Brevet FR2268505A1 — publié le 19751121

La présente invention concerne les instruments chirurgicaux et plus précisément un instrument chirurgical destiné à sectionner des tissus biologiques, et notamment un instrument agissant à l'ai- de d'ultra-sons. On connait des tentatives visant à réaliser des appareils pour sectionner des tissus biologiques par voie ultra-sonore pouvant tre appliqués dans la pratique chirurgicale, comportant comme élément essentiel un couteau branché sur une source d'oscillations ultra-sonores, et effectuant des vibrations mécaniques longitudinales de fréquence ultra-sonore et mis en contact direct avec le tissu sectionner. Les auteurs de la présente demande ont fait un état général des appareils de ce genre au cours de la IIIe Conférence pour l'application opératoire des ultra-sons dans la traumatologie, l'ortho- pédie et dans la chirurgie du thorax (Moscou, juin 1972, synthèses des rapports). La présente invention a pour but de développer et de perfectionner le sectionnement des tissus biologiques à l'aide des ultrasons et de mettre au point un instrument propre à servir à ces fins. L'invention a pour but de réaliser la géométrie de la partie tranchante de l'instrument. de manière à assurer un sectionnement sûr, efficace et permettant d'éviter des traumatismes inutiles des tissus. Ce problème est résolu par le fait que l'instrument chirurgical destiné au sectionnement à l'aide d'ultra-sons des tissus biologiques, comportant un couteau animé de vibrations longitudinales de fréquence ultra-sonore et mis en contact direct avec le a sectionner, est caractérisé en ce que la partie de travail du couteau qui est une lame métallique, est de forme progressivement arrondie à l'extrémité et est pourvue décents tranchantes dans la zone à mettre en contact avec le tissu biologique. Une telle géométrie de la partie tranchante de l'instrument assure des propriétés tranchantes optimales, une utilisation commode et une large application de l'instrument. La partie de travail de l'instrument se termine par une partie arrondie de façon progressive permettant une incision douce des tissus dès la première phase du sectionnement. Suivant une variante de l'invention, la partie coupante du couteau a en section transversale une forme presque trapézoïdale, de sorte que la partie du couteau à mettre en contact direct avec un tissu osseux ait une épaisseur plus grande que celle destinée à couper des tissus cartilagineux, les flancs du couteau n'étant pas parallèles entre eux et n'entrant pas en contact avec les surfaces des tissus sectionnés pendant l'opération. La forme trapézoïdale du couteau en section transversale permet d'éviter des traumatismes thermiques des surfaces latérales des tissus biologiques sectionnés. Suivant une autre variante de l'invention, sur le tranchant du couteau destiné à sectionner les tissus osseux, les dents tranchantes ont une forme triangulaire et des faces d'attaque planes disposées suivant un angle positif par rapport à la verticale passant par le sommet de la dent. Ceci assure une efficacité élevée de section pour un effort minimum nécessaire. La forme triangulaire des dents destinées au sectionnement des tissus osseux leur permet une parfaite pénétration dans l'os à la première phase de la coupe, tandis que la face d'attaque plane de la dent sert à enlever l'élément du tissu osseux par éclatement après le dépassement de ses propriétés de déformation élastique et plastique, lorsque la dent se déplace d'une valeur égale à l'am- plitude de 20 vibrations ultra-sonores pendant la seconde phase du sectionnement des tissus. Suivant une autre variante de réalisation de l'invention, la partie tranchante du couteau destinée à sectionner les tissus cartilagineux a une épaisseur relativement moins grande, et est munie de dents en forme d'onde. Ces dents sont orientées de sorte que la tangente au point de contact supposé de a dent avec le tissu biologique est parallèle à l'axe longitudinal des vibrations ultrasonores. L'utilisation des dents en forme d'onde améliore l'effica- cité du sectionnement chirurgical des cartilages et réduit la pression normale sur l'instrument. La disposition des dents en forme dbnde permet d'obtenir une valeur maximum du vecteur de la force de coupe dans le sens du mouvement principal pour une valeur optimale donnée de la pression normale sur l'instrument. Dans une autre variante de l'invention, la face tranchante relativement large du couteau comporte des dents triangulaires, et son autre face tranchante, relativement étroite, comporte des dents en forme d'onde. Un tel couteau permet de réaliser un