DE3902250C1 - Surgical instrument for laser surgery - Google Patents

Abstract

The aim is to improve a surgical instrument for laser surgery, having a coating which absorbs laser radiation and comprises substoichiometric titanium dioxide (TiO2-x), in two respects: firstly the absorption of laser radiation, and secondly the service life of the instrument even when the absorption of radiation is high. To achieve this aim it is proposed that the coating be composed completely of substoichiometric TiO2-x and that a metallic intermediate layer of good thermal conductivity be arranged between the TiO2-x coating and the instrument.

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument für die Laserchirurgie mit einem Laserstrahlung ab­ sorbierenden Überzug aus unterstöchiometrischem Ti­ tandioxid (TiO_2-x ) .The invention relates to a surgical instrument for laser surgery with a laser radiation from sorbing coating of substoichiometric Ti tandioxid (TiO _{2- x} ).

Chirurgische Instrumente, die in der Laserchirurgie eingesetzt werden sollen, müssen nicht nur mechanisch stabil und korrosionsbeständig sein, sondern sie sol­ len auch auf sie auftreffende Laserstrahlung nicht unkontrolliert gerichtet reflektieren, um eine Schä­ digung des umliegenden Gewebes zu vermeiden. Aus die­ sem Grund werden bislang die meisten Instrumente für die Laserchirurgie "schwarz gefärbt", beispielsweise durch Brünieren oder Schwarzverchromen der Oberflä­ che. Eine solche Oberflächenbehandlung führt zu einer Absorption von etwa 70% der Laserstrahlung, während die verbleibenden 30% weiterhin reflektiert werden, da die Oberflächen im interessierenden Infrarotbe­ reich nicht völlig schwarz sind.Surgical instruments used in laser surgery should not only be used mechanically be stable and corrosion-resistant, but they should be Do not use laser radiation that strikes them directed in an uncontrolled manner to reflect a shame to avoid damage to the surrounding tissue. From the For this reason, most instruments for laser surgery "colored black", for example by blackening or black chrome plating the surface che. Such a surface treatment leads to one Absorption of about 70% of laser radiation while the remaining 30% will continue to be reflected because the surfaces in the infrared region of interest rich are not completely black.

Eine weitere Möglichkeit, die auf Instrumente auf­ treffenden Laserstrahlen unschädlich zu machen, be­ steht darin, die Oberfläche der Instrumente aufzu­ rauhen und anschließend zu vergolden. Dadurch wird der Laserstrahl zwar zu 100% reflektiert, jedoch ist die Reflexion diffus, so daß die auftreffende Strahlung gleichmäßig verteilt und damit so wenig konzentriert auf die einzelnen Gewebepartien auf­ trifft, daß Schädigungen vermieden werden können. Die­ se Möglichkeit der diffusen Reflexion eignet sich je­ doch nicht für alle Lasertypen, so zum Beispiel nicht für Argonlaser, da bei den von diesen ausgesandten Wellenlängen von 0,5 Mikrometern die Reflexion nur noch bei ca. 40% liegt. Außerdem ist in unmittelba­ rer Nähe des Reflexionspunktes die Energie der re­ flektierten Strahlung noch groß genug um unbeab­ sichtigte Verletzungen hervorzurufen.Another option based on instruments to make the laser beams harmless, be is to open the surface of the instruments roughen and then gild. This will the laser beam reflects 100%, but is the reflection diffuse, so that the striking Radiation evenly distributed and therefore so little focuses on the individual tissue sections is that damage can be avoided. The The possibility of diffuse reflection is suitable but not for all laser types, for example not for argon lasers, since those emitted by them Wavelengths of 0.5 microns the reflection only is still around 40%. In addition, in immedia The energy of the re reflected radiation is still large enough to cause visible injuries.

