DE102020209534A1 - Temperatursensor für ein chirurgisches Instrument und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor (10). Dieser weist ein Sensorelement (11) auf, das auf oder in einem keramischen Körper (21) angeordnet ist, wobei der keramische Körper (21) eine Aussparung oder einen Hohlraum (13) unter dem Sensorelement (11) aufweist. Ein chirurgisches Instrument weist mindestens einen solchen Temperatursensor (10) auf, welcher neben einer Koagulationselektrode angeordnet ist. Dabei ist die Koagulationselektrode auf demselben keramischen Körper (21) angeordnet, wie das Sensorelement (11) des Temperatursensors (10). Der Temperatursensor (10) kann hergestellt werden, indem ein keramischer Körper (21) hergestellt wird, welcher in einem Teilbereich aus einem Füllmedium besteht, und die Aussparung oder der Hohlraums (13) durch Ausbrennen des Füllmediums erzeugt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Temperatursensors und ein chirurgisches Instrument, das den Temperatursensor aufweist.
  • Stand der Technik
  • Bei der minimal invasiven Chirurgie sind Blutungen nicht akzeptabel, da das Operationsgebiet beispielsweise nicht mit einem Tupfer zugänglich ist. Daher kommt ganz besonders in diesem Bereich die Elektrochirurgie zum Einsatz, bei der das Gewebe verödet oder vor dem Schnitt zunächst koaguliert wird. Dabei wird das Gewebe thermisch durch einen hochfrequenten Stromfluss erhitzt und es kommt zu einem Gerinnen der Eiweiße, sowie einem Wasseraustrieb aus dem betroffenen Gewebeabschnitt. Dadurch ist ein verlässlicher Verschluss der Blutgefäße vor dem operativen Schnitt möglich.
  • Eine Koagulation erfolgt in einem Temperaturbereich 60°C bis 80°C und einer Thermofusionierung in einem Temperaturbereich von 90°C bis 100°C. Liegt die erreichte Temperatur darunter, so besteht die Gefahr des ungewollten Blutens. Bei noch höheren Temperaturen nimmt das koagulierte oder thermofusionierte Gewebe so weit Schaden, dass sich feste Narben bilden oder das Gewebe verbrennt, was sich negativ auf den Heilungserfolg auswirkt. Eine schnelle Temperaturmessung direkt am koagulierten Gewebe ist allerdings nicht möglich, sondern die erreichte Temperatur wird nur indirekt über eine Impedanzmessung des Hochfrequenzgenerators abgeschätzt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Temperatursensor weist ein Sensorelement auf, das auf oder in einem keramischen Körper angeordnet ist. Dabei weist der keramische Körper eine Aussparung oder einen Hohlraum unter dem Sensorelement auf. Unter einer Aussparung wird dabei ein Bereich im keramischen Körper verstanden, der zu der vom Sensorelement abgewandten Seite des keramischen Körpers vollständig offen ist. Unter einem Hohlraum wird eine Ausnehmung aus dem keramischen Körper verstanden, die zu allen Seiten hin zumindest teilweise geschlossen ist. Die Aussparung oder der Hohlraum ermöglicht eine besonders schnelle und stabile Temperaturmessung mittels des Temperatursensors.
  • Eine für den Temperatursensor bevorzugte Ausführung des Sensorelements besteht in einer mäanderförmigen Leiterbahn. Diese kann insbesondere mittels Siebdruck oder auch mittels eines Jetverfahrens flächig oder bereits strukturiert auf den keramischen Körper aufgebracht werden. Hieran kann sich dann ein Lasertrimm-Prozess zur Einstellung des gewünschten Widerstandes anschließen. Der Widerstand des Sensorelements liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 Ohm und besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 Ohm. Bevorzugte Materialien des Sensorelements sind Platin, Platinlegierungen, Platin-Cermet, Silber, Silberlegierungen, Gold oder Goldlegierungen.
  • Wenn das Sensorelement nicht in sondern auf dem keramischen Körper angeordnet ist, so ist es bevorzugt, dass es in einer Abdeckschicht eingebettet ist, um ein Kurzschließen des Sensorelements durch Gewebeflüssigkeit zu verhindern. Diese Abdeckschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, aus YSZ (yttriastabilized zirconia: mit Yttriumoxid (Y2O3) teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2)), aus Silizium oder aus einem elektrisch isolierenden Polymer, wie beispielsweise einem Parylen, bestehen.
  • Der keramische Körper besteht vorzugsweise aus einem Material, das ebenfalls elektrisch isolierend ist. Bevorzugte Materialien sind Aluminiumoxid (Al2O3) oder YSZ. Dabei ist YSZ besonders bevorzugt, da es gegenüber dem Aluminiumoxid den zusätzlichen Vorteil einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch ist die laterale Wärmeableitung sehr gering und beeinflusst somit eventuelle weitere Temperatursensoren, deren Sensorelemente sich einen keramischen Körper teilen, nicht.
