werden. Die Falle ist mit einem Ausgang 186 aus dem Sieb 184 ausgestattet.
Die Siebe 178 und 184 sind nicht besonders fein. Ihre Öffnungen können günstigerweise ca. 1 mm im Quadrat betragen, damit Blutgerinnsel usw. ohne zu verstopfen passieren können. Andererseits ist die Siebdichte dazu gewählt, Gewebestücke aufzufangen, deren Größe etwa dieselbe ist, wie der Innendurchmesser der Betriebsspitze 80, der etwa die Dimension des Gewebes besitzt, welches aus dem abzutragenden Organ geschält wird.
Nach dem Sieben passieren die Trümmer durch eine Linie 188 zu einem Entlüftungsventil 190. Das Ventil 190 besitzt ein Kontrollventil 192, welches sich öffnet und den Druck auf die Linie 188 an einen Vakuumschalter 194 weitergibt, wenn der Druck auf die Linie 188 auf ein vorbestimmtes niedriges Niveau fällt, was darauf hinweisen würde, daß das System verstopft ist. Falls der Vakuumschalter 194 sich öffnet, öffnet sich auch ein Solenoid 196, und dadurch wird eine Entlüftungslinie 198 geöffnet, wodurch der Absaugdruck in die Atmosphäre abzieht.
Die Gesamtkontrolle des Absaugdrucks erfolgt über ein Hauptventil 200, betrieben durch ein Solenoid 202.
Das Pumpen erfolgt durch eine peristaltische Pumpe 210.
Die auszuscheidende Aspirationsflüssigkeit wird in einem Auffangbehälter 220 gesammelt.
Die Fig. 13 zeigt Elemente eines alternativen Generators zum Antrieb des EUA bei der elektrischen Verätzung von Gewebe. Ein doppelpoliger Schalter mit zwei Positionen 230 wird zur Selektierung der Signalquelle eingesetzt, die bei dem Umwandlerkabel 130 angewandt wird. In einer Position wählt der Schalter das Umwandlerantriebssignal über die Kapazitoren C&sub1;, C&sub2; im Generatorsystem, wie zuvor bezüglich der Fig. 10A und 10B erläutert. In der anderen Position werden der Konduktor und der koaxiale Schutz des Kabels 130 zusammengebunden und mit einer Radiofrequenzquelle 232 verbunden. Das RF-Signal ist günstigerweise ein Impuls-RF-Strom mit einer Spitzenamplitude von 1500 Volt. Die Wellenform ist eine scharf abfallende, gedämpfte, sinusoidale Wellenform, mit einer Frequenz von ca. 500 kHz. Die Pulswiederholungs- Geschwindigkeit beträgt ca. 20 kHz. Um die Leitung von der RF-Quelle zur Erdung zu vervollständigen, wird eine geerdete Dispersionselektrode 234 mit der Haut des Patienten in Kontakt gebracht. Der Oberflächenbereich der Berührung sollte so groß wie möglich sein, damit Verbrennungen und Schockauswirkungen vermieden werden. Folglich geht die RF zur Erdung von der Spitze 80 aus, bei der endoskopischen Gewebeverätzung, durch den Patienten hindurch.
Günstigerweise hat der Generator die folgenden Betriebskontrollen: an/aus Fuß-Schalter für die Vibration; Aspiration und Licht; fortlaufende/intermittierende Ultraschallvibration; Vibrationsamplitude; wahlweise einen Schalter 230 zur Verbindung des EUA an eine RF-Quelle.
Bezugnehmend auf die Fig. 14 umfaßt das Betriebsende des endoskopischen Ultraschallaspirators mit offenem Kanal, generell als 310 bezeichnet, ein Teleskop 312 und einen Resonator 314.
Das Teleskop 312 wird innerhalb einer hermetisch versiegelten Röhre oder eines oberen Hohlraums 316 befestigt. Das Teleskop 312 beinhaltet ein zylindrisches Linsensystem (nicht abgebildet) und zumindest eine optische Fiber (nicht abgebildet), die Licht aus einer Lichtquelle an das Operationsfeld am Ende des Teleskops überträgt. Andere Illuminationsquellen können eingesetzt werden. Das zylindrische Linsensystem ermöglicht dem Chirurgen die Sicht auf das Operationsfeld durch ein Okular aus einer weiteren Entfernung von dem Operationsfeld.
Der Resonator 314 befindet sich innerhalb einer weiteren, hermetisch versiegelten Röhre oder eines unteren Hohlraumes 318. Der Resonator 314 ist ein Rohr, aufgeschnitten von dessen Arbeitsende, zumindest bis zum Knoten 332 des Aspirators 310. Die Bedeutung des Knotens 332 wird nachstehend aus führlich erörtert. Als Alternative kann der Resonator 314 in seiner gesamten Länge aufgeschnitten werden. Als Ergebnis erhält der aufgeschnittene Teil des Resonators 314 die Form eines Kanals mit einer U-Form im Querschnitt.