Aus dem US Patent 47 26 368 ist bekannt, chirurgische Instrumente mit hochtemperaturbeständigen Beschichtungen zu versehen, die in der Luft- und Raumfahrt entwickelt worden sind, zum Beispiel Mischungen aus Al₂O₃ mit Cr₃O₂ oder Al₂O₃ mit TiO. Die Art der Aufbringungs­ technik mit einer Detonationskanone führt dazu, daß die Oxide nicht in ihrer stöchiometrischen Zusammen­ setzung in der Schicht vorliegen, sondern daß sie mit einem Sauerstoffunterschuß aufgebracht werden. Da­ durch werden die Beschichtungen im interessierenden Wellenlängenbereich absorbierend, d. h. "schwarz". Bei eingestrahlten Leistungen unterhalb 10 Watt ge­ lingt es mit derartigen Beschichtungen, die auftref­ fende Laserstrahlung in der Beschichtung zu absor­ bieren. Durch den Sauerstoffunterschuß werden Fehl­ stellen in der Festkörperbandstruktur erzeugt, die weitere absorbierende Übergänge ermöglichen.It is known from US Pat. No. 4,726,368 to provide surgical instruments with coatings which are resistant to high temperatures and have been developed in the aerospace industry, for example mixtures of Al ₂ O ₃ with Cr ₃ O ₂ or Al ₂ O ₃ with TiO. The type of application technology with a detonation cannon means that the oxides are not present in their stoichiometric composition in the layer, but that they are applied with an oxygen deficit. As a result, the coatings become absorbent in the wavelength range of interest, ie "black". With radiated power below 10 watts, it is possible with such coatings to absorb the laser radiation striking the coating. The oxygen deficit creates defects in the solid band structure, which enable further absorbent transitions.

Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dann, wenn die einfallenden Laserstrahlen Leistungen aufweisen, die über 10 Watt liegen. Bei den genannten Beschichtungen werden bei höheren Leistungen die Beschichtungsma­ terialien zur stöchiometrischen Zusammensetzung auf­ oxidiert, so daß die gewünschte Absorptionseigenschaft für die auffallende Laserstrahlung verlorengeht. Gleich­ zeitig treten durch große Temperaturgradienten hohe thermische Spannungen auf, so daß das Beschichtungs­ material aufreißt oder sogar abgesprengt wird. Damit wird der Reflexionsschutz bereichsweise zerstört.Difficulties arise when the incident laser beams have powers that are over 10 watts. For the coatings mentioned at higher outputs, the coating dimensions materials for stoichiometric composition oxidized so that the desired absorption property for the striking laser radiation is lost. Soon high temperature gradients lead to high temperatures thermal stresses so that the coating material tears open or is even blown off. In order to the reflection protection is destroyed in certain areas.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes chirurgisches Instrument derart auszubilden, daß auch hohe Laserstrahlungsleistungen möglichst vollständig und ohne Beschädigung des Instrumentes absorbiert werden.It is an object of the invention, a generic train surgical instrument in such a way that also high laser radiation powers as completely as possible and absorbed without damaging the instrument will.

Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Instrument der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überzug vollständig aus unterstöchio­ metrischem TiO_2-x besteht und daß zwischen dem Überzug aus TiO_2-x und dem Instrument eine metallische Zwi­ schenschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit an­ geordnet ist.This object is achieved according to the invention in a surgical instrument of the type described in the introduction in that the coating consists entirely of substoichiometric TiO _{2- x} and that between the coating of TiO _{2- x} and the instrument there is an intermediate metallic layer with good thermal conductivity .

Es zeigt sich, daß eine reine TiO_2-x -Beschichtung ähn­ lich den im US-Patent 47 26 368 genannten Legierungen eine schwarze Farbe aufweist, daß jedoch in dem für die chirurgischen Laser interessanten Wellenlängenbe­ reich eine deutlich stärkere Absorption der Strahlung gegeben ist. Dies führt insbesondere da­ zu, daß die Transmission durch den Überzug geringer ist als bei den vorbekannten Legierungen, so daß eine Aufheizung des darunterliegenden Substrats aufgrund der Transmission stark herabgesetzt wird.It can be seen that a pure TiO _{2- x} coating similar to the alloys mentioned in US Pat. No. 4,726,368 has a black color, but that, in the wavelength region of interest for surgical lasers, there is a significantly stronger absorption of the radiation. This leads, in particular, to the fact that the transmission through the coating is lower than with the previously known alloys, so that heating of the underlying substrate is greatly reduced due to the transmission.

