Graefe's Arch Clin Exp Ophthalmol (1982) 218:157-160 Graefe's Archive for C;linical and Expedmenlal

Ophthalmology © Springer-Verlag 1982

Der Einflug der Bedingungen bei der Trepanation von isolierten Schweinehornh~iuten auf die Schnittgeschwindigkeit und Schnittzeit

H.-J. Huebscher* und P.K. Lommatzsch Augenklinik des Sfftdtischen Klinikums, Karower Str. 11, D-1115 Berlin-Buch

The Conditions of Motor Trephining and Their Influence on Time and Velocity in Cutting the Isolated Cornea

Abstract. A special experiment was constructed to measure the influence of factors such as trephine diameter, revolutions per second, sharpness, and cutting pressure on the incision velocity and incision time for a number of trephine specimens. These measurements show the characteristics of trephines. Different de- grees of sharpness were determined by comparison of the charac- teristics. The dependency of rotation moment transferred to tissue, of revolutions per second, and of incision power is discussed. The results are discussed, and proposals are made to increase safety by application of motor trephines and to develop them further.

Zusammenfassung. Ein spezieller Versuchsaufbau wird beschrie- ben, mit dem der Einflul3 der Bedingungen Trepandurchmesser, Drehzaht, SchS, rfe und Schnittkraft auf die Schnittgeschwindig- keit beziehungsweise Schnittzeit ffir einzelne Trepanexemplare gemessen wurde. Die grafischen Darstellungen der Mef3ergeb- nisse zeigen Trepancharakteristiken. Beim Vergleich der Charak- teristiken sind Schiitfeunterschiede festzustellen. Die AbhS~ngig- keit der auf das Gewebe i~bertragenen Drehmomente von der Drehzahl und der Schnittkraft wird angegeben. Die Ergebnisse werden diskutiert und Vorschlfige ffir eine Erh6hung der Sicher- heit bei der Anwendung yon Motortrepanen, sowie ffir ihre Wei- terentwicklung gemacht

Einleitung

Seit der Einffihrung motorbetriebener Trepane stehen Mikrochi- rurgen vor der Aufgabe, den Einflug der Bedingungen Drehzahl, Sch/irfe, Trepandurchmesser, Schnittkraft auf die Schnittge- schwindigkeit beziehungsweise Schnittzeit vor der Trepanation einzusch/itzen. Trotz zunehmender Erfahrungen bleibt die Ein- schfitzung subjektiv und die Ungleichm/il3igkeit der Sch~irfe der einzelnen Trepanexemplare, sowohl der fabrikneuen als auch der mehrfaeh benutzten, ein echtes Hindernis. Insbesondere hem- men die Schfirfeunterschiede die v611ige Ausnutzung der techni- schen M6glichkeiten der Motortrepane und die Suche nach den optimalen Einheilbedingungen der Transplantate.

Beim Ubergang von der Hand- zur Motortrepanation wird die alternierende Trepanbewegung mit dabei kurzzeitig auftreten- den Drehzahlen bis ca. 1,5 U/s durch eine gleichsinnige Trepan-

* Adresse ftir Sonderdruckanforderungen

bewegung mit konstanter Drehzahl abgel6st, wobei es m6glich ist, mit Drehzahlen bis 14 U/s zu schneiden. Mit den h6heren Drehzahlen vergr6Bern sich bei unbekannten Ungleichmfil3igkei- ten der Trepaneigenschaften auch die Gefahren. Bisher sind le- diglich Untersuchungen fiber lineare Schnitte im Hornhautge- webe von Niesel (1980) bekannt geworden, die fiber die Trepana- tion keinen Aufschlug geben.

Um den fiir die Mikrochirurgie so wichtigen Einflul3 der Bedingungen bei der Trepanation auf die Schnittzeit zu erkunden und dadurch die Anwendbarkeit der Motortrepane mit all seinen M6glichkeiten bei verringerten Gefahren zu erh6hen, wurde mit den nachfolgenden Untersuchungen unter Vermeidung subjekti- ver Einflfisse begonnen.