Wenn man den Resonator 314 und den unteren Hohlraum 318 in ihrer gesamten Länge aufschneidet, wird das Teleskop 312 teilweise innerhalb dieser Öffnung suspendiert, und ein Aspirator der kleinsten Größe wird entlang der Gesamtlänge erzielt. Das Gehäuse 320, hergestellt aus festem Material, dient hauptsächlich dazu, das Teleskop 312 in der richtigen Lage, über dem aufgeschnittenen Teil des Resonators 314 und des Hohlraums 318, zu halten.
Das Öffnen der Betriebsspitze des Resonators 314 hat keine Auswirkungen auf dessen Ultraschall-Leistung, vorausgesetzt, daß mindestens die Hälfte der Spitze erhalten bleibt. Zerstückelungsgeschwindigkeiten bleiben unbeeinträchtigt, da bei normalem Gebrauch lediglich die untere Hälfte der Spitze das Gewebe berührt, und die Gewebescheiben, entfernt mittels Ultraschallsezierung unter Verwendung kompletter, tubenförmiger Spitzen, erreichen niemals die Größe eines vollen Bohrdurchmessers.
In einer Ausführungsart wird der Resonator 314 nur bis zum Knoten 332 aufgeschnitten. Dadurch ist der Betriebsteil des Aspirators kleiner als das gegenüberliegende Ende, welches den Hohlraum 318 enthält. Wie in den Fig. 14 bis 18 aufgezeigt, ist das röhrenförmige Gehäuse 20, welches das Teleskop 312 und den Resonator 314 umgibt, nicht rund, sondern von ovaler Form, dies zur Erhaltung des Umfangs des EUA in der bevorzugten Mindestgröße. Das ovale Gehäuse bietet die Unterbringung von Arbeitsgeräten innerhalb des kleinstmöglichen Umkreises.
Der obere Hohlraum 316, in welchem das Teleskop 312 untergebracht ist, paßt in die Öffnung am Ende des Resonators 314. Der untere Hohlraum 318 ist, wie auch der Resonator 314, eine Röhre, die von dem Betriebsende, mindestens bis zum Knoten 332 des Aspirators 310, aufgeschnitten ist. Der untere Hohlraum 318 ist an den oberen Hohlraum 316 mittels zweier Wülste aus Haft-Dichtungsmittel 326, z. B. Epoxy, befestigt, so daß der obere Hohlraum 316 in die Öffnung des unteren Hohlraums 318 paßt, wie im Detail in der Fig. 16 gezeigt wird. Der obere Hohlraum 316 und der untere Hohlraum 318 können aus jedem halbfesten Material hergestellt werden. Wenn jedoch die oberen und unteren Hohlräume 316 und 318 aus einem elektrisch isolierten Material hergestellt werden, isolieren die oberen und unteren Hohlräume 316 und 318 elektrisch den Resonator 314 von dem Rest des Aspirators 310, dem Patienten und dem Chirurgen, so daß der Resonator 314 elektrokauterisierendem Strom risikolos ausgesetzt werden kann.
Um die Spitze des Resonators 314 neben und sehr nahe dem oberen Hohlraum 316 erhalten zu können, wird der Stöpsel 322 in den unteren Hohlraum 318, zwischen der unteren Oberfläche des Resonators 314 und der oberen, inneren Oberfläche des unteren Hohlraums 318, eingesetzt. Der Stöpsel 322 ist im Querschnitt halbmondförmig, so daß seine Oberflächen in die untere Oberfläche des Resonators 314 und die obere, innere Oberfläche des unteren Hohlraums 318 eingreifen, und die obere Oberfläche 316 in die Position innerhalb der Öffnung der U- förmigen Spitze des Resonators 314 eindringt, wie aus den Fig. 14 und 16 ersichtlich wird. Zusätzlich zu der Aufrechterhaltung der Position der Spitze des Resonators 314 neben dem oberen Hohlraum 316, ist der Stöpsel 322 auch von Vorteil bei der Abdichtung der Höhle des Aspirators 310, zwischen unterer Oberfläche des oberen Hohlraums 316 und des unteren Hohlraums 318, damit der Aspirationskanal 328, zwischen Resonator 314 und oberen Hohlraum 316, der einzige Zugang zu dieser Höhle bleibt. Wie in den Fig. 22 und 23 gezeigt, ist eine weitere Abdichtung 546 an dem Transformator-Eingangsteil angebracht, und dies verhindert gänzlich, daß das entfernte Material mit den übrigen Teilen des Aspirators in Berührung gelangt.
Sogar ohne den Stöpsel 322 in seiner Position, würden Flüssigkeiten in den Kanal zum Zeitpunkt der Gewebesetierung gelangen. Da es nur einen sehr geringen Abstand zwischen dem Resonator 314 und dem oberen Hohlraum 316 gibt, ist der Fluß hauptsächlich auf das Ende der Spitze beschränkt. Die hydrodynamische Resistenz gegen den Fluß unter oder außerhalb des Kanals ist größer, als die Resistenz im offenen Kanal; folglich findet im wesentlichen der gesamte Fluß auf die beabsichtigte Weise statt, nämlich durch Absaugung durch den unteren Hohlraum 318.