Thermische Spannungen durch große Temperaturgradien­ ten können durch die gut wärmeleitende Beschichtung unterhalb des Überzuges rasch ausgeglichen werden, so daß trotz der guten Absorption der Strahlung in dem Überzug keine lokalen Temperaturspitzen auftreten. Die absorbierte Energie wird rasch und gleichmäßig über die Oberfläche des Instrumentes verteilt, wobei einer­ seits der Übergang zum Instrumentenmaterial selbst, andererseits aber auch die flächige Verteilung über die gesamte Oberfläche des Instrumentes verbessert werden. Insgesamt führt dies einerseits zu einer effek­ tiveren Strahlungsabsorption und andererseits zu einer geringeren Belastung des Überzugs, so daß Rißbildungen und Abplatzungen auch bei höheren Absorptionslei­ stungen zu verhindern sind.Thermal stresses due to large temperature gradients due to the good heat-conducting coating below the coating can be quickly compensated, so that despite the good absorption of radiation in the No local temperature peaks occur. The absorbed energy is quickly and evenly over spread the surface of the instrument, one on the one hand the transition to the instrument material itself, on the other hand also the area distribution over the entire surface of the instrument improved will. Overall, on the one hand, this leads to an effec more radiation absorption and on the other hand to a less stress on the coating, so that cracks form  and flaking even at higher absorption levels are to be prevented.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Zwischenschicht eine Schichtdecke zwischen 0,1 und 1 mm hat, vorzugs­ weise bei etwa 0,5 mm.It is advantageous if the intermediate layer has a layer ceiling between 0.1 and 1 mm, preferably about 0.5 mm.

Die Zwischenschicht kann beispielsweise bestehen aus Al, Au, Co, Mo, Ni, Ag, W oder aus einer Legierung dieser Metalle. Dabei ist besonders vorteilhaft eine Zwischenschicht aus Mo oder einer Legierung von Mo mit einem der vorstehend genannten Metalle. Besonders vorteilhaft sind dabei die hochschmelzenden Metalle und Legierungen, da durch einen hohen Schmelzpunkt auch bei einer lokalen Überbeanspruchung ein Auf­ schmelzen der Zwischenschicht mit Sicherheit ver­ hindert werden kann. Die genannten Substanzen erfül­ len auch die konventionellen Anforderungen an chi­ rurgische Instrumente, wie z. B. Korrosionsbeständig­ keit, Sterilisierbarkeit und mechanische Stabilität.The intermediate layer can consist of, for example Al, Au, Co, Mo, Ni, Ag, W or from an alloy of these metals. One is particularly advantageous Interlayer made of Mo or an alloy of Mo with one of the metals mentioned above. Especially The high-melting metals are advantageous and alloys because of a high melting point an increase even with local overuse melt the interlayer with certainty can be prevented. The substances mentioned fulfill len also the conventional requirements for chi rurgical instruments, such as B. Corrosion resistant speed, sterilizability and mechanical stability.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of a preferred Aus management form of the invention is used in connection with the drawing of the detailed explanation. Show it:

Fig. 1 als Beispiele für ein chirurgisches Instrument eine Pinzette, und Fig. 1 as examples of a surgical instrument, tweezers, and

Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen Schen­ kel der Pinzette längs Linie 2-2 in Fig. 1. Fig. 2 is a sectional view through an angle of the tweezers along line 2-2 in Fig. 1st

Das in Fig. 1 dargestellte chirurgische Instrument 1 ist eine Pinzette mit zwei Schenkeln 2, 3. Dieses Instrument ist aus einem herkömmlichen Instrumenten­ material hergestellt, beispielsweise aus Stahl oder einer Stahllegierung. Das gesamte Instrument ist mit einem äußeren Überzug 4 umgeben, der aus unter­ stöchiometrischem TiO₂ besteht, sogenanntem TiO_2-x . X liegt dabei in der Größenordnung von 0,01 bis 0,2. Zwischen diesem Überzug 4 aus unterstöchiometrischem TiO_2-x und dem Substrat 5 des Instrumentes selbst ist eine Zwischenschicht 6 angeordnet, die aus Al, Au, Cu, Mo, Ni, Ag, W oder einer Legierung aus Me­ tallen besteht, vorzugsweise aus einer Legierung aus Mo und einem der vorstehend genannten Metalle. Diese Zwischenschicht kann eine Dicke zwischen 0,1 und 1 mm haben, vorzugsweise von 0,5 mm.The illustrated in Fig. 1 surgical instrument 1 is a pair of tweezers having two legs 2, 3. This instrument is made of a conventional instrument material, such as steel or a steel alloy. The entire instrument is surrounded by an outer coating 4 , which consists of stoichiometric TiO ₂ , so-called TiO _{2- x} . X is on the order of 0.01 to 0.2. Between this coating 4 of substoichiometric TiO _{2 x} and the substrate 5 of the instrument itself, an intermediate layer 6 is arranged, which consists of Al, Au, Cu, Mo, Ni, Ag, W or an alloy of metals, preferably an alloy Mo and one of the metals mentioned above. This intermediate layer can have a thickness between 0.1 and 1 mm, preferably 0.5 mm.