instrument ultra-sonore universel pour sectionner les tissus biologiques les plus variés d'après leur espèce et leur densité, avec un mme instrument. La combinaison de deux types de denture sur la mme partie de travail de l'instrument tranchant ultra-sonore est déterminée par la nature de la partie du squelette soumise à la section. Pendant la section, par exemple, du sternum qui comprend des tissus cartilagineux aussi bien que des tissus osseux, l'appli- cation de l'instrument ultra-sonore combiné permet de diminuer le temps de sectionnement de l'os et de faciliter le travail du chirurgien. Selon encore une variante de l'invention, l'épaisseur de la face tranchante relativement large est comprise dans une plage de 0,6 à 2 mm, le pas et la hauteur des dents étant d'environ 0,8 à I mm, l'angle d'attaque de la dent est environ de 0 + 10 par rapport à la perpendiculaire au sommet de la dent, et l'angle de la dent elle-mme est de 35 à 40 . Le pas et la hauteur des dents sont déterminés par le rapport optimal entre la force de coupe et la pression normale ainsi que par la douceur nécessaire du régime de fonctionnement de l'instrument. En accord avec ce qui précède, l'emploi d'angles d'attaque négatifs (angle d'attaque de la dent contre le tissu biologique) par rapport au sens de la propagation des vibrations ultra-sonores donne le rendement maximum du processus. Cependant, l'utilisation de dents ayant des angles de valeur importante conduit à une diminution de la solidité de la dent et accélère l'usure de l'arte tranchante. L'instrument chirurgical est également caractérisé en ce que la face tranchante relativement étroite est affûtée iusqu'à former un angle vif, le pas des dents étant de 4,5 à 5 mm et le rayon de la courbure de chaque dent en forme d'onde étant environ de 1, 5 à 2 mm. La géométrie précitée représente l'une des variantes à dimensions concrètes optimales d'exécution de l'instrument ultra-sonore à couteau à dents en forme d'onde. L'augmentation du pas de plus de 5 mm et la diminution du rayon de moins de 1, 5 mm rend la pénétration des dents dans l'os plus profonde et l'effort de coupe plus grand et approche le processus du schéma de sectionnement ultra-sonore des cartilages effectué avec la scie. Cela entraine une baisse de l'amplitude des oscil lations, une réduction du rendement de l'opération et une augmen- tation de la température dans la zone de coupe. La diminution du pas de moins de 4,5 mm et l'augmentation du rayon de plus de 2mm réduit 1'effet de concentration de la pression dans la zone de contact dent-tissu biologique ce qui conduit à une augmentation de la pression sur l'instrument et à une baisse de l'amplitude des vibrations. L'instrument chirurgical est en outre caractérisé en ce que le conteau est fabriqué en alliage de titane, la longueur de sa partie tranchante étant de 23 à 25 mm, la largeur étant de 4 à 5 mm, et le rayon de courbure de la partie tranchante étant d'environ 12 à t6 mm. Les alliages de titane conviennent le mieux comme matériau pour l'exécution de l'instrument tranchant médical ultra-sonore. Ils présentent de bonnes propriétés acoustiques, permettent d'effectuer des opérations avec des amplitudes notables de vibrations, résistent bien à la corrosion et ont une masse spécifique faible. La longueur de la partie tranchante a été choisie en partant de la condition de l'absence des oscillations transversales dans l'instrument et de sa fiabilité. L'invention est expliquée ci-après par la description et les dessins annexés dans lesquels : La Fig. I montre une tte à ultra-sons avec un instrument chirurgical interchangeable, suivant l'invention ; La Fig. 2 montre un instrument chirurgical destiné au sectionnement des tissus biologiques avec le schéma du à vibrations ultra-sonores ; La Fig. 3 est un schéma synoptique du générateur de l'ins- trument destiné au sectionnement ultra-sonore des tissus biologi ques ; La Fig. 4 montre la partie de travail de l'instrument ultrasonore, suivant l'invention ; La Fig. 5 est une vue en coupe transversale de la partie de travail de l'instrument représenté sur la Fig. 4 ; La Fig. 6 est un schéma expliquant le fonctionnement de l'instrument pendant le sectionnement des tissus osseux à l'aide d'ultra-sons ; La Fig. 7 montre la courbe de déformation dans le cas du sectionnement de tissus osseux. L'invention concerne en particulier la réalisation de la partie de travail d'un instrument tranchant ultra-sonore. L'instru- ment est destine au sectionnement ultra-sonore des tissus denses biologiques (osseux et cartilagineux). L'instrument tranchant ultrasonore (Fig. 1) comprend une tige