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Dokumentenidentifikation DE19540656C2 27.11.1997
Titel Künstliches Gewebe, künstliches Organ, Organteil oder Organsystem sowie deren Verwendung zum chirurgischen Operationstraining
Anmelder Erbe Elektromedizin GmbH, 72072 Tübingen, DE
Erfinder Grund, Karl Ernst, Prof. Dr.med., 72070 Tübingen, DE;
Köhn, Petra C., 72076 Tübingen, DE;
Farin, Günter, 72070 Tübingen, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 31.10.1995
DE-Aktenzeichen 19540656
Offenlegungstag 07.05.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse G09B 23/28

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein künstliches Gewebe sowie künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme zum chirurgischen Operationstraining.

Künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme für Unterrichtszwecke im Fach Anatomie sind bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. Es existieren jedoch keine künstlichen Organe, Organteile oder Organsysteme, an welchen spezielle diagnostische und/oder interventionelle, wie z. B. NF-chirurgische Verfahren oder dergleichen trainiert werden können.

Ein Training an künstlichen Organen, Organteilen oder Organsystemen ist aber insbesondere in der starren wie in der flexiblen Endoskopie außerordentlich wichtig, um eine sichere Handhabung der endoskopischen Instrumente zu er lernen.

Bekanntermaßen enthalten operative Verfahren der Endoskopie, wie beispielsweise die endoskopische Polypektomie und die transurethrale Resektion der Prostata, relativ viele variable und interdependente Parameter, so daß es sich zur sicheren Anwendung und zur Vermeidung von Komplikationen bei entsprechenden operativen Verfahren als dringend notwendig erweist, ein umfassendes Training durchzuführen.

Ein wichtiger Parameter bei allen operativen Verfahren, bei denen die Hochfrequenzchirurgie genutzt wird, ist die Hochfrequenzleistung, deren Intensität sowohl beim Koagulieren als auch beim Schneiden entscheidend ist. Das Einstellen der jeweiligen Leistung und das Führen des Operationsinstrumentes erfordern Erfahrung und Geschick, das nur durch entsprechendes Training zu erlernen ist.

Unter Koagulieren wird die Anwendung hochfrequenten elektrischen Wechselstromes zur lokalen endogenen Erwärmung biologischen Gewebes verstanden, wobei die Erwärmung bis zu einer Temperatur erfolgt, bei welcher intra- und extrazelluläre kolloidale Gewebebestandteile aus dem Sol in einen Gelzustand übergehen. Zusätzliche Erwärmung des koagulierten Gewebes führt zum Austrocknen, d. h. zur Desikkation, wodurch das Gewebevolumen schrumpft. Eine weitere Erwärmung des ausgetrockneten Gewebes führt zur Karbonisation, d. h. zur Verbrennung. Die drei vorgenannten thermisch verursachten Nekrosestadien unterscheiden sich lediglich durch die hierfür erforderliche Wärmemenge.

Bereits hieraus wird deutlich, daß große Erfahrungswerte vorliegen müssen, um die gewünschte Technik erfolgreich anwenden zu können. Beispielsweise reicht in einigen Fällen für eine effiziente Hämostase, d. h. Blutstillung die Koagulation, in anderen die Desikkation aus. Für das Schneiden mittels HF-chirurgischer Verfahren ist es notwendig, Energie dergestalt zuzuführen, daß gezielt und schnell ein endogenes Erwärmen des biologischen Gewebes bis zu einer Temperatur erfolgt, bei welcher intra- und extrazelluläres Wasser so schnell verdampft, daß hierüber die Zellmembranen durch den plötzlichen Dampfdruck zerrissen werden.

Zusätzliche Schwierigkeiten entstehen dann, wenn in der Gastroenterologie unter Zuhilfenahme endoskopischer Instrumentarien Argon-Plasma-Koagulationen durchgeführt werden sollen.

