DE102004020383A1 - Endoscope tube for use with minimally invasive surgery equipment is made of a compound metal-ceramic material with a specified minimum value of the modulus of elasticity - Google Patents

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Abstract

The endoscope tube for use with minimally invasive surgery equipment is made of a compound metal-ceramic material with a modulus of elasticity of at least 350 GPa.

Description

Die Erfindung betrifft ein Endoskop-Rohr zur Verwendung in minimalinvasiven Operationsgeräten, wie Endoskopen, laparoskopischen Scheren und dergleichen.The The invention relates to an endoscope tube for use in minimally invasive Operating equipment, such as Endoscopes, laparoscopic scissors and the like.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass bei der minimalinvasiven Operationstechnik die entsprechenden chirurgischen Instrumente durch kleine Öffnungen in der Haut über Einführhilfen (Trokar) in den Körper eingeführt und von außen betätigt werden. Diese Instrumente erfüllen dabei wichtige Operationsprozesse, wie das Schneiden von Weichgewebe, die Verödung von Blutgefäßen, das Zurückhalten von Gewebestrukturen, das Entfernen von abgetrenntem Gewebe und eine optische Sensorik des Operationsverlaufes. Die aktiven Werkzeuge, wie Scherblätter, Klammern oder optische Elemente, liegen am in den Körper einzuführenden Ende eines Rohres (Endoskop bzw. endoskopisches Operationsinstrument) und werden durch Seilzüge oder Kabel mit außenliegenden Betätigungs- oder Beobachtungseinheiten verbunden. Über den Rohrschaft des Endoskop-Rohres werden dann Seilzüge, Kabel, Lichtleiter oder dergleichen verlegt.To the Background of the invention is to be noted that in the minimally invasive Surgical Technique the appropriate surgical instruments small openings in the skin above Insertion aids (trocar) in the body introduced and from the outside actuated become. These instruments meet important surgical processes, such as the cutting of soft tissue, the desolation of blood vessels, the retention tissue structures, the removal of detached tissue and an optical sensor of the course of the operation. The active tools, like Shear blades, Braces or optical elements lie on the body to be inserted End of a tube (endoscope or endoscopic surgical instrument) and are by cables or cable with external Actuation or observation units connected. about The tubular shaft of the endoscope tube then cables, cables, optical fibers or the like.

Neben dieser Führungsfunktion für die genannten Verbindungselemente hat das Endoskop-Rohr auch eine mechanische Funktion dahingehend, dass es dem Operateur ermöglicht, durch Manipulation des minimal-invasiven Operationsgerätes dessen Werkzeuge im Inneren des Körpers zielgenau in eine gewünschte Position zu bringen. Für eine zielgenaue Platzierbarkeit des körperinneren Endes darf sich dieses möglichst wenig durchbiegen, es muss also möglichst steif sein.Next this leadership function for the said connecting elements, the endoscope tube also has a mechanical Function in that it allows the surgeon, through manipulation of the minimally invasive operating device whose tools are inside of the body exactly in a desired Position. For A precise placement of the inner end of the body is allowed this possible little bend, so it must be as stiff as possible.

Bekannte Endoskop-Rohre von derzeit verfügbaren minimal-invasiven Operationsgeräten weisen ausnahmslos Rohrschäfte aus hochlegierten Edelstählen auf, die eine im Rahmen metallischer Werkstoffe an sich hohe Steifigkeit – materialtechnisch erfasst durch das Elastizitäts-Modul von ca. 200 GPa – aufweisen. Insbesondere bei relativ dünnwandigen und langen Rohrschäften biegen sich derartige Endoskop-Rohre jedoch immer noch unerwünscht stark durch.Known Endoscope tubes from currently available minimally invasive surgical equipment all have tube shafts made of high-alloy stainless steels on, the one in the context of metallic materials in itself high rigidity - material technology detected by the modulus of elasticity of about 200 GPa - exhibit. Especially with relatively thin-walled and long pipe shafts However, such endoscope tubes still bend undesirably strong by.