  • Ein Abstand zwischen dem Sensorelement und der Aussparung oder dem Hohlraum liegt bevorzugt im Bereich von 30 µm bis 500 µm, und besonders bevorzugt im Bereich von 40 µm bis 200 µm. Der zwischen dem Sensorelement und der Aussparung oder dem Hohlraum verbleibende Teil des keramischen Körpers, bildet damit eine sehr dünne Membran, die eine geringe thermische Masse und damit auch eine geringe thermische Speicherkapazität aufweist. Die steigert die Schnelligkeit, beziehungsweise die Reaktionszeit des Temperatursensors auf eine Temperaturänderung.
  • Die Höhe der Aussparung oder des Hohlraums liegt bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 2000 µm, und besonders bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 500 µm. Damit fungiert sie als schneller Messwiderstand für das Sensorelement.
  • Eine laterale Breite der Aussparung des oder Hohlraums ist bevorzugt, um einen Wert größer als eine laterale Breite des Sensorelements, der im Bereich von 0 mm bis 2 mm liegt. Besonders bevorzugt liegt der Wert im Bereich von 0,10 mm bis 1,25 mm. Dies bewirkt eine thermisch projizierte Fläche der Aussparung oder des Hohlraums unter dem Sensorelement, die gegenüber dem Sensorelement selbst so weit vergrößert ist, dass hier eine gute thermische Entkopplung des Sensorelements gegenüber dem keramischen Körper bewirkt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Temperatursensors besteht der keramische Körper aus mehreren keramischen Folien. Das Sensorelement ist dabei auf oder in der oberen Folie angeordnet. Dieser Ausbau des Temperatursensors ermöglicht seine einfache Herstellung in der keramischen Mehrlagentechnik.
  • Wenn der Temperatursensor eine Aussparung aufweist, ist es bevorzugt, dass die Aussparung sich durch alle unter der oberen Folie liegenden Folien erstreckt. Die Form und Größe der Aussparung kann dann über Öffnungen in allen Folien, mit Ausnahme der oberen Folie, definiert werden.
  • Wenn der Temperatursensor einen Hohlraum aufweist, dann ist es bevorzugt, dass der Hohlraum in einer oder mehreren mittleren Folien gebildet ist und von der oberen Folie und einer oder mehrerer unteren Folien begrenzt wird. Unter mittleren Folien werden dabei Folien verstanden, die zwischen der oberen Folie und der einen oder mehreren unteren Folien angeordnet sind. Die Form und Größe des Hohlraums können dann über Öffnungen in der einen oder mehreren mittleren Folien definiert werden. Es ist hierbei weiterhin bevorzugt, dass sich eine Öffnung durch die eine oder mehrere unteren Folien in den Hohlraum hineinerstreckt. Diese kann bei der Herstellung des Temperatursensors als Ausbrennöffnung oder Ausspülöffnung fungieren.
  • In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen des Temperatursensors wird die Dicke der Membran zwischen dem Sensorelement und der Aussparung oder dem Hohlraum durch die Dicke der oberen Folie definiert.
  • Das chirurgische Instrument weist mindestens einen derartigen Temperatursensor auf, welcher neben einer Koagulationselektrode angeordnet ist. Unter einer Koagulationselektrode wird dabei eine Elektrode verstanden, die eingerichtet ist, um eine Koagulation und/oder Thermofusion von Gewebe vorzunehmen. Insbesondere kann das Instrument zangenförmig als Koagulationszange ausgeführt sein. Die Koagulationselektrode ist auf demselben keramischen Körper angeordnet, wie das Sensorelement des Temperatursensors. Diese Nähe zwischen Koagulationselektrode und Temperatursensor ermöglicht eine schnelle und genaue Temperaturmessung bei der Koagulation oder Thermofusion. Weist das Instrument sogar mehrere derartige Temperatursensoren auf, so ist eine sequentielle und ortsaufgelöste schnelle Temperaturmessung möglich und es können auch kleine Gewebebereiche schnell und exakt gemessen und operativ behandelt werden. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des keramischen Körpers in Verbindung mit der Aussparung oder dem Hohlraum bewirken dabei eine thermische Entkopplung des Temperatursensors von der Koagulationselektrode, sodass der Temperatursensor eine geringe Reaktionszeit aufweist.