Aus der DE 43 45 020 A1 ist ein Trainingsmodul aus Kunststoff sowie ein elektrochirurgisch schneidbarer Kunststoff vorbekannt. Bei dem dort offenbarten Kunststoff handelt es sich um additionsvernetzte oder kondensationsvernetzte Polysiloxane, beispielsweise Silikon. Dem Silikonmaterial wird ein elektrisch leitfähiger Stoff, beispielsweise Metall in Form von Metallspänen oder ein Salz beigemengt. Durch diese Beimengungen kann der Kunststoff für die elektrochirurgische Präparation bei medizinischen Trainingsgeräten eingesetzt werden. Probleme hinsichtlich eines effektiven, wirklichkeitsnahen Trainings ergeben sich jedoch dann, wenn thermische Effekte nachgebildet werden sollen, welche einer Verbrennung organischer Gewebebestandteile gleichkommen.

Die medizinische Trainingspuppe gemäß US-PS 5,314,339 bildet einen menschlichen Körper weitgehend nach und soll zur Ausbildung von medizinischem Personal Verwendung finden. Die Trainingspuppe weist hierfür entsprechende Extremitäten und Körperöffnungen auf. Zusätzlich ist beispielsweise eine Öffnung zum Einführen einer Tracheotomiekanüle vorhanden. Für die Ausbildung bzw. das Training zur Handhabung chirurgischer Operationstechniken ist die in der US-PS 5,314,339 gezeigte Puppe jedoch nicht geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein künstliches Gewebe sowie künstliche Organe anzugeben, das bzw. die in effektiver Weise ein realitätsnahes-Training und eine Ausbildung zur Handhabung chirurgischer Operationstechniken ermöglichen, wobei die Gewebeeigenschaften weitgehend den natürlichen Gegebenheiten angepaßt sein sollen, und das über einen längeren Zeitraum seine gewünschten Eigenschaften beibehält.

Die Lösung dieser Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 11 und 12, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein künstliches Gewebe anzugeben, welches zum einen eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist, so daß die physikalischen Effekte, die das Schneiden bei der HF-Chirurgie ermöglichen, eintreten, weiterhin Wasser im Gewebe eingebunden ist, welches verdampfen kann, und darüber hinaus Mittel vorgesehen sind, welche festen organischen Gewebebestandteilen gleichkommen, so daß eine Verbrennung selbiger analog dem natürlichen Gewebe möglich ist.

Darüber hinaus ist das künstliche Gewebe formbar, so daß natürliche Organe, Organteile oder Organsysteme nachgebildet werden können.

So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für das künstliche Gewebe formbeständige Hydrogele zu verwenden. Zusätzlich wird der Mischung zur Bildung des Gewebes ein Elektrolyt sowie brennbare Fasern, beispielsweise Baumwolle oder dergleichen, beigegeben.

Dadurch, daß gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung unterschiedliche Mischungsverhältnisse der oben genannten Bestandteile realisiert werden können und innerhalb einer Gewebestruktur verschiedene künstliche Gewebe aus unterschiedlichen Mischungsverhältnissen miteinander verbunden sein können, sind natürliche Gewebe mit unterschiedlichen Strukturen oder Strukturverteilungen nachbildbar.

In einer Ausführungsform werden dem künstlichen Gewebe Farbstoffe zugesetzt, so daß ein dem natürlichen Gewebe entsprechendes Aussehen einstellbar ist. Vorteilhafterweise werden Farbstoffe verwendet, welche bei einer oder mehreren verschiedenen definierten Temperaturen, beispielsweise bei der Temperatur, bei welcher natürliche, menschliche Gewebe thermisch koagulieren, einen oder mehrere Farbumschläge zeigen. Vorteilhafterweise werden Thermocolore eingesetzt, die im Temperaturbereich von ca. 50 und 100°C einen Farbumschlag zeigen. Hierdurch ist es möglich, die Temperaturentwicklung im künstlichen Gewebe während und nach einem Schneide- und/oder Koagulationsvorgang zu beobachten und zu kontrollieren.

In dem Falle, wo künstliche Gewebe verwendet werden, welche einen oder mehrere temperaturabhängige Farbumschläge zeigen, sind diese einerseits zum Trainieren von Schneideffekten, andererseits aber auch zum Trainieren von thermischen Koagulationstechniken, wie beispielsweise monopolarer oder bipolarer Kontaktkoagulation, Argon-Plasma-Koagulation und Laser-Koagulation, einsetzbar.