Zur Lösung dieser Problematik schlägt die Erfindung vor, den Rohrschaft eines Endoskop-Rohres aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit einem E-Modul von mindestens 350 GPa zu fertigen. Bevorzugte materialtechnische Kenngrößen des Rohrschaftes liegen für die Biegebruchfestigkeit bei mindestens 1500 MPa und für die Bruchzähigkeit bei mindestens 8 Mpa m1/2. Als besonders geeigneter Verbund-Werkstoff im Rahmen dieser Kenngrößen hat sich Wolframkarbid-Kobalt mit einem Kobalt-Anteil von mindestens 6 %, vorzugsweise etwa 10 % herauskristallisiert.To solve this problem, the invention proposes to manufacture the tubular shaft of an endoscope tube made of a metal-ceramic composite material having an E-modulus of at least 350 GPa. Preferred material technical characteristics of the tubular shaft are at least 1500 MPa for the bending strength and at least 8 Mpa m 1/2 for the fracture toughness. As a particularly suitable composite material in the context of these parameters, tungsten carbide cobalt has crystallized out with a cobalt content of at least 6%, preferably about 10%.

Aufgrund der materialtechnischen Kenngrößen der erfindungsgemäßen Endoskop-Rohre weisen diese nicht nur die notwendige Biegesteifigkeit, sondern auch eine ausreichende Duktilität (Bruchzähigkeit) und Biegebruchfestigkeit auf, so dass während einer Operation auch höhere Biegemomente zu keiner signifikanten Bruchgefahr führen. Keramik-Sintermaterialien mit ähnlich hohem E-Modul, wie ZrO2, Al2O3, SiC oder Si3N4 weisen demgegenüber so geringe Duktilitäten und Biegebruchfestigkeiten auf, dass sie für den Einsatz als biegesteife Endoskop-Rohre praktisch weniger geeignet sind.Due to the material-technical characteristics of the endoscope tubes according to the invention, these not only have the necessary flexural rigidity, but also sufficient ductility (fracture toughness) and bending strength, so that during an operation even higher bending moments do not lead to any significant risk of breakage. Ceramic sintered materials with a similar high modulus of elasticity, such as ZrO 2 , Al 2 O 3 , SiC or Si 3 N 4 , on the other hand, have such low ductility and bending fracture strengths that they are practically less suitable for use as rigid endoscope tubes.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Rohrschaft der Endoskop-Rohre mit einer Schutzhülle aus einem PTFE-Schrumpffolienmaterial belegt, das inert und körperverträglich ist. Damit ist der Rohrschaft elektrisch isoliert.In In another preferred embodiment, the tubular shaft is the Endoscope tubes with a protective cover made of a PTFE shrink film material that is inert and biocompatible. Thus, the tubular shaft is electrically isolated.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:Further Features, details and advantages of the invention will become apparent the following description, in which an embodiment with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Show it:

1 eine höchst schematische Seitenansicht eines Endoskops, und 1 a highly schematic side view of an endoscope, and

2 eine weggebrochene Perspektivdarstellung eines Rohrschaftes eines Endoskop-Rohres. 2 a broken away perspective view of a tubular shaft of an endoscope tube.

Das in 1 gezeigte Endoskop weist einen langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen Rohrschaft 1 auf, dessen bezogen auf die Zeichnung linkes Ende 2 während eines minimal-invasiven Eingriffes in den Körper des Patienten eingeführt wird. Am abgewandten Ende 3 des Rohrschaftes 1 sitzt ein dem jeweiligen Anwendungszweck und (nicht dargestellten) Werkzeug am körperinneren Ende 2 entsprechender Griff 4. Dieser kann beispielsweise mit einem Stutzen 5 zum Aus- und Einführen von elektrischen Leitungen für die Applikation hochfrequenter Ströme zum Veröden versehen sein.This in 1 shown endoscope has an elongated, substantially cylindrical tubular shaft 1 on whose referring to the drawing left end 2 during a minimally invasive procedure is introduced into the body of the patient. At the far end 3 of the tubular shaft 1 sits a the respective application and (not shown) tool at the body end 2 appropriate handle 4 , This can be provided, for example, with a nozzle 5 for the removal and insertion of electrical lines for the application of high-frequency currents to scorch.

