Klinge blade
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Klinge mit einem Klingenkörper und mindestens einem elek- trischen Funktionselement in oder auf dem Klingenkörper. Derartige Klingen werden beispielsweise in der Medizin, insbesondere der Mikrochirurgie, der Endo- skopie, der minimalinvasiven Chirurgie wie auch allgemein der Chirurgie, wie beispielsweise bei Au- genoperationen als Lanzetten oder bei Hautschnitten als Schneidklingen verwendet.The present invention relates to a blade with a blade body and at least one electrical functional element in or on the blade body. Such blades are used, for example, in medicine, in particular microsurgery, endoscopy, minimally invasive surgery as well as in general surgery, such as for example in eye operations as lancets or in skin incisions as cutting blades.
Die Anwendung der Koagulation zum Stoppen von Blutungen, beispielsweise im chirurgischen Einsatz, ist ei- ne gängige Methode. Herkömmlicherweise wird die Koagulation zum Stoppen von Blutungen an offenen Wunden mit Hilfe einer Zange, einer Pinzette, einem Draht oder einer Klinge bewirkt, mit der das blutende Gefäß im Falle einer Zange beispielsweise zusammengedrückt und dann ein Hochfrequenzstrom durch die Zangenspitze
4-3The use of coagulation to stop bleeding, for example in surgical use, is a common method. Conventionally, coagulation to stop bleeding from open wounds is accomplished using a pair of pliers, tweezers, wire, or a blade that is used to compress the bleeding vessel in the case of forceps, for example, and then a high frequency current through the pliers tip 4-3
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Die US 5,792,137 zeigt eine mit einer Schneide versehene Koagulationszange, die zur Koagulation beheizbar ist. Diese Zange besteht im wesentlichen aus einem Silizium-Substrat, das an seiner Oberfläche so do- tiert ist, daß es einen hohen Widerstand aufweist.No. 5,792,137 shows a coagulation forceps provided with a cutting edge, which can be heated for coagulation. These pliers essentially consist of a silicon substrate that is doped on its surface so that it has a high resistance.
Innerhalb des Siliziumsubstrats befinden sich Siliziumelektroden als elektrische Funktionselemente zwischen denen ein Strom fließen kann, so daß das Substrat aufgeheizt wird. Da diese Zange in der Tiefe des Substrats beheizt wird, kann keine ausreichende und rasche Wärmeversorgung der Oberfläche der Zangenschneide bewirkt werden; es werden beispielsweise lokale Hot-Spots erzeugt.Within the silicon substrate there are silicon electrodes as electrical functional elements between which a current can flow, so that the substrate is heated. Since these pliers are heated in the depth of the substrate, adequate and rapid heat supply to the surface of the pliers cutting edge cannot be brought about; for example, local hot spots are generated.
Weiterhin ergeben sich bei diesen Zangen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der leitenden Silizium-Elektroden und den nichtleitenden Siliziumdioxid- oder Siliziumnitrid-Bereichen (Si02, Si3N4) Verspannungen und Beschädigungen innerhalb der Zangenschneide während des Aufwärmens bzw. Abkühlens.Furthermore, due to the different expansion coefficients of the conductive silicon electrodes and the non-conductive silicon dioxide or silicon nitride areas (Si0 2 , Si 3 N 4 ), these tongs result in tensions and damage within the pliers cutting edge during heating up or cooling down.
