DE19510962C2 - Medizinisch-endoskopisches Gerät mit superelastischem Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Aus der Literatur sind einige für die vorliegenden Zwecke geeignete superelastische Legierungen bekannt, wie insbesondere Ni-Ti-Legierungen. Diese Legierungen sind in der Medizin vielfältig verwendbar. Sie sind biokompatibel und weisen einen Formgedächtniseffekt auf, der für viele Zwecke verwendbar ist. Für die vorliegenden Zwecke zeichnen sie sich durch ihre superelastischen Eigenschaften aus, die dazu führen, daß bei Kraftbeaufschlagung eine Formänderung bis zu etwa 8% unter kontanter Kraft möglich ist. Diese Legierungen können also als kraftübertragende Elemente eingesetzt werden, die in erheblichem Maße ver­ formbar sind, ohne zu brechen oder die beispielsweise zur Kraftbegrenzung ein­ gesetzt werden, wie in der DE 43 13 903 C1 beschrieben.

Dem breiteren Einsatz superelastischer Legierungen für die gattungsgemäßen Zwecke stehen aber fertigungstechnische Probleme im Wege. Nach dem bisher bekanntgewordenen Stand der Technik, wie er in der oben genannten Schrift an­ gegeben ist, ist zu entnehmen, daß superelastische Legierungen zu ihrer Herstellung einer aufwendigen Einstellung des genauen Phasenzustandes bedürfen. Dazu muß die Legierung in ihrer genauen Zusammensetzung stimmen und es ist ein aufwendiger Herstellungsprozeß erforderlich. Nachträgliche konventionelle Bearbeitungen sind kaum möglich.

Im Falle der in der oben genannten Schrift beschriebenen Zugstange 6 (Fig. 1) ergeben sich Probleme mit der Kupplung dieses Elementes an seinen Enden, an denen es mit Lastaufnahmegliedern 5, 10 gekuppelt werden muß. Diese Kupp­ lungsstellen lassen sich nach dem Stand der Technik nur herstellen, wenn die Zugstange an ihren Enden mit im Werk vorgefertigten Kupplungsstellen herge­ stellt und thermisch behandelt wurde. Die Verwendung von Abschnitten von Endlosdraht, die große Kostenvorteile böte, ist ausgeschlossen.

Die DE 94 19 138 U1 zeigt ein chirurgisches Rohrschaftinstrument mit superela­ stischer Zugstange, die an beiden Enden über Schraubgewinde formschlüssig mit Lastaufnahmegliedern verbunden ist. Auch hier bestehen die gleichen Herstel­ lungsprobleme bei der Schaffung der Gewindegänge auf dem superelastischen Material.

Würde man Abschnitte von Endlosmaterial aus superelastischer Legierung ver­ wenden, so ließen sich diese nicht bearbeiten. Aufgrund der superelastischen Eigenschaften des Materiales ist Kaltverformung oder spanabhebende Bearbeitung unmöglich. Löten mit geeigneter Festigkeit ist bei diesen Legierungen ebenfalls nicht möglich. Schweißen scheidet wegen der Temperaturbelastung aus.

Alle Versuche zu nachträglicher Bearbeitung superelastischer Legierungen bleiben entweder ohne Erfolg oder führen zu einer mechanischen oder thermischen Belastung der Legierung, die deren superelastische Eigenschaften zerstört und dazu führt, daß die Festigkeit des Materials nicht mehr ausreichend ist. Bei späterer Belastung bricht das Material.

Gattungsgemäße kraftübertragende Elemente müssen daher nach dem Stand der Technik in ihrer Endform in dem erforderlichen Prozeß hergestellt werden und können nachträglich nicht mehr bearbeitet werden. Dadurch ergeben sich sehr hohe Fertigungskosten. Die Verwendung billigeren Endlosmateriales ist nicht möglich.

Aus
Ullmanns′s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B3, Unit Operations II, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, DE, 1988, S. 5-1 bis 5- 10, ISBN: 3-527-20133-5
ist eine allgemeine Darstellung des Sublimationsprozesses bekannt, worunter im allgemeinen der direkte Phasenübergang vom festen in den gas- bzw. dampfför­ migen Zustand verstanden wird.

Aus
IKUTA, K.; HAYASHI, M.: MATSUURA, T.; FUJISHIRO, H.: Shape memory alloy thin film fabricated by laser ablation. In: Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems. New York, USA, IEEE, 1994, S. 355-60, Conference Oiso, Japan, 25-28. Jan. 1994, ISBN: 0-7803-1833-1
ist die Laserabtragung von Ti-Ni-Legierungen zum Zwecke der Herstellung dünner Filme bekannt. Dabei wird durch laufende Strahlverschwenkung für gleich­ mäßige Oberflächenabtragung unter Vermeidung der Schaffung von Vertiefungen gesorgt.