Der Stöpsel 322 wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das nachgibt, wenn es mit der durch Ultraschall vibrierenden Spitze des Resonators 314 in Berührung kommt. Als Erläuterung wäre zu erwähnen, daß der Stöpsel 322 aus Epoxy oder Polyesterharz, einem thermoplastischen oder elastomeren Material, besteht. Wenn diese nachgiebigen Materialien verwendet werden, wird jede mechanische Störung zwischen Stöpsel 322 und der durch Ultraschall vibrierenden Spitze des Resonators 314 durch physischen Abrieb, nachdem die Spitze des Resonators 314 zu vibrieren beginnt, auf ein Minimum reduziert, oder vollständig ausgeräumt. Während der Operation ereignet sich die Gewebeaspiration auf dieselbe Weise, wie wenn die Spitze eine geschlossene Röhre wäre. Ferner ist die direkte Sicht auf die gesamte chirurgische Oberfläche möglich, da die Sektionskante der Spitze für die Chirurgen, welche diese Kante durch das Teleskop 312 betrachten, als "U" erscheint. Diese wünschenswerte Sicht kann bei Benutzung einer Aspirationsspitze mit geschlossener Röhre nicht erreicht werden.
Die Benutzung von elektro-kauterisierendem Strom kann sich in der endoskopischen Ultraschallchirurgie als vorteilhaftes Nebenverfahren erweisen. In der Elektro-Kauterisierung wird eine Metallspitze, Metallschleife oder andere chirurgische Sonde mit einer Hochfrequenzstromquelle von hoher Voltzahl verbunden, welche von einem Oszillator mit Funkenabstand angetrieben wird, oder von einem Generator, welcher denselben pulsierenden, elektrischen Stromfluß erzeugt, der für solche Oszillatoren charakteristisch ist. Wenn die Sonde das Gewebe berührt, fließt dieser Strom durch das Gewebe von dem Berührungspunkt, bis zu einer großen Sammelelektrode, die unter dem Patienten und in direktem Kontakt mit dessen Haut plaziert ist.
Wenn die Ultraschallspitze wirkungsvoll von dem Teleskop und der Hülle isoliert wird, ist es möglich, nicht nur das elektro-kauterisierende Potential unmittelbar auf die Spitze zu konzentrieren, sondern auch - wenn ein isolierter Umwandler zur Vibrierung der Spitze verwendet wird - gleichzeitig sowohl Ultraschallvibration und Elektro-Kauterisierung in einem endoskopischen Instrument zum Zwecke der gleichzeitigen Sezierung und Kauterisierung anzuwenden, und dadurch die Dauer des chirurgischen Eingriffs zu reduzieren.
Der obere Hohlraum 316 und der untere Hohlraum 318 werden innerhalb des halbfesten, röhrenförmigen Gehäuses 320 hermetisch abgedichtet. Aufgrund der Form der oberen und unteren Hohlräume 316 und 318, und der Weise, in der sie miteinander verbunden sind, werden ein Paar Bewässerungsflüssigkeitskanäle 324 gebildet, wenn die oberen und unteren Hohlräume 316 und 318 innerhalb des Gehäuses 320, wie in den Fig. 14 und 16 gezeigt wird, angebracht werden.
Wie oben besprochen, weist der Resonator 314 an seinem Betriebsende einen U-förmigen Querschnitt auf, zeigt jedoch, nach einer bevorzugten Ausführungsart, eine abgeschlossene Röhrenform bei Knoten 332. Eine Querschnittszeichnung des Aspirators an der Stelle des Knotens 332 in der Fig. 17 verdeutlicht dies. Am Knoten 332 weisen sowohl der Resonator 314, als auch der untere Hohlraum 318, eine Röhrenform auf, und der Aspirationskanal 328 ist im Querschnitt kreisförmig. Da der Resonator 314 an dem Knoten 332 nicht vibriert, kann der Resonator 314 die innere Oberfläche des unteren Hohlraums 318 berühren, ohne daß die Schwingung des Aspirators 314 an dessen Betriebsende ungünstig beeinflußt wird. Da jedoch der Resonator 314 in seiner gesamten Länge, außer an dem Knoten 332, vibriert, sollte der Rest des Resonators 314 zwischen Knoten 332 und dem Umwandler, der den Resonator 314 zum Vibrieren bringt, die innere Oberfläche des unteren Hohlraums 318 nicht berühren. Folglich - wie in den Fig. 15 und 18 verdeutlicht - besteht ein Raum 330 zwischen unterem Hohlraum 318 und Resonator 314 in dem Aspirator zwischen Knoten 332 und dem Umwandler.
