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Entwicklung und Evaluierung eines laserbasierten

1. Sensing Phase Heating Phase Keeping Phase Spannung U konstant steigend steigend abfallend steigend ca 10V ca 50V max ca 90V max ca 60V am Ende konstant steigend abfallend konstant Strom ca 0 5A ca 4 3A max ca 0 25A am Ende Leistung P konstant steigend abfallend konstant ca 5W ca 210W max ca 10W am Ende Impedanz 2 Konstant abfallend steigend ca 250 ca 100 min ca 3200 am Ende Die beobachteten Verl ufe der elektrischen Gr en lassen sich verstehen wenn man annimmt dass die Impedanz die Gr e ist nach der geregelt wird Die hier gemessene Impedanz wird jeweils aus den Strom und Spannungswerten zu diesem Zeitpunkt errechnet und spiegelt den gerade vergangenen Zustand des elektrischen Gewebewiderstandes wieder Die Ursache dass sich Strom und Spannung zu einem Zeitpunkt ndern liegt an der zuvor erzeugten Gewebe nderung Die Frage ber die Art und Weise des Regelprozesses muss weiter untersucht werden Es muss genau beleuchtet werden welche elektrische Gr e in welcher Form sowie in welcher Prozessphase die F hrungsgr e bzw Steuer und Regelgr e f r den Gewebefusionsprozess ist Um diesbez glich einen genauen Aufschluss zu erhalten sind alle 60 Versuche dieser Reihe ausgewertet worden Daf r sind zun chst charakteristische Punkte im Prozessverlauf der elektrischen Gr en festgelegt worden zeitgleich zueinander um die Vergleichbarkeit zu garantieren In den Abbi
2. Reflexion Remission Medium 1 Luft Medium 2 Gewebe Brechung Streuung T a Absorption gt W rme Transmission Abbildung 2 Schematische Darstellung der Wegm glichkeiten eines Photons wenn es auf biologisches Gewebe trifft 19 Kapitel 1 Einleitung Die Absorption von Licht im UV VIS Bereich geschieht durch elektronische Anregung auf die Fluoreszenz Phosphoreszenz oder chemische Reaktionen folgen k nnen Im NIR sowie im IR Bereich berwiegt die Umwandlung der Lichtenergie in W rme durch das berf hren von Molek len in Vibrations oder Rotationszust nde In welcher Art und Weise die jeweilige Laserbestrahlung eine Wirkung auf das Gewebe hat wird haupts chlich durch das Zusammenspiel der Laserwellenlange mit den vorhandenen Absorbern bestimmt Die Streuung im Gewebe kann eine starke Beeinflussung der Lichtverteilung und damit auch der effektiven Absorption hervorrufen 43 S 9 ff Es zeigt sich dass die Lichtausbreitung gro en Einfluss auf jeden Laser Gewebe Wechselwirkungsprozess hat und vor allem hinsichtlich der Absorbereigenschaften des jeweiligen Gewebes ber cksichtigt werden muss F r den Anwender bedeutet dies dass die Wellenl nge bzw der Laser auf die im Gewebe vorhandenen Absorber und die zu erzielende Wirkung im Gewebe abgestimmt werden muss F r die thermische Wirkung im Gewebe sind Wasser und H moglobin die Hauptabsorber Im Diagramm in Abbildung 3
3. a gt a te ee g e aa t 100 E a 3 6 7 8 5 Gef durchmesser mm Abbildung 32 Auftragen des Berstdrucks ber dem Arteriendurchmesser f r alle Versuche der Versuchsreihe Zu erkennen ist prim r die Einteilung der Gef durchmesser in die drei Gr enklassen sowie die Verteilung der Berstdr cke innerhalb einer Gr enklasse Hierbei ist jedoch zu beachten dass die verschiedenen Berstdr cke mit unterschiedlichen Druckkr ften generiert wurden Wohl aber ist die Tendenz der gr enabh ngigen Berstruckfestigkeit vor allem im Vergleich der mittleren zur gro en Gr enklasse direkt erkennbar Die Mittelwertbildung zeigt eine Berstdruckfestigkeit der Gr enklasse mittel von 432 161mmHg und f r die Gr enklasse gro lediglich 230 72mmHg Insgesamt scheint dass Arterien der mittleren Gr enklasse im Mittel die h chste Festigkeit erzielen Dieser Eindruck wird durch das Balkendiagramm in Abbildung 33 weiter verdeutlicht Hierin sind die gemittelten Berstdruckfestigkeiten und deren Standardabweichungen der einzelnen Versuchsbl cke dargestellt Bez glich der Probenanzahl f r die Mittelwert und Standardabweichungsberechnung wird auf Tabelle 5 verwiesen 71 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Berstdruckfestigkeiten der einzelnen Versuchsbl cken EEE 10N Druckkraft 750 15N Druckkraft
4. 17 20 w W 10 110 0 ra 1 9 0 1 0 0123 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1 012 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Zeit s Zeit s Abbildung 74 Darstellung des Temperaturverlaufs gr n mit dem dazugeh rigen Impedanzverlauf blau und Leistungspegelverlauf rot f r vier exemplarische Versuche oben Darstellung zweier Versuche mit der Regelung auf absolute Impedanzwerte unten Darstellung zweier Versuche mit der Regelung auf die Impedanzsteigung 146 Temperatur C Temperatur C Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Des Weiteren kann im Bild unten rechts von Abbildung 74 ein massiver Temperaturanstieg bis zu 140 C gegen Ende des Prozesses festgestellt werden welcher durch einen hohen Leistungspegel erzeugt wird Dieser hohe Leistungspegel wiederum ist bedingt durch die Impedanz welche konstant auf einem Niveau bleibt und nicht auf die erhdhte Bestrahlungsleistung reagiert Es bildet sich ein sog Impedanzplateau aus In der nachfolgenden Tabelle 11 ist die Auswertung aller acht Thermografieversuche zusammengefasst Bestimmt wird die Temperatur zum Zeitpunkt des Wasserverdampfungsstarts die Temperatur zum Prozessende und die Anzahl der Temperatureinbr che Tabelle 11 Auswertung der acht Thermografieversuche bez glich der Temperatur zum Zeitpunkt des Wasserverdampfungsstarts sowie zum Zeitpunkt des Prozessendes Zus tzlich ist jeweils die Anzahl der regelungsbedingten Tem
5. S 003 o Cc E 0 2 oO Y aD WU 0 1 i N N E e 0 1 1 1 2 25 3 35 4 45 5 Zeit s Sensing Phase Heating Phase Keeping Phase Abbildung 23 Normierter Strom Spannungs Leistungs und Impedanzverlauf des exemplarisch dargestellten Versuchs Markierung der einzelnen Prozessphasen Sensing Phase Heating Phase und Keeping Phase In Abbildung 24 sind die elektrischen Prozessgr en Spannung Strom Leistung und Impedanz des exemplarischen Versuchs in einzelnen Diagrammen dargestellt Darin sind jeweils die konkreten Werte ber der Zeit aufgetragen und es k nnen somit die einzelnen Werteniveaus im Prozess abgelesen werden Zus tzlich ist in Tabelle 4 die jeweilige Charakteristik der einzelnen Prozessphasen aller elektrischen Parameter aufgelistet So zeigt sich bei diesem Beispielversuch in der Sensing Phase eine Leistung von ca 5W und eine 61 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Impedanz von ca 250 bei einer Spannung von ca 10V und einem Strom von ca 0 5A Die anschlie ende Heating Phase weist einen parabelf rmigen Leistungsanstieg bis ca 210W und eine stetig abfallende Impedanz bis ca 100 auf In dieser Zeit steigt der Strom bis auf ca 4 3A und die Spannung bis auf ca 50V an Nach diesem Impedanzminimum von ca 100 folgt ein rapider Anstieg Impedanzumschlag welcher die Keeping Phase einleite
6. 168 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Erl uterung der abschlie enden Regelungsweise f r lasergest tzte Dickdarmgewebefusionen 750 Impedanzrohwerte 700 Impedanz gefiltert 650 SOLL Impedanzsteigung Umschaltgrenze Prozessende 600 __ Impedanzsteigungsmessung 550 Impedanzminimum 500 Leistungspegel a 450 N 400 oO D 350 Qa E 300 SOLL Impedanzsteigung Leistungspegel W 60 80 Qges 100 Oges 40 20 0 E56 7 8 9 1011 12 13 14 18 oS fe Zeit s qd oo Plateaudetektion Abbildung 85 Erkl rung der abschlie enden Regelung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses anhand eines Impedanzbeispielverlaufs Mit einer Zeitverz gerung von 0 5s nach Abschluss der Impedanzsteigungsmessung beginnt die Regelungsphase des Prozesses und der Laserleistungspegel regelt die gefilterte Impedanz auf die vorgegebene Impedanzsteigung Damit eventuelle Impedanzplateaus detektiert werden k nnen beginnt diesbez glich die berwachung bei 80 von Qges und erstreckt sich bis zum Prozessende Zur Definition des Prozessendes sind mehrere Kriterien implementiert Als prim res Abschaltkriterium dient der berechnete Gesamtenergieeintrag Qges Als nachgeordnete Sicherheitsabschaltkriterien sind sowohl ein maximaler Gesamtenergieeintrag Qgesmax 600J als auch eine maximale Prozessdauer von tmax 205 definiert Diese sollen greifen wenn alle anderen Kriterien nich
7. 186 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Als Gewebebreite wird die Spotbreite von 15mm angenommen Diese variiert in der Realit t nat rlich kann jedoch im Mittel auf diesen Wert gesetzt werden Die Gewebedicke h stellt sich je nach Gewebewandst rke ein bei konstanter Fl chenpressung und ergibt somit eine Variable f r das Prozessmodell Durch manuelle Stichprobenabstandsmessungen der beiden Elektroden kann hierf r ein Bereich von 0 2mm 0 5mm definiert werden Als weitere Variable des Prozessmodells ist der Wassergehalt w des Dickdarmgewebes zu betrachten Der Wassergehalt ist neben der Gewebedicke ma gebend f r die Absorption des Laserlichts Je geringer der Wassergehalt und die Gewebedicke ist desto geringer ist die tats chlich im Gewebe wirksame Leistung bzw desto gr er ist der Leistungsverlust Bez glich des Wassergehalts wird ein Bereich von 70 80 angenommen Diese Annahme wird durch die Angabe von 74 82 aus der Literatur gest tzt siehe Kapitel 2 2 5 Dieser Wassergehalt Wstar ist zum Start des Prozesses vorhanden und bleibt innerhalb der Aufheizphase konstant Erst in der Verdampfungsphase reduziert sich der Wassergehalt aufgrund der Wasserverdampfung bis zu einem Minimum von 3 5 8 Dieser Minimumbereich ergibt sich aus der Annahme dass sich die im Gewebe enthaltene Wassermasse bis auf 5 10 Winae 0 05 0 1 der Ausgangswassermasse verringert Weitere Variablenberei
8. 234 Anhang A4 Datentabelle zu Abbildung 66 auf Seite 128 Tabelle 18 Auflistung der Sch lfestigkeitsmittelwerte und Standardabweichungen n 5 Zum Vergleich der mit dem Laserprozess erzeugten Sch lfestigkeiten bei Darmgewebe ist die Sch lfestigkeit von HF Versiegelten Arterien angegeben aufgetaut frisch Fl chenpressung Fl chenpressung 0 2 0 4 0 6 0 2 0 4 30W 6 7s 200 0 078 0 027 0 087 0 012 0 051 0 017 0 058 0 027 0 051 0 007 59W 6 7s 400 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Dickdarm 30W 13 3s 400 0 096 0 021 0 09240 016 0 066 0 017 0 105 0 037 0 106 0 026 15W 13 3s 200 0 076 0 026 0 065 0 026 0 061 0 009 0 069 0 036 0 066 0 026 30W 10s 300 0 087 0 022 0 084 0 028 0 06 0 02 0 095 0 043 0 084 0 031 Vergleichswert Arterie mitte I HF Prozess mit LigaSure Impact Instrument 0 111 0 037 A5 Datentabelle zu Abbildung 67 auf Seite 131 Tabelle 19 Auflistung der Mittelwerte und der Standardabweichung der Impedanzauswertung an den charakteristischen Prozesspunkten Wandst rke medium Wandst rke dick Wandst rke d nn Wandst rke medium Tier Nr 1 Tier Nr 2 Tier Nr 3 Tier Nr 4 Zstart Q 235 7436 6 315 6 56 1 266 4 44 4 433 7 12 7 tstart S 0 0 0 0 0 0 0 0 Zain Q 74 6 13 9 82 9 25 1 24 5 11 1 33 1417 tmin S 1 53 0 21
9. 65 66 67 68 69 70 71 72 Schr fer E Elektrische Messtechnik Carl Hanser Verlag 9 Auflage 2007 Stewart R Benbrahim A LaMuraglia G M Rosenberg M L Italien G J Abbot W M Kung R T V Laser assisted vascular welding with real time temperature control Lasers in Surgery and Medicine 19 9 16 1996 Tang J Godlewski G Rouy S Delacr taz G Morphologic changes in collagen fibers after 830nm diode laser welding Lasers in Surgery and Medicine 21 438 443 1997 Tang J O Callaghan D Rouy S Godlewski G Quantitative changes in collagen levels following 830nm diode laser welding Lasers in Surgery and Medicine 22 207 211 1998 Thibeaux R Dufour A Roux P Bernier M Baglin A C Frileux P Olivo Marin J C Guill n N Labruy re E Newly visualized fibrillar collagen scaffolds dictate entamoeba histolytica invasion route in the human colon Cellular Microbiology 14 609 621 2012 Thielecke H Impedanzspektroskopie ftir gewebebasierte Biosensoren Technisches Messen 72 Nr 11 609 616 2005 Thomson H J Busuttil A Eastwood M A Smith A N Elton R A Submucosal collagen changes in the normal colon and diverticular disease International Journal of Colorectal Disease 2 208 213 1987 Vlasak J W Kopchok G E Fujitani R M White R A Argon laser vascular fusion Venous and arterial bursting pressure
10. Verluste in Abbildung 99 gezeigt 198 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Verlustenergiebilanz des Gesamtprozesses 300 T Esus Konvektion 250 Onus Laser Q 200 e Verlust Elektroden LI ertust gesamt Energie J a oO oO oO ol Aufheizphase Verdampfungsphase Gesamtprozess Abbildung 99 Darstellung der Bereiche der einzelnen Energieverluste sowie der Summe aus diesen f r beide Prozessphase als auch f r den Gesamtprozess Darin ist deutlich zu erkennen dass der Energieverlust durch das Erw rmen der Elektroden Qverlust Elektroden hellgraue Balken sowie der Energieverlust durch die Reduzierung der tats chlich im Gewebe wirksamen Laserleistung Qveriust taser dunkelgraue Balken den Gesamtenergieverlust Qverlust gesamt wei er Balken bestimmen Der Energieverlust durch die Konvektion in die umgebene Luft Qyertust Konvektion schwarzer Balken ist gering Bez glich der Energieverluste durch die Leistungsreduzierung infolge des Gewebewasserverlusts Qverlust Laser Kann festgestellt werden dass der Bereich zwischen minimalem und maximalem Wert relativ klein ist Dies zeigt dass ein d nnes Gewebe mit einem geringen Wassergehalt hnlich hohe Energieverluste wie ein dickeres Gewebe mit einem hohen Wassergehalt erzeugt Begr ndet ist dies durch die Proportionalit t der jeweiligen Laserleistungsabsorption und dem dazu entsprechenden Energieaufwand zur Gewebeerw
11. e anbieten Mit dieser Gr e w re in direkter Weise ein temperaturgeregelter Fusionsprozess m glich Dazu k nnte ein Thermoelement in die Elektroden integriert werden welches durch den Gewebekontakt die Temperatur misst Durch die Anpassung der Regelungssoftware k nnten so unterschiedliche Gewebetemperaturniveaus oder aber auch zeitliche Temperaturprofile realisiert werden Des Weiteren ist eine Messung der Remission des Laserlichts als zus tzliches Prozessfeedback denkbar Das theoretische Prozessmodell zeigt dass mit zunehmender Verdampfungsphasendauer immer mehr Laserlicht durch das Gewebe transmittiert wird und so einen Hinweis auf den Wassergehalt liefert Dies ist messtechnisch erfassbar und k nnte beispielsweise in einem Prozessabschaltkriterium verarbeitet werden Eine weiterf hrende Gesamtprozesszielvorgabe ist die Erzeugung einer lasergest tzten Dickdarmkomplettfusion lineare Dickdarmversiegelung Dazu m sste der bisherige Laboraufbau durch gr ere Glaselektroden angepasst werden was eine Erh hung der Laserleistung bei vollfl chiger Bestrahlung gleichbleibende Intensit t mit sich bringen w rde Hierf r ergibt sich bei einer Fusionsnahtl nge von 80mm eine Leistungserh hung um den Faktor 5 Hinsichtlich dieser enormen Leistungserh hung mittlere Leistung von ca 170W w rde sich ein kleinerer Bestrahlungsspot welcher linear verfahren wird als L sung anbieten Durch lineares Fusionieren des Dickdarms w ren Berst
12. Die Media ist die mittlere Schicht zwischen der ntima und der Adventitia und nimmt den Gro teil der Gesamtwandst rke ein In Abbildung 5 ist der Bereich der Media komplett durch die Orcein F rbung hervorgehoben was den hohen Anteil von elastischen Strukturen 24 Kapitel 1 Einleitung sichtbar macht Das Vorkommen von Elastin und Kollagen ist von Fonck et al 17 durch Polarisationsmikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie haupts chlich in der Media nachgewiesen Im Detail wird f r diesen elastischen Anteil eine komplexe 3D Struktur von Kollagenb ndeln Elastin und weichen Muskelzellen angegeben Bez glich der gesamten Arteriengeometrie zeigen die beschriebenen Fasern im Arterienquerschnitt eine zirkul re Anordnung liegen jedoch zueinander parallel In axialer Arterienrichtung zeigen die zirkul ren Anordnungen zus tzlich eine leichte Helixauspr gung Durch diese Anordnungen der elastischen Fasern sowie der Kollagenb ndel ist die Arterie des elastischen Typs in der Lage sehr hohe Spannungen und intraluminale Dr cke in Verbindung mit gro er Dehnung aufzunehmen und als Windkesselfunktion zu speichern 18 In der Untersuchung von Clark und Glagov 10 wird explizit von einer sich wiederholenden Anordnung in Form von Elastin Muskelzellen Elastin Kollagenb ndel Elastin Muskelzellen Elastin Kollagenb ndel usw in der Media gesprochen Es wird zus tzlich vermutet dass diese Anordnung verantwortlich
13. Energieaufwendungen der zwei Prozessphasen Quaufheiz UND Qverdampfen Oi Aufwand Bars gt Wstant Q aufheiz Bas W Start Qverdampfen hex W Start G 33 Der Gesamtenergieverlust Qges verlust ist die Summe der Energieverluste beider Prozessphasen Qvertust Aufheiz und QVerlust Verdampren gt 196 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Os Verlust Reece 2 W Start W Ende 2 T wechsel 2 T inae Oyertust Aufheiz Mies 2 W Start 2 T wechsel GI 54 Oyertus Aufheiz ans W Start W Ende T wechsel T inde Die Gesamtenergie welche in den Prozess eingebracht werden muss berechnet sich aus der Summe des Gesamtenergieaufwands Qges Aufwand und des Gesamtenergieverlusts Qges verlust Q ges hoevere 2 W Start 7 Wende 2 T wechsel 2 inde On Aufwand Base 2 W start GI 55 Or nes gt W Start gt W Ende weehset T Ende Durch das Einsetzen der minimalen und maximalen Werte des jeweiligen Variablenwertebereichs ergibt sich f r jede Energieberechnung ebenfalls ein minimaler und maximaler Wertebereich Der jeweilige untere Werte bzw die Minimalgrenze der errechneten Energieeintr ge bezieht sich auf ein d nnes Gewebe geringer Wert f r hgewebe mit entsprechend geringer Gewebemasse mit einem geringen Wassergehalt geringer Wert f r Wstart was zu einer geringeren Elektrodenerw rmung geringer Wert f r Twechse UNd Tenge sowie geringeren Konvektion gerin
14. Laserleistungspegel zu erkennen 165 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Impedanzplateaubeispiel 600 Impedanzrohwerte 550 Impedanz gefiltert SOLL Impedanzwerte 500 Umschaltgrenze Leistungspegel 450 400 Q oa oO Nahezu konstantes Impedanzniveau bei maximalem Laserleistungspegel Impedanz Q Q oO oO Leistungspegel W 250 200 mm 60 150 40 100 50 20 Zeit s Abbildung 83 Beispieldarstellung eines m glichen Impedanzplateaus Gegen Ende dieses Beispielprozesses verharrt die Impedanz nahezu konstant auf einem Niveau obwohl durch maximale Laserleistung zu dieser Prozessphase ist die Pegelbegrenzung von 50Waktiv ein hoher Energieeintrag in das Gewebe erzeugt wird Die Impedanzplateaudetektion ist in Abbildung 84 schematisch dargestellt Darin ist ein Impedanzverlauf blauer Graph im Endstadium eines Prozesses aufgetragen Das Auftreten eines Impedanzplateaus ist beschr nkt auf die Prozessendphase da bis zu dieser Phase schon viel Wasser des Gewebes verdampft wurde und dadurch die Gefahr besteht dass die elektrische Gewebeleitf higkeit schon vor dem Erreichen des berechneten Gesamtenergieeintrags stark reduziert ist Deswegen wird die Prozess berwachung bez glich eines m glichen Impedanzplateaus beim Erreichen von 80 von Qges zugeschaltet An diesem Zeitpunkt wird der dort vorhandene gefilterte Impedanzwert als Startwert im D
15. Wverlust Ende Wverlust Start Wyerlust i Wvertust Ende 1 1 A Der Impedanzverlauf zeichnet sich in der Verdampfungsanfangsphase durch einen steilen Anstieg in Form einer Potenzfunktion aus Der Bereich in dem dieser Anstieg erfolgt bezieht 204 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses sich auf einen Wasserverlust von 0 bis ca 30 der gesamten Wassermasse F r ein Gewebe mit einem niedrigen Gesamtenergieeintrag d nnes Gewebe mit einer kleinen Wassermasse wurden verschiedene Funktionen f r den Wasserverlust getestet Eine gute bereinstimmung mit dem experimentell beobachteten Verlauf wurde mit der Charakteristik Wyertust festgestellt Gewebe R _ 6 Z pot min Asewebe L Wverlust Ende P oo c Wyerlust i Wvertust Ende GI 60 Im Gegensatz dazu zeigt eine Charakteristik des Wasserverlusts mit Wyerlust die beste N herung f r ein Gewebe mit einem hohen Gesamtenergieeintrag dickeres Gewebe mit einer gro en Wassermasse Gewebe x _ 4 i Z pot max Agewebe L Wyerlust Ende Pioc A i Wyerlust i Wyerlust Ende G 61 Anschlie end an diesen nichtlinearen Impedanzverlaufsbereich beschreibt der Impedanzverlauf eine lineare Form bis zum Prozessende Wasserverlustsbereich von 30 bis 90 95 Die Impedanz im linearen Bereich berechnet sich f r ein Gewebe mit einem niedrigen Gesamtenergieeintrag d nnes Gewebe mit einer kleinen Wassermasse w
16. liegen Zus tzlich zu den zwei Regelweisen wird ein nichtgeregelter Prozess als Referenz durchgef hrt So ergeben sich bei n 5 insgesamt 60 Versuche Regelung auf absolute Impedanzen Prozess konstante Leistung Regelung auf Impedanzsteigung Zu dieser Untersuchung geh rt ebenfalls eine thermografische Prozessbetrachtung Daf r ist in dem Laboraufbau eine Thermokamera integriert siehe Aufbaubeschreibung in Kapitel 3 1 1 deren Bildebene auf den Planfl chen der Glaselektroden gelegt ist Es wird somit die vordere Gewebeebene zwischen den Glaselektroden thermografisch berwacht und ausgewertet Bez glich der Auswertung wird neben dem Darstellen einzelner ausgew hlter Thermografiebilder haupts chlich mit der Auswertung durch das ROI region of interest gearbeitet Wie auch schon bei den Untersuchungen des HF Prozesses wird mittels des ROI die Temperatur des mittleren Gewebebereichs f r jedes Frame gemittelt und ber der Zeit dargestellt So erh lt man einen zeitlichen Verlauf der Temperatur an dem Ort des ROI Insgesamt sind zu jeder Prozessregelungsweise vier Versuche mit der thermografischen Aufnahme geplant Untersuchung einer alternativen Gewebecharakterisierungsmethode Auf Grundlage der vorher durchgef hrten Versuchreihen wird in diesem Abschnitt eine Methode zur Charakterisierung des Gewebes untersucht Dazu werden 100 Gewebefusionen von acht Dickd rmen unterschiedlicher Sch
17. z A giekirode Te T up G1 34 2 l iufi mit Aptettrode l giektrode D piektrode F 2 Gis j P btektrode 2 Dass j has GI 35 Damit aus dem W rmestrom Qkonvektion Einheit W der erzeugte W rmeverlust Qkonvektion berechnet werden kann muss der W rmestrom mit der vorl ufigen Aufheizphasendauer t aufheiz multipliziert werden Diese Zeit t aufheiz berechnet sich aus der Summe des bisher errechneten Energieaufwand Qaufhez sowie den Energieverlusten Qwerlustiaser und Qverlust Elektrode dividiert mit der Bestrahlungsleistung Praser Oyertus Konvektion Mae gt Wotart gt T wechsel F Pp Konvektion Gia Aufheiz eee gt Wotart gt T wechsel G 36 mit Q sumeiz Ogewere 2 W srar VWertust Laser Oeewere 2 W Start P Laser GI 37 m Qertust Elektrode ET P Laser Aufheiz Agewebe gt Wotart gt Tyechset Gesamtenergie und Gesamtzeitbetrachtung der Aufheizphase Fur die Energiebilanz der Aufheizphase m ssen neben dem Energieaufwand Qaufreiz alle Verluste kompensiert werden was eine Summenbildung aller berechneten Energieeintrage in dieser Prozessphase zur Folge hat Der notwendige Gesamtenergieeintrag Qges aufheiz ist abh ngig von den Variablen hgewebe Wstart UNd Twechse F r die Berechnung des minimalen 191 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses sowie maximalen Gesamtenergieeintrags Qges Aufheiz min PZW Qges Aufheizmax Werden jeweils
18. 0 dmw gt Wasserverlust in der Impedanzsteigungsmessphase kg Der Ausdruck dmw stellt den Wasserverlust durch den Energieeintrag von 17J in der 0 5s langen Impedanzsteigungsmessphase dar und kann mittels der Verdampfungsenthalpie H von Wasser errechnet werden 158 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Berechnen des Wasserverlusts in der Impedanzsteigungsmessphase Q ness dmy a mit Q ness m Prae t GI 21 mess Ones 2 Energieeintrag in der Impedanzsteigungsmessphase J Piaser gt Leistung des Lasers W tnes 2 Zeitbereich der Impedanzsteigungsmessphase s Einsetzen von GI 19 und GI 21 in GI 20 mp dZ H co AT My Qnes Kk Cy AT k Opes Omin O GI 22 GI 22 beschreibt eine quadratische Gleichung in allgemeiner Form f r die Variable my und kann durch das Verfahren der quadratischen Erg nzung gel st werden Durch die Natur der quadratischen Charakteristik sind zwei L sungen m glich siehe folgende Aufl sung von Gl 22 aaa AT Opa Cy AT 4 AZ Hce AT K Qpes Onin 2 AZ H c AT My 1 GI 23 On Ky ATAO RE AT 4 AZ H c AT k On Onin 2 AZ H cg AT My 2 Gl 24 Aufgrund dessen dass f r mw2 eine negative Wassermasse errechnet wird siehe GI 24 und diese L sung nicht innerhalb des erlaubten positiven Wertebereichs liegt stellt die Berechnung von mw1 siehe GI 23 die richtige L sung dar Durch das Einsetzen der Werte siehe
19. 4V Signal f r 12s an CH4 am Oszilloskop geleitet wird Somit fungiert der Delaygenerator als prim res Startsignal f r die Aufzeichnung von Strom und Spannung Der Funktionsgenerator auf CH1 gibt lediglich den Triggerimpuls f r die jeweilige 1ms Messphase Zum Einstellen und Messen der Elektrodendruckkraft auf das Gewebe ist ein Kraftsensor KD 140 ME Messsysteme GmbH im Aufbau implementiert Dieser hat die Bauform eines Biegebalkens und gibt ber Dehnungsmessstreifen eine Messspannung an die dazugeh rige Software welche direkt eine Umrechnung in eine Kraft vornimmt Funktionsgenerator Oszilloskop Delaygenerator a Spannungs tastmesskopf ForceTriad Generator Elektrode Elektrode _ So S Abbildung 12 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Gewebefusion mittels hochfrequenten Stroms Gezeigt ist die schematische Verkabelung der einzelnen Aufbaukomponenten und Ger tschaften zur Messung von Strom Spannung und Druckkraft 42 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom In Abbildung 13 ist der Versuchsaufbau als Foto dargestellt wobei die Laborelektroden das Zentrum des Aufbaus einnehmen Das Elektrodenpaar 1 und 2 besteht aus einer unteren 2 und einer oberen 1 Elektrode Beide Elektroden sind an einem aus PVC hergestellten Halter befestigt Dies garantiert die elektrische Isolation zum metallischen Grundger st des
20. 700 WE 20N Druckkraft 30N Druckkraft 650 E 40N Druckkraft 600 E 50N Druckkraft 60N Druckkraft 550 500 E 450 400 D 350 D amp 300 250 200 150 100 50 0 ae s Gr enkl klein Gr enkl mittel Gr enkl gro Abbildung 33 Balkendiagramm zur Darstellung der Berstdruckfestigkeiten der einzelnen Versuchsbl cke Aus dem Diagramm ist zu entnehmen dass die h chsten Berstdruckfestigkeiten mit Arterien der Gr enklasse mittel erzielt werden Innerhalb dieser Gr enklasse zeigt sich eine Druckkraft von 30N als optimal und generiert eine Berstdruckfestigkeit von 545 168mmHg siehe Tabelle 16 im Anhang A2 Etwa gleich gut zeigt sich auch die Druckkraft von 50N mit einem Mittelwert von 520 94mmHg siehe Tabelle 16 im Anhang A2 Im Gegensatz dazu ist eine Verringerung der Festigkeit bei niedrigeren Druckkr ften festzustellen Hier ergeben sich Mittelwerte von 225 108mmHg f r 15N sowie 292 152mmHg bei 20N Druckkraft siehe Tabelle 16 im Anhang A2 Die gleiche Tendenz ist auch bei den anderen zwei Gr enklassen erkennbar wohl aber auf einem niedrigeren Berstdruckfestigkeitsniveau So liegt der maximale Berstdruckfestigkeitsmittelwert der Gr enklasse klein bei 429 174mmHg 30N Druckkraft Gro e Arterienkaliber Gr enklasse gro zeigen ber alle Versuchsbl cke im Vergleich geringere Festigkeiten Es ergeben sich in dieser Klasse die h chsten Festigkeiten bei der Ver
21. Beschreibung Symbol Einheit Wert Konstanten Gewebebreite Doewebe mm 4 Gewebel nge Igewebe mm 15 Gewebedichte 14 S 138 Pewee mg mm 1 044 Temperaturerh hung AT K 75 Spezifische W rmekapazit t Wasser 8 5 477 Cw J kg K 4182 Spezifische Warmekapazitat Weichgewebe 14 S 28 Co J kg K 3900 Verdampfungsenthalpie Wasser 8 5 472 H kJ kg 2257 5 Glaselektrodendicke htlektrode mm 4 0 Glaselektrodenl nge ltlektrode mm 30 Glaselektrodenbreite De tektrode mm 7 Spezifische W rmekapazit t Glas 8 S 476 CGlas J kg K 815 Dichte Elektrodenglas 83 Polas mg mm 2 5 Optische Leistung des Lasers Pincse WwW 34 Absorptionskoeffizient Wasser bei 1470nm 20 Ha 1 mm 2 1 Warmeleitkoeffizient Luft bei 25 C 8 327 Auuft W m K 0 026 Grenzschichtdicke der Luft an den Elektroden trust mm 1 Lufttemperatur der Umgebung Tyufe C 25 Elektrodentemperatur zum Zeitpunkt des Prozessstarts Teint C 25 Variablen Gewebedicke im gepresstem Zustand hGewebe mm 0 2 0 5 Wassergehalt des Gewebes als Faktor zum Prozessstart siehe Kap 2 2 5 W Start 0 7 0 8 Wassergehalt des Gewebes als Faktor zum Prozessende Wende 0 1 0 05 Elektrodentemperatur zum Zeitpunkt des Prozessphasenwechsels Twechsel C 30 35 Elektrodentemperatur zum Zeitpunkt des Prozessendes Tende C 55 70 188 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses 5 1 1 Gewebeaufheizphase Energieaufwand zur Erwarmung des Gewebes vo
22. F r die Auswertung aller f nf Versuche werden die charakteristischen Prozesskennwerte die Definition der Kennwerte und deren Zeitpunkte im Prozess ist in Versuchsreihe 1 erfolgt herangezogen Die jeweiligen Mittelwerte und Standardabweichungen sind zum einen grafisch als Balkendiagramme in Abbildung 44 als auch tabellarisch in Tabelle 17 im Anhang A3 gezeigt Daraus kann festgestellt werden dass sich der Regelprozess des Generators bei der Verwendung von Darmgewebe gleich verh lt Dieser appliziert in der Sensing Phase ebenfalls f r ca 100ms eine konstante Leistung von 5W P_Sensing 5 0 2W Die nachfolgende nichtlineare gesteuerte Leistungsrampe f hrt zu einem hnlich hohen gemitteltem Leistungsmaximum von 150 25W Zu diesem Zeitpunkt ereignet sich ebenfalls der Impedanzumschlag wobei dieser bei Darmgewebe etwas ged mpft auftritt siehe Prozessverlauf in Abbildung 43 Insgesamt wird der Prozess gleichfalls durch die Stellgr en Spannung Strom gef hrt Die SOLL Gr e bez glich der Keeping Phase kann wie beim Prozess mit Arterien der Impedanzsteigung zugeschrieben werden Auch bei Darmgewebe stellt sich eine konstante Impedanzerh hung von 80 1 1 70 s ein Die gesamte applizierte Energie zeigt mit 171 23 ein hnliches Niveau wie Arterien der Gr enklasse gro wobei der prozentuale Anteil des Energieeintrags in der Heating Phase mit 38 2 5 4 um ca 24 niedriger liegt 62 6 7 1 bei Gr enklasse gro Di
23. Impedanzen ergeben Hei leiter Die Berechnung von Pstat sowie die temperaturabh ngigen spezifischen Widerst nde p T f r die Temperaturerh hung von AT 75K Gewebeerw rmung von 25 C auf 100 C sind in der Wassermassenberechnung im Kapitel 3 2 6 n her beschrieben Dass der errechnete spezifische elektrische Widerstand von Pstat 11 5Om nicht mit dem in der Literatur angegebenen Wert von ca 1 20m 56 bereinstimmt liegt an dem vorhandenen System Gewebe ITO Beschichtung Es ist sehr wahrscheinlich dass vorhandene bergangswiderst nde durch die Wechslwirkung der ITO Beschichtung und dem Gewebe den Gesamtwiderstand erh hen Nachfolgend sind in Tabelle 14 alle Konstanten und Variablen f r die Berechnung und Darstellung der Impedanzverl ufe aufgelistet 202 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Tabelle 14 Auflistung der Konstanten und Variablen f r die Berechnung der Impedanz innerhalb des definierten Prozessmodells Beschreibung Symbol Einheit Wert Konstanten Durchmesser der ITO Messfl che D mm 4 Spezifischer elektrischer Widerstand bei 25 C siehe Kapitel 3 2 6 Pstart Qm 11 5 Temperaturkoeffizient f r Weichgewebe 14 S 200 a K 1 6 Temperaturerh hung AT K 75 Variablen Gewebedicke im gepresstem Zustand Reewebe mm 0 2 0 5 Wasserverlust bis zum Prozessende als Faktor W Verlust Ende 0 9 0 95 Zeit Aufheizphase taufheiz s 0 76 1 65 Ze
24. TEM die isolierte Submucosa untersucht und die einzelnen Kollagenfibrillen Substruktur der Kollagenb ndel welche in einem Strukturnetzwerk angeordnet sind quantitativ ausgewertet Das Ergebnis 28 Kapitel 1 Einleitung ergab einen Kollagenanteil bezogen auf die Fl che der Mikroskopieebene von ca 50 60 Dies zeigt dass die Submucosa einen gro en Anteil an der Gesamtfestigkeit des Dickdarms erzeugt Die auf die Submucosa folgende Muscularis besteht aus glatter Muskulatur welche sowohl ringf rmig Ringmuskulatur als auch l ngs des Darms L ngsmuskulatur angeordnet ist Wie auch schon in der Media der Arterien zeigt sich ebenfalls in dieser Schicht ein gro er Anteil an kollagenen und elastischen Fasern 60 S 366 368 Die u ere Serosa besteht haupts chlich aus Bindegewebe in der einzelne Versorgungsgef e eingebettet sind Bez glich der Hohlorganstabilit t bzw festigkeit kann dieser Schicht keine signifikante Rolle zugesprochen werden Im Vergleich zu den elastischen Arterien zeigt der Dickdarm jedoch nicht die Stabilit t und Steifigkeit ohne Inhalt das Lumen offen zu halten Dies liegt daran dass die Schicht der glatten Muskulatur des Dickdarms nicht daf r ausgelegt ist den Dickdarm in einer Tubusform zu halten Dies zeigt sich durch den geringeren Fl chenanteil der Muscularis bezogen auf die Gesamtquerschnittsfl che des Dickdarms im Vergleich zum Fl chenanteil der Media der Arterie zur Gesamtquerschnittsf
25. chenpressung f r frisches Gewebe Des Weiteren sind f r die Parameterkombination 59W ber 6 7s 400J keine Sch lfestigkeitswerte vorhanden da eine Pr fung nicht m glich war Zerst rung des Gewebes durch Karbonisation Die h chsten Sch lfestigkeitsmittelwerte sowohl f r aufgetautes als auch f r frisches Gewebe sind mit 30W ber 13 3s 400J erzielt worden Innerhalb dieser Parameterkombination ist der Festigkeitsunterschied durch die Fl chenpressung von 0 2N mm und 0 4N mm f r beide Gewebezust nde gering Das aufgetaute Gewebe zeigt f r 0 2N mm einen Wert von 0 096 0 021N mm und f r 0 4N mm einen Wert von 0 092 0 016N mm Im Vergleich dazu ergibt sich f r frisches Gewebe f r 0 2N mm einen Wert von 0 105 0 037N mm und f r 0 4N mm einen Wert von 0 106 0 026N mm Alle anderen Parameterkombinationen erzielten geringere Festigkeiten wobei die geringsten Werte ausgenommen der Kombination von 59W und 6 75 bei der Bestrahlung mit 30W ber 6 7 200J und frischem Gewebe erzielt wurden Diese belaufen sich f r 0 2N mm auf einen Wert von 127 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses 0 058 0 027N mm und f r 0 4N mm auf einen Wert von 0 051 0 007N mm Um die gemessenen Sch lfestigkeiten einordnen zu k nnen wird die Sch lfestigkeit der HF generierten Arterienverbindung als Vergleich herangezogen Diese weisen reproduzierbar sehr hohe Berstdruckfestigkeiten auf und k nnen damit einen Richtwert
26. r das Schneiden und das Koagulieren von Gewebe genutzt Wirkprinzip in der HF Chirurgie wobei die W rmeenergie Q im wesentlichen von dem gewebespezifischen elektrischen Widerstand R der Stromdichte sowie der Einwirkdauer t abh ngt 31 S 518 Bez glich des gewebespezifischen elektrischen Widerstandes kann ein elektrisches Ersatzschaltbild f r eine Zelle entwickelt werden siehe Abbildung 1 links Dabei bildet die Kapazit t Cmem die Zellmembran ab an der sich im Bereich der B Dispersion Frequenzbereich von 100kHz 10MHz nach der Debye Dispersionstheorie intrazellular und extrazellul r Ionen anlagern und diese damit wie einen Kondensator aufladen die Zellmembran fungiert wie ein Dielektrikum Das intrazellul re Zytoplasma fungiert wie ein ohmscher Widerstand Rin und ist in Reihe zur Zellmembrankapazit t geschaltet Die Zelle als Ganzes ist in diesem Modell parallel zu dem Widerstand Rey der extrazellul ren Matrix geschaltet Als einfaches Modell f r Gewebe wird eine Suspension sph rischer Zellen betrachtet siehe Abbildung 1 rechts F r niedrige Frequenzen im Bereich der Dispersion zeigen die Volllinienpfeile den Stromweg ausschlie lich im extrazellul ren Medium Mit steigender Frequenz nimmt die Kapazitanz der Membran ab der Strom kann diese passieren und verl uft somit neben dem extrazellul ren Anteil auch durch das Zytoplasma der Zelle gestrichelte Pfeile Bei sehr 17 Kapitel 1 Einleitung hohen Fre
27. r die Fusion bereinander gelegt werden rechts Foto einer fusionierten Rindernackenbandprobe Es sind sehr gut die zwei Fusionsfl chen der LigaSure Impact Zange zu sehen F r die hier beschriebene Untersuchung werden die Gewebefusionen mit dem ForceTriad und dem LigaSure Impact Instrument also mit dem HF Gewebefusionsprozess durchgef hrt Mit diesem sehr reproduzierbaren Prozess zeigt die Sch lfestigkeit ausschlie lich den Einfluss des vorliegenden Gewebes mit oder ohne Zusatzgewebe Das Ziel besteht darin durch den Zusatz von Kollagen Lyoplant oder Elastin Rindernackenband herauszufinden ob diese zwei Stoffe einen Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung aufweisen und damit ein Indiz f r unregelm ig auftretende niedrige Sch lfestigkeiten geben k nnten F r diesen Vergleich sind insgesamt sechs verschiedene Gewebefusionskombinationen definiert worden So wird die HF Fusion zweier Dickdarmproben zweier Elastinprobenstreifen und zweier Lyoplantprobenstreifen untersucht Des Weiteren werden Dickdarmproben mit einem Elastinzusatz Rindernackenband und einem Kollagenzusatz Lyoplant miteinander verbunden Daf r wird jeweils ein d nner Streifen ca Imm bis 1 5mm Dicke des Lyoplants bzw des Rindernackenbands zwischen die Dickdarmstreifen gelegt und in der Instrumentenzange eingespannt Als zus tzlicher Vergleich ist die Sch lfestigkeit von Arterienversiegelungen mit aufgenommen Diesbez glich ist bekannt dass
28. was sich in einer Gewebekarbonisation u ert Der Fusionsprozess muss letztlich den Gewebewasseranteil m glichst schonend verdampfen und zum richtigen Zeitpunkt den Prozess beenden Wird dieser Abschaltpunkt verpasst bewirkt jeder weitere Energieeintrag Gewebesch digungen Damit eine Prozessregelung entsprechend funktionieren kann muss in der Prozessanfangsphase bekannt sein wie das Gewebe reagiert bzw wie der 176 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Impedanzverlauf sich im weiteren Prozess auspragen wird Nur so kann die Laserreglung mit der Impedanz als Feedbackgr e eine optimale Gewebefusion erzeugen Nach dem ersten nicht erfolgreichen Versuch die Gewebediskriminierung anhand der Startimpedanz vorzunehmen zeigt die Ber cksichtigung des Energieeintrags bis zum Impedanzminimum Qmin und die Messung des anschlie enden Impedanzanstiegs Ames im Zeitbereich von tzmin 1s bis tzmin 1 5 eine erfolgreiche Gewebecharakterisierung Anhand beider Gr en kann die im Gewebe vorhandene Wassermasse bestimmt und daraus der ben tigte Energieeintrag Oges zum Verdampfen dieser Wassermasse errechnet werden Dieser Ansatz den Prozess nach dem Verdampfen der berechneten Wassermenge abzuschalten deckt sich auch mit den bisherigen Erkenntnissen aus der Gewebetemperaturbeurteilung bei der eine gewebesch digende Temperaturerh hung gt 100 C nach dem kompletten Verdampfen des Gewebewassers festgestellt wurde So en
29. wurde bei keinem Versuch erreicht Die Darstellung zweier exemplarischer Prozessregelungen in Form des Impedanzverlaufs sowie des dazu korrelierenden Laserleistungspegelverlaufs sind in Abbildung 89 gezeigt Zus tzlich sind in beiden Diagrammen das Impedanzminimum wichtig f r die Berechnung von Qyin die Impedanzsteigung markiert sind die f nf Einzelsegmente der Messung aus denen der Median gebildet wird der Zeitpunkt des Regelungsstarts und die SOLL Impedanzsteigung eingezeichnet Im linken Verlaufsdiagramm ist ein Fusionsprozess des Gewebes T1 aufgetragen welcher durch den berechneten Energieeintrag von 242J nach ca 10 65 beendet wurde Bez glich der Sch lfestigkeit erzielte dieser Prozess einen Wert von 0 093N mm Die angewandte Steigungsregelung in der Regelungsphase erzielt mit der definierten SOLL Impedanzsteigung einen moderaten geregelten Energieeintrag Dieses moderate Regelungsverhalten ist ebenso im rechten Verlaufdiagramm vorhanden wobei die Laserleistung verschiedene Impedanzschwankungen kompensieren muss Hierbei handelt es sich um den Fusionsprozess des Gewebes T2 mit einem Gesamtenergieeintrag von 204J und einer Sch lfestigkeit von 0 118N mm Im Gegensatz zum linken Prozess wird dieser Prozess durch die Detektion eines Impedanzplateaus abgeschaltet Dieses ist am Ende des Impedanzverlaufs gut zu erkennen 173 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses 450 450 f Impedanzrohwerte 40
30. 1N mm bis 1 2N mm Anwendungsbezogen l sst sich eine dynamische Druckkraftgenerierung welche abh ngig ist von der Gewebeauflagefl che um eine konstante Fl chenpressung zu erzeugen in einem Applikator nur schlecht umsetzen Es muss mit einer vordefinierten f r alle Gewebe geltenden Druckkraft von 30N 50N beste Berstdruckfestigkeiten aus dieser Untersuchung gearbeitet werden Die thermografische Prozessauswertung best tigt die Hypothese dass der Energieeintrag in das Gewebe zu einer Gewebefl ssigkeitsverdampfung f hrt Es k nnen Maximaltemperaturen zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags von gt 100 C nachgewiesen werden Auch im weiteren Prozessverlauf stellt sich ein Temperaturniveau von ca 100 C ein und erzeugt dadurch in der Keeping Phase ein Austrocknen Verlust der Gewebefl ssigkeit des Gewebes Dieses Temperaturregime kann gehalten werden solange Wasser im Gewebe vorhanden ist Ist dieses komplett verdampft wird die Temperatur steigen und zu Karbonisationen f hren Dies gilt es zu vermeiden und ber die Prozessregelung den optimalen Zeitpunkt f r das Prozessende zu definieren 2 2 4 Versuchsreihe 3 Bewertung der Berstdruckfestigkeit bei Prozessabbruch nach unterschiedlichen Zeiten Aus den vorhergehenden Untersuchungen zeigt sich dass vor allem die Keeping Phase zum Verlust des Gewebewassers f hrt Daher wird vermutet dass die Festigkeit der Gewebefusion prim r in dieser Prozessphase generiert wird Um d
31. 2 13 0 22 1 3 0 14 1 87 0 17 Zknick Q 279 27 173 9 385 59 354 61 tknick S 4 78 0 28 5 04 0 44 4 91 0 4 5 91 0 47 Zende Q 483 86 230 16 965 37 631 97 tende S 13 3 0 13 3 0 13 3 0 13 3 0 Fchatfestigkelt 0 094 0 033 0 075 0 023 0 084 0 027 0 103 0 052 N mm 235 Danksagung Danksagung Mein Dank gilt Herrn Prof Dr R Hibst dem Direktor des Instituts f r Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik ILM an der Universitat Ulm f r die M glichkeit zur Durchf hrung dieser Promotion und zur engagierten Betreuung dieser Arbeit Herrn Prof Dr L D rselen Herrn Prof Dr H Schneckenburger und Herrn Prof Dr med M Kornmann danke ich f r die bernahme der Gutachter bzw Pr fert tigkeit Ebenso danke ich besonders Herrn Dipl Ing O Fugger sowie Herrn Dipl Phys D Russ f r die stets vorhandene Unterst tzung in fachlichen Fragestellungen Herrn M Sc A Brandes danke ich f r die Unterst tzung in Bezug auf die Programmierung der Laser leistungssteuerung Ein besonderer Dank gilt den Landmetzgereien Georg B hler in Altheim Baden W rttemberg und Arthur Laible in Langenau f r die problemlose Bereitstellung von schlachtfrischem Dickdarm und Arteriengewebe vom Schwein Insgesamt danke ich allen Mitarbeitern des ILM f r die kollegiale Zusammenarbeit und das stets angenehme Arbeitsklima Ein erheblicher Dank gilt meiner Familie Deren grenzenloser R ckhalt hat mich in vielen
32. 200nm bis 104m auf Datenbasis von 20 Die Zahlenbeschriftungen von 1 9 an den entsprechenden blauen Linien zeigen die Wellenl ngen der einzelnen Lasersysteme die in Tabelle 6 aufgelistet sind Dem anschlie enden Abfall bis auf ca 100cm folgt ein erneuter geringf giger Anstieg bis auf ca 600cm bei einer Wellenl nge von 101m Auf Basis dieses Absorptionsspektrums von Wasser kann eine wellenl ngenabh ngige optische Eindringtiefe des Lichts in das Medium 91 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Wasser n herungsweise berechnet werden Tabelle 6 zeigt fur eine Auswahl der g ngigsten Lasersysteme die sich ergebenen Eindringtiefen Aufgrund des hohen Wassergehalts von ca 80 Dickdarmgewebe vgl Kapitel 2 2 5 kann n herungsweise diese Eindringtiefe unter Vernachl ssigung von vorhandenen Streueffekten innerhalb des Gewebes auch f r Dickdarmgewebe angenommen werden So zeigt sich dass im visuellen Bereich nicht die entsprechenden Lasersysteme Argon He Ne Rubin f r diese Anwendung zu finden sind Begr ndet ist dies durch die sehr gro en Eindringtiefen F r die Anwendung der Gewebefusion bei der Schichtdicken von ca 200um bis 800um erhitzt werden m ssen sollte der Spektralbereich zwischen 1um bis 3um die richtige Wellenl nge bereitstellen Aus der Auflistung zeigen sich der Diodenlaser mit 1470nm und einer Eindringtiefe von 0 75mm und der Ho YAG Laser mit einer Eindringtiefe von 0 2
33. 212 pa T 100 106 Realteil Q Imagin rteil Q Abbildung 58 links Vergleich der Abweichungen der gemessenen komplexen Impedanzen n 100 nach der Einpunktkalibration sowie der Dreipunktkalibration zur SOLL Impedanz Die drei Kalibrationsmesspunkte sind mit der roten Linie verbunden rechts Darstellung der prozentualen Abweichung n 100 der Dreipunktkalibration zu den SOLL Impedanzen In den gemessenen Impedanzwerten Real und Imagin rteil ist jeweils ein Impedanzoffset enthalten welcher durch den Aufbau des Messsystems bedingt ist Dieser elektrische Widerstand wird haupts chlich durch die ITO Schicht erzeugt und muss f r die Ermittlung der Gewebeimpedanz von den Messwerten subtrahiert werden Diese vektorielle Subtraktion ist in Abbildung 59 exemplarisch dargestellt Die Kurzschlussimpedanz spiegelt den elektrischen Widerstand des Messsystems wider und muss dementsprechend so genau wie m glich ermittelt werden Hierzu wird zwischen die Elektroden bzw zwischen die ITO Messfl chen eine kleine Menge NaCl 0 9 N hrl sung gegeben ohne jegliches Gewebe und den Stromkreis durch vertikales Herunterfahren der oberen Elektrode geschlossen Anschlie end wird die Kurzschlussimpedanz mittels des aufgebauten Messsystems ermittelt Diese Kurzschlussimpedanz ist haupts chlich abh ngig von der Maskierung der ITO Beschichtung und von der G te der ITO Kontaktierung mittels der Kabel Es stellt sich aber f r jeden Elektr
34. 3 wurde durch die Verwendung von Rattenschw nzen eine lasergest tzte Fusion von quasi reinem Kollagen Typ gt 90 erzeugt Dabei zeigen die Ergebnisse dass kovalente Verbindungen nicht vorhanden sind und somit auch nicht der Grund f r die Fusion sein k nnen Des Weiteren ist das Kollagen denaturiert Temperatur gt 60 C und zeigt keinerlei Spiralformigkeit Tripelhelix auf Trotz alledem k nnen auch Bass et al Gewebefusionen vorweisen welche offensichtlich durch die Art und Weise des Prozessverlaufs die Vorraussetzungen bieten dass auf biochemischer Ebene entsprechende festigkeitserzeugende Prozesse erzeugt werden k nnen Die Arbeiten von Tang et al 63 64 beschreiben die histologische und elektronenmikroskopische Untersuchung der Kollagenver nderung nach einer Laserbestrahlung 830nm Darin wird ein nicht kompletter Verlust der optischen Doppelbrechung bei polarisiertem Licht Polarisationsmikroskopie festgestellt was dementsprechend auf eine nicht vollst ndige Denaturierung deutet Durch die Elektronenmikroskopie konnte ebenfalls die End zu End Verbindung zweier Kollagenfasern nachgewiesen werden Es wird jedoch bezweifelt dass diese Verbindungsart der Hauptfaktor zur Erzeugung der Verbindungsfestigkeit ist Weiterf hrend dazu wird eine seitliche Verbindung zwischen den einzelnen Kollagenfasern vermutet welche sich in Form eines Ineinanderziehens darstellt Tang et al vermuten dass bei der Fusion von Arteriengewebe d
35. 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Regelung des Fusionsprozesses 600 A SE SE 2 Zende Abschaltkriterium 7 550 Impedanz gefiltert SOLL Impedanzsteigung N Umschaltgrenze er 450 Leistungspegel 400 amp oa oO Ogesamt Abschaltkriterium Impedanz Q w oO oO N a oO Leistungspegel W Zumschalt 200 Pinax DOW 60 15 40 100 max 100 Pegel max 80 Pegel 50 5s Zeitfenster bis Prozessende 20 4 2 3 4 5 6 7 8 9 0 n 4 Zeit s Abbildung 69 Erkl rung des geregelten Fusionsprozesses Anf nglich werden konstante 34W Leistung angelegt Die Regelung beginnt beim Erreichen der Umschaltimpedanz Zumschatt Welche abh ngig von der Startimpedanz Zstart ist Die erste Regelphase im Prozess 5s Zeitdauer kann den vollen Pegelbereich ausnutzen 100 Nach dieser Zeit wird eine Pegelbegrenzung von 80 eingestellt um sehr hohe Pegel nicht zuzulassen Innerhalb der Regelphase wird zum einen auf absolute SOLL Impedanzwerte welche durch die startimpedanzabh ngige Impedanzsteigung ermittelt werden geregelt oder aber auf das Einhalten einer SOLL Impedanzsteigung abh ngig von der Startimpedanz Als Prozessabschaltkriterium stehen sowohl das Erreichen einer startimpedanzabh ngigen Endimpedanz Zende als auch das Erreichen eines maximalen Energieeintrags Qgesamt ZU Verf gung Geregelt wird ausschlie lich auf die gefilterten Impedanzwerte rote Kurve Zur Au
36. 6 75 3005 Energieeintrag Abbildung 62 Darstellung der geplanten Parameterkombinationen zur Durchf hrung der Versuchsreihe 1 Um die Energieeintr ge von 200 und 400 zu erzeugen werden schnelle 30W ber 6 75 und 59W ber 6 75 und langsame 15W ber 13 3s und 30W ber 13 3s Charakteristiken untersucht Der Zentrumspunkt auch Center Point CP genannt ist mit 30W ber 10s definiert 116 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Aus dieser Versuchsplanung entstehen 5 verschiedene Parameterkombinationen welche jeweils mit n 5 Wiederholungen durchgef hrt werden Die Versuchsreihenfolge wird durch den Zufallsgenerator der DoE Software bestimmt Die sich so ergebene Versuchsanzahl von 25 wird durch die Variation der Fl chenpressung mit 0 2N mm 0 4 N mm und 0 6 N mm verdreifacht Zusatzlich soll dieser ganze Versuchsumfang jeweils mit schlachtfrischem und aufgetautem Gewebe durchgef hrt werden Damit umfasst der Gesamtversuchsumfang 150 Versuche Zur Bewertung der jeweiligen Gewebefusion wird die Sch lfestigkeit herangezogen Versuchsreihe 2 Untersuchung des Gewebeeinflusses auf den Impedanzverlauf bei konstanten Prozessbedingungen Da der zu entwickelnde geregelte Prozess auf die Impedanz als Feedbackgr e zur ckgreift muss eine Untersuchung durchgef hrt werden die Aufschluss ber einen m glichen Gewebeeinfluss auf den Impedanzverlauf gibt M glich ist dass aufgrund von unters
37. Arterienst cke werden direkt in NaCl 0 9 N hrl sung und auf Eis gelagert Dadurch soll der schlachtfrische Zustand so gut wie m glich konserviert werden Nach dem anschlie enden Transport des Probenmaterials zum Institut werden umgehend die Versuchsreihen gestartet welche sich ber mehrere Stunden verteilen W hrend der Zeit der Versuchsdurchf hrungen sind die brigen Proben weiterhin in der N hrl sung und auf Eis gelagert Abbildung 19 Arterienprobenst ck vom Schwein Das Probenst ck weist eine Vergr erung des Durchmessers von links nach rechts auf Durch die Teilung des Probenst cks in drei Teile k nnen diese in die jeweilige Gr enklasse eingeordnet werden Um einen Technologietransfer von der Fusion des Arteriengewebes hin zur Fusion von Darmgewebe siehe Aufgabenstellung Fokus der Gewebefusion an Arterien und Dickdarm durchzuf hren ist es ebenso wichtig die Frage der Probenbeschaffung zu kl ren Hierzu sollen Teile des Krausedarms der Spezies Schwein deutsche Landrasse ca 1 Jahr alt und 120kg schwer herangezogen werden Der Krausedarm des Schweins ist bez glich der physiologischen Funktion und der anatomischen Struktur vergleichbar mit dem Dickdarm Intestinum crassum des Menschen und kann deshalb f r Vergleichsstudien verwendet werden In der folgenden Abbildung 20 ist der Verdauungstrakt der Spezies Schwein schematisch dargestellt Darauf ist zu erkennen dass der Krausedarm zwischen dem engen Darm vg
38. Darauffolgend sinkt die Impedanz bis zu einem Minimum Zmin ab welches von der Regelung detektiert Detektion auf die Impedanzrohwerte wird Mit dem Zeitpunkt des Impedanzminimums kann ber die Laserleistung von 34W der bis dato erbrachte Energieeintrag Qmin in das Gewebe berechnet werden Bez glich der Gewebetemperatur kann diesem Zeitpunkt der Verdampfungsstart des Wassers im Gewebe zugeordnet werden Mit weiterer Bestrahlung konstant 34W des Gewebes steigt die Impedanz und die Temperatur bleibt konstant auf Wasserverdampfungsniveau Dieser Impedanzanstieg wird von der Regelung im Zeitbereich von 1s nach dem Impedanzminimum bis 1 55 nach Impedanzminimum aufgenommen Detektion auf die gefilterten Impedanzwerte Innerhalb dieser 0 55 langen Messphase werden jeweils f nf 100ms lange Messabschnitte gebildet in denen jeweils die Steigung ermittelt wird Um eventuellen Unregelm igkeiten bzw Impedanzeinbr chen keinen Einfluss auf die Steigungsermittlung zu geben wird aus diesen f nf Steigungsmesswerten der Median gebildet Nachdem die Impedanzsteigung amess ermittelt wurde kann durch diesen Wert und durch den Messwert des Energieeintrag bis zum Impedanzminimum Qyin die Wassermassenberechnung durchgef hrt werden Mittels der dann bekannten Wassermasse im Gewebe wird der Gesamtenergieeintrag als Prozessabschaltkriterium definiert Parallel zu dieser Berechnung wird ber die gemessene Impedanzsteigung Qmess die SOLL Impedanzsteigung definiert
39. Druckkraft die auf das Gewebe wirkt Einen Zeitversatz ergibt sich zu den Thermografiedaten da diese Messung manuell gesondert gestartet werden muss Der Temperaturverlauf wird im Nachhinein in der Datenaufbereitung zum Abschaltzeitpunkt des Generators Abschaltzeitpunkt im Verlauf der elektrischen Gr en gut zu erkennen synchronisiert Auf Grundlage dieser Prozessparameter soll der Gewebefusionsprozess untersucht und verstanden werden 2 1 3 Aufbau eines Pr fstandes zur Untersuchung der Berstdruckfestigkeit von Blutgef en arteria carotis vom Schwein Neben der grunds tzlichen Prozessuntersuchung gilt es mit Hilfe der Laborelektroden und der dadurch variabel einstellbaren Fl chenpressung eine optimale Gewebekompression zu ermitteln Es wird vermutet dass die Fl chenpressung ein wichtiger Prozessparameter 45 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom darstellt und die G te der Versiegelung bzw der Gewebefusion stark beeinflusst Um eine Qualit tsbewertung und Festigkeitsbewertung der Fusionsstelle vornehmen zu k nnen muss ein Pr fverfahren definiert und ein entsprechender Messaufbau geplant und aufgebaut werden Da in der Untersuchung der HF generierten Gewebefusionen ausschlie lich Blutgef e arteria carotis der Spezies Schwein verwendet werden ist eine Pr fung der Berstdruckfestigkeit bzw der Dichtigkeit der Versiegelung am sinnvollsten Dieses Pr fverfahren
40. Entwicklung von einfachen Nadeln mit denen unter Verwendung von Haaren oder Sehnen die ersten N hte erzeugt werden konnten Des Weiteren wurden ebenfalls sehr fr h vorhandene Blessuren mittels Feuer ver det um dadurch Blutungen zu stillen Zur Blutstillung generell wurden verletzte Blutgef e mittels verschiedenster Materialien abgebunden und dadurch verschlossen Eine spezielle Technik ist aus dem s dafrikanischen Raum bekannt Hier werden mittels gro er Ameisen die Wundkanten durch deren Bei werkzeuge aneinandergeklemmt Die gr te Bedeutung hat jedoch eindeutig die Naht mittels Nadel und Faden erlangt Im Verlauf der Geschichte haben sich sowohl die Nahttechnik als auch die Materialen zur Erzeugung einer Naht entwickelt und verbessert Zus tzlich verbesserte sich das Verst ndnis der biologischen Grundlagen zur Wundheilung was sich beispielsweise in dem Wissen ausdr ckt dass eine grundlegende Wunds uberung und desinfektion f r eine erfolgreiche Wundheilung Vorraussetzung ist 33 Das Verbinden von Gewebe ist auch heute im gesamten Bereich der Chirurgie eine immer noch aktuelle Thematik Der Anwendungsbereich erstreckt sich beispielsweise von der Dissektion der Resektion oder der Reparatur von gesch digten Organen ber das Schlie en der zuvor ge ffneten K rperzug ngen bis hin zu minimal invasiv chirurgischen Eingriffen MIC In allen F llen m ssen funktionierende und sichere Gewebeverbindungen erzeugt werden damit der Patie
41. Faktor von 0 1 erste vier Rubriken links bzw 0 4 mittleren vier Rubriken und zum anderen mit der vorher beschriebenen variablen Abh ngigkeit von Qmess zwei Rubriken rechts berechnet Als blaue Raute mit blauem Fehlerbalken ist die erzielte gemittelte Sch lfestigkeit aufgetragen Korrelierend dazu ist f r jede Rubrik als gr ner Stern die gemittelte Leistungspegeldauer ber 45W eingetragen So kann der Vergleich zwischen der G te der Fusion und der angesetzten SOLL Impedanzsteigung und der Energieeintragsweise Laserleistungspegel f r die jeweiligen Gewebe gezogen werden 163 200 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Sch lfestigkeit und prozentuale Angabe des Leistungspegels gt 45W 0 2 40 Sch lfestigkeit Leistungspegel gt 45W 0 175 0 15 30 A E 0 125 3 2 wt Pay A a 0 20 9 8 a 2 0 75 5 D N D anid 0 05 10 0 25 er 0 gt gt x h gt 0 T3 T4 T5 T6 Ti TZ T3 T4 T5 T6 a 01 a 0 4 a f mess mess mess Abbildung 82 Gemittelte Sch lfestigkeiten n 5 blaue Raute und blauer Fehlerbalken und der dazugeh rigen Auswertung bez glich des gemittelten Laserleistungspegels gt 45W n 5 gr ner Stern f r alle sechs Dickdarmgewebe unterschiedlicher Schweine T1 bis T6 Die ersten vier Rubriken links zeigen die SOLL Steigungsberechnung mit dem festen Faktor 0 1 Die mittleren vier Rubriken zeigen die SOLL Steigungsberechnung mit dem fe
42. Gewebe ITO Beschichtung Durch die Temperaturerh hung sinkt der spezifische Widerstand mit 1 6 K Dass das System somit einen sog Hei leiter bildet liegt an der immer h heren lonenbeweglichkeit bei steigender Temperatur Die Grenze des Impedanzabfalls und somit auch der maximalen lonenbeweglichkeit wird dann erreicht wenn die Verdampfung des Gewebewassers einsetzt Der sich daraufhin einstellende Impedanzverlauf ist von vielen m glichen Effekten im Gewebe abh ngig welche jedoch nicht im einzelnen im Prozessmodell ber cksichtigt sind Beispielsweise w ren punktuell im Gewebe auftretende Dampfblasen sowie das Herausschleudern von fl ssigen Gewebebestandteilen nur mit gro em Aufwand in eine Berechnung zu integrieren Die in dieser Arbeit gemachte N herung des Impedanzverlaufs sieht die Summe aller Effekte einschlie lich des durch die Verdampfung erzeugten Wasserverlusts in einer Variable vor Dieser Variable wird eine entsprechende Charakteristik aufgepr gt sodass die Impedanzverl ufe aus den Versuchen n herungsweise abgebildet werden k nnen Daraus ergibt sich die Erkenntnis dass die Impedanz bis zu einem Punkt ca 30 des Wasserverlusts innerhalb der Verdampfungsphase zun chst in Form einer Potenzfunktion wf bis w Charakteristik steigen muss Die vorher genannten dynamischen impedanzerh henden Effekte sind in dieser Phase sehr deutlich ausgepr gt und lassen die Impedanz entsprechend schnell steigen In dem anschlie en