Material und Methoden

1. L6sungsweg

Die Trepanation ist eine Sonderform aller Schnittvorgfinge, wo- bei die Schneidenlfinge 1 mit der Schnittl~inge 2 identisch ist. Die Schneidenl~inge (s) ist dem Trepandurchmesser (d) direkt propor- tional.

s==.d.

Bei der Trepanation wird nach Eisner (1978) der Schnittvorgang beeinflul3t durch

a) die Form und Eigenschaften des Trepans b) die Ffihrung durch den Operateur und c) die Schneidbarkeitseigenschaften des Gewebes. a) Die Form und die Eigenschaften des Trepans lassen sich

am leichtesten reproduzierbar einrichten. Aus dem angebotenen Sortiment sind geeignete Exemplare auszuw~ihlen. Die zu benut- zende Trepandrehzahl 1/il3t sich z.B. am Mikrokeratron ® der Firma Geuder einstellen und wird vom Hersteller genfigend kon- stant garantiert.

b) Die Ffihrung durch den Operateur lfil3t sich objektivieren, wenn man den Motortrepanhandgriff und das zu schneidende Gewebe in eine eigens fttr diesen Zweck konstruierte Vorrichtung einspannt, die die Bewegung zwischen Trepan und Gewebe mit einer einstellbaren, aber wS, hrend des Schnittvorganges konstan- ten Schnittkraft erm6glicht.

c) Die Schneidbarkeitseigenschaften des Gewebes sind gut reproduzierbar, wenn wiederholt ausreichend gleichartiges Mate- rial zur Verffigung steht und zus/itzlich die Hornhaut jeweils isoliert in einer geeigneten Vorrichtung ffir den Schnittvorgang gehaltert wird.

1 Schneide-: werkzeuggebunden, erzeugt den Schnitt im Gewebe 2 Schnitt-: gewebegebunden, erzeugt durch die Schneide

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158

15'2 9 1 16

Abb. 1. Vorrichtung zur Trepanuntersuchung. 1 Trepan mit Motor- handgriff, 2 Halterung, 3 Probe, 4 Probenhalterung, 5, 6, 7, 8 Arbeits- kolben mit Zylindern, 9 Verbindungsleitung, 10 Gewichte, 11, 12 obere und untere Schmiermittelbeh/ilter, 13 Kraftmesser, 14 Faden zur Kraft- /ibertragung, 15 Stoppuhr, 16 Kontaktstift

Ffir eine klare Aussage fiber den EinfluB der Bedingungen bei den so erzeugten Schnitten m/jssen weitere Gr6Ben bestimmt werden:

Es ist f/jr jeden durchgef/jhrten Schnittversuch die Bestim- mung bzw. Einstellung der Schnittiefe erforderlich.

Die Messung der ffir die jeweilige Schnittiefe ben6tigten Schnittzeit erm6glicht die Berechnung der bei jedem Schnittver- such erreichten mittleren Schnittgeschwindigkeit.

Die Messung der wfihrend des Schnittvorganges auf das Hornhautgewebe fibertragenen Kraft erlaubt die Berechnung des jeweiligen Drehmomentes und Aussagen fiber die auftretenden Gewebsbelastungen.

2. Versuchsaufbau

In Abb. 1 ist der prinzipielle Versuchsaufbau dargestellt. Die Grundlage bildet die Anwendung einer Art ,,pneumatischen Waage '° gemN3 dem Patent von Huebscher und Lommatzsch (1980). Sie besteht in diesem Fall aus zwei mit einem Rohr verbundenen senkrechten Zylindern, in denen sich reibungsarm beweglich zwei Kolben mit gleichem Querschnitt befinden.

Durch entsprechend angeordnete SchmiermittelgefN3e kann ein AbreiBen des Schmierfilms bei Bewegung der Kolben verhin- dert werden.

Auf dem rechten Kolben befindet sich eine Probenhalterung in der die Hornhautprobe auf einer geeigneten Unterlage repro- duzierbar gehaltert werden kann.