Während des Betriebs, nachdem der Aspirator der vorliegenden Erfindung teilweise in den Körper eines Patienten eingeführt wurde, so daß das Betriebsende des Aspirators nahe des durch den Aspirator zu entfernenden Gewebes in Position gebracht worden ist, wird der Resonator 314 bei einer Ultraschallfrequenz mittels eines Umwandlers zum vibrieren gebracht. Wenn der Resonator 314 mit der Ultraschallfrequenz vibriert, ermöglicht die Vibration an der Spitze des Resonators 314 derselben, das Gewebe durchzutrennen. Um das abgeschnittene Gewebe aus dem Körper des Patienten entfernen zu können, wird Flüssigkeit durch die Kanäle für die Bewässerungsflüssigkeit 324 des Aspirators zum Operationsfeld gepumpt. Die Bewässerungsflüssigkeit wird durch Saugwirkung aus dem Operationsfeld entfernt, welche auf den Aspirationskanal 328 des Resonators 314 angewandt wird.
Aufgrund dessen, daß das Ende des Resonators 314 nahe des Betriebsendes eine U-Form im Querschnitt aufweist, kann die Bewässerungsflüssigkeit in den Aspiratorkanal 324, entlang des gesamten aufgeschnittenen Teils des Resonators 314, innerhalb des unteren Hohlraums 318, einfließen, wodurch die Saugstärke an jedem Punkt entlang des aufgeschnittenen Teils reduziert werden kann. Da jedoch der Endteil des unteren Hohlraums 328 durch den Stöpsel 322 abgedichtet ist, und nur die U-förmige Öffnung des Aspirationskanals übrig ist, wird die Saugkraft innerhalb des unteren Hohlraums 318 erhalten, so daß ausreichende Saugkraft an der U-förmigen Spitze des Resonators 314 erhalten bleibt.
Obgleich die am meisten bevorzugte Form des Resonators ein Halbkreis oder eine U-Form im Querschnitt ist, können andere Formen verwendet werden. Beispielsweise ist auch eine V-Form oder offene, rechteckige oder quadratische Form mit geraden, winkeligen oder abgerundeten Ecken annehmbar. Die Bereitstellung einer dieser Formen für ein Kanalmittel (z. B. ein Bodenteil mit zwei Seitenteilen und einem offenen Dach), befindet sich im Rahmen dieser Erfindung. Auch würde der Stöpsel 322 konzipiert werden, um der Konfiguration der Resonatorspitze zu entsprechen.
Falls die optimale Mindestgröße des Aspirators erwünscht wird, sollten der aufgeschnittene Resonator 314 und der untere Hohlraum 518 sich durch die gesamte Länge des Aspirators erstrecken. Diese Ausführungsart der Erfindung wird in den Fig. 19 bis 24 gezeigt. Da das Teleskop 312 teilweise innerhalb des Resonators 314 und des unteren Hohlraums 318 angebracht werden würde, wäre eine Anordnung des Instruments vorgesehen, die im Querschnitt der Fig. 16 ähnlich wäre, aber sich durch die gesamte Länge des Aspirators erstrecken würde. Der Resonator ist am Knoten 332 durch die Dichtung 340 befestigt. Diese Dichtung, die aus Gummi oder einem anderen elastischen Material geformt werden kann, würde auch verhindern, daß Flüssigkeit in den Raum zwischen Resonator 314 und unteren Hohlraum 518 sickert.
Die Fig. 19 bis 21 zeigen die Anordnung des Teleskops 312 und des Resonators 514 im Bereich des Transformatoreingangsteils 342. Wie in der Fig. 20 am deutlichsten ersichtlich, wird eine Kerbe 544 in das obere Teil des Transformatoreingangsteils 342 geschnitten, um Raum für das Teleskop 312 zu schaffen. Das Teleskop 512 wird in die Kerbe 344, wie in der Fig. 21 gezeigt, eingeführt. Diese Kerbe 344 in dem Transformatoreingangsteil 542, zusammen mit der offenen Kanalform des Resonators 514, ermöglicht die teilweise Einpassung des Teleskops 512 in denselben, so daß der äußere Durchmesser oder die französische Größe der gesamten Aspirationsanlage auf die Mindestgröße gehalten wird.