43. Impedanzeinbruch in der Keeping Phase auch in Form eines Abfalls im Temperaturverlauf ab Erst durch das Erh hen der Leistung wird der Temperaturabfall abgefangen Anschlie end stellt sich der Temperaturverlauf bis zum Prozessende wesentlich verrauschter als bei den Arterienfusionen dar Dieser Effekt ist mit einem permanenten Verdampfen von Wasser aus 86 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom der Bildebene der Thermokamera verbunden Das hei t die Thermokamera registriert ein zyklisches Pulsieren von Dampfblasen welche zu solch einem Signal f hren Die thermografische Auswertung der Arterienfusionen zeigten diesen Effekt in diesem Ausma nicht Spannung Strom Impedanz Leistung vs Zeit Impedanz und Temperatur 5 1 0 Uo 612M nae Temperatur ROI E 0 9 il I I__ 5 2 A n Impedanz e jill V max 10 8 J h Z nax 240 9 100 oa 2 I 307 Y A N Ni Pmax 134 I Koh j ji M 3 Niih 5 Y my 0 6 WN W 75 N Wand 305 ij 5 v i v a Il Q it E04 j 5 50 nrl i AN i 803 P 7 f 4 N l 50 2 I i j Wh 25 Z IN PR Jul A fA 4 u N E01 4 J v oO AA j 5 ol o 1 0 8 10 0 1 2 3 4 7 8 Zeit s Zeit s Abbildung 45 links Darstellung der normierten elektrischen Gr en Strom Spannung Leistung und Impedanz eines exempla
44. L J Brown J T Lastre C Monma D Microvascular anastomosis using the milliwatt CO Laser Lasers in Surgery and Medicine 5 357 365 1985 Rabi Y Katzir A Temporal heating profile influence on the immediate bond strength following laser tissue soldering Lasers in Surgery and Medicine 42 425 432 2010 Reinoso R F Telfer B A Rowland M Tissue water content in rats measured by desiccation Journal of Pharmacological an Toxicological Methods 38 87 92 1997 228 Literatur 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Richter S Kollmar O Neunhoeffer E Schilling M K Menger M D Pistorius G Differential response of arteries and veins to bipolar vessel sealing Evaluation of a novel reusable device Journal of laparoendoscopic amp advanced surgical techniques 16 149 155 2006 Riegler M Cosentini E Update on LigaSure Atlas vessel sealing technology in general surgery European Surgery Springer Verlag 36 85 88 2004 Salameh J R Schwartz J H Hildebrandt D A Can LigaSure seal and divide the small bowel The American Journal of Surgery 191 791 793 2006 Sauer J S Hinshaw J R McGuire K P The first sutureless laser welded end to end bowel anastomosis Lasers in Surgery and Medicine 9 70 73 1989 Schober R Ulrich F Sander T D rselen H Hessel S Laser induced alteration o
45. Temperaturen bewerten zu k nnen Daf r ist wie in Kapitel 3 1 1 beschrieben eine Thermokamera im Laboraufbau integriert Die Bildebene der Thermokamera liegt auf den vorderen Planfl chen der Glaselektroden und damit ca 1 5mm vom Bestrahlungsspot axial verschoben bezogen auf die optische Achse der Thermokamera Insgesamt ist die Durchf hrung zur Thermografie analog zur Thermografie des HF Prozesses in Kapitel 2 2 3 Abbildung 73 zeigt ein Thermografiebild des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses unter der Regelung auf absolute Impedanzwerte Prozesszeitpunkt innerhalb der Wasserverdampfungsphase Anhand dieses exemplarischen Bildes soll die Position des ROI region of interest und des Gewebes veranschaulicht werden Die zwei inneren Kanten der Glaselektroden sind als gestrichelte Linie im Bild markiert Die u eren Elektrodenkanten k nnen aufgrund der begrenzten Bildausschnittgr e 7mm x 7mm nicht abgebildet werden die Gesamth he beider Glaselektroden betr gt 8 2mm Wie auch schon bei den Thermografien des HF Gewebefusionsprozesses wird die mittlere Temperatur des ROI ausgewertet Dieses wird mittig platziert sodass ausschlie lich der Bildbereich in die Auswertung einbezogen wird in dem das Gewebe liegt F r jedes Sequenzbild werden anschlie end alle Pixel des ROI gemittelt Mit dem Auftragen der Mittelwerte in chronologische Reihenfolge erh lt man einen gemittelten zeitlichen Temperaturverlauf am Ort des ROI 144 Ka
46. Versuchsreihe wird der Versuchsaufbau beschrieben in Kapitel 2 1 2 mit dem LigaSure Impact Instrument anstelle der Laborelektroden verwendet und es werden ausschlie lich Arterien arteria carotis der Spezies Schwein f r die Gewebefusion benutzt Insgesamt umfasst die Versuchsreihe 60 Versuche und stellt damit eine hohe Anzahl von Gewebefusionen zur Untersuchung des Prozesses dar Die elektrische Kopplung des Generators mit dem LigaSure Impact Instrument wurde wechselweise mit dem eigenen Instrumentenstecker LigaSure Impact und dem des LigaSure STD Instruments dem Generator wird der Anschluss des LigaSure STD Instruments simuliert umgesetzt Dies soll einen m glichen Regelungsunterschied des Generators feststellbar machen Um die unterschiedlichen Arteriengeometrien in der Prozessbeurteilung und Fusionsg tebewertung zu ber cksichtigen wurden Gr enklassen definiert Diese Gr enklassen beziehen sich auf den Au endurchmesser des Blutgef es welcher mittels einer Zylinderlehre Bohrungen bestimmter Durchmesser in einer PVC Platte bestimmt wurde Die Abstufungen der jeweiligen Gr enklassen sind nachfolgend in Tabelle 2 aufgelistet Hierbei basieren die Gr enklassen gro mittel und klein auf der Herstellerangabe um eine sichere Gewebefusion bis zu einem Durchmesser von 7mm 77 durchf hren zu k nnen Die Unterteilung dieses Bereiches von Omm bis 7mm Durchmesser in drei Untergruppen ist ein Kompromi
47. angeschlossen Position Nr 5 zeit den Kugelhahn zur Systementl ftung Abbildung 17 zeigt eine auf der Schlaucht lle fixierten Arterie vor der Berstdruckpr fung Bez glich des Drucksensors ist hinzuzuf gen dass dieser bis zu einer maximalen Signalspannung von 5V arbeitet was zu einer maximalen Druckanzeige von ca 700mmHg f hrt Bei diesem Druckniveau ist der Sensor in S ttigung Abbildung 16 Darstellung des Druckbeh lters zur Abbildung 17 Darstellung eines versiegelten Erzeugung des Berstdrucks der Blutgef e Blutgef es vor der Berstdruckpr fung 1 Druckbeh lter 2 Wasserschlauch 3 Luftdruckschlauch 4 Drucksensorschlauch 5 Kugelhahn 48 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom 2 1 4 Versuchsproben arteria carotis und colon vom Schwein und deren Pr paration Um den Gewebeversiegelungsprozess des ForceTriad Generators zu untersuchen muss festgelegt werden welche Gewebeart f r die Versuche verwendet wird Der ForceTriad Generator mit dem implementierten LigaSure Prozess und den dazugeh rigen Instrumenten z B LigaSure Imapact ist prim r zum Versiegeln von Blutgef en konzipiert Deswegen werden f r die Untersuchung des Prozesses in dieser Arbeit Arterien von der Spezies Schwein deutsche Landrasse ca 1 Jahr alt und 120kg schwer verwendet Die Versuchsreihen werden aufgrund der Vereinfachung und der Handhabung nicht in vivo sondern mit sch
48. auf die Fusionsg te zu untersuchen Dass f r den Fusionsprozess die Gewebegrenzfl chen miteinander in Kontakt sein m ssen ist selbstverst ndlich Doch gilt es herauszufinden ob sich bei einer bestimmten Druckkraft bzw Fl chenpressung auf die zwei Gewebeteile ein optimales Fusionsergebnis ergibt oder ob das Ergebnis unabh ngig von der Fl chenpressung ist Neben dieser Bewertung wird zus tzlich jeder Prozess bez glich dessen Temperatur ausgewertet Hierzu ist in den Versuchsaufbau eine Thermokamera integriert siehe Versuchsaufbaubeschreibung Kapitel 2 1 2 welche eine orts und 69 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom zeitaufgel ste Beurteilung der Prozesstemperatur erm glicht Planung und Durchf hrung der Versuchsreihe sind in Kapitel 2 1 5 Versuchsreihe 2 beschrieben Bez glich des Versuchsumfangs sind nachfolgend in Tabelle 5 die einzelnen Versuchsbl cke diese werden gebildet durch die einzelnen Druckkraftstufen und die Gr enklassen und deren jeweilige Versuchsanzahl aufgelistet Tabelle 5 Darlegung des Versuchsreihenumfangs Blockbildung zwischen den Druckkraftstufen und den drei Gr enklassen der Versuchsproben Die Versuchsgesamtanzahl betr gt 131 Versuche Druckkraft N 10 15 20 30 40 50 60 Summe Versuchsanzahl Gr enklasse klein 4 7 7 6 0 0 0 gt 24 Gr enklasse mittel 0 9 1
49. beschreibt in der Medizin den Standard einer Dichtigkeits und Druckpr fung 6 Es wird somit gepr ft bei welchem Druck die Gef versiegelung aufplatzt bzw undicht wird Um einen Vergleichswert bzw einen Richtwert der Mindestdruckfestigkeit von Arterien festzulegen wird der systolische Blutdruck im menschlichen K rper herangezogen Dieser wird bei medizinischen Untersuchungen mit 120mmHg mm Quecksilbers ule angegeben Eine sichere Verbindung des Gewebes wird angenommen wenn das dreifache des systolischen Blutdruck 360mmHg erreicht ist Dieser Mindestwert ist auch in den Untersuchungen von Kennedy et al 29 beschrieben Der Aufbau zur Pr fung der Berstdruckfestigkeit von Blutgef en ist in Abbildung 15 schematisch dargestellt Die Druckbeaufschlagung innerhalb des Gef es wird durch einen steuerbaren Wasserdruck generiert Der Vorteil gegen ber dem Medium Luft ist die Inkompressibilit t von Wasser sowie das direkte Erkennen von Leckagen austretendes Wasser Im Zentrum des Aufbaus steht ein geschlossener Beh lter 4 welcher mit drei Zug ngen bzw Anschl ssen versehen und zu ca 70 mit Wasser gef llt ist Zum einen ragt ein Steigrohr 5 mit einem Durchmesser von 10mm von au en in das Gef bis kurz vor dessen Boden An diesem Steigrohr ist au en ein Schlauch 8 befestigt welcher ca 1m senkrecht in die H he f hrt und am Ende an einem Stativ befestigt ist An diesem Schlauchende ist eine Schlaucht lle 7 integriert
50. der HF Prozess unter Verwendung der LigaSure Impact Zange die Arterien mit mehr als ausreichender Festigkeit miteinander 181 Kapitel 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz fusioniert Folglich zeigt die Sch lfestigkeit der Arterienverbindung einen Festigkeitsbereich welcher auch f r Dickdarmfusionen als erstrebenswert gilt Das Ergebnis dieser Untersuchung ist nachfolgend in Abbildung 94 dargestellt Darin ist jeweils der Mittelwert mit Standardabweichung der sechs Gewebekombinationen Rubriken aufgetragen Die geringste Sch lfestigkeit mit 0 04 0 016N mm n 7 zeigt die HF Fusion ausschlie lich mit Dickdarmgewebe Im Vergleich dazu weisen die Fusionen von Rindernackenband 1 6 0 075N mm n 3 sowie die Fusionen von Lyoplantproben 0 6 0 16N mm n 9 au ergew hnlich hohe Sch lfestigkeiten auf Dieser Sch lfestigkeitsbereich ist in den bisherigen Sch lfestigkeitspr fungen nicht einmal ansatzweise erreicht worden und zeigt damit den erheblichen Einfluss des Gewebeinhalts von Kollagen und Elastin Dieser Einfluss best tigt sich bei der Zugabe von Lyoplant in die Dickdarmversiegelungsstelle 0 234 0 091N mm Im Vergleich zur Fusion mit Dickdarm ohne Zusatz erh ht sich die Schalfestigkeit um den Faktor 5 85 und damit etwa auf das Doppelte von der Arterienschalfestigkeit 0 111 0 037N mm Im Falle des Elastinzusatzes zum Dickdarmgewebe 0 109 0 032 erh
51. der beiden zu fusionierenden Gewebeteile sich die gegen berliegenden Fasern miteinander verbunden hatten Die Fusionsfestigkeit ist in dieser Untersuchung nicht bewertet worden jedoch wird angegeben dass diese Art der Verbindung eine Haftwirkung beider Gewebeteile aneinander erzeugt Zus tzlich wird auf den Einfluss des Energieeintrags hingewiesen der im Falle einer massiven Koagulation gro er Energieeintrag zu einer amorphen Masse vor allem in der Media f hrt in der keine faserartigen Strukturen erkennbar sind und die dementsprechend geringere Festigkeiten vorweisen m sste Schober et al 53 untersuchten histologisch und elektronenmikroskopisch die durch lasergest tzte Gewebeerw rmung erzeugten Kollagenver nderungen in Arterien In der Arbeit wird beschrieben dass durch den Energieeintrag die Kollagenfibrillen sich im Durchmesser vergr ern Des Weiteren trennten sich subfibrill re Strukturen aus der Fibrille heraus was eine Verzahnung zwischen den einzelnen Fibrillen erzeugte Diese Verzahnung der Kollagenfibrillen untereinander wird in dieser Untersuchung als Haftmechanismus angesehen Eine weitere Studie von White et al 73 zeigte eine lasergest tzte 31 Kapitel 1 Einleitung Arterienfusion Argonlaser welche unterhalb der Denaturierungstemperatur von 60 C arbeitet und histologisch direkte Kollagen Kollagen sowie Kollagen Elastin Verbindungen im Fusionsbereich hervorruft In einer Untersuchung von Bass et al
52. deutlich zwischen den magentafarbenen SOW mit 6 7s und den gr nfarbenen 15W mit 13 3s Verl ufen zu erkennen In diese Abh ngigkeit sortieren sich die Leistungsverl ufe mit 30W mittig ein Dieser Einfluss der Leistung auf den Impedanzverlauf ist unabh ngig von der Fl chenpressung und des Gewebezustands in hnlichem Ma e vorhanden Bez glich der Startimpedanz Impedanzwert zum Zeitpunkt Os liegen alle Proben im Bereich von 1000 4500 Im Vergleich zwischen den Impedanzverl ufen von aufgetautem und frischem Gewebe mit jeweils 0 4N mm zeigt sich ein deutlich geringeres Startimpedanzniveau f r das aufgetaute Gewebe zwischen 1000 2000 im Vergleich zu 1800 4500 Dieser Unterschied zeigt sich jedoch im Vergleich von den zwei Gewebezust nden bei 0 2N mm nicht Hier wird in beiden Versuchsbl cken eine Startimpedanz zwischen 1000 2200 gemessen Das Startimpedanzniveau in dem Versuchsblock mit 0 6 N mm liegt in einem hnlichen Bereich von ca 1000 2600 125 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Impedanz Q 0 4N mm 2 Fl chenpressung aufgetautes Gewebe 1200 1000 800 30W 6 7s 200J 600 59W 6 75 400J 30W 13 35 400J 15W 13 3s 200J 30W 10s 300J 6 8 12 14 Zeit s 0 4N mm 2 Fl chenpressung frisches Gewebe 1000 30W 6 75 200J 900 59W 6 75 400J 30W 13 3s 400J 800 15W 13 3s 200J yw 30W 10s 300J Mu 700 iA ij F g i yi dh va amp 600 i a AY po Wai
53. die L nge gezogen werden bis die entsprechende Gesamtenergie appliziert ist Es muss also zum Prozessanfang eine Gewebecharakterisierung erfolgen damit der Regelprozess in der richtigen Art und Weise die Fusion erzeugt Diesbez glich k nnte zun chst die Startimpedanz verwendet werden Die in Tabelle 19 im Anhang A5 aufgelisteten Sch lfestigkeitsmittelwerte weisen teilweise eine hohe Standardabweichung auf Dies zeigt dass innerhalb der jeweils f nf Versuche auch mindestens eine Fusion mit geringer Festigkeit erzeugt wurde Um solche Ausrei er zu vermeiden und damit die Reproduzierbarkeit des Prozesses zu erh hen soll der geregelte Prozess im Gegensatz zu einem Prozess mit konstanter Leistung auf eventuelle Prozessunregelm igkeiten reagieren k nnen und dadurch die erstrebte reproduzierbare Sch lfestigkeit garantieren 3 2 4 Versuchsreihe 3 Definition des ersten Regelprozesses und Untersuchung des Einflusses der Regelart absolute Impedanzwerte oder Impedanzsteigung auf den Prozess Mit den Erkenntnissen aus den zwei zuvor durchgef hrten Versuchsreihen wird eine erste Prozessregelung definiert Au erdem wird auf das Wissen ber den Regelablauf des HF Fusionsprozesses zur ckgegriffen Darin wird der Fusionsprozess anf nglich gesteuert und erst nach dem Prozessereignis des Impedanzumschlags auf eine Reglung umgeschaltet siehe die Prozessbeschreibung in Kapitel 2 2 2 Dies bewirkt dass bei jedem Prozess die 133 K
54. durch Bet tigung des integrierten Messers das Gewebe mittig trennen Bei negativer Bewertung sind die Fehlermeldungen im Display des Generators zu beachten Abbildung 22 zeigt vier Fotos unterschiedlicher Prozessstadien Bild 1 zeigt das Positionieren der Arterie zwischen den Zangenbranchen Anschlie end wird die Zange geschlossen und das Gewebe mit Druck beaufschlagt Bild 2 Der Start der Verdampfung des Gewebewassers ist in Bild 3 dargestellt In Bild 4 ist das versiegelte Blutgef nach dem Prozess abgebildet Fusionsstellen Abbildung 22 Darstellung der qualitativen Prozessbeobachtung 1 Einlegen der Arterie in die Instrumentenzange 2 Geschlossenes Instrument zum Prozessstart 3 Zeitpunkt des Verdampfungsstarts zu sehen ist der austretende Wasserdampf 4 Versiegeltes Blutgef nach dem Prozess 59 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom 2 2 2 Versuchsreihe 1 Darstellung der elektrischen Prozessgr en Diese Versuchsreihe 1 zielt auf die Untersuchung der elektrischen Prozessgr en Strom Spannung Leistung und Impedanz siehe Versuchsbeschreibung der Versuchsreihe 1 im Kapitel 2 1 5 Die elektrischen Messgr en Strom und Spannung sowie die daraus berechnete Leistung und Impedanz sind in Abbildung 23 an einem exemplarischen Versuch dargestellt An diesem Beispielversuch Arterie der Gr enklasse gro positive Generatorbewertung nach dem Proz
55. f r einen Sch lfestigkeitswert geben der eine hohe Berstdurckfestigkeit garantiert Diesbez glich wurden 5 Arterien mittels des ForceTriad und der LigaSure Impact Zange fusioniert und anschlie end auf deren Sch lfestigkeit gepr ft F r diese Festigkeitspr fung muss zuerst die Arterie in L ngsrichtung auf zwei Seiten ge ffnet werden sodass zwei durch die Fusionsstelle miteinander verbundene Gewebestreifen entstehen Die gemittelte Sch lfestigkeit dieser HF erzeugten Arterienfusionen ist im Balkendiagramm rechts in gelb aufgetragen und zeigt einen Wert von 0 111 0 037N mm Dieser liegt geringf gig ber den Sch lfestigkeiten der lasererzeugten Dickdarmfusionen mit 30W und 13 3s bei 0 4N mm f r frisches Gewebe Alle Sch lfestigkeiten sind zus tzlich in Tabelle 18 im Anhang A4 aufgelistet Auswertung der Sch lfestigkeit Mittelwerte n 5 BE o 2N mm aufgetaut Eo 4N mm aufgetaut BEo snmm aufgetaut Io 2N mm frisch 0 4N mm frisch 42 Arterien mittel HF Prozess 0 16 0 14 0 Sch lfestigkeit N mm O O Ro ka O oO oO gt o O D oO 30W 6 7s 59WI6 7s 30W 13 3s 15W 13 3s 30W 10s HF Abbildung 66 Darstellung der gemittelten Sch lfestigkeiten n 5 f r alle Parameterkombinationen Die zus tzliche Angabe der Sch lfestigkeit von HF generierten Arterienversiegelungen ForceTriad und LigaSure Impact Instrument dient zum Vergleich und zur Einordnung der anderen Sch lfestigke
56. finden und erm glicht dem Tier eine kr fteschonende Haltung bei der Nahrungsaufnahme Aufnahme der Zugkr fte die durch das Herabsenken des Kopfes erzeugt werden Das Vorhandensein von elastischen Fasern im Rindernackenband wurde schon von Dettmer 12 mittels Elektronenmikroskopie nachgewiesen Des Weiteren wird das Ligamentum nuchae ebenfalls f r Untersuchungen mit elastischen Fasern von Kewley et al 30 und Jones et al 28 verwendet F r die Experimente wurde das Rindernackenband am Schlachttag frisch beim Metzger entnommen Bei der direkt folgenden Pr paration fallen die elastischen Eigenschaften unmittelbar auf Das Schneiden des Probenst cks siehe Abbildung 93 links in d nne Streifen ca Imm bis 1 5mm dick erweist sich als schwer Das Gewebe verh lt sich sehr hnlich zu Gummi und l sst nur bedingt einen genauen Schnitt zu Trotz alledem k nnen Probenstreifen herauspr pariert werden die im Anschluss f r Fusionen verwendet werden Die Verbindung zweier Rindernackenbandstreifen zeigt die rechte Abbildung 93 Auf diesem 180 Kapitel 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz Foto sind die zwei Fusionsstellen erzeugt durch das LigaSure Impact Instrument deutlich erkennbar Abbildung 93 links Foto eines Teilst cks des Rindernackenbandes Aus diesem Teilst ck werden zwei gleichgro e Streifen ca 1mm bis 1 5mm dick geschnitten welche f
57. garantiert einen konstanten bergangswiderstand der Kontaktierung Die restliche Kupfergewebelitze ist zur Isolierung mit einem Schrumpfschlauch versehen worden siehe Abbildung 51 100 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses D97 r 5 amp 1 25 INOX Abbildung 51 Fotografie der fertigen Elektroden Links ist die obere transparente Elektrode und rechts die untere verspiegelte Elektrode dargestellt Die Anordnung beider Elektroden zueinander muss so realisiert sein dass die obere Elektrode die maximal m gliche Breite von 24mm zur Generierung der Fl chenpressung nutzt Zus tzlich ist f r die Impedanzmessung eine genaue vertikale Ausrichtung beider ITO Messbereiche zueinander wichtig Des Weiteren sollten die ITO Kontaktierungsbereiche nicht im Gewebekontakt sein obwohl diese durch das Auftragen des Klebstoffes elektrisch isoliert sind Abbildung 52 zeigt auf der linken Seite die Anordnung in einer CAD Darstellung Beide ITO Messbereiche sind vertikal zueinander fluchtend sodass der Stromfluss f r die Impedanzmessung in direkter Weise durch das Gewebe erfolgt Die Kontaktierungsfl chen liegen frei und werden nicht durch die jeweilig andere Elektrode beeinflusst Die Integration der Elektroden in deren Halterung ist in der rechten Abbildung dargestellt Die obere Elektrode wird in einer U f rmigen Halterung aus schwarz eloxiertem Aluminium gefasst welche mittig f r die Laserbestr
58. gegen berliegenden Elektrode flie en zu lassen Die Geometrie der Passivierungsschicht aus SiO2 sowie die beider kompletten Elektroden ist in Abbildung 50 dargestellt Die maskierte Passivierungsschicht ist so gew hlt dass der Messstrom ausschlie lich von einem Kontaktierungsbereich hin zu einem kreisrunden Messbereich Durchmesser Amm flie en kann von dem aus der Strom in das Gewebe eingekoppelt wird Der Vorteil der Passivierung ist dass bei jeder Gewebefusion immer eine gleich gro e mit ITO beschichtete Fl che mit Gewebe bedeckt ist und so das elektrische Messfeld konstant ist Floatglas 3mm Floatglas 1 1mm Klebstoff ITO Schicht ossee o e e ITO Schicht Floatglas 1 1mm Silberschicht Floatglas 3mm Abbildung 49 Schematische Darstellung der einzelnen Schichten zum Aufbau der Elektroden Zus tzlich ist schematisch die Laserbestrahlung sowie deren Reflexion an der Silberschicht und der Stromfluss zur Impedanzmessung zwischen den beiden ITO Messbereichen eingezeichnet Die Zeichnung ist nicht ma stabsgetreu Ohne die Passivierung w re der elektrische Systemwiderstand abh ngig von der mit Gewebe bedeckten ITO Fl che Die Dicke der Passivierungsschicht betr gt Sum Damit der Wirkungsgrad der Gewebeerw rmung erh ht wird ist innerhalb der unteren Elektrode eine Silberschicht zur Reflexion der Laserstrahlung integriert Diese Silberschicht ist vor der Verklebung der Gl ser auf die Unterseite des 1 1mm
59. groR STD 70 200 g z 60 2 150 w 50 v o c c wi F 40 I 100 u aol 50 20 10 Zeit Is s P E_gesamt E Heating j Abbildung 30 links Energieeintr ge gezeigt am Beispielversuch rechts Auswertung der Energieeintr ge der Versuchsreihe 67 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Zeiten Mittelwerte n 15 der charakteristischen Prozessstufen Wi Gr enklasse mittel Impact Instrument 6 5 Wi Gr enklasse gro Impact Instrument 6 E Gr enklasse mittel STD Instrument 5 5 Gr enklasse gro STD Instrument Mi t_Sensing t_Heating t_Keeping t_gesamt Abbildung 31 Auswertung der Prozesszeiten der Versuchsreihe In Tabelle 15 im Anhang A1 sind alle Mittelwerte und Standardabweichungen f r diese Auswertung des Gewebefusionsprozesses mittels HF Strom aufgelistet Interpretation der Ergebnisse Die Ergebnisse der Auswertung k nnen folgenderma en interpretiert werden In der Sensing Phase wird grunds tzlich eine Leistung von 5W f r eine Zeitdauer von 100ms appliziert Dies belegen die Mittelwerte und die geringen Standardabweichungen der Leistungsprofilauswertung siehe Abbildung 27 und Abbildung 28 sowie Tabelle 15 im Anhang A1 Die Leistung fungiert somit als Steuergr e Durch das Anlegen eines konstanten Leistungsniveaus kann eine Bewertung der sich einstellenden Impedanz durchgef hrt werden Sensing der Impedanz Die I
60. ht sich die Sch lfestigkeit um den Faktor 2 72 verglichen mit der Sch lfestigkeit von Dickdarmfusionen und liegt damit im Bereich der Arterienversiegelungen Die Ergebnisse zeigen einen eindeutigen Einfluss vom Kollagen und Elastingehalt des Gewebes auf die Festigkeit der Verbindungsstelle und erkl ren damit die vorhandene Standardabweichung bzw die Festigkeitsstreuung der lasergest tzten Dickdarmfusionen Wahrscheinlich variiert der Kollagen und Elastingehalt im Dickdarm und ist damit verantwortlich f r unterschiedliche Sch lfestigkeitswerte Die lasererzeugten Dickdarmfusionen zeigen im Vergleich einen Sch lfestigkeitsmittelwert welcher im Bereich der HF erzeugten Dickdarm mit Elastin Zusatz Fusionen sowie der HF erzeugten Arterien Fusionen liegen Folglich erzeugt der lasergest tzte Prozess festere Dickdarm gewebefusionen als der HF Fusionsprozess des ForceTriad Generators 182 Kapitel 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz Vergleich der Schalfestigkeiten beim Zusatz von Kollagen Lyplant bzw Elastin Rindernackenband 1 8 T T T T 1 6 5 n 3 1 4 oO ah w DS Sch lfestigkeit N mm oO D n 9 oO gt 02 In n 5 n 5 n 7 DD DD Elastin Arteie DD Lyoplant Lyoplant Elastin oO Abbildung 94 Gemittelte Sch lfestigkeiten f r Fusionen verschiedener Gewebezusammensetzungen Alle HF Gewebefusionen sind mit d
61. im Impedanzverlauf markiert Aus dem Zeitpunkt des Impedanzminimums t Zmin und der konstanten Leistung von 34W in dieser Prozessphase kann der bis dahin geleistete Energieeintrag berechnet werden Qzmin Zur Messung der Impedanzsteigung nach dem Impedanzminimum werden f nf 100ms Abschnitte die direkt aufeinander folgen ausgewertet Der erste Messabschnitt beginnt 1s nach dem Impedanzminimum was dazu f hrt dass die Messphase 1 55 nach dem Impedanzminimum beendet ist siehe Detaildarstellung in Abbildung 75 rechts Aus den daraus gewonnenen f nf Steigungswerten wird der Median gebildet Der Median verhindert im Gegensatz zum Mittelwert eine Beeinflussung der Steigungsbewertung durch eventuelle einzelne Impedanzeinbr che 149 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Abbildung 75 zeigt exemplarisch drei unterschiedliche Impedanzverlaufe welche durch die unterschiedlichen Gewebeeigenschaften erzeugt werden Der gr n dargestellte Impedanzverlauf zeigt ein fr hes Impedanzminimum welches dementsprechend durch einen geringen Energieeintrag erreicht wird Darauf folgt ein sehr steiler Impedanzanstieg welcher das Impedanzverlaufpotential dieses Gewebes wiederspiegelt Der rot dargestellte Impedanzverlauf zeigt ebenfalls ein fr hes Minimum weist aber einen sehr flachen Impedanzanstieg auf Dementsprechend ist das Impedanzsteigungsverm gen bez glich des weiteren Verlaufs geringer worauf die SOLL Steigung f
62. negative Temperaturabh ngigkeit der elektrischen Gewebeleitf higkeit Hei leiter Ab dem Impedanzminimum Siedetemperatur liegt eine Verlaufscharakteristik in Form einer Potenzfunktion x bzw x vor welche die dynamische Wasseraustreibung durch heftige Dampfentwicklung beschreibt Nach dem Verlust von ca 30 des Wasseranteil wechselt der Impedanzverlauf in eine lineare Charakteristik und zeigt dadurch den in dieser Phase stetigen aber moderaten Wasserverlust bis zum Prozessende Die in dieser Arbeit durchgef hrten HF Dickdarmfusionen mit Zugabe von Lyoplant als Kollagenersatz und Rindernackenband als Elastinersatz in die Fusionsstelle best tigen die in der Literatur beschriebene Festigkeitsabh ngigkeit der Verbindung von diesen Inhaltsstoffen Die Sch lfestigkeit der HF Dickdarmgewebefusion erh hte sich bei Zugabe von Lyoplant um den Faktor 5 9 bzw um den Faktor 2 bezogen auf die Sch lfestigkeit von HF Arterienversiegelungen 223 Kapitel 8 Zusammenfassung Der aufgezeigte starke Einfluss des Kollagens k nnte die Sch lfestigkeitsstandardabweichung von 0 02N mm der lasergest tzten Dickdarmfusionen erkl ren und dadurch einen Prozessoptimierungsbereich aufzeigen Weiteres Optimierungspotential weist die Minimierung der Energieverluste auf was eine Verbesserung des Prozesswirkungsgrades bewirken w rde In weiteren Schritten gilt es den Prozess auf einer linearen Versiegelung eines kompletten Dickdarmst cks so
63. r die Regelungsphase angepasst werden muss Eine mittelsteile Impedanzsteigung erzeugt das Gewebe mit dem Blau dargestellten Impedanzverlauf Das Impedanzminimum wird zu einem sp teren Zeitpunkt erreicht wodurch somit mehr Energie bis zu diesem Zeitpunkt appliziert wurde Exemplarische Darstellung verschiedener Impedanzverlaufscharakterisitiken Exemplarische Darstellung verschiedener Impedanzverlaufscharakterisitiken durch unterschiedliche Gewebeeigenschaften durch unterschiedliche Gewebeeigenschaften 1000 Dickdarmgewebe 1 en el 350 Dickdarmgewebe 1 900 Dickdarmgewebe 2 gt a Dickdarmgewebe 2 Dickdarmgewebe 3 f i 800 i g f 300 Dickdarmgewebe 3 700 N a oO 600 g N N z N dZ dt F G ce amp 500 se q 3 3 200 3 went 3 ra E 400 ei E Pa 300 Bi 150 Zimin A s 200 i ir Sag XL mm 100 Aai 100 er gt E 2 6 8 10 12 14 0 05 1 15 2 25 3 Zeit s Zeit s Abbildung 75 Darstellung drei exemplarischer Impedanzverlaufscharakteristiken Die Verl ufe sind beeinflusst durch unterschiedliche Gewebeeigenschaften Die Charakterisierung des Gewebes erfolgt durch die Detektion des Impedanzminimums Markierung als schwarzer Stern und dem daraus folgenden Energieeintrag bis zu diesem Zeitpunkt und durch das Messen der Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis DIS Zmin zs als schwarze Linie markiert links Darstellung der gesamten Impedanzverl ufe rechts Detaildarstellung der Impedanzverl ufe Um das Potentia
64. so ist keine Abh ngigkeit vorhanden In allen drei Gr enklassen sind positive Abh ngigkeiten ber die Berechnung der Korrelationskoeffizienten festgestellt worden klein 0 47 mittel 0 51 gro 0 48 F r Proben der Gr enklasse gro zeigt sich klar dass eine Fl chenpressung von gt 1N mm die Berstdruckfestigkeit noch leicht erh ht und zus tzlich die Ausrei er mit geringen Festigkeiten vermeidet Ein hnliches Bild zeigt sich f r die Gr enklasse mittel und klein in denen ebenfalls keine Versiegelungen mit sehr geringen Festigkeiten f r eine Fl chenpressung gt 1N mm generiert werden Im Gegensatz zu der Gr enklasse gro k nnen jedoch auch sehr gute Festigkeiten bei geringeren Fl chenpressungen erzielt 0 7N mm 0 8 N mm aber mit Ausrei ern nach unten Diese 73 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Auswertung verdeutlich zus tzlich zu den Darstellungen zuvor dass die Festigkeiten der Gr enklasse gro im Mittel geringer sind als bei den zwei kleineren Gr enklassen Abh ngigkeit des Berstdrucks von der Gewebefl chenpressung 700 A m 600 500 Berstdruck mmHg 200 N e Koeffizient klein 0 47 Koeffizient mittel 0 51 Koeffizient gro 0 48 8 2 0 4 0 6 0 8 1 t2 1 4 1 6 Gewebefl chenpressung N mm Abbildung 35 Auftragen der Berstdruckfest
65. ufe mit 0 2N mm und frischem Gewebe 126 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Der Impedanzverlauf nach dem Minimum erfolgt zunachst immer in einem glatten Anstieg welcher jedoch ab einem bestimmten Punkt verrauschter wird bzw Unregelm igkeiten aufweist Zus tzlich zeigt sich ab diesem Punkt ein leichtes Abknicken der Verl ufe die Steigung wird geringer vor allem sichtbar bei den Verl ufen mit 0 2N mm aufgetaut 0 6 N mm aufgetaut sowie bei 0 4N mm frisch Die Messwertausrei er in den Impedanzverl ufen des Versuchsblocks mit 0 6N mm und aufgetautem Gewebe sind bedingt durch eine defekte ITO Schicht innerhalb der kreisrunden Messflache Diese zeigte im Nachhinein einen Riss welcher wahrscheinlich die Impedanzunregelm igkeit verursacht hat Der Impedanzverlauf an sich ohne die Messwertausrei er ist jedoch vertrauensw rdig Beschreibung der Sch lfestigkeiten Die Darstellung der Sch lfestigkeitsmittelwerte n 5 sowie der Standardabweichungen ist in Abbildung 66 zu sehen Darin sind die aufgetauten Gewebe mit den Farben rot blau und gr n gekennzeichnet Die frischen Gewebe haben die Balkenfarbe magenta und wei Zun chst ist deutlich die niedrigere Sch lfestigkeit der Fusionen mit 0 6N mm gr ne Balken in Vergleich zu den Fusionen mit 0 2N mm rote Balken und 0 4N mm blaue Balken im Bereich der aufgetauten Gewebe zu erkennen Grund f r die Nichtber cksichtigung dieser Fl
66. und der unteren Elektrode liegen parallel und konzentrisch zueinander sodass ein direkter Stromfluss von den ITO Messfl chen durch das Gewebe erzielt wird Es entsteht somit in vereinfachter Weise ein elektrischer Leiter aus biologischem Gewebe mit dem Durchmesser von 4mm und einer L nge von hgewebe Gewebedicke Dieser ist schematisch als Zylinder in der rechten Abbildung dargestellt untere Elektrode __ Gewebe _ obere Elektrode ug 24 TO Messfl che Abbildung 100 Schematische Darstellung Elektroden Gewebe Systems mit eingezeichneter ITO Messfl che siehe linke Draufsicht In der rechten isometrischen Darstellung ist der Stromfluss durch das Gewebe als Zylinder schematisch gekennzeichnet Der elektrische Leiter besteht aus biologischem Gewebe und wird in N herung als quasi homogen angenommen Tats chlich wird der Strom den Weg des geringsten elektrischen Widerstands innerhalb der Leiterquerschnittfl che nehmen Zus tzlich wird dieser sich durch die Gewebeerw rmung dynamisch ber den Prozess ndern Die generelle elektrische Leitf higkeit von biologischen Weichgeweben ist zur ckzuf hren auf den elektrolytischen Effekt Durch den Wasseranteil der im Gewebe Zytosol sowie der Fl ssigkeitsanteil in der extrazellul ren Matrix vorhanden ist wird den darin gel sten lonen die M glichkeit gegeben als Ladungstr ger zu fungieren und damit den Strom durch das Gewebe zu leiten Durch Wasser
67. und dessen Eigenschaften sowie der Art der Wunde bzw Verletzung und welche Funktion der Gewebeverbund einnehmen soll So kann am Beispiel der Darmanastomose bez glich der Anzahl der Nahtreihen einreihig oder zweireihig der Anzahl der Gewebeschichten f r die Naht der Nahttechnik kontinuierliche Naht oder unterbrochene Naht der Gewebeadaptionstechnik und des Nahtmaterials variiert werden 40 Jedes Material und jede Technik muss f r die richtige Anwendung bestimmt und ausgew hlt werden Ein Nachteil der konventionellen Nahtverbindungen ist die Einbringung von Fremdk rpern in Form von F den in den K rper Dies kann zu Infektionen und Entz ndungen f hren Des Weiteren sind Nahtverbindungen nicht kontinuierliche Verschl sse da lediglich die Gewebepartner durch die F den aneinanderfixiert sind Das beinhaltet stets das Risiko einer Insuffizienz Ein weiterer Nachteil der konventionellen Nahttechnik ist der hohe Zeitaufwand 3 Kapitel 1 Einleitung zur Erzeugung einer Naht besonders bei MIC Eingriffen 40 42 Eine Weiterentwicklung der konventionellen Nahttechnik stellen die Klammernahtger te Stapler dar Diese Ger te setzen beim einmaligen Ausl sen durch den Benutzer mehrreihige Titanklammern in die zuverbindenden Gewebeteile und erzeugen damit einen Verbund Auf dem Markt sind lineare und zirkul re Ger te erh ltlich So kann mit einem zirkul ren Klammernahtgerat in kurzer Zeit eine End zu End Anastomose zirkul res a
68. verbleibende Varianz ist wahrscheinlich auf unterschiedliche Gewebebedingungen zur ckzuf hren Da bis heute der Gewebefusionsprozess auf der biologischen Ebene im Detail nicht bekannt bzw nicht verstanden ist aber die Temperatur und die Austrocknung des Gewebes im Prozess die Ausl ser biochemischer und oder biomechanischer Prozesse sind liegt es nahe dass bei einem Mangel an bestimmten 215 Kapitel 6 Diskussion Inhaltsstoffen Stoffe die f r die Fusion wichtig sind generell nur geringere Fusionsfestigkeiten m glich sind Wie schon in der Einleitung beschrieben deuten verschiedene Studien aus der Literatur auf eine Schl sselrolle des Kollagens hin Durch Mikroskopieuntersuchungen sind strukturelle Modifikation des Kollagens festgestellt worden welche durch verschiedene Effekte Aufspaltung der Prim rstruktur Fibrillendurchmesservergr erung Kollagenmolek lketten die aus der parallelen Sekund rstruktur herausragen direkte Verbindung zweier Fibrillen oder Armorphisierung der gesamten Kollagenmasse m glicherweise die Haftwirkung erzeugen Die Ergebnisse aus der Versuchsreihe siehe Kapitel 4 in der Kollagen Lyoplant sowie Elastin Rindernackenband als Zusatz in die Fusionsstelle eingebracht wurden zeigen eine deutliche Abh ngigkeit der Sch lfestigkeit vom Anteil dieser Zus tze So konnte durch Zugabe von Lyoplant die Sch lfestigkeit der HF Dickdarmfusion um den Faktor 5 85 auf 0 234 0 091N mm und durch Z
69. von au en bestrahlt schnellstm gliches Erreichen der SOLL Temperatur von 75 C Im zweiten Schritt wurde auf die zirkul re Naht von au en fl ssiges Albumin 13 Kapitel 1 Einleitung aufgebracht welches ebenfalls in gleicher Weise bestrahlt wurde und so eine zus tzliche Festigkeit der Gewebeverbindung ergab Insgesamt wurde eine gemittelte Berstdruckfestigkeit von 170mmHg direkt nach der Prozedur erzielt welche im Vergleich einer konventionellen Nahttechnik Mittelwert 83mmHg wesentlich h her liegt Die Festigkeit einer Darmverbindung durch diese beschriebene Technik konnte Kazir 47 in einer weiteren Untersuchung erh hen Darin wurden zwei unterschiedliche Erw rmungsprofile linear definierte Erw rmung oder schnellstm gliche Erw rmung auf eine SOLL Temperatur mit variierenden SOLL Temperaturen 60 C bis 150 C getestet So ist bei beiden Temperaturprofilarten eine Erh hung der Festigkeit mit erh hter SOLL Temperatur erkennbar Doch zeigt zus tzlich die langsamere lineare Erw rmung h here Festigkeiten als eine schnellstm gliche Gewebeerw rmung Kazir entwickelte und verbesserte den Tissue Soldering Prozess ben tigt jedoch weitere Untersuchungen um einen sicheren Prozess mit einem guten Handling zu erzeugen In allen bisherigen lasergest tzten Gewebeverbindungstechniken wird die Machbarkeit der Fusion demonstriert jedoch steht heute noch kein System und Verfahren zur Verf gung dass eine 100 ige Siche
70. werden optimale Fl chenpressung von ca 1 25N mm bei Dickdarmgewebe wobei aber beachtet werden muss dass in deren Untersuchung komplette zirkul re Anastomosen End zu End unter Laborbedingungen erzeugt wurden und damit doch deutliche Gewebegeometrieunterschiede vorhanden waren In einer weiteren Untersuchung der Arbeitsgruppe um Winter et al 23 wird die Fusion von Rattendarmgewebe beschrieben welches mit wesentlich geringeren Fl chenpressungen ca 0 15N mm behandelt wurde Die geometrischen Ausma e dieser Rattendarmfusion sind hnlich bzw eher kleiner verglichen mit den in dieser Arbeit beschriebenen Fusionsfl chen was eine Abh ngigkeit der Fl chenpressung von der Gr e der zu fusionierenden Stelle best tigt Die ersten Versuchsreihen mit dem lasergest tzten Prozess sind mit konstanter Laserleistung ber eine bestimmte Zeit durchgef hrt worden in denen die parallel laufende Impedanzmessung generell eine hnliche Verlaufscharakteristik wie beim HF Prozess zeigt Es ist zun chst eine Aufheizphase vorhanden welche sich im Impedanzverlauf durch einen Impedanzabfall bis zu einem Minimum zeigt Wie im HF Prozess wird das Gewebe in dieser Phase bis zur Wasserverdampfungstemperatur aufgeheizt siehe thermografische Prozessbetrachtung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Das hei t die geringste Gewebeimpedanz wird kurz vor dem Verdampfungsstart erreicht Anschlie end steigt sie aufgrund der im Gewebe e
71. 0 400 350 1 350 un AN 300 300 J Impedanz gefiltert Impedanzrohwerte N 250 SOLL Impedanzsteigung 2 NN 250 J Impedanz gefiltert 5 Umschaltgrenze amp 5 fr SOLL Impedanzsteigung 200 j Impedanzsteigungsmessung D 200 f Umschaltgrenze E f re a E f Impedanzsteigungsmessung 150 J eistungspege T 150 Impedanzminimum K 60 Leistungspegel po 100 40 100 WA 40 50 20 50 20 l EEE A 1 tt he ft E es 4 f J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Zeit s Zeit s Abbildung 89 Darstellung zweier exemplarischer Regelungsprozesse welche zum einen mittels dem berechneten Energieeintrag linkes Diagramm und zum anderen durch das Greifen der Impedanzplateaudetektion rechts Diagramm beendet wurden Die Auswertung der Sch lfestigkeit dieser abschlie enden Versuchsreihe ist in Abbildung 90 gezeigt Darin sind die Mittelwerte und Standardabweichungen der einzelnen Dickdarmgeweben Rubriken sowie der Mittelwert aller durchgef hrten Versuche aufgetragen Es zeigt sich dass durch die Prozessregelung alle vier Dickdarmgewebe im Mittel einen guten Festigkeitswert zwischen 0 1N mm und 0 12N mm erzielen verglichen zu den Erfahrungswerten bis dato Trotzdem ist in jeder Rubrik mind ein Versuch mit eher mittlerer Festigkeit von ca 0 065N mm erzeugt worden Aber extreme Festigkeitsausrei er mit niedrigen Werten sind nicht entstanden Der geregelte Gewebefusionsprozess ist in einem Versuch mit Hilfe der Therm
72. 0mm eine Fl chenpressung von ca 0 5N mm Einen Wert von gt 1N mm welcher sich als optimal bei Arteriengewebe ergeben hat ist durch die unterschiedliche Gewebestruktur bei Dickdarm nicht anwendbar Das Gewebe komprimiert sich so stark dass es zu mechanischen Gewebeverletzungen allein durch den Druck kommen kann Zus tzlich generiert der dadurch sehr geringe Elektrodenabstand lt 200um Strom berschl ge welche ebenfalls das Gewebe sch digen Die Thermografieaufnahmen werden an einem Versuchsbeispiel in Abbildung 45 dargestellt Der in der linken Abbildung gezeigte normierte Verlauf der elektrischen Prozessgr en l sst einen relativ unruhigen Prozessverlauf erkennen Explizit sind am Anfang der Keeping Phase zwei Impedanzeinbr che zu erkennen welchen entsprechend mit einem Leistungssprung Erh hung von Strom und Spannung entgegen geregelt wird Diese unruhigen Prozesse waren in allen sechs Versuchen hnlich ausgepr gt Dieses Verhalten ist wahrscheinlich auf die Kombination des Dickdarmgewebes mit den Laborelektroden zur ckzuf hren Der Temperaturverlauf in der rechten Abbildung ist hnlich dem der Arterienfusionsprozesse Ausgepr gt sind ebenfalls eine Temperaturspitze deutlich ber 100 C zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags der folgende geringf gige Abfall unter 100 C und eine anschlie ende stetige Erw rmung ber die zeit der Keeping Phase erneut bis auf ber 100 C In diesem Beispiel bildet sich der zweite
73. 1 1999 Mercer C D Minich P Pauli B Sutureless bowel anastomosis using Nd YAG laser Lasers in Surgery and Medicine 7 503 506 1987 Mnitentag J Marques E F Ribiero M P Braga G A Navarro M R Veratti A B Armelin E Macruz R Jatene A D Thermographic study of laser on arteries Lasers in Surgery and Medicine 7 307 329 1987 Mohr Z Willis S Intestinale Anastomosen und Techniken im Bereich des unteren Gastrointestinaltraktes Der Chirurg 82 34 40 2011 Moore W J Hummel D O Physikalische Chemie de Gruyter 4 Auflage 1986 Mortensen N J Ashraf S ACS Surgery Principles and Practice Chapter 5 Gastrointestinal tract and abdomen Subchapter 29 Intestinal Anastomosis BC Decker Inc 2008 Niemz M H Laser Tissue Interactions Fundamentals and Applications Biological and Medical Physics Biomedical Engineering Springer Berlin Heidelberg 3 Auflage 2007 Okada M Shimizu K Ikuta H Horii H Nakamura K An alternative Method of vascular anastomosis by laser Experimental and clinical study Lasers in Surgery and Medicine 7 240 248 1987 Poppas D P Stewart R B Massicotte M Wolga A E Kung R T V Retik A B Freeman M R Temperature controlled laser photocoagulation of soft tissue In vivo evaluation using a tissue welding model Lasers in Surgery and Medicine 18 335 344 1996 Quigley M R Bailes J E Kwaan H C Cerullo
74. 2 12 12 9 0 554 Gr enklasse gro 0 1 9 10 8 17 8 553 Dazu ist anzumerken dass die Anzahl und deren Verteilung in die drei Gr enklassen abh ngig von dem aus dem Schlachtprozess gewonnenem Probenmaterial waren So war nie eine Gleichverteilung der Proben in alle Gr enklassen m glich Das begr ndet die unterschiedlichen Versuchsanzahlen in den einzelnen Versuchsbl cken Hinzu kommt eine sinnvolle Bewertung der jeweiligen Versuchsbl cke und deren Parameterkombinationen im Vorfeld So wird vermutet dass sich f r Arterien der Gr enklasse gro die geringe Druckkraft von 10N negativ auf das Fusionsergebnis auswirkt Ebenso sind hohe Druckkr fte von 60N auf kleine Arterien wahrscheinlich ung nstig Auf Grund dieser ung nstig erscheinenden Kombinationen werden diese nicht durchgef hrt und verringern somit die schon hohe Versuchsanzahl Zun chst sind in Abbildung 32 alle Berstdr cke der Versuchsreihe ber den Arteriendurchmesser aufgetragen 70 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Abh ngigkeit des Berstdrucks vom Gef durchmesser 700 a et a ETU aj Gr enkl klein 257 5 97 mmHg Gr enkl mittel 432 161 mmHg a Gr enkl gro 230 72 mmHg 600 5 a a a a o 4 500 p 5 a o a e o mS a ie u x a A 5 g fa 3 300 Sa u g ge ee z ii j e a En t an ot 200
75. 2 fj fre ar Ped 3 500 HLP pe E 400 300 oh 100 0 0 2 6 8 10 12 14 Zeit s 0 2N mm 2 Fl chenpressung frisches Gewebe 600 30W 6 75 200J 30W 13 3s 400J iv 500 15W 13 3s 200J ie 30W 10s 300J A r 400 amp N 5300 a E 200 100 x 2 10 12 14 Abbildung 65 6 8 Zeit s Impedanz 9 0 6N mm 2 Fl chenpressung aufgetautes Gewebe 30W 6 75 200J 59W 6 7s 400J 30W 13 3s 400J 15W 13 3s 200J 30W 10s 300J 14 0 2N mm 2 Fl chenpressung aufgetautes Gewebe 30W 6 75 200J a ma 30W 13 35 400J Fu a 15W 13 3s 200J A e 30W 10s 300J Aut f A Pe 2 10 12 14 6 8 Zeit s Darstellung der Impedanzverl ufe aller Parameterkombinationen abh ngig der Fl chenpressung und des Gewebezustandes Die Diagrammreihenfolge von links nach rechts und oben nach unten spiegelt die chronologische Versuchsreihendurchf hrung wieder Durch zwischenzeitliche Ergebnisbewertung wurde die Parameterkombination mit 59W ber 6 7s und die Anwendung von 0 6N mm Fl chenpressung f r frisches Gewebe aus der Versuchsdurchf hrung entnommen Oben links Impedanzverl ufe mit 0 4N mm und aufgetautem Gewebe Oben rechts Impedanzverl ufe mit 0 6N mm und aufgetautem Gewebe Die zu erkennenden Messwertausrei er sind auf eine gerissene ITO Messfl che zur ckzuf hren Mitte links Impedanzverl ufe mit 0 4N mm und frischem Gewebe Mitte rechts Impedanzverl ufe mit 0 2N mm und aufgetautem Gewebe Unten links Impedanzverl
76. 4 T4 sehr ausgepr gt Insgesamt haben 7 Versuche nicht die Regelungsphase erreicht und die brigen drei Prozesse weisen lediglich einen prozentualen Regelungsanteil von 7 20 auf 142 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Auswertung Abweichung der Startimpedanz IST Umschaltimpedanz Proz Regelungsanteil der unterschiedlichen zur berechneten bezogen auf die Dickdarmgeweben SOLL Umschaltimpedanz Gesamtprozesszeit 400 4 90 r 2 3 5 u 7 80 x 350 x x 70 x x 3 x x x x 60 x x x 2 5 x x 300 ea lt 50 x G Ss x x se 17 D 2 240 D S x S L 4 7 aoe 5 1 5 x 230 x g x x 3 x x S 72 Je 920 yx x x 200 x x x x x 10 x x 0 5 x x x 7 x x 7 x x 0 150 in E 5 5 100 I Seh nis Li Se T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4 Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Abbildung 72 Auswertung der startimpedanzbasierten Regelgestaltung des Prozesses Die Rubriken auf der X Achse repr sentieren die Gewebe der vier verschiedenen Schweine Bsp T1 Tier 1 links Startimpedanzen sortiert nach den Dickdarmgewebeproben der verschiedenen Tiere Der Mittelwert berechnet sich aus n 10 als Raute markiert Jeder einzelnen Wert ist als Kreuz dargestellt mitte Prozentuale Abweichung zwischen der IST Umschaltimpedanz und der errechneten SOLL Umschaltimpedanz f r jeden Versuch n 10 Bei den Gewebeproben von Tier 3 erreichten 2 Versuche nicht die bere
77. 4 T5 T6 T7 T8 Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Abbildung 76 Auswertung der zwei beschriebenen charakteristischen Impedanzverlaufspunkte von bis dato durchgef hrten Dickdarmgewebefusionen Insgesamt stehen f r die Auswertung acht Dickdarmgewebe von jeweils verschiedenen Schweinen T1 bis T8 zur Verf gung F r T1 T4 werden n 15 Fusionen und f r T5 T8 n 10 Fusionen ausgewertet Dargestellt sind die Mittelwerte Raute die Standardabweichung sowie alle Einzelwerte Kreuz links Auswertung des Energieeintrags bis zum Impedanzminimum Zmin rechts Auswertung der Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis DIS Zmins ss Interpretation der Ergebnisse Der Vergleich beider Diagramme zeigt den Trend dass Gewebe mit einem geringen Energieeintrag bis Zmin anschlie end eine eher gro e Impedanzsteigung aufweisen und umgekehrt So weist beispielsweise Rubrik T1 einen niedrigen Energieeintrag jedoch eine hohe Impedanzsteigung auf Das Gegenbeispiel gibt Rubrik T7 in einem deutlichen Ma e Dabei muss viel Energie appliziert werden dass das Impedanzminimum erreicht wird Die 151 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses anschlie ende Impedanzsteigung f llt sehr gering aus Andere Rubriken zeigen eher einen ausgeglichenen Zusammenhang bei dem beide Messwerte in einem mittleren Bereich liegen T2 T4 und T8 Dass dieser Zusammenhang im Einzelnen nicht unbedingt eintreffen muss zeigt Rubrik T5 Hier ergibt sich der in
78. 5 4 5 2 225 1 ui 0 0 5 a m _Sensing _HeatingEnde di dt _ Ende Charakteristische Strommesspunkte gezeigt am Beispielversuch rechts Auswertung der charakteristischen Strommesswerte der Versuchsreihe Leistungsverlauf P_HeatingEnde 200 180 1 160 140 Leistung W S N oc O So O oc O P_Ende N _ dP dt o P_Sensing 0 1 oO 3 Zeit s Abbildung 27 links Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 15 der Leistung 240 IH Gr enklasse mittel Impact Instrument 220 MlGr Renklasse gro Impact Instrument WU Gr enklasse mittel STD Instrument 200 EB Gr enklasse gro STD Instrument 180 x T 160 140 2120 2 w 100 v 80 60 40 20 ojaan mopo fon P_Sensing P_HeatingEnde dP dt P_Ende Charakteristische Leistungsmesspunkte gezeigt am Beispielversuch rechts Auswertung der charakteristischen Leistungsmesswerte der Versuchsreihe 66 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Leistungsverlaufe der gesamten Versuchsreihe dargestellt bis 5s Leistungsverlaufe der gesamten Versuchsreihe dargestellt bis 1 25s 100 WH zn Gr enklasse mittel Impact Instrument Gr enklasse mittel Impact Instrument L Gr enklasse gro Impact Instrument 90 Gr enklasse gro Impact Instrument 200 hir Gr enklasse mittel STD Instrument Gr e
79. 6 oo 0 06 s 0 085 30 40 50 60 70 80 0 045 20 40 60 80 100 Q J a ness S min mess Berechnete Gesamtenergieeintr ge Qes auf Basis der Wassermassenbestimmung 500 r r f i zs 450 400 350 e 5 8 300 Q o a o oO o i 8 i 8 250 o 200 g 5 8 150 100 7 T2 T3 T4 5 T6 T7 T8 Dickdarmgewebe Abbildung 79 Anwendung der Wassermassenberechnung auf die insgesamt 100 Versuche die f r die Gewebecharakterisierung in Kapitel 3 2 5 verwendet wurden oben links Berechnete Wassermasse ber dem Energieeintrag bis Zmin Qmin oben rechts Berechnete Wassermasse ber der gemessenen Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zmin s DIS Zmin 1 5s Amess unten links Auftragen der berechneten auf Basis der Wassermassenbestimmung Gesamtenergieeintr ge sortiert in die acht Dickdarmgeweberubriken Der hypothetische Gesamtenergieeintrag bis zum vollst ndigen Verdampfen des Wassers der einzelnen Versuche ist im Diagramm unten links gezeigt wobei die Versuche in die jeweilige Dickdarmrubrik einsortiert sind Insgesamt erstreckt sich der Bereich des Gesamtenergieeintrags f r alle Versuche von ca 150J bis ca 500J Ein berechneter geringer Gesamtenergieeintrag bis ca 250J wie in Rubrik bei Tier 1 zu sehen ist bedingt durch einen geringen Energieeintrag bis Zmin sowie einer hohen Impedanzsteigung Qmess was ZU einer geringen berechneten Wassermasse f hrt Im Gegensatz dazu wird f r ein Gewebe mit einer hohen berechneten Wassermas
80. 8mm als die potentiell besten Lasersysteme f r die Anwendung der Gewebefusion Im Vergleich dieser beiden Eindringtiefen ist anzumerken dass der Diodenlaser mit 1470nm den Schichtdickenbereich bis 750um abdeckt Bei d nneren Gewebeschichten w rde jedoch entsprechend der bis dahin nicht absorbierte Photonenanteil ungenutzt transmittiert werden Tabelle 6 Auflistung der Absorption und Eindringtiefen in das Medium Wasser verschiedener Lasersysteme 43 S 65 Die Nummern in der ersten Spalte beziehen sich auf die Zahlenbeschriftungen und die dazugeh rigen blauen Linien in Abbildung 46 Nr Wellenl nge nm Lasertyp Absorption cm Eindringtiefe mm 1 514 Argon lonen 0 00029 34000 2 633 He Ne 0 0029 3400 3 694 Rubin 0 0056 1800 4 800 Diode 0 02 500 5 1064 Nd YAG 0 61 16 6 1470 Diode 28 0 75 7 2120 Ho YAG 36 0 28 8 2940 Er YAG 12000 0 0008 9 10600 CO 860 0 01 Der Lichtverlust kann verringert werden indem an der Photonenaustrittseite des Gewebes ein Spiegel angebracht wird Die Folge w re eine Verdopplung der absorbierenden Gewebedicke und eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Erwarmung Der Nachteil des Ho YAG Lasers w re eine nicht homogen Erw rmung bei dickeren Gewebeschichten infolge geringerer Eindringtiefe Ein Gro teil der Energie w rde in den ersten 200um 92 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses absorbiert werden
81. Anforderung an die elektrische Leitf higkeit Die elektrische Leitf higkeit wird durch eine Indium Zinnoxid Beschichtung ITO Beschichtung realisiert CEC 100S Pr zisions Glas amp Optik GmbH Diese wird mit einer Dicke von ca 23nm auf das Floatglassubstrat Dicke des Glassubstrats 1 1mm aufgedampft und erm glich es den Messstrom bis zum Gewebe zu leiten und gleichzeitig eine angemessene Transmission von ca 86 Beschichtung inkl Glassubstrat f r die Arbeitswellenl nge von 1470nm zu garantieren Abbildung 48 96 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Transmission der CEC100S Indium Zinnoxid Beschichtung 90 T 89 88 gt Transmission T or Q3 N 81 gt 27 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Wellenl nge X nm Abbildung 48 Transmission der CEC100S ITO Beschichtung Pr zisions Glas amp Optik GmbH Gemessen wurde die Transmission mit einem UV VIS NIR Spektralphotometer Cary 5000 Varian Die optischen sowie die elektrischen Eigenschaften dieser ITO Beschichtung sind abh ngig von der Schichtdicke Je dicker die Beschichtung auf das Substrat aufgedampft wird desto geringer ist die Transmission f r das Laserlicht und desto geringer ist der elektrische Fl chenwiderstand R der Schicht Die nachfolgende Tabelle 8 zeigt die f r diese Anwendung in Frage kommenden Beschichtungen Standardbeschichtungen mit ihren Eigenschaften in Bezug auf Trans
82. Aufbaus Die untere Elektrode und deren Kunststoffhalterung sind auf dem Kraftsensor 3 befestigt Im Gegensatz dazu ist die obere Elektrodenhalterung an einer Verstelleinheit 4 montiert welche in allen drei Raumrichtungen X Y und Z Achse eine axiale Bewegung erm glicht Die Verstellm glichkeiten in X und Y Richtung werden lediglich zur Feinjustage der oberen Elektrode verwendet Es muss garantiert sein dass die obere Elektrode genau parallel zur unteren Elektrode ausgerichtet ist Die Druckkraft welche das Gewebe komprimiert wird durch die axiale Verstellung in Z Richtung erzeugt Manuell kann somit durch einen Spindelantrieb die obere Elektrode auf das Gewebe bzw auf die untere Elektrode gedr ckt werden Die genaue Einstellbarkeit der Druckkraft ist durch das Auslesen des Kraftsensors gew hrleistet Abbildung 14 zeigt das Elektrodenpaar mit deren Halterung und den Kraftsensor im Detail In den Versuchsaufbau ist zus tzlich eine Thermokamera CMT 256 M HS Thermosensorik GmbH integriert sodass eine thermografische Aufnahme des Fusionsprozesses durchgef hrt werden kann Ziel der Kameraintegration ist die Aufnahme der Prozesstemperatur welche entscheidend f r einen positiven Gewebefusionsprozess ist Die Thermokamera arbeitet mit einem 256 x 256 Pixel Chip wobei durch die Verwendung eines Makroobjektives und eines zus tzlichen 30mm Distanzrings ein Bildausschnitt von ca mm x mm beobachtet wird Durch diese optischen Bedingungen e
83. Blutgef en zur H mostase den wichtigsten Einsatzbereich der bipolaren Gewebefusion dar Das bipolare Prinzip beschreibt die Anordnung beider Elektroden in einem Instrument wie z B die zueinander isolierten Branchen einer Pinzette oder Zange zwischen denen der hochfrequente Wechselstrom durch das Gewebe flie t Die bipolare Technik beinhaltet folgende Vorteile gegen ber der monopolaren Technik kleinfl chige Aktiv und gro fl chige Neutralelektrode keine unkontrollierten Str me durch den K rper keine Verbrennungen w hrend der Anwendung durch die Ber hrung leitf higer Gegenst nde Stromfluss nur durch das zu behandelnde Gewebe und die Reduzierung des HF Strom Einflusses auf andere Operationsger tschaften 31 S 522 523 Die Instrumente zur bipolaren HF Gef versiegelung sind zangen hnlich aufgebaut wobei jeweils f r den Anwendungszweck und die Anwendungsumst nde die Geometrie und Gr e variieren So sind f r kleinste mikrochirurgische und minimal invasive laparoskopische Eingriffe die Zangen entsprechend klein gew hlt was sich aber auf die maximal fusionierbaren Gef durchmesser auswirkt F r offene chirurgische Eingriffe k nnen die Zangen wesentlich gr er sein um entsprechend dazu auch gro kalibrige Arterien und Venen zu behandeln Bei allen Gef versiegelungszangen ist jedoch die prinzipielle Vorgehensweise gleich Zun chst wird das zu versiegelnde Blutgef zwischen die zwei Zangenbranchen positionier
84. Charakteristik werden zun chst als Vorbild f r die Entwicklung angesehen um anschlie end eine stetige Optimierung des laserbasierten Gewebefusionsprozesses durchf hren zu k nnen Im Kern dieses Technologietransfers steht der Wechsel der Energiequelle von einer elektrischen auf eine optische Ein gro er Vorteil dieses Energiequellenwechsels ist die Unabh ngigkeit zwischen der Energieeinbringung in das Gewebe mittels Licht und der Regelungsfeedbackgr e der Gewebeimpedanz Die entsprechenden Versuchsdurchf hrungen zur lasergest tzten Gewebefusion werden mit einem Laboraufbau durchgef hrt Dabei soll vergleichbar zum Laboraufbau in der HF Gewebeuntersuchung die Druckkraft bzw Fl chenpressung variabel einstellbar sein Des Weiteren soll w hrend des Prozesses eine Impedanzmessung m glich sein welche gegebenenfalls als Feedbackparameter f r eine Regelung der Laserleistung genutzt werden soll Die genaue Definition der Anforderungen an den Laboraufbau wird sp ter in Kapitel 3 1 1 beschrieben Der Laser fungiert als Energiequelle zur Erw rmung des Gewebes Zum Start der Versuchsaufbau und Prozessentwicklung muss die richtige Auslegung des Laser vorgenommen werden Da der Laser ein Zukaufger t ist muss sich an den auf dem Markt erh ltlichen Lasern orientiert werden Dies schr nkt im Vorfeld die in Frage kommenden Lasersysteme ein Um eine vergleichbare Prozesswirkung wie bei der HF Gewebefusion zu erzielen werden auch beim laserge
85. Dabei quetscht sich das Gewebe bis auf die doppelte Probenbreite Hierbei muss darauf geachtet werden dass die zwei Gewebestreifen auch im gepressten Zustand stets bereinander liegen Durch das Relaxationsverhaltens des Gewebes wird der Prozess unmittelbar innerhalb 1s nach dem Einstellen der Fl chenpressung gestartet Nach dem Start des Fusionsprozesses ist nach einer kurzen Zeitdauer 1s 2s deutlich das Entweichen von Wasserdampf zu sehen und zu h ren Das Verdampfen von Wasser h lt bis zum Prozessende an Einzelne Prozessstufen sind nachfolgend in Abbildung 63 exemplarisch dargestellt Der Gewebeprobenstreifen wird zurechtgeschnitten Bild 1 und anschlie end zusammengeklappt sodass zwei Gewebelagen aufeinander liegen Bild 2 Bild 3 zeigt das Positionieren des Probenmaterials auf der 121 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses unteren Glaselektrode Bild 4 stellt die Gewebeprobe im gepressten Zustand 0 4N mm Flachenpressung w hrend des Prozesses dar In beiden Bildern 3 und 4 ist der Pilotlaser rotleuchtend zu sehen Die fusionierte Gewebeprobe ist in Bild 5 gezeigt welche anschlie end auf eine Breite von 7mm zugeschnitten wird Bild 6 Abbildung 63 Qualitative Darstellung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses 1 Gewebeprobenstreifen vor dem Zusammenklappen sodass zwei Gewebelagen aufeinander liegen 2 Zusammengeklappte Gewebeprobe 3 Positionieren der Dickdarmgewebeprobe