Demgegenüber gehen die Druckschriften US 4,485,810 und 4,069,336 einen anderen Weg zur Aufheizung einer Klinge. In beiden Druckschriften ist eine Klinge of- fenbart, die beispielsweise aus Silizium oder Siliziumkarbid besteht und auf ihrer Oberfläche elektrische Heizleiter als elektrische Funktionselemente trägt. Diese Oberfläche ist abschließend mit einem Kunst- Stoffüberzug elektrisch isoliert. Diese Klingen wer- den lediglich für Hautschnitte eingesetzt, nicht jedoch für augenchirurgische Zwecke. Die elektrischen Heizleiter bestehen aus Metall, beispielsweise Kupfer. Dadurch ist ein ausreichender Wärmeeintrag in die Klinge gewährleistet. Jedoch besitzt der Kunst- StoffÜberzug eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch sich ein schlechter Wärmeübergang von Klingeninnerem
^, 1 CD φ I 1 1 I rl ..In contrast, the publications US 4,485,810 and 4,069,336 go another way to heat a blade. In both publications, a blade is disclosed which consists, for example, of silicon or silicon carbide and carries electrical heating conductors as electrical functional elements on its surface. This surface is finally electrically insulated with a plastic cover. These blades are only used for skin incisions, but not for eye surgery purposes. The electrical heating conductors are made of metal, for example copper. This ensures sufficient heat input into the blade. However, the plastic cover has a low thermal conductivity, which results in poor heat transfer from the inside of the blade ^ , 1 CD φ I 1 1 I rl ..
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und außerdem eine Wärmezufuhr zur Klingenoberfläche auch bei sehr hohen Heizleistungen sowie eine geringe Aufheizzeit (bis zu < ls/100 °C) gesichert ist. Die Aufheizphase, beispielsweise die Aufheizzeit und der Verlauf der Aufheizung der Klinge können bei der erfindungsgemäßen Klinge durch die Signalform des den Heizelementen zugeführten Heizstromes geregelt werden. Denn aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Wärmekapazität der Klinge folgt die Tempera- tur der Klinge rasch und mit geringer Verzögerung dem Signalverlauf des Heizstromes.and also a heat supply to the blade surface is ensured even with very high heating outputs and a short heating-up time (up to <ls / 100 ° C). The heating phase, for example the heating time and the course of the heating of the blade can be regulated in the blade according to the invention by the signal shape of the heating current supplied to the heating elements. Because of the high thermal conductivity and low heat capacity of the blade, the temperature of the blade follows the signal curve of the heating current quickly and with little delay.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von Diamant mit αDi = 0,8 - 1,0 x 10"6 l/K recht niedrig ist. Insbesondere haben leitende, beispielsweise Bor-dotierte, und isolierende Diamantschichten ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, so daß keine Verspannungen oder Beschädigungen bei einer Temperaturänderung der Klinge auftreten.It is also advantageous that the thermal expansion coefficient of diamond with α D i = 0.8 - 1.0 x 10 "6 l / K is quite low. In particular, conductive, for example boron-doped, and insulating diamond layers have similar thermal expansion coefficients, see above that no tension or damage occurs when the temperature of the blade changes.
Silizium, wie es im Stand der Technik für den Klingenkörper verwendet wird, hat demgegenüber für leitende Siliziumschichten einen Ausdehnungskoeffizien- ten von 2,56 x 10"6 l/K und für isolierende Siliziumschichten im Falle von Siliziumdioxid von 0,4 x 10"6 l/K oder im Falle von Siliziumnitrid von 0,8 x 10"δ l/K. Bei Verwendung der Siliziumtechnologie treten daher bei Temperaturwechseln in der Klinge Verspan- nungen auf, so daß Beschädigungen in einer entsprechenden Klinge wie nach dem Stand der Technik zu erwarten sind.In contrast, silicon, as used in the prior art for the blade body, has an expansion coefficient of 2.56 x 10 "6 l / K for conductive silicon layers and 0.4 x 10 " 6 for insulating silicon layers in the case of silicon dioxide l / K or, in the case of silicon nitride, 0.8 x 10 "δ l / K. When using silicon technology, tension changes occur in the blade during temperature changes, so that damage occurs in a corresponding blade as in the prior art are expected.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Klinge ist, daß Diamant als härtestes Material bekannt ist. Die erfindungsgemäßen Klingen behalten daher über
längeren Gebrauch ihre Schärfe bei. Insbesondere treten aufgrund der hohen Stabilität der Schneide auch geringere Schäden, z.B. bei Funkenschlag, auf. Auch das Elastizitätsmodul von Diamant ist das höchste al- 1er bekannten Materialien. Trotz dieser Eigenschaften ist Diamant verhältnismäßig elastisch mit einer hohen Bruchspannung von 10,5 GPa bei einkristallinem und 4,8 GPa bei polykristallinem Diamant.Another advantage of the blade according to the invention is that diamond is known as the hardest material. The blades according to the invention therefore retain prolonged use. In particular, due to the high stability of the cutting edge, less damage occurs, for example in the event of a spark. The elastic modulus of diamond is also the highest of all known materials. Despite these properties, diamond is relatively elastic with a high breaking stress of 10.5 GPa for single-crystal and 4.8 GPa for polycrystalline diamond.