In dieser Ausführungsart erfordert der Resonator mit offenem Kanal an einem Punkt einen Mechanismus für die Verbindung des offenen Kanals mit einem geschlossenen Rohr oder Durchgang zur Entfernung von biologischem Material und Flüssigkeit aus dem Aspirator in einen Abfallbehälter, einen Auffangbehälter oder in eine Falle. Der in den Fig. 19 bis 23 aufgezeigte Transformatoreingangsteil 342 ist in einem vorbestimmten Winkel gebogen, damit Raum für das Teleskop 312 geschaffen wird. Der Resonatorkanal 314 und das Teleskop 312 teilen sich auch an diesem Punkt. Damit der Rückfluß von Flüssigkeit und biologischem Gewebe in das Teleskop 312 oder in das Handstück vermieden wird, wird ein formbares elastomeres oder thermoplastisches Material zur Abdichtung dieses Bereichs benötigt.
Die Fig. 23 und 24 zeigen dieses Abdichtungsmaterial 346 und die äußere Hülle 348 für diesen Bereich des Aspirators. Dieses Abdichtungsmaterial 346, das generell ein elastisches oder thermoplastisches, selbst-vulkanisierendes Material von relativ geringer Härte oder geringem Härtegrad ist (z. B. weniger als 80 Shore A), ist wesentlich in der Bedeutung, damit die Flüssigkeit, die durch den unteren Hohlraum 318 entfernt werden soll, das Handstück der Aspirationsanlage nicht verunreinigt und nicht in diese einsickert. Während der Herstellung des Aspirators, nachdem das Teleskop 312 in den Resonatorkanal 314 gebracht worden ist, wird die Hülle 348 um den Gelenkbereich gelegt und das synthetische, elastische oder thermoplastische Material dazwischen befestigt. Vorzugsweise ist das geformte Material aus synthetischem Gummi mit einem Härtegrad von ca. 40 Shore A. Überraschenderweise, obgleich hohe Reibungsverluste bei dieser Anordnung zu erwarten waren, sind die tatsächlichen Verluste sehr gering, da in dem abgekapselten Bereich die tatsächlichen Frequenzen und Schwingungsgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Folglich erfolgt die Isolierung des Handstücks der Anlage von der aus dem Körper des Patienten entfernten Flüssigkeit ohne Reduzierung der Vibrationskraft, die an die Betriebsspitze des Aspirators übertragen wird. Auch isoliert die Abdichtung 346 die Anlage von der Atmosphäre.
Bezugnehmend auf die Fig. 24 wird ersichtlich, daß die Dichtung 340 verhindert, daß die Flüssigkeit, welche aus dem Patienten entfernt werden soll, unter den oder außerhalb des Resonators 314, nämlich zwischen den Resonator 314 und den unteren Hohlraum 318, fließt. Diese Dichtung 340 umgeht jedoch nicht die Erfordernis des geformten Abdichtungsmaterials 346, da das geformte Abdichtungsmaterial dazu benützt wird, daß die sich in dem unteren Hohlraum 318 befindliche Flüssigkeit das Handstück der gesamten Aspirationsanlage nicht verunreinigt.
Bezugnehmend auf die Fig. 25 bis 27 werden verschiedene, zusätzlich modifizierte Einrichtungen und Gestaltungen von Betriebsspitzen für den Resonator 314 der Erfindung gezeigt. Wie in der Fig. 27 dargestellt, kann die Betriebsspitze aus einem teilweise abgeblockten Kanal bestehen, welche Tatsache bezüglich des Präzisionsschnitts an biologischem Material Vorteile bietet. Dieser selbe Effekt kann erzielt werden, indem das Kanalmittel durch Abflachung der Spitze oder durch Reduzierung des Querschnittsbereichs anderer Gestaltungen geschmälert wird, z. B. durch die allmähliche Verkleinerung des Querschnittsbereichs, oder der Größe des Kanalmittels, oder durch anderweitige Gestaltung des offenen Bereichs der Betriebsspitze, damit diese eine geringere Dimension, als die des Resonators 314, erhält.
In anderen Ausführungsarten, wie in den Fig. 25 und 27 anschaulich gemacht worden ist, kann die Spitze einen Teil des röhrenförmigen Teils umfassen, der ebenfalls im Durchmesser an dem Betriebepunkt reduziert oder beschränkt wird. Das Ende der Röhre kann durch einen Überhang 350 oder durch Kräuselung am Ende der Röhre zwecks Beschränkung des äußeren Durchmessers an dem Arbeitspunkt reduziert werden. Diese röhrenförmige Ausführung stellt einen Vorteil dar, der darin besteht, daß die Blockade der Resonatorröhre 314 verhindert wird, da jedes entfernte biologische Material durch die kleine Bohrung der offenen Spitze, um die Röhre 314 zu erreichen, gelangen muß. Folglich könnte das entfernte Material die Röhre 314 nicht blockieren oder verstopfen, wenn zur Abführung dieses entfernten biologischen Materials Saugkraft eingesetzt wird.