86. Die erste Phase ist die Aufheizphase Sie beschreibt die Zeitspanne vom Prozessstart bis zum Impedanzminimum In dieser Phase wird das Gewebe auf 100 C erw rmt Die Wassersiedetemperatur wird zum Zeitpunkt des Impedanzminimum erreicht Darauf folgt die Verdampfungsphase In dieser Phase bleibt das Gewebe konstant bei 100 C und Gewebewasser verdampft stetig bis zum Prozessende Die Impedanz steigt in dieser Phase zun chst steil an anschlie end flacht der Verlauf zunehmend ab Das Prozessmodell betrachtet die Energie und die Impedanz f r beide Prozessphasen zun chst getrennt So ist es m glich die einzelnen Prozessphasen f r sich zu bewerten und zu interpretieren Im Anschluss erfolgt die Zusammenfassung beider Prozessphasen zur Gesamtprozessbeurteilung 184 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Impedanz und Temperaturverlauf 6001 Impedanz Rn TAERE anni 120 Temperatur ne ae 4110 500 e ae Rar Te TN A A 4100 pact N A Wad 7 f I 400 N 80 E O 5 ey H 70 N I w 300 60 ga is Qa Q Aufheiz weni Ga EEE o phase 1 Verdampfungsphase 50 H 200 40 30 100 20 10 0 0 0 2 5 6 7 3 Zeit s Abbildung 95 Erkl rung der Prozessphasen anhand eines exemplarischen Impedanz und Temperaturverlaufs des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Die Aufheizphase beschreibt die Pr
87. Diskussion Gewebecharakterisierung bzw der Wassermassenberechnung w hrend des Fusionsprozesses Aber erst durch das Prozessmodell wurde erkennbar wie sich das Verhaltnis zwischen der fiir die Fusion genutzten Energie und den Energieverlusten auspragt Dass ca 80 90 des Gesamtenergieeintrags aufgewendet werden m ssen um die vorhandenen Energieverluste zu kompensieren wurde in dem Ma e nicht erwartet und zeigt einen suboptimalen Wirkungsgrad Mit der Elektrodenerw rmung und der nicht im Gewebe absorbierten Laserleistung wurden die Hauptverlustfaktoren des Laserprozesses identifiziert F r eine Verbesserung des Wirkungsgrades m ssen diese Verluste minimiert werden was vor allem eine Reduzierung des W rmestroms in die Elektroden bedeutet Der Leistungsverlust durch die Gewebewasserreduzierung die f r die Verbindungsfestigkeit notwendig ist ist beim lasergest tzten Fusionsprozess stets vorhanden und k nnte nur durch eine Verl ngerung des Lichtlaufweges durch das Gewebe optimiert werden Im Prozessmodell werden zus tzlich die Energieverluste infolge der Konvektion von den Elektroden in die Umgebungsluft integriert jedoch ergeben sich vergleichsweise kleine Werte Neben diesen genannten Energieverlusten sind weitere energiekonsumierende Effekte in der Verdampfungsphase vorhanden Diese sind das heftige Entweichen von Dampfblasen und das dadurch bedingte Herausschleudern von kleinen fl ssigen Gewebebestandteilen Damit diese kinetisch
88. Endimpedanzen berechnet werden obwohl diese f r das dicke Gewebe nicht passend sind aufgrund des nat rlichen Impedanzverlaufes So kommt es beim Gewebe von Tier 2 T2 und Tier 3 T3 aber vor allem beim Gewebe von Tier 4 T4 zu dem Nichterreichen der Umschaltimpedanz vermerkt in dem mittleren und im rechten Diagramm Dies f hrt dazu dass diese Prozesse mit einer konstanten Leistung von 34W bestrahlt wurden bis der Gesamtenergieeintrag 450 betr gt eigentlich ein Konstantversuch Diese Auswertung der Umschaltimpedanz ist in Abbildung 72 Mitte dargestellt Darin sind die prozentualen Abweichungen zwischen der IST Umschaltimpedanz und der SOLL Umschaltimpedanz f r jeden Versuch aufgetragen Insgesamt bewegen sich die Abweichungen zwischen 0 und 3 5 was zeigt dass der Umschaltpunkt erreicht wurde Mit der Zuordnung der prozentualen Regelzeit der Versuche siehe Diagramm rechts ist zu erkennen dass sich die Regelphase auch innerhalb einer Rubrik bzw innerhalb des Dickdarms eines Tieres unterschiedlich lange auspr gt So zeigt sich vor allem beim Tier 2 T2 dass f nf Fusionen eine normal lange Regelphase von 50 bis 70 aufweisen bei vier Fusionen aber eine geringere Regelungsdauer auftritt Dies sind Prozesse bei denen der Umschaltpunkt sehr sp t erreicht und kurz nach dem Regelungsstart durch das Abschaltkriterium des maximalen Energieeintrags der Prozess beendet wurde Dieses Verhalten ist bei den Proben von Tier
89. H von Wasser 192 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses multipliziert Dieser Energieaufwand ist abh ngig von der Gewebedicke hgewepe und dem anf nglichen Gewebewassergehalt Wstart Qverdampfen a gt W start H My cervebe gt W start GI 41 Energieverlust durch Reduzierung der Absorption des Laserlichts im Gewebe Die Berechnung des Energieverlusts Qverlust Laser in der Verdampfungsphase ist abh ngig von der Gewebedicke Rgewebe sowie vom Wassergehalt des Gewebes welcher sich durch das Verdampfen der Wassermasse mit zunehmender Dauer der Verdampfungsphase verringert Der Verlauf dieses Energieverlusts in dieser Prozessphase wird als lineare Abnahme von Wstart AUF Wende angenommen F r die nummerische Berechnung wird der Energieaufwand Qverdampfen in n Einzelenergien unterteilt F r jeden Energieteil Qyerdampfen n wird abh ngig vom jeweiligen Wassergehalt w i i 1 n ist die Berechnungslaufvariable eine einzelne Verlustleistung sowie Verlustenergie errechnet Die Summe aus allen Einzelverlustenergien ergibt die Gesamtverlustenergie durch die Leistungsminimierung in dieser Prozessphase gt W start Wende WW sian W Ende gt i Wart L i i GI 42 Durch das Verspiegeln der unteren Elektrode erh ht sich die wirksame Gesamtgewebedicke hGewebe UM den Faktor 2 2 2 hcewebe Ha WW star Wende t Eirias ENA gt Wotart gt Wende gt n Press se GI 43 Mit Subtraktio
90. HG Second Harmonic Generation und die Polarisationsmikroskopie daf r das gr te Potential Im Falle eines Zeitproblems geringe Repititionsrate der Mikroskopieverfahren f r schnelle Prozesse im Gewebe k nnte der Fusionsprozess durch Leistungsreduzierung verlangsamt werden Insgesamt kann die lasergest tzte Gewebefusion auf weitere biologische Gewebe ausgedehnt werden wodurch sich neue Behandlungsfelder er ffnen k nnten Neben der naheliegenden Fusion von D nndarm stehen Magengewebe Oesophasgus Blutgef e Sehnen oder aber auch Knorpel im Fokus des Prozesstransfers 221 Kapitel 8 Zusammenfassung 8 Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines lasergest tzten Prozesses zur Fusion biologischer Gewebe Um generelle Informationen und Erkenntnisse ber die Fusion biologischer Gewebe zu erhalten wurde ein auf hochfrequentem Strom basierender Prozess HF zur Arterienversiegelung mit ber 220 Fusionen der arteria carotis vom Schwein untersucht Die Analyse des HF Prozesses zeigt drei Phasen In der ersten erfolgt zun chst durch eine konstante Leistung eine Bewertung der Gewebeeigenschaften Anschlie end wird die Leistung nichtlinear erh ht und dadurch eine Gewebeerw rmung auf 100 C Gewebewasserverdampfung erzielt Dieses Temperaturniveau von 100 C wird in der letzten Phase durch eine Prozessregelung auf eine konstante Impedanzsteigung von 800 s gehalten Der Prozess muss je nach Gewebevolumen einen Energ
91. In der HF Chirurgie ist dieser Effekt nicht erw nscht da dadurch das Gewebe elektrolytisch gesch digt werden kann Der medizinische Nutzen dieses Effektes liegt beispielsweise in der Einschleusung bestimmter Medikament in den K rper lontophorese 31 S 518 Faradischer Effekt Dieser Effekt entsteht wenn Wechselstr me bis ca 20kHz durch biologisches Gewebe flie en Innerhalb dieses Frequenzbereiches reizen die Str me Nerven und Muskelzellen sodass Muskelkontraktionen resultieren k nnen maximale Reizung bei Frequenzen zwischen 10 100Hz Verwendet wird der faradische Effekt in der Reizstromdiagnostik sowie in der Reizstromtherapie F r die HF Chirurgie ist dieser Effekt hinderlich da unerw nschte Muskelkontraktionen bzw Muskelbewegungen die Arbeit des Chirurgen beeintr chtigen 31 S 518 16 Kapitel 1 Einleitung Thermischer Effekt Der thermische Effekt im Gewebe Gewebeerw rmung wird ab einer Wechselstromfrequenz von 300kHz dominant wobei die beiden anderen Effekte weitestgehend vermieden werden Die Umwandlung von elektrischer Energie in W rmeenergie kann im Allgemeinen nach dem Joule schen Gesetz siehe GI 1 beschrieben werden 31 5 518 Warmeenergie Dep een Gl 1 gt Warmeenergie J gt elektrische Leistung W U gt elektrische Spannung V l gt elektrischer Strom A R gt elektrischer Widerstand Q t gt Zeit s Der thermische Effekt wird in der Chirurgie haupts chlich f
92. Institut fur Lasertechnologie in der Medizin und Messtechnik an der Universitat Ulm Direktor Prof Dr Raimund Hibst Entwicklung und Evaluierung eines laserbasierten Prozesses zur Fusion von Dickdarmgewebe Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Humanbiologie Dr biol hum der Medizinischen Fakultat der Universitat Ulm vorgelegt von Sebastian Langen geboren in Siegburg 2012 Amtierender Dekan Prof Dr Thomas Wirth 1 Berichterstatter Prof Dr Raimund Hibst 2 Berichterstatter Prof Dr Lutz D rselen Tag der Promotion 14 06 2013 Inhaltsverzeichnis Abk rzungsverzeichnis n een V 1 Einleitung nen 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 Stand der Technik f r Gewebeverbindungen im Bereich der Blutgef sowie der Darmgewebefusion sssssscececcccssssssssceeccecccecssssssesceesccccesssssesceeeees 3 1 1 1 Traditionelle nicht energiebasierende Techniken 22200002222ns nenne 3 1 1 2 Energiebasierende Techniken euseesersesesnsnnnsenennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennsnnnnnnnnen 4 1 1 3 Bisherige lasergest tzte Gewebeverbindungen und Techniken 8 Grundlagen zur Gewebeerw rmung uuususssssssnnnnsnnnnnnnnsnnnnnnsssnnnnnnsnnnsnnnnnnnnnnnnnn 15 1 2 1 Gewebeerw rmung mittels hochfrequentem Strom unneseneneenennnneennn 16 1 2 2 Gewebeerw rmung mittels Laser usueeeneneenssnnnnnnenennnnnnnsnnnnnnnnnnnnnennsn nennen 18 G
93. M GI 7 ist aufgrund der drei Messpunkte sowie dem jeweils gemessenen Real und Imagin rteil 2x3 Zellen gro Um eine Matrixmultiplikation zwischen der Abbildungsmatrix und dem gemessenen Vektor Zmess zu erm glichen muss dieser eine Dimension von 3x1 aufweisen GI 5 Re Z yess Vektor der Impedanzmesswerte Z Mess IM Z pess GI 5 1 Re Z al Vektor der Impedanzrealwerte Z Real GI 6 Im Z al 109 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses GI 7 m m m Abbildungsmatrix M va S I Mz My Ms Mit dem bekannten Vektor der Impedanzrealwerte Zpeg GI 6 kann somit f r jeden Kalibrationswiderstand eine Gleichung aufgestellt werden GI 8 GI 9 GI 10 woraus sich wiederum zwei Einzelgleichungen extrahieren lassen Es stehen somit sechs Gleichungen f r die Berechnung der sechs Koeffizienten der Abbildungsmatrix M zur Verf gung Re Z yess 1 7 Re ZR all 160 Gleichung Messwiderstand 1 M Im Z ges Q GI 8 1 g Im Zrea 0 Re Z R measa Re Zp 2 750 Gleichung Messwiderstand 2 M Im Z es Q GI 9 1 Im Zr u12 0 REZ mess3 oe Re ZR 3 0 Gleichung Messwiderstand 3 M Im Z 3 Q GI 10 1 5 Im ZR a3 723 43 Das Gleichungssystem ist somit direkt l sbar und es k nnen die Koeffizienten errechnet werden Die Verbesserung der Kalibrationsgenauigkeit gegen ber der Einpunktkalibration ist nachfolgend in Abbildung 58 erkennbar F r diese Pr fung der Ge
94. Situationen gest rkt und mich in meinem Tun best tigt Daf r bin ich sehr dankbar 236 Lebenslauf Lebenslauf Pers nliche Daten Name Geburtsdatum Geburtsort Familienstand Sebastian Langen 04 11 1980 Siegburg ledig Schul und Hochschulbildung 1987 1991 1991 1997 1997 2000 2000 2001 2001 2002 2002 2007 2004 2005 2007 2007 2009 2009 2009 2013 Berufliche Tatigkeit 2007 2008 Grundschule in Bohl Iggelheim Realschule in Hassloch Technisches Gymnasium in Ludwigshafen am Rhein Zivildienst am Jugendhof Hassloch Maschinenbaustudium an der Technischen Universitat Karlsruhe Maschinenbaustudium an der Hochschule Karlsruhe Abschluss Diplom Ingenieur FH Note 1 9 Auslandsstudium an der Universitat fur Technik und Naturwissenschaften NTNU in Trondheim Norwegen Diplomarbeit bei der Firma ENDOSMART GmbH Thema Entwicklung und Fertigung eines Prototyps zur Zerkleinerung von verkalkten Aortenklappenbruchst cken Maschinenbaustudium an der Hochschule Karlsruhe Abschluss Master of Science Note 1 6 Master Thesis bei der Firma CARL ZEISS Meditec AG Thema Entwicklung und Konstruktion eines Modellauges f r die Verifizierung von ophthalmologischen Ger ten Promotion am Institut f r Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik an der Universit t Ulm ILM Thema Entwicklung und Evaluierung eines laserbasierten Prozesses zur Fusion von Dickdar
95. Studies of elastic tissue formation in the developing bovine ligamentum nuchae Journal of Pathology 124 95 101 1978 Kramme R Medizintechnik Springer Medizin Verglag 3 Auflage 2007 Kuroyanagi Y Taguchi M Yano T Jones D N Shionoya S S Argon laser assisted anastomoses in medium size vessels One year follow up Lasers in Surgery and Medicine 11 223 231 1991 Mackanzie D The history of sutures Medical History 17 158 168 1974 MacRae H McLeod R S Handsewn vs stapled anastomoses in colon and rectal surgery a meta analysis Diseases of Colon amp Rectum 41 180 189 1998 Martinot V L Mitchel V A Mordon S R Schoffs M Pellerin P N Brunetaud J M Sixty argon laser assisted anasomoses in rats Macroscopic and histological studies Microsurgery 16 803 807 1995 Martinot V L Mordon S R Mitchell V A Pellerin P N Brunetaud J M Determination of efficient parameters for argon laser assisted anastomoses in rats Macroscopic thermal and histological evaluation Lasers in Surgery and Medicine 15 168 175 1994 227 Literatur 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 McNally K M Sorg B S Chan E K Welch A J Dawes J M Owen E R Optimal parameters for laser tissue soldering Part I Tensile strength and scanning microscopy analysis Lasers in Surgery and Medicine 24 319 33
96. Tabelle 12 kann somit w hrend des Prozesses direkt nach der Messung der Impedanzsteigung die Wassermasse des Gewebes bestimmt werden 159 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Tabelle 12 Auflistung der Werte zur Berechnung der Wassermasse mw spezifische W rmekapazit t des trockenen Gewebes Cg J kg K 14 S 28 3900 spezifische W rmekapazit t des Wassers cw J kg K 8 477 4182 Konstante k Q 98 Verdampfungsenthalpie von Wasser bei Umgebungsdruck H kJ kg 8 S 477 2257 5 Temperaturdifferenz vom Prozessstart bis zum Impedanzminimum AT K 75 Energieeintrag in der Impedanzsteigungsmessphase Qmess J 17 Energieeintrag vom Prozessstart bis zum Impedanzminimum Qmin J Online Messwert Impedanz nderung in der Impedanzsteigungsmessphase dz Q Online Messwert Mit der Ermittlung der Wassermasse ist es somit m glich die theoretisch ben tigte Energie Qges zu errechnen um die gesamte Wassermenge zu verdampfen und dadurch das Gewebe auszutrocknen Berechnung der gesamten W rmeenergie zur Verdampfung der errechneten Wassermenge Os z Q nin Q Q nin My H GI 25 Um die Wassermassenberechnung zu testen wird diese an den in Kapitel 3 2 5 schon verwendeten 100 Versuchen angewendet Das Ergebnis ist in den Diagrammen in Abbildung 79 dargestellt Darin ist zun chst im Diagramm oben links die berechnete Wassermasse ber dem jeweiligen Energieeintrag v
97. Temperaturanstieg bis zur Karbonisation gt 200 C des Gewebes m glich Steigt die Gewebetemperatur auf mehrere 100 C so f hrt dies zu direkter Verdampfung bzw Vergasung der ganzen Masse 43 5 77 15 Kapitel 1 Einleitung Tabelle 1 Thermische Gewebesch digungen in Abh ngigkeit von der Temperatur modifiziert nach 31 S 414 Temperatur Gewebereaktion bis ca 40 C Keine signifikante Zell nderung ab ca 40 C Reversible Zellsch digung abh ngig von der Expositionsdauer ab ca 49 C Irreversible Zellsch digung und Denaturierung von Enzymen ab ca 60 65 C Koagulation Dehydrierung bzw Austrocknung bergang von Intra und Extrazellul rfl ssigkeit in den AD caz 20 DO gasf rmigen Zustand ab ca 200 C Karbonisierung des Gewebes einige 100 C Vaporisation des Gewebes 1 2 1 Gewebeerw rmung mittels hochfrequentem Strom Bei einem elektrischen Stromfluss durch biologisches Gewebe k nnen je nach Stromart Stromst rke und Frequenz drei unterschiedliche Effekte auftreten Diese sind der elektrolytische der faradische und der thermische Effekt und werden nachfolgend n her erkl rt Elektrolytischer Effekt Bei Gleichstr men oder niederfrequenten Wechselstr men dominiert der elektrolytische Effekt Explizit beschreibt dieser Effekt die lonenverschiebung innerhalb des Gewebes Positiv geladene lonen bewegen sich zur Kathode negativ geladene lonen hingegen zur Anode
98. Thermografisch korreliert der entwickelte Prozess mit dem HF Prozess und erzeugt Gewebetemperaturen um 100 C Die Gewebewasser massenberechnung bestimmt den zu leistenden gewebeabh ngigen Gesamtenergieeintrag im Bereich von 185J 315J um den enthaltenden Wasseranteil zu verdampfen Dieser Energieeintrag stellt damit das prim re Prozessabschaltkriterium dar Diese entwickelte Gesamtprozessf hrung zeigt gute reproduzierbare Sch lfestigkeiten von 0 105 0 02N mm welche vergleichbar sind mit den HF erzeugten Arterienfusionssch lfestigkeiten ca 0 111N mm und so mit hohen Berstdr cken korrelieren Um die in den Versuchen ben tigten Energieeintr ge sowie die entstandenen Impedanzverl ufe zu verifizieren wurde der Prozess auch theoretisch beleuchtet Die erbrachte Energiebilanz best tigt mit einem berechneten Gesamtenergiebereich von 203J 319 den sich aus den Experimenten ergebenen Gesamtenergiebereich 185J 315J Des Weiteren zeigt die Energiebilanz dass 79 88 des Gesamtenergieeintrags zur Kompensierung von Energieverlusten aufgewendet werden m ssen Diesbez glich sind als Verlusthauptfaktoren die Elektrodenerw rmung 57 61 vom Gesamtverlust und die Reduzierung der wirksamen Laserleistung infolge der Gewebewasserreduzierung 35 40 vom Gesamtverlust zu nennen Auch die gemessenen Impedanzverl ufe werden durch die Theorie best tigt Der anf ngliche Impedanzabfall in Folge der Gewebeerw rmung ist bedingt durch eine
99. aa 10 Thermische Interaktion 3 10 Photochemische Interaktion 10 10 10 10 10 10 10 Einwirkdauer s Abbildung 4 Schematische Darstellung der Laser Gewebe Interaktionsstufen Kreise Dabei ist die Laserbestrahlungsintensit t ber der Einwirkdauer aufgetragen Die Kreise zeigen das jeweilige Prozessfenster f r die entsprechende Interaktionsstufe Abbildung ist modifiziert nach 4 Wie schon erw hnt wird neben anderen Anwendungen auch f r die Fusion von biologischem Gewebe thermische Energie ben tigt Auf mikroskopischer Ebene innerhalb des Gewebes bedeutet dies dass ein auf einen Absorber Molek l auftreffendes Photon dieses durch bertragung seiner Energie anregt Im Fall von freien Wassermolek len als Absorber Hauptabsorber in biologischem Gewebe im IR Bereich werden die H20 Molek le in symmetrische und oder asymmetrische Schwingungen versetzt und k nnen beispielsweise durch die Wellenl nge von 3um Er YAG in deren Resonanzfrequenz 1 08x10 Hz bzw 1 13x10 Hz gebracht werden 43 S 66 Dies begr ndet das Absorptionsmaximum von Wasser bei dieser Wellenl nge siehe Abbildung 3 Die Bewegung der Molek le repr sentiert die W rme im Gewebe welche sich anschlie end r umlich ausbreitet Mathematisch kann die W rmeerzeugung bei biologischem Gewebe unter Ber cksichtigung der Gewebemasse der spezifischen W rmekapazit t des Gewebes und 22 Kapitel 1 Einleitung dem zu erzielenden Temperaturu
100. abfall folgt ein erneutes stetiges Erw rmen auf ca 102 C zum Prozessende Dieser geringe Temperaturanstieg bzw das Halten der Temperatur auf dem Niveau von ca 100 C in der Keeping Phase wird erreicht durch das relativ niedrige Leistungsniveau konstanter Energieeintrag in der Keeping Phase welches wiederum geregelt wird ber das Einhalten der konstanten Impedanzsteigung von ca 800 s Impedanz und Temperatur 125 Temperatur ROI Impedanz 100 al HH ae N HERE 400 300 O 75 m a j es f N 8 k O f 200 amp 2 50 v E 100 0 1 2 3 4 5 6 Zeit s Abbildung 38 Auftragen der Prozesstemperatur Mittelwert aus dem ROI und der Impedanz ber der Zeit des Beispielversuchs fiir die Thermografieauswertung 77 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Durch die Thermografie wird zus tzlich weiter die Funktion der Keeping Phase verdeutlicht In dieser Phase wird ein konstantes Sieden der Gewebefl ssigkeit beobachtet welches durch das Temperaturniveau aus den Prozessverl ufen best tigt wird konstant um 100 C Im letzten Thermografiebild der Abbildung 37 zum Zeitpunkt t 5 24s sind ortsabh ngig tiefrote Bereiche zu finden was auf hei e Gewebestellen schlie en l sst In diesen Hotspots liegt die Temperatur deutlich h her T gt 120 C als die zu diesem Zeitpunkt durch das ROI ermittelte Temperatur Das zeigt dass durch langen En
101. ag zur Wasserverdampfung verwendet wird Ist jedoch das Wasser vollst ndig verdampft so erzeugt jeglicher weitere Energieeintrag eine Gewebetemperaturerh hung die zur Zerst rung der Gewebefusion f hren kann und nicht erw nscht ist Die Ergebnisse entsprechender Versuche zeigen dass in diesem Fall die Impedanz nicht weiter auf den Energieeintrag reagiert Es bildet sich dann ein sog Impedanzplateau aus dessen Detektion als ein Zusatzabschaltkriterium im Prozess implementiert ist Bei der Anwendung dieses definierten lasergest tzten Prozesses zeigt die abschlie ende Versuchsreihe siehe S 170 dass zun chst die Art und Weise der Gewebeeigenschaftscharakterisierung eindeutig funktioniert und der nachfolgende Prozessablauf gewebeunabh ngig zu Sch lfestigkeitsmittelwerten von ca 0 105N mm f hrt Dieser Festigkeitsbereich ist vergleichbar mit den Sch lfestigkeiten von HF erzeugten Arterienversiegelungen welche in der Berstdruckfestigkeit sehr hohe Werte aufzeigten und somit eine feste Verbindung widerspiegeln Im Vergleich dazu zeigen HF erzeugte Dickdarmfusionen mit einem nicht auf das Gewebe ausgelegten Prozess geringere Sch lfestigkeiten als die lasererzeugten Dickdarmfusionen Die in der abschlie enden Versuchsreihe des Laserprozesses erhaltene Standardabweichung von 0 02N mm stets Fusionen mit deutlich geringeren bzw h heren Festigkeiten vorhanden zeigt dass in jedem Fall Fusionen ausreichender Festigkeit erzeugt werden Die
102. agramm werden vier exemplarische Impedanzverl ufe gezeigt wobei jeweils ein Verlauf ein Dickdarmgewebe unterschiedliche Gewebewandst rke repr sentiert Zus tzlich sind die Mittelwerte und Standardabweichungen f r die Impedanz und die Zeit der einzelnen Reihen bez glich der charakteristischen Prozesspunkte eingetragen Zur quantitativen Auswertung aller 20 durchgef hrten Versuche werden vier charakteristische Punkte im Impedanzverlauf bestimmt an denen jeweils die Impedanz und Zeitwerte entnommen werden Diese charakteristischen Prozesspunkte sind der Prozessstart das Impedanzminimum der Impedanzknick nach dem Impedanzminimum und anschlie endem ersten Anstieg sowie das Prozessende F r jeden Versuch werden an diesen Punkten die Werte ermittelt und daraus Mittelwerte und Standardabweichungen f r die Impedanz und die Zeit errechnet So wird das gemittelte charakteristische Verhalten gewebespezifisch dargestellt siehe Mittelwertmarkierung und Fehlerbalken farblich passend zu dem jeweiligen exemplarischen Impedanzverlauf Wie schon die einzelnen exemplarischen Verl ufe einen Unterschied aufzeigen ist auch durch die Darstellung der Mittelwerte und Standardabweichungen eine klare gewebeabh ngige Verlaufscharakteristik 131 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses zu erkennen Die errechneten Werte sind der Tabelle 19 im Anhang A5 zu entnehmen So zeigt sich in der Startimpedanz nur ein leichte tendenz
103. ahlung eine ffnung aufweist Diese ffnung hat eine Breite von 30mm sowie eine L nge von 5mm und bestimmt dadurch die maximale Laserspotgr e Zur Fixierung in der Halterung wird die Elektrode festgeklebt 2K Epoxidharzklebstoff Um eine Druckkraft auf das Gewebe zu applizieren ist die Halterung mit eingebauter oberen Elektrode in der Z Achse verschiebbar Die untere Elektrode liegt plan auf einem Teflonsockel auf fixiert mit doppelseitigem Klebeband 101 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses welcher Uber eine Aluminiumfassung auf einem Kraftsensor KD 140 ME Messsysteme GmbH befestigt ist obere Elektrode obere Elektrode untere Elektrode Teflonsockel ITO Messbereiche Fassung untere Elektrode Kraftsensor Wagemessbalken Abbildung 52 links CAD Darstellung der Elektrodenanordnung bei der die kreisrunden ITO Messbereiche zueinander vertikal fluchtend sind rechts CAD Darstellung der Elektrodenintegration in deren Laboraufbauhalterungen Die Konstruktion des gesamten Laboraufbaus zur Generierung lasergestitzter Gewebefusionen wurde mit der CAD Software SolidWorks 2009 SP 4 1 durchgef hrt Dies bietet den Vorteil virtuell alle Bauteile Zukaufteile und Neukonstruktionen des Aufbaus genau aufeinander abstimmen und f r eine interne Fertigung vorbereiten zu k nnen Zus tzlich sind Konstruktions nderungen und modifikationen schnell plan und umsetzbar Abbildun
104. aktors Abh ngig von der Startimpedanz zur Ermittlung der Umschaltimpedanz oben rechts Funktion der SOLL Impedanzsteigung Abh ngig von der Startimpedanz unten links Funktion des Faktors Abh ngig von der Startimpedanz zur Ermittlung der Endimpedanz 135 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Mit Implementierung dieser startimpedanzabh ngigen Regelung sind erste Testversuche durchgef hrt worden um regelungsrelevante Einstellungen empirisch zu extrahieren Hierzu geh ren zum einen die Definition eines Impedanzfilters und zum anderen die Einstellung der Verst rkungsfaktoren f r die PID Regelanteile Der Impedanzfilter ist notwendig um die in Echtzeit gemessene Impedanzkurve in ausreichendem Ma e zu gl tten und so eine Grundlage f r eine ruhige nicht aufschwingende Regelcharakteristik zu geben Die Berechnung des neuen gefilterten Impedanzwertes erfolgt aus dem alten Impedanzwert Zn 1 und dem aktuellen Impedanzwert Z Zur Filterstarkenbeschreibung ist ein Gewichtungsfaktor C implementiert Gl 11 Dieser bestimmt wie stark der alte Impedanzwert den neuen Impedanzwert beeinflusst Kurvengl ttung Impedanz Tiefpassfilter Z4 C Z 0 C Z Gl 11 Zum gt neuer Impedanzwert Zu gt alter Impedanzwert Zn gt aktueller Impedanzwert C gt Faktor zur Definition der Filterst rke Bez glich der Dynamikeinstellung ist die Regelung als PID Regler programmiert Es stehen somit ein proportiona
105. amm dargestellt Die Diagramme sind in chronologischer Reihenfolge angeordnet von links nach rechts sowie von oben nach unten und zeigen eine im Verlauf der Experimente vorgenommenen Modifizierung des Versuchsplans durch die zwischenzeitliche Auswertung der Daten Bei den chronologisch gesehen letzten zwei Versuchsreihendurchf hrungen 0 2N mm aufgetautes Gewebe und 0 2N mm frisches Gewebe ist die Parameterkombination mit 59W ber 6 75 400 nicht durchgef hrt worden Des Weiteren ist ebenfalls die Versuchsreihe mit 0 6N mm bei frischem Gewebe ausgelassen worden Begr ndet sind diese nderungen durch die zwischenzeitliche Auswertung der Sch lfestigkeiten der bis dato ersten vier durchgef hrten Versuchsbl cke Die Auswertung der Sch lfestigkeit ist als Balkendiagramm in Abbildung 66 dargestellt Darin sind die Mittelwerte und Standardabweichungen aus den jeweils f nf Wiederhohlversuchen f r die jeweiligen Parameterkombinationen aufgetragen Bez glich der Gewebefusion mit der hohen Leistung von 59W ber 6 7s kann festgestellt werden dass alle Gewebeverbindungen bei dieser Parameterkombination sehr stark karbonisiert waren und dadurch bereits beim Entnehmen aus dem Laboraufbau die Fusionsstelle defekt war So war keine Messung der Sch lfestigkeit m glich Zudem sind karbonisierte Verbindungen aufgrund der massiven Gewebesch digung nicht erw nscht Diese Tatsache ist der Anlass dass diese Parameterkombination bei den restlichen Versu
106. apitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses anfanglichen Prozessbedingungen gleich sind und dadurch notwendige Gewebeinformationen neben der sowieso schon durchgef hrten Sensing Phase ermittelt werden k nnen Diese Prozessstartphase wird ebenfalls f r den Laserfusionsprozess definiert und sieht zun chst die Vorgabe einer konstanten Leistung vor welche bis zu einem bestimmten Prozessereignis gehalten werden soll Dieses konstante Leistungsniveau ist abgeleitet aus der g nstigsten Parameterkombination aus Versuchsreihe 1 konstante Leistung 30W ber 13 3s und betr gt 34W Die Leistungserh hung von 30W auf 34W ist f r das Gewebe sicherlich weniger relevant jedoch prozessspezifisch wird die Zeitspanne bis zum Impedanzminimum verk rzt tr gt insgesamt zur Verk rzung des Prozesses bei Aus Versuchsreihe 2 ist zu entnehmen dass die Gewebecharakteristik zum Anfang des Prozesses ermittelt werden muss um anschlie end vor allem die Impedanzsteigung nach dem Impedanzknick passend f r das Gewebe festzulegen F r die hier beschriebene erste Entwicklung einer Prozessregelung wird zur Gewebekategorisierung die Startimpedanz herangezogen Das hei t mittels der ersten gemessenen Impedanz wird der folgende Prozess f r die Regelung eingestellt Mit der in Versuchsreihe 2 erkannten wenn auch geringen Tendenz dass dickere Gewebe eine h here Startimpedanz haben aber anschlie end prozentual zur Startimpedanz eine niedr
107. arbonisiert Am Verlauf des Beispielprozesses in Abbildung 69 wird die konstante Leistung von 34W bis zum Umschaltpunkt Zumschat beibehalten und anschlie end f r die Regelphase der volle Leistungspegelbereich freigegeben Pmax 59W Der Prozess versucht somit durch Adaption des Leistungspegels die vorgegebene Impedanzsteigung abh ngig von der Startimpedanz zu erreichen Der in dieser Versuchsreihe untersuchte Einfluss der Regelweise bezieht sich auf diese Regelphase Die Regelung auf absolute Impedanzwerte beschreibt die Regelung des Impedanzverlaufs auf die im Diagramm gezeigte Impedanzsteigung schwarze Steigungslinie dZ dt Dem Prozess wird als SOLL Wert in jedem Regelungsdurchlauf ein absoluter Impedanzwert Einheit Q der auf der Steigungslinie liegt vorgegeben Im Falle der anderen Regelweise wird die definierte Impedanzsteigung Einheit Q s als SOLL Wert definiert Der Prozess versucht dadurch lediglich die Impedanzsteigung einzuhalten welche aber unabh ngig von den absoluten Impedanzwerten schwarze Steigungslinie ist Bei m glichen Impedanzeinbr chen kann dadurch die Regelung auf einer parallelen Steigungslinie weiterregeln Um eventuelle hohe Pegel gegen Ende des Prozess zu vermeiden wird dieser auf 80 von Pmax Pmax os 47W begrenzt Im Falle dieses Beispielversuchs handelt es sich um einen steigungsgeregelten Prozess der durch den maximalen Energieeintrag von 450 beendet wurde Zenge wurde nicht erreicht 137 Kapitel
108. are Funktion dargestellt Daraus kann entnommen werden dass Gewebe mit einer niedrigen Startimpedanz d nne Gewebewandst rken eine hohe SOLL Impedanzsteigung zugewiesen bekommen Im Gegensatz dazu sind geringe SOLL Impedanzsteigungen f r dicke Gewebe hohe Startimpedanzwerte vorgesehen Um den Prozess zu beenden muss ein Abschaltkriterium festgelegt werden Dazu wird eine startimpedanzabh ngige Endimpedanz mittels eines Faktors berechnet Der startimpedanzabh ngige Faktor ist in Abbildung 68 unten links als Graph aufgetragen und beschreibt ein Polynom dritten Grades Dieser Verlauf ist gew hlt worden da durch diese Charakteristik eine relativ starke Abh ngigkeit steiler Kurvenabfall im Bereich der geringen Startimpedanzen gepaart mit einer geringen Abh ngigkeit im Bereich von hohen Startimpedanzen erzeugt werden kann So Faktor Umschaltimpedanz S gt 0 6 0 96 gt gt 0 o o Faktor Endimpedanz w N a N o 100 Abbildung 68 Faktor zur Berechnung der Umschaltimpedanz an a Zuweisung der SOLL Impedanzsteigung 600 50 45 g 40 fea e a35 v f x 0 0016 x 1 5 p 30 f x 0 083 x 61 65 c v 8 25 20 15 200 300 400 50 600 1 200 300 400 500 Startimpedanz Q Startimpedanz Q Faktor zur Berechnung der Endimpedanz f x 1 736 10 x 4 111 10 x 0 03 x 8 46 200 300 400 500 600 Startimpedanz Q oben links Funktion des F
109. armgewebe von der Spezies Schwein festgelegt Die detaillierte Beschreibung der Probengewinnung aus dem Schlachtprozess die Probenlagerung sowie deren Pr paration vor den Versuchen ist bereits im Kapitel 2 1 4 erfolgt An dieser dort beschriebenen Prozedur ndert sich f r diese Untersuchung nichts 114 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 1 4 Planung und Durchf hrung von Versuchsreihen Mit dem erarbeiteten Laboraufbau zur lasergest tzten Gewebefusion muss durch Versuchsreihen ein Prozess generiert werden der biologisches Gewebe unter Laborbedingungen miteinander verbindet Mittels der offen programmierbaren Laserleistungsregelung sind viele verschiedene Prozesscharakteristika realisierbar Um jedoch einen funktionierenden Regelprozess mit der Impedanz als Feedbackgr e zu definieren ist es prim r wichtig mittels eines einfachen gesteuerten Prozesses viele wichtige Informationen ber das Verhalten des Dickdarmgewebes im Prozess zu erhalten Hierzu dienen die Grundlagenversuchsreihen Versuchsreihe 1 und Versuchsreihe 2 Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden anschlie end in die Entwicklung eines geregelten Prozesses einflie en Versuchsreihe 1 Untersuchung des Einflusses von Energieeintragsdynamik Flachenpressung sowie Gewebezustand auf die Fusionsgiite unter Verwendung von konstanten Leistungspegeln Diese erste Versuchsreihe zielt auf die Untersuchung unterschiedlicher Prozessein
110. asen Twechse sowie der Temperatur zum Zeitpunkt des Prozessendes Tenge F r beide Temperaturvariablen ist auf Basis der Thermografie ein Wertebereich festgelegt worden Daraus folgt dass sich f r den Energieverlust Qvertust Elektrode ebenfalls ein Wertebereich ergibt Da zwei Elektroden zu ber cksichtigen sind wird der Verlust verdoppelt Faktor 2 Zur Vereinfachung wird f r die Berechnung eine homogene Erw rmung des Elektrodenvolumens angenommen Wertust Elektrode Fires gt T inde 2 T C Glas i Ta T yechset GI 46 mit M Elektrode aus GI 33 Energieverlust durch Konvektion von den Elektroden zur umgebenden Luft Der W rmestrom Qkonvektion ist bedingt durch die Konvektion von der u eren Elektrodenfl che Ag ektrode Berechnung sie GI 35 in die angrenzende Luftschicht mit der 194 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Dicke tiuf Da sich der Temperaturgradient von der Elektrode zur Umgebungsluft mit der Zeit ndert wird f r eine N herung als Elektrodentemperatur der Mittelwert aus der Temperatur zum Zeitpunkt des Prozessphasenwechsels Twechse und der Temperatur zum Zeitpunkt des Prozessendes Tenge verwendet F r die Konvektion wird das Fluid Luft in Ruhe angenommen keine Stromungsgeschwindigkeit Ay Ts T ar ift Ende Wechsel Konvektion Cah 2 T inde t A giektrode 2 T up GI 47 Luft mit AElektrode aus GI 35 Damit jedoch aus dem Warmestrom Qkonvekt
111. asergest tzten Gewebefusionsprozesses wird die SOLL Steigung vorgegeben welche vom Gewebe mit einem mittleren Leistungspegel in der Regelphase erreicht werden kann So wird das Gewebe f r maximale Festigkeiten moderat nicht mit hohen Leistungspegel erw rmt und die Prozesszeit so kurz wie m glich gehalten Faktorabh nigkeit zur Berechnung der SOLL Impedanzsteigung d von der gemessenen Impedanzsteigung a sess 25 Berechnung ger SoLL Impedanzsteigung 0 4 r 0 35 T20 g 9 2 3 2 15 g 0 25 f a___ 0 0021 a__ 0 4125 wo mess mess N 4 g a 02 G 5 Oo 17 g 10 80 15 E x D oO on re 5 fa 0 0021 a2 _ 0 4125 a mess mess mess 0 05 i i ad 0 i abe 0 50 100 150 200 0 50 100 150 a Xs a Xs mess mess Abbildung 80 Abh ngigkeit der SOLL Impedanzsteigung Abbildung 81 Auftragen der berechneten SOLL von der gemessenen Impedanzsteigung amess F r die Impedanzsteigung ber der gemessenen Ermittlung der SOLL Impedanzsteigung wird die Impedanzsteigung Qness gemessene Steigung mit dem sich ergebenen Faktor multipliziert Zum Test dieser SOLL Impedanzsteigungsmessung sind nachfolgend geregelte Dickdarmfusionen mit unterschiedlichen SOLL Impedanzsteigungen durchgef hrt worden siehe Abbildung 82 Hierbei stehen f r die Auswertung insgesamt sechs Dickdarmgewebe unterschiedlicher Schweine T1 bis T6 zur Verf gung Die SOLL Impedanzsteigung wird zum einen mit einem festen
112. aucht Anhand dieses prozentualen Verh ltnisses wird deutlich dass der Wirkungsgrad des Prozesses als suboptimal bewertet werden muss Auf der Grundlage dieser Energieberechnungen des Prozesses k nnen die Zeitdauern der beiden Prozessphasen bei einer konstanten Leistung von 34W berechnet und anschlie end f r die theoretische Beschreibung des Impedanzverlaufs verwendet werden Zur Impedanzverlaufsberechnung wird die Widerstandsberechnung von elektrischen Leitern auch elektrolytischer Leiter bei der Anwendung h herfrequenten Wechselstr men zugrundegelegt Hierf r ist der spezifische elektrische Widerstand eine wichtige Stoffgr e Dieser wird f r das Prozessmodell aus dem Startimpedanzbereich der bisher durchgef hrten Gewebefusionen und dem sich einstellenden Gewebedickenbereich nach der Beaufschlagung der Fl chenpressung ermittelt Dieser Mittelwert weicht jedoch von dem spezifischen Widerstand aus der Literatur ab was darauf schlie en l sst dass in dem System Gewebe ITO Beschichtung bergangswiderst nde vorhanden sind F r das theoretische Prozessmodell muss jedoch dieses System f r die Beschreibung des Impedanzverlaufs im Ganzen betrachtet werden Der Impedanzabfall in der Aufheizphase ist bedingt durch die Temperaturabh ngigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes Dieser nimmt mit ca 1 6 K ab Hei leiter und erzeugt so f r den Impedanzabfall die Charakteristik einer Abklingfunktion yza te b Der berechnete Imp
113. auf der unteren Glaselektrode mittig ber der ITO Messfl che Der Pilotlaser ist rotleuchtend zu sehen 4 Beaufschlagung der Fl chenpressung kurz vor dem Prozessstart 5 Fusionierte Gewebeprobe nach dem Prozess 6 Fusionierte Dickdarmgewebeprobe nach dem Zuschneiden auf eine Breite von 7mm 122 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Der Impedanzverlauf dieses exemplarischen Versuchs ist in Abbildung 64 dargestellt Darin ist in blau die Impedanz und in griin der Laserpegel konstantes Niveau Uber der Zeit aufgetragen Der Prozess ist mit einer Leistung von 30W Uber 10s durchgef hrt worden und stellt die bis dato in Vorversuchen als g nstig erwiesene Parametereinstellung dar Die Startimpedanz betr gt ca 1800 und f llt direkt nach dem Prozessstart stark ab Das Minimum wird nach ca 1 5s erreicht und betr gt ca 560 Anschlie end ist ein sprungartiger Anstieg von ca 250 zu erkennen Impedanzumschlag Nach diesem Impedanzumschlag sinkt die Impedanz um ein geringes Ma um danach erneut stetig anzusteigen Dieser Anstieg erfolgt von ca 700 bis auf die Endimpedanz von ca 3800 Innerhalb dieses Impedanzanstiegs sind ab ca 2200 Impedanzoszillationen zu erkennen welche bis zum Ende anhalten Dickdarm nativ 30W konstant ber 10s 400 Zende 350 300 __ 250 S 3 N D 520 2 oO oO Q E D 150 9 60 100 40 so ZMin 120 1 2 3 4 5 6 7 3 Wu Zeit s Abbildung 64 Darstellu
114. be welches zum Ersatz und zur Erweiterung von Bindegewebsstrukturen in der Neurochirurgie verwendet wird Hergestellt wird Lyoplant aus Rinderpericard welches durch einen Gefriertrocknungsprozess komplett dehydriert wird Durch diesen Prozess kann die lose Faserstruktur gewonnen werden nahezu eine reine Kollagenstruktur 85 Nachfolgend ist das Lyoplant in Abbildung 92 links in seinem trockenen Ausgangszustand abgebildet Die Dicke des Kollagen Ersatzgewebes variiert zwischen ca 0 5mm und ca 1 5mm und hnelt optisch im Ausgangszustand Papier Im Gegensatz zu Papier 179 Kapitel 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz weist das Lyoplant eine sehr hohe Rei festigkeit auf und kann nur mit einer Schere zugeschnitten werden Durch das Einweichen der Probenstreifen in NaCl 0 9 L sung wird das Gewebe transluzent und flexibel Im rechten Foto von Abbildung 92 ist die Fusion von zwei Lyoplantstreifen gezeigt wobei im vorderen Bereich des Gewebes die Fusionsstelle gut zuerkennen ist Abbildung 92 links Foto eines trockenen Lyoplant St cks aus dem f r die Fusion entsprechend gro e Streifen geschnitten werden rechts Foto einer fusionierten Probe aus zwei Lyoplantstreifen Als Elastin Fusionszusatz wird f r diese Untersuchung das Gewebe des Rindernackenbandes bovine ligamentum nuchae verwendet Dieses ist beim Rind im oberen Nackenbereich zu
115. be ist abgeleitet aus den Erkenntnissen der HF Prozessuntersuchung Des Weiteren muss eine entsprechend hohe Regelfrequenz min 100Hz umgesetzt werden damit eine schnelle Reaktion des Prozesses auf Gewebe nderungen m glich ist Diese Impedanzmessung ist mit einem integrierten Schaltkreis IC integrated circuit AD5933 Analog Devices umgesetzt welcher mit einer Vorverst rkung komplexe Impedanzen im Bereich von 300 bis einigen MQ bei Frequenzen von 1kHz bis 100kHz messen kann Dies hat den Vorteil eine fertig konfektionierte sowie kosteng nstige Messeinrichtung zu implementieren welche sich auch in den Untersuchungen von Seoane et al 54 zur Messung der biologischen Gewebeimpedanz bew hrt hat Zur Steuerung des gesamten Regelprozesses zum Ansteuern des AD5933 sowie zur Vorgabe des Laserleistungspegels an den Laser wird ein Microcontroller ATXMega128 A3 Atmel verwendet Dieser stellt das zweite zentrale Bauteil der Lasersteuerung dar Das Blockschaltbild in Abbildung 56 zeigt schematisch die einzelnen Bauteile sowie deren Kommunikation untereinander Zu sehen ist dass der Microcontroller mit dem AD5933 ber einen I C Bus kommuniziert Diese Kommunikation funktioniert ber ein Protokoll welches zun chst die Schnittstelle initialisieren muss Anschlie end f hrt der AD5933 eine Impedanzmessung mit einer Messfrequenz von 100kHz durch und stellt dem I C Bus jeweils den gemessenen Real und Imagin rteil der Impedanz zur Verf gung Die
116. ber die gesamte Probenbreite Durch diese Art der Fusion ist keine Berstdruckmessung m glich da kein Lumen vorhanden ist Die Fusionsfestigkeit dieser Probengeometrie kann jedoch mittels dem Auseinanderziehen der zwei miteinander verbundenen Gewebestreifen getestet werden Diese Art der Pr fung stellt die Ermittlung der Sch lfestigkeit dar und ist im Bereich von technischen Verklebungen eine Standardpr fgr e Die berf hrung dieser Pr ftechnik aus 112 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses der Industrie in medizinische Anwen dungen wird von B cheler beschrieben 6 Abbildung 60 zeigt a schematisch die Sch lbeanspruchung der Gewebeprobe Dabei werden die Gewebestreifen zwei Probenstreifen orthogonal zur Fusionsebene auseinander gezogen Die Sch lgeschwindigkeit betr gt 50mm min Die Grenzflache der Gewebestreifen Fusionsstelle wird somit durch eine Zugbeanspruchung zum Aufsch len gebracht Gemessen wird die Abbildung 60 Schematische Darstellung der Sch lbeanspruchung auf die Gewebeprobe aufgewendete Zugkraft zum L sen der Fusion Die Apparatur zur Durchf hrung des Sch lversuchs ist in Abbildung 61 gezeigt Darin sind zum Halten der Gewebestreifen zwei Klemmen 2 integriert wobei die untere Klemme fest an einem Kraftsensor KD60 ME Messsysteme GmbH 1 befestigt ist Der Kraftsensor ist mit einem Nennkraftbereich von 5N und einer Genauigkeit von 0 1 bestens f r diese An
117. betemperaturprofils zu erhalten 120 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 2 Ergebnisse In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der im Kapitel 3 1 4 vorgestellten Versuchsreihen dargestellt und erl utert Dabei werden zun chst in Versuchsreihe 1 und 2 durch die Anwendung von konstanten Laserleistungspegeln Informationen Uber den Prozess und Uber das Verhalten des Gewebes im Prozess gewonnen Basierend auf diesen einfachen Fusionsprozessen kann die Entwicklung eines Feedback geregelten Prozesses gestartet werden Dazu sind die Informationen und Erfahrungen aus den ersten beiden Versuchsreihen essentiell Um jedoch die generelle Funktionsweise sowie eine grundlegende Impedanzmessung an einem exemplarischen Versuch zu erl utern erfolgt zun chst eine qualitative Prozessbeobachtung bzw Prozessbeschreibung 3 2 1 Grundlegende qualitative Betrachtung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses mit konstantem Leistungspegel Die qualitative Betrachtung des gesamten lasergest tzten Gewebefusionsprozesses zeigt die gleiche Versuchsvorgehensweise und eine hnliche Prozesscharakteristik wie der des HF Dickdarmgewebefusionsprozesses Das Probenmaterial zwei bereinander gelegte Dickdarmgewebestreifen wird auf der unteren Elektrode mittig ber der ITO Messfl che positioniert Anschlie end kann durch vertikales Verfahren der oberen Elektrode eine entsprechende Fl chenpressung eingestellt werden
118. ch haupts chlich in einer einfacheren Handhabung in Verbindung mit einer blutigen Wunde u ert reduzierte W rmeentwicklung Im Gegensatz dazu wird die erh hte thermische Wirkung beim Nd YAG Laser durch die deutlich h here Absorption im Gewebewasser sichtbar Dieser Zusammenhang stellt sich laut Back et al in einer homogeneren W rmeentwicklung und ausbreitung dar Neben den Untersuchungen zur Fusion von Arterien und oder Venen sind ebenfalls Studien zu finden in denen Darmgewebe f r die Fusion verwendet wird Mercer et al 38 publizierten lasergest tzte Nd YAG D nndarmfusionen Enterotomie bei Ratten mit mittleren maximalen Berstdruckfestigkeiten direkt nach der Gewebefusion von ca 60mmHg bei einem Energieeintrag von 300 400J Im Vergleich wiesen konventionell gen hte Gewebeverschl sse hnliche Berstdruckfestigkeiten ca 65mmHg auf Auch nach einer Heilungszeit von sieben Tagen zeigte sich der lasergest tzte Gewebeverbund bez glich Kapitel 1 Einleitung der Festigkeit nicht unterschiedlich zu den konventionellen Nahtverbindungen ca 200mmHg Eine erste Darmanastomose Spezies Hase ohne zus tzliche konventionelle Verbindungstechniken beschreiben Sauer et al 52 Dabei wurden die Darmenden f r eine End zu End Anastomose mittels eines intraluminalen Stents zueinander positioniert zirkul r mit einem Nd YAG Laser 1064nm bestrahlt und dadurch miteinander verbunden Es konnte direkt nach der Anastomosenherst
119. ch dieser Ergebnisse zeigt eine herk mmliche gen hte Darmanastomose an Rattendarm eine geringere Berstdruckfestigkeit von 21 5mmHg Die Bipolartechnik ist in der heutigen Gef versiegelung Ligatur eine optimale Technik um eine schnelle Blutstillung H mostase zu erzeugen Die Technik in diesem Bereich ist sehr ausgereift und funktioniert reproduzierbar gut Weitere Entwicklungsm glichkeiten liegen berwiegend in der Verbesserung der Handhabung und in der Entwicklung neuer Applikatoren f r verschiedenste Problemstellungen der H mostase Im Gegensatz dazu ist eine Anwendung dieser energiebasierenden Gewebeverbindung auf andere Gewebe z B Darmgewebe eine wirkliche Weiterentwicklung Die bisherigen hier zitierten Studien zur Konzipierung eines HF basierten Darmanastomosenprozesses zeigen dass mit den Instrumentarien der Gef versiegelung keine ad quate Gewebeverbindung hergestellt werden kann Der Prozess als Gesamtsystem muss an die unterschiedlichen Gewebeeigenschaften angepasst werden was sich vor allem in einem entsprechenden Design der Elektroden im Applikator zeigt Diese m ssen sowohl f r eine lineare Seit zu Seit als auch f r eine zirkul re End zu End Anastomose wesentlich gro fl chiger sein als bei Arterienversiegelungen Des Weiteren ist die Fl chenpressung ein Parameter welcher die G te der Darmgewebeverbindung stark beeinflusst Nat rlich sind auch generatorseitig Anpassungen an das Gewebe vorzune
120. chbarkeit dar und m ssen somit definiert und konstant gehalten werden Bez glich der Versuchsplanung und durchf hrung sind jeweils die Vorgehensweisen als auch deren Begr ndung ausf hrlich dargelegt 2 1 1 Vorstellung des ForceTriad Generators zur Erzeugung von Gewebefusionen durch Verwendung von hochfrequentem Strom Der ForceTriad Generator ist in Abbildung 8 gezeigt wobei der Bipolarmodus f r die Gewebefusion durch das Bedienfeld 3 eingestellt werden kann Ist dieses Bedienfeld durch den Touchscreen angew hlt und gleichzeitig ein Instrument in die daf r vorgesehenen Buchsen eingesteckt so sind die beiden anderen Bedienfelder inaktiv Der Bipolarmodus ist ausschlie lich in seiner Leistungsstufe drei gr ne Felder im Display einstellbar Laut Hersteller sowie Schulungspersonal des Produkts ist die mittlere Leistungsstufe f r die Gef versiegelung zu benutzen Entsprechend ist f r die hier beschriebenen Untersuchungen ausschlie lich Leistungsstufe 2 gew hlt worden Durch eine Steckerkodierung des jeweiligen Instruments ist der Prozessregelung das angeschlossene 36 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Ger t bekannt Wird ein Instrument mit dem codierten Stecker an den Generator angeschlossen und durch das Dr cken des Fu schalters bzw Handschalters der spezifische Prozess ausgel st flie t ein hochfrequenter Wechselstrom 470kHz von einer Zangenbranch
121. che werden f r die zeitkritische Elektrodentemperatur definiert Diesbez glich wird sich der Thermografiedatenauswertungen bedient welche zum Zeitpunkt des Prozessphasenwechsels nur eine geringe Erw rmung um ca 5 C 10 C zeigen Twechse 30 C 35 C die Startemperatur der Elektroden betr gt wie die des Gewebes 25 C Gr er ist die Elektrodenerw rmung in der folgenden Verdampfungsphase Zum Prozessende zeigen die Elektroden einen Temperaturbereich von ca 55 C 70 C Tenae Diese Erw rmung kann subjektiv durch das Ber hren der Elektroden best tigt werden Es ist eine deutliche Erw rmung sp rbar Durch die Elektrodenerw rmung wird ein konvektiver W rmestrom in die Umgebungsluft erzeugt Diesbez glich wird eine Luftgrenzschichtdicke von 1mm definiert welche den Temperaturgradienten von der Elektrodenoberfl che zur Umgebungsluft mit 25 C erzeugt F r die Konvektionsverluste wird angenommen dass keinerlei Fluidbewegungen vorhanden sind Geschwindigkeit der Luft Om s 187 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Alle notwendigen Konstanten und Variablen zur Aufstellung des energetischen Prozessmodells sind nachfolgend in Tabelle 13 aufgelistet Tabelle 13 Auflistung der Konstanten und Variablen zur Berechung der theoretischen Energiebilanz des lasergest tzten Prozesses mit konstanter Laserleistung
122. chiedlichen Dickdarmgewebeeigenschaften sich die Impedanz bei gleichen Prozessbedingungen verschieden verh lt Begr ndet ist diese M glichkeit durch die Erkenntnis aus dem untersuchten HF Gewebefusionsprozesses Darin wird zum Prozessstart ein Gewebescreening Sensing Phase siehe Kapitel 2 2 2 durchgef hrt um anschlie end einen angepassten Regelprozess einstellen zu k nnen Deswegen wird in dieser Versuchsreihe der eventuell vorhandene Effekt untersucht Die Versuchsreihe bezieht sich auf die Verwendung von Dickdarmgewebe von vier verschiedenen Tieren Jeder Dickdarm eines Tieres ist im Vergleich zu den Dickd rmen anderer Tiere bez glich seiner geometrischen und strukturellen Eigenschaften unterschiedlich Es liegt nahe dass vor allem die Wandst rke des Dickdarms wichtig ist da diese das zu erw rmende Gewebevolumen mitbestimmt Diesbez glich sind starke Variationen festzustellen welche durch eine Wandstarkeneinteilung entsprechend kategorisiert werden Hierbei muss erw hnt werden dass eine genaue Dickenmessung mit geringem Aufwand f r eine schnelle Einteilung des Probenst cks nicht m glich ist Aufgrund der sehr weichen Gewebewandstruktur kann die Dicke mittels Messschieber nur sehr ungenau bestimmt werden Deswegen wird eine optische Bewertung vorgenommen welche die Einteilung des Probenst cks in die Wandst rkenklassen d nn medium und dick vornimmt Durch das Arbeiten mit vielen Dickdarmgeweben von vielen u
123. chnete SOLL Umschaltimpedanz In der Geweberubrik Tier 4 erreichten 6 Versuche nicht die berechnete SOLL Umschaltimpedanz rechts Prozentualer Regelungsanteil zur Prozessgesamtzeit Die Versuche bei denen sich keine Regelung eingestellt hat sind in der jeweiligen Rubrik vermerkt Zum Beenden des Prozesses sind zwei Kriterien definiert Zum Einen wird jeweils eine Endimpedanz abh ngig von der Startimpedanz berechnet und zum Anderen ist ein maximaler Gesamtenergieeintrag von 450 f r alle Versuche g ltig Beim Erreichen eines der Kriterien wird der Prozess beendet In diese Versuchsreihe sind alle durchgef hrten Versuche durch den maximal zul ssigen Gesamtenergieeintrag von 450 beendet worden Kein Versuch ereichte die berechnete Endimpedanz sondern lediglich die in der Tabelle 10 aufgelisteten prozentualen Verh ltnisse 143 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Tabelle 10 Auflistung der Mittelwerte n 10 des prozentualen Verh ltnisses von der IST Endimpedanz zur berechneten SOLL Endimpedanz Tier1 n 10 Tier2 n 10 Tier3 n 10 Tier4 n 10 IST Endimpedanz SOLL Endimpedanz 64 5 7 7 49 3 14 4 51 6 16 9 32 6 8 9 Thermografische Prozessbetrachtung Zu dieser ersten Prozessregelungsuntersuchung sind ebenfalls Fusionen mittels der Thermokamera thermografisch beobachtet worden Ziel war es den lasergest tzten Regelprozess bez glich der auftretenden
124. chsbl cken ausgelassen wird Des 124 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Weiteren zeigt die Fl chenpressung von 0 6N mm im Vergleich zu den zwei niedrigeren Niveaus einen negativen Einfluss auf die Sch lfestigkeit Vergleich der Versuchsbl cke mit aufgetautem Gewebe Es ist offensichtlich dass wesentlich bessere Sch lfestigkeiten mit einer Fl chenpressung zwischen 0 2N mm und 0 4N mm erzielt werden k nnen Dieser Zusammenhang ist beim frischen Gewebe ebenfalls zu erwarten und begr ndet somit das Auslassen dieses Versuchsblocks Die Gesamtversuchsanzahl sinkt somit von 150 geplanten Versuchen auf 115 tats chlich durchgef hrte Versuche Im folgenden Abschnitt werden die Ergebnisse aus den einzelnen Impedanzdiagrammen hinsichtlich Impedanzverlaufscharakteristik und Sch lfestigkeit siehe Abbildung 66 beschrieben Beschreibung der Impedanzverl ufe In allen Impedanzverl ufen ist eine leistungsabh ngige Charakteristik zu erkennen Vor allem der anf ngliche Impedanzabfall bis zum Minimum ist bei hohen 59W Bestrahlungsleistungen wesentlich steiler als bei geringen Leistungen 15W Ebenfalls zeigt sich der anschlie ende Anstieg der Impedanz entsprechend der Bestrahlungsleistung wobei die hohen Leistungen immer zu einem steileren Anstieg f hren Die Impedanz zum Zeitpunkt des Prozessendes ist ebenfalls abh ngig von der Bestrahlungsleistung und der Bestrahlungsdauer Die Unterschiede sind sehr
125. cosa die haupts chlich aus Bindegewebe und einzelnen Versorgungsgef en besteht Eine dicke kompakte Schicht stellt die Muscularis dar Hier sind der innere Ringmuskel sowie der L ngsmuskel zu finden Die u ere Serosa Schicht bildet die Einbindung in das versorgende Mesinteriums 60 S 366 368 58 S 150 Verteilung von Kollagen und Elastin in der Dickdarmwand Ausgehend von dem Wissen dass Kollagen und Elastin die grundlegenden Stoffe zur Erzeugung der Festigkeit bei Arterien sind wird in diesem Absatz die Verteilung der beiden Stoffe im Dickdarmgewebe beschrieben Angefangen in der innersten Schicht der Mucosa zeigten Thibeaux et al 65 mittels Multiphotonenmikroskopie MPM und Second Harmonic Generation SHG dass Kollagenfasern und Kollagenb ndel sich unterhalb der oberen Epithelschicht kein SHG Signal in der Epithelschicht der Krypten anordnen Die 3D Rekonstruktion der einzelnen Gewebeebenen zeigt eine dichte Netzwerkstruktur von Kollagenfasern direkt unterhalb der oberen Epithelschicht welche sich mit zunehmender Tiefe in das Bindegewebe der Mucosa auflockert Die vernetzte Kollagenstruktur bildet somit das Ger st f r die Schleimhaut und f r das Ausbilden der Krypten Ausbildung der Krypten ist in der SHG 3D Rekonstruktion gut erkennbar Eine Untersuchung der Submucosa bez glich des Kollagengehalts bzw Kollagenvorkommens ist durch Thomson et al erfolgt 67 Darin wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie
126. d spiegelt einen Kompromiss zwischen Aufwand Anzahl der Versuche und Nutzen Erkenntnisgewinn bez glich des Gewebeeinflusses auf den Impedanzverlauf wider Das Ergebnis ist in Abbildung 67 und in Tabelle 19 im Anhang A5 wiedergegeben Im Diagramm in Abbildung 67 ist jeweils ein exemplarischer Impedanzverlauf f r jedes der vier Dickdarmgewebe dargestellt Im Vergleich zeigen die vier Impedanzverl ufe in ihrer generellen Charakteristik keinen Unterschied wohl aber bez glich der quantitativen Impedanzniveaus Es ist gut zu erkennen dass das d nne Gewebe gr ne Kurve ein fr hes Impedanzminimum und anschlie end einen steilen Anstieg aufweist Im Vergleich dazu zeigt das dicke Gewebe 130 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses blaue Kurve einen insgesamt wesentlich flacheren Verlauf Die Gewebe mit der Wandst rke medium reihen sich zwischen diese beiden Impedanzverlaufe ein Exemplarische Impedanzverl ufe unterschiedlicher Dickdarmgewebe Mittelwerte n 5 an charakeristischen Messpunkten 10004 Wandst rke medium Tier Nr 1 Wandst rke dick Tier Nr 2 A 900 Wandst rke d nn Tier Nr 3 ri Wandst rke medium Tier Nr 4 Fi 800 nr ji 700 2 S 600 Zas4 Z nick j N E o Let jr p 900 Zr rer Q got 400 ENNS f Aare A wt 300 7 i am min AT Z SaaS 200 N jr A f a BERNER ams Ea 100 S ZEnde 0 0 2 4 6 10 12 14 Zeit s Abbildung 67 In diesem Di
127. den linearen Impedanzsteigungsbereich bis zum Prozessende ist der Prozess wesentlich ruhiger Das Wasser verdampft mit geringerer Blasenbildung und es kann angenommen werden dass ausschlie lich die nderung des Gewebewassergehalts die Impedanzerh hung bewirkt Das Ziel einen funktionsf higen lasergest tzten Prozess f r die reproduzierbare Dickdarmgewebefusion zu entwickeln wurde in dieser Arbeit erreicht 218 Kapitel 7 Ausblick 7 Ausblick Der entwickelte lasergest tzte Gewebefusionsprozess zeigt sowohl aus konstruktiver als auch aus prozesstechnischer Sicht weiteres Optimierungspotential So kann im Rahmen des bestehenden Laboraufbaus die Laserstrahlformung bez glich der Homogenit t verbessert werden damit eine maximal gleichm ige Spotausleuchtung vorhanden ist Daraus folgt eine verbesserte Gewebeerw rmung Des Weiteren zeigen die Ergebnisse aus dem Prozessmodell dass der Gesamtwirkungsgrad verbesserungsw rdig ist Um den W rmestrom in die Elektroden zu verringern m ssten diese umgestaltet werden Dazu k nnte der Wdarmeubergangskoeffizient durch den Einsatz eines entsprechenden Elektrodenmaterials oder einer Elektrodenbeschichtung gesenkt werden Die vorhandene ITO Beschichtung erm glich berhaupt erst die Impedanzmessung und damit auch die Regelbarkeit des Prozesses weist aber eine hohe thermische Leitf higkeit auf metalltypisch Das hei t diese Beschichtung bildet die Grenzfl che und erm glich somit eine