Wird das elektrische Funktionselement aus sehr hochdotiertem Diamant hergestellt, so weist es keine Temperaturabhängigkeit seines Widerstandes auf. Es eignet sich dann zur Herstellung von Widerstand- Heizelementen, Zuleitungen, Elektroden, beispielswei- se elektrische, chemische oder physiologische Elektroden, oder auch für mono- oder bipolare Koagulationselektroden.If the electrical functional element is made from very heavily doped diamond, it has no temperature dependence of its resistance. It is then suitable for the production of resistance heating elements, supply lines, electrodes, for example electrical, chemical or physiological electrodes, or also for mono- or bipolar coagulation electrodes.
Bei mittelstarker Dotierung können Heizelement/Tempe- ratursensor-Kombinationen hergestellt werden.With medium doping, heating element / temperature sensor combinations can be produced.
Schwache Dotierungen eignen sich für Temperatursensoren.Weak doping is suitable for temperature sensors.
Bei verschieden starker Dotierung bzw. unterschiedlichen Dotierungsmaterialien in verschiedenen Bereichen können auch Hall-Sensoren zur Magnetfeldmessung, z.B. zur Ortung mittels Kernspinresonanztomographie ( MR) oder Röntgen-Computertomographie (CT) , chemo-sensi- tive Bauelemente (Ionen-sensititve Feldeffekttransistoren (FET) , pH-Wert-abhängige Widerstände) , piezo- resistive Sensoren (Druck, Kraft, Beschleunigung) , Strahlungssensoren (UV, Röntgen, Gammastrahlung) oder Flußsensoren hergestellt werden.
d φ 1 1 l xi 1 1 I ΦWith different levels of doping or different doping materials in different areas, Hall sensors can also be used for magnetic field measurement, e.g. for location by means of nuclear magnetic resonance tomography (MR) or X-ray computed tomography (CT), chemo-sensitive components (ion-sensitive field effect transistors (FET), pH-dependent resistors), piezo-resistive sensors (pressure, force, acceleration), radiation sensors (UV, X-ray, gamma radiation) or flow sensors. d φ 1 1 l xi 1 1 I Φ
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wendung geeigneter Kunststoffe erübrigt .use of suitable plastics is unnecessary.
Im folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemä- ßer Klingen beschrieben werden.Some examples of blades according to the invention will be described below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine beheizbare Klinge mit monolithisch in- tegriertem Temperatursensor;1 shows a heatable blade with a monolithically integrated temperature sensor;
Figur 2 einen Querschnitt der beheizbaren Klinge aus Figur 1 längs der Linie A-A' ;Figure 2 shows a cross section of the heatable blade of Figure 1 along the line A-A ';
Figur 3 einen Querschnitt durch die beheizbareFigure 3 shows a cross section through the heatable
Klinge gemäß Figur 1 längs der Linien B-B1;Blade according to Figure 1 along the lines BB 1 ;
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Figur 4 eine weitere beheizbare Klinge.Figure 4 shows another heatable blade.