Claims

1. Vibrationsapparat für einen endoskopischen Ultraschallaspirator, der folgendes umfaßt:

eine Vibrationsquelle (70) zur Hochfrequenzvibration und mit einer ersten Amplitude;

einen ersten Geschwindigkeitstransformator (72) mit einem Eingangs- und einem Ausgangsende, wobei das Eingangsende mit der Vibrationsquelle (70) zwecks Vibrierung durch denselben gekoppelt ist, und wobei das Ausgangsende als Reaktion auf die erhaltenen Vibrationen mit einer zweiten Amplitude vibriert, welche größer als die erste Amplitude ist; und

einen zweiten, länglichen Geschwindigkeitstransformator (78) mit einem Eingangs- und einem Ausgangsende, wobei besagtes Ausgangsende dem Arbeitsende (80) des Apparates entspricht und wobei das Eingangsende des zweiten Geschwindigkeitstransformators (78) mit dem vorderen Ende des ersten Transformators (72) zwecks Vibrierung durch denselben verbunden ist, und wobei das Ausgangsende als Reaktion auf die erhaltenen Vibrationen mit einer dritten Amplitude vibriert, welche größer als die zweite Amplitude ist, wobei der zweite Transformator (78) eine einheitliche Konstruktion und somit im Vibrationsprozeß eine im wesentlichen konstante mechanische Spannungsebene in ihrer fast gesamten Länge aufweist.

2. Vibrationsapparat nach Anspruch 1, wobei der zweite Geschwindigkeitstransformator (78) mit dem vorderen Ende des ersten Geschwindigkeitstransformators (72) integral verbunden ist und wobei der Letztere einen relativ dicken, bogenförmigen Eingangsteil (74) aufweist.

3. Vibrationsapparat nach den Ansprüchen 1 oder 2, der zusätzlich ein Handstück (20) umfaßt, wobei die besagte Vibrationsquelle (70) in dem Handstück (20) montiert ist und der Eingangsteil des besagten ersten Transformators im Querschnitt relativ groß ist, und das Ausgangsteil des besagten ersten Transformators im Querschnitt relativ klein ist.

4. Vibrationsapparat nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die ersten (72) und zweiten (78) Transformatoren und die Vibrationsquelle (70) länglich sind und Längsachsen aufweisen, und wobei zumindest ein Teil des ersten Transformators gebogen ist, damit die Längsachse des zweiten Transformators von der Längsachse der Vibrationsquelle mittels eines selektierten Absatzwinkels abgesetzt wird.

5. Vibrationsapparat nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, wobei die Vibrationsquelle (70) und die zwei Transformatoren (72, 78) in verlängerter Form vibrieren, mit alternierenden, innen gelegenen Bewegungsknoten und Schwingungsbäuchen, wobei die Vibrationsquelle in dem Handstück (20) durch flexible Mittel zwischen dem Inneren des Handstücks und der Vibrationsquelle an einem Bewegungsknoten der Vibrationsquelle angebracht ist, und der erste Transformator in dem Handstück durch flexible Mittel zwischen dem Inneren des Handstücks und dem ersten Transformator an einem Bewegungsknoten des ersten Transformators angebracht ist, wobei sich der letztere Bewegungsknoten nahe dem Verbindungspunkt zwischen den Eingangs- und den Ausgangsteilen des ersten Transformators befindet.

6. Vibrationsapparat nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 5, der ferner ein Betrachtungsmittel umfaßt, das zur Betrachtung eines Arbeitsfeldes neben dem Ausgangsende des zweiten Transformators von dem Handstück aus in dem Handstück (20) angebracht ist.