de titane 1 dont la section transversale est soumise à la loi exponentielle de variation et dont 1' extrémité amincie comporte une partie active qui est un instrument tranchant 2. L'instrument fait partie d'un dispositif vibrant. L' instrument est fixé à une tte 3 à laide d'un assemblage à filetage 4 et est interchangeable. L'instrument tranchant ultra-sonore fait partie de l'ensem- ble d'une installation médicale pour sectionner, souder et rapporter par soudage des tissus biologiques vivants. L'installation comporte un générateur 5 de courant alternatif à fréquence ultra-sonore (Fig. 2) d'une puissance de 250 4T environ, trois ttes (pour souder, rapporter par soudage et sectionner) et un jeu d'instruments pour le traitement des tissus biologiques à l'aide d'ultra-sons. L'installation comprend également une boite hermétique (non représentée au dessin) pour la stérilisation des ttes et des instruments. Le dispositif à vibrations (Fig. 2) de l'installation comprend un générateur 5 d'oscillations électriques à fréquence ultrasonore, un convertisseur 6 à magnétostriction, un concentrateur demi-onde ayant des parties cylindrique et conique et un concentrateur demi-onde, interchangeable, constituant un instrument 8. Le dispositif fonctionne en régime de résonance. Le convertisseur 6 à ma gnétostriction est relié rigidement à un concentrateur 7 à parties conique et cylindrique et fait partie de la tte. Le convertisseur 6 est réalisé à partir des plaques de nickel, collées entre elles et porte un enroulement d'excitation 9. Le générateur 5 de courant alternatif à fréquence ultrasonore, dont le schéma synoptique est représente à la Fig. 3, comprend un oscillateur pilote 10, un préamplificateur de puissance I1, un amplificateur final de puissance 12, un bloc d'alimentation 13, un bloc de magnétisation 14 et un bloc de commutation 15. A la sortie du générateur 5 est branchée une tte acoustique 16 avec un instrument-concentrateur. Le générateur 5 de courant à fréquence ultra-sonore (Fig. 2) est alimenté à partir du secteur de courant alternatif de 220 V et de 50 Hz de fréquence. La puissance consom mée ne dépasse pas 0,45 KVA, la puissance nominale du générateur est de 250 W, la fréquence de travail est de 26,5 kHz. L'installation fonctionne de la manière suivante. La tte 3 (Fig. 1), à laquelle est fixée l'instrument 2 fonctionnant par ultra-sons, par exemple, un instrument tranchant, est branchée à la sortie du générateur 5 de fréquence ultra-sonore à l'aide d'un connecteur à fiches. Le générateur 5 est commuté à l'aide d'un interrupteur à bascule (non représenté). A la mise en position"secteur"de l'interrupteur à bascule, le générateur 5 (Fig. 2) commence à fournir un courant alternatif de fréquence ultra-sonore. Ce courant est appliqué à 1'enroulement 9 du convertisseur 6 à magnétostriction qui convertit les oscillations électriques en oscillations mécaniques de fréquence ultra-sonore. Les oscillations obtenues sont amplifiées par le concentrateur 7 à parties conique et cylindrique, ainsi que par le concentrateur-instrument interchangeable 8 et sont communiquées à la partie active 2 effectuant le sectionnement des tissus biologiques. Le chirurgien en tenant la tte avec l'instrument et en déplaçant la partie active sur la surface des tissus effectue le sectionnement. L'amplitude des oscillations de la partie de travail 2 atteint 60 microns. Le sectionnement par ultra-sons présente plusieurs avantages par rapport au sectionnement exécuté par les moyens classiques. Les avantages essentiels du sectionnement par ultra-sons des tissus biologiques sont les suivants : une faible traumatisation des tissus, des efforts diminués appliqués pendant l'opération, l'effet hémostatique (effet consistant à arrter l'hémorragie). Moins grands sont les efforts appliqués par le chirurgien à l'instrument tranchant ultra-sonore, plus grand est le rendement de l'opération de sectionnement. La partie active 2 de l'instrument tranchant ultra-sonore avec laquelle le chirurgien effectue directement le sectionnement des tissus biologiques est une lame 17 (Fig. 4). La section transversale de cette lame a une forme trapézoïdale (triangulaire), (Fig. 5) ; la face large de la lame 17 est pourvue de dents 18 de forme triangulaire servant au sectionnement des tissus osseux, et la face étroite opposée porte des dents en forme d'onde servant au sectionnement des tissus cartilagineux. Pendant le travail la partie active de l'instrument s'échauffe. L'action des hautes températures peut avoirpour résultat la nécrose (la mort) des cellules vv : rt ! s aes tissus. La tourne trapézofdale (triangulaire