Zur Herstellung eines solchen Instrumentes wird zu­ nächst die metallische Zwischenschicht in an sich be­ kannter Weise durch Flamm- oder Plasmaspritzen auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird die Beschichtung aus unterstöchiometrischem TiO_2-x als Überzug aufgebracht, beispielsweise durch Aufbringen einer Titan- oder einer Titanlegierungsschicht auf die Zwischenschicht, die anschließend durch anodische Oxidation und eine thermische Nachbehand­ lung in unterstöchiometrisches TiO_2-x umgewandelt wird. Denkbar ist anstelle der anodischen Oxidation auch eine thermische Oxidation. Die thermische Nach­ behandlung kann in diesen Fällen in einer reduzie­ renden Atmosphäre bei einer Temperatur von 500° bis 1000°C, vorzugsweise bei 900°C, durchgeführt wer­ den. Bei einem anderen Verfahren wird die unterstö­ chiometrische TiO_2-x -Beschichtung durch Plasma- Spritzen auf die Zwischenschicht hergestellt.To manufacture such an instrument, the metallic intermediate layer is first applied to the substrate in a manner known per se by flame or plasma spraying. Subsequently, the coating of substoichiometric TiO _{2- x} is applied as a coating, for example by applying a titanium or titanium alloy layer on the intermediate layer, which is then converted into substoichiometric TiO _{2- x} by anodic oxidation and thermal aftertreatment. Instead of anodic oxidation, thermal oxidation is also conceivable. In these cases, the thermal aftertreatment can be carried out in a reducing atmosphere at a temperature of 500 ° to 1000 ° C., preferably at 900 ° C. In another method, the substoichiometric TiO _{2- x} coating is produced by plasma spraying on the intermediate layer.

Die Dicke des Überzuges 4 liegt vorzugsweise im Be­ reich zwischen 0,1 und 1,0 mm, vorzugs­ weise bei 0,3 mm.The thickness of the coating 4 is preferably in the range between 0.1 and 1.0 mm, preferably as 0.3 mm.

Claims (3)

1. Chirurgisches Instrument für die Laserchirurgie mit einem Laserstrahlung absorbierenden, unterstö­ chiometrisches Titandioxid (TiO_2-x ) enthaltenden Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (4) vollständig aus unterstöchio­ metrischem TiO_2-x besteht und daß zwischen dem Überzug (4) und dem Instrument (5) eine metalli­ sche Zwischenschicht (6) mit guter Wärme­ leitfähigkeit angeordnet ist.1. Surgical instrument for laser surgery with a coating absorbing laser radiation and containing stoichiometric titanium dioxide (TiO _{2- x} ), characterized in that the coating ( 4 ) consists entirely of substoichiometric TiO _{2- x} and that between the coating ( 4 ) and the instrument ( 5 ) a metallic interlayer ( 6 ) with good thermal conductivity is arranged. 2. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6) eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 mm hat.2. Surgical instrument according to claim 1, characterized in that the intermediate layer ( 6 ) has a layer thickness between 0.1 and 1 mm. 3. Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen­ schicht (6) aus Al, Au, Cu, Mo, Ni, Ag, W oder aus einer Legierung dieser Metalle besteht.3. Surgical instrument according to one of claims 1 or 2, characterized in that the intermediate layer ( 6 ) consists of Al, Au, Cu, Mo, Ni, Ag, W or an alloy of these metals.