128. des fertig fusionierten Gewebezustands zulassen Vorher Nachher Vergleich Eine Untersuchungs methode die in Echtzeit den biochemischen Fusionsprozess darstellt und untersucht ist bis dato nicht vorhanden 33 Kapitel 1 Einleitung 1 5 Struktur und Ziel dieser Arbeit Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Erarbeitung eines lasergestiitzten Fusionsprozesses fiir biologisches Gewebe Dabei soll am Vorbild der in der Chirurgie etablierten bipolaren Gef versiegelung zun chst der Prozess auf der technologischen Ebene untersucht und verstanden werden Hierzu steht f r diese Arbeit ein bipolares Hochfrequenzger t ForceTriad Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA nach dem aktuellen Stand der Technik zur Verf gung Durch die entsprechende Konzipierung und Umsetzung von Versuchsaufbauten wird der HF Gewebefusionsprozess in Echtzeit verfolgt aufgenommen und ausgewertet Des Weiteren k nnen bestimmte Prozessgr en manipuliert bzw ver ndert werden um dadurch weitere Erkenntnisse ber den Prozessmechanismus zu erlangen Diese Untersuchungen sollen haupts chlich an Arteriengewebe der Spezies Schwein in einer Laborumgebung durchgef hrt werden da die bipolare Prozessf hrung des Generators ForceTriad f r die Gef versiegelung ausgelegt ist Der anschlie ende Transfer der Erkenntnisse ber den Fusionsprozess hin zu einer Prozessneuentwicklung unter Laborbedingungen welcher mittels eines feedbackgerege
129. dicken Floatglases aufgedampft worden Durch die Verklebung der Gl ser wird die Silberschicht zus tzlich vor u eren Einfl ssen gesch tzt 99 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Passivierungsbereich TO Kontaktbereich SiO2 rt N TO Messbereich ITO Kantaktbereich ITO Kantaktbereich Passivierungsbereich SiO2 ITO Messbreich Abbildung 50 Darstellung der Passivierungsschichtgeometrie Diese Siliziumdioxidschicht ist 5um dick und wird mit Anwendung einer Maske auf die ITO Schicht aufgedampft links Untere Elektrode mit integrierte Spiegelschicht zur Laserlichtreflexion Eine ITO Kontaktfl che rechts Obere Elektrode mit zwei ITO Kontaktfl chen Die Elektrodenkontaktierung Anschluss eines Kabels an die ITO Kontaktfl che ist durch Vorversuche optimiert worden Dabei war es wichtig dass sich der elektrische Kontaktwiderstand dieser Verbindung nicht ndert Garantie eines konstanten elektrischen Systemwiderstandes und dass die Kontaktierung flach ist Deswegen wurde mit einem Kupfergewebeband Entl tlitze gearbeitet welches ca 2mm breit und ca 0 5mm dick ist und mittels eines elektrisch leitf higen 2 Komponenten Klebstoffs EPO TEK EE129 4 Epoxy Technology auf die Indium Zinnoxid Beschichtung geklebt wurde Eine anschlie ende elektrische Isolierung zur Umwelt durch das Aufbringen eines weiteren schnelltrocknenden Klebstoffes 2K Epoxidharzklebstoff
130. die unteren bzw oberen Grenzen des Wertebereichs der jeweiligen Variablen siehe Tabelle 13 eingesetzt Os Aufheiz ass 2 W start 2 T wechsel Q sutheiz Ogewede 2 W Start Qvertust Laser Agewebe W start GI 38 T Qvertust Elektrode Cae Qvertust Konvektion Ras gt W start gt T wechsel Der Gesamtenergieverlust in der Aufheizphase ist die Summe aus allen Energieverlusten dieser Prozessphase T Wertust Aufheiz bes 2 W start gt Wechsel Wertust Laser Ogewere gt W Start Wvertust Elektrode Be GI 39 Qvertust Konvektion ha gt W Start T wechsel Die Berechnung der Dauer der Aufheizphase taufheiz erfolgt durch den Quotienten aus dem Gesamtenenergieaufwand QOgesAufhez und der Leistung des Lasers P aser Analog zur Berechnung des Gesamtenenergieaufwands Qges Aufheiz ergibt sich auch bei der Berechnung der Aufheizphasendauer durch die Verwendung der minimalen bzw maximalen Werte der Variablen eine minimale und maximale Aufheizphasendauer taufheiz Os Aufheiz gt W start gt T wechsel GI 40 P Laser Aufheiz eee z W start 2 T wechsel 5 1 2 Gewebewasserverdampfungsphase In der Verdampfungsphase des Prozesses liegt die Gewebetemperatur konstant bei ca 100 C Energieaufwand zum Verdampfen des Gewebewasseranteils In der Berechnung des Energieaufwands zur Verdampfung der Gewebewassermasse Qverdampfen Wird die Gewebewassermasse My mit der Verdampfungsenthalpie
131. dieser Auswertung insgesamt zweit h chste Energieeintrag Die Impedanzsteigung bewegt sich jedoch im mittleren Bereich Durch die Detektion bzw durch das Messen beider Gr en im Prozess k nnte jedoch die Regelung besser an das Gewebe angepasst werden Im Falle der Impedanzsteigungsmessung ist dadurch definitiv bekannt welches Impedanzsteigungsverm gen f r die Regelungsphase im Prozess vorliegt Hier k nnte somit eine passende SOLL Impedanzsteigung definiert werden welche mit einem mittleren Leistungspegelregime umgesetzt werden k nnte Die Information des Energieeintrags bis zum Impedanzminimum zeigt letztendlich wie viel Energie jeweils ben tigt wird um das bestrahlte Gewebevolumen bzw das Wasservolumen innerhalb des Gewebes bis auf Verdampfungstemperatur zu erhitzen Diesen Zusammenhang spiegeln die Daten aus den Temperaturverl ufen der Thermografien wider siehe Kapitel 3 2 4 Des Weiteren k nnte ebenso durch die Information der gemessenen Impedanzsteigung zus tzlich ein R ckschluss auf den Wassergehalt des Gewebes gezogen werden Denn innerhalb dieser Messzeit von 0 55 ergeben sich unterschiedliche Impedanz nderungen obwohl immer dieselbe Energie von 17J appliziert wird Explizit m sste das bedeuten dass bei einem Gewebe mit einem geringen Wassergehalt die Impedanz innerhalb dieser Messphase st rker steigt als bei einem Gewebe mit einem hohen Wassergehalt Die Begr ndung liegt in dem unterschiedlich schnellen Verlust an elektri
132. druckpr fungen bzw generelle Dichtigkeitspr fungen des Lumens m glich So w re eine weitere Bewertung der Fusionsg te neben der Sch lfestigkeit m glich Die weitere Applikationsentwicklung hin zu einer zirkul ren lasergest tzten Dickdarmanastomose End zu End stellt erh hte Anforderungen an den zu erzeugenden Laboraufbau S mtliche Bauteile des Laboraufbaus w rden sich zu rotationssymmetrischen Geometrien ndern was eine komplette Neukonstruktion erfordern w rde Diese Anastomosenform End zu End wird in der medizintechnischen Anwendung Darmoperationen ben tigt und von den rzten eingefordert 220 Kapitel 7 Ausblick Die Pr fung des Einflusses von Kollagen und Elastin als Zusatzmaterial in die Fusionsstelle zeigt ein gro es Potential zur Festigkeitserh hung Eine Untersuchung in welcher Weise dieses Zusatzmaterial vor allem das schon medizintechnisch zugelassene Lyoplant in den Fusionsprozess integriert werden kann erscheint sinnvoll Diesbez glich ist auch die Pr fung der Handhabbarkeit des entstehenden Gesamtprozesses von gro em Interesse Auf biologischer Ebene k nnten Untersuchungen zur weiteren Aufkl rung des Gewebehaftmechanismus durchgef hrt werden In diesem Punkt w rde ein Monitoring der Kollagenstruktur nderung w hrend des Prozesses m glicherweise einen gro en Erkenntnisgewinn erzeugen Mit welchen Mikroskopieverfahren dies durchf hrbar w re ist zu untersuchen M glicherweise zeigen S
133. dung f hren kann Um eine Festigkeitssicherheit mit einzukalkulieren werden die Elektroden aus zwei Glasteilen hergestellt wobei das 1 1mm dicke und mit ITO beschichtete Glas mit einem 3mm dicken einfachen Floatglas zusammen gekittet wird Dadurch entsteht eine Gesamtdicke von 4 1mm Mit dieser Dicke und der entsprechenden Integration des Glases in den Laboraufbau ist kein Elektrodenbruch zu erwarten Nachfolgend sind in Abbildung 49 die beiden Elektroden schematisch nicht ma stabsgetreu im Schnitt dargestellt Explizit soll die Anordnung der verschiedenen Schichten sichtbar gemacht sowie der Weg des Laserlichts als auch der Stromfluss f r die Impedanzmessung erkl rt werden Beide Elektroden bestehen aus zwei miteinander verklebten Gl sern f r die mechanische Festigkeit Zum einen ist dies ein 3mm dickes Floatglas Auf dieses Floatglas wird ein 1 1mm dickes Substart Floatglas mit der beschriebenen ITO Beschichtung geklebt F r diese Klebung wird ein 2 Komponenten Klebstoff EPO TEK 301 Epoxy Technology verwendet welcher explizit f r optische Anwendungen entwickelt wurde Transmission gt 97 bei 1470nm Auf das mit ITO beschichtete Floatglas ist zus tzlich eine SiO Schicht 98 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses aufgetragen worden Diese Siliziumdioxidschicht ist maskiert und hat die Aufgabe den Stromfluss f r die Impedanzmessung in nur einem bestimmten Bereich in das Gewebe zur
134. durch nicht kovalente Wechselwirkung Wasserstoffbr cken van der Waals Kr fte gebildet werden Im weiteren Zusammenschluss mehrerer Tripelhelices durch kovalente Quervernetzung entstehen sog Fibrillen welche einen Durchmesser zwischen 100nm 500nm und eine L nge bis zu einem Millimeter erreichen k nnen In der n chst gr eren Strukturebene ordnen sich die Fibrillen durch Vernetzungsmakromolek le z B Proteoglykane zu gr eren Kollagenfasern Durchmesser von 1um 101m an welche als Basis f r den Aufbau von beispielsweise dem Bindegewebe Sehnen oder Knochen dienen 19 Abbildung 7 zeigt den Aufbau von Kollagenfasern in einer schematischen Form 30 Kapitel 1 Einleitung Kollagenfaser inii Fibrille Tripelhelix Fibrille i t Polypeptid Abbildung 7 Schematische Darstellung des Aufbaus von Kollagenfasern Kollagenfasern bestehen aus einzelnen Kollagenfibrillen welche sich wiederum aus dem Zusammenschluss mehrerer Polypeptid Tripelhelix Strukturen aufbauen In der Literatur wurden erste Untersuchungen zum biochemischen Fusionsmechanismus von Sigel und Dunn 55 publiziert bei denen mittels hochfrequentem Strom Arterien und Venen versiegelt wurden Durch die anschlie ende histologische Auswertung der Fusionsstellen konnte festgestellt werden dass die Faserstruktur des Gewebes Kollagenfasern in gro em Ma e beibehalten wurde Des Weiteren wird beschrieben dass durch die genaue Positionierung
135. e lich der Stecker des LigaSure STD Instruments zur Verf gung um diesen f r die Kontaktierung des Laboraufbaus mit dem Generator zu benutzen Sp ter wurde zus tzlich das komplette LigaSure Impact Instrument bereitgestellt Die Zange des LigaSure STD Instruments wird in dieser Arbeit nicht verwendet Abbildung 9 LigaSure Impact Einmalinstrument f r Gewebeversiegelung bei offenen chirurgischen Eingriffen Konzipiert ist das Instrument f r Blutgef e bis 7mm Durchmesser f r Lymphgef e und allgemeine Gewebeb ndel Zus tzlich dargestellt ist die optische Codierung am Stecker LS2070 LS2071 LS2070 Abbildung 10 LigaSure STD Einmalinstrument f r Gef versiegelung bei offenen chirurgischen Eingriffen 80 Konzipiert ist das Instrument f r Blutgef e bis 7mm Durchmesser f r Lymphgef e und allgemeine Gewebeb ndel Zus tzlich dargestellt ist die optische Codierung am Stecker 38 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Das LigaSure Impact Instrument ist ein sog Seal amp Cut Instrument Dies beschreibt die F higkeit eine dichte Gef versiegelung zu generieren sowie direkt im Anschluss die M glichkeit zu haben das fusionierte Gewebe mittig mit einem integriertem Messer zu durchtrennen Dadurch entstehen zwei verschlossene Gef enden Diese Funktion der Versiegelungsteilung ist im LigaSure STD Ger t nicht vorge
136. e Energie erzeugt werden kann muss diese zuvor eingebracht werden Das hei t jedoch f r die Prozessenergiebilanz dass f r diesen Fl ssigkeitsanteil die Verdampfungsenergie eingespart werden kann Diese zus tzlichen Effekte k nnten die gr ere Spannweite des Gesamtenergiebereichs der Fusionsprozesse im Vergleich zum Prozessmodell erkl ren Damit ein Vergleich der energetischen Verh ltnisse mit dem HF Prozess durchgef hrt werden kann muss von dem berechneten Gesamtenergiebereich des Prozessmodells die Verlustenergie infolge des Leistungsverlusts durch die Absorberreduzierung subtrahiert werden Damit ergibt sich ein Gesamtenergieeintrag von ca 130 235J der mit dem Gesamtenergieeintrag der HF Fusionen siehe Tabelle 15 Im Anhang A1 und Tabelle 17 im Anhang A3 korreliert Dadurch wird sichtbar dass sich die energetischen Verh ltnisse im HF Prozess hnlich auspr gen Auch dort wird ein Grossteil der Energie durch die Elektroden Metallelektroden weggeleitet was durch eine deutliche Elektrodenerw rmung in den Thermografien verdeutlicht wird 217 Kapitel 6 Diskussion Mit der Ber cksichtigung der Impedanzberechnung im Prozessmodell konnte zum einen der temperaturbedingte Impedanzabfall in der Aufheizphase als auch die Impedanzverlaufscharakteristik in der Verdampfungsphase rekonstruiert werden Der Impedanzabfall in der Aufheizphase ist eindeutig bedingt durch den temperaturabh ngigen spezifischen Widerstand des Systems
137. e akustische Prozessbewertung des Generators ergab f r alle f nf Versuche ein positives Ergebnis Eine Pr fung der Berstdruckfestigkeit war aufgrund der v llig anderen Probengeometrie nicht m glich Es wurde lediglich eine subjektive optische Bewertung der Fusionsstelle durchgef hrt Diese ergab f r alle Versuche subjektiv eine feste Verbindung Verbindung war durch leichten Zug an den zwei Probenenden nicht zu l sen 84 Kapitel 2 hochfrequentem Strom Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 5 der Spannung 0 E Dickdarmgewebe Impact Instrument 80 70 60 Spannung V N wo gt an co o o oO Co U_Sensing U_HeatingEnde dU dt U_Ende Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 5 der Leistung 200 180 160 i b N A oc oO Leistung W oc co gt oc oc 20 0 SS MDickdarmgewebe Impact Instrument Energieeintrage Mittelwerte n 5 0 P_Sensing P_HeatingEnde dP dt P_ Ende prozentuale Betrachtung E Dickdarm Impact 90 250 el 200 jg 5 E 60 z i 5150 w 50 v o c a an u 5 40 uF g 100 i i oO E_gesamt E_Heating Abbildung 44 ElDickdarm Impact Strom A Zeit s Impedanz 9 N 3 5 N a Z N 0 400 350 300 N a oO d a 100 50 Charakteristische Prozess
138. e durch das Gewebe zur gegen berliegenden Durch den hochfrequenten Strom wird die f r eine Gewebefusion ben tigte thermische Energie im Gewebe generiert Abbildung 8 ForceTriad Generator des Herstellers Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA Das rechte Bedienfeld unterst tzt den LigaSure Prozess zur Gef versiegelung Hierbei ist die Leistungsstufe auf ein mittleres Niveau eingestellt zwei gr ne Felder Unter dem Bedienfeld sind zwei Steckerbuchsen f r die entsprechenden Instrumente integriert Das Codieren der Stecker ist durch die unterschiedlichen Anforderungen an das jeweilige Instrument begr ndet instrumentenspezifischer Prozess Zwei Instrumente zur Gewebefusion im Besonderen Gef versiegelungen sind nachfolgend dargestellt Dabei zeigt Abbildung 9 das LigaSure Impact Instrument Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA welches f r offene chirurgische Eins tze konzipiert ist Dieses ist ein Einmalinstrument und wird nach der jeweiligen Operation entsorgt Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 10 das sterilisierbare wiederverwendbare Gewebefusionsger t LigaSure STD Bei diesem Ger t k nnen neue sterilisierte Elektrodenpaare in die Zange eingesteckt werden welche nach der Operation entsorgt werden Das Handst ck hingegen ist autoklavierbar 37 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Anf nglich stand dieser Arbeit ausschli
139. e hgewepe sowie von dem Wassergehalt zum Zeitpunkt des Prozessstarts Wstart im Gewebe Hierzu wird zun chst die 189 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Laserleistung welche durch das Gewebe transmittiert keine Ber cksichtigung der Streueffekte im Gewebe und somit nicht zur Gewebeerw rmung beitr gt nach Lambert Beer 43 S 15 berechnet Durch das Verspiegeln der unteren Elektrode erh ht sich die wirksame Gesamtgewebedicke hgewepe um den Faktor 2 P 7 e l Gewebe Ha Wsar GI 30 Verlust Pies gt Wotart P Laser Mit Subtraktion der Verlustleistung Pveriust von der Laserleistung Piaser erh lt man die tats chlich im Gewebe wirksame Leistung ber den Ansatz die Zeitspannen zu errechen welche f r die Applizierung von Qaufheiz mit den zwei verschiedenen Leistungsniveaus Praser und Praser Pverlust n tig w ren errechnet sich folgender Ausdruck f r die Verlustenergie Qverlust Laser P aser 1 h isi a Starst Q sumeic Gewebe Wtarst Verlust has sW Qvertust Laser ae gt Wtarst Cc Laser Aufgrund der Abh ngigkeit von hgewepe UNd Wstart ergibt sich ebenfalls ein Wertebereich f r Q Verlust Laser Energieverlust durch Erw rmung der Glaselektroden Ein weiterer Energieverlust entsteht durch die Erw rmung der Elektroden durch W rmeleitung vom Gewebe in die Elektroden Dieser Energieverlust Qverlust Elektrode ist abh ngig von der Zieltempe
140. e suboptimale Regelungscharakteristik bedingt Die Thermografie zeigt klar dass solche Temperatureinbr che bei denen der Verdampfungsprozess unterbrochen wird sich sp ter durch berm ige Leistungserh hungen die Folge ist eine starke Temperaturerh hung negativ auf die Fusionsg te auspr gen Es gilt diese durch die entsprechende Definition der Prozessregelung zu vermeiden 3 2 5 Untersuchung einer alternativen Gewebecharakterisierungsmethode Durch die Ergebnisse der vorhergehenden Versuchsreihe ist deutlich geworden dass eine Regelungsgestaltung auf Basis der Startimpedanz nicht zu einer eindeutigen Gewebecharakterisierung f hrt Dies impliziert eine ung nstige Regelcharakteristik welche das Gewebe im Prozess falsch behandelt Es muss also eine verbesserte Charakterisierung des Gewebes bzw des Prozessverlaufs durch die Auswertung online des Impedanzverlaufs angestrebt werden Der Prozess bietet hierf r innerhalb der ersten Phase mit Applizierung einer konstanten Leistung M glichkeiten der Gewebecharakterisierung bzw der Impedanzverlaufsunterscheidung Diesbez glich stehen zwei charakteristische Impedanzverlaufsmerkmale zur Verf gung welche in Abbildung 75 an drei exemplarischen Impedanzverl ufen eingezeichnet sind Zum Einen ist dies das Impedanzminimum Zmin als schwarzer Stern im Impedanzverlauf markiert und zum Anderen die auf das Impedanzminimum folgende Impedanzsteigung dZ dt als schwarze Linie und schwarze Kreuze
141. e_path 2 products amp menu navigate amp opened_navigate O amp OsCsid osCsid amp Abruf am 28 Feb 2012 231 Literatur 82 Online 2012 Hersteller von optischen Produkten sowie Beschichtungen http www pgo online com de katalog ito html Abruf am 2 April 2012 83 Online 2012 Hersteller von optischen Produkten sowie Beschichtungen http www pgo online com de katalog whitefloat html Abruf am 2 April 2012 84 Online 2012 Beschreibung der ForceTriad Energieplattform des Herstellers Covidien http www forcetriad com forcetriad pages aspx page Fusion amp lang de Abruf am 21 Mai 2012 85 Online 2012 Produktbeschreibung Lyoplant des Herstellers B Braun Melsungen AG http www bbraun de cps rde xchg bbraun de hs xsl products htmI prid PRID00000805 Abruf am 21 Mai 2012 86 Online 2012 Prahl S http omlc ogi edu spectra hemoglobin summary html Abruf am 18 Juni 2012 232 Anhang Anhang A1 Datentabelle zu Abbildung 25 bis Abbildung 31 auf Seite 66 bis Seite 68 Tabelle 15 Auflistung aller Mittelwerte und Standardabweichungen der Messwertauswertung an den charakteristischen Prozesspunkten Gr enklasse Gr enklasse Gr enklasse Gr enklasse mittel gro mittel gro LigaSure Impact LigaSure Impact LigaSure STD LigaSure STD n 15 n 15 n 15 n 15 U_Sensing V 11 6 1 9 11 8 2 0 9 8 1 1 13 4 1 4 U_Heati
142. eben Berechnung der Warmemenge f r Dickdarmgewebe Q nin cs Mg Cy my AT GI 13 Qmn gt W rmemenge J vom Prozessstart bis t Zmin CG gt spezifische Warmekapazitat des trockenen Gewebeanteils J kg K Me gt Masse des trockenen Gewebeanteils kg Cw gt spezifische W rmekapazit t des Wasseranteils im Gewebe J kg K mw gt Masse des Wasseranteils im Gewebe kg AT gt Temperatur nderung vom Prozessstart bis t Zmin K Die spezifische W rmekapazit t von Wasser betr gt bei 20 C 4182J kg K 8 S 51 Da kein Wert f r die spezifische W rmekapazit t von Dickdarmgewebe vorliegt wird auf eine gemittelte spezifische W rmekapazit t von menschlichem Weichgewebe zur ckgegriffen Dieser Wert betr gt 3900J kg K 14 S 28 Um die Wassermenge zu berechen muss zus tzlich die Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zmin 1s DIS Zmin 1 5s Gmess herangezogen werden Innerhalb dieser Zeitspanne von 0 5s wird die Impedanz nderung ermittelt welche durch einen Energieeintrag von 17J erzeugt wird Der Energieeintrag ist f r alle Versuche gleich da die Leistung konstant auf 34W definiert ist 34W 0 5s Durch das jeweils vorliegende Gewebe und dessen Eigenschaften f llt die nderung der Impedanz unterschiedlich aus Der Impedanzanstieg ist von der elektrischen Leitf higkeit des Gewebes abh ngig Diese wiederum wird durch das Verh ltnis von dem Massenanteil des Wassers zum Massenanteil des trockenen Gewebes beeinflusst d
143. echts und links sind die Mittelwerte als Raute markiert und Standardabweichungen n 20 f r die drei unterschiedlichen Prozessregelweisen aufgetragen wobei sich die 20 Versuche f r jede Rubrik aus jeweils 5 Wiederholversuchen f r vier verschiedene Dickdarmgewebe zusammensetzen Zus tzlich sind jeweils alle Sch lfestigkeiten der einzelnen Versuche als Kreuz in der jeweiligen Rubrik eingezeichnet Die erste Rubrik zeigt die Sch lfestigkeitsauswertungen der steigungsbasierten Impedanzregelung Codierung S innerhalb der Rubrikbenennung Rubrik 2 repr sentieren die Sch lfestigkeit unter Anwendung der Regelung auf absolute Impedanzwerte Codierung A innerhalb der Rubrikbenennung Zum Vergleich ist zus tzlich der Prozess mit konstanter Leistung Codierung K innerhalb der Rubrikbenennung von 34W ber 13 3s 4523 durchgef hrt worden Zun chst ist im Vergleich der Sch lfestigkeitsmittelwerte zwischen den drei Prozessarten S A und K der h chste Mittelwert von 0 109 0 041N mm beim steigungsbasierten Regelprozess zu sehen Der Mittelwert von 0 085 0 039N mm f r die Regelung auf absolute Impedanzwerte zeigt eindeutig eine geringere mittlere Festigkeit wobei die Standardabweichungen beider Rubriken stark ineinander laufen und somit der Unterschied keine Signifikanz aufweist F r die Prozesssteuerung mit der konstanten Leistung ergibt sich ein Mittelwert von 0 102 0 045N mm Innerhalb dieser Rubrik ist jedoch ein Versuch rot um
144. edanzverlauf stimmt mit den Impedanzabfallkurven der Aufheizphase aus den Fusionsprozessen berein In der anschlie enden Verdampfungsphase kann aus den Impedanzverl ufen der Gewebefusionen zun chst ein steiler Anstieg mit der Form einer Potenzfunktion bis zu einem bestimmten Punkt festgestellt werden Daraufhin reduziert sich die Steigung und nimmt eine lineare Charakteristik an Dieser generelle Impedanzanstieg innerhalb dieser gesamten Prozessphase ist in erster Linie bedingt durch den Gewebewasserverlust Diese dynamischen Prozesse k nnten vor allem die Bildung von elektrisch isolierenden Dampfblasen im Gewebe sein Diese verringern den stromleitenden Querschnitt und tragen somit zur Impedanzerh hung bei Zus tzlich reduziert das direkte Herausschleudern von fl ssigen Gewebebestandteile die Menge potentieller Ladungstr ger Des Weiteren k nnte sich der bergangswiderstand zwischen Gewebe und ITO Beschichtung infolge der Austrocknung ebenfalls erh hen Diese Effekte im Detail im Prozessmodell zu ber cksichtigen war nicht m glich Deswegen ist die Tatsache dass sich die Wassermasse innerhalb der Verdampfungsphase reduziert mit der entsprechenden mathematischen Beschreibung an 209 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses die aus den Versuchen bekannten Impedanzverl ufen angepasst worden Dadurch kann der Schluss gezogen werden dass die vorher beschriebenen zus tzlichen impedanzerh henden Ef
145. eintragsdynamik Fl chenpressung sowie Gewebezustand auf die Fusionsg te unter Verwendung von konstanten Leistungspegelnz 3 un nun ran mn eae 124 Versuchsreihe 2 Untersuchung des Gewebeeinflusses auf den Impedanzverlauf bei konstanten Prozessbedingungen nne 130 Versuchsreihe 3 Definition des ersten Regelprozesses und Untersuchung des Einflusses der Regelart absolute Impedanzwerte oder Impedanzsteigung auf den Prozess ccccccssssceceesssseceessseeeceesseeees 133 3 2 5 Untersuchung einer alternativen GewebecharakterisierUngsSMethOde cccecsessssececeeeessssssaeeeeeseessesssaees 149 3 2 6 Optimierung des Regelungsprozesses zur Erzeugung lasergest tzter Dickdarmilisionen ansehe 153 3 3 Zusammenfassung nahen nennen 176 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz 179 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten FUsionsprozesses nennen 184 5 1 Theoretische Betrachtung der EnergiebilanZ cccccccccssssssssssceeccccceessssseees 185 5 1 1 Gewebeaufheizphase unseesessnsssssnnnsnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnennnnn 189 5 1 2 Gewebewasserverdampfungsphase cccccccccssssssssseeceeesssessnsseeeeeeesseesees 192 5 1 3 Energiebilanz des Gesamtprozesses cccccccccessssssscececeeesesssssaeeeeeeseesees 196 5 2 Theoretische Betrachtung der elektrischen Leitf higke
146. eleistete Energieeintrag berechnet werden Durch die Thermografieauswertungen ist bekannt dass das Gewebe zum Zeitpunkt des Impedanzminimums am Siedepunkt angelangt ist und die Wasserverdampfung des Gewebes startet Daraus zeigt sich dass der gemessene Energieeintrag Qmin daf r verwendet wird um das Gewebe von Raumtemperatur bzw K rpertemperatur auf ca 100 C zu erhitzen Bei einer Raumtemperatur von 25 C bedeutet dies ein Temperaturanstieg von AT 75K Mit Gl 12 kann dann die W rmemenge Q12 berechnet werden um die Temperatur nderung AT gt eines Mediums von Zustand 1 zu Zustand 2 zu erzeugen p konst Berechnung der Warmemenge 8 5 49 Q c m AT GI 12 Q2 gt W rmemenge J c gt spezifische W rmekapazit t des Mediums J kg K m gt Masse des Mediums kg gt AT Temperatur nderung K 153 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Im Falle der Dickdarmgewebeerw rmung sind die geleistete W rmemenge sowie der Temperaturunterschied bekannt Das Medium Dickdarmgewebe setzt sich f r die thermodynamische Betrachtung aus einem Wasseranteil my und einem trockenen Gewebeanteil mg zusammen Deswegen werden f r beide Anteile jeweils die Masse und die spezifische W rmekapazit t mit einbezogen Diese Art der Aufspaltung bez glich des Massenanteils sowie der spezifischen W rmekapazit t des gesamten Gewebes in seine Haupteinzelbestandteile wird von Cooper et al 14 S 31 beschri
147. ellung eine komplette Dichtigkeit der Gewebeverbindung festgestellt werden welche sich ber die weitere Beobachtungszeit nicht nderte Die Anastomose zeichnete sich durch ein gutes Heilungsverhalten und eine 100 ige Durchg ngigkeit aus Eine kurz darauf folgende Untersuchung um Costello et al 11 verfolgte die gleiche Anastomosenherstellungsweise End zu End am Dickdarm vom Hase wie bei Sauer et al Auch hier wird das gleiche Stentfabrikat zur exakten Ausrichtung beider Darmenden zueinander verwendet Eine Fusionsbewertung wurde durch das Testen der Berstdruckfestigkeit angestellt Diese zeigte eindeutig h here Werte als die konventionelle Nahtverbindung sowohl kurz nach der Anastomosenherstellung als auch bis zu 14 Tagen danach Ebenfalls ist in dieser Studie die Tendenz erkennbar dass der Heilungsprozess die G te der lasererzeugte Gewebeverbindung verbessert Prinzipiell zeigten die Untersuchungen des lasergest tzten Gewebeverbunds an Darmgewebe die gleichen Vorteile aber auch Probleme wie bei Blutgef en Es konnte eine durchgehende Gewebeverbindung f r beide Gewebearten erzeugt werden welche eine Dichtigkeit in den meisten F llen garantierte Das Heilungsverhalten bei sachgerechter Anwendung ist dem der konventionellen Techniken berlegen denn es werden keine k rperfremden Stoffe eingebracht was sich zus tzlich positiv auf das Entz ndungspotential auswirkt Problempunkte stellen haupts chlich die genaue Positionierung beide
148. em LigaSure Impact Instrument erzeugt worden Folgende Rubriken von links nach rechts sind aufgetragen Dickdarm ohne Zusatz DD Rubrik 1 Dickdarm mit Zusatz Elastin DD Elastin Rubrik 2 Arterie Arterie Rubrik 3 Dickdarm mit Zusatz Lyoplant DD Lyoplant Rubrik 4 Lyoplant Lyoplant Rubrik 5 und Elastin Elastin Rubrik 6 183 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses In diesem Kapitel wird der lasergest tzte Gewebefusionsprozess anhand eines Modells analysiert Dabei werden der Energieeintrag sowie die elektrische Leitf higkeit des Gewebes n her beleuchtet Ziel ist es mittels einer Prozessbeschreibung die gemessenen Daten im Versuch zu verstehen Explizit soll die Frage beantwortet werden ob sich die im Versuch ben tigten Energieeintr ge sowie die sich ergebenen Impedanzverl ufe durch die Theorie best tigen lassen F r die Aufstellung eines theoretischen Prozessmodells wird ein Prozess mit konstanter Laserleistung konstant 34W zu Grunde gelegt Zum besseren Verst ndnis der Prozessthermodynamik sowie des elektrischen Gewebewiderstands welche die Grundlage des Prozessmodells bilden sind nachfolgend exemplarisch ein Impedanzverlauf sowie der dazugeh rige Temperaturverlauf f r einen Prozess mit konstanter Leistung von 34W dargestellt siehe Abbildung 95 Der Prozess wird aufgeteilt in zwei Prozessphasen
149. en ein anderer bipolarer HF Generator verwendet wurde Vio 300D ERBE Elektromedizin T bingen Deutschland Neben der Gewebeimpedanz als Feedbackgr e f r die Prozessregelung sowie der Bewertung der Gewebetemperatur zeigte die Variation der Gewebefl chenpressung Einstellbar durch den flexiblen Laboraufbau einen Einfluss auf die G te der Fusion Bewertung der Berstdruckfestigkeit Diesbez glich erzeugte der HF Gewebefusionsprozess unter Verwendung einer Fl chenpressung von ca IN mm f r Arterien mit einem Durchmesser von ca 3 5mm bis ca 5 5mm die h chsten Berstdruckfestigkeiten 545 168mmHg Unter Verwendung des LigaSure Impact Instruments anstatt der Laborelektroden steigt die Berstdruckfestigkeit im Mittel bis auf ca 700mmHg Dieses Festigkeitsniveau wird auch in der Untersuchung von Kennedy et al 29 welche unter nahezu identischen Prozessbedingungen arbeitete erreicht Auch die Untersuchungen von Wallwiener et al 69 zeigen einen vergleichbaren maximalen Berstdruckmittelwert 510 233mmHg f r gleichkalibrige Arterien In dieser Arbeit zeigt sich vor allem f r gro kalibrige Arterien Durchmesser gt 6mm eine st rkere Reduzierung der Festigkeit Selbst mit dem LigaSure Impact Instrument werden lediglich 250mmHg 300mmHg erreicht Es ist also eine Festigkeitsabh ngigkeit bez glich des zu fusionierenden Gewebevolumens vorhanden was sich in der Herstellerangabe des Instruments bez glich der maximal versiegelba
150. en Querschnittsflache kann der erste Teil von GI 14 zu einer Konstante k zusammengef hrt werden Pigs k k 350m DAO M 980 GI 16 Pioc gt spezifischer elektrischer Widerstand bei 100 C Om l gt L nge des elektrischen Leiters Gewebedicke m A gt Querschnittsfl che des Leiters ITO Messbereich m gt Konstante Q Die Konstante k vereinfacht GI 14 und f hrt zum zweiten ben tigten Ansatz zur Berechnung der Wassermasse my Z eze GI 17 157 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Ziel ist es durch die zwei Ans tze GI 13 und GI 17 die Wassermasse des Gewebes zu bestimmen um anschlie end mittels der Verdampfungsenthalpie H den ben tigten Gesamtenergieeintrag zur Austrocknung des Gewebes zu errechnen m gliches Abschaltkriterium des Prozesses Bei Umgebungsdruck betr gt die Verdampfungsenthalpie H von Wasser 2257 5kJ kg Die thermodynamische Berechnung der Verdampfungsenergie ist wie folgt definiert Berechnung der Verdampfungsenergie Q m H GI 18 Qy gt Verdampfungsenergie kJ mw gt Wassermasse des Gewebes kg H gt Verdampfungsenthalpie von Wasser bei Umgebungsdruck kJ kg Nachfolgend werden die zwei Ansatzgleichungen GI 13 und GI 17 weiter entwickelt ae aE GI 13 umstellen nach mg Mg Qnin Cw Mw GI 19 Cg AT GI 17 ableiten nach mw A eee dmy My dZ dy 61 20 My dZ gt Impedanz nderung AZ in der Impedanzsteigungsmessphase
151. en entstehenden Gewebesch digungen zugeordnet und so als wichtigster Prozessparameter dargestellt Grunds tzlich wird eine Temperatur propagiert die gerade so hoch sein soll um die ben tigten Struktur nderungen f r eine Gewebeverbindung zu erzeugen und kollaterale thermische Sch digungen zu minimieren Diesbez glich fokussierten sich viele weitere Untersuchungen auf den Sektor der lasergest tzten Gewebeverbindung auf die Implementierung einer temperaturkontrollierten Laserleistungssteuerung So auch Poppas et al 45 welche einen temperaturgesteuerten Nd YAG Laser 1320nm verwendeten um das Koagulationsverm gen dieses Systems an Schweinehaut zu testen Dabei diente ein Pyrometer welches im Handst ck integriert war als Temperatursensor ber einen Rechner wurden die Daten verarbeitet und die Laserleistung angepasst sodass ein voreingestelltes Temperaturniveau 65 C 75 C 85 C oder 95 C mit geringer Abweichung eingehalten werden konnte Bez glich der Zugfestigkeit der Gewebeverbindung Verbindung zweier Hautst cke zeigt sich direkt nach der Fusionserzeugung ein Festigkeitsanstieg mit steigender Fusionstemperatur Dies relativierte sich jedoch nach 3 bzw 8 Tagen im Verlauf der Wundheilung Nach dieser Zeit wiesen die mit hoher Temperatur erzeugten Verbindung deutlich geringere Festigkeiten auf Die gleiche Arbeitsgruppe zeigte anschlie end die erfolgreiche Anwendung des temperaturgesteuerten Lasersystems bei einer Arteriotomie I
152. en linear skalierbar Als schwarze Linie ist in den Diagrammen die berechnete SOLL Impedanzsteigung eingezeichnet Der Umschaltzeitpunkt von konstanter Leistung auf die Regelungsphase wird mittels einer schwarzen gestrichelten Linie gekennzeichnet Bei allen vier Versuchen unabh ngig vom Regelungsstart steigt die Temperatur zun chst sehr langsam an Sobald das Impedanzminimum erreicht wird und anschlie end die Impedanz wieder steigt steigt ebenfalls die Temperatur schlagartig bis auf 145 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses ca 85 C bis 95 C an Im Prozess ist dieser Zeitpunkt deutlich durch den Verdampfungsstart von Wasser gekennzeichnet Sichtbar wird dies sowohl in den Thermografiebildern welche deutlich Dampfblasen zeigen als auch in den unruhigen Temperaturverlaufen ab diesem Zeitpunkt Im weiteren Prozess wird meist dieses Temperaturniveau gehalten was ein stetiges Verdampfen von Wasser bewirkt In den hier gezeigten exemplarischen Temperaturverlaufen werden auch regelungsbedingte Verlaufsmerkmale sichtbar So wird beispielsweise durch das Einhalten der SOLL Impedanzsteigung in beiden Regelungsarten der Laserleistungspegel zum Teil komplett auf OW geregelt was jeweils zu einem Temperaturabfall f hrt vgl Versuch oben rechts und Versuch unten links Diese Temperaturabf lle sind so gro dass die Wasserverdampfung unterbrochen wird T
153. enn f r die elektrische Gewebeleitf higkeit ist haupts chlich der Wasseranteil verantwortlich So w rde sich eine hohe Impedanzsteigung f r ein Gewebe ergeben welches einen geringeren Wassermassenanteil besitzt und umgekehrt Da der elektrische Leitwert reziprok zum 154 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses spezifischen elektrischen Widerstand p ist o 1 p kann folgender Zusammenhang aufgestellt werden Allgemeiner Zusammenhang der Impedanz mit dem spezifischen Widerstand den geometrischen Verh ltnissen sowie den Gewebemassenanteilen z p 4 22 61 14 Z gt Impedanz in der Steigungsmessphase Q p gt spezifischer elektrischer Widerstand Om l gt L nge des elektrischen Leiters Gewebedicke m A gt Querschnittsfl che des Leiters ITO Messbereich m7 Me gt Masse des trockenen Gewebeanteils kg mw gt Masse des Wasseranteils im Gewebe kg Der spezifische Widerstand Pstarr des Gewebes in Verbindung mit dem entwickelten Elektrodensystem kann mittels der Startimpedanzen Zstat der bisher durchgef hrten Versuche bestimmt werden Hierzu werden die Werte aus Tabelle 19 siehe Anhang A5 und Abbildung 72 links herangezogen Diese befinden sich in einem Gesamtbereich von ca 1500 bis 4500 f r alle Dickdarmgewebe Die L nge des elektrischen Leiters ist die Gewebedicke welche sich im Bereich von ca 200um bis 500um bel uft Entsprechend dazu spiegelt die Fl che des ITO M
154. er Phase generiert F r den Strom zeigt sich ein sehr gering abfallender Verlauf Abbildung 26 wodurch sich f r eine konstante Leistung die Spannung erh hen muss Abbildung 25 Die Spannung korrigiert zus tzlich auftretende Impedanzeinbr che bzw Unregelm igkeit Abbildung 25 sodass die Impedanzsteigung von 800 s im Mittel erreicht wird Bez glich der Prozessenergieeintr ge zeigt sich eine Abh ngigkeit des Gesamtenergieeintrags von dem Energieeintrag bis zum Impedanzumschlag Zeitpunkt des zweiten charakteristischen Messpunktes Der Anteil des Energieeintrags bis zum Impedanzumschlag Abbildung 30 in der Leistungskurve durch eine rote Umrandung gekennzeichnet betr gt ca 57 bis 67 des Gesamtenergieeintrags Weiterhin ist deutlich erkennbar dass instrumentenunabh ngig die Arterien aus der Gr enklasse gro einen signifikant h heren Gesamtenergieeintrag erhalten siehe Abbildung 30 Diese Abh ngigkeit wird durch die Auswertung der Prozesszeiten weiter verdeutlicht So sind die Prozesszeiten f r gro e Arterien l nger als die f r mittlere Gr en Die Zeitdauer der Sensing Phase ist mit ca 100ms f r alle Versuche konstant Im Gegensatz dazu ist die Heating Phasen Dauer abh ngig vom Gewebe und vom Instrument So ist beispielsweise im Falle der Arterien gro unter Verwendung des LigaSure STD Instruments die Heating Phase l nger als bei den mittleren Gef en mehr Energieeintrag not
155. er verschiedenen Versuchsreihen dargestellt werden ist in diesem Anschnitt eine qualitative Prozessbeobachtung beschrieben F r die Anwendung des HF Gewebefusionsprozesses sind f r den Benutzer nur wenige Handlungsschritte durchzuf hren Zun chst muss das Instrument mit dessen Stecker am Generator angeschlossen werden Die Wahl der Steckerbuchse im Bedienfeld 3 siehe Abbildung 8 ist beliebig Durch das Einschalten des Generators und die Wahl der Leistungsstufe im Bedienfeld 3 siehe Abbildung 8 ist das Applikationssystem prozessbereit Der Benutzer positioniert das zu fusionierende Gewebe zwischen die Zangenbranchen und schlie t diese bis zur Einrastung Danach kann der Prozess wahlweise durch Dr cken des Fu schalters oder des Handschalters am Instrument gestartet werden Der Generator beginnt mit der Bestromung Zun chst ist visuell bis ca 1 5s nach Prozessstart nichts festzustellen Zu diesem Zeitpunkt kommt es zur Verdampfung der Gewebeflissigkeit Zum Teil kann dieser Verdampfungsstart sehr heftig ausfallen und sich nahezu 58 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom explosionsartig ereignen Zus tzlich schrumpft das Gewebe in einem gewissen Ma e in sich zusammen Der Verdampfungsvorgang wird bis zum Prozessende gehalten welches ca 4s 7s nach dem Start auftritt Anschlie end gibt der Generator eine akkustische Prozessbewertung Ist diese positiv so kann der Benutzer
156. ergieeintrag die Gewebetemperatur in kleinen Bereichen sehr hoch werden kann Abh ngigkeit der max Temperatur von dem Berstdruck e Gr enkl klein T 108 8 Koeffizient 0 07 max mean 135 Gr enkl mittel T 108 6 Koeffizient 0 26 max mean Gr enkl gro T 101 8 Koeffizient 0 17 130 max mean 140 125 ak N oO se C max Temperatur C _ oO on oO on Er oO oO 95 90 N 100 200 300 400 500 600 700 Berstdruck mmHg Abbildung 39 Auftragen aller Temperaturmaximalwerte zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags ber der jeweiligen Berstdruckfestigkeit Dargestellt in der Legende sind Mittelwerte und Standardabweichung der Maximaltemperatur sowie die Korrelationskoeffizienten Bez glich der Auswertung der 131 vorhandenen Temperaturverl ufe Anzahl der Versuche der gesamten Versuchsreihe wurde die Hypothese aufgestellt dass die Berstdruckfestigkeit der Arterien im Zusammenhang mit der Maximaltemperatur zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags steht Daf r wurde in Abbildung 39 jeweils der Temperaturmaximalwert 78 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom ber dem dazugeh rigen Berstdruck aufgetragen Gr enklassendifferenzierung Eine Korrelation dieser Abh ngigkeit ist durch die Berechnung der Koeffizienten siehe Legende in Abbildung 39 nicht vorhanden Alle Mittelwerte der Gr e
157. es Elektrodenaufbaus sich ein systembedingter Widerstand einstellt Dieser ist in der Messung zu ber cksichtigen und als Offset ca 1350 innerhalb einer Systemkonfiguration konstant von den Messwerten zu subtrahieren Also wird bei dieser Kalibration der genauere Messbereich bei ca 250 300 Gewebewiderstand liegen So k nnen die Gewebeimpedanzen zum Prozessstart besonders genau gemessen und somit besser diskriminiert werden Dies ist nach der Erfahrung aus dem HF Prozess wichtig um eine Gewebecharakterisierung zu erm glichen und in Folge den Prozess zu beeinflussen In Abbildung 57 sind die prozentualen Abweichungen der Impedanzmessung zur SOLL Impedanz aufgezeigt Dabei wurden mit n 10 jeweils der Mittelwert und die Standardabweichung berechnet Durch die Darstellung des Bestimmtheitsma es mit R 0 77 ist ein klarer linearer Trend zu gr eren Abweichungen bei h heren Impedanzen zu erkennen Mit einer Abweichung von gt 2 5 ab einer Impedanz von 6000 zeigt sich ein erheblicher Fehler welcher nicht akzeptabel ist Um eine genauere Messung zu erreichen muss eine Kalibration mit mehreren Kalibrationspunkten gew hlt werden Diesbez glich werden drei Kalibrationswiderst nde verwendet wobei ein Widerstand rein kapazitiv ist und somit auch eine Kalibration des Imagin rbereichs Imagin ranteil wird durch kapazitive Strukturanteile im Gewebe erzeugt z B Zellmembranen Vgl Kapitel 1 2 1 vorgenommen wird 108 Kapitel 3 Entwicklu
158. ess wird das Regelverhalten des Generators und der grunds tzliche Prozessverlauf f r alle mit dem ForceTriad Generator durchgef hrten Gewebefusionen erkl rt Die Prozesscharakteristik bez glich der elektrischen Gr en ist bei allen Versuchen gleich Variabel sind lediglich abh ngig von den Gewebeeigenschaften die Prozessdauer sowie die sich einstellenden Werteniveaus bzw Maximalwerte der elektrischen Gr en Explizit zeigt Abbildung 23 die Spannung den Strom die Leistung und die Impedanz als normierte Werte ber der Prozesszeit So sind die Zusammenh nge zwischen den elektrischen Gr en direkt ersichtlich Aus dem Diagramm ist zu erkennen dass Strom und Spannung am Anfang ein konstantes Niveau annehmen Entsprechend dadurch ergibt sich ein bestimmter Impedanz und Leistungspegel Diese Phase dauert ca 100ms und ist in dieser Arbeit als Sensing Phase benannt worden In dieser Phase wird wahrscheinlich eine Gewebecharakterisierung durchgef hrt woraus Informationen f r das Festlegen bestimmter Prozessregelgr en entnommen werden Nach dieser Sensing Phase beginnt der eigentliche Fusionsprozess und Strom und Spannung werden erh ht Folglich steigt die Leistung an was eine massive Erh hung des Energieeintrags in das Gewebe zur Folge hat In diesem Bereich des Leistungsanstiegs durch den Anstieg von Strom und Spannung sinkt die Impedanz stetig bis zu einem Minimum Nach diesem Minimum folgt schlagartig eine Impedanzerh hu
159. essbereichs auf den Glaselektroden die Querschnittsflache des elektrischen Leiters wider Diese betr gt 12 5mm bei einem Durchmesser von 4mm Da bekannt ist dass die Gewebedicke nicht eindeutig mit den sich einstellenden Startimpedanzen korreliert wird f r die Berechnung des spezifischen Widerstandes start der gesamte Gewebedickenbereich mit dem gesamten Startimpedanzbereich kombiniert Die Querschnittsfl che bleibt konstant Die Berechnung des spezifischen elektrischen Widerstandes Pstart zum Zeitpunkt des Prozessstarts bei 25 C A P start Z start F GI 15 Das Ergebnis der spezifischen Widerstandsberechnung zum Prozessstart ist nachfolgend in einem 3D Diagramm dargestellt Darin ist der spezifische Widerstand ber dem Bereich der Gewebedicke sowie ber dem Bereich der Startimpedanz aufgetragen Das eingezeichnete 155 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Gitter zeigt die Schrittweite der Berechnung f r beide Bereiche Der Mittelwert 11 50m des spezifischen Widerstandes ist mit einem roten Kreuz markiert Berechnung des spez Widerstandbereiches durch Variation von Gewebedicke und Startimpedanz 30 20 10 450 spez Widerstand Om 400 350 8 oo 450 300 400 a i i ag a a 300 a 200 250 gt 150 Startimpedanz Q Gewebedicke um 200 p to Abbildung 77 Darstellung des errechneten spezifischen Widerstandsbereichs Die Berechnung erfolgte durch die Variation
160. essende an Zum Prozessende werden dann deutlich unterschiedliche Impedanzniveaus erreicht Der Bereich streckt sich von sehr hohen 965 370 f r d nnes Gewebe bis hin zu niedrigen 230 160 f r dickes Gewebe Bez glich der Sch lfestigkeit zeigen die errechneten Mittelwerte auch eine m gliche Tendenz Die h chsten Mittelwerte werden von den Gewebedicken medium erzielt 0 094 0 033N mm und 0 103 0 052N mm Dickes Gewebe generiert die niedrigsten Festigkeiten 0 075 0 023N mm 132 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Interpretation der Ergebnisse Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe 2 zeigen eine gewebeabh ngige Auspr gung des Impedanzverlaufs Alle Versuche sind unter gleichen Prozessbedingungen durchgef hrt worden 30W 13 3s und 0 3N mm generieren aber verschiedene Impedanzverl ufe Ein Prozess in dem feste vorgegeben Impedanzverl ufe durch eine Regelung abgefahren werden sollen ist daher nicht sinnvoll da beispielsweise ein dickeres Gewebe eine hohe Steigung Steigung nach dem Impedanzknick nach dem Vorbild der d nnen Gewebe nur unter Einsatz von sehr hohen Leistungen erreichen w rde Hohe Leistungen wiederum f hren zu Karbonisation bzw zur Zerst rung des Gewebes siehe Versuchsreihe 1 Gleichwohl sind f r d nne Gewebe niedrige Steigungen nicht sinnvoll da diese nur mit sehr geringer Leistung erreicht werden In diesem Falle w rde der Prozess unn tigerweise in
161. et 300 a g E ae S 200 Aufheizphase min Verdampfungsphase min Aufheizphase max Verdampfungsphase max Impedanzverlauf Versuche 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Zeit s 100 Abbildung 101 Vergleich der modellhaft berechneten Impedanzverl ufe mit zwei exemplarischen Impedanzverl ufen aus Gewebefusionsprozessen Die zwei dargestellten theoretischen Impedanzverl ufe zeigen den m glichen Impedanzverlaufsbereich den das aufgestellte Prozessmodell bedient Beide Verl ufe sind zur Prozessphasenunterscheidung zweifarbig dargestellt Als Volllinie ist der Prozess mit minimalem Gesamtenergiebetrag gezeichnet d nnes Gewebe mit geringem Wassergehalt Im Gegensatz dazu der gestrichelte Linientyp f r den Prozess mit maximalem Gesamtenergiebetrag dickes Gewebe mit hohem Wassergehalt 5 3 Zusammenfassung Das in diesem Kapitel aufgestellte Prozessmodell hat das Ziel zu pr fen ob die im Versuch ben tigten Energieeintr ge sowie die entstandenen Impedanzverl ufe durch einfache plausible Annahmen nachgebildet werden k nnen Durch Berechnungen aus dem Bereich der Thermodynamik als auch der elektrolytischen Leitf higkeit konnte ein gut angen hertes Prozessmodell aufgestellt werden Im ersten Teil des Prozessmodells werden die energetischen Prozessverh ltnisse betrachtet Diesbez glich werden der notwendige Energieaufwand f r das Gewebe sowie die vorhandenen Hauptenergieverluste f r die Aufheizphase die Verdampfu
162. ewebehlstologie un ak 24 1 3 1 Histologie und struktureller Aufbau von Arterien arteria 24 1 3 2 Histologie und struktureller Aufbau von Dickdarmgewebe colon 27 Allgemeines Kollagen basiertes Modell zur Erkl rung des thermischen Gewebefusionsmechanismus auf biologischer Ebene ssssscccsssssssssssseceees 30 Struktur und Ziel dieser Arbeit cccecseccsccccccecceccecccccceccescesceccecscescescesceccees 34 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom sccsssecssssceesssees SD 2 1 Material und Methode n cccccccccccecccccesccscceccecceccecccscesscsscuccescescesscesouscesees 36 2 1 1 Vorstellung des ForceTriad Generators zur Erzeugung von Gewebefusionen durch Verwendung von hochfrequentem Strom 36 2 1 2 Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung des HF Gewebefusionsprozesses cccccccccccsssessnsesececececesseseneeeeeescsssnsssaeeeeeesenseeeees 40 2 1 3 Aufbau eines Pr fstandes zur Untersuchung der Berstdruckfestigkeit von Blutgef en arteria carotis vom Schwein 45 2 1 4 Versuchsproben arteria carotis und colon vom Schwein und deren Pr paration a haaeccede sei ee uddc ees E E seater naones 49 2 1 5 Planung und Durchf hrung von Versuchsreihen scccccsesssecesssseeeeseseeeees 52 2 2 ErBEbNISSsE nese a e e laser 58 2 2 1 Qualitative Gewebefus
163. f collagen substructure allows microsurgical tissue welding Science 232 1421 1422 1986 Seoane F Ferreira J Sanchez J J Brag s R An analog front end enables electrical impedance spectroscopy system on chip for biomedical applications Physiological Measurement 29 267 278 2008 Sigel B Dunn M R The mechanism of blood vessel closure by high frequency electrocoagulation Surgery Gynecology amp Obstetrics 121 823 831 1965 Smith S R Foster K R Dielectric properties of low water content tissues Physics in Medicine and Biology 30 No 9 965 973 1985 Smulders J F de Hingh I H J T Stavast J Jackimovicz J J Exploring new technologies to facilitate laparoscopic surgery creating intestinal anastomoses without sutures or staples using a radio frequency energy driven bipolar fusion device Surgical Endoscopy 21 2105 2109 2007 Sobotta J Hammersen F Histologie Farbatlas der mikroskopischen Anatomie Urban amp Schwarzenberg 3 Auflage 1985 Spector D Rabi Y Vassermann l Hardy A Klausner J Rabau M Katzir A In vitro large diameter bowel anastomosis using a temperature controlled laser tissue soldering system and albumin stent Lasers in Surgery and Medicine 41 504 508 2009 Spornitz U M Anatomie und Physiologie Lehrbuch und Atlas Springer Verlag Berlin Heidelberg 2 Auflage 1996 229 Literatur 61 62 63 64
164. f r die hervorragenden mechanischen Eigenschaften ist Lumen gt Intima Elastica SEE interna 2 S e eS os x lt ee ee ZZ em EP E ZEEFZ Se SSS Adventitia Vasa vasorum Abbildung 5 Histologie einer Arterienwand des elastischen Typs F rbung Orcein 60x Verg erung modifiziert nach 58 S 126 Zu sehen sind die drei Hauptsektionen des Wandaufbaus Intima Media und Adventitia Reihenfolge vom Lumen der Arterie nach au en Zus tzlich sind die interne elastische Membran elastica interna sowie die Versorgungsgef e vasa vasorum in der u eren bindegewebsartigen Adventitia gut zu erkennen 25 Kapitel 1 Einleitung Adventitia Die Adventitia ist die u erste Wandschicht der Arterie Sie bernimmt die Funktion die Arterie in das umliegende Gewebe strukturell zu integrieren und besteht haupts chlich aus Bindegewebe Fettzellen sowie Kollagenb ndeln Die Kollagenb ndel zeigen sich im inneren Adventitiabereich wesentlich strukturierter und laminarer enger gepackt als am u eren Rand dieser Schicht Dort sind die Kollagenfasern ungeordnet und aufgelockert 18 Zus tzlich sind bei gr eren Arterien in der Adventitia kleine Versorgungsgef e Vasa vasorum integriert Biomechanische Eigenschaft der Arterienwand Kollagen Typ ist der haupttragende Strukturanteil im Arteriengewebe 60 Typ 30 Typ III 10 Typ V 64 und erzeugt an sich eine steife Rohrgeomet
165. f Oms 200ms 500ms 100ms und 2000ms Zu jeder dieser Zeiten werden 5 Versuche durchgef hrt Um den Einfluss m glicher Gewebeunterschiede zwischen den Arterienst cken zu unterbinden wird an einem l ngeren Arterienst ck jeweils ein Versuch f r jede Zeitspanne durchgef hrt siehe Abbildung 41 rechts So wird garantiert dass innerhalb der einzelnen Zeitspannen keine Berstdruckfestigkeitsstreuung auf Grund von Gewebeunterschieden erzeugt wird Als Elektrodenpaar kommt das LigaSure Impact Instrument zum Einsatz Bez glich des Gewebes werden ausschlie lich Arterien Spezies Schwein aus der Gr enklasse mittel verwendet Als Ergebnis zeigt Abbildung 42 eine Zunahme der Berstdruckmittelwerte mit zunehmender Dauer der Keeping Phase wobei selbst zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags schon im Mittel eine Festigkeit von ca 450mmHg erreicht wird Ein deutlicher Effekt ist jedoch die Minimierung der Standardabweichung mit zunehmender Prozessdauer Ausrei er mit geringen Festigkeitswerten werden bei h herer Zeitdauer im Gegensatz zum Zeitpunkt Oms nicht produziert Die L nge der Keeping Phase hat also erheblichen Einfluss auf die Zuverl ssigkeit und Reproduzierbarkeit einer festen Gewebefusion 81 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Berstdruckmittelwert n 5 Uber der Zeitdauer der Keeping Phase 800 700 22 oO oO a oO oO Berstdruck mmHg w gt
166. fbau und in Kapitel 2 1 5 die Planung und Durchf hrung der Versuche beschrieben Die Probenbeschaffung und Pr paration ist in Kapitel 2 1 4 erl utert Im ersten Versuchsreihenabschnitt werden die elektrischen Gr en mittels f nf Versuchen alle mit Verwendung des LigaSure Impact Instruments untersucht Abbildung 43 zeigt die normierten Strom Spannungs Leistungs und Impedanzverl ufe des ersten exemplarisch der f nf durchgef hrten Versuche Spannung Strom Impedanz Leistung vs Zeit 1 0 u _ 825 VJ A N max 09 AE w NAA inex 3 3 TAI g m re Mn Z ax 367 0 2 li Mu WW Freee 171 W Y 80 7 i nt z a N S 305 ji a I i 1 gos u 5 03 My D M S MA 202 La c 4 S NAY N 0 14 an ie L u i rn 1 2 5 6 3 Zeit s Abbildung 43 Normierter Strom Spannung Leistung und Impedanzverlauf des exemplarisch dargestellten Versuchs der Versuchsreihe zur Untersuchung der elektrischen Parameter bei der Fusion von Dickdarmgewebe 83 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Innerhalb dieser Verlaufe sind die einzelnen in den vorhergehenden Untersuchungen an Arterien definierten Prozessphasen Sensing Phase Heating Phase und Keeping Phase gut erkennbar Bez glich der Verlaufscharakteristik sind ebenfalls keine Unterschiede zu den Ergebnissen mit Arterien zu nennen
167. fekte haupts chlich in der anf nglichen Verdampfungsphase auftreten siehe den in Form einer Potenzfunktion ansteigenden Impedanzverlaufsbereich Das in diesem Kapitel erarbeitete Prozessmodell beschreibt den tats chlichen Gewebefusionsprozess in sehr guter N herung Im Bereich der Energieeintr ge sowie der Impedanzverl ufe konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden welche f r eine weitere Prozessoptimierung im Ausblick hilfreich sind 210 Kapitel 6 Diskussion 6 Diskussion Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Realisierung eines laserbasierten Fusionsprozesses f r Dickdarmgewebe colon Um f r diese Entwicklung die notwendigen Grundlagen zu erarbeiten ist zun chst ein in der Chirurgie etabliertes medizintechnisches Ger t ForceTriad Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA zur Blutgef versiegelung H mostase hinsichtlich seiner Arbeitsweise untersucht worden Dieses bipolare mit hochfrequentem Strom HF arbeitende Fusionsger t spiegelt den aktuellen Stand der Technik wider und bot dadurch beste Voraussetzungen zur Sammlung wichtiger Erkenntnisse ber eine erfolgreiche Prozessf hrung im Sektor der Gewebefusion explizit f r Arterien bis zu einem Durchmesser von 7mm Mit dem HF Laboraufbau wurde das Monitoring der elektrischen Gr en w hrend des Prozesses erm glicht was essenziell f r die Prozessbewertung im Detail sowie im Ganzen war Die Analyse zeigt dass der Prozess in drei P
168. fl sse ab Dabei stehen die Energieeintragsdynamik die Flachenpressung des Gewebes und der Gewebezustand im Fokus Die Energieeintragsdynamik beschreibt die Art und Weise der Energieapplizierung und soll eine Erkenntnis liefern inwieweit eine schnelle bzw langsame Gewebeerw rmung die Fusionsg te beeinflusst F r die Applizierung der Energie wird eine konstante Leistung ber den Prozess eingestellt Dieser konstante Leistungspegel multipliziert mit der Dauer der Bestrahlung ergibt den Energieeintrag in das Gewebe wobei f r die Dynamikuntersuchung Leistungspegel und Zeit bei gleichem Energieeintrag variiert werden Bez glich der Fl chenpressung soll ebenfalls wie bei den HF Gewebefusionsuntersuchungen ein optimaler Bereich gefunden werden Da sich schon bei der HF Dickdarmfusion Kapitel 2 2 5 gezeigt hat dass sich das Dickdarmgewebe st rker zusammenpressen l sst als Arteriengewebe wird auch in dieser Versuchsreihe eine Fl chenpressungsvariation unter IN mm gew hlt Die Variation des Gewebezustands beschreibt zum einen die Verwendung von schlachtfrischem Probenmaterial und zum anderen die Verwendung von aufgetautem eingefroren bei 20 C Gewebe Durch eine 115 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses zus tzliche Verwendung von aufgetautem Gewebe k nnte die Versuchsplanung und Versuchsdurchf hrung der folgenden Prozessentwicklung wesentlich vereinfacht werden da schlachtfrisches Probenmaterial au
169. fnahmezeit definiert Fur die Untersuchungen in dieser Arbeit ist ausschlie lich die maximale Bildaufnahmefrequenz von 880Hz verwendet worden Ausgewertet wurden die Thermografien mit der produktspezifischen Software F r die Thermografie ist ber den gesamten Bildbereich eine Emissivit t von 1 angenommen Menschliche Haut weist eine Emissivit t von 0 97 0 98 27 auf Dieser geringf gige Unterschied beeintr chtigt die Thermografie nicht das zu fusionierende Gewebe zeigt in der Thermografie Absoluttemperaturen an Die polierten Elektroden hingegen zeigen mit einer Emissivit t von ca 0 2 78 einen wesentlich geringeren Wert und sind dadurch nur f r Relativmessungen Temperaturerh hungen geeignet 44 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Bez glich der Thermografieauswertung ist dies nicht von Einfluss da die Auswertung ausschlie lich im Bereich des Gewebes vorgenommen wird Gewebe Arterie obere Elektrode untere Elektrode Kraftsensor Kontaktklemmen Abbildung 14 Detaillierte Darstellung des Aufbaus der Laborelektroden Gezeigt sind die obere und die untere Edelstahlelektrode sowie deren PVC Aufnahmen Kontaktiert sind die Elektroden mittels Hirschmannklemmen Mittig zwischen den Elektroden ist die eingespannte Arterie zu erkennen Der Komplettversuchsaufbau vereint die zeitsynchrone Aufnahme der elektrischen Gr en des Fusionsprozesses sowie der