de la section transversale de l'instrument tranchant ultra-sonore assure le minimum de traumas thermiques des surfaces latérales des tissus sectionnes, du fait de la diminution de la surface de contact de l'instrument avec le tissu biologique. La partie active de l'instrument se termine par un arrondi progressif ce qui assure une incision douce des tissus au début du sectionnement. La forme triangulaire des dents destinées au sectionnement des tissus osseux permet une pénétration sure de celles-ci dans 1' os au début du sectionnement, et la face d'attaque plane de la dent sert à enlever l'élément de tissus osseux par éclatement après l'épuisement de ses propriétés de déformation élastique et plastique lors du déplacement de la dent f (Fig. 6) à une valeur d'amplitude 20 de fréquence ultra-sonore à la seconde étape du processus du sectionnement. La Fig. 7 présente une caractéristique de déformation 21 lors du sectionnement des tissus osseux, où : G est la charge mécanique appliquée, E est la valeur de déformation des tissus osseux. Les dents triangulaires 18 de la denture pour le sectionnement des tissus osseux sont orientées de sorte que l'angle entre la face d'attaque de la dent et la normale passant par le sommet de la dent est positif. L'utilisation de tels angles permet d'augmenter le rendement du processus du sectionnement et conduit à une baisse de la température dans la zone de section. En cas de sectionnement des tissus cartilagineux à l'aide de l'instrument ultra-sonore le processus optimum du sectionnement serait celui du sectionnement de tissus cartilagineux avec un instrument du type bistouri. Pour cette raison la face tranchante servant au sectionnement des tissus cartilagineux est affûtée jusqu'à obtenir une arete tranchante à angle vif. Etant donné que d'après leur densité les cartilages se situent entre le tissu osseux et le tissu mou, le sectionnement des tissus cartilagineux à l'aide de l'instrument du type bistouri conduit à une augmentation excessive de la pression normale sur l'ins- trument exercée par le chirurgien. L'application des dents en forme d'onde permet d'améliorer le rendement du processus de sectionnement ultra-sonore des cartila ges et de réduire la valeur de la pression normale sur l'instrument par augmentation de la pression spécifique dans la zone de contact dent-tissu biologique du fait de la réduction de la surface de contact. Il v a lieu de noter que les dents en forme d'onde 19 sont disposées de sorte que la tangente à la dent à son point de contact supposé avec le tissu est parallèle à l'axe de propagation des vibrations ultra-sonores. Cette disposition des dents en forme d' onde permet l'obtention de la valeur maximale de vecteur de la force de coupe dans le sens du mouvement principal pour la valeur optimale donnée de la pression normale sur l'instrument. La combinaison de deux types de denture 19 et 18 sur la mme partie active 17 de l'instrument tranchant ultra-sonore, est déterminée par la partie de squelette soumise au sectionnement. Par exemple, pendant le sectionnement du sternum constitué de tissus cartilagineux aussi bien que de tissus osseux, l'utilisation d'un instrument tranchant ultra-sonore combiné permet de réduire la durée du sectionnement des os et facilite, d'autre part, le travail du chirurgien. L'emploi d'une largeur de la face tranchante de 0,6 à 2 mm (Fig. 5) est avantageux pour assurer la longévité de l'instrument et diminuer le degré de traumatisme de l'os. La hauteur indiquée des dents est choisie en partant de la condition consistant à garder la valeur suffisante nette de la section (1 mm) et à exclure le bourrage de la denture de sciures osseuses. Le pas de la denture est choisi compte tenu du rapport entre 1'effort de coupe Pz et la pression normale Py ainsi que de la douceur nécessaire du régime de fonctionnement de l'instrument. Comme on l'a déjà indiqué le travail avec des angles d'atta- que négatifs par rapport ausens de propagation des vibrations ultrasonores assure le plus haut rendement du processus. Cependant l'utilisation de dents ayant des angles de valeurs plus élevées conduit à une diminution de la solidité des dents et à une accélération de l'usure de l'arte tranchante. Du fait que la structure du tissu cartilagineux se distingue par sa nature fibreuse, le processus optimum de sectionnement ultrasonore pour le cartilage est celui de traversée des fibres cartilagineuses au lieu de l'enlèvement par éclatement. Pour y parvenir la face tranchante est affûtée jusqu'à obtenir une arte tranchante à angle vif. Comme on l'a mentionné plus haut, les dents en forme