Figur 1 zeigt eine beheizbare Klinge 1, mit einem Klingenkörper 8 aus Diamant, der eine gebogene Schneidkante 6 aufweist. Auf der Oberfläche des Klin- genkörpers 8 befinden sich Heizleiter 2 aus hochdotierten Diamantbereichen, beispielsweise dotiert mit Bor. Diese Heizleiter sind mit Metallisierungen 5 an einem Ende des Klingenkδrpers 8 verbunden, über die eine elektrische Spannung an die Heizleiter 2 ange- legt werden kann. Die Heizleiter 2 sparen dabei auf der Klingenoberfläche einen Bereich aus, in dem ein Temperatursensor 3 mit Zuleitungen 4 angeordnet ist. Auch die Zuleitungen 4 sind mit Metallisierungen 5 verbunden, um an diese eine elektrische Spannung an- zulegen. Der Temperatursensor 3 besteht dabei aus p~- dotiertem Diamant. Die jeweiligen Dotierungen können
bereits während des Fertigungsprozesses in herkömmlicher Weise in den Klingenkörper 8 eingebracht werden. Es ist auch möglich, den Klingenkörper 8, beispielsweise durch CVD-Verfahren auf einem Substrat aufwach- sen zu lassen und während des Wachstumsprozesses bereits die Dotierung in den Diamant des Klingenkörpers miteinzubauen.Figure 1 shows a heatable blade 1, with a blade body 8 made of diamond, which has a curved cutting edge 6. There are heating conductors 2 made of highly doped diamond regions, for example doped with boron, on the surface of the blade body 8. These heating conductors are connected to metallizations 5 at one end of the blade body 8, via which an electrical voltage can be applied to the heating conductors 2. The heating conductors 2 save an area on the blade surface in which a temperature sensor 3 with supply lines 4 is arranged. The supply lines 4 are also connected to metallizations 5 in order to apply an electrical voltage to them. The temperature sensor 3 consists of p ~ -doped diamond. The respective endowments can can already be introduced into the blade body 8 in a conventional manner during the manufacturing process. It is also possible to have the blade body 8 grown on a substrate, for example by means of the CVD method, and to incorporate the doping into the diamond of the blade body during the growth process.
Figur 2 stellt einen Schnitt durch eine Klinge gemäß Figur 1 dar, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 entsprechende Elemente bezeichnen. Es ist zu erkennen, daß der Klingenkörper 8 eine isolierende Diamantschicht 11 aufweist, die auf einem Siliziumsubstrat 10 angeordnet ist. Auf der dem Siliziumsubstrat 10 abgewandten Seite der Diamantschicht 11 befindet sich eine weitere DiamantSchicht 12 des Klingenkörpers 8, als p+-dotierter Heizleiter 2. Diese Diamantschicht 12 bildet auch die Schneidkante 6 aus.FIG. 2 shows a section through a blade according to FIG. 1, the same reference numerals as in FIG. 1 designating corresponding elements. It can be seen that the blade body 8 has an insulating diamond layer 11 which is arranged on a silicon substrate 10. On the side of the diamond layer 11 facing away from the silicon substrate 10 there is a further diamond layer 12 of the blade body 8, as a p + -doped heating conductor 2. This diamond layer 12 also forms the cutting edge 6.
Längs des Querschnittes ist zu erkennen, daß etwa mittig in der Klinge ein Bereich der Diamantschicht 12 ausgespart ist, in der der Temperatursensor 3 angeordnet ist. Der Temperatursensor 3 besteht aus dotiertem Diamant, wobei die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes über die Höhe der Dotierstoffkonzentration eingestellt werden kann. Auch der Temperatursensor 3 kann bereits während oder unmittelbar im Anschluß an die Herstellung der Diamantschichten 11 und 12 auf dem Substrat 10 durch Dotierung des auf- wachsenden Diamants erzeugt werden, wobei auch einAlong the cross section it can be seen that a region of the diamond layer 12 in which the temperature sensor 3 is arranged is recessed approximately in the center of the blade. The temperature sensor 3 consists of doped diamond, and the temperature dependence of the resistance value can be adjusted via the level of the dopant concentration. The temperature sensor 3 can also be produced during or immediately after the production of the diamond layers 11 and 12 on the substrate 10 by doping the growing diamond, with one also
Ätzprozeß vorgesehen sein kann, um den Temperatursensor 3 von den p+-dotierten Heizleitern 2 zu separieren.Etching process can be provided in order to separate the temperature sensor 3 from the p + -doped heating conductors 2.