  • Grundsätzlich ist es möglich, den Temperatursensor durch Fräsen oder Stanzen einer Aussparung aus dem keramischen Körper herzustellen. Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren, das eine präzise und kostengünstige Strukturierung einer Aussparung oder eines Hohlraums im keramischen Körper ermöglicht, sieht jedoch vor, dass ein keramischer Körper hergestellt wird, welcher in einem Teilbereich aus einem Füllmedium besteht. Eine Erzeugung der Aussparung oder des Hohlraums erfolgt dann durch Ausbrennen des Füllmediums. Dabei können der keramische Körper und das Füllmedium schichtweise mittels 3D-Druck, beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren oder ein Jetverfahren, hergestellt werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Verwendung der keramischen Mehrlagentechnik, indem der keramische Körper aus mehreren keramischen Folien hergestellt wird. Mindestens eine der Folien weist dabei eine Öffnung auf, die zumindest teilweise mit dem Füllmedium gefüllt wird. Die Öffnung kann beispielsweise in die Folie gestanzt werden und dann beim aufeinander Anordnen der Folien mit dem Füllmedium gefüllt werden. Die keramischen Folien können beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1200°C bis 1700°C zu dem keramischen Körper zusammengesintert werden. Alternativ können sie auch in der LTCC-Technologie (Low Temperature Cofire Ceramic) bei einer Temperatur im Bereich von 800°C bis 1100°C miteinander verbunden werden.
  • Soll anstelle der Aussparung ein Hohlraum erzeugt werden, so ist es bevorzugt, dass beim Herstellen des keramischen Körpers eine Öffnung erzeugt wird, welche das Füllmedium mit der vom Sensorelement abgewandten Seite des keramischen Körpers verbindet. Diese kann dann als Ausbrennöffnung und Ausspülöffnung fungieren.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch einen Teil eines chirurgischen Instruments gemäß einem Ausführungsbespiel der Erfindung.
    • 2 zeigt eine isometrische Schnittdarstellung eines Trägerelements mit Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbespiel der Erfindung.
    • 3 zeigt eine isometrische Schnittdarstellung eines Trägerelements mit Temperatursensor gemäß einem anderen Ausführungsbespiel der Erfindung.
    • 4 zeigt eine isometrische Schnittdarstellung eines Trägerelements mit Temperatursensor gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Trägerelements mit Temperatursensor gemäß noch einem anderen Ausführungsbespiel der Erfindung.
  • Ausführungsbespiel der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch drei Temperatursensoren 10, die an einem Teil eines chirurgischen Instruments 20 angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um eine Backe, beziehungsweise ein Maulteil eines chirurgischen Koagulationsinstruments für die Chirurgie. Auf einem keramischen Körper 21, der beispielsweise aus YSZ besteht und zugleich einen Bestandteil des chirurgischen Instruments 20 und der Temperatursensoren 10 darstellt, ist eine Koagulationselektrode 22 so angeordnet, dass die Temperatursensoren 10 neben der Elektrode auf der Gewebeseite des Instruments 20 angeordnet sind.
  • In einem Ausführungsbeispiel des Temperatursensors 10, das in 2 dargestellt ist, ist ein Sensorelement 11 in Form eines Temperaturmäanders (Pt100 Ohm oder Pt200 Ohm) auf den keramischen Körper 21 aufgedruckt. Das Sensorelement 11 ist von einer nichtdargestellten Abdeckschicht umgeben, die beispielweise aus dem Parylen Poly-p-xylylen besteht. Die Breite b11 des Sensorelements 11 beträgt beispielsweise 2,0mm. In einem Abstand a21 von beispielweise 100 µm vom Sensorelement 11 ist eine Aussparung 12 im keramischen Körper 21 gebildet, die zu der vom Sensorelement abgewandten Seite des keramischen Körpers 21 hin offen ist. Diese weist beispielsweise eine Breite b12 von 2,5 mm und einer Höhe h12 von beispielsweise 400 µm auf.
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Temperatursensors 10. Dieses unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass im keramischen Körper 21 anstelle der Aussparung 12 eine Hohlraum 13 gebildet ist, der zu der vom Sensorelement 11 abgewandten Seite des keramischen Körpers 21 weitgehend abgeschlossen ist. Lediglich eine Öffnung 14 ermöglicht einen Zugang von der dem Sensorelement 11 abgewandten Seite des keramischen Körpers 21 zum Hohlraum 13. Die Höhe h13 des Hohlraums 13 beträgt beispielsweise 200 Mikrometer und seine Breite b13 entspricht beispielsweise der Breite b12 der Aussparung 12 im ersten Ausführungsbeispiel.