Erfindungsgemäß wird gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung der Mischung zur Bildung künstlicher Gewebe ein hygroskopisches Mittel, beispielsweise Glyzerin, beigegeben, so daß ein frühzeitiges, unerwünschtes Austrocknen verhindert wird. Zusätzlich verbessert die Glyzerin-Beimischung die Verbrennung der im Gewebe enthaltenen Fasern. Ebenso ist eine Beimischung von aus der Lebensmittelchemie bekannten Konservierungsmitteln zur Vermeidung von Schimmelbildung vorteilhaft.

Erfindungsgemäß sind aus den künstlichen Geweben Organe, Organteile oder Organsysteme formbar, die nicht nur der Darstellung der Anatomie sowie pathologische Veränderungen dienen, sondern die auch zum Training chirurgischer Interventionen verwendet werden können.

Hierdurch wird der Chirurg in die Lage versetzt, zum einen die jeweiligen pathologischen Veränderungen, z. B. Polypen, Tumore, Ulzera usw. zu erkennen, und zum anderen darüber hinaus durch eine entsprechende Operationsmethode, z. B. Schneiden, Koagulieren, Vaporisieren, Argon-Plasma-Koagulieren, Laser-Applizieren, derartige krankhafte Veränderungen im Training chirurgisch zu behandeln oder zu entfernen.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung geht davon aus, daß in den künstlichen Geweben Gefäßstrukturen und Körperhöhlen eingeformt werden können, die mit Röntgenkontrastmitteln, Konkrementen, Flüssigkeiten oder Gasen füllbar sind, um diagnostische Verfahren, wie beispielsweise bildgebende Verfahren sowie kombinierte Verfahren, wie beispielsweise die Papillotomie oder die Steinextraktion, zu trainieren. Derartige künstliche Körperhöhlen werden auch zum Training endoskopischer HF-chirurgischer Verfahren verwendet.

Alles in allem gelingt es mit der Erfindung ein künstliches Gewebe bereitzustellen, welches insbesondere beim Schneiden oder Koagulieren mittels HF-Strom sowie Laser-Applikation Effekte zeigt, die denjenigen in natürlichen menschlichen Geweben weitestgehend entsprechen.

So wird infolge der elektrischen Leitfähigkeit die Möglichkeit gegeben, daß HF-Strom fließen kann, wodurch endogene Wärme entsteht. Hierdurch wiederum wird die Dampfbildung und folglich Desikkation erreicht. Da die eingesetzten Hydrogele bei höheren Temperaturen vom Gel- in den Solzustand übergehen, d. h. schmelzen und andererseits die beigemischten brennbaren Fasern erst dann durchtrennt werden können, wenn die HF-Spannung ausreichend hoch ist, so daß sich ein elektrischer Lichtbogen zwischen Schneidelektrode und Gewebe ausbildet, werden Effekte erzielt, die sich am Verhalten fester organischer Gewebebestandteile orientieren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Ein künstliches Gewebe, aus welchem natürliche Organe, Organteile oder Organsysteme geformt wurden, besteht aus einem wasserhaltigen Material, insbesondere einem Hydrogel, welchem ein Elektrolyt, beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumchlorid oder dergleichen, beigemischt wurde. Zusätzlich enthält die Mischung, aus welcher das künstliche Gewebe hergestellt wird, brennbare Fasern, beispielsweise Baumwolle, Leinen oder Kämmling, welcher bei der Schafwollproduktion anfällt.

Als formbeständiges Hydrogel wird beispielsweise eine Mischung aus 4% Agar-Agar und 96% Wasser (93,5% Wasser und 2,5% Glyzerin) oder 20,8% Gelatine und 75,2% Wasser verwendet.