Figur 3 zeigt einen weiteren Schnitt durch die Klinge gemäß Figur 1 längs der Linie B-B1. Wiederum sind
ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß ihre Beschreibung teilweise weggelassen wird. Es ist zu erkennen, daß im mittleren Bereich der Klinge nunmehr lediglich die Zuleitungen 4 für den Temperatursensor vorhanden sind. Auf der Diamantschicht 12 der p+-dotierten Heizleiter 2 ist im Bereich des Schnittes B-B' jeweils zu beiden Seiten der Zuleitungen 4 eine Metallisierung 5 vorgesehen, die in elektrischem Kontakt mit den p+-dotierten Heizleitern 2 steht.FIG. 3 shows a further section through the blade according to FIG. 1 along the line BB 1 . Are again Similar elements are denoted by the same reference numerals so that their description is partially omitted. It can be seen that only the supply lines 4 for the temperature sensor are now present in the central region of the blade. A metallization 5 is provided on the diamond layer 12 of the p + -doped heating conductors 2 in the area of the section BB 'on both sides of the feed lines 4, which is in electrical contact with the p + -doped heating conductors 2.
Über diese Metallisierungen 5 kann nunmehr eine Spannung an die p+-dotierten Bereiche der Heizleiter 2 angelegt werden, um die Klinge aufzuheizen.A voltage can now be applied to the p + -doped regions of the heating conductors 2 via these metallizations 5 in order to heat the blade.
Als weitere Variante einer erfindungsgemäßen beheizbaren Klinge, die hier jedoch nicht im Detail dargestellt ist, kann die Klinge gemäß den Figuren 1 bis 3 so ausgebildet werden, daß kein Silizium-Substrat 10 vorhanden ist. Alle weiteren Elemente der Klinge sind jedoch so, wie sie aus den Figuren 1 bis 3 hervorgehen.As a further variant of a heatable blade according to the invention, which is not shown here in detail, however, the blade according to FIGS. 1 to 3 can be designed such that no silicon substrate 10 is present. However, all other elements of the blade are as they appear from Figures 1 to 3.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer beheizbaren Klinge, wobei auch hier wiederum mit gleichen Bezugs- zeichen ähnliche Elemente bezeichnet sind und daher ihre Beschreibung zumindest teilweise weggelassen wird.FIG. 4 shows a further example of a heatable blade, similar elements again being identified here with the same reference symbols and their description therefore being at least partially omitted.
Bei der Klinge aus Figur 4 handelt es sich um eine Lanzette mit Schneidkanten 6, 6', die eine Spitze ausbilden. Die Fläche 7, die zwischen den Schneidkanten 6, 6' und der in Figur 4 gestrichelt eingezeichneten Linie ausgebildet ist, bildet dabei abgeschräg- te Schneidflächen.
Auch bei der in Figur 4 dargestellten Lanzette ist ein Temperatursensor 3 mit Zuleitungen 4 vorgesehen, die über Metallisierungen 5 ' mit Spannung versorgt werden können. In Figur 4 sind die Heizleiter nicht weiter dargestellt, sie sind jedoch in gleicher Weise wie in Figur 1 streifenformig angeordnet. Diese Heizleiter werden über die den Metallisierungen 5 kontaktiert, wodurch sie mit Spannung versorgt werden können. Die übrigen Flächen können zur Kontaktierung weiterer Funktionselemente verwendet werden.
The blade from FIG. 4 is a lancet with cutting edges 6, 6 'which form a tip. The surface 7, which is formed between the cutting edges 6, 6 'and the line drawn in dashed lines in FIG. 4, forms beveled cutting surfaces. In the lancet shown in FIG. 4, too, a temperature sensor 3 with supply lines 4 is provided, which can be supplied with voltage via metallizations 5 '. The heating conductors are not shown in FIG. 4, but are arranged in strips in the same way as in FIG. These heating conductors are contacted via the metallizations 5, as a result of which they can be supplied with voltage. The remaining areas can be used for contacting further functional elements.