170. g 53 links zeigt das komplette CAD Design des Laboraufbaus Im Zentrum des Aufbaus steht das Elektrodenpaar Die untere Elektrode ist auf einem Teflonsockel 1 befestigt welcher wiederum auf dem Kraftsensor KD 140 ME Messsysteme GmbH 6 aufliegt Der Kraftsensor misst die Druckkraft welche von der vertikal verstellbaren oberen Elektrode 2 auf das Gewebe appliziert wird Um die vertikale Bewegung der oberen Elektrode zu erm glichen ist diese an einer Linearf hrung mit manuellem Spindelantrieb 5 befestigt Das Gewebe das zwischen dem Elektrodenpaar positioniert wird kann somit durch das Generieren einer Fl chenpressung zusammengedr ckt werden Die optische Achse der Lichtleitfaser sowie die Optik zur Strahlformung 3 ist mittels einer separaten X Y Z Justageeinheit zentral ber den ITO Messbereichen angeordnet Grund f r die optische Strahlformung ist die Erzeugung eines rechteckigen Bestrahlungsspots auf dem Gewebe Die 102 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Erzeugung eines rechteckigen Spots aus einem kreisrunden Strahlprofil bewirkt eine bessere Gewebeausleuchtung die Gewebeproben sind ebenfalls auf eine rechteckige Geometrie zugeschnitten in horizontaler Richtung Diese Strahlformung ist mittels zwei Zylinderlinsen welche zueinander um 90 verdreht sind umgesetzt In der rechten Abbildung ist eine Schnittzeichnung durch die optische Achse der Laserbestrahlungseinheit dargestell
171. ger Wert f r Twechse Und Tenge f hrt Die Auswertung der berechneten Energien bzw Energiesummen sowie der sich in den Versuchen ergebene Energiebereich sind in Abbildung 98 gezeigt Die jeweiligen Energiebereiche sind als Balken dargestellt Das Balkendiagramm ist unterteilt in drei Rubriken Diese markieren die Aufheizphase die Verdampfungsphase und den Gesamtprozess Summe aus beiden Prozessphasen F r alle drei Rubriken sind jeweils der berechnete Energieaufwand f r das Gewebe der berechnete Energieverlust die Summe aus beidem sowie der Gesamtenergiebereich der sich aus den Versuchen ergibt dargestellt F r die Vergleichswerte aus den durchgef hrten Gewebefusionen wurde auf die finale Versuchsreihe mit dem geregelten Prozess zur ckgegriffen siehe Kapitel 3 2 6 Der berechnete Energieeintrag zum Erw rmen des Gewebes und zur anschlie enden Verdampfung des Gewebewasseranteils schwarze Balken in der Rubrik Gesamtprozess liegt im Bereich von ca 24J 67J Davon wird jedoch lediglich ca 1 6 f r die Gewebeerw rmung auf 100 C gebraucht siehe Rubrik Aufheizphase Die restlichen 5 6 werden f r die Wasserverdampfung aufgewendet siehe Rubrik Verdampfungsphase Die in dem hier berechneten Prozessmodell betrachteten Energieverluste Summe aller Verluste 197 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses dunkelgraue Balken liegen im Vergleich zum notwendigen Energieaufwand um ein Vielfaches h he
172. gie Laserquelle Diodenlaser 1470nm Abbildung 56 Schematische Darstellung der feedbackgesteuerten Laserleistungsregelung Impedanz Gewebe Zur Messung der Gewebeprozesstemperatur ist ebenfalls wie bei der Untersuchung des HF Prozesses eine Thermokamera mit gleichem Setup integriert Die Bildebene liegt in diesem Fall auf den vorderen Planfl chen der Glaselektroden Gemessen wird die Temperatur in einem 7mm x 7mm gro en Bildausschnitt Die laterale Aufl sung ist wiederum mit ca 30um definiert Da der Laserspot ca 1 5mm hinter der Bildebene liegt kann so die Temperatur nur n herungsweise gemessen werden Zur Veranschaulichung der Bildebenenposition kann Abbildung 54 herangezogen werden 107 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Kalibrierung der Impedanzmessung Der AD5933 liefert aus der Impedanzmessung jeweils relative ganzzahlige Werte f r den Real und Imagin rteil an den Microcontroller welche mittels einer Kalibration auf Impedanzen umgerechnet werden m ssen Hierzu ist im Handbuch des AD5933 22 eine Einpunktkalibration beschrieben Diese bezieht sich auf eine Kalibrierung des Systems durch einen Widerstand welcher in diesem Fall 159 80 betr gt Der Kalibrationswiderstand ist so gew hlt worden dass die Impedanzmessung im Bereich um diesem Wert des Kalibrationswiderstandes genauer ist als bei h heren Impedanzen Zus tzlich ist zu beachten dass durch die Weise d
173. gsbasierte Regelung zeigt sich somit durch die Verwendung von mittleren Leistungspegeln als gewebeschonender Dieser Eindruck best tigt sich durch die Auswertung der Sch lfestigkeiten Der h chste Mittelwert 0 109 0 041N mm wird mit der Regelung auf die Impedanzsteigung erreicht Die mittlere Sch lfestigkeit der anderen Regelweise sowie die der Versuche mit konstanter Leistung sind geringer jedoch berschneiden sich die Standardabweichungen sehr stark Durch die Auswertung der Regelcharakteristikg te ist festgestellt worden dass die Regelungsdefinition abh ngig von der Startimpedanz nicht anwendbar ist Die Startimpedanzen dieser Versuchsreihe verteilen sich nahezu ber den gesamten vorher festgelegten Impedanzbereich obwohl alle Dickdarmgewebe der Gr enklasse dick zugeordnet wurden Dies zeigt dass die Gewebediskriminierung nur durch Bewertung der Startimpedanz nicht eindeutig ist und dies essentiellen Einfluss auf den folgenden Prozess hat So haben beispielsweise insgesamt 10 Versuche nicht die Regelungsphase erreicht da die Umschaltimpedanz nicht passend definiert wurde Zus tzlich zeigte die Auswertung der Prozessabschaltkriterien dass alle Versuche dieser Versuchsreihe durch den maximalen Gesamtenergieeintrag beendet wurden Die jeweils berechneten Endimpedanzen als Abschaltkriterium haben in keinem Fall gegriffen waren immer zu hoch berechnet Hier gilt es eine funktionierende Gewebecharakterisierung zu definieren welche
174. gsmaximums ergibt sich ein Mittelwertbereich von ca 156W bis ca 200W welcher gr enklassen und instrumentenabh ngig ist Abbildung 27 und Abbildung 28 Bei Verwendung des LigaSure STD Instruments zeigt sich hier eine Begrenzung der Leistung durch eine Strombegrenzung auf ca maximal 175W Das LigaSure Impact Instrument weist keine Leistung bzw Strombegrenzung auf zeigt jedoch klar die h heren Leistungsmaxima f r die gro en Arterien Ab dem Impedanzumschlag bzw dem Leistungsabfall beginnt die Keeping Phase Darin wird zun chst ein vollkommener Leistungseinbruch generiert durch den Stromabfall nach dessen Maximum vermieden indem die Spannung zu diesem Zeitpunkt bis zu einem Maximum erh ht wird So wird die Leistungskurve abgefangen und auf ein niedriges Niveau geregelt Ab diesem 64 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Prozesszeitpunkt wird mit dem dritten Prozesskennwert der zeitliche Verlauf der Keeping Phase beurteilt W hrend der Keeping Phase zeigt die Impedanz eine gr enklassen und instrumentenunabh ngige Steigung von ca 800 s siehe Abbildung 29 und Tabelle 15 im Anhang A1 dZ dt zeigt gr enklassen und instrumenten bergreifend den gleichen Mittelwert und sehr geringe Standardabweichungen Daf r wird mit einem nahezu konstanten niedrigen Leistungspegel gearbeitet siehe Abbildung 27 welcher einen konstanten Energieeintrag in dies
175. gsregelung der Impedanz ist jedoch zu erkennen dass der Impedanzverlauf nach einer Regelabweichung anschlie end parallel zur SOLL Steigungslinie verl uft siehe beispielsweise Abbildung 70 unten rechts Der Prozess erreicht in diesem Fall die SOLL Impedanzsteigung und muss nicht durch einen h heren Leistungspegel die Abweichung zum absoluten Impedanzwert ausgleichen Die Steigungsregelung erzeugt im Vergleich deutlich geringere Pegelschwankungen zum Erreichen des SOLL Wertes Im Gegensatz dazu muss die Regelung auf absolute Impedanzwerte Regelabweichungen mit einem vergleichsweise hohen Pegel bzw mit einer 139 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses hohen Pegel nderung ausgleichen Dies f hrt meistens zum berschwingen der Impedanz was wiederum ein drastisches Reduzieren des Leistungspegels zur Folge hat Durch diese Charakteristik neigt diese Regelung zum Aufschwingen und dadurch zu einem nicht stetigen Energieeintrag in das Gewebe Zus tzlich zeigt sich f r den Versuch oben rechts dass gegen Ende des Prozesses der Leistungspegel an der Pegelbegrenzung agiert und selbst mit dieser hohen Leistung die Impedanz nicht auf die SOLL Impedanz regeln kann Dazu w ren in diesem Fall h here Leistungen notwendig welche wiederum wahrscheinlich eine Karbonisierung des Gewebes zur Folge h tten Die Gewebewirkung der einzelnen Prozessregelweisen wird mittels der Sch lfestigkeit bewertet In Abbildung 71 r
176. hasen aufgeteilt ist welche nacheinander abgearbeitet werden Die Sensing Phase erm glich durch das Anlegen einer konstanten Leistung von 5W ber 100ms die Ermittlung der sich einstellenden Gewebeimpedanz welche in der Folge als eine Gewebe charakterisierungsgr e fungiert und dann im weiteren Prozess in die Definition des Abschaltkriteriums einflie t Der Prozess kann sich somit auf unterschiedliche gewebeabh ngige Startbedingungen einstellen Der anschlie ende Leistungsanstieg bis auf maximal 210W erzeugt eine Gewebeerw rmung bis auf ca 100 C und sorgt damit f r den Start der Verdampfung von Gewebewasser An diesem Prozesszeitpunkt endet die zweite Phase Heating Phase und es beginnt die dritte Phase Keeping Phase welche das Temperaturniveau durch das Regeln auf eine konstante Impedanzsteigung ca 800 s h lt Dieser Temperaturverlauf siehe die Ergebnisse aus den thermografischen Prozessuntersuchungen ist die prim re physikalische Prozessgr e welche f r eine funktionsf hige Gewebefusion einzuhalten ist Dies wird ebenfalls in den Untersuchungen von Campbell et al 7 sowie von Floume et al 16 so angegeben In beiden Untersuchungen zeigen sich Prozesstemperaturen von ca 100 C und es wird deutlich auf die 211 Kapitel 6 Diskussion Wichtigkeit der Gewebeaustrocknung f r eine feste Verbindung hingewiesen Wallwiener et al 69 zeigen jedoch h here Maximaltemperaturen von ca 120 C wobei in deren Studi
177. heler M DIN orientierte Festigkeitsprufung chirurgischer Gewebeverbindungen Der Chirurg 70 316 320 1999 Campbell P A Cresswell A B Frank T G Cuschieri A Real time thermography during energized vessel sealing and dissection Surgical Endoscopy Springer Verlag York Inc 17 1640 1645 2003 Cerbe G Hoffmann H J Einf hrung in die Thermodynamik Carl Hanser Verlag M nchen Wien 13 Auflage 2002 Cilesiz l Springer T Thomsen S Welch A J Controlled temperature tissue fusion Argon laser welding of canine intestine in vitro Lasers in Surgery and Medicine 18 325 334 1996 Clark J M Glagov S Transmural organization of the arterial media The lamellar unit revisited Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular Biology 5 19 34 1985 Costello A J Johnson D E Cromeens D M Wishnow K I von Eschenbach A C Ro J Y Sutureless end toend bowel anastomosis using Nd YAG and water soluble intraluminal stent Lasers in Surgery and Medicine 10 179 184 1990 225 Literatur 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Dettmer N Elektronenmikroskopische Untersuchungen am elastischen Fasersystem des ligamentum nuchae Zeitschrift f r Zellforschung 45 265 279 1956 Beitz W Grothe K H Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau Springer Verlag 19 Auflage 1997 Duck F A Physical propert
178. hen Gewebewiderstandes und ermittelt in der Folge aus der gewonnenen Information wahrscheinlich einen Gesamtenergieeintrag als Prozessabschaltkriterium Diese Art der Charakterisierung f hrte im lasergest tzten Prozess mit Dickdarmgewebe nicht zu einer erfolgreichen Gewebeunterscheidung Deswegen wird in der ersten Prozessphase in der ein konstanter Laserleistungspegel von 34W eingestellt ist der Impedanzverlauf berwacht und es werden zwei charakteristische Prozesswerte bzw Informationen detektiert Dies sind der Energieeintrag Qmin welcher bis zum Impedanzminimum Zmin in das Gewebe eingetragen wird sowie die darauf folgende Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zmin s DIS Zmin 1 5s Beide Informationen werden zur Berechnung des Gesamtenergieeintrags prim res Prozessabschaltkriterium verwendet Diese Berechnung basiert auf der Bestimmung der Wassermasse die innerhalb des Gewebes ausschlie lich der Gewebebereich in dem der Messstrom durch das Gewebe flie t vorliegt und bedient sich des thermodynamischen Zusammenhangs dass der Energieeintrag Qmin aufgewendet werden muss um das Gewebe von Raumtemperatur auf 100 C Wasserverdampfungstemperatur zu erhitzen In diesem Aspekt korreliert der aufgewendete Energieeintrag Qmin mit dem Energieaufnahmeverm gen des vorliegenden Gewebes Mit Hilfe der gemessenen Impedanzsteigung mess im Zeitbereich von Zmins s bis Zmin 1 5s Ist es dann m glich ein Ma f r die elektrische Leitf higkeit zu ermi
179. hen in der Entwicklung eines durch die Impedanz geregelten Prozesses zun chst weitergearbeitet wird Dazu z hlt die Verwendung einer konstanten Bestrahlungsleistung von 30W ber 13 3s 400J bei einer Gewebefl chenpressung von 0 3N mm 30N Druckkraft bei 100mm Auflagefl che Zus tzlich scheint eine Sch lfestigkeit von gt 0 1N mm eine ausreichend feste Verbindung zu repr sentieren Dieser Wert liegt nur geringf gig unterhalb der Sch lfestigkeit von HF erzeugten Arterienversiegelungen sehr hohe Berstdruckfestigkeiten und wird als erste Zielgr e definiert Da der geregelte Prozess auf die Impedanz als Feedbackgr e zur ckgreift muss zun chst eine Untersuchung durchgef hrt werden die Aufschluss ber einen m glichen Einfluss des Gewebes auf den Impedanzverlauf gibt M glich ist dass aufgrund von unterschiedlichen Dickdarmgewebeeigenschaften sich die Impedanz bei gleichen Prozessbedingungen verschieden verh lt Begr ndet ist diese M glichkeit durch die Erkenntnis aus dem untersuchten HF Gewebefusionsprozesses Darin wird zum Prozessstart eine Gewebeuntersuchung Sensing Phase siehe Kapitel 2 2 2 durchgef hrt um anschlie end einen richtigen Regelprozess einstellen zu k nnen Die in Kapitel 3 1 4 beschriebene Versuchsplanung umfasst insgesamt 20 Versuche wobei f r jedes der vier unterschiedlichen Dickdarmgewebe f nf Versuche durchgef hrt werden n 5 Dieser Versuchsreihenumfang wurde an zwei Messtagen durchgef hrt un
180. hermografie Regelung auf absolute Impedanzwerte Thermografie Regelung auf absolute Impedanzwerte 3 140 Impedanz gefiltert 140 1200 Impedanz gefiltert 800 Pegel nicht skaliert 130 1100 Pegel nicht skaliert 1 130 SOLL Steigung 120 SOLL Steigung 120 700 Umschaltgrenze 1410 1000 Umschaltgrenze 110 Temperatur 900 Temperatur 1400 600 ER ee a O ia ee Data oy fi so 800 pn 90 a N 500 ii 80 5 N 700 aa 380 5 7 amp S m 470 D 600 N 400 a N rt 300 wy 150 2 400 Be ai w 150 un 140 vt 40 200 J 30 nes ER DE 130 N a 20 200 5 A 120 100 2 In iy Mi 10 100 et H 10 123 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 9 Zeit s Zeit s Thermografie Regelung auf die Impedanzsteigung Thermografie Regelung auf die Impedanzsteigung 800 Iarram 150 000 m I Impedanz gefiltert Impedanz gefiltert 170 Pegel nicht skaliert Pegel nicht skaliert 160 7001 _ SOLL Impedanzsteigung 700 SOLL Impedanzsteigung Bi 150 Umschaltgrenze Umschaltgrenze 140 600 Temperatur N 600 Temperatur a 130 as Zi 120 5500 aki R 5500 4110 400 NI 3400 i 90 3 F A 2 2 ot 180 z j E E of 70 300 yd e 300 i L J p ze A 60 j 50 200 N 200 140 i 130 7 100 i N N Ny y 120 100 TS AT i 20 A 4 WEN L r s F n I In AV N wi a
181. hiede bez glich der verschiedenen uns vorliegenden Instrumente darzustellen Die vierte Versuchsreihe zielt auf den ersten Fusionstest von Dickdarmgewebe Es soll die Frage untersucht werden in welchem Ma e der ForceTriad Prozess das Dickdarmgewebe verbinden kann und wie sich entsprechend dazu die elektrischen Gr en verhalten Die Auswertung bzw das Arbeiten mit den gemessenen Wechselstrom und Wechselspannungsrohwerten wird mit der Software Matlab 7 9 R2009b durchgef hrt Aufgrund des Messaufbaus und der begrenzten Speichertiefe des Oszilloskops siehe Beschreibung Kapitel 2 1 2 sind die Prozessmesswerte in Segmente eingeteilt Jedes Segment Dauer 1ms nimmt 5000 Rohmesswerte der Spannung und des Stroms auf Zwischen jedem Segment sind jeweils 30ms Messpause damit die begrenzte maximale Oszilloskopspeichertiefe zur Aufl sung des gesamten Prozesses reicht F r die Auswertung bzw Darstellung der elektrischen Gr en m ssen aus den Wechselstrom und 52 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Wechselspannungsrohwerten die jeweiligen Effektivwerte berechnet werden Diese Effektivwertberechnung wird f r jedes einzelne Segment vorgenommen und ergibt somit einen Wert pro Segment Die Effektivwertberechnung wird wie folgt durchgef hrt und zeigt die Quadratwurzel aus dem Mittelwert der quadrierten Einzelwerte f r die definierte Zeitspanne von 1ms 61 5 99 Spann
182. hmen Trotzdem kann unter Laborbedingen schon jetzt Kapitel 1 Einleitung gezeigt werden dass HF gest tzte Darmanastomosen hergestellt werden k nnen welche hnliche Festigkeitswerte aufweisen wie Klammernahtger te oder handgen hte Verbindungen Nichtsdestotrotz m ssen diese ersten Schritte der Prozesstransformation weitergef hrt und verbessert werden um letztlich ein sicheres und akzeptiertes medizintechnisches Ger t auf dem Markt zu etablieren 1 1 3 Bisherige lasergest tzte Gewebeverbindungen und Techniken Laut einem Review aus dem Jahr 1995 von Bass et al 2 zeigen sich die Anf nge der lasergest tzten Gewebefusion im Jahrzehentenwechsel der 1970er zu den 1980er Jahren Die ersten Arbeiten beschreiben meist die Verwendung von handgehaltenen Lasersystemen bei in vivo Eingriffen Tierversuch Es werden Studien zur ersten mit dem Nd YAG Laser erzeugten mikrovaskularen Anastomose an Ratten sowie weiterf hrende klinische Studien in diesem Bereich beschrieben Insgesamt zeigt sich in einer ersten Studie von Jain et al 25 dass die Durchg ngigkeit der lasergest tzte Anastomose End zu End kleiner Rattenarterien im Bereich von denen konventionell gen hter Verbindungen liegt Schon damals wurde der Faktor Zeit als Vorteil der energiebasierenden Methode registriert Auf diese Anf nge der lasergest tzten Gewebefusion folgten vorwiegend Untersuchungen von Gef anastomosen mit Anwendung des CO Lasers A 10um des Argon Lase
183. hnitt verringern Dieser Zusammenhang wirkt sich ebenfalls als Impedanzerh hung aus Durch Herausschleudern von fl ssigen Bestandteilen aus dem Gewebe k nnen zus tzlich potentielle Ladungstr ger lonen aus dem elektrisch leitenden Gewebevolumen entfernt werden F r eine detaillierte Prozessbeschreibung m ssten die genannten Effekte quantitativ bekannt sein Da solche Daten nicht verf gbar sind und nur unter unverh ltnism ig gro em Aufwand messbar w ren wird hier der umgekehrte Weg eingeschlagen In dem Prozessmodell wird versucht den berechneten Impedanzverlauf dem aus den Versuchen bekannten Impedanzverlauf anzun hern Dadurch soll ermittelt werden mit welcher Charakteristik der Wasserverlust Summe aller wasserreduzierenden Effekte innerhalb der Verdampfungsphase abl uft Der Wasserverlust zum Start der Verdampfungsphase ist 0 bezogen auf die 100 Wasseranteil im Gewebe Wverlust stat 0 Dieser Wasserverlust erh ht sich bis zum Prozessende bis auf 90 95 Wvertust ende 0 9 0 95 der urspr nglich zur Verf gung stehenden Wassermasse Dies ist gleichbedeutend mit dem im Gewebe verbleibenden restlichen Wassergehalt von 5 10 bezogen auf die 100 Wasseranteil im Gewebe bzw 3 55 8 bezogen auf die Gewebegesamtmasse Damit eine nummerische Berechnung der Impedanz mit der Schrittweite n m glich ist wird der Wasserverlust linear f r jede Schrittweite n berechnet Laufvariable ist im Bereich i 1 n GI 59
184. i Diagramme repr sentieren die Dickdarmgewebe der vier verschiedenen Schweinen T1 Tier 1 usw 172 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Darin ist der mittlere prozentuale Anteil des Leistungspegels gt 45W in der Regelungsphase aufgetragen Ziel der Regelung ist es den Anteil dieser hohen Leistungspegel gt 45W in der Regelungsphase so gering wie m glich zu halten um den Energieeintrag moderat zu gestalten Lediglich der Prozess f r die Fusion des Dickdarmgewebes T3 zeigt einen erh hten Anteil von ca 38 was sich auch in der subjektiven optischen Beurteilung der Fusionsstelle wiederspiegelt Diese waren zum Teil dunkler als die anderen Fusionsproben F r die Auswertung der eintretenden Abschaltkriterien zeigt das rechte Balkendiagramm Abbildung 87 ber alle Proben n 29 gemittelt eine nahe zu 50 Aufteilung f r das Impedanzplateau und dem berechneten Energieeintrag Unterteilt in die jeweiligen Darmgewebe T1 T4 zeigen sich jedoch Unterschiede Das Gewebe T1 wurde mit einem Anteil von 83 durch die Impedanzplateaudetektion beendet wohingegen der gr te Anteil f r den berechneten Energieeintrag beim Gewebe T2 72 liegt In allen vier Geweberubriken teilen sich diese beiden Abschaltkriterien den gr ten Anteil unter sich auf Lediglich bei Rubrik T4 sind 13 der Versuche durch die maximale Prozesszeit von 20s beendet worden Das Abschaltkriterium des absolut maximalen Energieeintrags von 600
185. iagramm als schwarzer Punkt gekennzeichnet verwendet um einen Impedanztoleranzkorridor aufzuspannen 166 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Impedanzplateaudetektion schematisch Impedanz Prozessende e P1 S N c o Oo G a Korridor Gr e ist abh ngig von SOLL Impedanzsteigung Detektionsstart bei Zeit s 80 von Oges Abbildung 84 Erkl rung der Impedanzplateaudetektion in einer schematischen Impedanzverlaufsdarstellung Die berwachung des Impedanzverlaufs beginnt bei 80 von Qges siehe P1 schwarzer Punkt Aufspannen von Toleranzkorridoren abh ngig von der SOLL Impedanzsteigung Z hlen der folgenden Impedanzmesswerte die innerhalb des Korridors liegen berschreitet die Impedanz innerhalb von 50 Messwerten den Korridor wird an diesem Punkt ein neuer Korridor aufgespannt beispielsweise der gr ne und rote Korridor Sind jedoch alle 50 Messwerte entspricht 250ms innerhalb des Korridors so wird ein Impedanzplateau detektiert und der Prozess beendet Die Weite des Korridors bzw die Toleranzweite wird mit 20 der SOLL Impedanzsteigung definiert und wird damit an die Impedanzsteigung angepasst Ein Impedanzplateau wird detektiert wenn nachdem ein Korridor aufgespannt wurde 50 aufeinanderfolgende Impedanzmesswerte innerhalb dieses Korridors liegen 50 Messwerte ergeben bei einer Abtastfrequenz von ca 200Hz ein Zeitfenster von ca 250ms f r die Detektio
186. ich st rker verrauschte Verlaufscharakteristik f r 87 300 200 100 Impedanz 0 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Darmgewebe in der Keeping Phase was auf das Austreten von Wasserdampf durch die Bildebene der Thermokamera zur ckzuf hren ist Grund f r diesen unterschiedlichen Temperaturverlauf ist der unterschiedlich hohe Wassergehalt der zwei Gewebearten In der Literatur wird f r menschliche Arterien ein Wassergehalt von 53 bis 78 und f r Darmgewebe 77 bis 82 angegeben 14 5 320 Beim Menschen ist also grunds tzlich ein h herer Wassergehalt im Dickdarm als in den Arterien vorhanden Im Vergleich dazu zeigen Jones et al f r Hundearterien einen Wassergehalt von 72 1 26 sowie Zelis et al f r Hundeaorta einen Wassergehalt von 69 2 76 Der Wassergehalt von Rattendarmgewebe wird bei Reinoso et al mit 74 9 angegeben 48 Dies zeigt dass der prozentuale Wassergehaltunterschied von Arterien und Dickdarm auch bei Tieren vorhanden ist So kann davon ausgegangen werden dass auch bei der Spezies Schwein diesbez glich ein Unterschied vorliegt und der Dickdarm einen h heren Wassergehalt als Arterien aufweist 2 3 Zusammenfassung Durch die Versuchsreihen 1 3 werden die ForceTriad Regelcharakteristik die sich daraus ergebene Gewebeprozesstemperatur der Einfluss des angeschlossenen Instruments auf den Prozess sowie der Zusammenhang der Gewebefl che
187. ie Berechnung der Aufheizphasendauer aus der Energiebetrachtung des Prozessmodells als auch die Charakteristik des Impedanzabfalls stimmen mit der Realit t berein Dies bedeutet dass der angesetzte Temperaturkoeffizient f r den spezifischen elektrischen Widerstand in richtigem Ma e den Gewebewiderstand mit zunehmender Temperatur verringert Der Impedanzverlauf in der Verdampfungsphase wurde in einer groben N herung in das Prozessmodell implementiert Die eingezeichneten roten Impedanzverl ufe sind an die Impedanzverl ufe aus den Versuchen angen hert Denn eine genaue Ber cksichtigung aller wasserreduzierenden z B Herausschleudern von fl ssigen Gewebeanteilen und impedanzerh henden Effekten z B Dampfblasen innerhalb des Gewebes w re nur mit gro em Aufwand m glich Durch die Impedanzverlaufsnachbildung k nnen jedoch diese Effekte klar der Verdampfungsanfangphase zugeordnet werden Bei visueller Prozessbeobachtung kann dies durch schlagartiges heftiges Austreiben von Wasserdampf best tigt werden Der nachfolgende lineare Impedanzverlaufsbereich spiegelt anschlie end das gewebeschonende Verdampfen von Wasser wider was ebenfalls durch Prozessbeobachtungen best tigt werden kann 206 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Vergleich theoretische extreme Impedanzverl ufe mit ImpedenzvenBien aus dem Versuch 600 T 7 1a N rennen wi 500 400 4 m x FF ej Wy jf O a 2 D Be
188. ie folgt h Gewebe Z iin min Ngewere gt l Wyerlust Ende Pioc 7 6 Wyerlust i Wyerlust Ende Gl 62 Im Gegensatz dazu zeigt das ein Gewebe mit einem hohen Gesamtenergieeintrag dickeres Gewebe mit einer gro en Wassermasse eine flachere lineare Steigung Gewebe A Z iin max Ngewere ol Wyerlust Ende Pioc i Wyerlust gt Wyerlust Ende G i 63 Mit Hilfe der Berechnung der Verdampfungsphasendauer tverdampfen aus der energetischen Prozessbetrachtung k nnen die berechneten Impedanzen ber der Zeit aufgetragen werden 205 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses 5 2 3 Gesamtprozessbetrachtung der Gewebeimpedanz In Abbildung 101 sind die mittels des Prozessmodells errechneten Impedanzverl ufe dargestellt Zum einen ist der Impedanzverlauf welcher sich durch ein d nneres Gewebe mit geringer Wassermasse ergibt als Volllinie gezeichnet Zum anderen zeigt der gestrichelte Impedanzverlauf die Berechnungsgrundlage f r ein dickeres Gewebe mit einer gro en Wassermasse In beiden Impedanzverl ufen sind die zwei Prozessphasen mit unterschiedlicher Farbe gekennzeichnet Aufheizphase Blau Verdampfungsphase Rot Zum Vergleich sind zwei exemplarische Impedanzverl ufe aus Gewebefusionsprozessen in schwarz dargestellt In der Aufheizphase zeigt der berechnete Impedanzabfall vgl blaue Kurven sehr hnliche negative Steigungen wie die Impedanzkurven der Versuche Sowohl d
189. ie unterschiedliche Aufteilung der drei verschiedenen Kollagentypen m glicherweise eine wichtige Rolle einnimmt Denn die verschiedenen Typen reagieren unterschiedlich auf das gleiche Temperaturniveau was sich in der nicht vollst ndigen Denaturierung zeigt Es wird vermutet dass dieses Ph nomen auf einen unterschiedlichen Hydroxyprolingehalt in den jeweiligen Kollagenmolek lketten der vorhandenen Typen zur ckzuf hren ist Insgesamt besteht der Konsens dass Kollagenmodifikationen in Folge von Erw rmung die Grundursache f r einen Gewebezusammenschluss darstellen Diese Modifikationen k nnen wie oben beschrieben eine Aufspaltung der dreidimensionalen Struktur Tripelhelix ein Anschwellen des Fibrillendurchmessers ein Losl sen der Parallelstruktur der Fibrille Erzeugung von aus der Fibrille ragenden Kollagenmolek lketten direkte Fibrillenendenverbindung sowie komplette Aufhebung der Faserstruktur bis hin zu einer 32 Kapitel 1 Einleitung amorphen Masse komplette Denaturierung sein Welche detaillierten biochemischen Prozesse und Interaktionen auch auf Zellebene zum Zeitpunkt der Fusion ablaufen konnte jedoch bis heute nicht sichtbar gemacht bzw herausgefunden werden M glicherweise ist dies begr ndet durch die bisherigen Untersuchungstechniken histologisch mit dem Lichtmikroskop und Elektronenmikroskopie sowie enzymatische Massenaufspaltung zur Extraktion bestimmter Substanzen welche ausschlie lich eine Untersuchung
190. ieeintrag von ca 135J 185J erzeugen was zu maximalen Prozesszeiten von ca 7s f hrt Arterienkaliber mit einem Au endurchmesser von 3 5mm 5 5mm zeigen in Verbindung mit einer Gewebefl chenpressung von 1N mm 1 2N mm die h chsten Berstdr cke 545 168mmHg sowie Sch lfestigkeiten 0 111 0 037N mm Die HF Fusion von Dickdarmgewebe colon erzeugt erheblich geringere Sch lfestigkeiten von 0 04 0 016N mm Mit den Erkenntnissen dass eine Gewebecharakterisierung zum Prozessbeginn wichtig ist und die Verdampfung des Gewebewassers unter Verwendung einer optimalen Gewebefl chenpressung erzeugt werden muss konnte ein Prozesstransfer zum lasergest tzten Fusionsprozess von Dickdarmgewebe durchgef hrt werden Diesbez glich wurde ein Versuchsaufbau konzipiert und erstellt mit dem Dickdarmgewebestreifen 8mm x 30mm mit Laserstrahlung A 1470nm verbunden werden k nnen Mit einer frei programmierbaren Laserleistungsregelung Impedanzfeedback sowie einer variabel einstellbaren Gewebefl chenpressung wurde in mehreren Versuchsreihen mehr als 800 Versuche ein geregelter Dickdarmfusionsprozess entwickelt Dieser optimierte geregelte Prozess arbeitet mit einer Fl chenpressung von ca 0 4N mm und ist gekennzeichnet durch 222 Kapitel 8 Zusammenfassung eine anf ngliche Gewebecharakterisierungsphase Berechnung der Gewebewassermasse mit konstanter Laserleistung und einer darauffolgenden impedanzgesteuerten Laserleistungs regelungsphase
191. ielle Gewebeabh ngigkeit wobei ein d nneres Gewebe eine niedrigere Impedanz zum Prozessstart aufweist als ein dickes Gewebe Lediglich Tier 4 mit der Wandst rke medium f llt hier aus der Tendenz heraus Insgesamt bewegen sich die gemittelten Startimpedanzen in einem Bereich von ca 2350 bis 4330 Eine deutlichere Unterscheidung ist zum Zeitpunkt des Impedanzminimums vorhanden Diesbez glich erreicht das d nne Gewebe bereits nach 1 3 0 14s im Mittel das Minimum wohingegen das dicke Gewebe im Mittel 2 13 0 22s ben tigt Die mittleren Gewebest rken reihen sich dazwischen ein Au er dem d nnen Gewebe zeigen alle drei anderen einen nahezu gleichen Impedanzwert zum Zeitpunkt des Minimums Nach dem Impedanzminimum erf hrt die Impedanz einen Anstieg welcher sich bei den unterschiedlichen Gewebeproben unterschiedlich steil auspr gt Der dritte Prozesspunkt ist das Prozessereignis in dem sich dieser beschriebene Impedanzanstieg abflacht und sich dadurch eine Art Knick im Verlauf bildet Der Zeitpunkt des Knicks ist gewebeunabh ngig jedoch unterscheiden sich die Gewebe eindeutig in dem Impedanzniveau bedingt durch die unterschiedliche Impedanzsteigung wobei dieses mit zunehmender Gewebewandst rke abnimmt Das d nne Gewebe weist zu diesem Zeitpunkt einen Mittelwert von 3854590 auf Im Gegensatz dazu erreichen die dicken Proben lediglich 173 90 Folgend auf diesen Impedanzknick steigt die Impedanz stetig bis zum Proz
192. ies of tissue A comprehensive reference book Academic Press Limited 1990 Edwards S D Peirce S C Hedges A Crawford D C Electrosurgical vessel sealing systems UK market survey Centre of evidence based purchasing Report 06008 London 2006 Floume T Syms R R A Darzi A W Optical thermal and electrical monitoring of radio frequency tissue modification Journal of Biomedical Optics 15 018003 2010 Fonck E Prod hom G Roy S Augsburger L R fenacht D A Stergiopulos N Effect of elastin degeneration on carotid wall mechanics as assessed by constituent based biomechanical model AJP heart and Circulatory Physiology 292 H2754 H2763 2007 Fratzl P Holzapfel G A Collagen Structure and Mechanics Chapter 11 Collagen in arterial walls Biomechanical aspects Springer Science Business Media 285 324 2008 Gautieri A Vesentini S Redaelli A Buehler M J Hierarchical structure and nanomechanics of collagen microfibrills from the atomistic scale up Nano Letters ACS Publications 11 757 766 2011 Hale G M Querry M R Optical constants of water in the 200nm to 200um wavelength region Appl Opt 12 555 563 1973 Hamilton S R Structure of the colon Scandinavian journal of gastroenterology Supplement 19 13 23 1984 Handbuch des integrierten Schaltkreises AD5933 Analog Devices Inc Rev B 2010 Holmer C Winter H Kroge
193. iese Vermutung zu untersuchen zielt diese Versuchsreihe auf die Beleuchtung des Einflusses der Dauer der Keeping Phase auf die Berstdruckfestigkeit der Arterien Wie in der Versuchsbeschreibung in Kapitel 2 1 5 beschrieben ist muss in den Versuchsaufbau ein zweiter Delaygenerator integriert werden Dieser hat die Aufgabe nach einem Triggerereignis im Prozess diesen nach einer bestimmten Zeit zu beenden Das Triggerereignis muss zu dem Prozesszeitpunkt generiert werden an dem sich der bergang von der Heating Phase zur Keeping Phase ereignet also zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags Um diesen Zeitpunkt online w hrend des Prozesses zu detektieren wird der Wechselstrom direkt im Oszilloskop intern auf den 80 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Effektivwert umgerechnet Das Triggerereignis stellt folglich das Strommaximum siehe Abbildung 41 links dar zeitgleich mit dem Impedanzumschlag Oms Stromverlauf 200ms 5 r 500ms Triggerereignis 1000ms 4 5 2000ms 4 3 5 E lt T t At 525 D 2 1 5 1 0 5 1 3 4 5 Zeit s Abbildung 41 links Darstellung des Triggerereignis und der anschlie enden definierten Zeitspanne At im Stromverlauf rechts Schematische Darstellung der Fusionsvorgehensweise alle f nf Gewebefusionen an einem Arterienst ck Die verschiedenen Zeitspannen At bis zum Prozessabbruch nach dem Triggerereignis belaufen sich au
194. ige Umschaltimpedanz sowie Endimpedanz aufweisen wird f r diese erste Prozessregelung folgende Charakteristik konzipiert Der Prozess startet mit einer fest eingestellten Leistung von 34W und einer Fl chenpressung von 0 3N mm die Fl chenpressung bleibt konstant ber den ganzen Prozess Mittels der ersten gemessen Impedanz wird mit einem Faktor welcher von der Startimpedanz abh ngig ist eine Umschaltimpedanz berechnet Diese Umschaltimpedanz repr sentiert den Impedanzknick der in der Versuchsreihe zuvor als charakteristischer Prozesspunkt dient Der Umschaltpunkt ist bei einer hohen Startimpedanz prozentual niedrig und nimmt mit abnehmender Startimpedanz prozentual zu Die mathematische Funktion zur Umschaltfaktordefinition ist in Abbildung 68 oben links aufgetragen sie weist einen linearen Charakter auf Im Prozess ist der Umschaltpunkt das Ereignis in dem von der gesteuerten Leistung auf eine Regelung gewechselt wird Als F hrungsgr e der Regelung ist eine SOLL Impedanzsteigung definiert welche in einem hnlichen Zeitregime wie bei den Konstantversuchen die Impedanz linear bis zu einer Endimpedanz f hren soll Beide Prozessgr en sowohl die Impedanzsteigung als auch die Endimpedanz sind abh ngig von der gemessenen Startimpedanz Hierzu ist in Abbildung 68 oben rechts die Zuweisung der 134 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses SOLL Impedanzsteigung abh ngig der Startimpedanz als line
195. igkeit ber der Gewebefl chenpressung f r alle Versuche Berechnung der Korrelationskoeffizienten zur Verdeutlichung der Berstdruckabh ngigkeit von der Fl chenpressung Thermografische Versuchsreihenauswertung Zu der bisher beschriebenen Prozessauswertung kann mit Hilfe der Thermografie eine Aussage bez glich der Prozesstemperatur gemacht werden Die Temperatur ist neben der Fl chenpressung die zweite direkte physikalische Prozessgr e welche die Gewebefusion ma geblich pr gt und deshalb einen gro en Beitrag zur Prozessuntersuchung und aufkl rung leisten kann Wie in Kapitel 2 1 2 beschrieben ist in den Laborversuchsaufbau eine Thermokamera integriert Diese kann mittels Makroobjektiv einen Bildausschnitt von ca mm x 7mm mit einer Aufl sung von ca 30um darstellen um so die Prozesstemperatur sowohl rtlich als auch zeitlich Bildwiederholfrequenz von ca 880Hz aufzunehmen Exemplarisch f r alle Thermografieaufnahmen ist in Abbildung 36 eine Aufnahme 74 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom dargestellt Dieses Thermografiebild zeigt den Zeitpunkt t 2 37s des Beispielfusionsversuchs worauf die zwei Elektrodenplanflachen das zu fusionierende Gewebe und das ROI region of interest zur Auswertung des zeitlichen Temperaturverlaufs abgebildet sind Zur besseren Verdeutlichung der Lage der Thermokamerabildebene kann Abbildung 34 herangezogen werden In dieser schemati
196. imum zwischen den Zangenbranchen wird mit 80 C angegeben wobei sich anschlie end die Temperatur auf ein niedrigeres Niveau einstellt F r die Bewertung der Fusionsg te geben Kennedy et al 29 eine Berstdruckfestigkeit f r Arterien von 738 237mmHg an Richter et al 49 k nnen diese 35 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Berstdruckfestigkeit f r Arterien mit 856 102mmHg best tigen Des Weiteren nennen Richter et al 49 eine mittlere Prozesszeit f r Arterien von 4s 5s Eine genaue detaillierte Prozessbeschreibung hinsichtlich der Darlegung der elektrischen Prozessgr en sowie Steuer bzw Regelgr en ist in der Literatur nicht zu finden 2 1 Material und Methoden Das Kapitel Material und Methoden beschreibt die Planung Umsetzung und Anwendung von den f r die Untersuchung des Gewebefusionsprozesses mit hochfrequentem Strom notwendigen Versuchsaufbauten Ein Teil der Versuchsaufbauten sind Neukonstruktionen welche auf die entsprechende Zielerf llung abgestimmt und ausgelegt sind Zus tzlich ist die Integration bereits vorhandener Messinstrumentarien ein wichtiger Teil f r einen funktionsf higen Laborversuchsstand Neben diesen technischen Entwicklungen und Definitionen wird ebenso die Beschaffung und Handhabung des f r die Versuche notwendigen Probenmaterials erl utert Das Probenmaterial und die Pr parationsprozedur stellen die Basis der Versuchsverglei
197. ind klare Hinweise aus den Ergebnissen zu entnehmen Hier zeigt sich dass ein moderater Prozess mit eher geringeren Leistungen ber eine l ngere Bestrahlungsdauer vorteilhaft f r die Gewebefusion ist und h here Festigkeiten generiert Dies zeigt der Vergleich zwischen den zwei Parameterkombinationen welche beide 400 Energieeintrag erzeugen Der schnelle heftige Prozess mit maximaler Leistung von 59W ber 6 7s erzeugt sofort Gewebeverbrennungen Karbonisation und zerst rt damit die Fusionsstelle Im Gegensatz dazu werden mit mittlerer Leistung 30W ber 13 3s die h chsten Festigkeiten erreicht Das gleiche Verhalten ist auch bei den zwei Prozessen mit 200 Energieeintrag vorhanden Hier ist die Festigkeit bei der Anwendung von 30W ber 6 75 geringer als bei der mit 15W ber 13 3s Es zeigt sich also dass f r gute Gewebeverbindungen hohe Laserpegel und damit hoher Energieeintrag in kurzer Zeit vermieden werden m ssen Die Prozesseinstellung von 30W ber 13 3s 400J f hrt nicht nur die h chsten Sch lfestigkeiten innerhalb dieser Untersuchung auf sondern liegt auch im Vergleich zu den HF generierten Verbindungen in einem sehr guten Bereich 129 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 2 3 Versuchsreihe 2 Untersuchung des Gewebeeinflusses auf den Impedanzverlauf bei konstanten Prozessbedingungen Die zuvor beschriebene Versuchsreihe liefert grundlegende Parameterprozesseinstellungen mit welc
198. ion Einheit W der erzeugte W rmeverlust Qkonvektion berechnet werden kann muss der W rmestrom mit der vorl ufigen Verdampfungsphasendauer t verdampfen Multipliziert werden Diese Zeit t verdampfen berechnet sich aus der Summe des bisher errechneten Energieaufwands Qverdampfen sowie den Energieverlusten Qvertust Laser UNA Qvertust Elektrode dividiert mit der Bestrahlungsleistung Praser Qvertust Konvektion ge gt W start gt W Ende gt T wechsel T pende p Konvektion Tora T pende GI 48 i lVerdaninfeh Mass gt WsStart gt W Ende gt T wechsel T tnae mit f h T T eA Qverdampfen Agewebe Wart ligedamujen Gewebe W start gt W Ende gt Wechsel Ende P Laser GI 49 ie Oyertus Laser Agewebe gt W start gt W Ende Qvertust Elektrode as gt T inde P Laser P Laser Gesamtenergie und Gesamtzeitbetrachtung der Verdampfungsphase F r die Energiebilanz der Verdampfungsphase m ssen neben dem Energieaufwand Qverdampfen alle Verluste kompensiert werden was eine Summenbildung aller berechneten Energieeintr ge in dieser Prozessphase zur Folge hat Der notwendige Gesamtenergieeintrag Oges verdampfen ist abh ngig von den Variablen hgewebe Wstart Twechse UNA Tende F r die Berechnung des minimalen sowie maximalen Gesamtenergieeintrags Qges verdampfen min PZW 195 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Qges Verdampfenmax Werden jeweils die u
199. ionsbeobachtung des HF Prozesses 00008 58 2 2 2 Versuchsreihe 1 Darstellung der elektrischen Prozessgr en 60 2 2 3 Versuchsreihe 2 Untersuchung des Einflusses der Gewebeflachenpressung auf die Berstdruckfestigkeit bei Ber cksichtigung der Gewebetemperatur Thermografie 69 2 2 4 Versuchsreihe 3 Bewertung der Berstdruckfestigkeit bei Prozessabbruch nach unterschiedlichen Zeiten cccceceesseeeeesseeeeeeeeaes 80 2 2 5 Versuchsreihe 4 Untersuchung des HF Fusionsprozesses mit Schweinedickdarmgewebe u 2 anna a an 83 2 3 Zusammenfassing aaa 88 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses 90 3 1 Material und Methoden essen 95 3 1 1 Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung lasergest tzter Gewebefusionen Kanten kehren 95 3 1 2 Aufbau eines Pr fstandes zur Untersuchung der Sch lfestigkeit von Schweinedickdarmgewebe ccsssccccssssscecessnccecssseeeeceesseeeceseaeeseesseeeeees 112 3 1 3 Versuchsproben colon vom Schwein und deren Pr paration 114 3 1 4 Planung und Durchf hrung von Versuchsreihen 222220000s02 022 115 3 2 EF BEDNISSE arse ae 121 3 2 1 Grundlegende qualitative Betrachtung des lasergest tzten 3 2 2 3 2 3 3 2 4 Gewebefusionsprozesses mit konstantem Leistungspegel 121 Versuchsreihe 1 Untersuchung des Einflusses von Energie
200. it s Zeit s Regelung auf die Impedanzsteigung Regelung auf die Impedanzsteigung 60 0 aa 600 2 a nn a aa Impedanzrohwerte 4 l Impedanzrohwerte 550 Impedanz gefiltert 1 1 Impedanz gefiltert 500 SOLL Impedanzsteigung j aih soo SOLL Impedanzsteigung f Umschaltgrenze Umschaltgrenze 4 450 eistungspegel 450 Leistungspegel _ 400 z _ 400 O _ Q N 350 N 350 it 300 2 3 300 a D amp 250 5 2 250 5 w a 200 La 200 a 150 wore Py Auf 150 N Ming U N 44 f4 100 Wa y y k WN 0 100 ar 1 0 Y 50 hi 20 50 N 20 12 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 s 234 amp amp 7 8 8 10 1 12 13 Zeit s Zeit s Abbildung 70 Darstellung der Impedanzregelung auf zwei verschiedene Weisen Aufgetragen sind die Impedanzrohwerte blau die gefilterten Impedanzwerte rot der Leistungspegel gr n die Umschaltgrenze von Steuerung auf Regelung schwarz gestrichelt und die jeweilige SOLL Impedanzvorgabe f r die Regelung schwarz oben Darstellung zweier Regelprozesse in denen die Impedanz jeweils auf absolute SOLL Impedanzwerte geregelt wird unten Darstellung zweier Regelprozesse in denen die Impedanz jeweils auf eine SOLL Impedanzsteigung geregelt wird Die Charakteristik beider Regelvarianten zeigt sich im Vergleich der Diagramme dadurch dass f r die Regelung auf absolute Impedanzen die Impedanzkurve nahezu auf der SOLL Steigungslinie liegt bzw darauf geregelt wird F r die Steigun
201. it Verdampfungsphase tverdampfen s 5 1 7 5 5 2 1 Gewebeaufheizphase Der Impedanzverlauf in der Aufheizphase wird durch den temperaturabh ngigen spezifischen elektrischen Widerstand p T sowie der Gewebedicke hgewepe L nge des elektrischen Leiters beeinflusst Die Querschnittsfl che A des leitenden Gewebevolumens bleibt konstant Somit ergibt sich aus GI 56 die Berechnung der Impedanz Z T hcewebe f r die Aufheizphase Leer Z T hoevere pry er GI 57 mit po T 0 001 T 0 21 T 16 2 siehe Abbildung 78 GI 58 Durch die vorhergehende Berechnung der Aufheizphasendauer taufhei minimal und maximal und dem Wissen dass in dieser Zeitspanne die Gewebetemperatur auf 100 C erh ht wird kann der errechnete Impedanzabfall minimal und maximal ber der Zeit aufgetragen werden 203 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses 5 2 2 Gewebewasserverdampfungsphase In der Verdampfungsphase weist das Gewebe eine Temperatur von 100 C auf Deswegen liegt der spezifische elektrische Widerstand des Gewebes in dieser Phase konstant bei p 100 C 3 46Om Der Impedanzanstieg in der Verdampfungsphase ist haupts chlich durch den Gewebewasserverlust bedingt Die Wasserverdampfung mindert stetig die M glichkeit der lonenbewegung innerhalb des Gewebes Zus tzlich entstehen innerhalb des Gewebes Dampfblasen welche als elektrischer Isolator fungieren und dadurch den elektrisch leitenden Quersc
202. it des Gewebes 200 5 2 1 Gewebeaufheizphase uasseesessssssssnnnnnsnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnneennnn 203 5 2 2 Gewebewasserverdampfungsphase usuenenseneensnnnsnenennnennnnnnsnennnnnnnnnennnn 204 5 2 3 Gesamtprozessbetrachtung der Gewebeimpedanz 2222220seneneennnn 206 5 3 ZusamMehfassing ana nee 207 6 Diskussion an nun 211 Tis SAUSBIICK sach 219 8 Zusammenfassune nassen een 222 Literatur aussehen 225 PRUNING oss ae 233 Danksagung nn en 236 lebenslauf ren 237 Abkurzungsverzeichnis BNC BSA CAD DoE FSMA HF ICG ITO MIC MPM NIR ROI SHG TEM TTL UV VIS Bayonet Neill Concelman Bovine serum albumin Rinderalbuminserum Computer aided design Design of Experiments Fiber sub miniature assembly Hochfrequenz Indocyaningr n Infrarot Indium Zinn Oxyd Minimal invasive Chirurgie Multiphotonenmikroskopie Nahinfrarot Region of interest Second harmonic generation Transmissionselektronenmikroskopie Transistor Transistor Logik Ultraviolett sichtbares Spektrum Kapitel 1 Einleitung 1 Einleitung Schon seit Jahrtausenden existiert die Erkenntnis dass f r eine Wundheilung die entsprechenden Gewebeteile zueinander gef hrt und im Kontakt miteinander gehalten werden m ssen Nur so kann der Organismus die Wunde durch das Wachstum und die Ansiedelung neuer Zellen verschlie en Zun chst zeigt sich in der Geschichte der Wundheilung die
203. iten 128 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Interpretation der Ergebnisse Eine Fragestellung der Versuchsreihe war ob neben dem frischen Probenmaterial ebenfalls mit aufgetautem Gewebe in den kommenden Versuchsreihen zumindest f r Testversuche gearbeitet werden kann Diesbez glich zeigt der Vergleich der Sch lfestigkeiten keinen deutlichen Unterschied sodass das aufgetaute Gewebe als Probenmaterial nicht ausgeschlossen werden muss Des Weiteren ist aus den Impedanzverl ufen nicht eindeutig ein Unterschied in der Verlaufscharakteristik festzustellen Trotzdem wurden f r die weiteren Versuchsreihen ausschlie lich frisches Material verwendet um einen m glicherweise doch vorhandenen Unterschied oder Einfluss des Gewebezustands zu vermeiden F r Vorversuche oder Prozessfunktionstests kann jedoch auch aufgetautes Material zum Einsatz kommen Ein deutliches Ergebnis zeigt die Auswertung bez glich der optimalen Fl chenpressung Hierbei ist f r frisches Gewebematerial eine Einstellung zwischen 0 2N mm und 0 4N mm erstrebenswert Die hohe Fl chenpressung von 0 6 N mm wurde durch die wesentlich schlechteren Ergebnisse bei aufgetautem Gewebe ausgeschlossen Durch die hohe Fl chenpressung wird das Gewebe d nner komprimiert was sich sichtlich schlecht auf die Fusion auswirkt F r die nachfolgenden Untersuchungen wird die Fl chenpressung von 0 3N mm festgelegt Hinsichtlich der Energieeintragsdynamik s
204. kreist mit einer sehr hohen Sch lfestigkeit 0 25N mm welche nicht in den Sch lfestigkeitsbereich der brigen Werte passt und damit m glicherweise nicht vertrauensw rdig ist Beim Nichteinbeziehen dieses Versuchs ergibt sich ein niedrigerer Mittelwert von 0 095 0 03N mm f r den Prozess mit konstanter Leistung Der impedanzsteigungsbasierte Regelprozess zeigt somit die h chste Sch lfestigkeit 140 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Sch lfestigkeiten der einzelnen Sch lfestigkeiten der einzelnen Prozessregelarten Mittelwert n 20 Prozessregelarten Mittelwert n 20 0 26 17 J 0 26 T Zn 0 24 0 24 0 22 0 22 0 2 0 2 x x x E 0 18 x 4 0 18 x 1 2 0 16 2 0 16 x 0 14 Sch lfestigkeit N O oO ls mn CR wt a ep co ee Schalfestigkeit N mm oO oO oO oo amp Ss en e a ET e X X i x x x x x x 4 x x 0 08 0 06 0 06 0 04 0 04 S A K S A K Prozessregelweise Prozessregelweise Abbildung 71 Auswertung der Sch lfestigkeit bez glich der drei verschiedenen Prozessregelweisen Der Mittelwert n 20 ist als Raute und die einzelnen dazugeh rigen Versuche sind als Kreuz markiert Die Rubriken sind wie folgt codiert Steigungsregelung S Absolutregelung A konstante Leistung 30W 13 3s K links Einbeziehen aller 60 Versuche zur Berechnung des jeweiligen Mittelwertes n 20 In der Rubrik der konstanten Leistung ist ein Versuch mit einer au ergew h
205. ktierung der unteren E 8 BNC Kontaktierung der oberen Elektrode rechts Frontansicht der Elektroden und der Bestrahlungseinheit 1 Teflonsockel mit unterer Elektrode 2 Obere Elektrode mit Halterung 3 Zylinderlinsen zur Strahlformung 4 FSMA Lichtleitfaserstecker 5 BNC Kontaktierung der unteren E 6 BNC Kontaktierung der oberen Elektrode 105 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Mit dem beschriebenen Laboraufbau kann eine Gewebefusion durchgef hrt werden allerdings muss zus tzlich eine Laserleistungssteuerung vorgesehen werden Diese soll es erm glichen die Laserleistung frei zu definieren und flexible Applikationscharakteristiken zu erm glichen um dadurch einen optimalen lasergest tzten Gewebefusionsprozess zu erzeugen Hierzu z hlen sowohl die Applikation einer konstanten Leistung ber einer bestimmten Zeit als auch die Umsetzung der feedbackgesteuerten Regelung auf Basis der Impedanz als R ckf hrgr e Au erdem sind weitere verschiedenen Leistungsapplikationen denkbar beispielsweise vorgegebene Leistungsprofile Um diese offene Leistungssteuerung bzw Leistungsregelung zu gestalten muss man sich einer frei programmierbaren L sung bedienen Zum Aufbau einer solchen Regelung m ssen die einzelnen Komponenten aufeinander sowie an die Anforderungen abgestimmt sein Zu diesen Anforderungen z hlt vor allem die genaue Messbarkeit der Gewebeimpedanz in einem Bereich von 100 bis 1 5kQ Diese Vorga
206. l Arbeitsgruppe um White 68 dass mit richtiger Laserleistungswahl Festigkeiten erreicht werden k nnen welche den physiologischen Druckverh ltnissen im K rper standhalten Die Verwendung des Argon Lasers zur Erzeugung von Anastomosen ist in weiteren Studien beschrieben Diese beleuchten haupts chlich die Vorteile der lasergest tzten Gewebefusion gegen ber der konventionellen Nahttechnik sowohl hinsichtlich des Heilungsverhaltens als auch der Zeitdauer zur Erzeugung der Fusion Allerdings werden auch die Probleme aufgezeigt in erster Linie die Thrombenbildung thermisches Verfahren in Verbindung mit Blut sowie die Dichtigkeit der Gewebefusion Zus tzlich wird f r diese Art der manuell erzeugten Verbindungen ein hohes Ma an Fertigkeiten vom Anwender verlangt Dessen Geschick hat gro en Einfluss auf die G te der Verbindungsstelle 32 35 F r die Erzeugung von Anastomosen gro er Blutgef e verwenden Back et al 1 den Nd YAG Laser mit A 1320nm Dabei konnten im Tierversuch Hund erfolgreich Seit zu Seit Anastomosen von Arterien mit Venen hergestellt werden wobei die Versiegelung erst durch eine Nachbehandlung mit dem Laser und oder durch N hen dem beaufschlagten intraluminalen Druck standhielt und keinerlei Lecks aufzeigte Insgesamt ben tigten die Anastomosenherstellungen jeweils 20 bis 30 Minuten Als Vorteil gegen ber dem Argon Laser zeigt der Nd YAG Laser die wesentlich geringere Absorption im Blut was si
207. l D nndarm bzw Intestinum tenue des Menschen und dem Mastdarm vgl Mastdarm bzw Rectum des Menschen liegt 50 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Enger Darm Nachende Schlund Mastdarm Zunge Krausedarm Abbildung 20 Schematische Darstellung der Verdauungsorgane der Spezies Schwein 81 Wie bei der Beschaffung der Arterien waren die Landmetzgereien B hler Altheim und Laible Langenau bereit schlachtfrischen Krausedarm bereit zu stellen Dieser wird nach dem ffnen des Schweins zusammen mit den anderen Darmteilen und dem Magen aus dem K rper des Schweins entnommen Direkt anschlie end wird aus dem Krausedarm ein ca 1m 1 5m langes St ck herausgeschnitten dieses mit Wasser gef llt und dadurch entleert Das entleerte Darmst ck wird w hrend des Transports und der Versuchsreihendauer in seiner eigenen Fl ssigkeit auf Eis gelagert Die Lagerung des Darmgewebes in der eigenen Fl ssigkeit garantiert im Gegensatz zu der Lagerung in NaCl 0 9 ein Beibehalten der nativen Struktur Die Lagerung in NaCl 0 9 zeigt bei Dickdarmgewebe ein Aufschwemmen des Gewebes Einlagerung der N hrl sung im Gewebe Dies h tte starken Einfluss auf die Versuchsergebnisse und muss vermieden werden Bevor die Dickdarmproben im Versuch verwendet werden werden diese vom umliegenden Bindegewebe befreit Anschlie end wird der Dickdarm l ngs aufgeschnitten damit aus ei
208. l che der Arterie Kollagen und Elastin sind die struktur und festigkeitsbringenden Bestandteile sowohl im Arteriengewebe als auch im Dickdarmgewebe Die Untersuchung wie sich beide Gewebearten in der Fusion verhalten und welche Rolle diesbez glich Kollagen und Elastin einnehmen ist Teil dieser Arbeit 29 Kapitel 1 Einleitung 1 4 Allgemeines Kollagen basiertes Modell zur Erklarung des thermischen Gewebefusionsmechanismus auf biologischer Ebene Bis heute ist der Gewebeverbindungsmechanismus auf biochemischer Ebene bei thermisch erzeugten Fusionen nicht genau verstanden jedoch sind sich die Forscher dar ber einig dass die Proteinketten des Kollagen haupts chlich Typ I diesbez glich eine wesentliche Rolle einnehmen Kollagen ist ein Hauptbestandteil der extrazellul ren Matrix des menschlichen Organismus und tr gt durch seine mechanischen Eigenschaften hohe Zugfestigkeit zu dessen Struktur und mechanischer Belastbarkeit bei Des Weiteren nimmt Kollagen einen Anteil von 30 aller im menschlichen K rper vorhandenen Proteine ein 60 5 47 In Form von Fasern welche durch hierarchisch angeordnete Substrukturen aufgebaut sind erreicht das Kollagen sehr gute Festigkeitseigenschaften Kollagenfasern Typ I sind hochorganisierte Strukturen Das Kernelement ist eine rechtsg ngige Tripelhelix bestehend aus drei Eiwei molek len mit hochrepetitiven Aminos uresequenzen im wesentlichen Glycin Prolin Hydroxyprolin die
209. l sen Art auf welche jedoch in dieser Arbeit nicht ber cksichtigt und deswegen nicht n her erkl rt werden Arterien der elastischen Art zeichnen sich durch eine hohe Wandelastizit t aus welche die Windkesselfunktion bei der Systole des Herzens erm glicht indem ein gewisses Blutvolumen speichert wird Dieses gespeicherte Blutvolumen wird bei fallendem Gef innendruck Diastole abgegeben und so ein konstanter Blutfluss bis zur n chsten Systole garantiert 60 S 264 Diese beschriebenen elastischen Eigenschaften sind nur durch die entsprechende Struktur der Arterienwand vorhanden Die nachfolgende Beschreibung der Arterienwandstruktur bezieht sich auf die histologische Arterienwanddarstellung in Abbildung 5 Durch die F rbung mit Orcein werden elastische Strukturbestandteile angef rbt und dadurch sichtbar gemacht Intima Die innerste Schicht der Arterie wird als Intima bezeichnet Sie setzt sich aus einer Endothelschicht einschichtiges Plattenepithel einer Schicht von Kollagenfasern sowie einer elastischen Membran elastica interna zusammen 60 S 263 264 Bez glich der Funktion kann der Intima eine Membranfunktion zugeordnet werden die eine Blutversorgung der weiteren Wandschichten erm glicht Des Weiteren weist die Intima durch einen nicht unerheblichen Kollagen Typ und Typ Ill und Elastinanteil elastische Eigenschaften auf Insgesamt kann die Intimadicke im Mittel prozentual ca 27 der Gesamtwanddicke ausmachen 18 Media
210. l dieser m glichen Gewebecharakterisierung bzw Impedanz Verlaufscharakterisierung zu untersuchen werden nachfolgend insgesamt 100 Gewebefusionen an acht Dickdarmgeweben unterschiedlicher Tiere ausgewertet Dabei sind f r Tier 1 bis Tier 4 T1 T4 jeweils 15 Fusionen und f r Tier 5 bis Tier 8 jeweils 10 Fusionen durchgef hrt worden Das linke Diagramm zeigt die Auswertung des Energieeintrags bis Zmin Darin erstrecken sich die Mittelwerte ber einen Bereich von ca 36J bis 58J wobei sich auch 150 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Mindestwerte von ca 28J Rubrik T3 und Spitzenwerte von ca 74 Rubrik T7 zeigen Die rechte Abbildung stellt die Auswertung der Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis bis Zmin 1 ss dar Hier ergeben sich Mittelwerte zwischen ca 200 s bis ca 650 s Die geringsten Steigungen zeigen sich mit ca 130 s bei T7 die h chsten Steigung ergeben sich bei T1 mit ca 980 s Energieeintrag bis Z hin Impedanzsteigung von Z nin 1s bis Z aint 58 f r acht verschiedene Dickdarmgewebe f r acht verschiedene Dickdarmgewebe T1 T4 ist n 15 T5 T8 ist n 10 T1 T4 ist n 15 T5 T8 ist n 10 x 70 fo u a 90 2 SH x 65 3 80 5 60 x x 5 nr 70 x br a u 3 x To x i 60 x 50 x x x N 508 D x x 45 x c x D 1 x 2 4 40 w 40 N x x 6 x 30 x x4 x i ji 2 x x x x x 30 x 20 x x DO ee 1052S es a Se ee T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T1 T2 T3 T
211. lachtfrischem Probenmaterial in einer Laborumgebung durchgef hrt Dies l sst im Vorfeld auf eine m glicherweise hohe Anzahl von ben tigten Blutgef en schlie en Folglich muss ein Weg gefunden werden der einen einfachen Zugang zu dem Probenmaterial gew hrleistet Dazu bietet sich das Herauspr parieren der arteria carotis vom Schwein aus dem sog Geschlinge siehe Abbildung 18 an Das Geschlinge ist der Gewebeverbund von Zunge Luft und Speiser hre Herz Lunge und Leber und wird im Schlachtprozess komplett im zusammenh ngenden Zustand dem K rper des Schweins entnommen Das Probenmaterial arteria carotis ist im umliegenden Gewebe von Luft und Speiser hre zu finden F r diese Art der Probenbeschaffung standen zwei Landmetzgereien Metzgerei B hler in Altheim Metzgerei Laible in Langenau mit hauseigener Schlachtung zur Verf gung Freundlicherweise war es m glich am Schlachttag Montag pers nlich vor Ort zu sein und direkt aus dem Schlachtprozess die Geschlinge zur Entnahme der Blutgef e zu erhalten Die Arterienentnahme aus dem Geschlinge erfolgte ca 10 15 Minuten nach dem Tod des Tieres Entnahmebereich der Blutgef e Zunge Luftr hre und Be i Speiser hre Leber Abbildung 18 Geschlinge vom Schwein Verbund von Zunge Luft und Speiser hre Herz Lunge und Leber 79 49 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Die entnommenen