Der Rohrschaft 1 selbst weist einen Mantel 6 um sein Lumen 7 auf, das aus einem gesinterten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, wie Wolframkarbid mit einem Kobalt-Anteil von 10 % oder darüber besteht. Aufgrund dieser Werkstoffauswahl besitzt der Rohrschaft 1 Materialeigenschaften, die sich wie folgt beispielhaft darstellen:

  • – E-Modul: 550 bis 620 GPa
  • – Biegebruchfestigkeit: 2150 bis 4600 MPa
  • – Bruchzähigkeit: ca. 10 MPa m1/2
  • – Härte: 1670 bis 1970 Hv10
The tubular shaft 1 even has a coat 6 around his lumen 7 composed of a sintered metal-ceramic composite such as tungsten carbide having a cobalt content of 10% or more. Due to this choice of materials possesses the tubular shaft 1 Material properties that are exemplified as follows:
  • - E modulus: 550 to 620 GPa
  • Bending strength: 2150 to 4600 MPa
  • - fracture toughness: approx. 10 MPa m 1/2
  • - Hardness: 1670 to 1970 Hv 10

Die Abmessungen des Rohrschaftes 1 liegen bei einer Länge von 10 bis 30 cm, einem Außendurchmesser von 3 bis 5 mm und einer Wandstärke von 0,5 bis 1 mm.The dimensions of the tubular shaft 1 lie at a length of 10 to 30 cm, an outside diameter of 3 to 5 mm and a wall thickness of 0.5 to 1 mm.

Die Herstellungsverfahren für solche Hartmetall-Rohrschäfte sind in der Werkstofftechnik bekannt und werden z. B. für die Herstellung von Hartmetall-Elektrodenröhrchen für die Elektro-Erosivbearbeitung von metallischen Werkstoffen angewendet. Ein Rohrschaft 1 aus einem Hartmetall der Sorte B15S (WC 66) hat dabei folgende Materialeigenschaften:

  • – Biegebruchfestigkeit: 2150 MPa
  • – E-Modul: 620 GPa
  • – Bruchzähigkeit: 10 MPa m1/2
The production process for such hard metal pipe shafts are known in the material technology and z. B. for the production of carbide electrode tube for electro-erosive machining of metallic materials. A tubular shaft 1 made of carbide grade B15S (WC 66) has the following material properties:
  • Bending strength: 2150 MPa
  • - modulus of elasticity: 620 GPa
  • - fracture toughness: 10 MPa m 1/2

Wie aus 2 hervorgeht, ist der Rohrschaft 1 auf seiner Außenseite mit einer Schutzhülle 8 umgeben, die aus einem PTFE-Schrumpffolienmaterial besteht. Dieses inerte, körperverträgliche Material verbessert die Gleiteigenschaften des Rohrschaftes 1 im Trokar und erleichtert somit das Einschieben des Endoskops in den Körper.How out 2 shows, is the tubular shaft 1 on its outside with a protective cover 8th surrounded, which consists of a PTFE shrink film material. This inert, biocompatible material improves the sliding properties of the tubular shaft 1 in the trocar and thus facilitates the insertion of the endoscope into the body.

Claims (7)

Endoskop-Rohr zur Verwendung in minimal-invasiven Operationsinstrumenten, gekennzeichnet durch einen Rohrschaft (1) aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff mit einem E-Modul von mindestens 350 GPa.Endoscope tube for use in minimally invasive surgical instruments, characterized by a tubular shaft ( 1 ) of a metal-ceramic composite having an E-modulus of at least 350 GPa. Endoskop-Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrschaft (1) eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 1500 MPa und eine Bruchzähigkeit von mindestens 8 MPa m1/2 aufweist.Endoscope tube according to claim 1, characterized in that the tubular shaft ( 1 ) has a transverse rupture strength of at least 1500 MPa and a fracture toughness of at least 8 MPa m 1/2 . Endoskop-Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrschaft (1) aus einem Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetall-Werkstoff besteht.Endoscope tube according to claim 1 or 2, characterized in that the tubular shaft ( 1 ) consists of a tungsten carbide-cobalt-hard metal material. Endoskop-Rohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kobalt-Anteil mindestens 6 %, vorzugsweise etwa 10 % beträgt.Endoscope tube according to claim 3, characterized in that the cobalt content is at least 6%, preferably about 10%. Endoskop-Rohr nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrschaft (1) mit einer Schutzhülle (8) aus einem inerten, körperverträglichen Material versehen ist.Endoscope tube according to one of the preceding claims, characterized in that the tubular shaft ( 1 ) with a protective cover ( 8th ) is provided from an inert, biocompatible material. Endoskop-Rohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (8) aus einem PTFE-Polymermaterial besteht.Endoscope tube according to claim 5, characterized in that the protective cover ( 8th ) consists of a PTFE polymer material. Endoskop-Rohr nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (8) aus einem Schrumpffolienmaterial besteht.Endoscope tube according to claim 5 or 6, characterized in that the protective cover ( 8th ) consists of a shrink film material.
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