Aus
BYCHOV, V.A.; GRUZIN, P.L.; PETRIKIN, Yu. V.: Effect of laser ra­ diation on the phase composition and shape memory effect fo iron-nickel alloys. In: Physics and Chemistry of Materials Treatment (May-June) 1987, vol. 21 No. 3. S. 211-12. ISSN: 0264-729X
ist es bekannt Memorymetalle durch Laserbestrahlung thermisch zu konditionieren, ohne dabei jedoch Material abzutragen.

In
HIROSE, A.; UCHIHARA, M.; ARAKI. T.; HONDA, K.; KONDOH, M.; Laser welding of Ti-Ni type shape memory alloy. In: Journal of the Japan Institute of Metals, (March 1990) vol. 54, No. 3, S. 262-269, ISSN: 0021- 4876
wird die Laserverschweißung von Memorymetallen beschrieben. Es wird be­ hauptet, daß dies möglich ist ohne komplizierte Phasenstruktur des Materials zu verändern.

Tatsächlich scheint dies aber äußerst schwierig zu sein. In
ARAKI, T.; HIROSE, A.; UCHIHARA, M.; KOHONO, W.; HONDA, K.; KONDOH, M.; Characteristics and fracture morphology of Ni-Ti type shape memory alloy and its laser weld joint. In: Journal of Society of Materials Science, Japan (May 1989) vol. 38, No. 428, S. 478-83, ISSN: 0514-5163
wird auf Phasenveränderungen des Materials bei der Laserverschweißung hinge­ wiesen, die insbesondere zu geringerer Festigkeit führen.

In
STÖCKEL, D.: Legierungen mit Formgedächtnis, Band 259 Kontakt und Studium, expert verlag, 1988, Ehningen bei Böblingen, DE, S. 142, ISBN: 3-8169-0323-1
wird beschrieben, Körper aus einer Memory-Legierung durch Ausnutzung des Memory-Effektes auf einem Körper aus nomaler Legierung zu Befestigungs­ zwecken zu verpressen. Über superelastische Legierungen und deren Form­ schlußverbindung läßt sich hier nichts entnehmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungs­ teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Überraschend hat sich herausgestellt, daß sich Vertiefungen auf Oberflächen su­ perelastischer Legierungen durch Sublimationsabtragung herstellen lassen, ohne die Materialeigenschaften zu verändern. Damit ist es möglich, solche Vertiefungen vorzusehen, die für Formschlußverbindungen geeignet sind. Es ist daher möglich, Endlosmaterialien aus superelastischen Legierungen zu verwenden und somit die Herstellungskosten gattungsgemäßer Geräte wesentlich zu verringern. Es können z. B. Endlosdrähte oder -rohre aus superelastischer Legierung zuge­ schnitten werden und an erforderlichen Kupplungsstellen auf der Oberfläche mit Vertiefungen versehen werden, an denen eine Formschlußverbindung mit Last­ aufnahmegliedern mit hoher Festigkeit hergestellt werden kann.

Sublimationsabtragung kann durch geeignete Energiebeaufschlagung des Materials erfolgen, beispielsweise mit Elektronenstrahlen oder dergleichen. Wichtig ist dabei nur, daß stets nur sublimiert wird, also oberste Materialschichten derart rasch aufgeheizt werden, daß sie unmittelbar verdampfen, ohne daß das darunter liegende Material zu stark aufgeheizt und dadurch thermisch beeinträchtigt wird.

Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Die Sublimation mittels Laserbestrahlung hat den Vorteil, daß sie mit geringem apparativen Aufwand, also z. B. ohne Vakuumkammer oder dergl., auskommt. Außerdem lassen sich mittels Laserstrahlbearbeitung äußerst feine Mikrostrukturen erzeugen, wie sie bei sehr fein strukturierten endoskopischen Instrumenten erfor­ derlich sein können.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Bei Ausbildung der Vertiefung als Gewinde läßt sich die Formschlußverbindung als Gewindeeingriff herstellen, was üblichen Konstruktionsmethoden entgegenkommt.