Das Kolbensystem kann durch Auflegen entsprechender Ge- wichte auf dem linken Kolben ins Gleichgewicht oder aber zum Zwecke der Kraft/jbertragung aus dem Gleichgewicht gebracht werden.

f0ber dem Kolben mit der Probenhalterung ist der Handgriff des Motortrepans so in einer Halterung befestigt, dab sowohl die H6he des Trepans variiert als auch die Achse des Trepans mit der Achse des Kolbens in l~bereinstimmung gebracht werden kann.

Zur Begrenzung der Kolbenbewegung befindet sich an der Motortrepanhalterung ein einstellbarer Stift, der sich an der auf dem Kolben befestigten Platte abst/jtzen kann. Der Stift und die Platte sind zur Zeitmessung elektrisch mit einer Stoppuhr verbunden.

Um den Kolben mit der Probenhalterung ist ein Faden gewik- kelt, und zwar so, dab die yon dem Motortrepan auf die Horn- hautprobe beim Schneiden/jbertragenen Kr~ifte yon ihnen aufge- nommen werden k6nnen und somit nicht zum Mitdrehen des Kolbens f/jhren. An den symmetrisch angeordneten Fadenbefe- stigungen k6nnen die auftretenden Zugkrfifte gemessen werden.

3. Versuchsbeschreibung

Wegen der schon erwfihnten linearen Schneidenlfingen-Durch- messer-Beziehung konnten wir unsere Versuche auf Trepanexem- plare in der NS, he der Durchmessergrenzen mit 6,0 und 10,0 mm beschr/inken. Es wurden unbenutzte, aber sonst willk/jrliche Tre- panexemplare f/Jr diese Versuche verwendet. Um den gerfite- mfil3ig m6glichen Trepandrehzahlbereich m6glichst gleichmN3ig zu erfassen, wurden die Versuche bei 1, 2, 4, 8 und 14 U/s durchgeffihrt. Die Kontrolle erfolgte fiber die digitale Anzeige am elektronischen Steuergerfit des Motortrepans (Mikrokera- tron ®der Firma Geuder). Grundsfitzlich wurde der bereits be- schriebene Versuchsaufbau verwendet. Wegen der erforderlichen hohen Schnittanzahl wurden die Versuche bei zur menschlichen Hornhaut annfihernd /jbereinstimmenden Gewebsverh~iltnissen an Schweinehornhfiuten vorgenommen. Entsprechende Kontroll- versuche wurden durchgeffihrt. Die isolierten Hornhfiute wurden auf einer den physiologischen Bedingungen entsprechend ge- w61bten Unterlage gehaltert. Nach dem Austarrieren wurden die Schnittkrfifte 98, 196 bzw. 392 mN durch Auflegen der Ge- wichte 10, 20 bzw. 40 p erzeugt. W~ihrend die Hornhautprobe mit der gewfihlten Schnittkraft gegen den noch ruhenden Trepan dr/jckte, wurde die gew/jnschte Schnittiefe als Abstand zwischen Stift und Platte eingestellt. Um die Schfirfe der Trepane bei den Versuchen m6glichst wenig zu verfindern, wfihlten wir als Schnittiefe generell 0,5 mm und verhinderten dadurch mit Sicher- heit die Berfihrung zwischen Unterlage und Trepan. Mit der Betfitigung des Ful3schalters wurde synchron der Motortrepan und die Stoppuhr ein- bzw. ausgeschaltet. Das Ausschalten ge- schah auch beim Erreichen der eingestellten Schnittiefe. W~hrend des Schneidevorganges wurden die von den Ffiden fibertragenen Zugkrfifte an zwei Federzugkraftmesser abgelesen.

Vom Schlachten der Schweine bis zum Schnittversuch vergin- gen maximal 15 h. Von der Isolierung der Hornh/iute bis zum Schnittversuch vergingen maximal 5 h. Sowohl die Schweineau- gen als auch die isolierten Hornhfiute wurden in physiologischer Kochsalzl6sung (Elektrolytinfusionsl6sung 153) bei 15 bis 20°C aufbewahrt.