7. Vibrationsapparat nach Anspruch 6, wobei das besagte Betrachtungsmittel länglich ist und sich von dem Handstück (20) zum Arbeitsfeld entlang einer Bahn erstreckt, die eng und parallel zu dem besagten zweiten Transformator und zu dem besagten Ausgangsteil des besagten ersten Transformators und durch eine Nut (90) verläuft, die in dem besagten Eingangsteil des besagten ersten Transformators geformt ist.

8. Endoskopischer Ultraschallaspirator, der folgendes umfaßt:

den Vibrationsapparat nach Anspruch 1, wobei die Vibrationsquelle (70) innerhalb eines hohlen Handstücks (20) zur Erzeugung von mechanischen Vibrationen behalten wird, und zwar als Reaktion auf Wechselstrom, der an der besagten Vibrationsquelle geliefert wird;

eine längliche Hülle (22) mit einer Hohlbohrung für den Zugang zu dem Inneren des hohlen Handstücks (20) und mit einem Arbeitsende (80) abgewandt von dem Handstück (20);

Mittel zur Lieferung von Wechselstrom an die besagte Vibrationsquelle;

den besagten zweiten Geschwindigkeitstransformator, der einem länglichen Werkzeugmittel (78) entspricht und mit der Vibrationsquelle durch den ersten Geschwindigkeitstransformator gekoppelt ist und durch die Hohlbohrung der Hülle zu einem Arbeitsfeld hinter dem Arbeitsende der Hülle zur Vermittlung dieser mechanischen Vibrationen an das Arbeitsfeld führt;

Betrachtungsmittel (28), das von dem Handstück zu dem Arbeitsfeld führt und eine Ansicht des besagten Arbeitsfeldes von dem Handstück aus vermittelt;

Mittel zur Lieferung von Flüssigkeit in einen Flüssigkeitsraum, der sich zwischen dem besagten Werkzeugmittel und der besagten Hohlbohrung von besagter Hülle befindet; und

Flüssigkeitsanzeigemittel (124) zur Feststellung des Vorhandenseins von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsraum, verbunden mit dem Mittel für die Lieferung von Wechselstrom zur Feststellung des gelieferten Wechselstroms, und folglich zur Abschaltung der mechanischen Vibrationen, wenn die Flüssigkeit nicht vorhanden ist.

9. Apparat nach Anspruch 8, wobei das Flüssigkeitsanzeigemittel (124) ein elektrisches Mittel beinhaltet, das mit dem Flüssigkeitsraum zur Wahrnehmung der elektrischen Belastbarkeit in dem Flüssigkeitsraum gekoppelt ist, wie auch zur Abschaltung des gelieferten Wechselstroms, wenn die Belastbarkeit die vorbestimmte Höhe überschritten hat, welche das Fehlen von Flüssigkeit anzeigt.

10. Apparat nach Anspruch 9, wobei das besagte elektrische Mittel (124) einen Leitfähigkeitssucher beinhaltet, und wobei die besagte Belastbarkeit zwischen besagtem Sucher (124) und besagtem Werkzeugmittel (78) gemessen wird.

11. Apparat nach Anspruch 10, wobei besagter Sucher (124) innerhalb der Hülle (22) angebracht ist und im wesentlichen parallel zum Werkzeugmittel verläuft.

12. Apparat nach Anspruch 10, wobei das Betrachtungsmittel (28) sich durch eine zweite Bohrung in der Hülle erstreckt die der Flüssigkeit aus dem besagten Flüssigkeitsraum nicht ausgesetzt wird; und wobei der Sucher (124) innerhalb der zweiten Bohrung angebracht ist.

13. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das besagte Werkzeugmittel und das besagte Arbeitskopfmittel (80) jeweils offene Kanalmittel und Mittel zur Abstützung besagter offener Kanalmittel in Form eines elastischen Stöpsels (82) umfaßt, und welches Mittel zur Verriegelung der Kupplung zwischen dem besagten offenen Kanalmittel und besagter Vibrationsquelle umfaßt.

14. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das besagte Werkzeugmittel ein zylindrisches, rohrförmiges Mittel (78) umfaßt, und wobei das besagte Arbeitskopfmittel (80) im Bohrungsdurchmesser kleiner ist als das besagte zylindrische, rohrförmige Mittel, indem es entlang seines Außendurchmessers zur Erzielung einer kleineren Bohrung verjüngt, gekräuselt oder gestaut ist.