212. ldung 25 bis Abbildung 31 sind jeweils f r die einzelnen elektrischen Prozessgr en die charakteristischen Messpunkte anhand des Beispielversuchs gezeigt sowie deren Messwertauswertung aus der kompletten Versuchsreihe F r die Auswertung sind vier Bl cke erstellt worden welche die Gr enklasse mittel und gro der Arterien und die Instrumentenvariation LigaSure Impact und LigaSure STD ber cksichtigen So sollen die Prozessunterschiede durch das Versiegeln unterschiedlicher Arteriengeometrien sowie durch die Verwendung zweier verschiedener Instrumenten sichtbar gemacht werden Korrelierend zu den Auswertungsdiagrammen der Abbildung 25 bis Abbildung 31 zeigt Tabelle 15 vgl Anhang A1 alle einzelnen errechneten Mittelwerte mit Standardabweichungen Als erster charakteristischer Punkt dient jeweils das Niveau in der Sensing Phase Die Dauer der Sensing Phase vgl Abbildung 31 betr gt ca 100ms und weist eine geringe 63 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Standardabweichung auf In dieser ersten Prozessphase zeigt die Leistung ein konstantes Niveau von ca 5W und eine sehr geringe Standardabweichung Abbildung 27 Dieser Mittelwert sowie die Standardabweichung sind unabh ngig von Gr e und Instrument Dies wird zus tzlich in Abbildung 28 verdeutlicht in der die einzelnen Leistungsverl ufe bis zu einer Prozessdauer von 1 2s aufgetrage
213. ler P Anteil ein integraler I Anteil und ein differentieller D Anteil Anteil zur Verf gung Zur empirischen Bestimmung der f r jeden Regelanteil richtigen Verst rkungsfaktoren wurden Testversuche durchgef hrt um eine schnelle nicht schwingende Regelung zu generieren Dieser Teil der Reglungsdefinition ist Vorraussetzung f r die Anwendung einer Regelung und wird im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter behandelt bzw erl utert In Abbildung 69 ist zur Erkl rung exemplarisch ein Regelprozess dargestellt Darin ist in Blau der Impedanzrohwertverlauf und in Rot der Impedanzverlauf auf Basis der gefilterten Werte C 0 9 f r GI 11 aufgetragen In Gr n ist der dazugeh rige Verlauf des Leistungspegels des Lasers gezeigt Der Prozess startet mit einer konstanten Leistung von 34W und weist in diesem exemplarischen Fall eine Startimpedanz von 1590 auf Daraus ergibt sich eine Umschaltimpedanz von 1980 Faktor 1 245 eine Impedanzsteigung von 48 40 s und eine Endimpedanz von 7300 Faktor 4 596 Diese Werte ergeben sich durch die zuvor definierten Abh ngigkeiten bez glich der Startimpedanz siehe Abbildung 68 Als zus tzliches 136 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Prozessabschaltkriterium neben der Endimpedanz ist ein maximaler Energieeintrag von 450 definiert Dies soll verhindern dass im Falle des Nichterreichens der Endimpedanz das Gewebe aufgrund von einem hohen Gesamtenergieeintrags k
214. lte Sch lfestigkeit von ca 0 105 0 02N mm erzielt werden konnte Dies ist vergleichbar mit den Sch lfestigkeitswerten von HF ForceTriad und LigaSure Impact erzeugten Arterienversiegelungen Trotzdem zeigt die Standardabweichung von 177 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses ca 20 dass auch Fusionen mit geringerer Festigkeit aber auch mit h herer Festigkeit erzeugt werden obwohl prozesstechnisch keine Fehler aufgetreten sind Auch mit diesem optimierten Prozess f r die lasergest tzte Dickdarmgewebefusion scheint der festigkeitsbeeinflussender Faktor Gewebe ma gebend zu sein In welchem Ma e die hier erzielten Sch lfestigkeiten auf Dickdarmberstdr cke bertragbar sind kann nicht beurteilt werden Zu dem muss angemerkt werden dass f r Dickdarmberstdr cke keine Richtwerte bez glich einer zu erreichenden Mindestfestigkeit in der Literatur existieren Um die in der Literatur beschriebenen Vermutungen des tats chlichen Fusionsmechanismus im Gewebe siehe Einleitung Kapitel 1 4 mit in die Betrachtung des Gesamtprozesses aufzunehmen wird im n chsten Kapitel durch Zugabe von Kollagen und Elastinersatzmaterial der dadurch erzeugte Effekt auf die Fusionsfestigkeit gepr ft Dies k nnte einen weiteren Aufschluss bez glich der vorhandenen Festigkeitsstreuung geben 178 Kapitel 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastine
215. lten Lasers Dickdarmgewebe Spezies Schwein fusioniert stellt das Zentrum dieser Arbeit dar Durch die Wahl eines Lasers als Energiequelle ist die Energieeinbringung in das Gewebe von dem Regelungsfeedbackparameter Gewebeimpedanz entkoppelt und beeinflusst sich im Gegensatz zum HF Prozess nicht gegenseitig Als Bewertungsparameter Gr e die durch den Prozess optimiert werden soll f r die erzeugten Gewebefusionen wird vor allem die Verbindungsfestigkeit herangezogen Zun chst muss ein f r die Anwendung passender Laser ausgew hlt und in einen Laboraufbau mit dem Gewebefusion erzeugt werden soll integriert werden Mit einem funktionsfahigen feedbackgeregelten Laserfusionsaufbau k nnen anschlie end Versuchsreihen zur Prozessfindung durchgef hrt werden Am Ende ist eine unter Laborbedingungen erzeugte lasergest tzte Dickdarmgewebefusion mit reproduzierbarer Verbindungsfestigkeit angestrebt 34 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Um sich zun chst im Allgemeinen einem Gewebefusionsprozess zu n hern ist es sinnvoll einen schon vorhandenen und funktionsf higen Prozess zu studieren Hierf r steht dieser Arbeit ein medizintechnisches Gewebefusionsger t ForceTriad Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA zu Verf gung welches neben anderen erwerbbaren Applikatio
216. m Gegensatz zu der Untersuchung zuvor wurde jedoch hier ein 1 9um Diodenlaser verwendet der ber das Feedback des Pyrometers leistungsgesteuert wurde Mit einer optimalen Prozesstemperatur von 80 C wurde ein mittlerer Berstdruck von 290mmHg bei 100 Dichtigkeit nach dem Prozess n 5 erreicht 62 Auch bei der Fusion von Darmgewebe Hund zeigen Cilesiz et al 9 die M glichkeit einer temperaturgeregelten Laserleistungssteuerung an der Fusion einer Enterotomie Darin wurde die Leistung eines Argon Lasers ber das Feedback eines Infrarotsensors 11 Kapitel 1 Einleitung geregelt sodass sich eine vordefinierte SOLL Gewebetemperatur einstellte Es wurden SOLL Temperaturen von 80 C bis 100 C in 5 C Schritten untersucht und festgestellt dass die h chste gemittelte Berstdruckfestigkeit von ca 127 mmHg in einem Gewebetemperaturregime von 90 C 95 C erzielt wird Geringer zeigte sich die Berstdruckfestigkeit mit ca IOmmHg bei 80 C Gewebetemperatur Im Vergleich zu anderen Untersuchungen an Darmgewebeverbindungen ist diese erzielte maximale Berstdruckfestigkeit ein sehr hoher Wert Des Weiteren propagiert Cilesiz dass ein eventueller Temperaturabfall unter 90 C die Fusion schw chen kann und deswegen ein temperaturgesteuertes System von Vorteil ist Bis dato zeigen alle Untersuchungen dass eine lasergest tzte Gewebeverbindung m glich ist jedoch ist das Prozessparameterfenster f r feste Verbindungen klein und zus tzlich unter
217. mgewebe Projektingenieur am Institut f r Fertigungstechnik und Produktion IFP an der Hochschule Karlsruhe Forschungst tigkeit im Bereich der k ltemittelbasierten Spritzgie werkzeugk hlung 237
218. mission und Fl chenwiderstand Im Vergleich zeigt die CEC100S Beschichtung f r die in dieser Untersuchung ben tigten Anforderungen den besten Kompromiss 97 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Tabelle 8 Auflistung drei verschiedener Standard ITO Beschichtungen des Herstellers Pr zisions Glas amp Optik GmbH 82 Zwischenstufen im Bereich der Standard ITO Beschichtung sind nicht erh ltlich Bezeichnung der ITO Beschichtung BR a 7 des Herstellers pgo GmbH Transmission bei A 1470nm Fl chenwiderstand R Q CECO50S 52 lt 50 CEC100S 86 lt 100 CEC500S 90 500 100 Anforderung an die mechanische Festigkeit Damit die Fl chenpressung auf das Gewebe bertragen werden kann m ssen die zwei Elektroden die entsprechende Festigkeit aufweisen Es muss vermieden werden dass die Elektroden aufgrund der Druckkraft zerbrechen Die Standard ITO Beschichtungen sind bis zu einer maximalen Floatglassubstratdicke von 1 1mm erh ltlich und damit sehr d nn Zus tzlich handelt es sich um den Werkstoff Glas welcher einen Elastizit tsmodul von ca 70kN mm 83 Elastizit tsmodul von Stahl betr gt 210kN mm 13 S E96 besitzt Des Weiteren werden vom Hersteller die einzelnen Elektrodengl ser mechanisch auf die definierte Geometrie zugeschnitten was einen Einfluss auf deren Kantenqualit t kleinste Kerben in den Glaskanten hat und eventuell zu Spannungsspitzen bzw Rissbil
219. mpedanz spiegelt den elektrischen Gewebewiderstand wieder wodurch auf die Gewebeeigenschaften geschlossen werden kann ca 250 gewebeabh ngig siehe Abbildung 29 Diese Information wird vermutlich im weiteren Prozess ber cksichtigt Strom und Spannung wirken im kompletten Prozess als Stellgr en und sind abh ngig von der Gewebeimpedanz sowie der Steuer bzw Regelgr e in diesem Fall die Leistung In der anschlie enden Heating Phase ist ebenfalls die Leistung die Steuergr e Diese wird mit einer parabelf rmigen Charakteristik erh ht bis der Strom ebenfalls ein parabelf rmiger Anstieg in der Heating Phase das Maximum erreicht ca 3 5A bis ca 4 3A und anschlie end steil abf llt Der Stromabfall ist bedingt durch den Impedanzumschlag welcher eine schlagartige Erh hung des elektrischen Gewebewiderstandes widerspiegelt Dass die Steilheit der Leistungserh hung in der 68 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Heating Phase instrumentenabh ngig ist siehe Abbildung 28 ist zus tzlich ein Indiz f r die Leistungssteuerung in dieser Prozessphase Die massive Erh hung der Spannung bis zu deren Maximum zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags verhindert einen Leistungseinbruch bedingt durch den Stromabfall und f hrt diese auf ein geringeres Niveau Mit diesem kritischen Prozesszeitpunkt beginnt die Keeping Phase Der Prozess wird umgeschaltet auf eine Regel
220. mpfungsphase Zum Zeitpunkt des Erreichens der Verdampfungstemperatur kann bei visueller Prozessbeobachtung ein deutliches zum Teil heftiges Entweichen von Dampf aus dem Gewebe zu beobachtet werden Diese Dampfentweichung aus dem Gewebe kann zus tzlich kleine Gewebeteile oder auch noch fl ssiges Gewebewasser herausschleudern wozu Energie notwendig ist Diese muss ebenso durch einen erh hten Energieeintrag kompensiert werden was sich auf die ben tigte Gesamtprozessenergie auswirkt Im Gegensatz dazu muss herausgeschleuderte Fl ssigkeit nicht verdampft werden was den Energieaufwand verringert Beide genannten Effekte w ren nur unter gro em Aufwand im Prozessmodell zu ber cksichtigen 5 2 Theoretische Betrachtung der elektrischen Leitf higkeit des Gewebes Auf Grundlage der energetischen Prozessbetrachtung sollen nun auch die in den Fusionsprozessen gemessene Impedanzverl ufe nachgebildet und besser verstanden werden Zur Verdeutlichung der f r den Messstrom wichtigen Geometrien ist nachfolgend in 200 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Abbildung 100 das System Elektroden Gewebe ITO Messfl chen schematisch dargestellt In der linken Draufsicht ist die Position und die Gr e der ITO Messfl che eingezeichnet Diese liegt mittig im Laserspot und hat einen Durchmesser von Amm entsprechend einer Stromleitquerschnittfl che von 12 5mm Die jeweiligen ITO Messfl chen auf der oberen
221. n Durchbricht der Impedanzverlauf innerhalb dieser 50 Werte die Korridorgrenzen untere sowie obere Grenze so wird an diesem Schnittpunkt Impedanzverlauf und Korridorgrenze der Startpunkt f r einen neuen Korridor gesetzt siehe beispielsweise der gr ne Punkt P2 und der rote Punkt P3 mit den jeweiligen Korridorgrenzen In dem dargestellten Beispielverlauf w rde ein Impedanzplateau im roten Detektionsbereich P3 und dessen Korridorgrenzen 167 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses sich ereignen Alle 50 Messwerte befinden sich nacheinander innerhalb des Korridors und der Prozess wurde an dieser Stelle beendet werden Abschlie ende Gesamtprozesserklarung In den vorhergehenden Unterkapiteln sind die einzelnen wichtigen Prozesscharakteristiken hergeleitet sowie erlautert worden Anhand des nachfolgenden Impedanzbeispielverlaufs in Abbildung 85 sowie in dem Flussdiagramm das in Abbildung 86 gezeigt ist wird der gesamte Prozessablauf nach chronologischer Abfolge erkl rt Mit dem Start des Gewebefusionsprozesses wird die permanente Impedanzmessung mit 200Hz gestartet und gibt dem Prozess dadurch eine Feedbackgr e Gleichzeitig wird das gemessene Impedanzsignal softwareseitig gefiltert Dies ist wichtig f r die sp tere Regelphase des Prozesses Der Laser wird beim Prozessstart auf konstant 34W eingestellt was einer Bestrahlungsintensit t von 56 6J cm Spotfl che betr gt 0 6cm entspricht
222. n Zus tzlich wird durch die Variation verschiedener Prozessparameter Laserleistung Bestrahlungsdauer und Flachenpressung des Gewebes das f r die Verbindungsfestigkeit g nstigste Prozessfenster ermittelt 30W ber 13 3s mit 0 2N mm bis 0 4N mm Fl chenpressung Durch die Auswertung der Impedanzverl ufe kann eine Gewebeabh ngigkeit festgestellt werden welche f r eine Prozessregelung auf die Impedanz ber cksichtigt werden muss Explizit bedeutet dies dass je nach Dickdarmgewebeeigenschaft sich der Impedanzverlauf bei gleicher Prozessf hrung konstant 30W 13 3s und 0 3N mm unterschiedlich in Bezug auf bestimmte Impedanzniveaus an charakteristischen Prozesspunkten zeigt Die prinzipielle Impedanzcharakteristik ist immer gleich und beschreibt nach dem Start des Prozesses zun chst einen nichtlinearen Abfall bis zu einem Minimum und anschlie endem Anstieg Dieser Impedanzanstieg dauert bis zum Prozessende nach 13 3s an und weist meist zus tzlich kleinere Impedanzunregelm igkeiten kleinere Impedanzeinbr che Impedanzoszillationen auf Schon in diesem fr hen Prozessentwicklungsstadium ist die Thermografie zur Gewebetemperaturbeobachtung angewendet worden Darin zeigt sich das Erreichen der Wassersiedetemperatur zum Zeitpunkt des Impedanzminimums und ein anschlie endes Verbleiben auf diesem Temperaturniveau ca 90 C 100 C bis zum Prozessende In einzelnen F llen steigt jedoch die Temperatur gegen Ende des Prozesses deutlich
223. n 25 C auf 100 C Die Energie Qaufhei zum Erw rmen des Gewebes auf 100 C berechnet sich aus der Masse des trockenen Gewebeanteils ms der Wassermasse my den dazugeh rigen spezifischen W rmekapazit ten cg und cw sowie dem Temperaturunterschied AT Q sumei Mg Cg My Cy AT GI 26 Um die Massenanteile des Wassers mw sowie der trockenen Gewebemasse me zu errechen muss zun chst die Gesamtgewebemasse Mges berechnet werden welche von der Gewebedicke hgewepe abh ngig ist M ges Ba Vseweve a P Gewebe Deewebe i Gewebe heevebe 5 P Gewebe GI 27 Anschlie end k nnen mit dem variablen Gewebewassergehalt zum Prozessstart Wstart aus der Gesamtgewebemasse Mge die jeweiligen Massenanteile mw und mg berechnet werden My T gt W start M ges ae i W Start GI 28 Mg NS 2 W Start M ges a My hoovene a W Start Die Energie Qaufheiz ist somit von der Gewebedicke hgewebe und vom Wassergehalt zum Zeitpunkt des Prozessstarts Wstarr abh ngig Durch das Einsetzen des minimalen bzw maximalen Wertes des jeweiligen Wertebereichs der Variablen hgewepe UNd Wstart ergibt sich ein Bereich f r die Energie Qyufheiz Q zupeiz ane W start m Haas 4 W Start i CG My ONR W Start f Cw AT G1 29 Energieverlust durch Reduzierung der Absorption des Laserlichts im Gewebe Die Berechnung des Energieverlusts Qvertust Leistung aufgrund der nicht 100 igen Laserlichtabsorption im Gewebe ist abh ngig von der Gewebedick
224. n der jeweiligen Einzelverlustleistungen Pyerust i von der Laserleistung Praser erh lt man die tats chlich im Gewebe wirksame Leistung f r jeden Einzelschritt n ber den Ansatz die Zeitspannen zu errechen welche f r die Applizierung von Qverdampfen i mit den zwei verschiedenen Leistungsniveaus Plaser und Praser Pvertust i n tig w ren erreicht man schlussendlich folgenden mathematischen Ausdruck zur Berechnung der Einzelverlustenergien Qveriust Laserl 193 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses P _ Laser Oyertust Laser neu gt W start gt Wende gt i k P h 1 Laser Verlust Gewebe Wart Wende of Gl 44 OE tein oa 2 W Start n Mit der Bildung der Summe aus allen Einzelverlustenergien Qvertust Laserli erh lt man die Gesamtverlustenergie Quverlustiaen welche durch den Wasserverlust in der Verdampfungsphase erzeugt wird n Overtus Laser Besen 3 Wstart 2 W Ende Qvertus Laser a 2 W start 2 W Ende a i G 45 i l Aufgrund der Abh ngigkeit von Heewebe Wstart UNA Wende ergibt sich ebenfalls ein Wertebereich f r Qverlust Laser Energieverlust durch Erw rmung der Glaselektroden Auch in der Verdampfungsphase ist ein Energieverlust durch die weitere Erw rmung der Elektroden durch W rmeleitung vom Gewebe in die Elektroden vorhanden Dieser Energieverlust Qvertust Elektrode ist abh ngig von der Temperatur zum Zeitpunkt des Wechsels der Prozessph
225. n guten W rmetransport vom Gewebe in die eigentlich gut w rmeisolierende Glaselektrode niedriger W rmeleitkoeffizient f r den Bereich der Feststoffe Beide Eigenschaften elektrische Leitf higkeit und thermische Isolation in einem Material zu vereinen ist aufgrund des physikalischen Zusammenhangs nicht m glich hnlich zeigt sich dieser Sachverhalt beim HF Prozess mit Metallelektroden Auch dort ist der W rmeverlust im Prozess aufgrund der guten W rmeleitf higkeit der Grenzschicht Gewebe Elektrode gro Eine Reduzierung der Elektrodenmasse verringert den Energieverlust in direkter Weise setzt aber eine neue Gestaltung der Elektroden voraus Besonders die mechanische Festigkeit der Glaselektroden darf bei einer Massenreduzierung nicht signifikant verringert werden Um den Energieverlust durch die Elektrodenerw rmung infolge der W rmeleitung aus dem Gewebe zu verhindern ist eine aktive Elektrodenheizung denkbar Durch diese k nnte der Temperaturgradient zwischen Gewebe und Elektrode m glichst bei O gehalten werden Diese Elektrodenheizung k nnte folglich mit Hilfe einer billigeren Energie beispielsweise Strom umgesetzt werden So w rde sich zwar der Wirkungsgrad der 219 Kapitel 7 Ausblick Prozesses nicht ndern jedoch w rde der Gesamtwirkungsgrad des Systems inklusive Laser geringer Wirkungsgrad des Lasers steigen Prozesstechnisch w rde sich neben der Gewebeimpedanz auch die Gewebetemperatur als Feedbackgr
226. n sind Spannungs Strom und Impedanzmittelwerte sind in der Sensing Phase abh ngig von der verwendeten Probe und abh ngig von dem verwendeten Instrument Die Standardabweichungen diesbez glich sind h her als die bei der Auswertung des Leistungsniveaus In der anschlie enden Heating Phase wird die Leistung parabelf rmig erh ht Beim Auftragen der Leistungsverl ufe aller 60 Versuche in Abbildung 28 zeigt sich eine instrumentenabh ngige Regelm igkeit Die Leistungsrampe bei Verwendung des LigaSure Impact Instruments gestaltet sich flacher als die des LigaSure STD Instruments erster instrumentenabh ngiger Prozessunterschied Durch den Zusammenhang von Leistungsapplikation ber einer Zeit ergibt sich f r die Heating Phase eine massive Energieeintragserh hung in das Gewebe Dadurch folgt ein stetiges Sinken der Impedanz bis zu einem Minimum von ca 100 Dieser Wert ist gr enklassen bergreifend und instrumenten bergreifend vgl Abbildung 29 und weist eine geringe Standardabweichung auf Nach diesem Impedanzminimum erf hrt die Impedanz einen schlagartigen Anstieg Impedanzumschlag welcher den zweiten charakteristischen Messpunkt f r die Auswertung darstellt An diesem Messpunkt fallen der Strom Abbildung 26 und die Leistung Abbildung 27 vom jeweiligen Maximum stark ab Das Maximum des Stroms bel uft sich auf ca 3 5A bis ca 4 3A welches vor allem gr enklassenabh ngig ist Abbildung 26 Bez glich des Leistun
227. national Journal of Colorectal Disease 25 129 133 2010 Wright B Vicaretti M Schwaiger N Wu J Trickett R Morrissey L Rohanizadeh R Fletcher J Maitz P Harris M Laser assisted end to end BioWeld anastomosis in an ovine model Lasers in Surgery and Medicine 39 667 673 2007 Zelis R Delea C S Coleman H N Mason D T Arterial sodium content in experimental congestive heart failure Circulation 41 213 216 1970 Internetquellen 77 78 79 80 81 Online 2012 LigaSure Produktsortiment des Herstellers Covidien http www ligasure com ligasure pages aspx page Products Open 160291 Abruf am 21 Feb 2012 Online 2012 Emissionsgradtabelle des Thermografie Dienstleisters viZaar http www thermografie xtra de de waermebildkamera tipps tricks know how emissionsgrad tabelle html Abruf am 21 Feb 2012 Online 2012 Fleischerei und Schlachtbetrieb http www joebstl cc www2 index php option com_content amp view article amp id 73 amp ltemid 28 amp lang de Abruf am 30 Feb 2012 Online 2012 LigaSure Produktsortiment des Herstellers Covidien http www ligasure com ligasure pages aspx page Products Open 64432 Abruf am 21 Feb 2012 Online 2012 Naturdarmhersteller f r die Wurst und Fleischherstellung http www sonac lohne de experia cgi v2 2 viewhtml pl DescriptionFile nfzpronat menu def amp calling produkt_de amp menudepth 1 amp language de amp User amp navigat
228. nauigkeit sind Widerst nde von 1000 2000 4000 8000 und 16000 in Reihe mit Kondensatoren von 1nF 1592Q 2nF 786Q AnF 398Q 7 5nF 2120 15nF 106Q geschaltet worden Jeder dargestellte Mittelwert ist aus 100 Einzelmessungen n 100 ermittelt Die linke Abbildung zeigt eine deutliche Steigerung der Genauigkeit durch die Dreipunktkalibration bei h heren Realteil und Imagin rteilwerten gegen ber der Einpunktkalibration Mittels der roten Verbindungslinie sind die Kalibrationspunkte markiert Prozentual ist die Abweichung bei der Dreipunktkalibration im Bereich von OQ 16000 im Realteil und OQ 7860 im Imagin rteil unter 2 rechte Abbildung Bei der Einpunktkalibration ist diese Abweichung tendenziell schon bei ca 5000 erreicht und steigt mit zunehmender Impedanz Mit der Dreipunktkalibration wird der Widerstandsbereich in dem sich der Gewebefusionsprozess bewegen wird mit einer geringen Abweichung abgebildet was die Grundlage f r eine funktionierende Laserleistungsregelung darstellt 110 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Vergleich der Impedanzen SOLL vs IST Abweichungen der 3 Punktkalibrierung Realteil Q P___100_ 200 300 400 500 600 700 800 900 o 4 200 o o _ J g amp 400 o o 5 5 v 5o 5 600 oO 2 E lt 1 800 SOLL Impedanzen 0 1 Punktkalibrierung ae 1000 3 Punktkalibrierung 1600 800 398 Kalibrationswiderstande 400 200
229. nderaorta verwendet die mittels des Zusatzmaterials durch die Bestrahlung eines Diodenlasers 808nm verbunden wurde Durch die Bewertung der Zugfestigkeit der zwei verbundenen Gewebest cke war es m glich die optimale Parameterkombination zu ermitteln Die beste Parameterkombination erzeugte 12 Kapitel 1 Einleitung Zugfestigkeiten von ca 600N cm Histologische Untersuchungen zeigten eine stabile Anhaftung des Zusatzmaterials selbst nach einer Woche Lagerung in N hrl sung und der dadurch erzeugten Rehydrierung des Gewebes Diese Ergebnisse bez glich der Parameterkombination Konzentration von BSA und ICG die Bestrahlungsintensit t und Bestrahlungsdauer konnten von Bregy et al 5 best tigt werden Zus tzlich gibt diese Studie Auskunft ber die entstehenden Gewebetemperaturen Aortagewebe des Hasen durch die Integration einer Thermokamera in den Versuchsaufbau Dabei zeigten die zeitaufgel sten Temperaturverl ufe f r den Prozess mit den optimalen Parametereinstellungen einen anf nglich starken Temperaturanstieg bis auf ca 100 C worauf eine flache aber stetige weitere Temperaturerh hung bis auf ca 117 C folgte Dieses Temperaturregime u erte sich histologisch lediglich in der Besch digung der Adventitia und des u eren Bereichs der Media ohne Anzeichen von Dehydrierung zu zeigen Bregy et al entwickelten letztlich eine reproduzierbare gewebeschonende geringste Sch digungen Gewebeverbindung mit Zugabe eines pro
230. ner tubusf rmigen Gewebegeometrie eine rechteckige fl chige Geometrie entsteht Daraus k nnen die f r die Versuche ben tigten Gewebestreifen geschnitten werden Die Abma e dieser Gewebestreifen betr gt ca 30mm in der L nge und ca 8mm in der Breite Die Gewebedicke ist jeweils durch die Wandst rke des Dickdarms definiert von 0 5mm bis 1 2mm Das Dickdarmprobenmaterial ist nachfolgend in Abbildung 21 exemplarisch gezeigt F r die Verwendung der zwei Gewebestreifen im Versuch werden immer die beiden Au enfl chen aufeinander gelegt 51 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom St ck des Schweinedickdarms Langs ge ffneter Schweinedickdarm Sicht der Lumeninnenwand Mucosa Dickdarmgewebestreifen f r die Versuchsproben Ablangen des Gewebestreifen noch nicht erfolgt Abbildung 21 Dickdarmprobenmaterial der Spezies Schwein Teil des Krausedarm 2 1 5 Planung und Durchf hrung von Versuchsreihen Zur Untersuchung der Arbeitsweise und des technologischen Fusionsprinzips des ForceTriad Generators sind vier Versuchsreihen geplant Diese sollen Aufschluss bez glich des Einflusses der Fl chenpressung auf den Prozess geben und die grundlegende Arbeitsweise des Generators sichtbar machen Hierzu werden Strom und Spannung gemessen woraus dementsprechend die applizierte Leistung und Impedanz berechnet werden k nnen Als weitere Untersuchung gilt es die Prozessuntersc
231. nergieeintrag bis zum Impedanzumschlag sowie von der Impedanzinformation aus der Sensing Phase Berechnung einer ben tigten Gesamtenergie Dass eine drastische Prozessverk rzung bis zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags eine Verschlechterung sowie eine nicht reproduzierbare Versiegelung erzeugt wird in Versuchsreihe 3 best tigt Nur durch das Halten des Temperaturniveaus wird ein entsprechender Wasserverlust generiert welcher f r eine feste reproduzierbare Verbindung scheinbar wichtig ist Der zweite neben der Temperatur direkte Gewebeeinflussparameter stellt die Gewebefl chenpressung auf das Gewebe dar Hierbei kristallisierte sich ein Wert zwischen 1N mm bis 1 2N mm f r Arterien als optimal heraus Die vierte Untersuchung zielte auf das Testen des ForceTriad Fusionsverm gens an Dickdarmgewebe Auch bei der Fusion dieses strukturell unterschiedlichen Gewebes zeigt der Generator die gleiche Regelcharakteristik Die drei Prozessphasen sind ebenso vorhanden wobei sich einzelnen Werteniveaus der elektrischen Gr en und vor allem die des Energieeintrags zum Arteriengewebe unterscheiden So wird in der Heating Phase anteilig zum Gesamtenergieeintrag weniger appliziert Daraufhin zeigt sich bei hnlichem Gesamtenergieeintrag und Prozessdauer dass bei Verwendung von Dickdarmgewebe das Leistungsniveau in der Keeping Phase h her liegt Zus tzlich ist durch die Auswertung der Thermografie ein deutlich unruhigerer Verlauf in dieser Prozes
232. nforderung an die Bestrahlung siehe die Beschreibung der optischen Strahlformung genau positioniert Um eine elektrische Impedanzmessung des Gewebes durchf hren zu k nnen m ssen die Elektroden kontaktiert werden Diesbez glich f hren jeweils die isolierten Kupfergewebelitzen von der ITO Kontaktfl che zu einer BNC Buchse Diese Buchse 7 und 104 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses 8 kann dann entsprechend mit einem standardisierten BNC Kabel zur weiteren Verwendung benutzt werden Die rechte Abbildung zeigt die Frontalansicht des Aufbaus Die Lichtleitfaser ist mittels eines FSMA Steckers 4 in den Aufbau fest integriert und bildet dadurch den Anfang der Bestrahlungseinheit und bestimmt die Position der optischen Achse Durch die zwei Zylinderlinsen 3 wird der Strahl zu einem rechteckigen Spot geformt welcher durch die obere Elektrode 2 transmittiert und an der unteren Elektrode 1 durch die Silberbeschichtung reflektiert wird Die BNC Stecker f r die Impedanzmessung sind in Position 5 und 6 zu sehen le F e ay i 1 W eu Bi Abbildung 55 Fotografie des Laboraufbaus zur lasergest tzten Gewebefusion links Darstellung des gesamten Laboraufbaus 1 Teflonsockel mit unterer Elektrode 2 Obere Elektrode mit Halterung 3 Zylinderlinsen zur Strahlformung 4 Manipulator zur Bestrahlungspositionierung 5 Z Achse zur Druckkrafterzeugung 6 Kraftsensor 7 BNC Konta
233. ng ein Impedanzumschlag Dieser Umschlag bewirkt ein drastisches schlagartiges Sinken des Stroms und der Leistung Die Spannung hingegen erf hrt zu diesem Zeitpunkt eine zus tzliche starke Erh hung bis zu einem Maximum Diese Prozessphase in der die Impedanz bis zu deren Umschlag stetig sinkt und gleichzeitig durch die nichtlineare Leistungszunahme ein gro er Energieeintrag generiert wird ist als Heating Phase benannt worden Im Anschluss folgt die dritte Prozessphase Keeping Phase in der durch einen konstanten Energieeintrag konstante Leistung auf einem relativ niedrigen 60 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Niveau die Impedanz im Mittel mit einer konstanten Steigung erh ht wird Der Strom korreliert ebenfalls in dieser Prozessphase mit der Leistung und ist nahezu konstant auf einem niedrigen Niveau Entstehenden Impedanzeinbr chen bzw Unregelm igkeiten wird durch das Erh hen von Spannung und Strom folglich auch Leistung entgegen gesteuert Diese drei Phasen sind bei jeder Gewebefusion gut erkennbar und kennzeichnen die Regelcharakteristik des ForceTriad Generators Spannung Strom Impedanz Leistung vs Zeit 1 0 I U _ 89 4 V max 0 9 Imax 7 4 3 AI er z a Z nax 7 326 4 O 5 0 P nax 210 9 W N 2 0 7 h VV D 506 A 1 WM N Zu p 5 Mn gos A i I I hy i i 3 0 4
234. ng des Impedanzverlaufs blauer Graph sowie des Laserleistungspegels griiner Graph des Beispielversuchs 30W konstant iiber 10s Insgesamt sind charakteristische Parallelen des Impedanzverlaufs des Laserprozesses zu dem Impedanzverlauf des HF Prozesses zu erkennen In beiden Verl ufen ist ein anf nglicher Impedanzabfall vorhanden Zum Zeitpunkt des Impedanzminimums folgt direkt eine 123 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses schlagartige Erh hung der Impedanz ein Impedanzumschlag Danach folgt eine stetige Impedanzerh hung bis zum Ende des Prozesses 3 2 2 Versuchsreihe 1 Untersuchung des Einflusses von Energieeintragsdynamik Fl chenpressung sowie Gewebezustand auf die Fusionsg te unter Verwendung von konstanten Leistungspegeln Wie in der Versuchsplanung dieser Versuchsreihe Kapitel 3 1 4 beschrieben ist sollen mit einem einfachen Prozess welcher mit einem konstanten Laserleistungspegel arbeitet verschiedene Informationen ber den Prozess und das Verhalten des Gewebes herausgefunden werden Mit insgesamt 150 geplanten Versuchen ist es das Ziel den Einfluss bez glich der Energieeintragsdynamik der Gewebeflachenpressung und des Gewebezustands zu eruieren Die Darstellung der gemessenen Impedanzverl ufe ist in Abbildung 65 gezeigt Dabei ist f r jede Stufe der Fl chenpressung 0 2N mm 0 4N mm 0 6N mm gepaart mit dem Gewebezustand frisch und aufgetaut ein Diagr
235. ng eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Mathematisch bedient sich dieser Ansatz zur Kalibrierung einer Abbildungsmatrix Diese Abbildungsmatrix berf hrt den Impedanzraum der gemessenen Werte in den Raum der tats chlichen Impedanzwerte Diese zwei Zahlenr ume k nnen relativ zueinander verschoben gestreckt gedreht oder geschert sein was durch diese Abbildungsmatrix entsprechend beschrieben wird Trotzdem m ssen beide R ume zueinander affin lineare Abh ngigkeiten innerhalb des einen Raumes m ssen ebenfalls linear in Messabweichung Mittelwert n 10 von der SOLL Impedanz den anderen abgebildet werden De og 218090 sein um eine korrekte physikalische Durchg ngigkeit zu garantieren F r gy rere 2 3299 die drei Kalibrationspunkte sind g1 i F E R 0 77 zwei Ohmsche Widerst nde mit lt 2 4290 1600 und 7500 sowie ein 2 5 8222 622 0 Kondensator mit 2 2nF festgelegt p N De 00 200 300 400 500 600 700 800 900 Impedanz Q worden Aus dem 2 2nF Abbildung 57 Prozentuale Abweichung Mittelwert n 5 Kondensator kann die Kapazitanz des AD5933 bei einer Einpunktkalibration Der AD5933 _ _ s wurde mit einer Impedanz von 159 8 Q kalibriert Das Xc 723 43Q Xc 1 2nF C f r Bestimmtheitsma von R 0 77 best tigt einen linearen Trend Die einzelnen Messwiderst nde Soll Impedanz sinusf rmige Signale errechnet sind als Zahlenwert im Diagramm dargestellt werden Die Abbildungsmatrix
236. ngEnde V 47 6 4 0 53 7 5 5 46 7 3 6 48 1 3 8 I_HeatingEnde A 3 56 0 35 P_HeatingEnde W 167 5 23 2 Z_HeatingEnde 0 11 65 1 2 E_Heating Anteil 56 9 8 2 233 Anhang A2 Datentabelle zu Abbildung 33 auf Seite 72 Tabelle 16 Auflistung der Berstdruckfestigkeiten und Standardabweichungen der Versuchsbl cke Druckkraft N 10 15 20 30 40 50 60 Gr enklasse klein 143 46 258 74 337 106 429 174 Gr enklasse mittel 2254108 2924152 5454168 469 162 520 94 Gr enklasse gro 94 0 150 74 214 93 215 69 264 79 254 32 A3 Datentabelle zu Abbildung 44 auf Seite 85 Tabelle 17 Auflistung aller Mittelwerte und Standardabweichungen der Messwertauswertung an den charakteristischen Prozesspunkten Dickdarmgewebe LigaSure Impact n 5 U_Sensing V 12 6 2 5 U_HeatingEnde V 49 1 3 2 dU dt V s 3 1 5 4 U_Ende V 69 0 12 8 I_Sensing A 0 41 0 09 _HeatingEnde A 2 93 0 55 di dt A s 0 11 0 04 I_Ende A 0 21 0 01 P_Sensing W 5 0 0 2 P_HeatingEnde W 150 25 dP dt w s 5 8 3 3 P_Ende W 14 5 2 9 Z_Sensing Q 32 4 10 9 Z_HeatingEnde 0 17 5 4 6 dz dt Q s 80 1 1 7 Z_Ende Q 327 57 E_gesamt J 171 23 E_Heating J 65 2 11 2 E_Heating Anteil 38 2 5 4 t_Sensing s 0 10 0 01 t_Heating s 1 20 0 07 t_Keeping s 3 43 0 59 t_Gesamt s 4 84 0 55
237. ngsphase und in Summe f r den Gesamtprozess berechnet Zur 207 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Berechnung des notwendigen Energieaufwands f r das Gewebe werden die Gewebedicke sowie der Wassergehalt des Gewebes 70 80 in bestimmten Grenzen variiert So ergibt sich zun chst ein Bereich der im Gewebe vorhandenen Wassermasse welche anschlie end den Energiebereich definiert der zur Erw rmung des Gewebes von 25 C auf 100 C notwendig ist F r die Berechnung der Energie zum Verdampfen der Wassermasse wird zus tzlich der zum Prozessende verbleibende Wassergehalt variiert 3 5 8 So resultiert auch f r die notwendige Wasserverdampfungsenergie ein Wertebereich der durch eine minimale und maximale Energie aufgespannt wird Bez glich der Energieverluste im Prozess sind zwei Hauptursachen identifiziert worden Diese sind der Energieverlust infolge der Elektrodenerw rmung und der Energieverlust aufgrund der Reduzierung der tats chlich im Gewebe wirksamen Laserleistung bedingt durch den Gewebewasserverlust Vergleichsweise gering ist der Energieverlut durch Konvektion von der Elektrodenoberfl che in die Umgebungsluft w hrend der Prozessdauer Auch f r den Energieverlust ergibt sich mit Vorgabe eines Elektrodentemperaturbereichs jeweils ein Wertebereich Durch Summenbildung aller Energieaufwendungen und Energieverluste kann der Gesamtenergiebedarf berechnet werden Als Ergebnis kann festges
238. niert Bei den restlichen 29 Versuchen passt die gemessene Impedanzsteigung Qmess in das Berechnungsfenster wobei generell alle vier Dickd rme im Mittel berdurchschnittlich hohe Impedanzsteigungen aufweisen siehe Abbildung 87 rechts Der Impedanzsteigungsunterschied der Dickd rme Rubrik T1 bis T4 untereinander ist vorhanden aber nicht sehr ausgepr gt Im Gegensatz dazu ist bei der Auswertung des Energieeintrags Qmin eine deutliche Gewebeunterscheidung festzustellen was sich direkt auf die Berechnung der Wassermasse und damit folglich auf den zu erbringenden Gesamtenergieeintrag auswirkt Gewebediskriminierung Gewebediskriminierung durch durchQ _ Impedanzsteigung a m n mess 50 7 1 1 200 T v 45 G 180 g 40 a 160 ard No E 2 35 N 140 a 2 D i a 2 30 120 gt N D u 25 3 100 N 3 20 2 80 ST n 6 T2 n 7 T3 n 8 T4 n 8 604 n 6 T2 n 7 T3 n 8 T4 n 8 Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Abbildung 87 Auswertung der Versuchsreihe hinsichtlich der Gewebediskriminierung durch den Energieeintrag bis Zmin Qmin sowie der Impedanzsteigung a ess zum Zeitpunkt tzmin s bis tzmin 1 5s Die Rubriken beider Diagramme repr sentieren die Dickdarmgewebe der vier verschiedenen Schweinen T1 Tier 1 usw 171 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Bei der Betrachtung beider Diagramme Abbildung 87 wird die Hypothese best tigt dass ein Gewebe mit einem h
239. nklasse mittel STD Instrument m Gr enklasse gro STD Instrument 80 Gr enklasse gro STD Instrument 70 8 8 Leistung W Leistung W gt So 3 0 02 04 oe 08 1 12 Zeit s Zeit s Abbildung 28 links Darstellung aller Leistungsverlaufe bis 5s Prozessdauer rechts Darstellung aller Leistungsverl ufe bis 1 25s Prozessdauer Instrumentenabh ngige Steuerung der nichtlinearen Leistungsrampe in der Heating Phase Impedanzverlauf Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 15 der Impedanz 350 450 I Gr enklasse mittel Impact Instrument 400 MGr enklasse gro Impact Instrument 300 WE Gr enklasse mittel STD Instrument 350 WW Gr enklasse gro STD Instrument J 250 300 amp amp wy 200 N 250 I o 3 8 200 150 N 150 100 I 100 50 Z_Sensing S O ___ Z_HeatingEnde ui 0 i 0 s 1m 0 1 2 3 4 5 Z_Sensing Z_HeatingEnde dZ dt Z_Ende Zeit s Abbildung 29 links Charakteristische Impedanzmesspunkte gezeigt am Beispielversuch rechts Auswertung der charakteristischen Impedanzwerte der Versuchsreihe Energieeintr ge dargestellt am Leistungsverlauf Energieeintr ge Mittelwerte n 15 prozentuale Betrachtung 220 300 100 J Energie gesamt E mittel Impact W mittel Impact Energie Heating BB gro Impact 90 W groR Impact 250 mittel STD M mittel STD E groR STD 80 MB
240. nklassen liegen auf dem Niveau von ca 105 C siehe Legende in Abbildung 39 hnlich dem Beispielversuch Vor allem in der Gr enklasse gro zeigen mehrere Versuche deutlich geringere Werte Es k nnte sich hierbei ein Zusammenhang mit der Fl chenpressung ergeben Die Auswertung der Daten in Abbildung 40 und die Berechnung der Korrelationskoeffizienten zeigt deutlich dass die Maximaltemperatur nicht von der Fl chenpressung des Gewebes abh ngt Abh ngigkeit der max Temperatur von der Gewebefl chenpressung 140 e Gr enkl klein T 108 8 Koeffizient 0 16 max mean 135 Gr enkl mittel T 108 6 Koeffizient 0 05 max mean 101 8 Koeffizient 0 Gr enkl gro T 1 30 max mean 125 ak N oO 115 max Temperatur C 88 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 Gewebefl chenpressung N mm Abbildung 40 Auftragen aller Temperaturmaximalwerte zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags ber der jeweiligen Gewebefl chenpressung Dargestellt in der Legende sind Mittelwerte und Standardabweichung der Maximaltemperatur sowie die Korrelationskoeffizienten 79 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Interpretation der Ergebnisse Die Auswertung der Daten ergibt eine eindeutige Abh ngigkeit der Berstdruckfestigkeit von der Gewebefl chenpressung Diesbez glich zeigt sich ein optimales Prozessfenster f r die Fl chenpressung von
241. nlich hohen Sch lfestigkeit von 0 25N mm rot umkreist rechts Berechnung des Mittelwertes der Rubrik mit der konstanten Leistung ohne den rot umkreisten Wert siehe Diagramm links Neben dieser Bewertung der Regelweise auf die Impedanz bietet diese Versuchsreihe Ans tze f r zus tzliche Auswertungen bez glich der gesamten Prozessregelgestaltung Die vorher definierte Gestaltung des Prozesses basiert auf der jeweiligen Startimpedanz des Gewebes Innerhalb dieser Versuchsreihe zeigt sich jedoch f r beide Regelarten Regelung auf die Impedanzsteigung und die Regelung auf absolute Impedanzwerte dass die Klassifizierung der Gewebe mittels der Startimpedanz nicht eindeutig ist Die hier verwendeten Dickdarmgewebe Probenmaterial von vier verschiedenen Schweinen liegen alle innerhalb der Wandst rkenklasse dick zeigen jedoch Startimpedanzwerte welche sich ber den gesamten bisher bekannten Bereich verteilen siehe Abbildung 72 links Laut der in dieser Versuchsreihe vorgenommenen Gewebeklassifizierung m sste die Startimpedanz f r dickes Gewebe im Bereich von ca 3000 bis 4500 liegen Es zeigen sich jedoch 141 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses eindeutig Startimpedanzen die wesentlich geringer sind bis zu 1310 und eigentlich f r mittlere bzw d nne Gewebe typisch w ren Dies f hrt dazu dass f r Proben mit einer geringen Startimpedanz sehr hohe Umschaltimpedanzen und auch
242. nndarms weist der Dickdarm keine Darmzotten in dieser Schicht auf Abbildung 6 zeigt einen mit Azan gef rbten histologischen Querschnitt der Dickdarmwand Ausgehend vom Lumen innerer Hohlraum bildet sich die Mucosa mit vielen einzeln angeordneten Krypten aus Zus tzlich werden einzelne Falten ausgebildet die die Oberfl che des Dickdarminneren vergr ern Auf die Mucosa folgt eine d nnere Submucosa die haupts chlich aus Bindegewebe und einzelnen Versorgungsgef en besteht Eine dicke kompakte Schicht stellt die Muscularis dar Hier sind der innere Ringmuskel sowie der L ngsmuskel zu finden Die u ere Serosa Schicht vermittelt die Einbindung in das versorgende Mesinteriums 58 S 150 21 27 Kapitel 1 Einleitung Lumen x an gt Krypten z A Y f TA Mucosa H 7 S u IR t j er Submucosa ER ENA i 3 un li D S ae 2 ya sw ek 2 a mene j Muscularis s Eur Ms Se tt al a s un A h Serosa TE Innere Submucosa L ngsmuskelschicht Ringmuskelschicht Abbildung 6 Histologie eines Dickdarmgewebewandquerschnitts F rbung Azan 13 5x Vergr erung 58 150 Farblich gut zu unterscheiden sind die einzelnen Wandschichten des Dickdarms Vom Lumen ausgehend bildet sich die Mucosa mit vielen einzelnen angeordneten Krypten aus Zus tzlich werden einzelne Falten ausgebildet um die Oberfl che des Dickdarminneren zu vergr ern Auf die Mucosa folgt eine d nnere Submu
243. npressung auf die Berstdruckfestigkeit beschrieben Das Darstellen der elektrischen Gr en ber die Prozesszeit zeigt eindeutig drei Phasen in denen der Fusionsprozess abl uft In der Sensing Phase wird zun chst durch eine Leistung von ca 5W und 100ms eine Charakterisierung des Gewebes durchgef hrt wobei die daraus gewonnenen Informationen im weiteren Prozess Einfluss nehmen Die folgende Phase Heating Phase generiert durch eine massive Leistungserh hung bis auf 220W einen Energieeintrag welcher die Gewebefl ssigkeit zum Verdampfen bringt gt 100 C Bis zu diesem Punkt des Leistungsmaximums sinkt die Impedanz stetig auf ein Minimum von ca 100 um danach schlagartig zu steigen Impedanzumschlag Dieser Punkt markiert den bergang zur Keeping Phase welche die Funktion einnimmt durch das Regeln auf eine konstante Impedanzsteigung ca 800 s das Gewebe konstant auf Siedetemperatur zu halten und somit das Gewebe auszutrocknen Im Bezug auf diese Prozesscharakteristik und das Temperaturgef ge kann bei Variation der Instrumente kein Unterschied festgestellt werden Lediglich die sich einstellenden Werteniveaus auch begr ndet durch eine 88 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Strombegrenzung im Falle des LigaSure STD Instruments sind teilweise unterschiedlich siehe Tabelle 15 im Anhang A1 Die Beendigung des Fusionsprozesses ist wahrscheinlich abh ngig vom E
244. nssystemen den Stand der Technik im Bereich der Hochfrequenz Chirurgie darstellt Der Generator bietet neben monopolarer auch bipolare Ger tetechnik an wobei der spezielle LigaSure produktspezifischer Name des Bipolarmodus Bipolarmodus bei der Versiegelung von Blutgef ssen Lymphgef en und allgemeinen Gewebeb ndel verwendet wird 77 Dieser LigaSure Bipolarmodus dient dieser Arbeit als Grundlage die Gewebefusion an Arterien arteria carotis vom Schwein zu untersuchen und haupts chlich den prozesstechnologischen Aspekt zu verstehen In der Literatur wird bez glich der Prozessf hrung des LigaSure Bipolarmodus von Riegler et al 50 eine Zusammenfassung Zusammenfassung von Informationen aus dem Benutzerhandbuch sowie publizierter Arbeiten der prozesstechnischen Gr en gegeben Darin wird beschrieben dass der Generator f r die Gef fusion Spannungen zwischen 40V 150V sowie Leistungen zwischen 80W 140W erzeugt Weiterhin wird erkl rt dass der Prozess ber die Impedanz elektrischer Widerstand geregelt wird feedbackgesteuert wobei der elektrische Gewebewiderstand mit einer Frequenz von 200Hz erfasst wird Bez glich des Kriteriums zur Prozessbeendigung soll laut dieses Reviews der Energieeintrag verantwortlich sein In Hinblick auf die Gewebetemperatur w hrend des Prozess beschreiben Campbell et al 7 einen Temperaturanstieg gemessen durch Thermografie bis auf 100 C an der Instrumentenspitze Das Temperaturmax
245. nstellung der Druckkraft kurz vor dem Prozess Zur Bewertung der Fusionsg te wurde 55 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom jeweils die Berstruckfestigkeit direkt im Anschluss des Prozesses gepr ft Die Druckkraft wurde in 7 Stufen variiert welche nachfolgend in Tabelle 3 aufgelistet sind Tabelle 3 Stufen der Druckkraftvariation Druckkraft N 10 15 20 30 40 50 60 F r diese Versuchsreihe wurden ausschlie lich Arterien arteria carotis der Spezies Schwein verwendet Insgesamt umfasst die Versuchsreihe 131 Proben Korrelierend zur ersten Versuchsreihe wurden die Arterien ebenfalls in die beschriebenen Gr enklassen eingeteilt Bez glich der Probenpr parierung wurde wie in Versuchsreihe 1 vorgegangen Die elektrische Kopplung des Generators mit den Laborelektroden wurde mit dem LigaSure STD Stecker umgesetzt Dies ist damit begr ndet dass zum Zeitpunkt dieser Versuchsreihe kein anderes LigaSure Instrument samt Stecker vorhanden war Dem Generator wird somit der Anschluss des LigaSure STD Instruments suggeriert Neben dem Monitioring der elektrischen Prozessgr en ber das Oszilloskop wurde zus tzlich die Gewebetemperatur mit der Thermokamera ber den Prozess aufgenommen Die Integration in den Versuchsaufbau sowie die Funktionsweise der Thermokamera ist in Kapitel 2 1 2 beschrieben Aufgrund des nicht vorhandenen externen T
246. nt mit m glichst geringen Traumata behandelt werden kann Konkrete Anwendungen in der heutigen chirurgischen Praxis erf hrt die Gewebeverbindung in den einfachsten F llen beim Schlie en von einfachen Wunden beispielsweise Schnittwunden Dadurch dass der Wundverschluss an unterschiedlichen K rperteilen oder Kapitel 1 Einleitung K rpergeweben angewendet werden muss stellen sich verschiedene Anforderungen an die Verbindungstechnik So m ssen beispielsweise nach einer Resektion eines Darmst cks Bsp Kolonkarzinom beide Darmenden wieder miteinander verbunden werden Dabei muss die Gewebeverbindung so erzeugt werden dass ein ungehinderter Durchgang des Darmlumens garantiert ist Des Weiteren ist eine absolute Dichtigkeit der Verbindung sehr wichtig Zus tzlich darf der Darm in seiner nat rlichen Bewegung nicht eingeschr nkt werden Im Vergleich zu einem einfachen Wundverschluss der Haut stellt das Beispiel der Darmanastomose wesentlich h here Anforderungen an die Gewebeverbindungstechnik hnlich schwierig stellt sich die Gewebeverbindung bei der H mostase dar Diese bezeichnet die Blutstillung verletzter Blutgef e in jeglicher Form W hrend eines chirurgischen Eingriffs sind Blutungen zu vermeiden und m ssen im Falle ihres Auftretens schnell gestoppt werden Diesbez glich ergibt sich neben der Dichtigkeit an die Verbindung die Forderung diese Abdichtung in k rzester Zeit zu erzeugen Dieser Aspekt f hrt direkt zu den Gr nden
247. nteren bzw oberen Grenzen des Wertebereichs der jeweiligen Variablen siehe Tabelle 13 eingesetzt Q ges Verdampfen h Gewebe W start gt W Ende gt T wechsel gt T inde Qyerdampfen h Gewebe Wart T VWertust Laser Hgewebe gt Worart gt Wende T VWertust Elektrode Toi gt T inde G 50 Qvertust Konvektion Hess j Wtart gt W Ende T wechsel gt T inde Der Gesamtenergieverlust in der Verdampfungsphase ist die Summe aus allen Energieverlusten dieser Prozessphase Wvertust Verdampfen ee 2 W start 2 W Ende 2 T wechsel 2 T tnae Oyertust Laser Hgewebe 2 W start 2 W Ende GI 51 F Qvertust Elektrode Tse T inde Qvertust Konvektion has gt Wstart gt W Ende gt T wechsel T inde Die Berechnung der Dauer der Aufheizphase tverdampfen erfolgt durch den Quotienten aus dem Gesamtenenergieaufwand Qges verdampfen und der Leistung des Lasers Piaser Analog zur Berechnung des Gesamtenenergieaufwand Qges verdampfen ergibt sich auch bei der Berechnung der Aufheizphasendauer durch die Verwendung der minimalen bzw maximalen Werte der Variablen eine minimale und maximale Aufheizphasendauer tyerdampfen On Verdampfen h Gewebe Wart gt Wende gt T wechsel gt T inde GI 52 EVerdampfen iis she gt Wetart gt Wende gt T wechsel T inde P Laser 5 1 3 Energiebilanz des Gesamtprozesses Der Gesamtenergieaufwand Qges Aufwand f r das Gewebe ohne Verluste ist die Summe der
248. nterschied errechnet werden Der W rmetransport ist wiederum abh ngig von den thermischen Eigenschaften des Gewebes sowie von den Umgebungsbedingungen und beinhaltet einen W rmeverlust im betrachteten System Der W rmetransport bzw der W rmeverlust wird unterteilt in W rmestrahlung Konvektion und W rmeleitung Im Bereich der Gewebeerw rmung ist die W rmestrahlung vernachl ssigbar klein und die Konvektion ist lediglich bei blutdurchstr mten Gewebeteilen zu ber cksichtigen Der wichtigste Transportmechanismus ist die W rmeleitung Sie ist abh ngig von der stoffabh ngigen W rmeleitf higkeit sowie vom Temperaturgradienten Temperaturunterschied W rmefluss immer vom w rmeren zum k lteren Bereich 43 S 68 69 Im konkreten Fall der Gewebeerw rmung k nnen u ere k ltere Medien z B Wasser oder metallische Gegenst nde so einen k hlenden Effekt auf das Gewebe erzeugen Des Weiteren zeigt sich die W rmeleitung besonders bei l ngeren Einwirkdauern in einer ausgepr gten W rmeeinflusszone um den bestrahlten Gewebebereich 23 Kapitel 1 Einleitung 1 3 Gewebehistologie 1 3 1 Histologie und struktureller Aufbau von Arterien arteria Die Arterien des menschlichen K rpers werden anhand ihres von der Funktion abh ngigen Aufbaus in zwei Hauptgruppen unterschieden Im herznahen Bereich des K rpers sind Arterien des elastischen Typs zu finden Im Gegensatz dazu weist der K rper im herzfernen Bereich Arterien der musku
249. nterschiedlichen 117 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Schweinen ist ein Erfahrungsschatz aufgebaut worden welcher eine richtige Einteilung erm glicht Zur Untersuchung des Gewebedickeneinflusses auf den Impedanzverlauf ist ein Versuchsumfang mit insgesamt 20 Gewebefusionen ber zwei Messtage geplant Diese 20 Gewebefusionen ergeben sich durch die Erzeugung von jeweils 5 Proben n 5 f r jedes der vier Dickdarmgewebe Die vier Dickdarmgewebe stellen sich wie folgt zusammen Tier Nr 1 mit der Wandst rke medium Tier Nr 2 mit der Wandst rke dick Tier Nr 3 mit der Wandst rke d nn und Tier Nr 4 mit der Wandst rke medium Zus tzlich wird jede Gewebefusion einer Sch lfestigkeitspr fung unterzogen Versuchsreihe 3 Definition des ersten Regelprozesses und Untersuchung des Einflusses der Regelart absolute Impedanzwerte oder Impedanzsteigung auf den Prozess In diesem Abschnitt wird zun chst die Definition eines ersten Regelprozesses beschrieben Das hei t durch den Transfer der Erkenntnisse aus den ersten zwei Versuchsreihen und auch aus den HF Fusionsprozessen wird ein erster lasergest tzter Gewebefusionsprozess konzipiert Diese Prozessentwicklung ist auf Basis von Testversuchen generiert worden und hat sich iterativ bis zu der hier dargestellten Version entwickelt Zu diesem Prozesskonzept geh rt der grunds tzliche Prozessablauf mit seinen Prozessphasen charakteristi
250. ntstehenden Wasserdampfblasen sowie dem dadurch bedingten Gewebewasserverlust Verringerung der elektrischen Leitf higkeit des Gewebes F r die Entwicklung und Definition des lasergest tzten Prozesses galt es diese Phase in der durch das stetige Verdampfen von Wasser eine Dehydrierung des Gewebes erreicht werden soll durch eine angepasste Regelung optimal zu gestalten Die Versuchsreihe mit konstantem Laserpegel zeigt dass die Laserleistung signifikanten Einfluss auf den Impedanzverlauf und auf die G te der Versiegelung hat Je mehr Leistung bzw je h her der Energieeintrag in das Gewebe ist desto extremer bilden sich die Impedanzabf lle und Impedanzanstiege aus was sich gleichzeitig auf die Prozessdauer auswirkt Bez glich der Fusionsg te welche mit der 213 Kapitel 6 Diskussion Sch lfestigkeit bewertet wurde kann eindeutig ein Prozess mit hohem Energieeintrag als negativ beurteilt werden Risiko der Karbonisierung Schon in diesem fr hen Prozessentwicklungsstadium zeigten die Ergebnisse dass ein moderater Energieeintrag mittlere Leistung ber eine l ngere Prozesszeit sich im Gegensatz zu einem schnellen heftigen Prozess hohe Leistung ber eine kurze Prozesszeit positiv auf die Fusion auswirkt Damit jedoch ein gewebeangepasster Prozess ablaufen kann muss das Gewebe bez glich seiner Eigenschaften charakterisiert werden Die Sensing Phase im HF Prozess bernimmt diese Aufgabe Messung des anf nglichen elektrisc
251. o und mittel verwendet worden Der Wechsel der zwei Instrumentenstecker erh ht die Anzahl der Versuchsbl cke dieser Versuchsreihe auf vier So ergibt sich eine Anzahl von 15 Versuchen 15 Versuche f r jede Mittelwertbildung pro Versuchsblock Gestartet Start des ForceTriad Generators sowie das zeitsynchrone Starten der Parameteraufnahme durch das Oszilloskop wurde jeder Versuch durch das Ausl sen des Triggersignals Delaygenerator Nach Beendigung des Prozesses wird ein akkustisches Signal zur Fusionsbewertung ausgegeben fehlerfreies oder fehlerhaftes Fusionieren In dieser Versuchsreihe sind ausschlie lich positive Prozessbewertungen vom Generator erzeugt worden Versuchsreihe 2 Untersuchung des Einflusses der Gewebefl chenpressung auf die Berstdruckfestigkeit bei Ber cksichtigung der Gewebetemperatur Thermografie Nach der ersten Versuchsreihe in der das Verhalten der elektrischen Gr en w hrend des Prozesses untersucht wurde zielt diese zweite Versuchsreihe auf die Variation der Gewebefl chenpressung Druckkraft pro Fl che und den Einfluss auf die G te der Gewebefusion Es soll explizit ermittelt werden ob ein optimales Prozessfenster f r die Gewebefl chenpressung existiert oder ob dieser Parameter auf die Fusionsg te einen vernachl ssigbaren Einfluss hat Zur Durchf hrung dieser Versuche wird der in Kapitel 2 1 2 beschriebene Aufbau mit den daf r konzipierten Laborelektroden verwendet manuelle Ei
252. oO oO oO oO N oO oO 100 Oms 200ms 500ms 1000ms 2000ms Abbildung 42 Auftragen der gemittelten n 5 Berstdruckfestigkeit ber den einzelnen Zeitspannen der Keeping Phase Interpretation der Ergebnisse Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen deutlich dass mit zunehmender Dauer der Keeping Phase die Berstdruckfestigkeit im Mittel zwar nur geringf gig erh ht werden kann jedoch durch Minimierung der Standardabweichung die Reproduzierbarkeit der festen Fusionen signifikant erh ht wird Die Thermografieergebnisse zeigen dass in der Keeping Phase das Gewebe konstant Siedetemperatur aufweist und dadurch einen Wasserverlust erleidet Bez glich des Gewebes bedeutet dies dass der Gesamtenergieeintrag ausreichen muss um eine entsprechend hohe Gewebeaustrocknung zu erzeugen und somit eine feste Verbindung zu garantieren 82 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom 2 2 5 Versuchsreihe 4 Untersuchung des HF Fusionsprozesses mit Schweinedickdarmgewebe Aus der Aufgabenstellung dieser Arbeit geht hervor dass die Fusionsuntersuchung von biologischem Gewebe sich nicht ausschlie lich auf die Fusion von Arterien beschr nkten sondern zus tzlich an Dickdarm untersucht werden soll Deswegen stellt diese Versuchsreihe 4 die Untersuchung des HF Gewebefusionsprozesses an Dickdarmgewebe der Spezies Schwein dar Hierf r sind in Kapitel 2 1 2 der Versuchsau
253. odenaufbau eine konstante Kurzschlussimpedanz ein Diese wird innerhalb der Regelung als Wert hinterlegt und entsprechend verrechnet 111 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Realteil Q a 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Berechnung der Gewebeimpedanz Kurzschlussimpedanz Gemessener Wert 20 Gewebeimpedanz 40 z w 60 4 cC D 80 7 100 7 120 1 1 L L L 1 Abbildung 59 Darstellung der vektoriellen Gewebeimpedanzbestimmung Die Gewebeimpedanz setzt sich aus dem gemessenen Wert und der Kurzschlussimpedanz des Aufbaus zusammen 3 1 2 Aufbau eines Pr fstandes zur Untersuchung der Sch lfestigkeit von Schweinedickdarmgewebe Mit dem im Kapitel 3 1 1 beschriebenen Laboraufbau k nnen lasergest tzte Gewebefusionen erzeugt werden wobei die Fusion von Dickdarmgewebe im Fokus steht Um eine Bewertung der Fusionsg te durchf hren zu k nnen muss eine entsprechende Pr fgr e definiert werden welche die Festigkeit der Verbindung beschreibt Hierbei ist zus tzlich die Probengeometrie zu beachten Da mit dem Laboraufbau keine Dickdarm Komplettversiegelung bedingt durch die maximale Fusionsbreite von 15mm durchf hrbar ist werden die Gewebeproben in Streifen mit einer Gr e von ca 8mm Breite und 30mm L nge geschnitten F r die Fusion werden zwei solcher Probenstreifen bereinander gelegt und zwischen die Elektroden gespannt Die Fusion erfolgt dann
254. ohen Energieeintrag Qmin eine niedrige Impedanzsteigung Ames aufweist siehe Rubrik T3 und umgekehrt Rubrik T2 Dies unterstreicht die richtige Vorgehensweise bez glich der Gewebeunterscheidung im Prozess Eine Auswertung bez glich des Prozessendes und der Regelungsphase wird in nachfolgender Abbildung 88 dargestellt Darin sind zun chst im linken Diagramm die erzielten Gesamtenergieeintr ge der vier Dickd rme Rubriken T1 bis T4 im Mittel aufgetragen Insgesamt zeigt sich ein Bereich der Mittelwerte von ca 185J 315J wobei sich durch die Wassermassenberechnung unterschiedlich hohe Mittelwerte f r die jeweiligen Dickdarmproben ergeben Je nach Gewebeeigenschaft wird mehr oder weniger Energie in das Gewebe eingetragen Wie die Energieeintragsdynamik sich auspr gt ist im mittleren Balkendiagramm erl utert A Auswertung des Auswertung der uswertung Qes Pegels gt 45W Abschaltkriterien 40o 100 20 E max Prozesszeit ag el og 90 ag berechnet 350 80 a 70 gt 6 300 z 60 S T 5 50 5 50 5 250 40 H oO D 30 1 i O 200 20 10 150 3 0 mm 2 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 TA Ti TA TS T Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Dickdarmgewebe Abbildung 88 Auswertung der Versuchsreihe hinsichtlich des Gesamtenergieeintrags Q s des prozentualen Laserleistungspegelanteil gt 45W innerhalb der Regelungsphase sowie der prozentualen Verteilung der greifenden Abschaltkriterien Die Rubriken der dre