Ergebnisse

In der Abb. 2 sind die Abhfingigkeiten der Bedingungen Dreh- zahl, Schnittgeschwindigkeit und Schnittkraft ffir den 6,0 mm Trepan dargestellt.

Bei einheitlicher Schnittkraft zeigt sich zwischen der Drehzahl und der mittleren Schnittgeschwindigkeit eine lineare Abhfingig- keit. F/jr die Gerade aus den Messungen mit der Schnittkraft 98 mN ergibt sich ein Anstieg (Regressionskoeffizient) von 0,045 mm/U. Dieser Trepan muB also bei der Schnittkraft 98 mN zum Durchschneiden einer 1 mm dicken isolierten Schweine- hornhaut (Versuchsbedingungen) ca. 22 Umdrehungen ausf/jh- ren. Bei einer Drehzahl von 1 U/s werden f/jr 22 Umdrehungen 22 s und bei einer Drehzahl von 10 U/s nur 2,2 s ben6tigt.

Die Gerade f/jr die Schnittversuche bei 196 mN hat einen Anstieg von 0,088 mm/U und die f/jr die Schnittkraft 392 mN einen Anstieg von 0,138 mm/U. Die Geraden f/jr 98 mN und 196 mN unterscheiden sich um den Faktor 1,95 w/ihrend der Faktor 3,07 zwischen 98 mN und 392 mN berechnet ist.

I 1,5

E E

== 1,o

o~ 0,5-

I DrehzaN(U/s)

Abb. 2. Trepancharakteristik eines 6,0 mm Trepan mit Mikrokeratron ® ftir isolierte Schweinehornhaut. o o o 98 mN (10 p) MeBwerte; x x x 196 nan (20 p) - Megwerte; zxzxzx 392 mN (40 p) - MeBwerte

i21 .E

o

{ 5 /. g lZ Drehzahl ( U / s )

Abb. 3. Trepancharakteristik eines 10,0 mm Trepan mit Mikrokera- tron® f~r isolierte Schweinehornhaut. ® o o 98 mN (10 p) - MeBwerte; x x x 196 mN (20 p) - Mel3werte; zx~zx 392 mN (40 p) Mel3werte

In der Abb. 3 sind analog zur Abb. 2 die Mel3ergebnisse ftir einen 10,0 mm Trepan dargestellt. Es zeigen sich fihnliche Ergebnisse, nur dab die Geraden steiler sind. Mit der Schnit tkraft 98 m N ergibt sich ein Anstieg von 0,082 mm/U. Der verwendete Trepan braucht also bei der Schnit tkraft 98 m N zum Durch- schneiden einer 1 m m dicken Hornhau t bei den gleichen Bedin- gungen nur 12 Umdrehungen.

Die Gerade ftir die Schnit tversuche bei 196 m N hat einen Anstieg von 0,13 m m / U und die ffir die Schnit tkraft 392 m N einen Anstieg yon 0,25 mm/U. Die Geraden ftir 98 m N und 196 m N unterscheiden sich um den Fak to r 1,59, wS.hrend der Fak to r 3,05 zwischen 98 m N und 392 m N berechnet ist.

Ftir den prakt isch mit den Trepanen arbei tenden Mikrochirur- gen ist die Kenntnis der bei den verschiedenen Bedingungen ftir die Trepanat ion ben6tigten Schnittzeit besonders wichtig. Deshalb ist eine entsprechende Darstel lung derselben Versuche notwendig.