Analog sind auch andere Gele, d. h. an Flüssigkeiten und Gasen reiche disperse Systeme aus mindestens zwei Komponenten verwendbar, die einen festen, kolloid verteilten Stoff und Wasser als Dispersionsmittel aufweisen. Vorteilhaft ist die Verwendung des erwähnten Agar-Agars, eines gelbildenden Heteropolysacchariden, dessen Herstellung kommerziell betrieben wird. Agar-Agar bildet noch in 1%-iger Lösung ein festes Gel, das zwischen 80 und 100°C schmilzt, und deshalb vorteilhaft angewendet werden kann. Die verwendeten Hydrogele vereinen auf der einen Seite hydrophile, auf der anderen Seite aber wasserunlösliche Eigenschaften und gewährleisten die gewünschte Formerhaltung. Der der Mischung beigefügte Elektrolyt dient dem Erhalt der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit und die vorhandenen Fasern bilden dem Natürlichen entsprechend einen mechanischen Widerstand beim Schneiden des Gewebes, welcher nur überwunden werden kann, wenn die Energie, z. B. die HF- Spannung so hoch ist, daß sich ein Lichtbogen zwischen Schneidelektrode und Gewebe ausbildet und die im Lichtbogen befindliche Faser verbrennen.

Die durch den Elektrolyt gegebene elektrische Leitfähigkeit ermöglicht das Fließen von HF-Strom im künstlichen Gewebe, wodurch endogene Wärme entsteht. Die Wärme führt zur Dampfbildung und Desikkation des künstlichen Gewebes. Wie erwähnt, werden brennbare Fasern dem künstlichen Gewebe beigefügt, um einen Schneideffekt zu erreichen, der der HF- Chirurgie im natürlichen menschlichen Gewebe entspricht, bei welchem feste organische Gewebebestandteile ein kraftloses Hindurchschmelzen der Schneidelektrode verhindern. Mit anderen Worten führt die Beimischung brennbarer Fasern, beispielsweise Baumwolle oder dergleichen in das Hydrogel zur Nachbildung der Eigenschaften natürlicher, menschlicher Gewebe, so daß das künstliche Gewebe entsprechend der genannten Zusammensetzung bezüglich des Schneideffektes mit HF-Strom ähnliche Eigenschaften zeigt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird dem künstlichen Gewebe mit der erwähnten Zusammensetzung ein Farbstoff beigegeben, so daß sich ein entsprechendes natürliches Aussehen einstellt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Farbstoffen, bei welchen Farbumschläge in vorgegebenen Temperaturbereichen auftreten. Vorteilhaft ist die Anwendung sogenannter Thermocolore, die ein geändertes Farbverhalten im Temperaturbereich von ca. 50 und 100°C zeigen. Bei Anwendung derartiger Farbstoffe kann die Temperaturentwicklung im künstlichen Gewebe während und nach einem Schneide- und- /oder Koagulationsvorgang beobachtet und kontrolliert werden, wodurch sich der Ausbildungs- und Lerneffekt verbessert.

In dem Falle, wo künstliche Gewebe eingesetzt werden, welche einen oder mehrere temperaturabhängige Farbumschläge zeigen, eignen sich diese nicht nur zum Trainieren von Schneideffekten, sondern auch zum Training von thermischen Koagulationstechniken, wie beispielsweise der monopolaren oder bipolaren Kontakt-Koagulation, Argon-Plasma-Koagulation oder der Laser-Koagulation.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine künstliche, unterschiedliche Gewebestruktur dadurch nachgebildet, indem einzelne Gewebebestandteile unterschiedliche Mischungsverhältnisse zwischen Hydrogel und Faseranteil sowie Elektrolyten aufweisen, so daß unterschiedliche physikalische Eigenschaften simulierbar sind. Zusätzlich können den unterschiedlich gemischten, künstlichen Geweben unterschiedliche Farben beigegeben werden, um die Gewebestrukturen auch visuell deutlich zu machen.