15. Apparat zur Entfernung von unerwünschtem biologischem Material, welcher folgendes umfaßt:

a) ein Handstück (20);

b) eine längliche Hülle, die von dem Handstück ausgeht und eine durchgehende Hohlbohrung aufweist;

c) den Vibrationsapparat nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, der in dem Handstück (20) angebracht ist, wobei die ersten (72) und die zweiten (78) Transformatoren in der Hohlbohrung innerhalb der Hülle angebracht und davon abgeteilt sind, und der zweite Transformator zur Verstärkung der Vibrationen auf eine ausreichende Geschwindigkeit, zwecks Auflösung des unerwünschten Gewebes, mit dem ersten Transformator gekoppelt ist;

d) der besagte zweite Transformator einen Arbeitskopf (80) aufweist, der über das Ende der Hülle (22), von dem Handstück (20) abgewandt, verläuft;

e) die besagte Vibrationsquelle (70) und die besagten zwei Transformatoren (72, 78) länglich sind und eine durchgehende Hohlbohrung (110) aufweisen, die entlang einer gemeinsamen Längsachse derselben verläuft, und folgendes bildet:

(i) einen ersten Flüssigkeitsgang (96) in einem Raum (98), der sich zwischen den Transformatoren (72, 78) und der Hülle befindet; und

(ii) einen zweiten Flüssigkeitsgang (98) entlang besagter gemeinsamen längsverlaufenden Achse;

f) Mittel (92, 94) zur Einführung von Flüssigkeit in einen der besagten Flüssigkeitsgänge zwecks Spülung resp. Berieselung eines Operationsfeldes neben dem Arbeitskopf des zweiten Transformators; und

g) Mittel (122) zur Anwendung von Saugwirkung auf den anderen besagten Flüssigkeitsgang zwecks Entfernung der Flüssigkeit und des aufgelösten unerwünschten Gewebes von dem Operationsfeld.

16. Apparat nach Anspruch 15, wobei das besagte Mittel zur Anwendung von Saugwirkung auf den besagten anderen Flüssigkeitsgang folgendes beinhaltet:

Schlauchmittel (122) zur Aufnahme der Flüssigkeit und des Gewebes;

Biopsieventilmittel (172), gekoppelt mit besagtem Schlauchmittel (122) für die selektive Ableitung von Flüssigkeit und Gewebe aus dem besagten Schlauchmittel;

Biopsieauffangmittel (176) zum Auffangen der Flüssigkeit und des Gewebes, welche selektiv aus dem besagten Schlauchmittel zur Filtrierung des selektierten Gewebes abgeleitet wurden;

Pumpmittel (210) zur Anwendung von Saugkraft auf das besagte Biopsieauffangmittel (176) und auf das besagte Schlauchmittel.

17. Apparat nach Anspruch 16, der zusätzlich ein Hauptauffangmittel (180) zur Aufnahme der Flüssigkeit und des Gewebes umfaßt, welche nicht selektiv aus dem Schlauchmittel abgeleitet werden, und wobei der besagte Arbeitskopf (80) stumpf ist.

18. Apparat nach den Ansprüchen 15 oder 16, wobei der besagte Arbeitskopf (80) zusätzlich ein offenes Kanalmittel umfaßt, das die Betrachtung des besagten Kopfes während der Benutzung des Aspirators ermöglicht.

19. Apparat nach den Ansprüchen 15, 16 oder 17, wobei die gesamte Länge der durchgehenden Hohlbohrung (110) der besagten Vibrationsquelle - und der besagten Transformatoren in Form eines offenen Kanalmittels (bei 314) ausgerichtet und bemessen ist, damit das besagte Betrachtungsmittel teilweise empfangen, gehalten und unterstützt wird, wodurch die Größe des besagten Aspirators verringert wird.

20. Apparat nach den Ansprüchen 18 oder 19, wobei das besagte offene Kanalmittel eine U-förmige oder V-förmige Querschnittausrichtung aufweist.

21. Apparat nach den Ansprüchen 15, 16 oder 17, wobei das besagte Arbeitskopfmittel (80) über das Ende der Hülle hinaus, von dem Handstück (20) abgewandt, verläuft, und das besagte Arbeitskopfmittel geringere Ausmaße als das Ausgangsende des besagten zweiten Transformators (78) aufweist.

22. Apparat nach Anspruch 20, wobei der besagte zweite Transformator (78) ein erstes zylindrisches, rohrförmiges Mittel und das besagte Arbeitskopfmittel (80) ein zweites zylindrisches, rohrförmiges Mittel eines geringeren Durchmessers als das besagte erste rohrförmige Mittel umfaßt.

23. Apparat nach Anspruch 20, wobei besagter zweiter Transformator (78) im Durchmesser sich verjüngt und verringert, bis zu den Dimensionen des kleineren Durchmessers des zweiten rohrförmigen Mittels.