255. okamera auch bez glich der Prozesstemperatur untersucht worden Wie bei den Sch lfestigkeit der Versuchsreihe vorher durchgef hrten Thermo 0 15 0 14 grafien misst die Thermokamera die oe T 0 11 Temperatur in der vorderen Ebene Eon t i 0 09 1 der Elektrodenplanfl che und die g 0 08 T i i 0 07 1 Auswertung erfolgt ber ein mittig So 2004 platziertes ROI genaue Be 0 03 0 02 schreibung der thermografischen 0 01 0 Fier n 6 Tier2 n 7 Tier3 n 8 Tier4 n 8 alle n 29 Prozessbetrachtung auf S 144 In Dickdarmgewabe Abbildung 91 sind der Verlauf der Abbildung 90 Auswertung der Sch lfestigkeit durch Bildung der Mittelwerte und Standardabweichung f r Temperatur gr ner Graph der alle vier Rubriken sowie f r alle Prozesse zusammen Impedanzverlauf blauer Graph und 174 Leistungsregelung mit berechnetem Energieeintrag als Abschaltkriterium Leistungsregelung mit berechnetem Energieeintrag als Abschaltkriterium Leistungspegel W Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses der dazugeh rige Leistungspegel Rot und nicht skaliert ber der Zeit aufgetragen Es ist zun chst die im Vorfeld schon erw hnte schlagartige Temperaturerh hung zum Zeitpunkt des Impedanzminimums zu erkennen Diese treibt die Temperatur bis auf ca 90 C hoch auf dem diese bis zum Prozessende nahezu konstant gehalten wird Durch die entsprechend definierte SOLL Impedanzsteigung in diesem Pr
256. ologie auf andere Gewebearten insbesondere auf den Anwendungsbereich der Darmanastomose Allerdings zeigt eine erste Untersuchung von Salameh et al 51 dass die Verwendung eines f r die Gef versiegelung entwickelte Instrument LigaSure Generator mit LigaSure Atlas sowie LigaSure XTD Instrumenten Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA nicht direkt f r den Verschluss von D nndarmgewebe Spezies Schwein einsetzbar ist Im Vergleich zu Staplerinstrumenten mit einem Berstdruckmittelwert 131 19mmHg zeigten die D nndarmversiegelungen dieser Untersuchung mit dem LigaSure Ger t lediglich einen maximalen intraluminalen Berstdruck von 11mmHg bis 27mmHg was f r eine Darmanastomose eine zu geringe Festigkeit bedeutet Eine weitere Untersuchung von Smulders et al 57 zeigt eine erste erfolgreiche HF erzeugte Darmanastomose Seit zu Seit Spezies Schwein im Lebendtierversuch mit anschlie ender Wundheilungsbeurteilung In dieser Untersuchung werden einen LigaSure Generatorprototyp Neuentwicklung Impedanzfeedback basierend sowie einen LigaSure Applikatorprototyp verwendet welcher explizit f r Seit zu Seit Anastomosen des Darms entwickelt wurde Die Studie beschreibt den erfolgreichen Gewebeverbund durch einen entsprechend konzipierten Regelungsprozess des Generators Des Weiteren sind die Elektrodengeometrie des Applikators und deren Druckkraft auf die Anwendung an Darmgewebe angepasst Alle Anastomosen wurden his
257. om Prozessstart bis zum Impedanzminimum Qmin aufgetragen Die 100 Versuche zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen der Wassermasse im Gewebe und dem Energieeintrag der n tig ist um das Impedanzminimum bzw die Verdampfungstemperatur zu erreichen Denn je weniger Energie daf r ben tigt wird desto weniger Wassermasse ist im Gewebe enthalten und umgekehrt Die nichtlineare Abh ngigkeit der gemessenen Impedanzsteigung von der berechneten Wassermasse ist ebenfalls erkennbar Die Tendenz dass sich bei geringen Wassermengen im Gewebe eine hohe Impedanzsteigung innerhalb dieser Messphase auspr gt und sich dies bei hohen Wassermassen umgekehrt verh lt ist im Diagramm oben rechts erkennbar 160 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Auftragen der berechneten Wassermasse My ber dem Energieeintrag Q min f r alle acht Dickdarmgewebe Tier1 bis Tier8 w Auftragen der berechneten Wassermasse m ber der gemessenen Impedanzsteigung Bocas f r alle acht Dickdarmgewebe Tier1 bis Tier8 0 2 0 2 7 Tier e Tier1 0 18 Tier2 0 18 Tier2 k Tier3 Las 5 Ti gt Tier4 0 16 Tier 0 16 Tiers Tier i lt Tier6 8 x Tier6 0 14 0 14 ei Tier7 Tier7 5 f i 2 gt Tier8 3 gt Tiers 0 12 1er8 0 12 1 eo ie 1 OIl e i A i ig 9 4 7 x 4 4 em 100 x 4 we 0 08 0 00 0 08 t 9 2b h gt o bet 4 gt 0 0
258. ozess regelt der Leistungspegel die Impedanz auf die vorgegebene Steigung und erzeugt damit ein konstantes Gewebetemperaturniveau welches ein Verdampfen des Wassers garantiert jedoch keine Karbonisation erzeugt Thermografie Regelung auf die Impedanzsteigung Impedanz gefiltert l 120 Pegel nicht skaliert 600 SOLL Impedanzsteigung 110 ee Umschaltgrenze Temperatur 100 500 a poz pn tyrin ora VP AN Wal ul fut 80 N _ 400 f 7 N N 70 3 ji g l 60 z 300 E 50 200 100 Zeit s Abbildung 91 Darstellung des Temperaturverlaufs griin des gefilterten Impedanzverlaufs blau und des dazugeh rigen Laserleistungspegel keine Skala vorhanden wobei der anf ngliche konstante Leistungspegel 30W darstellen Zus tzlich sind der Start der Regelungsphase sowie die ermittelte SOLL Impedanzsteigung eingezeichnet 175 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 3 Zusammenfassung Die Entwicklung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses umfasst mehrere Stufen welche jeweils eine Verbesserung gegen ber der vorherigen darstellen und dadurch letztendlichen zur funktionsf higen Prozessversion f hren Zun chst wird in der ersten Versuchsreihe mit konstanten Laserpegeln gearbeitet noch keine Prozessregelung um dadurch wichtige Informationen ber das Verhalten des Dickdarmgewebes im Zusammenspiel mit der Laserbestrahlung und der Impedanzmessung zu erhalte
259. ozessanfangsphase in der das Gewebe bis auf 100 C Siedetemperatur von Wasser erw rmt wird In dieser Phase sinkt die Impedanz bis auf ein Minimum ab In der anschlie enden Verdampfungsphase bleibt das Gewebe konstant auf 100 C was eine stetige Wasserverdampfung bewirkt Die Impedanz steigt in dieser Phase bis zum Prozessende an 5 1 Theoretische Betrachtung der Energiebilanz Mittels der hier aufgestellten Energiebilanz soll der in den Versuchen ermittelte Bereich des Gesamtenergieeintrags durch die Theorie berpr ft werden Diesbez glich hat sich im Versuch siehe abschlie ende Versuchsreihe f r gute Fusionsfestigkeitswerte ein Bereich von ca 150 bis 375J ergeben F r die Energiebilanz des Prozesses innerhalb der Systemgrenzen Gewebe Glaselektroden setzt sich der ben tigte Gesamtenergieeintrag aus dem f r den Prozess notwendigen Energieaufwand und einen immer vorhandenen Energieverlust zusammen Der notwendige Energieaufwand umfasst die Energie welche das Gewebevolumen erw rmt und 185 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses W rmeverlust W rmeverlust Abbildung 96 Schematische Darstellung des W rmeverlusts durch die Elektroden in die Umgebungsluft siehe gelbe Pfeile darauffolgend den darin enthaltenen Wasseranteil verdampfen l sst F r die Energieverluste sind haupts chlich die W rmeleitung ber die Elektroden zur Umwelt Elektrodenerw rmung mit folgender Kon
260. peratureinbr che dokumentiert vers Anzahl der Nr T twasserverdampfungsstart C Titprozessende C Temperatureinbriiche 1 86 118 0 Regelung auf 2 95 115 0 absolute 3 90 96 1 Impedanzwerte 4 90 90 2 1 85 100 3 Regelung auf die 2 88 140 0 Impedanzsteigung 3 87 112 0 4 86 94 0 Interpretation der Ergebnisse Diese Versuchsreihe beschreibt die erste Version eines geregelten lasergest tzten Gewebefusionsprozesses wobei die Regelungscharakteristik abh ngig von der Startimpedanz definiert ist Dies bedeutet dass nach der anf nglichen Prozessphase mit einer konstanten Leistung auf einen geregelten Prozess Zeitpunkt ist abh ngig von der Startimpedanz umgeschaltet wird Aus dem Vergleich der Prozessverl ufe Impedanzverlauf und Leistungspegelverlauf kann entnommen werden dass die Variante der Regelung auf die Impedanzsteigung Fusionsprozesse mit einem ruhigeren Leistungspegel erzeugt Im Gegensatz dazu neigt der Prozess mit der Regelung auf absolute Impedanzwerte zum Aufschwingen Im Falle der Regelung auf die Impedanzsteigung zeigt sich die relative Unabh ngigkeit bez glich der Impedanzeinbr che als Vorteil Die Regelung versucht in 147 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses diesen F llen lediglich wieder die SOLL Steigung zu erreichen und nicht durch hohe Leistungspegel auf die vorgegeben Impedanzsteigungslinie zu regeln Die steigun
261. pitel 2 1 2 beschriebene Aufbau modifiziert worden indem zum einen die Laborelektroden durch das LigaSure Impact Instrument ersetzt wurden und zum anderen ein zweiter Delaygenerator hinzugef gt wurde Dieser zus tzliche Delaygenerator startet durch ein im Prozess definiertes Triggerereignis eine voreingestellte Zeitdauer und beendet den Fusionsprozess nach Ablauf dieser Zeitspanne So kann der Prozess k nstlich vor dem durch die LigaSure Steuerung vorgesehenen Prozessende abgebrochen werden Die anschlie ende Berstdruckmessung gibt Aufschluss ber die G te der Gewebeverbindung und l sst eine Bewertung bez glich der jeweiligen Prozessdauer zu Als Gewebe sind ausschlie lich Arterien aus der Gr enklasse mittel verwendet worden Insgesamt sind f nf verschiedene Zeitdauern Oms 200ms 500ms 1000ms 2000ms nach dem Triggerereignis mit jeweils f nf Proben festgelegt worden Versuchsumfang 25 Versuche Versuchsreihe 4 Untersuchung des Fusionsprozesses mit Schweinedickdarmgewebe Um das Gewebefusionsverm gen des Generators am Dickdarm vom Schwein zu testen ist eine weitere Versuchsreihe durchgef hrt worden Die Untersuchung zielt auf die Darstellung der elektrischen Prozessgr en und das Pr fen der Prozesstemperatur durch Anwendung der Thermografie Eine Bewertung der Fusionsg te ist jeweils rein subjektiv durch den Experimentator erfolgt Jede Gewebefusionierung wurde nur durch Betrachten der Verbindungss
262. pitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Regelung auf absolute Impedanzwerte 120 100 Elektrodenkanten C Abbildung 73 Erkl rung zur Thermografiedarstellung und auswertung Dargestellt ist ein Thermografiebild welches einen Prozesszeitpunkt innerhalb der Wasserverdampfungsphase wiederspiegelt Zu erkennen sind die zwei Planfl chen der Glaselektroden blauer kalter Bereich au en das Gewebe zwischen den Elektroden schematisch markiert als gestrichelter Doppelpfeil und schon deutlich erw rmt sowie das schematisch gezeichnete ROI zur Temperaturmittelwertbildung Als gestrichelte Linien sind die inneren Elektrodenkanten markiert Insgesamt besteht diese Reihe aus acht Versuchen Jeweils vier mit einer Regelung auf absolute Impedanzwerte sowie vier mit einer Regelung auf die Impedanzsteigung In Abbildung 74 sind jeweils zwei exemplarische Versuche f r jede Regelcharakteristik dargestellt Die oberen beiden Diagramme zeigen den Prozess mit Regelung auf absolute Impedanzwerte die beiden unteren Diagramme den Prozess mit Regelung auf die Impedanzsteigung Innerhalb der Diagramme ist der Temperaturverlauf in Gr n der Impedanzverlauf in Blau und der Leistungspegelverlauf in Rot aufgetragen Der Leistungspegelverlauf ist auf keine der beiden Y Achsen bezogen sondern zeigt lediglich die Pegeldynamik das konstante Pegelniveau am Prozessanfang betr gt 34W Darauf sind alle weiteren Pegel nderung
263. ptik projiziert auf das Gewebe einen Spot von obere Elektrode 15mm Breite und Amm L nge wobei der Abbildung 54 CAD Darstellung der Gewebebestrahlung durch die Formung der Spotgeometrie mittels zweier Zylinderlinsen keine Ma stabsgetreue Darstellung der Strahlformung Spot so positioniert ist dass der kreisrunde ITO Messbereich genau mittig liegt Es k nnen somit Gewebeproben im gepressten Zustand bis zu einer Breite von 15mm bestrahlt werden Die Strahlformung ist in Abbildung 54 schematisch als CAD Grafik dargestellt Strahlformung ist nicht ma stabsgetreu abgebildet Der fertig montierte Laboraufbau zur lasergest tzten Gewebefusion ist in Abbildung 55 dargestellt Darin ist auf der linken Fotografie der Zusammenbau in einer bersicht zu sehen Auf Position 1 ist der Teflonsockel mit der darauf positionierten unteren Elektrode zu erkennen Dieser Teflonsockel wiederum ist passgenau in eine Aluminiumaufnahme eingelassen welche fest mit dem Kraftsensor 6 verschraubt ist So ist es m glich den Teflonsockel zur besseren Elektrodens uberung aus der Aufnahme zu entnehmen Die obere Elektrode ist durch eine Klebung mit ihrer Halterung 2 verbunden und kann somit mittels der linearen Z Achsenverschiebung 5 manuell vertikal verfahren werden Durch diese Verschiebung in vertikaler Richtung wird die Druckkraft auf das Gewebe generiert Die optische Strahlformung auf Position 3 wird ber den Manipulator 4 entsprechend der A
264. quenzen verh lt sich die Suspension aus Zellen und extrazellular Matrix f r den Strom wie ein homogenes Medium Dies kann so weit f hren dass bei Frequenzen gt 1GHz die Dipolwirkung des freien Wasseranteils auftritt y Dispersion nach der Debye Dispersionstheorie 66 Abbildung 1 Links ist ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Zelle gezeichnet Darin beschreibt die Reihenschaltung eines Kondensators Kapazit t der Zellmembran mit einem Ohmschen Widerstandes Widerstand des Zytoplasma die elektrischen Eigenschaften einer Zelle Diese liegt in Parallelschaltung mit dem Ohmschen Widerstand der extrazellul ren Matrix Rechts ist schematisch ein frequenzabh ngiger Stromfluss durch ein biologisches Gewebe gezeigt Dabei spiegeln die gestrichelten Pfeile den Stromfluss f r h herfrequente und die Volllinienpfeile den Stromfluss f r niederfrequente Str me wieder Beide Grafiken sind modifiziert nach 66 1 2 2 Gewebeerwdrmung mittels Laser Im Bereich der medizinischen Laseranwendungen an biologischem Gewebe bestimmen die Laser Gewebe Interaktionen die Auswirkungen auf das Gewebe Die entstehenden Auswirkungen am Gewebe sind sowohl von den optischen Eigenschaften des Gewebes Koeffizienten der Reflexion der Absorption und der Streuung als auch von den Prozessparametern des Lasers abh ngig Im folgenden Abschnitt wird zun chst die Lichtausbreitung im Gewebe in kurzer Ausf hrung erl utert Anschlie end wird auf die Wech
265. r Energiebilanz des Gesamtprozesses 400 EEO iwana 350 E Verust 300 EIQ uwand verlust 250 versucne Energie J N oO oO ah oi oO 100 gO i Aufheizphase Verdampfungsphase Gesamtprozess Abbildung 98 Darstellung der Bereiche der berechneten Energieaufwendungen sowie der Energieverluste Summe f r beide Prozessphasen als auch f r den Gesamtprozess Zum Vergleich sind zus tzlich die im Versuch ben tigten Gesamtenergien Summe vom Aufwand und der Verluste aufgetragen Insgesamt ist im Gesamtprozess ein Energieverlust von ca 179 253 vorhanden Ein Gro teil der Verluste ca 157J 206J wird in der Verdampfungsphase erzeugt Dieser hohe Energieverlust im Prozess muss kompensiert werden und f hrt zu einem hohen Gesamtenergieaufwand Qaufwand verluste VON ca 203J 319 J hellgrauer Balken Rubrik Gesamtprozess Im Vergleich liegt der berechnete Gesamtenergiebereich Quufwand Verluste innerhalb des Energiebereichs von ca 175J 375J wei er Balken Rubrik Gesamtprozess welcher aus den Gewebefusionsprozessen der finalen Versuchsreihe siehe Abbildung 88 links stammt In der Aufheizphase ist zwischen dem berechneten ca 26J 57J und dem im Versuch gebrauchten ca 25J 58J Energiebereich kein Unterschied zu erkennen Es wird deutlich dass ein Gro teil des Energieeintrags in den Prozess zur Kompensation der Energieverluste aufgewandt werden muss Nachfolgend ist die Zusammensetzung der
266. r Gewebeenden zueinander dar sowie die Erzeugung einer homogenen W rmeentwicklung innerhalb des Gewebes Bei den bis dato lasergest tzten Gewebefusionen handelte es sich ausschlie lich um thermische Verfahren bei denen durch die W rmeentwicklung das Gewebe miteinander verbunden wurde Deswegen ist die Information ber das sich einstellende Temperaturniveau sowie profil von Interesse Eine fr he thermografische Untersuchung von Mnitentag et al 39 beschreibt die Beobachtung der sich einstellenden Temperaturen bei der Bestrahlung von Aortengewebe Hund f r unterschiedliche Lasersysteme CO2 Nd YAG Argon ohne eine Fusion zu erzeugen Die Ergebnisse zeigten dass der CO Laser im 10 Kapitel 1 Einleitung Vergleich zu den beiden anderen Lasern das Gewebe schnell auf Uber 100 C erhitzte hohe Absorption in Wasser geringe Eindringtiefe Der Nd YAG Laser erzeugte durch die gr ere Eindringtiefe die W rme innerhalb des Gewebes was sich in der Thermografie Temperaturmessung der Oberfl che mit lediglich 60 C u erte Dieses Temperaturniveau wurde auch mit dem Argon Laser erreicht Eindeutigere Temperaturaussagen bez glich mit dem Argon Laser erzeugten Anastomosen in vivo an Ratten werden in einer sp teren Studie von Martinot et al 36 gemacht Darin wird eine mittlere Temperatur von ca 77 C f r die Gewebeoberfl che angegeben In beiden Ver ffentlichungen werden die erzeugten Gewebetemperaturniveaus den jeweilig
267. r M Nagel A Jaenicke A Lauster R Kraft M Buhr H J Ritz J P Bipolar radiofrequency induced thermofusion of intestinal anasomoses feasibility of a new anastomosis technique in porcine and rat colon Langenbeck s Archives of Surgery 396 529 533 2011 Holzapfel G A Gasser T C A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models Journal of Elasticity 61 1 48 2000 226 Literatur 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Jain K K Sutureless microvascular anastomosis using a Neodym YAG laser Journal of Microsurgery 1 436 439 1980 Jones A W Feigl E O Peterson L H Water and electrolyte content of normal and hypertensive arteries in dogs Circulation Research 15 386 392 1964 Jones B F A Reappraisal of the Use of Infrared Thermal Image Analysis in Medicine IEEE Transactions on medical imaging 17 No 6 Dec 1998 Jones C J P Sear C H J Grant M E An ultrastructual study of fibroblasts derived from bovine ligamentum nuchae and their capacity for elastogenesis in culture Journal of Pathology 131 35 53 1980 Kennedy J S Stranahan P L Taylor K D Chandler J G High burst strength feedback controlled bipolar vessel sealing Surgical Endoscopy Springer Verlag New Yorc Inc 12 876 878 1998 Kewley M A Williams G Steven F S
268. r Temperatur auf das biologische Gewebe In einem weiteren Kapitel wird das Kapitel 1 Einleitung Arteriengewebe elastischer Typ und das Dickdarmgewebe bez glich ihres strukturellen Aufbaus und ihrer Histologie beschrieben Beide Gewebearten nehmen einen zentralen Platz in den Untersuchungen dieser Arbeit ein Darauf folgend wird auf das bisherige Wissen ber den biologischen Fusionsmechanismus eingegangen Explizit wird die Frage beleuchtet welches die auf biologischer Ebene ablaufende Prozess sind die zu einer festen Gewebefusion f hren Im Einleitungsabschluss wird die Struktur und die Zielsetzung dieser Arbeit erkl rt 1 1 Stand der Technik f r Gewebeverbindungen im Bereich der Blutgef sowie der Darmgewebefusion 1 1 1 Traditionelle nicht energiebasierende Techniken Die meistverbreitete konventionelle Gewebeverbindungstechnik ist das N hen Dabei werden die zwei zu verbindenden Gewebeteile mittels einer Nadel und eines Fadens zueinander in Kontakt gebracht und durch ein Vern hen fest fixiert Dadurch ist die M glichkeit einer schnellen Wundheilung gegeben Die wichtigen Entscheidungen f r den Anwender beim Vern hen einer Wunde betreffen die Auswahl der Materialien sowie der Naht und der Knotentechniken F r beide Punkte sind eine Vielzahl an M glichkeiten vorhanden doch Material und Technik muss im Zusammenspiel auf die Anforderung abgestimmt sein Diese Anforderungen werden bestimmt durch das vorhandene Gewebe
269. r normalen K rpertemperatur von 37 C bis 40 C sind keinerlei signifikante Zell nderungen zu beobachten Im Temperaturbereich von 40 C bis 49 C k nnen abh ngig von der Expositionsdauer reversible Zellsch digungen entstehen welche sich in Konformit ts nderungen von Molek len Bindungszerst rung auf molekularer Ebene sowie Membran nderungen u ern k nnen Ist die Dauer der Erw rmung innerhalb dieses Bereichs zu lange setzt die Nekrose ein und die Sch digung wird irreversibel Oberhalb von 49 C entstehen irreversible Zellsch den Enzymdenaturierung Beeintr chtigung des intrazellularen Energietransfersystems sowie einiger Zellreparaturmechanismen Zwischen 60 C und 65 C Gewebetemperatur findet die Denaturierung von stabileren Proteinen und Kollagenen statt was zur Koagulation bergang von einem L sungszustand in einen Gelzustand und Zellnekrose f hrt Eine weitere Erw rmung des Gewebe f hrt zur Erh hung der Durchg ngigkeit der Zellmembran bis hin zur kompletten Zerst rung dieser und der Durchmischung intra und extrazellul rer Stoffe Wenn 100 C erreicht sind verdampft das Wasser im Gewebe und f hrt damit zur Dehydrierung bzw zur Austrocknung Dieses Temperaturniveau bleibt solange konstant bis alles Wasser aus dem erhitzten Gewebe entfernt ist denn alle zugef hrte thermische Energie wird ber die Verdampfungsenthalpie des Wassers verbraucht Wird nach der kompletten Austrocknung weiter Energie zugef hrt ist ein
270. ragen und zum anderen f r eine Impedanzessung elektrisch leitf hig sein Da das Gewebe in vertikaler Richtung von oben bestrahlt wird kommt die Eigenschaft der optischen Transparenz bez glich der Arbeitswellenl nge von 1470nm des Lasers hinzu zumindest f r Branche 1 Die Anordnung der Branchen des gepressten Gewebes und des Bestrahlungsstrahls ist nachfolgend in 95 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Abbildung 47 schematisch dargestellt Der als Kegel dargestellte Laserstrahl erwarmt das gepresste Gewebe indem das Licht durch die obere Elektrode Branche 1 transmittiert wird und auf das Gewebe trifft F r die Impedanzmessung m ssen beide Elektroden oberhalb und unterhalb des Gewebes den Messstrom leiten k nnen a Ze EN a aN Branche 2 Foruck Foruck Abbildung 47 Schematische Darstellung der Branchen Gewebe Anordnung sowie der Bestrahlungsrichtung des Lasers f r die Konstruktion des Laboraufbaus Um die beschriebenen Anforderungen an die Laborelektroden zu erf llen ist ein entsprechendes Konzept entwickelt worden welches nachfolgend erl utert wird Anforderung der optischen Transparenz bei 1470nm Damit das Laserlicht durch die Elektroden transmittieren kann sind diese aus einem Floatglas selektiertes Floatglas Pr zisions Glas und Optik GmbH hergestellt Die Transmission bei der Wellenl nge von 1470nm betr gt ca 93 Angabe vom Hersteller
271. ratur Twechse zum Zeitpunkt des Wechsels der Prozessphasen Wechsel von der Aufheizphase zur Verdampfungsphase Da f r die Zieltemperatur Twechsel auf Basis der Prozessthermografie ein Bereich von 30 C bis 35 C gemessen wurde ergibt sich f r den Energieverlust Qvertust Elektrode ebenfalls ein Wertebereich Aufgrund der W rmeleitung in die obere und untere Elektrode wird der Verlust verdoppelt Zur Vereinfachung wird f r die Berechnung eine homogene Erw rmung des Elektrodenvolumens angenommen Wertust Elektrode Toris 2 May i C glas es Tzar GI 32 GI 33 mit M Elektrode l giektrode D ziektrode A giektrode Polas 190 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Energieverlust durch Konvektion von den Elektroden zur umgebenden Luft Der W rmestrom Qkonvektion ist bedingt durch die Konvektion von der u eren Elektrodenfl che Ag ektroge in die angrenzende Luftschicht mit der Dicke tip Abh ngig ist der W rmestrom von der Elektrodentemperatur und der Umgebungslufttemperatur T yr Da sich der Temperaturgradient von der Elektrode zur Umgebungsluft mit der Zeit ndert wird f r eine N herung als Elektrodentemperatur der Mittelwert aus der Startemperatur Tstart und der Temperatur zum Zeitpunkt des Prozessphasenwechsels Twechse verwendet F r die Konvektion wird das Fluid Luft in Ruhe angenommen keine Str mungsgeschwindigkeit A T T _ Luft Wechsel Start Konvektion es
272. rch ein etwas dunkleres Blau abheben In den nachfolgenden Bildern wird die anschlie ende Gewebeerw rmung Farbverlauf Gelb bis Rot zuerst an den seitlichen R ndern des gepressten Gewebes erzeugt h here Stromdichte wegen fehlender Arterienlumengrenzfl che t 0s t 1 16s t 1 39s C C C Abbildung 37 Darstellung zw lf exemplarischer Thermografiebilder zu bestimmten Zeitpunkten des Thermografiebeispielversuchs Die einzelnen Zeitpunkte sind zus tzlich in Abbildung 38 als Pfeile markiert 76 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Anschlie end verbreitert sich die Erw rmung in die Mitte der Probe wobei sich hier in vertikaler Probenausdehnung zuerst die Probenmitte mit der Grenzfl che zwischen den beiden Gef w nden erw rmt W hrend dieser anf nglichen stetigen Gewebeerw rmung bewegt sich die Impedanz in der Heating Phase Prozessphasendefinition in Kapitel 2 2 2 bzw auf deren Minimalniveau Zum Zeitpunkt t 2 68s ist im Thermografiebild eine heftige Wasserdampfentweichung und Blasenbildung zu erkennen In Korrelation mit Abbildung 38 ist zu diesem Zeitpunkt die Maximaltemperatur von ca 106 C blauer Graph erreicht und die Impedanz steht kurz vor deren Umschlag gr ner Graph Der Energieeintrag in der Heating Phase f hrt somit zum Start des Wasserverdampfungsvorgangs im Gewebe Dem nach dem Temperaturmaximum folgenden kleinen Temperatur
273. reduzierung innerhalb der extrazellul ren Matrix sowie im Zytosol wird die Anzahl der lonen reduziert und die Beweglichkeit der verbleibenden lonen verringert Dadurch steigt der elektrische Gewebewiderstand Die grundlegende Berechnung des elektrischen Widerstandes eines Leiters gilt unter Anwendung von h herfrequentem 201 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Wechselstrom auch f r die Messung des Widerstandes von elektrolytischen L sungen Somit kann f r das Prozessmodell folgender Zusammenhang zur Berechnung des Impedanzverlaufs verwendet werden 41 5 510 GI 56 S R gt elektrische Widerstand Q p gt spezifischer elektrischer Widerstand Om l gt L nge des Leiters m A gt Querschnittsfl che des Leiters mm7 Der f r das Prozessmodell wichtige spezifische elektrische Widerstand des Gewebes wird aus dem Startimpedanzbereich von 1500 4500 sowie dem Gewebedickenbereich von 0 2mm 0 5mm ermittelt Zur Ermittlung des Startimpedanzbereichs wurden zahlreiche Fusionsprozesse herangezogen Der mittlere spezifische elektrische Widerstand des Gewebe ITO Messfl chen Systems zum Prozessstart bei 25 C liegt bei Pstar 11 50m Die Abh ngigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands von der Temperatur ist etwa a 1 6 K 14 S 200 Dies bedeutet dass der spezifische elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt und sich somit bei hohen Temperatur geringere
274. ren Arteriendurchmesser max Durchmesser 7mm u ert 77 F r einen erfolgreichen Transfer der Erkenntnisse aus dem HF Prozess mit Arteriengewebe zu einem lasergest tzten Fusionsprozess mit Dickdarmgewebe erfolgte zun chst die Umsetzung eines entsprechenden Laboraufbaus welcher mittels eines speziellen Lasersystems 1470nm mit Pmax 80W und einer parallel laufenden Gewebeimpedanzmessung einen geregelten Prozess berhaupt erm glicht Das offene System basiert auf einem Microcontroller erm glicht eine freie Konzipierung des Prozesses sowie eine Vielzahl verschiedener Prozessuntersuchungs und Optimierungsm glichkeiten welche schlie lich in dieser Arbeit zu automatisierten unter Laborbedingungen reproduzierbaren Dickdarmfusionen mit ausreichender Festigkeit f hrten Mit dem Wissen dass die Fusionsg te eine Abh ngigkeit von der Fl chenpressung zeigt ist durch die erste Versuchsreihe diesbez glich ein optimaler Bereich von ca 0 2N mm bis 0 4N mm 212 Kapitel 6 Diskussion herausgefunden worden Im Vergleich zu dem Flachenpressungsbereich der Arterien im HF Prozess ist dies deutlich geringer was sehr wahrscheinlich an der unterschiedlichen Gewebestruktur liegt Das Dickdarmgewebe l sst sich durch die deutlich geringere Wandsteifigkeit sowie Wandfestigkeit mit geringerer Flachenpressung in den notwendigen Gewebekontakt bringen Diese geringere Fl chenpressung kann zwar von Winter et al 74 nicht direkt best tigt
275. rgibt sich eine laterale Aufl sung von ca 30um Die Temperaturverteilung w hrend des Fusionsprozesses kann somit rtlich und zeitlich dargestellt und ausgewertet werden Zur Justage der Thermokamera wird diese zun chst auf die entsprechende H he eingestellt sodass das Elektrodenpaar in Bildmitte positioniert ist Anschlie end muss die Kamera auf den richtigen Abstand zu den Elektroden gebracht werden Dazu wird diese manuell verschoben bis die Planfl chen der Elektroden so scharf wie m glich abgebildet werden Nun liegt der Fokus bzw die Bildebene der Kamera direkt auf den vorderen Elektrodenplanfl chen Damit das Gewebe ebenfalls innerhalb der Bildebene der Thermokamera liegt muss dieses im eingespannten Zustand b ndig an den Vorderfl chen der Elektroden abgeschnitten werden 43 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Abbildung 13 Darstellung des Aufbaus der Laborelektroden mit Kraftsensor und Thermokamera 1 Obere Elektrode mit PVC Halterung 2 Untere Elektrode mit PVC Halterung 3 Kraftsensor zur Messung der Druckkraft 4 X Y Z Achsen Manipulator zur Justange und Erzeugung der Druckkraft 5 Thermokamera zur Aufnahme der Gewebeprozesstemperatur Weil die Thermokamera eine externe Triggerung nicht vorsieht muss diese manuell kurz vor dem Fusionsprozess gestartet werden Durch die Angabe der Bildaufnahmefrequenz und die Anzahl der aufzunehmenden Bilder wird die Gesamtau
276. rheit der Fusion gepaart mit einer einfachen Handhabung garantiert Bei s mtlichen Techniken aber vor allem bei den Tissue Soldering Techniken die Zusatzmaterialen bzw Hilfsmaterialien einsetzten m ssen ergibt sich ein Mehraufwand sowie ein zus tzlicher Unsicherheitsfaktor f r den Prozess selbst als auch f r das Heilungsverhalten Deswegen ist man bestrebt f r die Fusion m glich nur k rpereigenes Gewebe in einem einfachen und sicheren Prozess zu verwenden Dies ist bei der Entwicklung der bipolaren HF Gef versiegelung gelungen Dieser Prozess ist sicher einfach und kommt ohne Zusatzmittel aus und ist deswegen im Bereich der Chirurgie heute schon etabliert M glicherweise ist dies der Grund f r den schlagartigen R ckgang der Forschungsaktivit ten in Bezug auf die lasergest tzte Gef fusion ohne Zusatzstoffe Ende der 90er Jahre 14 Kapitel 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zur Gewebeerw rmung Bei allen energiebasierten Gewebefusionstechniken bipolare HF Bestromung Laser wird der Gewebeverbund durch die Erw rmung des Gewebes erreicht thermischer Einfluss Dabei entstehen verschiedene temperaturabh ngige Struktur nderungen bzw Sch digungen im Gewebe welche f r die Funktion der Fusion erw nscht sind Andere Gewebesch digungen wiederum m ssen f r eine entsprechend schnelle Heilung der Wunde vermieden werden In Tabelle 1 sind die temperaturabh ngigen Gewebesch digungen aufgelistet Im Intervall de
277. rie die ebenfalls vorhanden ist wenn die Arterie nicht mit Fl ssigkeit bzw Blut gef llt ist Die Arterien sind verformbar und antworten auf eine Verformung mit einem nichtlinearen Spannungs Dehnungs Verhalten Dieses resultiert in Gesamtheit aus unterschiedlichen Spannungs Dehnungs Verhalten der einzelnen Strukturkomponenten So zeigt sich im Vergleich von Elastin und Kollagen als Reinsubstanz dass bei einer Arterienradiusvergr erung um ca 30 f r Kollagen als Reinsubstanz eine wesentlich h here Belastung der Arterienwand notwendig ist als bei Elastin als Reinsubstanz ca Faktor 50 Im Vergleich dazu verh lt sich das Arteriengewebe in dem beide Stoffe enthalten sind bei geringen Radiusvergr erungen sehr hnlich wie Elastin als Reinsubstanz Bei weiterer Belastung der Arterienwand bernimmt dann immer mehr das Kollagen die Aufnahme der Kr fte und erh ht damit die Spannung im gesamten Gewebe Es zeigt sich also dass bei geringeren Belastungen zun chst der Radius der elastischen Arterie sich vergr ert auf Basis des Elastin um so mehr Blutvolumen aufnehmen zu k nnen Die Radiusvergr erung verl uft exponentiell bis zu einem Maximum bei dem folglich die maximale Belastung der Arterie anliegt 18 24 Die mechanischen Eigenschaften bzw die mechanische Festigkeit von elastischen Arterien ist von Holzapfel et al ausf hrlich untersucht sowie umfassend in 18 beschrieben 26 Kapitel 1 Einleitung 1 3 2 His
278. riggers musste die Thermokameraaufnahme manuell vor dem Fusionsprozessstart gestartet werden Unmittelbar danach wurde durch das Ausl sen des Triggers Delaygenerator zeitsynchron der ForceTriad Generator das Monitoring von Strom und Spannung ber das Oszilloskop und die Aufnahme der Prozessdruckkraft Kraftsensor gestartet Nach der Beendigung des Fusionsprozesses durch den Generator gibt dieser ein akkustisches Signal zur Bewertung der Versiegelung fehlerfreier oder fehlerhafter Prozess Bei den f r diese Versuchsreihe durchgef hrten Fusionen meldete der Generator ausschlie lich eine positive Beurteilung Das versiegelte Blutgef wurde direkt im Anschluss auf dessen Berstdruckfestigkeit gepr ft Dadurch war garantiert dass keinerlei Alterungsprozesse oder zus tzlicher Wasserverlust durch Trocknung an der Luft vor der G tepr fung Einfluss auf das Ergebnis nahmen 56 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Versuchsreihe 3 Bewertung der Berstdruckfestigkeit bei Prozessabbruch nach unterschiedlichen Zeiten Eine weitere Versuchsreihe Versuchsreihe 3 beleuchtet den Zusammenhang der Berstdruckfestigkeit von Arterien mit der Prozessdauer der Gewebefusion Die Frage soll beantwortet werden ab welchem Zeitpunkt im Prozess die Festigkeit der Fusion ausreicht bzw wie sich generell die Festigkeit der Verbindungsstelle mit der Prozessdauer entwickelt Hierzu ist der in Ka
279. rischen Versuchs aus der Versuchsreihe der Dickdarmthermografie rechts Auftragen des Temperaturverlaufs und der Impedanz des exemplarischen Versuchs aus der Versuchsreihe der Dickdarmthermografie Interpretation der Ergebnisse Die Auswertung ergibt keinen deutlichen Prozessunterschied bez glich der elektrischen Gr en Auch bei der Fusion von Dickdarmgewebe zeigen sich die drei Prozessphasen Sensing Phase Heating Phase und Keeping Phase Lediglich der Energieeintrag stellt sich unterschiedlich dar Diesbez glich zeigen die Ergebnisse dass bei der Fusion von Dickdarmgewebe prozentual weniger Energie bis zum Impedanzumschlag ben tigt wird was m glicherweise auf die andere Gewebestruktur und das unterschiedliche Quetschverhalten durch die Fl chenpressung zur ckzuf hren ist Es wurde beobachtet dass sich das Darmgewebe durch die Fl chenpressung wesentlich d nner komprimieren l sst als Arterien Ein Grund hierf r k nnte das Fehlen einer kompakten Gewebemuskelstruktur hnlich der tunica media in den Arterien sein Um jedoch ein vergleichbares Gesamtenergieeintragsniveau in einer sehr hnlichen Prozessgesamtzeit zu erreichen wird durch einen weniger starken Leistungsabfall P_Ende 14 5 2 9W anstatt ca 9W bei Arterien in der Keeping Phase vergleichsweise mehr Energie in das Gewebe eingebracht Auch im Temperaturverlauf ist ein Unterschied innerhalb der Keeping Phase zu erkennen Die Ergebnisse zeigen eine deutl
280. rmung sowie Wasserverdampfung Im Falle des d nnen Gewebes mit geringem Wassergehalt ist die Absorption des Lichts gering es muss jedoch nur eine geringe Energie 199 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses zur Gewebeerw rmung bzw Wasserverdampfung aufgebracht werden Am Beispiel eines dickeren Gewebes mit einem hohen Wasseranteil verh lt sich dieser Sachverhalt umgekehrt Interpretation der Ergebnisse Der Vergleich zwischen den berechneten Energien und denen die im Versuch gebraucht wurden zeigt das die theoretische Betrachtung des lasergest tzten Gewebefusionsprozesses sehr gut die Realit t widerspiegelt Interessant ist der hohe Anteil der Energieverluste die im Prozess kompensiert werden m ssen Insgesamt muss ca 79 88 mehr Energie aufgebracht werden als allein f r die Gewebeerw rmung und Wasserverdampfung notwendig w re Innerhalb dieses Gesamtenergieverlusts sind die Elektrodenerw rmung und der Verlust durch nicht vollst ndig absorbierte Laserleistung als die Hauptgr nde zu nennen Der W rmeverlust durch die Konvektion w hrend des Prozesses ist gering Dass der Energiewertebereich der Versuche f r den Gesamtprozess wei er Balken in der Rubrik Gesamtprozess Abbildung 98 vor allem zu h heren Energien eine gr ere Spannweite als der berechnete Bereich aufzeigt liegt m glicherweise an der Nichtber cksichtigung von weiteren energiekonsumierenden Effekten in der Verda
281. roden des Laboraufbaus besitzen eine einfache rechteckige Geometrie und sind 80mm lang 5mm breit und 1 5mm dick Diese Geometrie ist abgeleitet aus der Geometrie und den Fl chenverh ltnissen des LigaSure Impact Instruments So ergeben sich durch die Elektrodenbreite von 5mm hnliche Gewebeauflagefl chen wie beim Originalinstrument Die L nge 80mm und die Dicke 1 5mm der Laborelektroden sind f r den Prozessablauf bzw f r die elektrischen Eigenschaften nicht von Relevanz Bestromung findet ausschlie lich in der vom Gewebe bedeckten Fl che statt und daher willk rlich festgelegt worden F r den elektrischen Zusammenschluss der Laborelektroden mit dem Generator wird der Stecker samt Kabel des LigaSure Impact und des LigaSure STD Instruments vom eigentlichen Instrument getrennt Von dem Kabel werden die zwei stromf hrenden Litzen freigelegt und mit Laborkabel verl ngert Mit Hirschmannklemmen k nnen anschlie end die Laborelektroden mit dem Generator verbunden werden und dienen somit f r die kommenden Untersuchungen und Versuchsreihen als Instrument bei dem der Anpressdruck variiert werden kann F r die messtechnische Aufnahme von Strom und Spannung w hrend des Prozesses wird ein Speicheroszilloskop Wavemaster 8600A LeCroy eine Strommesszange CPO30 LeCroy und ein Differenzspannungstastkopf 19 SI 9002 SET Yokogawa verwendet Die Strommesszange und der Differenzspannungstastkopf werden jeweils ber einen 1MQ Abschl
282. rozessende beim Erreichen von Q V Qgesmax 600J v t 20s v Plateaudetektion Abbildung 86 Darstellung des Prozessablaufs als Flussdiagramm Abschlie ende Gesamtprozessbewertung F r die abschlie ende Gesamtprozessbewertung wird eine Versuchsreihe mit vier Dickdarmgeweben unterschiedlicher Schweine T1 bis T4 durchgef hrt F r jedes der vier Gewebe werden 8 Wiederholungsversuche n 8 erzeugt und bez glich der Sch lfestigkeit des Leistungspegelanteils ber 45W sowie der eintretenden Abschaltkriterien ausgewertet Abbildung 87 zeigt die Auswertung der Gewebediskriminierung hinsichtlich des Energieeintrags bis Zmin Qmin und der gemessenen Impedanzsteigung Qmess im Zeitraum von tzmint1s DIS tzmins1 ss Zun chst ist zu erkl ren dass in Rubrik T1 und T2 in Summe drei Versuche nicht in die Auswertung aufgenommen werden konnten Daraus ergibt sich eine geringere Redundanz f r T1 ist n 6 und f r T2 ist n 7 als bei den brigen zwei Rubriken Grund f r den Ausschluss dieser drei Versuche ist die sehr hohe gemessene Impedanzsteigung ames welche durch die SOLL Impedanzberechung siehe Abbildung 80 und Abbildung 81 zu negativen SOLL Impedanzsteigungen f hrt Diese hohen Impedanzsteigungen waren im Vorfeld nicht zu erwarten da sich bisher weitaus niedrigere 170 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Steigungen eingestellt hatten Auf deren Basis wurde die SOLL Steigungsberechnung defi
283. rs A 458nm 515nm und des Nd YAG Lasers A 1064nm Vor allem die Arbeitsgruppe um R A White hat zu dieser Zeit im Bereich der lasergest tzten Gef anastomosen bzw Gewebeverbindungen geforscht und ver ffentlichte eine Vergleichsstudie dieser drei Lasertypen in der das Heilungsverhalten einer Laser erzeugten Arteriotomie gro er Arterien 6mm 8mm Spezies Hund beurteilt wurde Diesbez glich wiesen lediglich die mit dem Argon Laser erzeugten Gewebeverbindungen Lichtabsorption durch H moglobin im Blut eine bleibende Verbindung der beiden Gewebeteile 70 auf Das langwellige Licht des CO Lasers wird vom Wasseranteil des Gewebes sehr stark absorbiert Die Eindringtiefe des Lichts in das Gewebe ist entsprechend gering Deswegen ist eine Anwendung dieses Lasers lediglich bei sehr d nnwandigen kleinen Blutgef en denkbar Dies legen die erfolgreiche Anastomosenbildung mikrovaskularer Gef e Durchmesser bis 1mm durch einen CO Laser Leistung im mW Bereich von Quigley et al 46 sowie der aortocoronare Bypasserzeugung von Okada et al 44 dar White et al verfolgten die Erzeugung des Gewebeverbunds bei gro kalibrigen Arterien mit dem Argon Laser konnten jedoch nicht die 8 Kapitel 1 Einleitung Gewebeverbundfestigkeit Messung der Zugfestigkeit einer konventionellen Nahtverbindung erreichen 71 72 Im Vergleich der Berstdruckfestigkeit von Arterien und Venen f r Arteriotomie und Venotomie zeigen jedoch Vlasak et a
284. rsatz 4 Indizienversuche zur Festigkeitserh hung der Gewebefusion durch Zugabe von Kollagenersatz sowie Elastinersatz Die Ergebnisse aus der Prozessentwicklung zur lasergest tzten Dickdarmgewebefusion zeigen dass eine Festigkeitsstreuung stets vorhanden ist Trotz des geregelten und entsprechend gestalteten Fusionsprozesses werden auch Verbindungen mit lediglich mittlerer aber auch mit sehr hoher Festigkeit erzeugt Der Grund f r solche Festigkeitsausrei er liegt m glicherweise nicht an der Prozessf hrung sondern am Gewebe selbst Die Frage wodurch das Gewebe sich auf mikroskopischer biologischer bzw biochemischer Ebene miteinander verbindet ist bis dato noch nicht im Detail beantwortet Es wird jedoch vermutet dass die Inhaltsstoffe Kollagen und Elastin eine tragende Rolle bei der Verbindung einnehmen Diese Meinung wird au er von dem Hersteller des ForceTriad Generators Covidien Surgical Solutions Groupe Colorado USA 84 auch von allen bisherigen Untersuchungen in diesem Bereich geteilt siehe Einleitung Kapitel 1 4 Deswegen wird dieser Zusammenhang aufgegriffen und im Rahmen von Indizienversuchen gepr ft Die Hypothese ist dass durch Zugabe von Kollagen oder Elastin in die Versiegelungsstelle sich die Verbindungsfestigkeit erh ht Als Zusatzstoff f r Kollagen wird das resorbierbare Kollagen Implantat Lyoplant B Braun Melsungen AG verwendet Hierbei handelt es sich um ein medizinisch zugelassenes Implantatgewe
285. rt wurde Um den Versiegelungsprozess nachvollziehen und verstehen zu k nnen m ssen alle vorhandenen Prozessparameter siehe Abbildung 11 zur Auswertung bzw Bewertung ber cksichtigt werden Zu den HF spezifischen Gr en z hlen vor allem die elektrische Spannung und der elektrische Strom welche direkt vom Generator bedient werden um den Gewebefusionsprozess zu gestalten Aus diesen zwei elektrischen Gr en lassen sich sowohl die applizierte Leistung als auch der elektrische Widerstand Impedanz berechnen Mittels der berechneten Leistung und der Prozesszeit kann der Energieeintrag ermittelt werden Dieser Energieeintrag f hrt im Gewebe zu einer Temperatur nderung Sowohl die Temperatur des Gewebes als auch die Fl chenpressung berechnet ber die Druckkraft und 39 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom der Auflagefl che des Gewebes auf das Gewebe sind die Gr en welche direkten Einfluss auf das Gewebe haben alle anderen Prozessgr en beeinflussen diese zwei Prim rgr en Parameter des HF Gewebefusionsprozesses elektrische Gr en mechanische Gr en thermische Gr en Spannung U Druckkraft Foruck Temperatur T Strom I Fl chenpressung p thermische Energie E Leistung P Impedanz Z Abbildung 11 Auflistung der physikalischen Gr en welche den HF Gewebefusionsprozess pr gen und beeinflussen Die Prozessuntersuchung setzt voraus da
286. s Lasers in Surgery and Medicine 9 478 481 1989 Wallwiener C W Rajab T K Zubke W Isaacson K B Enderle M Sch ller D Wallwiener M Thermal conduction compression and electrical current an evaluation of major parameters of electrosurgical vessel sealing in a porcine in vitro model Journal of Minimally Invasive Gynecology 15 605 610 2008 White R A Abergel R P Lyons R Klein S R Kopchok G Dwyer R M Uitto J Biological effects of laser welding on vascular healing Lasers in Surgery and Medicine 6 137 141 1986 White R A Kopchok G Donayre C Abergel R P Lyons R Klein S R Dwyer R M Uitto J Comparison of laser welded and sutured arteriotomies Archives of Surgery 121 1133 1135 1986 White R A Kopchok G Donayre C Lyons R White G Klein S R Pizzurro D Abergel R P Dwyer R M Uitto J Large vessel sealing with the argon laser Lasers in Surgery and Medicine 7 229 235 1987 230 Literatur 73 74 75 76 White R A Kopchok G E Donayre C E Peng S K Fujitani R M White G H Uitto J Mechanism of tissue fusion in argon laser welded vein artery anastomoses Lasers in Surgery and Medicine 8 83 89 1988 Winter H Holmer C Buhr H J Lindner G Lauster R Kraft M Ritz J P Pilot study of bipolar radiofrequency induced anastomotic thermofusion exploration of therapy parameters ex vivo Inter
287. schen Ladungstr gern welche haupts chlich durch die Gewebefl ssigkeit gegeben sind Insgesamt k nnte dieser Zusammenhang verwendet werden um einen maximalen Gesamtenergieeintrag als Prozessabschaltkriterium f r jedes Gewebe zu bestimmen Im n chsten Kapitel wird diese berlegung weitergef hrt sowie pr zisiert und der abschlie ende Regelprozess f r lasergest tzte Gewebefusionen an Dickdarm dargestellt und erl utert 152 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 2 6 Optimierung des Regelungsprozesses zur Erzeugung lasergest tzter Dickdarmfusionen Die im Kapitel zuvor untersuchten Messgr en des Energieeintrags bis zum Impedanzminimum Zmin sowie die Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis DIS Zmin 1 5s Amess bilden die Basis der Gewebecharakterisierung und damit der Konzipierung eines verbesserten Regelungsprozesses Der Ansatz der Gewebewassermassenbestimmung ber die beiden Messgr en enth lt gro es Potential um eine genaue Definition eines Abschaltkriteriums zu liefern Nachfolgend wird dieser Zusammenhang zur Bestimmung der Gewebewassermassenbestimmung entwickelt und erl utert Bestimmung der Gewebewassermasse Die Basis des Ansatzes ist die Detektion des Impedanzminimums w hrend des Prozesses und das Messen der darauffolgenden Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis DIS Zmin 1 5s Amess Durch die Information des Zeitpunktes des Impedanzminimums kann der bis dahin g
288. schen Prozesspunkten sowie der zum Prozessstart durchgef hrten Gewebeklassifizierung welche Einfluss auf den gesamten Prozess nimmt Des Weiteren wird auf die Tiefpassfilterung der Impedanz und auf die PID Reglerdynamik des Prozesses eingegangen Die anschlie ende Versuchsreihe 3 bezieht sich auf die Untersuchung des Prozesseinflusses durch zwei unterschiedliche Prozessregelweisen zum einen die Regelung auf konkrete SOLL Impedanzwerte zum anderen die Regelung auf SOLL Impedanzsteigungen Aus den Testversuchen zuvor Testversuche zur Bestimmung regelungsrelevanter Einstellungen f r den Impedanzfilter und des PID Reglers ergibt sich die Vermutung dass diesbez glich ein Prozesseinfluss besteht und dieser mittels einer Versuchsreihe studiert werden sollte Die Versuchsplanung bzw der Versuchsumfang ist nachfolgend in Tabelle 9 gezeigt Mit vier verschiedenen Dickdarmgeweben welche alle der Gr enklasse dick angeh ren werden jeweils 5 Wiederholversuche n 5 durchgef hrt Durch Hinzunahme des nichtgeregelten Prozesses mit konstanter Leistung soll ein Vergleich bzw eine Referenz gegeben werden Insgesamt umfasst somit die Versuchsreihe 60 Versuche 118 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Tabelle 9 Versuchsumfang zur Untersuchung des Prozesseinflusses durch die Regelweise Es wird Dickdarmgewebe von vier unterschiedlichen Schweinen verwendet wobei alle innerhalb der Gr enklasse dick
289. schen Darstellung liegt die Bildebene auf der vorderen Schnittflache In Abbildung 36 sind Elektroden und Elektrodenhalterung durch die Farbe Blau als kalte Bereiche siehe Temperaturlegende gekennzeichnet wohingegen das Gewebe zwischen den Elektroden schon deutlich erw rmt ist Um aus den Einzelbildern des gesamten Versuchs einen zeitlichen Temperaturverlauf zu generieren ist mittig im Gewebe ein ROI region of interest definiert worden Innerhalb dieses ROI werden f r jedes Bild alle Pixelwerte gemittelt und ber der Zeit aufgetragen Dieser zeitliche Temperaturverlauf stellt f r die Auswertung aller Versuche dieser Versuchsreihe die grundlegende Messwertebasis dar siehe exemplarischer Versuch in Abbildung 38 t 2 37s Abbildung 36 Erkl rung zur Thermografiedarstellung und auswertung Zu sehen sind die zwei Planfl chen der Metalllaborelektroden das Gewebe zwischen den Elektroden schematisch markiert als gestrichelter Doppelpfeil sowie das schematisch gezeichnete ROI zur Temperaturmittelwertbildung 75 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Nachfolgend sind in Abbildung 37 zw lf Thermografiebilder zu verschiedenen Zeitpunkten des Beispielversuchs gezeigt Zur besseren zeitlichen Einordnung sind diese Zeitpunkte mit Pfeilen im Temperaturverlauf in Abbildung 38 markiert Das Bild zum Zeitpunkt t 0s zeigt fl chig Raumtemperatur wobei die zwei Elektroden sich du
290. schiedlich f r verschiedene Gewebe Eine rein visuelle subjektive Bewertung des Prozesses durch den Anwender birgt reichlich Raum f r Fehler Selbst ein temperaturfeedbackgesteuertes System gibt keine ausreichende Garantie f r 100 ige Reproduzierbarkeit Vor allem das richtige Finden des jeweiligen Prozessendes gestaltet sich schwierig denn der Prozess der Denaturierung durch die W rme im Gewebe ist irreversibel und kann bei zu langer Prozessdauer nicht wieder r ckg ngig gemacht werden 2 Aus diesen Gr nden beschleunigte sich die Entwicklung des sog Tissue Soldering Mitte der 90er Jahre um mit Zus tzen in der Verbindungsstelle das Prozessfenster zu vergr ern und dadurch die Sicherheit einer festen Verbindung zu erh hen Bei der Tissue Soldering Technik kommt ein proteinhaltiges Zusatzmaterial zwischen die zu verbindenden Gewebeteile Durch Laserbestrahlung welche haupts chlich von dem Zusatzmaterial absorbiert werden soll verbindet sich dieses mit den Gewebeoberfl chen und erzeugt somit deren Verbindung 2 So verwenden McNally et al 37 als Zusatzmaterial eine Mischung aus Rinderserumalbumin engl bovine serum albumin BSA als Vernetzer mit Indocyaningr n ICG als Absorber wobei das Mischungsverh ltnis in dieser Untersuchung variiert wurde Zus tzlich wurden zum Auffinden der optimalen Prozessparameter die Bestrahlungsintensit ten sowie die Bestrahlungsdauer in bestimmten Grenzen variiert Als Gewebe wurde Ri
291. se Tier7 ein wesentlich h herer Gesamtenergieeintrag ermittelt um das gesamte Wasser im Gewebe zu verdampfen Trotz alledem zeigt sich eine Streuung der berechneten Gesamtenergie innerhalb der einzelnen Rubriken bzw innerhalb eines Dickdarmgewebes Dies l sst darauf schlie en dass es 161 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses zusatzlich neben der Variation der Gewebeeigenschaft unterschiedlicher Tiere auch Gewebeeigenschaftsunterschiede innerhalb eines Dickdarmprobenst cks zu finden sind Die Methode der Wassermassenberechnung auf Grundlage der Messung von Oin Energieeintrag bis Impedanzminimum sowie der Impedanzsteigung Qmess im Zeitbereich von Zmintis DiS Zminsiss zeigt dass auf diese Art und Weise eine Charakterisierung des zu fusionierenden Gewebes vorgenommen werden kann Es kann der Gesamtenergieeintrag durch die Bestimmung der Gewebewassermasse und das Impedanzsteigungsverm gens des jeweiligen Gewebes durch die Information von Qmess ermittelt werden Dies bedeutet f r den Prozess dass die Charakterisierungsphase des Gewebes bis mindestens 1 5s nach dem detektierten Impedanzminimum dauert und sich daran die Regelungsphase anschlie t Ermittlung der SOLL Impedanzsteigung in der Regelungsphase Neben der beschriebenen Festlegung des Gesamtenergieeintrags ber die Bestimmung der Wassermasse muss die SOLL Impedanzsteigung f r die Regelungsphase des Prozesses definiert werden Diese wird a
292. se Werte k nnen anschlie end ber ein weiteres Protokoll vom Microcontroller ausgelesen und weiter verarbeitet werden Programmiert wird der Microcontroller mit Hilfe der Software AVR Studio C basiert und 106 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses kann ber eine RS232 Schnittstelle programmiert werden Der Microcontroller kommuniziert also beim Durchlaufen des aktiven Programms mit dem AD5933 und verwertet die Impedanzmessdaten nach den programmierten Anweisungen Anschlie end wird programmspezifisch ein analoges Spannungssignal f r die Laserleistungspegelvorgabe ausgeben Hierbei ist zu beachten dass der Microcontoller ausschlie lich einen Spannungsbereich von OV 1V ausgibt der Laser jedoch einen Spannungsbereich von OV 10V ben tigt Deswegen muss an dieser Stelle eine hardwareseitige Pegelanpassung Faktor 10 vorgenommen werden Mit der daraus entstehenden Spannung kann der Laser ber das integrierte Interface direkt bedient werden Der Regelkreis schlie t sich indem der Laser durch Erw rmung die elektrischen Eigenschaften des Gewebes ver ndert und dadurch einen Einfluss auf die Regelung nimmt Insgesamt ergibt sich somit eine Regelfrequenz von ca 200Hz Zykluszeit 5ms welche jedoch durch die Komplexit t der Regelung softwareseitig variieren kann Impedanz Messung Digital I C Bus Digital RS232 Computer HController Analog OV 1V Analog OV 10V Pegelanpassung W rmeener
293. sehen Beide dargestellten Instrumente sind nicht ausschlie lich f r Blutgef fusionen bis zu einem Durchmesser von 7mm konzipiert sondern decken ebenfalls den Bereich der Lymphgef e und allgemeinen Gewebeb ndel ab 77 Die Anwendung und Handhabbarkeit dieser Instrumente w hrend einer Operation ist denkbar einfach und sicher Der Arzt positioniert das zu versiegelnde Blutgef zwischen die Zangenbranchen Positionsmarkierungen vorhanden schlie t die Branchen mittels der Zangenmechanik bis diese einrastet und startet den Prozess wahlweise ber den Fu schalter oder dem Schalter direkt am Instrument W hrend des Fusionsprozesses durchschnittlich ca 3s bis 7s sind keine Handlungen bzw Aktionen des Anwenders notwendig Nach dem Prozess erh lt der Bediener ein akustisches Versiegelungsbewertungssignal vom Generator Ist dieses positiv so kann der Anwender das Messer zum Teilen der Versiegelung bet tigen oder direkt die Zangenbranchen ffnen Bei negativem Bewertungssignal muss der Anwender die Fehlermeldung im Display beachten und eventuell erneut einen Versiegelungsprozess starten Im Allgemeinen kann der Anwender lediglich ber die Auswahl des Instruments Einfluss auf den Versiegelungsprozess nehmen Selbst die Wahl der Leistungsstufe gr ne Felder ber das Bedienfeld hat keine Auswirkungen auf die Prozessf hrung Es wird vermutet dass die Leistungswahl f r eine sp tere bzw f r eine neuere Softwareversion bereits implementie
294. selwirkungsmechanismen sowie W rmeerzeugung und leitung eingegangen 18 Kapitel 1 Einleitung Lichtausbreitung in biologischem Gewebe Trifft ein Photon auf biologisches Gewebe k nnen grunds tzlich vier verschiedene Effekte auftreten Diese sind die Reflexion die Brechung die Streuung und die Absorption dieses Photons M gliche Photonenwege sind in Abbildung 2 schematisch aufgezeichnet Darin kann das ankommende Photon aus dem Medium 1 an der Grenzfl che zu Medium 2 gebrochen und oder reflektiert werden nach dem Fresnel schen Reflexionsgesetz sowie nach dem Snellius schen Brechungsgesetz Dies ist abh ngig von Einfallwinkel des Lichts auf die Grenzfl che sowie von den Brechungsindizes der beiden Medien Das an der Grenzschicht gebrochene Licht gelangt in das Gewebe und kann dort durch Inhomogenitat gestreut von Molek len absorbiert oder aber durch das Gewebe transmittiert werden Streuer k nnen im Gewebe unterschiedliche mikroskopische Strukturen wie Zellmembranen oder Zellorganellen sein die einen anderen Brechungsindex als das umgebende Medium aufweisen Das Ausma der Streuung h ngt haupts chlich von der Dichte der m glichen Streuer im Gewebe und von der Wellenl nge des Lichts ab Wird ein Photon direkt nach dem Eintritt in das Gewebe oder nach einem mehreren Streuprozessen innerhalb des Gewebes von einem Molek l absorbiert so kann dieses unterschiedliche wellenl ngeabh ngige Folgezust nde annehmen 43 S 9 ff
295. setzung der ben tigten Versuchsaufbauten begonnen Es wird zus tzlich auf das verwendete biologische Probenmaterial und deren Pr paration f r die Versuchsreihen eingegangen Eine bersicht ber die geplanten Versuchsreihen und deren Ziele zeigt den experimentellen Umfang dieser Untersuchung und Entwicklung 3 1 1 Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung lasergest tzter Gewebefusionen F r die Konzipierung des Versuchsaufbaus muss zun chst gekl rt werden welche Funktionen erf llt werden m ssen bzw welche Funktionen w nschenswert sind Zu dem Gewebefusionsprozess geh rt vor allem die Gewebeerw rmung sowie die Beaufschlagung einer bestimmten Gewebeflachenpressung Zus tzlich ist es von Interesse w hrend des Prozesses eine Auskunft ber den Gewebezustand bzw ber den Prozessverlauf zu erhalten Diese Information sollte online erfasst werden um die Daten als R ckf hrgr e nutzen zu k nnen Der Prozess soll letztendlich als Feedback gesteuertes System auf die Gewebe nderung bzw auf Prozess nderungen reagieren Hierzu wird aufgrund der Vergleichbarkeit zum HF Gewebefusionsprozess auf die Impedanz als Feedbackparameter zur ckgegriffen Diese drei Anforderungen m ssen bei der Branchengestaltung des Laboraufbaus vgl der Metallelektroden des Laboraufbaus bei der HF Gewebefusion ber cksichtigt werden Die Branchen m ssen zum einen die mechanische Festigkeit vorweisen um die Fl chenpressung auf das Gewebe zu bert
296. sind die Absorptionskoeffizienten von Wasser sowie von H moglobin ber der Wellenl nge aufgetragen Dabei ist Wasser im VIS Bereich kaum absorbierend wohingegen Blut H moglobin ein wesentlich h heres Absorptionsverm gen aufweist H moglobin zeigt innerhalb des VIS Spektrums ein globales Absorptionsmaxima im blauen bei ca 430nm sowie ein lokales Maximum im gr nen bei ca 550nm Bereich auf Im roten Spektralbereich ist die Absorption des H moglobin um mehrere Gr enordnungen geringer was die rote Farbe des Bluts erkl rt Zu gr eren Wellenl ngen hin IR Bereich nimmt die Absorption des Wassers zu die des H moglobin ab sodass in diesem Spektralbereich das Wasser den Hauptabsorber darstellt Absorptionsmaximum bei ca 3um was dem Er YAG Laser entspricht 20 Kapitel 1 Einleitung Absorptionsspektrum von Wasser und Hamoglobin 100000 i _ E i Ms i H 0 10000 ee i Hb 1000 ak O o _ R Absorption a om o 0 01 0 001 H H H H H H H H H H H H H H i H H H H H H H B H H i T 0 0004 S0 500 1000 5000 100000 Wellenl nge A nm Abbildung 3 Auftragen des Absorptionsverm gen von Wasser 20 und H moglobin 86 ber der Wellenl nge Interaktionsmechanismen Die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Gewebe wird definiert durch die vorhandenen Gewebeeigenschaften und die verwendeten Laserparame