Es hat sich gezeigt, daß das Beimischen hygroskopischer Mittel, beispielsweise Glyzerin oder dergleichen, ein frühzeitiges Austrocknen des künstlichen Gewebes verhindert, so daß dessen Lager- und Einsatzfähigkeit über einen längeren Zeitraum gewährleistet ist. Zusätzlich verbessert die Glyzerinbeimischung während des Schneidvorganges die Verbrennung der Fasern. Als Konservierungsstoff kann beispielsweise 0,1% Sorbinsäure (trans-trans-Hexadien-2,4-Säure) oder 0,3% PHB-Ester-Gemisch (0,21% p-Hydroxybenzoesäuremethylester und 0,09% p-Hydroxybenzoesäurepropylester) zugegeben werden.

Durch die Formbarkeit der Mischung können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme mit anatomischen und/oder pathologischen Abnormalitäten bzw. Befunden nachgebildet werden, so daß entsprechende chirurgische Interventionen, insbesondere auch endoskopische Techniken trainiert werden können. Insbesondere zum Training endoskopischer Operationstechniken können die künstlichen Organe, Organteile oder Organsysteme eingeformte Körperhöhlen aufweisen, so daß einerseits diagnostische Verfahren und andererseits aber, wie bereits erläutert, chirurgische Operationstechniken erprobt und erlernt werden können. Es können aber auch pathologische Gewebestrukturen, wie beispielsweise Polypen und/oder Tumore, aus diesem erfindungsgemäßen künstlichen Gewebe geformt werden, welche in ebenfalls künstliche Organe, Organteile oder Organsysteme einfügbar sind.

Die künstlichen Gewebe, Organe, Organteile oder Organsysteme gemäß vorliegenden Ausführungsbeispielen gewährleisten die insbesondere für die HF-Chirurgie erforderlichen Effekte, nämlich zum einen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, die Verdampfung von enthaltenem Wasser bei HF-Behandlung sowie die Verbrennung fester, organischer Bestandteile dann, wenn sich beispielsweise ein elektrischer Lichtbogen zwischen Schneidelektrode und dem Gewebe ausbildet. Das erfindungsgemäße Gewebe kann außerdem auch zum Erlernen anderer thermischer Operationsverfahren, wie beispielsweise mit Laser, Kautern oder Mikrowelle angewendet werden, wobei jedoch die Beimischung von Elektrolyten zur Nachbildung der elektrischen Leitfähigkeit nicht erforderlich ist.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß das künstliche Gewebe knochenähnliche Stützstrukturen aufweisen kann, so daß sich die Möglichkeit zum Erlernen und Trainieren der Operationstechniken weiter verbessert.


Anspruch[de]
  1. 1. Künstliches Gewebe zum chirurgischen Operationstraining, gekennzeichnet durch eine formbare Mischung aus einem Hydrogel, einem Elektrolyten sowie brennbaren Fasern.
  2. 2. Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel Agar-Agar und Wasser enthält.
  3. 3. Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel Gelatine und Wasser enthält.
  4. 4. Gewebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrogel ein hydrophiles, wasserunlösliches Polymer ist.
  5. 5. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt Natriumchlorid, Kaliumchlorid oder Kalziumchlorid ist.
  6. 6. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die brennbaren Fasern aus Baumwolle, Leinen oder Kämmling bestehen.
  7. 7. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Beimischung von Farbstoffe zur farblichen Nachbildung natürlichen Gewebes.
  8. 8. Gewebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstoffe im Temperaturbereich zwischen 50 und 100°C einen oder mehrere Farbumschläge aufweisen.
  9. 9. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse und Zusammenfügen von mehreren Geweben unterschiedlicher Mischungsverhältnisse zur Bildung einer Gewebestruktur.
  10. 10. Gewebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Beimischung eines hygroskopischen Mittels, insbesondere Glyzerin zum Haltbarmachen.
  11. 11. Künstliches Organ, Organteil oder Organsystem mindestens bestehend aus einem Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. 12. Verwendung von künstlichem Gewebe oder künstlichen Organen, Organteilen oder Organsystemen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum chirurgischen Operationstraining, insbesondere für das Training HF-chirurgischer Effekte, thermischer Koagulationstechniken, der Argon-Plasma-Koagulation, von Laser-Applikationen, Schneiden, Vaporisieren, Kryo- Behandlungen sowie zur endoskopischen Polypektomie und Papillotomie






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