d'on- des permettent de réduire l'effort Py et d'augmenter le rendement du processus de sectionnement. Le rayon de la courbure et le pas des dents ont été choisis expérimentalement Avec une augmentation du pas de plus de 5mm, et une diminution du rayon de moins de 1, 5 mm la dent entre profondément dans le tissu, par voie de conséquence, augmente 1'effort de coupe PZ, le processus approche du schéma de la section ultra-sonore du cartilage par une scie ce qui conduit à une baisse de l'amplitude des vibrations du rendement du processus et à une augmentation de la température dans la zone de section. Avec une diminution du pas de moins de 4,5 mm et une augmentation du rayon des saillies formant les dents de plus de 2mm, 1' effet de concentration de la pression dans la zone de contact denttissu biologique diminue, ce qui conduit à une augmentation de la pression sur l'instrument et à une baisse de l'amplitude des oscillations. Les alliages de titane représentent le meilleur matériau pour un instrument tranchant ultra-sonore. Ces alliages possèdent des bonnes propriétés acoustiques, permettent le fonctionnement de l'instrument à des amplitudes des oscillations notables, résistent bien à la corrosion, et ont une masse spécifique réduite. La longueur de lapartie tranchante est choisie de façon à éviter des oscillations transversales de l'instrument et à assurer sa longévité. Dans certains cas d'opérations oncologiques les oscillations transversales de l'instrument sont parfois utiles car dans le cas de leur présence dans la zone de la section il se dégage une quantité élevée de chaleur. -REVENDICATIONS 1. Instrument chirurgical destiné au sectionnement à l'aide d'ultra-sons des tissus biologiques, comportant un couteau fixé sur une source d'oscillations ultra-sonores, effectuant au cours de l'opération des vibrations mécaniques longitudinales de fré- quence ultra-sonore et mis en contact direct avec le tissu à sectionner, caractérisé en ce que la partie active du couteau constituée par une lame métallique, se termine par une partie arrondie progressivement et comportant dans la zone de contact avec le tissu biologique des dents tranchantes. 2. Instrument chirurgical selon la revendication 1, carac térisé en ce que la section transversale de la partie tranchante du couteau est à peu près trapézoïdale de sorte que la partie du couteau entrant en contact directement avec le tissu osseux, a une épaisseur plus grande que la partie destinée à sectionner les tissus cartilagineux, les flancs du couteau n'étant pas parallèles entre eux et n'entrant pas en contact avec la surface des tissus à l'intérieur de la plaie opératoire. 3. Instrument chirurgical selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que sur la face tranchante du couteau destinée au sectionnement des tissus osseux lesdites dents sont réalisées de forme triangulaire et ont des faces d'attaque planes et disposées sous des angles positifs par rapport à la normale passant par le sommet de la dent. 4. Instrument chirurgical, selon l'une Quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sur la face tranchante du couteau destinée au sectionnement des tissus cartilagineux et ayant une épaisseur relativement moins forte, il est prévu des dents en forme d'onde, orientées de sorte que la tangente au point supposé de contact de la dent avec le tissu biologique est parallèle à 1. 1 axe longitudinal des oscillations ultra-sonores. 5. Instrument chirurgical selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur une face relativement large du couteau il est prévu des dents triangulaires et sur une autre face, relativement étroite, sont formées des dents en forme d'onde. 6. Instrument chirurgical selon l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la face tranchante relativement large est de 0,6 à 2 mm, le pas et la hauteur des dents étant environ de 0,8 à I mm, l'angle d'attaque de la dent est : d'environ de 0 + 10Ce par rapport à la normale passant par le sommet et de la dent, et 1'angle de la {'enL elle-meme est de 35 à 4G . 7. Instrument chirurgical selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la face tranchante relativement étroite est affûtée jusqu'à former un angle vif, le pas des dents est de 4,5 à 5 mm, et le rayon de la courbure de chaque dent en forme d'onde est d'environ de 1, 5 à 2 mm. 8. Instrument chirurgical selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couteau est réalisé en alliage de titane, la longueur de sa partie tranchante étant de 23 à 25 mm, sa largeur étant de 4 à 5 mm et le rayon de courbure de cette partie tranchante étant d'environ 12 à 16 mm.