297. sphase zu erkennen Begr ndet ist dies durch ein permanentes Aussto en von Wasserdampfblasen durch die Bildebene in Richtung Kamera Dies ist ein deutlicher Unterschied zu dem Arteriengewebe und l sst sich durch den h heren Wassergehalt von Dickdarmgewebe erkl ren siehe Literatur in 2 2 5 Das aus dem HF Gewebefusionsprozess erarbeitete Wissen wird im nachfolgenden Kapitel 3 aufgegriffen und in der Entwicklung eines neuartigen Dickdarmfusionsprozesses verwendet Wie schon im Kapitel Struktur und Ziel dieser Arbeit beschrieben ist stellt diesbez glich die Entkopplung der Energieeinbringung von dem Regelungsfeedbackgr e ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal gegen ber dem HF Prozess dar Es kann somit mittels des Lasers der notwendige thermische Effekt erzeugt werden w hrend die Messung der Gewebeimpedanz als Regelungsfeedbackgr e unabh ngig davon ist 89 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses In der Aufgabenstellung siehe Einleitung ist die Entwicklung und Validierung eines laserbasierten Gewebefusionsprozesses beschrieben Diesbez glich wurde die zuvor erl uterte Untersuchung des HF Gewebefusionsprozesses Kapitel 2 durchgef hrt um die daraus gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse in die Entwicklung einflie en zu lassen bzw vor allem als Basis der Eigenentwicklung verwenden zu k nnen Der HF Prozess und dessen
298. ss eine messtechnische Aufnahme der beschriebenen Prozessgr en erm glicht wird Das folgende Kapitel erl utert wie der Fusionsprozess untersucht und wie die messtechnische Umsetzung f r die verschiedenen Messgr en umgesetzt wurde 2 1 2 Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung des HF Gewebefusionsprozesses Die Untersuchung des Gewebefusionsprozesses des ForceTriad Generators wird mit einem Laboraufbau durchgef hrt Der Laboraufbau gew hrleistet eine einfache Gewebepositionierung zwischen zwei Stahlelektroden nichtrostender Stahl X5CrNi18 10 wobei die Konstruktion so ausgelegt ist dass eine beliebige Druckkraft der beiden Elektroden aufeinander eingestellt werden kann Es k nnen dadurch unterschiedliche Bedingungen innerhalb eines Instruments simuliert werden Des Weiteren werden Strom und Spannung w hrend des Prozesses berwacht und aufgezeichnet Aus diesen Gr en lassen sich im Nachhinein die Leistung und die Impedanz errechnen Als weitere wichtige aber f r den Generator sekund re Prozessgr e ist die Gewebetemperatur ebenfalls von 40 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom gro er Bedeutung und muss zur Prozessbewertung herangezogen werden Die nachfolgende schematische Aufbaubeschreibung zeigt die einzelnen Komponenten um die vorher beschriebenen Anforderungen f r die Messtechnik erf llen zu k nnen Abbildung 12 Die Edelstahlelekt
299. ss zwischen der Ber cksichtigung der unterschiedlichen Geometrien und dem sich daraus ergebenen Versuchsumfang Je mehr Gruppen definiert werden desto mehr Versuche sind insgesamt f r ein aussagef higes Ergebnis notwendig Tabelle 2 Einteilung der Arterienkaliber in Gr enklassen Gr enklasse gro mittel klein Durchmesser mm 7 gt D gt 5 5 5 5 gt D gt 3 5 D lt 3 5 54 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Eine genaue Planung der Versuchsabfolge konnte nicht erstellt werden da an jedem Versuchsdurchf hrungstagg mit dem aus dem Schlachtprozess entnommenen Arterienmaterial gearbeitet werden musste Im Vorfeld war nie eine genaue Anzahl an Proben bekannt oder garantiert So ergab sich die tagesabh ngige Versuchsabfolge nachdem die Einsortierung der Proben in die Gr enklassen durchgef hrt wurde Die Versuchsdurchf hrung beinhaltet prim r die Pr paration der Blutgef e Entfernen von Bindegewebe und das komplette Einsortieren aller vorhandenen Arterienprobenst cke in die Gr enklassen F r die einzelnen Versiegelungsprozesse sind dann abwechselnd Proben aus unterschiedlichen Gr enklassen verwendet worden Das jeweilige Probenst ck wurde aus der N hrl sung entnommen leicht trocken getupft und zwischen die Branchen des Instruments gespannt F r diese Versuchsreihe sind ausschlie lich Arterien der Gr enklasse gr
300. sschlie lich montags zur Verf gung steht Es w ren somit mehr Versuchstage m glich als nur mit schlachtfrischem Probenmaterial F r die Versuchsplanung wurde eine DoE Design of Experiments Software MiniTab 16 Minitab Inc verwendet Darin k nnen die einzelnen Prozessparameter sowie die Anzahl der Versuchsb cke definiert werden Durch die Auswahl einer vollfaktoriellen Durchf hrungscharakteristik wird anschlie end eine randomisierte Versuchsabfolge ermittelt F r die Energieeintragsdynamikuntersuchung werden konstante Leistungspegel gepaart mit unterschiedlichen Bestrahlungszeiten um entsprechende Energieeintr ge zu erzeugen Die Parameterkombinationen sowie die daraus resultierenden Energieeintr ge sind in Abbildung 62 dargestellt So werden auf unterschiedliche Weise schnell und langsam Weise 200 und 400 in das Gewebe eingebracht Der Center Point Zentrumspunkt ist mit 300J Energieeintrag und einer mittleren Leistung von 30W definiert Leistungsbereich von OW 59W Diese Einstellung 300J mit 30W des Center Points wurde durch einfache Vorversuche definiert in denen erste Gewebefusionen erzeugt wurden Der Center Point gilt zum Start dieser Versuchsreihe als der aktuelle Stand der Prozessentwicklung zur lasergest tzten Gewebefusion Von diesem aus wird der 100J Energieeintrag variiert Durch die Hinzunahme des Center Points k nnen so zus tzlich Abh ngigkeiten nachgewiesen werden Laserleistung Prozesszeit 13 3s 10s
301. st tzten Prozess Temperaturen gt 100 C von N ten sein Dies verlangt eine entsprechende Energieeinbringung in das Gewebe um dieses innerhalb 90 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses der Prozesszeit aufzuheizen Physikalisch handelt es sich bei dieser Lasergewebefusion um eine thermische Wechselwirkung von Laser und Gewebe vgl Kapitel 1 2 2 Bez glich der Energieumsetzung im Gewebe sind Lichtabsorber verantwortlich welche bei Verwendung von IR Strahlung im Weichgewebe haupts chlich Wassermolek hle H20 sind vgl Kapitel 1 2 2 Um die wellenl ngenabh ngige Lichtabsorption von Wasser beurteilen zu k nnen ist nachfolgend in Abbildung 46 das Absorptionsspektrum dargestellt In diesem Diagramm ist der Absorptionskoeffizient a Einheit cm logarithmisch ber der Wellenl nge aufgetragen So zeigt das Spektrum von Wasser im visuellen Bereich Bereich zwischen den zwei roten vertikalen Linien ein geringes Absorptionsverm gen von ca 0 00025cm bis 0 026cm Mit steigender Wellenl nge in den IR Bereich steigt auch die Absorption welche bis zu einem Maximum von ca 10 cm bei ca 3um Wellenl nge f hrt Absorptionsspektrum von Wasser 100000 1 a sl Le Ir 9 2 10000 ae 1000 oO oO _ O_ Absorption a om 0 01 0 001 0 000 S0 500 1000 l 5000 100000 Wellenl nge A nm Abbildung 46 Absorptionsspektrum von Wasser im Wellenl ngenbereich von
302. sten Faktor 0 4 Die zwei Rubriken rechts zeigen im Vergleich zu den Versuchen mit festen Faktoren das Ergebnis unter der Anwendung der variablen Faktorberechnung f amess gt 0 0021 amess t0 4125 So zeigt sich f r T3 eine bessere Sch lfestigkeit mit dem Faktor 0 1 als mit dem Faktor 0 4 was durch den geringen Anteil an Leistungspegeln ber 45W begr ndet ist Dieser Zusammenhang ist ebenfalls f r T4 deutlich zu erkennen F r T1 und T2 zeigt sich deutlich dass ein gro er Anteil an hohen Leistungspegeln innerhalb der Regelungsphase eine geringe Festigkeit erzeugt Der Vergleich von T5 und T6 zwischen der Verwendung des Faktors 0 1 und der variablen SOLL Impedanzsteigungsberechnung ergibt dass die Festigkeit beider Gewebe im Gegensatz zum Faktor 0 1 angen hert werden k nnen Beide Gewebe liegen im Bereich von 0 08N mm Sch lfestigkeit und zeigen geringe Anteile von hohen Leistungspegeln Explizit f r das Gewebe T5 konnte die Festigkeit bei Verringerung der Leistungspegelanteile gt 45W verbessert werden 164 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Es kann festgehalten werden dass die SOLL Impedanzsteigung so definiert werden muss dass diese mit einem m glichst moderaten Laserleistungspegel geringer Anteil an Leistungspegeln gt 45W erm glicht werden kann Mit der Tatsache dass die unterschiedlichen Dickdarmgewebe verschiedene Impedanzsteigungsverm gen zeigen und die Gesamtprozesszeit z
303. swertung dieser Versuchsreihe wird zun chst eine objektive Betrachtung der durch die unterschiedliche Regelweise erzeugten Impedanzverl ufe angestellt Diesbez glich sind nachfolgend in Abbildung 70 repr sentative Impedanzverl ufe f r die jeweils zwanzig durchgef hrten Versuche gezeigt Die zwei oberen Diagramme zeigen jeweils einen Versuch mit der Regelung auf absolute Impedanzwerte wohingegen die zwei unteren Diagramme die Regelung auf die Impedanzsteigung darstellen Zun chst kann bez glich der Reglerschnelligkeit aus den beiden linken Diagrammen festgestellt werden dass der Regler auf den dort vorhandenen unruhigen Impedanzverlauf ausreichend schnell reagiert 138 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Regelung auf absolute Impedanzwerte Regelung auf absolute Impedanzwerte 600 L r y 6007 Impedanzrohwerte Impedanzrohwerte 550 Impedanz gefiltert nr 7 550 Impedanz gefiltert gt 47 500 SOLL Impedanzwerte 7 i Sool SOLL Impedanzwerte X f Umschaltgrenze a 450 Leistungspegel ON Umschaltgrenze 450 Leistungspegel y 400 400 a g S 350 g S 350 3 z A P 300 2 3 300 a 2 8 2250 5 250 a 5 f 7 A 7 200 r e0 200 M e02 4 A I form 150 JF p W A IM Wid I 150 r Be ery im 100 i Pi Pr 100 7 50 y 420 50 W 20 2345 67 8 9 1011 12 13 14 18 D 2 3 4 6 67 8 9 0 11 12 Ze
304. t Darin ist von oben nach unten verlaufend zun chst die Fassung der Lichtleitfaser 1 gezeigt z aN VG A Sy EN 77 Y Ir 1 Je gt e S Al i Abbildung 53 links CAD Darstellung des gesamten Versuchsaufbaus zur Erzeugung lasergest tzter Gewebefusionen 1 Untere Elektrode mit Teflonsockel 2 Obere Elektrode mit U f rmiger Aluminiumhalterung 3 Lichtleitfaser mit Optik f r die Laserstrahlformung 4 X Y Z Manipulator zur Positionierung der Laserbestrahlungseinheit 5 Z Achsen Verstellschlitten zum vertikalen Verfahren der oberen Elektrode 6 Kraftsensor zur Aufnahme der Druckkraft rechts Schnittzeichnung der optischen Achse mit Angabe der Optikbauteilabst nde 1 Fassung f r die Lichtleitfaser 2 Zylinderlinse 3 Zylinderlinse 90 verdreht zur dar ber liegenden Zylinderlinse 4 untere Elektrode 103 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses In einem Abstand von 30mm folgt die erste Ebene Zylinderlinse 2 Die zweite um 90 1 Zylinderlinse verdrehte Zylinderlinse 3 ist im Abstand von 18mm zur ersten Zylinderlinse Ebene positioniert Der Abstand von dieser zweiten 2 Zylinderlinse Zylinderlinse zur unteren Elektrode 4 betr gt 51mm Die hier beschrieben untere Elektrode Abst nde der optischen Bauteile sind experimentell ermittelt worden Die O
305. t Durch diesen Umschlag sinken die Leistung und der Strom schlagartig auf ein niedriges Niveau ca 10W und 0 4A auf dem beide Gr en nahezu konstant bis zum Prozessende bleiben Die Spannung steigt zum Zeitpunkt des Impedanzumschlags auf ca 90V und hat dort das Maximum Dem anschlie enden Abfall auf ca 40V folgt ein moderater Anstieg bis auf 60V zum Prozessende Die Impedanz erf hrt nach deren Umschlag eine stetige Erh hung in der Keeping Phase bis auf das Maximum am Prozessende von ca 3200 Die auftretenden Impedanzeinbr che bzw Unregelm igkeiten in der Keeping Phase werden durch die darauf reagierende Spannung und den Strom und somit auch die Leistung ausgeglichen Spannungsverlauf Stromverlauf oo gt LO a 70 3 5 L 2 60 T 3 E 3 50 i 525 amp 40 L i 2 30 1 5 N S oO a 2 _ 3 4 5 0 1 3 4 5 Zeit s Zeit s Leistungsverlauf Impedanzverlauf 220 r r 350 T r 200 300 180 160 250 i SE gt 120 ye E w F oO 8 100 amp 150 80 E 60 100 40 50 20 I a 3 an 4 3 3 Zeit s Zeit s Abbildung 24 Einzeldarstellung der elektrischen Gr en U I P Z des Beispielversuchs 62 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Tabelle 4 Auflistung der Prozessphasencharakteristik des exemplarischen Beispielversuchs
306. t anschlie end wird diese ber einen manuellen Mechanismus verschlossen Die Branchen fixieren das Gef in der Zange und erzeugen eine bestimmte Kraft bzw Fl chenpressung mit der das Gewebe zusammengedr ckt wird Dann wird der Versiegelungsprozess gestartet Der Prozess ist regelungstechnisch unterst tzt und nutzt dabei die elektrische Impedanz elektrischer Gewebewiderstand als Regelungsgr e Die Regelung erh lt somit ein Gewebefeedback und f hrt den Prozess eigenst ndig das Kapitel 1 Einleitung Prozessende wird ebenfalls vom Ger t bestimmt 31 534 Anschlie end kann die Zange ge ffnet und das versiegelte Blutgef entnommen werden Die neusten Ger te zur Gef versiegelung erzeugen diese mit reproduzierbarer G te nahezu keine Insuffizienz innerhalb einer Zeitdauer von bis zu 4s 77 was eine massive Zeitersparnis gegen ber konventionellen Techniken darstellt Neben dem Gewebe der Blutgef e k nnen mittlerweile mit dieser Technologie auch allgemeine kleinere Gewebeb ndel Lungengewebe und Lymphgewebe fusioniert werden 77 In einer Marktanalyse von Edwards et al 15 werden aktuell f nf Hersteller beschrieben die sich den Markt teilen Alle Hersteller bieten zu einem Generator eine F lle von unterschiedlichen Instrumenten an welche die momentane Bandbreite der Fusionsm glichkeiten realisiert Die momentane Weiterentwicklung im bipolaren HF Gewebefusionsbereich bezieht sich auf den Transfer der Techn
307. t somit entl ftet und das zu pr fende versiegelte Blutgef kann ber die Schlaucht lle gest lpt werden Zur Fixierung des Blutgef es auf der Schlaucht lle wird ein Kabelbinder verwendet Zum Start der Berstdruckpr fung wird zu erst die Datenaufnahme mittels des LabVIEW Programms gestartet Dieses setzt den vorhanden Druck entstanden durch den Entl ftungsprozess zur ck auf den Umgebungsdruck und beginnt mit der Aufnahme des Drucks und der Zeit Durch weiteres ffnen des Drosselventils steigt der Druck innerhalb des Beh lters und dr ckt das Wasser weiter durch das Steigrohr durch den Schlauch und letztendlich in das Blutgef So steigt der Druck im Blutgef und simuliert 47 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom dadurch die Belastung eines Gef es zu in vivo Bedingungen Der Druck wird bis zum Bersten bzw Platzen des Blutgef es stetig erh ht Geschieht dies wird sofort das Entl ftungsventil Kugelhahn ge ffnet und die Datenaufnahme der Software gestoppt Abbildung 16 zeigt den Druckbeh lter 1 und dessen Anschl sse Das Steigrohr ist mit Schlauch Nr 2 verbunden und f hrt das Wasser zum Blutgef welches ca 1m ber dem Druckbeh lter an einem Stativ fixiert ist siehe Abbildung 17 Schlauch Nr 3 ist mit dem hausinternen Druckluftsystem verbunden und erzeugt beim ffnen des Drosselventils eine Druckerh hung Der Drucksensor ist an Schlauch Nr 4
308. t anschlagen Qgesmax greift nur wenn durch die Wassermassenberechnung ein gr erer Gesamtenergieeintrag Qges errechnet wurde Aus den Erfahrungen der bis dato durchgef hrten Fusionen spiegelt der Energieeintrag von 600 ein nicht zu berschreitendes Maximum wieder Die maximale Prozesszeit von 20s wird nur aktiv wenn der Prozess vorher nicht den berechneten Gesamtenergieeintrag Qges oder Qgesmax erreicht hat Dies ereignet sich vor allem wenn ein Prozess mit sehr geringem Leistungspegel in der Regelungsphase arbeitet und so ein 169 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses geringer Energieeintrag erzeugt wird Als weiteres Abschaltkriterium dient die Detektion eines Impedanzplateaus Das beschreibt das Verbleiben der Impedanz auf einem Niveau Impedanz steigt und sinkt nicht in der Endphase des Prozesses die letzten 20 des berechneten Gesamtenergieeintrags Qges werden berwacht Bei der Detektion eines Impedanzplateaus wird der Prozess direkt beendet Prozessstart ber mu Detektion Zin 34W konst Laserleistung Berechnung Energieeintrag Q gt Berechnung Q ges 1s warten 5x 100ms Abschnitte Medianbildung gt a mpedanzsteigung messen 0 5s warten Berechnun SOLL Impedanzsteigung m _ Start der Regelung PB PID Regelung Laserpegel Ras 9 8 ges Plateaudetektion P
309. teinhaltigen Klebstoffes unter Laborbedingungen Einen Transfer der Tissue Soldering Technik in eine in vivo Studie zeigen Wright et al durch die Verwendung von einem Albumin basierten Stent der zur Anastomosenherstellung an einer Arterie Spezies Schaaf eingesetzt wurde Durch diesen Albuminring gestaltete sich die Erzeugung einer Anastomose einfach da lediglich dieser zun chst ber eine Arterienseite geschoben und anschlie end die andere Arterienseite ber den Albuminring gest lpt wurde Der Laser 810nm bestrahlte anschlie end den Teil der Mantelfl che der mit dem Albuminstent hinterlegt ist Die Studie zeigt eine 100 ige Tier berlebensrate sowie eine Durchg ngigkeit der Anastomosen im Zeitraum direkt nach ihrer Erzeugung bis zu 6 Wochen danach Histologisch verh lt sich der Albuminring nicht wie ein Fremdk rper z B wie F den da keinerlei Auftauchen typischer Riesenzellen beobachtet wurde Lediglich Entz ndungsherde sind vorhanden die auf den Heilungsprozess zur ckzuf hren sind In Punkto Tissue Soldering am Darmgewebe zeigt die Arbeitsgruppe um Katzir et al 59 eine temperaturgesteuerte Laserbestrahlung des Albumins In dieser in vitro Studie wurden End zu End Anastomosen am D nndarm vom Schwein erzeugt Daf r wurden zun chst beide Darmenden zueinander positioniert und ein Albuminr hrchen Stent im Lumen an die Nahtstelle gebracht Dieser wurde anschlie end mit dem temperaturgesteuerten Laser 828nm
310. telle bewertet Insgesamt sind f r die Untersuchung der elektrischen Gr en 5 Versuche mit dem LigaSure Impact Instrument und f r die Auswertung der Prozesstemperatur Thermografie 6 Versuche unter Verwendung der Laborelektroden durchgef hrt worden 57 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom 2 2 Ergebnisse Die Ergebnisse aus Versuchsreihe 1 beschreiben die generelle Arbeitsweise des ForceTriad Generators Die wichtigste Parameter sind die elektrischen Messgr en Strom und Spannung sowie die daraus abgeleiteten Gr en Leistung und Impedanz Durch die Anwendung zweier verschiedener Instrumente kann der Unterschied innerhalb der Prozessgestaltung aufgekl rt werden Die Variation der Druckkraft in Versuchsreihe 2 macht den Einfluss der Gewebefl chenpressung auf die Versiegelungsg te sichtbar Mit der Prozesstemperatur Thermografie wird eine f r die Gewebefusion entscheidenden physikalische Gr e untersucht Die Thermografie gibt Auskunft ber die rtliche und der zeitliche Temperaturprozessentwicklung im Gewebe Mit diesen Prozessinformationen und den zus tzlichen Versuchsreihen bez glich des gesteuerten Prozessabbruchs sowie dem Fusionieren von Schweinedickdarmgewebe anstatt Arteriengewebe wird die Gewebefusion hinsichtlich der technologischen Prozessf hrung aufgekl rt 2 2 1 Qualitative Gewebefusionsbeobachtung des HF Prozesses Bevor die Ergebnisse d
311. tellt werden dass das Prozessmodell die Gesamtenergieeintr ge aus den Versuchen sehr gut nachbildet Der berechnete Gesamtenergiebereich von ca 200J 320 liegt innerhalb des Bereiches der sich aus den Experimenten ergibt 150 J 375J Lediglich die Spannweite des Gesamtenergiebereichs des Prozessmodells ist etwas kleiner Gr nde hierf r k nnen nichtbeachtete energiekonsumierende Effekte innerhalb der Verdampfungsphase sein Denn durch visuelle Prozessbeobachtung kann in der Verdampfungsanfangsphase eine starke Wasserdampfblasenbildung erkannt werden was oft zum Herausschleudern von kleinen Gewebebestandteilen f hrt Dazu ist Energie notwendig welche im Prozessmodell jedoch nur mit gro em Aufwand ber cksichtigt werden k nnte M glicherweise sind weitere im Prozessmodell nicht verankerte Effekte vorhanden die sich auf die Energiebilanz auswirken Aufgrund der Berechnung der einzelnen Verlustenergien kann eindeutig die Elektrodenerw rmung sowie der Verlust der effektiven Leistung im Gewebe durch die Wassermassenreduzierung als Hauptfaktor identifiziert werden in Summe ca 96 des Gesamtenergieverlust In der Gesamtenergieprozessbewertung war es unerwartet dass der Gro teil des Gesamtenergie f r Energieverluste aufgewendet wird Es werden lediglich ca 12 21 der Gesamtenergie zur Erw rmung des Gewebes und zur Verdampfung der 208 Kapitel 5 Theoretische Betrachtung des lasergest tzten Fusionsprozesses Wassermasse gebr
312. ter insbesondere die Wellenl nge Leistung Bestrahlungsst rke Intensit t Der Einfluss von Bestrahlungsintensit t und Einwirkdauer ist in Abbildung 4 dargestellt Im berblick ist festzustellen dass sich der Bereich der Wirkmechanismen in beiden Achsen ber ca 15 Zehnerpotenzen erstreckt und damit von einer langzeitigen und gering dosierten Photochemischen Interaktion bis hin zu Ultrakurzpulsen mit sehr hoher Leistungsdichte Photodisruption reicht Trotz alledem bewegen sich alle Interaktionsmechanismen haupts chlich in einem Energiedichtenbereich von 1J cm 1000J cm Je nach Kombination der Leistungsdichte und Einwirkdauer werden unterschiedliche Effekte erzielt Der f r diese Arbeit wichtige Interaktionsmechanismus ist die thermische Wechselwirkung Dieser Bereich beinhaltet den Effekt der Koagulation des Gewebes ohne dieses durch hohe Energiedichten zu sch digen beispielsweise durch Ablation Neben diesem Effekt k nnen aber sowohl Vaporisation und Karbonisation als auch das Schmelzen je nach Parameterwahl auftreten Dies zeigt dass der Bereich der 21 Kapitel 1 Einleitung thermischen Wechselwirkung viele unterschiedliche Effekte beinhaltet und die Wahl der Energiedichten und Einwirkdauern entsprechend gew hlt werden m ssen Laser Gewebe Interaktion 10 N Photodisruption T Plasma Su S 40 induzierte N YN ra 1000 J cm 20 Ablation NA w Sr 5 Photoablation D ar 210 Pa v 2 E 1 J cm 10 17
313. tologie und struktureller Aufbau von Dickdarmgewebe colon Neben den Arterien elastischer Art steht das Dickdarmgewebe colon im Mittelpunkt dieser Arbeit Der Dickdarm ist der auf den D nndarm folgende Teil des gesamten Verdauungstraktes und teilt sich in unterschiedliche Segmente ein Diese sind der aufsteigende Teil colon ascendens der querverlaufende Teil colon transversum der absteigende Teil colon descendens und der S f rmige Teil colon sigmoideum welcher in den Enddarm Rectum m ndet Der Dickdarmdurchmesser ist in der Regel gr er als der Durchmesser des vorhergehenden D nndarms und kann bis zu 8cm betragen Ein besonderes Kennzeichen des Dickdarms sind die Ausbuchtungen Haustren die sich durch die vorhandenen drei Streifen der L ngsmuskulatur T nien bilden Die T nien erzeugen eine Muskelspannung welche im Zusammenspiel mit der Muskelkontraktion der Ringmuskulatur Einschn rungen entstehen l sst Zwischen diesen Einschn rungen entstehen somit die Haustren welche sich durch die Peristaltik der Ringmuskulatur dynamisch in Form und Lokalisation ndern Funktionell bernimmt der Dickdarm den Entzug der restlichen Fl ssigkeit des Darminhalts Eindickung des Darminhalts und versetzt diesen im Gegenzug mit Schleim welcher durch die Becherzellen in den Krypten erzeugt wird 60 S 366 368 Die Krypten sind in der Mucosa der inneren Schicht der Dickdarmwandstruktur zu finden Im Gegensatz zum Aufbau der Mucosa des D
314. tologisch bez glich der Neubildung von Epithelzellen in der Mucosa der Bildung von neuen Kollagenfasern in der Submucosa sowie der Neovaskulation positiv bewertet Dieses Ergebnis zeigt das vorhandene Potential HF erzeugter Darmgewebeverbindungen Eine weitere Arbeitsgruppe Kapitel 1 Einleitung um Winter et al 74 beschreibt die Untersuchung einer zirkularen Dickdarmanastomose End zu End der Spezies Schwein mittels eines temperatur feedbackgesteuerten HF Gewebefusionsprozesses Dabei ist ein zirkul rer Laboranastomosenapplikator mit integrierten Thermoelementen entwickelt worden bei dem die ber Thermoelemente erfasste Temperatur als Feedbackgr e f r den Prozess genutzt wird und der Generator somit auf die voreingestellte SOLL Temperatur in dieser Studie ist Tsou 115 10 C regelt Zus tzlich variieren Winter et al die Fl chenpressung des Gewebes um diesbez glich eine optimale Einstellung zu finden Die h chste Festigkeit mit einem Berstdruck von 41 7 4mmhg zeigten die Anastomosen bei einer Fl chenpressung von 1 125N mm Der Vergleichsmittelwert des Staplerger ts liegt in dieser Arbeit mit 60 7 12 7mmHg nur geringf gig h her In einer weiterf hrenden Studie dieser Arbeitsgruppe 23 wird die Festigkeit von Anastomosen Seit zu Seit an Darmgewebe der Ratte untersucht Die Ergebnisse zeigen einen h heren maximalen Berstdruckfestigkeitsmittelwert von 69 5mmHg bei niedrigerer Fl chenpressung von 0 14N mm Zum Verglei
315. tsteht eine durch zwei Phasen gepr gte Prozesscharakteristik Die erste Prozessphase arbeitet mit einem konstanten Leistungspegel von 34W und dauert so lange an bis die Gewebecharakterisierung Messung von Qmin und Qmess abgeschlossen ist In der anschlie enden zweiten Prozessphase wird auf eine Impedanzsteigungsregelung umgeschaltet in der eine SOLL Impedanzsteigung vorgegeben abh ngig von Qmess und der Laserpegel so adaptiert wird dass diese SOLL Impedanzsteigung erreicht wird Die implementierte Berechnung der SOLL Impedanzsteigung sowie die Charakteristik der Regelung P Regler erzeugt einen moderaten aber stetigen Energieeintrag in das Gewebe was sich in einem konstanten Temperaturverlauf bei ca 90 C ohne Siedeunterbrechungen des Gewebewassers zeigt Das in die Regelung implementierte Zusatzabschaltkriterium der Impedanzplateaudetektion garantiert eine Prozessbeendigung wenn vor dem Erreichen des berechneten Energieeintrags Qges die Impedanz in einem gewissen Toleranzbereich nicht der SOLL Steigung folgt In diesem Fall zeigt die Impedanz keine Reaktion mehr auf die Erw rmung bzw auf den Energieeintrag und die Austreibung des Gewebewassers ist somit fr her erreicht keine Reaktivit t des Gewebes in bezug auf dessen elektrische Leitf higkeit Die abschlie ende Versuchsreihe zeigt dass durch die Anwendung dieser erarbeiteten Prozessregelung bei insgesamt 29 Fusionen Dickdarmgewebe von vier verschieden Schweinen eine gemitte
316. tteln Denn eine dort ermittelte hohe Impedanzsteigung amess zeugt von einer niedrigen Leitf higkeit was auf einen geringeren Wassergehalt im Gewebe deutet Mit der mathematischen Kombination beider Ans tze kann die vorhandene Wassermasse und im Weiteren mit Hilfe der Verdampfungsenthalpie von Wasser die ben tigte Energie Qy zur Verdampfung des Wassers berechnet werden Der Gesamtenergieeintrag als Prozessabschaltkriterium ergibt sich aus der Summe beider Energien Qges QmintQv Damit der Energieeintrag Qv in die Regelungsphase des Prozesses mit einem mittleren Laserleistungsniveau aufgebracht 214 Kapitel 6 Diskussion werden kann muss die SOLL Impedanzsteigung als Regelungsf hrungsgr e ebenfalls auf die Gewebeeigenschaften abgestimmt sein Deswegen wird durch die gemessene Impedanzsteigung ames welche ein Ma f r das Potential der Impedanzsteigungsf higkeit widerspiegelt ber einen Faktor auf die SOLL Impedanzsteigung skaliert So ist neben der Erzeugung eines mittleren Laserleistungsniveaus auch das Potential f r die Regelungsreaktion vorhanden Die Regelung kann somit auf Regelabweichungen mit einer entsprechenden Leistungs nderung reagieren Der in dieser Arbeit konzipierte Prozess erm glicht letztendlich dass eine moderate Austrocknung des Gewebes herbeigef hrt wird Die Gewebetemperatur wird in der Wasserverdampfungsphase Prozessregelungsphase nicht signifikant Uber die Siedetemperatur geraten da der Energieeintr
317. u ber eine bestimmte Zeit gehalten wird umsetzbar sein Zum anderen sollte es m glich sein dass die Laserleistung auf eine zu regelnde Prozessgr e reagiert Feedbackregelung Diese Anforderung an die Leistungsregelbarkeit muss von der internen Lasersteuerung vorgesehen sein Ein geeignetes Lasersystem wurde bei dem Hersteller DILAS Industrial Laser Systems gefunden und erworben Es handelt sich um einen Diodenlaser welcher urspr nglich zum Schwei en von Kunststoffen konzipiert wurde Die technischen Daten sind nachfolgend in Tabelle 7 aufgelistet Darin ist zu entnehmen dass die optische Ausgangsleistung 80W betr gt Dies sollte gen gend Leistungsreserven beinhalten damit eventuelle Leistungsverluste kompensiert oder auch regelbedingte kurze Leistungserh hungen umgesetzt werden k nnen Das Laserlicht wird in eine Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 400um eingekoppelt und kann mittels der 5m langen Faser sowie dem FSMA Faseranschluss flexibel und ohne gro en Aufwand zum Versuchsaufbau geleitet werden Da die Arbeitswellenlange 1470nm im nichtsichtbaren Bereich liegt ist ein 93 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Pilotlaser 650nm implementiert Bez glich der Lasersicherheit ist f r den Arbeitslaser die Laserklasse 4 angegeben Dies bedeutet das Tragen einer entsprechenden Laserschutzbrille vor dem Aktivieren des Lasers Das Lasersystem ist mit einer eigenen internen Steuer
318. uf Grundlage der gemessenen Impedanzsteigung im Zeitbereich von Zminsis DIS Zmins ss ermittelt Explizit hei t das ein Gewebe welches eine geringe Impedanzsteigung Qmess in der Messphase zeigt muss in der darauffolgenden Regelphase ebenfalls mit einer geringen SOLL Steigung behandelt werden In diesem Fall ist der Wassergehalt und die elektrische Gewebeleitf higkeit hoch was in einer geringen Impedanzsteigungsf higkeit resultiert Eine entsprechend geringe angepasste SOLL Impedanzsteigung garantiert somit die Prozessf hrung mit einem mittleren Laserleistungs pegel Gewebe mit einer hohen gemessenen Impedanzsteigung amess Weisen dagegen einen geringen Wassergehalt und eine geringe elektrische Leitf higkeit auf Um den nachfolgenden Regelungsprozess ebenfalls mit einem mittleren Leistungspegel zu fahren wird diesbez glich die SOLL Impedanzsteigung ebenfalls auf ein passendes Niveau eingestellt Der mathematische Zusammenhang bzw die Abh ngigkeit der SOLL Impedanzsteigung von der gemessenen Impedanzsteigung Qmess ist in Abbildung 80 gezeigt Die lineare Abh ngigkeit zeigt einen Faktorbereich f r die SOLL Impedanzsteigung von 0 035 bei Qmess 1800 s und 0 39 bei QAmes 100 s Diese Werte sind aus den bis dato durchgef hrten Versuchen extrahiert worden Die sich ergebenen absoluten SOLL Impedanzsteigungen sind in Abbildung 81 dargestellt Darin ist die oben beschriebene Charakteristik zu erkennen Es 162 Kapitel 3 Entwicklung eines l
319. ugabe von Elastin Rindenackenband um den Faktor 2 72 auf 0 109 0 032N mm im Vergleich zur reinen Dickdarmfusion 0 04 0 016N mm erh ht werden Die HF Fusion von ausschlie lich zwei Lyoplantgewebeteilen Verbindung von nahezu reinem Kollagen bzw die Fusion zweier Rindernackenbandstreifen Verbindung von nahezu reinem Elastin zeigt mit einer Sch lfestigkeit von 0 6 0 16N mm Lyoplant bzw von 1 6 0 075N mm Rindernackenband einen Festigkeitsbereich der in Kombination mit nativem biologischen Gewebe wahrscheinlich nicht erreichbar ist Die Ergebnisse best tigen dass der Kollagengehalt ma geblich die Festigkeit der Dickdarmgewebefusion beeinflusst und somit m glicherweise die Festigkeitsstreuung der abschlie enden Laserprozessbewertung vgl S 174 erkl rt Das im Kapitel 5 aufgestellte theoretische Prozessmodell beschreibt den lasergest tzten Fusionsprozess durch thermodynamische sowie elektrotechnische Berechnungen Die Zielsetzung darin bestand zu pr fen ob die in den Versuchen aufgewendeten Energiebereiche sowie die sich auspr genden Impedanzverl ufe mit plausiblen Annahmen reproduziert werden k nnen Diesbez glich zeigt das Ergebnis dass das Prozessmodell den Versuch auf energetische und impedanztechnischer Ebene best tigt Der berechnete Gesamtenergiebereich liegt innerhalb des Energiebereichs welcher sich in der abschlie enden Versuchsreihe ergeben hat und best tigt somit auch die Richtigkeit der 216 Kapitel 6
320. ung welche als Regelgr e die Impedanzsteigung mit 800 s hat Dieser Mittelwert zeigt sich gr enklassen und instrumenten bergreifend und weist eine sehr geringe Standardabweichungen auf Die Prozessregelung ist so ausgelegt dass diese SOLL Impedanzsteigung mit einem moderaten und konstanten Leistungspegel erreicht wird welcher jedoch geringf gig variiert abh ngig von der Gr enklasse und Instrument Auftretende Impedanzeinbr che werden durch eine Reaktion der Spannung korrigiert was folglich auch mit in die Leistung eingeht Als m gliches Kriterium zur Beendigung des Prozesses kommt vor allem der Energieeintrag in Frage siehe Abbildung 30 Dabei zeigt sich dass 57 bis 67 des Gesamtenergieeintrags in der Heating Phase in das Gewebe eingebracht werden Vermutlich kann somit durch den bekannten Energieeintrag nach der Heating Phase der ben tigte Gesamtenergieeintrag w hrend des Prozesses errechnet werden Weiterhin k nnte die Information des Impedanzniveaus aus der Sensing Phase Gewebecharakterisierung eine zus tzliche Gesamtenergieeintragsmodifizierung bewirken 2 2 3 Versuchsreihe 2 Untersuchung des Einflusses der Gewebefl chenpressung auf die Berstdruckfestigkeit bei Ber cksichtigung der Gewebetemperatur Thermografie Nachdem die Ergebnissauswertung von Versuchsreihe 1 das Regelverhalten des ForceTriad Generators beschreibt gilt es in dieser Versuchsreihe den Einfluss der Gewebeflachenpressung
321. ung ausgestattet welche zum einen eine Einstellung eines konstanten Leistungspegels und zum anderen einen Modus zum Anschluss einer externen Steuerung vorsieht F r den Anschluss einer externen Steuerung ist ein analoger Spannungseingang OV 10V vorhanden Zur Bearbeitung der Aufgaben in dieser Arbeit soll der Laser ber eine externe Regelung Tabelle 7 Technische Daten des ausgew hlten Lasersystems Arbeitslaser Optische Ausgangsleistung 80W Wellenlange 1470nm Optischer Faserkern 400um Numerische Appertur 0 22 Faseranschluss FSMA Laserklasse 4 Pilotlaser Optische Ausgangsleistung Wellenlange Laserklasse Steuerung und Regelung Interne Steuerung Konst Leistung einstellbar Interface f r externe Steuerung 16 poliger Anschluss mit analogem Spannungseingang angesteuert werden Dadurch ist eine offene Gestaltung des Gewebefusionsprozesses in dem verschiedene Regelmodi programmierbar sind m glich Die genaue Umsetzung dieser Laserleistungsregelung sowie des gesamten Laboraufbaus wird im nachfolgend Kapitel beschrieben 94 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses 3 1 Material und Methoden Wie in der Beschreibung der Prozessuntersuchung von Gewebefusionen mittels hochfrequentem Strom Kapitel 2 wird auch bei der Herangehensweise an einen lasergest tzten Fusionsprozess zun chst mit der Konzipierung und Um
322. ungseffektivwert U u t dt u einzelner Spannungsrohwert GI 1 Stromeffektivwert ley yi t dt einzelner Stromrohwert Gl 2 Diese Messtechnik und Effektivwertberechnung generiert eine Strom und Spannungsabtastung des Fusionsprozesses von ca 32 25Hz welche zur Darstellung und Bewertung der Messwerte gen gt Die Leistung ist durch das Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung gegeben 61 S 107 Leistungseffektivwert P U GI 3 ff eff Leg Uber den Quotienten aus Spannungseffektivwert und Stromeffektivwert wird der jeweilige Impedanzwert zum entsprechenden Zeitpunkt berechnet 61 267 U Impedanz a GI 4 Der Fusionsprozess kann somit bez glich seiner elektrischen Eigenschaften und zeitlichen Verlaufs berwacht aufgenommen und dargestellt werden Mit Hilfe der Auswertungssoftware Matlab 7 9 R2009b ist das weitere Arbeiten und Verwerten der Daten in vielf ltiger Form m glich 53 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Versuchsreihe 1 Untersuchung der elektrischen Prozessgr en Diese erste Versuchsreihe zielt auf die grundlegende Untersuchung der Arbeitsweise des ForceTriad Generators ab Uber das Monitoring der elektrischen Gr en Strom und Spannung sowie der daraus resultierenden Gr en Leistung und Impedanz sollen R ckschl sse gezogen werden wie sich biologisches Gewebe grunds tzlich bei der Fusion verh lt F r diese
323. ur Applizierung des berechneten Gesaamtenergieeintrags so gering wie m glich gehalten werden soll kann mittels der variablen SOLL Impedanzsteigungsberechnung Rechnung getragen werden Impedanzplateaudetektion Um Prozesszust nde innerhalb der Regelungsphase zu verhindern bei denen die Impedanz nicht auf die Leistungspegel nderung reagiert m ssen diese detektiert und abgefangen werden Explizit hei t dies Prozesszust nde bei denen die Impedanz auf einem konstanten Niveau verbleibt obwohl der Leistungspegel an die oberen Begrenzung geregelt ist Impedanzplateau m ssen von der Regelung wahrgenommen werden und entsprechend zum Prozessende f hren Dadurch dass die Regelungsweise auf der SOLL Impedanzsteigung basiert ist das Risiko eines solchen Impedanzplateaus vor allem gegen Prozessende reduziert Trotzdem muss eine entsprechende berwachung des Prozesses integriert sein Bez glich der elektrischen Leitf higkeit des Gewebes deutet ein Impedanzplateau auf das Erreichen der maximalen Gewebeaustrocknung hin Im Gewebe ist alles Wasser durch Verdampfen entfernt worden und somit der maximale elektrische Gewebewiderstand erreicht Weiteres Bestrahlen des Gewebes mit dem Laserlicht f hrt lediglich zu Karbonisation und damit zu einer Verminderung der Fusionsfestigkeit In der nachfolgenden Abbildung 83 ist ein Beispiel eines solchen Impedanzplateaus dargestellt Darin ist gegen Prozessende die Stagnation der Impedanzsteigung bei maximalem
324. urgischen Alltag etabliert sind Bei diesen Fusionstechniken wird ein Energieeintrag in das Gewebe erzeugt was zu einer Erw rmung f hrt und die Gewebe aneinander haften l sst Der Fusionsmechanismus auf biologischer mikroskopischer Ebene ist jedoch bis dato noch nicht im Detail verstanden aber es existieren Untersuchungen die Vermutungen zulassen bzw Tendenzen erkennen lassen siehe Kapitel 1 4 Um die thermische Energie zu erzeugen sind unterschiedliche Quellen Ultraschall Laser IR Koagulator hochfrequenter Strom elektrischer Kauter vorhanden 31 5 520 Jede dieser Energieformen unterliegt einem unterschiedlichen 4 Kapitel 1 Einleitung physikalischen Prinzip des thermischen Energieeintrags in das Gewebe und zeigt unterschiedliche Eigenschaften mit entsprechenden Vor und Nachteilen Diese Arbeit beschr nkt sich auf die Energieform hochfrequenter Wechselstrom HF Strom und Laser koh rentes Licht wobei die Verwendung des HF Stroms im Vergleich zu allen anderen Energieformen den Stand der Technik beschreibt sowie den h ufigsten Einsatz in der Chirurgie findet Bez glich der Energiequelle Laser sind keine medizintechnischen Ger te f r die Gewebefusion etabliert Da jedoch die Gewebefusion mittels Laser den zentralen Punkt dieser Arbeit darstellt wird die chronologische Entwicklung dieser Energiequelle f r die Gewebefusion im Kapitel 1 1 3 erl utert In der gesamten HF Chirurgie stellt die Versiegelung von
325. usswiderstand an das Oszilloskop angeschlossen Strommesszange auf CH2 Differenzspannungstastkopf auf CH3 Das Speicheroszilloskop besitzt eine begrenzte Speichertiefe von 4MPoints Ch wenn alle vier verf gbaren Kan le belegt sind was eine blockweise Messung des Prozesses erfordert Der Prozess l uft maximal 12s lang und wird danach abgebrochen Diese maximale Prozesszeit muss die Speichertiefe des Oszilloskops wiedergeben Deswegen sind Messungen blockweise vorgesehen bei denen jeweils 1ms mit 5MHz ca 10 6 Messpunkte pro Periode bei einer HF Frequenz von 470kHz abgetastet werden und im Anschluss eine Pause von 30ms vorgenommen wird So erh lt man eine Quasiabtastung von Strom und Spannung von ca 32 25Hz Das Oszilloskop ben tigt jedoch 41 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom f r jeden neuen Messblock von 1ms einen neuen Triggerimpuls Dazu ist ber CH1 500 Abschlusswiderstand am Oszilloskop ein Funktionsgenerator angeschlossen welcher ein Rechtecksignal mit 1MHz generiert Dieses wird permanent an CH1 zur Verf gung gestellt Der Trigger innerhalb des Oszilloskops ist als eine logische UND Verkn pfung von CH1 und CH4 definiert wobei der Triggerimpuls zu dem Zeitpunkt ausgef hrt wird bei dem beide Kan le CH1 und CH4 das Level High aufweisen Auf CH4 ist daf r ein Delaygenerator angeschlossen mit dem durch manuelles Dr cken der Execute Taste ein TTL
326. vektion in die Umgebungsluft siehe schematische Darstellung in Abbildung 96 sowie die in der Verdampfungsphase vorhandene Reduzierung der Anzahl von H2O Molek len die dem Laserlicht als Absorber dienen verantwortlich Beides Energieaufwand und Energieverlust wird f r die anf ngliche Aufheizphase sowie f r die darauffolgende Verdampfungsphase errechnet F r das Prozessmodell sind verschiedene Annahmen und N herungen notwendig Dazu geh rt dass f r die Berechnung der Elektrodenerw rmung auch f r die untere Elektrode die Geometrie der oberen Elektrode angenommen wird 30mmx7mmx4mm Dies erm glich die Einsparung einer separaten Berechnung f r die untere Elektrodenerw rmung Zur besseren Verdeutlichung der Geometrien ist nachfolgend in Abbildung 97 das System der Elektroden mit dem Gewebe in Vorder und Seitenansicht gezeigt Daraus ist neben den Abmessungen der oberen Elektrode ebenfalls die Laserspotgeometrie 15mm x Amm eingezeichnet welche f r die Energieverlustrechnung wichtig ist 30 obere Glaselektrode Gewebe Gewebedicke h mm Spotl nge 15mm Gewebedicke h mm Spotbreite 4mm _ untere Glaselektrode Abbildung 97 Darstellung der Elektroden und Gewebegeometrien Im Prozessmodell wird die untere Elektrodengeometrie gleich der oberen Elektrode angenommen Das zu erw rmende Gewebevolumen errechnet sich aus der Spotgeometrie und der Gewebedicke h
327. von der Gewebedicken und der Startimpedanz innerhalb der genannten Bereichen Die Fl che des ITO Messbereichs ist konstant Der Mittelwert von 11 50m ist mit einem roten Kreuz markiert Die in Gleichung 14 beschriebene Impedanz Z der Messphase von Zmin is DIS Zmin 1 ss wird in der Prozessphase gemessen in der das Gewebe Siedetemperatur 100 C hat Folglich muss aufgrund der Temperaturabh ngigkeit des spezifischen Widerstandes der gemittelte spezifische Widerstand zum Prozessstart bei 25 C 11 5Om mit einem Temperaturkoeffizienten von 1 6 K 14 5 200 f r menschliches Weichgewebe skaliert werden Es ergibt sich also bei h heren Temperaturen ein geringerer spezifischer Widerstand Hei leiter Die Temperaturabh ngigkeit des spezifischen Widerstandes ist nachfolgend in Abbildung 78 dargestellt Daraus ist zu entnehmen dass der spezifische Widerstand bei 100 C 3 50m betr gt 156 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Temperaturabhangigkeit des spez elektrischen Widerstandes N oO p T 0 001 T2 0 21 T 16 2 spez elektrischer Widerstand p nm N 30 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatur T C Abbildung 78 Temperaturabh ngigkeit des gemittelten spezifischen Widerstandes 11 50m bei 25 C Der Temperaturkoeffizient betr gt 1 6 K 14 S 200 Mit dem spezifischen Widerstand P100 c 3 5Qm der mittleren Gewebedicke sowie mit der konstanten stromleitend
328. weine f r die Auswertung verwendet Dies ergibt eine breite Variation von verschiedenen Dickdarmgeweben und repr sentiert eine Methodik mit der in der Prozessstartphase die jeweiligen f r den Prozess wichtigen Gewebeeigenschaften eindeutig zugewiesen werden k nnen 119 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Entwicklung des abschlie enden Regelungsprozesses zur Erzeugung lasergest tzter Dickdarmfusionen Dieser Abschnitt beschreibt den Entwicklungsprozess in dem mehrere einzelne Versuchsreihen bzw Untersuchungen durchgef hrt werden Dabei ist die Gestaltung eines durch die Impedanz geregelten Fusionsprozesses mit maximaler reproduzierbarer Sch lfestigkeit das Ziel Hierbei kann im Vorfeld keine genaue Versuchsplanung durchgef hrt werden da durch den iterativen Charakter st ndig der Prozess ge ndert und auf Grund der wachsenden Erfahrung verbessert wird Insgesamt sind mehr als 800 Versuche f r die Entwicklung der Prozessregelung durchgef hrt worden wobei haupts chlich als Bewertungsparameter die Sch lfestigkeit verwendet wird Zum Abschluss dieser Prozessentwicklung wird der entstandene Fusionsprozess genau erkl rt und durch eine abschlie ende Testreihe von 32 Dickdarmgewebefusionen erzeugt aus Dickdarmgewebe von vier unterschiedlichen Schweinen mit n 8 bewertet Zus tzlich wird dieser abschlie ende Regelungsprozess thermografisch ausgewertet um ebenfalls eines Aussage bez glich des Gewe
329. welche immer noch Anlass geben die vorhandenen Techniken und Ger tschaften zu verbessern und weiter zu entwickeln Das Streben eine Gewebeverbindung mit maximaler Festigkeit Funktionserf llung sowie minimalem Zeitaufwand und anwenderfreundliche Handhabung zu erzeugen stellt hohe Anforderungen an die Ger te und Prozessentwicklung Zus tzlich muss der Aspekt der Kostenminimierung mit in jede neue Entwicklungsidee einflie en M glicherweise ist dies beim aktuellen Stand des Gesundheitswesens der limitierende Faktor f r Neuentwicklungen In dieser Arbeit wird der Fokus auf die Gewebefusion f r die spezielle Anwendung des Gef verschlusses H mostase und der Darmanastomose gelegt Deswegen beziehen sich die folgenden Kapitel der Einleitung auch auf diese Bereiche Zun chst wird auf den aktuellen Stand der Technik f r diese beiden Anwendungsf lle eingegangen Dabei wird zwischen den immer noch aktuellen konventionellen Methoden und den energiebasierenden Techniken unterschieden Danach wird die chronologische Entwicklung der lasergest tzten Gewebefusion im allgemeinen beschrieben welche als Grundlage zu dem in dieser Arbeit entwickelten laserbasierenden Gewebefusionsprozess dient Des Weiteren werden die physikalischen Grundlagen bzw Hintergr nde zu den energiebasierenden Fusionstechniken erl utert Diese beschr nkt sich auf die Erkl rung der W rmeentwicklung im Gewebe durch hochfrequenten Strom sowie durch Licht und den Einfluss de
330. welche es erlaubt ein Blutgef berzust lpen und mit einem Kabelbinder zu fixieren Zum anderen ist an einem weiteren Anschluss des Beh lters ein Drucksensor MPX5100A Motorola Inc angeschlossen Dieser misst den Luftdruck innerhalb des Beh lters Das Auslesen erfolgt mittels eines LabVIEW Programmes Der dritte Beh lteranschluss ist mit dem hausinternen Luftdrucksystem 1 verbunden Hier kann durch das Aufdrehen eines Drosselventils 2 Luft in den Beh lter geleitet werden wodurch der Druck innerhalb des Beh lters erh ht wird Mit einem Kugelhahn 3 kann das System entl ftet werden sodass der Druck schlagartig auf Umgebungsniveau f llt 46 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom LabVIEW Abbildung 15 Schematische Darstellung des Aufbaus zur Pr fung des Berstdrucks von Blutgef en 1 Luftdruckquelle 2 Drosselventil 3 Kugelhahn zur Entl ftung 4 Druckbeh lter 5 Steigrohr 6 Blutgef 7 Schlaucht lle 8 Schlauch 9 Stativ F r einen Berstdruckversuch muss zun chst der Schlauch bis zur Schlaucht lle komplett mit Wasser bef llt werden Systementl ftung Dazu wird das Drosselventil nur so weit ge ffnet bis das Wasser im Schlauch den H henunterschied berwunden hat und b ndig in der Schlaucht llen ffnung steht Im Beh lter herrscht nun ein Druck der die Summe aus dem Umgebungsdruck und der vorhandenen Wassers ule im Schlauch bildet Das System is
331. wendig bis zum Impedanzumschlag Zus tzlich zeigt sich die Standardabweichung aufgrund der Leistungs bzw Strombegrenzung es wird mehr Zeit f r den Energieeintrag ben tigt als dies bei den Versuchen ohne Begrenzung der Fall ist gr er als bei den anderen Rubriken siehe Abbildung 31 65 Kapitel 2 hochfrequentem Strom Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von Spannungsverlauf 100 r 90 N 80 U_HeatingEnde 70 Spannung U a o 10 0 U_Sensing f 0 1 2 3 Zeit s Abbildung 25 links Spannung V _ N w gt uo o o o So Co Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 15 der Spannung I Gr enklasse mittel Impact Instrument E Gr enklasse gro Impact Instrument E Gr enklasse mittel STD Instrument E Gr enklasse gro STD Instrument U_Sensing U_HeatingEnde dU dt U_Ende Charakteristische Spannungsmesspunkte gezeigt am Beispielversuch rechts Auswertung der charakteristischen Spannungsmesswerte der Versuchsreihe Stromverlauf gt a a _HeatingEnde Strom A N 9 wo a gt No 0 50 I_Sensing di dt I_Ende 0 1 2 3 4 Zeit s Abbildung 26 links Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 15 des Stroms 4 5 IM Gr enklasse mittel Impact Instrument 4 e Wi Gr enklasse gro Impact Instrument BE Gr enklasse mittel STD Instrument 3 5 WE Gr enklasse gro STD Instrument 3 z 2
332. wendung dimensioniert Die obere Klemme ist an einer Linearachse VT 80 PlmiCos GmbH 3 montiert welche durch vertikales Verfahren die Zugkraft erzeugt Mittels des Kraftsensors kann diese Zugkraft in Echtzeit gemessen und aufgezeichnet werden Die Auswertung der Messdaten wird anschlie end gesondert vorgenommen mit der Software Matlab 7 9 R2009b Dadurch dass die Sch lfestigkeit von der Breite der Versiegelungsfl che abh ngt wird diese immer auf eine einheitliche Breite von 7mm zugeschnitten So kann direkt ein spezifischer Wert mit der Einheit N mm ermittelt werden Dies garantiert eine Vergleichbarkeit der Proben untereinander und spart jeweils die Messung der Fusionsbreite vor der Pr fung 113 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergest tzten Gewebefusionsprozesses Abbildung 61 Darstellung des Versuchsaufbaus zur Sch lfestigkeitspr fung 1 Kraftsensor 2 Klemmen zur Gewebehalterung rechtes Bild mit eingespannter Gewebeprobe 3 Linearachse zur Erzeugung der Zugkraft 3 1 3 Versuchsproben colon vom Schwein und deren Pr paration Die Entwicklung des lasergest tzten Laserfusionsprozesses zielt neben der grundlegenden prozessspezifischen Entwicklung zus tzlich auf die generelle Untersuchung der Fusionierbarkeit von Dickdarmgewebe ab Da es sich um eine erste Untersuchung handelt und deswegen wahrscheinlich eine hohe Anzahl von Gewebeproben ben tigt wird wird die Verwendung von tierischem Probenmaterial explizit Dickd
333. wendung einer Druckkraft von 50N 264 79mmHg sowie 60N 254 32mmHg Was das Gewebe auf dessen Quetschwirkung im Prozess direkt betrifft stellt die 72 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Flachenpressung einen geweben heren Parameter dar als die Druckkraft allein Die Fl chenpressung berechnet sich aus dem Quotienten der applizierten Druckkraft Foruck und der Gewebeflache A A I b welche sich zwischen den Elektroden befindet siehe Abbildung 34 Obere Elektrode Zee ee an Untere Elektrode Gewebe Abbildung 34 Schematische Darstellung des Zusammenhangs der Gewebefl chenpressung Durch die Berechnung der Gewebeauflageflache aus dem jeweiligen Probendurchmesser ergibt sich die L nge l 1 2 d m wobei die Breite der Auflageflache durch die Elektrodenbreite definiert b 5mm bei den Laborelektroden ist Mit dem Auftragen der Berstdruckfestigkeit Uber der jeweiligen Flachenpressung sortieren sich die einzelnen Versuchsergebnisse wie in Abbildung 35 dargestellt Um eine m gliche lineare Abh ngigkeit der Berstdruckfestigkeit von der Gewebefl chepressung zu ermitteln sind die Korrelationskoeffizienten f r die drei Gr enklassen berechnet worden Hierbei kann der Koeffizient einen Wert von 1 lt Koeffizient lt 1 annehmen Bei einem Wert von 1 besteht ein vollst ndiger positiver negativer lineare Zusammenhang Nimmt der Koeffizient den Wert 0 an
334. werte sale rs des Stroms I_Sensing I_Heatingende di dt _Ende Charakteristische Prozesswerte Mittelwerte n 5 der nner MDickdarmgewebe Impact Instrument co Z Sensing Z_HeatingEnde dZ dt Z_Ende Zeiten Mittelwerte n 5 der charakteristischen nasse 1 5 0 5 6 MiDickdarmgewebe Impact Instrument me t_Sensing t_Heating t_Keeping t_gesamt Auswertung der elektrischen Gr en sowie Energieeintrag und Prozesszeiten der Versuchsreihe bez glich deren Mittelwerte zu den charakteristischen Prozesszeitpunkten 85 Kapitel 2 Untersuchung eines Gewebefusionsprozesses unter Verwendung von hochfrequentem Strom Thermografische Prozessbetrachtung Fur die thermografische Prozessbewertung von Dickdarmgewebefusionen wird die gleiche Vorgehensweise bez glich Versuchsdurchf hrung und auswertung wie bei der Arterienprozessbetrachtung verwendet Der Versuchsreihenumfang f r diese Thermografie ist mit sechs Versuchen definiert und es soll festgestellt werden ob der Temperaturverlauf bzw sich die Charakteristik der Temperatur bei Dickdarmfusionen im Vergleich zu Arterienfusionen ndert F r die Druckkraft der Laborelektroden auf das Gewebe wurde eine Kraft von 40N gew hlt Dies ergibt bei einer gepressten Gewebeflache von ca 80mm 8mm breite Gewebeproben verbreitern sich unter Druck auf ca 16mm Dies ergibt bei einer Elektrodenbreite von 5mm eine Fl che von 8
335. wie einer zirkul ren Darmanastomose End zu End anzuwenden Der in dieser Arbeit entwickelte lasergest tzte Fusionsprozess stellt eine funktionsf hige Grundlage f r alle folgenden Weiterentwicklungen dar und gibt besonders durch den Algorithmus der Gewebecharakterisierung Gewebewassermassenberechnung ein schlagkr ftiges Werkzeug zur Prozesstransferierung auf andere biologische Gewebe 224 Literatur Literatur 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Back M R Kopchok G E White R A Cavaye D M Donayre C E Peng S K Nd YAG laser welded canine arteriovenous anastomoses Lasers in Surgery and Medicine 14 111 117 1994 Bass L S Treat M R Laser tissue welding a comprehensive review of current and future clinical applications Lasers in Surgery and Medicine 17 315 349 1995 Bass L S Moazami N Pocsidio J Oz M C LoGerfo P Treat M R Changes in type collagen following laser welding Lasers in Surgery and Medicine 12 500 505 1992 Boulnois J L Photophysical processes in recent medical laser developments a review Lasers in Medical Science 1 47 66 1986 Bregy A Bogni S Bernau V J P Vajtai l Vollbach F Petri Fink A Constantinescu M Hofmann H Frenz M Reinert M Solder doped polycaprolactone scaffold enables reproducible laser tissue soldering Lasers in Surgery and Medicine 40 716 725 2008 B c
336. wodurch der untere Gewebeanteil lediglich durch Warmeleitung erhitzt werden k nnte In diesem Fall w re abzusehen dass die obere Schicht schnell gesch digt w rde w hrend die unteren Gewebeschichten wesentlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind Mit der Laserwellenl nge von 1470nm kann f r die Anwendung der Gewebefusion ein passendes Lasersystem ausgew hlt werden Weitere Anforderungen sind die Einkopplung der Strahlung in eine Lichtleitfaser zur besseren Handhabbarkeit eine Mindestleistung von 20W und die M glichkeit die Laserleistung regeln zu k nnen Die geforderte Mindestleistung orientiert sich an dem Energieeintrag beim HF Gewebefusionsprozess siehe Kapitel 2 2 2 Hier wurden Gesamtenergieeintr ge im Mittel von 126 bis 186 siehe Tabelle 15 im Anhang A1 f r Arterien und 171 f r Dickdarm siehe Tabelle 17 im Anhang A3 ermittelt Mit einer Mindestlaserleistung von 20W ist ein Energieeintrag bis zu 200 innerhalb von 10s m glich Eine Leistungsreserve w re jedoch aufgrund von m glichen Verlusten z B durch eine optischen Strahlformung Reflexionsverluste an den Linsengrenzfl chen w nschenswert Die vierte Anforderung bezieht sich auf die Regelbarkeit der Laserleistung F r eine anwendungsorientierte Prozessentwicklung der lasergest tzten Gewebefusion ist es wichtig die Intensit t der Bestrahlung beeinflussen zu k nnen Zum einen sollte ein gesteuerter Prozess in dem beispielsweise ein bestimmtes Leistungsnivea
337. xiales F gen zweier Hohlorgane miteinander erzeugt werden Klammernahtger te sind in der Chirurgie etabliert weisen aber prinzipiell die gleichen Eigenschaften wie eine konventionelle handgesetzte Naht auf einen nichtkontinuierlichen Nahtverschluss Insuffizienzgefahr sowie die Einbringung eines Fremdk rpers in den biologischen Organismus Infektions und Entz ndungsgefahr Trotzdem zeigt die klammernahterzeugte Anastomose eine bessere Durchblutung eine geringere Traumatisierung des Gewebes eine uniforme Naht und eine klare Zeitersparnis in der Handhabung gegen ber der Nahttechnik 40 Zus tzlich kann ebenso festgestellt werden dass die Festigkeit der Anastomose durch die Klammernaht unmittelbar zum Zeitpunkt der Erzeugung ohne Wundheilungseffekt h her ist 42 Die Nachteile der Klammernahtger te sind die h heren Kosten und die Einmalbenutzung des Ger ts nach der Benutzung muss das Ger t f r die n chste Naht mit Klammern nachgeladen werden Im klinischen direkten Vergleich konnten keine signifikanten Unterschiede bez glich der Sterberate Insuffizienz oder Wundinfektion beobachtet werden 34 1 1 2 Energiebasierende Techniken Um die beschriebenen Nachteile hoher Zeitaufwand Insuffizienzrisiko Entz ndungsrisiko durch Fremdk rper der konventionellen Fusionstechniken zu unterbinden f hrte die Entwicklung der Gewebeverbindung zu energiebasierenden Fusionstechniken welche heute f r spezielle Anwendungen im chir
338. zum Anfang des Prozesses herausfindet welches Potential das Gewebe bez glich des Impedanzverlaufs im folgenden Prozessverlauf bereitstellt Ziel muss es sein den Umschaltpunkt so zu definieren dass dieser in jedem Versuch zum Zeitpunkt des Impedanzknicks erreicht wird Zus tzlich muss die SOLL Impedanzsteigung dem Gewebe besser angepasst sein damit innerhalb der Regelungsphase diese SOLL Steigung mit einem mittleren Pegelbereich umgesetzt werden kann Vermeiden von hohen Pegeln sowie Pegeloszillationen Als Abschaltkriterium zeigt sich ein variabel gestalteter maximaler Gesamtenergieeintrag als besonders sinnvoll Die thermografische Prozessbetrachtung zeigt dass das Prozesstemperaturgef ge sich hnlich dem des HF Prozesses gestaltet Zum Zeitpunkt des Impedanzminimums bzw kurz darauf folgend ereignet sich ein drastischer Temperaturanstieg bis zum Verdampfen des Gewebewassers bis ca 100 C Dass sich die gemessene Temperatur lediglich im Bereich von 90 C beweget ist begr ndet durch den Versatz der Bildebene vom Zentrum des 148 Kapitel 3 Entwicklung eines lasergestiitzten Gewebefusionsprozesses Bestrahlungsspots Im Zentrum des Spots welcher nicht messtechnisch erfasst werden kann ist die Siedetemperatur definitiv erreicht Dieses Temperaturniveau wird konstant gehalten sodass dadurch das Gewebe austrocknet Die beobachteten Temperaturschwankungen sowohl zu tieferen als auch zu h heren Temperaturen sind durch di

Entwicklung und Evaluierung eines laserbasierten

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