Alternativ sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 4 vorgese­ hen. Eine solche Quetschverbindung kann hergestellt werden mit Kräften, die lediglich den Formschlußeingriff bewirken, aber nicht das superelastische Material zu stark belasten.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schema­ tisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht eine endoskopische Zange mit su­ perelastischem Kraftübertragungselement mit zwei Kupplungsstellen,

Fig. 2 in vergrößerter Teilschnittdarstellung eine der Kupp­ lungsstellen der Fig. 1,

Fig. 3 in vergrößerter Seitenansicht zu Fig. 2 den Herstel­ lungsvorgang des Gewindes,

Fig. 4-7 weitere Ausführungsformen von Kupplungsstellen in Ansicht gemäß Fig. 2,

Fig. 8 in Axialschnittdarstellung ein superelastisches Rohr einer Endoskopoptik mit zwei Kupplungsstellen.

Fig. 1 zeigt eine Zange für endoskopische Zwecke in stark schema­ tisierter Darstellung.

Ein Schaft 1 geht an seinem proximalen Ende in einen starr verbun­ denen Scherengriff 2 über. Ein mit einer Achse 3 angelenkter be­ weglicher Scherengriff 4 dient zur Steuerung einer beweglichen Branche 5 um eine Achse 6 gegenüber einer mit dem Schaft 1 starr verbundenen festen Branche 7.

Zur Bewegungssteuerung ist als kraftübertragendes Element eine Zugstange 8 aus superelastischer Legierung vorgesehen, die aus vorgefertigtem Endlosdraht als Abschnitt hergestellt ist. An ihren an den Enden vorgesehenen Kupplungsstellen 9 ist die Zugstange 8 mit als Lastaufnahmegliedern dienenden Hülsen 10 verbunden, die jeweils mit einer Querbohrung 11 über Achsen 12 an dem bewegli­ chen Scherengriff 4 bzw. der beweglichen Branche 5 der Zange gelagert sind.

Zur Formschlußverbindung der Kupplungsstelle 9 an den Enden der Zugstange 8 mit der jeweiligen Hülse 10 sind die Kupplungsstellen auf ihrer Oberfläche mit Vertiefungen versehen, die im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel als Gewindegänge 13 ausgebildet sind. Diese greifen in eine Bohrung 14 der jeweiligen Hülse 10, die mit passendem Innengewinde ausgebildet ist.

Alternativ kann die Hülse 10 auch auf die Gewindegänge 13 ge­ quetscht werden. In diesem Fall können die Vertiefungen auf der Oberfläche der Kupplungsstelle 9 auch in anderer Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Punktvertiefungen 15, wie dies Fig. 6 zeigt, als Umfangsrille 16, wie dies Fig. 7 zeigt, als Quernut 17, wie dies Fig. 4 zeigt oder als durchgehendes Querloch 18, wie dies Fig. 5 zeigt.

Die Herstellung der Vertiefungen 13, 15, 16, 17 oder 18 auf der Oberfläche der Zugstange 8, die aus superelastischem Material be­ steht, ist mit konventionellen Methoden nicht möglich, da zur Lö­ tung auf superelastischen Legierungen keine geeigneten Lötmittel zur Verfügung stehen, Schweißen wegen zu hoher thermischer Be­ lastung und mechanische Verformung wegen zu hoher mechani­ scher Belastung der Legierung ausscheidet.

Wie Fig. 3 zeigt, wird die im Ausführungsbeispiel als Gewindegang 13 ausgebildete Vertiefung in der Oberfläche der Zugstange 8 mit einem gebündelten Energiestrahl 19 erzeugt, der in Pfeilrichtung auf die Oberfläche gerichtet ist. Besonders vorteilhaft ist als Ener­ giestrahl 19 ein Laserstrahl verwendbar, mit dem in freier Umge­ bung, also ohne Vakuumkammer oder dergl. gearbeitet werden kann. Ein Laserstrahl läßt sich durch geeignete Optiken, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, fein fokussieren und mit aus­ reichender Genauigkeit und Schnelligkeit derart in seiner Energie­ zufuhr steuern, daß nur jeweils die oberste Materialschicht des superelastischen Materiales verdampft wird, das darunterliegende Material aber nicht übermäßig unter Zerstörung der superelas­ tischen Eigenschaften erhitzt wird. Dies kann insbesondere durch gepulste Beaufschlagung mit sehr starken Impulsen erfolgen, die le­ diglich eine kurzfristige Materialverdampfung bewirken.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 steht aus apparati­ ven Gründen der Laserstrahl 19 fest, während zur schraubenförmi­ gen Erzeugung des Gewindeganges 13 die Zugstange 8 in Richtung der Pfeile bewegt und gedreht wird.