In Abb. 4 sind die Werte der Abb. 2 des verwendeten 6,0 mm Trepans folgendermal3en dargestellt: Die Drehzaht ist iogarith- misch auf der Ordinate aufgetragen, wghrend die reziproken Werte der Schnittgeschwindigkeit auf der Abszisse dargestellt sind. Die Schnit tkraft ist der Parameter der Kurven. Durch die normale Hornhautd icke von 1 m m sind die Werte der reziproken Schnittgeschwindigkeit identisch mit den Werten der ben6tigten Schnittzeit. So ist z.B. aus Abb. 4 eine Schnittzeit von 15 s bei 1 U/s und 98 m N zu entnehmen, wfihrend ffir die gleiche Schnitt-

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Drehzdnl I U/s]

1': ix\,

0.5. ~ } 5 ~ g 1'0 is Schnittzei|/Schniffiefe Is/rural

Abb. 4. Darstellung der Schnittzeiten (f/Jr 1 mm isolierte Schweinehorn- haut) ftir den auch f~r Abb. 2 benutzten 6,0 mm Trepan bei den angewen- deten Drehzahlen und Schnittkrfiften. /, zx zx 98 mN (10 p) Megwerte; x x x 196 mN (20 p) - MeBwerte; o o o 392 mN (40 p) - Mel3werte

Orehzohl [ U/s]

8.

0, } 5 i g g Schnit tzei t /Schnit t iefe[s/mm ] =,

Abb. 5. Darstellung der Schnittzeiten (£tir [ mm isolierte SchweJnehorn- haut) £iir den auch f/ir Abb. 3 benutzten i0,0 mm Trepan bei den angewen- deten Drehzahlen und Schnittkrfiften. zx zx zx 98 mN (10 p) - Mel3werte; x x x 196 mN (20 p) - Mel3werte; oo© 392 mN (40 p) - MeBwerte

kraft bei 14 U/s nur 1,7 s und bei 392 m N sogar nur 0,6 s notwen- dig sind.

In der Abb. 5 sind analog zur Abb. 4 die Mel3werte ftir den 10,0 mm Trepan dargestellt. Durch die gr613ere Dehnung der Abzisse wird die Ahnlichkeit deutlicher. Auch hier k6nnen die Schnittzeiten direkt en tnommen werden. Die Schnittzeiten ftir den 10,0 m m Trepan sind wesentlich kleiner als die fiir den 6,0 m m Trepan. Bei 1 U/s und 98 m N entn immt man der Dar- stellung eine Schnittzeit yon 6,6 s gegenfiber 15 s bei gleichen Bedingungen ffir den 6,0 mm Trepan.

Bei den hohen Drehzahlen und kurzen Schnittzeiten wird das Bild verffilscht, well die Anlaufzeit des Motor t repans bereits die Gr613enordnung der gemessenen Schnittzeiten erreicht, in einem Fall sogar 90%. Die in den Darstel lungen eingetragenen Werte sind aus den MeBwerten von jeweils 3 Schnitten ermittelt. Nach den Versuchen durchgeffihrte Kontrol lmessungen lieBen keine Verfinderung der Trepaneigenschaften (Sch/irfe) wfihrend der Versuche feststelten. Die bei den SchnittvorgSmgen gemesse- nen Zugkrfifte sind unabh/ingig v o n d e r Drehzahl . Trotz der

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geringen Mel3genauigkeit (durch die zur Messung notwendige Kolbendrehung) kann man eine lineare Abh~ingigkeit zwischen den auftretenen Zugkrfiften und den angewendeten Schnittkrfif- ten vermuten. Bei der Fortftihrung der Untersuchung soll diese Erscheinung genauer tiberprfift werden.