  • In einem dritten Ausführungsbespiel des Temperatursensors, das in 4 dargestellt ist, weist der keramische Körper 21 wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Aussparung 12 auf. Alle Abmessungen in diesem Temperatursensor 10 entsprechen jenen im ersten Ausführungsbeispiel. Der keramische Körper ist aus drei keramischen Folien 211, 212, 213 gebildet. Die Aussparung 12 erstreckt sich durch die mittlere Folie 212 und die untere Folie 213. Die obere Folie 211 hat eine Dicke von 100 µm und bestimmt damit den Abstand a21. Die mittlere Folie 212 und die untere Folie 213 haben jeweils eine Dicke von 200 µm und definieren damit die Höhe h12 der Aussparung 12. Dieser Temperatursensor 10 kann hergestellt werden, indem Öffnungen mit den Dimensionen der geplanten Aussparung 12 aus der mittleren Folie 212 und der unteren Folie 213 ausgestanzt werden und die drei Folien 211, 212, 213 dann aufeinander angeordnet werden. Die Öffnungen werden mit einem porösen Füllmedium gefüllt und die Folien 211, 212, 213 dann miteinander versintert. Anschließend wird das Füllmedium ausgebrannt. Das Sensorelement 11 kann schließlich auf die obere Folie 211 gedruckt werden und mit der Abdeckschicht abgedeckt werden.
  • In einem vierten Ausführungsbespiel der Erfindung weist der Temperatursensor 10 den Aufbau und die Abmessungen des zweiten Ausführungsbeispiels auf, wobei der keramische Körper 21 allerdings auch hier aus drei keramischen Folien 211, 212, 213 aufgebaut wird. Dies ist unter Weglassung des Sensorelements 11 in 5 dargestellt. Die Dicken der Folien 211, 212, 213 entsprechen den Dicken im dritten Ausführungsbeispiel, sodass sich die Höhe h13 des Hohlraums 13, die durch die Dicke der mittleren Folie 212 definiert wird, wie im zweiten Ausführungsbeispiel ergibt. Ähnlich wie im dritten Ausführungsbeispiel des Temperatursensors kann der Temperatursensor 10 des vierten Ausführungsbeispiels hergestellt werden, indem aus der mittleren Folie 212 eine Öffnung ausgestanzt wird, welche die Dimensionen des geplanten Hohlraums 13 aufweist. Aus der unteren Folie 213 wird lediglich eine Öffnung ausgestanzt, die den Dimensionen der als Ausbrennöffnung fungierenden Öffnung 14 des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht und in 5 nicht dargestellt ist. Die mittlere Folie 212 wird zunächst auf der oberen Folie 211 angeordnet, mit dem Füllmedium gefüllt und dann mit der unteren Folie 213 bedeckt. Nachdem die Folien 211, 212, 213 miteinander versintert wurden, kann das Füllmedium mittels des Zugangs über die Ausbrennöffnung ausgebrannt werden, um so den Hohlraum 13 zu erzeugen. Das Sensorelement 11 und seine Abdeckschicht werden schließlich in derselben Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel hergestellt.

Claims (12)

  1. Temperatursensor (10), aufweisend ein Sensorelement (11), das auf oder in einem keramischen Körper (21) angeordnet ist, wobei der keramische Körper (21) eine Aussparung (12) oder einen Hohlraum (13) unter dem Sensorelement (11) aufweist.
  2. Temperatursensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) eine mäanderförmige Leiterbahn aufweist.
  3. Temperatursensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a21) zwischen dem Sensorelement (11) und der Aussparung (12) oder dem Hohlraum (13) im Bereich von 30 µm bis 500 µm liegt.
  4. Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (h12, h13) der Aussparung (12) oder des Hohlraums (13) im Bereich von 20 µm bis 2.000 µm liegt.
  5. Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (b12, b13) der Aussparung (12) oder des Hohlraums (13) um einen Wert im Bereich von 0,10 mm bis 1,25 mm größer ist, als eine Breite (b11) des Sensorelements (11).
  6. Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Körper (21) aus mehreren keramischen Folien (211, 212, 213) besteht, wobei das Sensorelement (11) auf oder in der oberen Folie (211) angeordnet ist.
  7. Temperatursensor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (12) sich durch alle unter der oberen Folie (211) liegenden Folien (212, 213) erstreckt.
  8. Temperatursensor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (13) in einer oder mehreren mittleren Folien (212) gebildet ist und von der oberen Folie (211) und einer oder mehreren unteren Folien (213) begrenzt wird.
  9. Temperatursensor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Öffnung (14) durch die eine oder mehrere unteren Folien (213) in den Hohlraum (13) hinein erstreckt.
  10. Chirurgisches Instrument (20), aufweisend mindestens einen Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welcher neben einer Koagulationselektrode (22) angeordnet ist, wobei die Koagulationselektrode (22) auf demselben keramischen Körper (21) angeordnet ist, wie das Sensorelement (11) des Temperatursensors (10).
  11. Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin ein keramischer Körper (21) hergestellt wird, welcher in einem Teilbereich aus einem Füllmedium besteht und eine Erzeugung der Aussparung (12) oder des Hohlraums (13) durch Ausbrennen des Füllmediums erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Körper (21) aus mehreren keramischen Folien (211, 212, 213) hergestellt wird, wobei mindestens eine der Folien (212) eine Öffnung aufweist und die Öffnung zumindest teilweise mit dem Füllmedium gefüllt wird.
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