Die Vertiefungen der Ausführungsformen der Fig. 4-7 können im wesentlichen in derselben Weise hergestellt werden, wobei bei Verwendung von mit Optiken fein fokussierten Laserstrahlen sehr feine Strukturen, z. B. gemäß Fig. 7 eine Umfangsrille 16 mit exakt rechteckigem Querschnitt hergestellt werden kann, die sich gut zur Formschlußkupplung mit einem geeigneten Lastaufnahmeglied eig­ net.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das kraftübertragende Element ein Rohr 20 einer Endoskopoptik ist. In dem Rohr 20 sind die Stablinsen 21 einer üblichen Endoskopop­ tik angeordnet. Am distalen Ende des Rohres 20 ist mit einem In­ nenring 22 ein Fenster 23 gehalten. Am proximalen Ende ist das Rohr 20 in der Bohrung eines Endoskophauptkörpers 24 eingesetzt, an dem das nicht dargestellte Okular vorgesehen ist.

Die Verwendung eines Rohres 20 aus superelastischem Material hat für viele medizinische Anwendungsfälle große Vorteile, bei denen das Rohr 20 hohe Biegekräfte übertragen muß. Ein typisches An­ wendungsbeispiel sind sehr lange und sehr dünne Optiken, mit denen der Urologe durch den Ureter bis zur Niere geht. Typi­ scherweise sind solche Optiken etwa 40 cm lang bei einem Außen­ durchmesser von 3 mm. Beim Einführen müssen solche Optiken hohe Biegekräfte aufnehmen, die häufig zur Zerstörung führen, was durch Verwendung superelastischer Materialien vermieden werden kann.

Problematisch ist dabei die ausreichend sichere Befestigung des Rohres an den Kupplungsstellen 25 und 26, die im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 8 die Kupplungsstellen mit dem In­ nenring 22 und dem Hauptkörper 24 sind.

Sichere Verbindungen an diesen Kupplungsstellen lassen sich nur mit Formschlußeingriff herstellen, also beispielsweise durch ein In­ nengewinde zum Halten des Innenringes 22 an der Kupplungsstelle 25 und ein Außengewinde an der Kupplungsstelle 26 zur Befesti­ gung im Hauptkörper 24. Soll das Rohr 20 nicht werkseitig ent­ sprechend ausgerüstet, sondern aus Endlosrohr hergestellt werden, so können Gewinde oder sonstige Oberflächenvertiefungen zur Formschlußverbindung entsprechend Fig. 3 in Sublimationstechnik hergestellt werden.

Auch die übrigen Schäfte von Endoskopen, beispielsweise ein über dem Rohr 20 verwendeter Endoskopschaft, können aus superelasti­ schem Material hergestellt werden. Die Kupplungsstellen solcher Schäfte an Hauptkörpern, Spülflüssigkeitsventilen oder dergl. kön­ nen durch Sublimation bearbeitet werden.

Auch weitere kraftübertragende Elemente von Geräten für die me­ dizinische Endoskopie lassen sich auf diese Weise ausführen. So kann beispielsweise bei der endoskopischen Zange der Fig. 1 die Branche 5 aus superelastischem Material ausgebildet sein. Die Branche kann durch Lasersublimation aus Endlosplattenmaterial hergestellt werden unter Ausschneiden der Umfangsform und Ein­ bringen der Bohrungen für die Achsen 6 und 12.

Claims (4)

1. Gerät für die medizinische Endoskopie, mit einem kraft­ übertragenden Element (8, 20) aus superelastischer Legie­ rung, das an einer Kupplungsstelle (9, 22, 24), die mit we­ nigstens einer Vertiefung (13, 15, 16, 17, 18) in der Ober­ fläche des Elementes ausgebildet ist, mit einem Lastaufnah­ meglied (10, 24) durch Formschluß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (13, 15, 16, 17, 18) durch Sublimationsabtragung ausgebildet ist, bei der unter Energieaufbringung auf die Materialoberfläche das Material unter Umgehung der flüssigen Phase unmittelbar aus der festen Phase in die Gas(Dampf)-Phase übergeht.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (13, 15, 16, 17, 18) mittels Laserbestrahlung her­ gestellt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 mit zylinderförmiger Kupplungsstelle (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (13, 15, 16, 17, 18) als Gewinde (13) ausgebildet ist.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschlußverbindung durch Quetschen des Lastaufnahme­ gliedes (10) auf die Oberfläche des Elementes (8) ausgebildet ist.