Diskussion

Die Abb. 2 bis 5 zeigen die markant unterschiedlichen Schnittei- genschaften der beiden verwendeten Trepanexemplare. Sie wer- den noch deutlicher, wenn man beriicksichtigt, dab die Schnitt- kraft pro mm Schneidkantenlfinge bei dem 10,0 mm Trepan das 0,6-fache des Wertes des 6,0 mm Trepans betr/igt. Nach dem linearen Extrapolieren der Werte des 10,0 mm Trepans auf die Werte bei der Schnittkraft pro mm Schneidkantenl/inge des 6,0 mm Trepans verhalten sich die Schnitteigenschaften der Tre- panexemplare wie 1 zu 3. Bei gleichen Schnitteigenschaften mfil3te man das Verhfiltnis 1:1 erhalten. Oder anders ausge- dr/ickt, w~ire der 6,0 mm Trepan genauso scharf, wie der 10,0 mm Trepan, so w/irden die Messungen nur 1/3 der gemessenen Schnittzeiten ergeben. Die zu Beginn der Versuche willkiirliche Auswahl unbenutzter Trepane 15.Bt den SchluB zu, dab die Schfirfe der Trepanexemplare noch mehr differieren kann, abge- sehen von den m6glichen SchfirfeeinbuBen durch routinem~iBige Benutzung oder durch unsachgemfiBe Beschgdigung der Schnei- den.

Die unterschiedlichen Schnitteigenschaften machen deutlich, wie wichtig eine Meg- bzw. Kontrollm6glichkeit oder die Kennt- nis eines Richtwertes je Trepanexemplar ftir die Erh6hung der operativen Sicherheit ist. Darstellungen wie Abb. 2 bis 5 sind gut geeignet, um die Schnitteigenschaften der verwendeten Tre- pane zu charakterisieren. Ftir eine schnelle Orientierung genfigt sicher auch die Bestimmung des Anstieges bei einer geeigneten Schnittkraft.

Aus den gemessenen Zugkr/iften wurden folgende wfihrend des Schnittvorganges auf die Hornhautproben iibertragene Dreh- momente berechnet:

Tabelle 1

Schnittkraft Drehmoment

98 mN (10 p) 147 mN mm (15 p mm) 192 mN (20 p) 372 mN mm (38 p mm) 392 mN (40 p) 862 mN mm (88 p mm)

Diese Krfifte werden bei Keratoplastiken vom Trepan auf das Auge tibertragen, wo sie yon Haltef'~iden aufgenommen wer- den mtissen.

Die Scherkrfifte und damit die Gewebsbelastung (Zellverlet- zung) an der Schnittfl/iche ist also vonder Schnittkraft abhfingig. Die Abh~ngigkeit der tats~ichlichen Zellverletzung an der Schnittflfiche von der Schnittkraft soll bei den fortftihrenden Experimenten mikroskopisch untersucht werden.

SchluBfolgerungen

Wegen der festgestellten, /iberraschend grol3en Sch/irfeunter- schiede der verwendeten Trepane w~ire fiir eine Voraussage der Schnittzeiten (Erh6hung der operativen Sicherheit) ffir jeden Tre- pan die zugeh6rige Trepancharakteristik, analog Abb. 2 bis 5, zu bestimmen. Fiir eine Oberprtifung reicht die Bestimmung einer Wertekombination oder eines Anstieges aus. Die Beurtei- lung der benutzten Schnittkraft kann der Operateur nur durch Erfahrungen und Training mit entsprechend feinen Druckwaa- gen verbessern.

Zur Weiterentwicklung und zur Ausnutzung der technischen M6glichkeiten der Motortrepane ergeben sich aus den Untersu- chungen folgende Forderungen an die Hersteller:

Konstruktion und Bau yon Motortrepanen mit geeigneter einstellbarer Schnittkraftbegrenzung

Auslieferung aller Trepane mit ,,Sch/irfepal3 '° (z.B. analog Abb. 2 bis 5)

Verbesserung der Gleichm/il3igkeit der Schgrfe der Trepane.

Literatur

Eisner G (1978) Augenchirurgie. Einftihrung in die operative Technik Springer Berlin-Heidelberg-New York

Huebscher H-J, Lommatzsch PK Vorrichtung znr Ermittlung der Ma- terialtrennparameter rotierender Werkzeuge WP G 01 N/221 012 vom 9.5.1980

Niesel P (1980) Kr~ifte bei der Entstehung und beim Verschlul3 von Wunden der Augapfelhfillen. In : Wundheilung des Auges und ihre Komplikationen (OGH Naumann, B Gloor) pp 21-29. JF Berg- mann Miinchen

Eingegangen am 21. September 1981