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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren
zum Behandeln von biologischen Körpersubstanzen mit mechanischen Druckwellen.
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Solche
Vorrichtungen sind an sich bereits bekannt, insbesondere aus dem
Bereich der Lithotripsie. Dort werden mit fokussierten mechanischen Druckwellen
Körperkonkremente, insbesondere Steine im Körpergewebe,
zertrümmert. Neben der Erzeugung durch elektrische Entladungen
in Wasser sind auch Geräte entwickelt worden, die mechanische Druckwellen
durch das Aufeinanderprallen eines beschleunigten Schlagteils und
eines Prallkörpers erzeugen und mit Hilfe des Prallkörpers
in Körpergewebe einkoppeln. Solche Geräte sind
sowohl in der Lithotripsie mit einem direkten Kontakt zwischen dem Prallkörper
bzw. einer mit dem Prallkörper verbundenen Sonde und dem
Stein als auch bei anderen Behandlungen von biologischen Körpersubstanzen
eingesetzt worden. Insbesondere sind hier die Behandlung von Muskelerkrankungen
und von Erkrankungen im Übergangsbereich zwischen Muskeln
und Knochen zu nennen.
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Ein
Beispiel für ein Gerät, das zu dem zuletzt genannten
Typ zu rechnen ist, ist die in der
EP
0 911 447 dargestellte Vorrichtung. Bei dieser sollen unfokussierte
Druckwellen in das Körpergewebe eingekoppelt werden.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung
zur Behandlung von biologischen Körpersubstanzen mit einem
bewegbaren Schlagteil und einem Prallkörper zur Erzeugung
einer mechanischen Druckwelle anzugeben, die gegenüber
dem Stand der Technik erweiterte Einsatzmöglichkeiten bietet.
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Hierzu
ist vorgesehen eine Vorrichtung zur Behandlung von biologischen
Körpersubstanzen mit einem bewegbaren Schlagteil und einem
Prallkörper, die dazu ausgelegt ist, durch Beschleunigen
des Schlagteils und Aufprallen des Schlagteils auf den Prallkörper
eine mechanische Druckwelle im Prallkörper zu erzeugen
und diese in die biologische Körpersubstanz einzukoppeln,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prallkörper aus einem
massiven Festkörper aufgebaut ist und einen Mantelflächenanteil
aufweist, der einen Teil eines um eine zu der Bewegungsrichtung
des Schlagteils parallele Längsachse symmetrischen Rotationsellipsoiden
bildet, wobei der Prallkörper an der Körpersubstanzseite
mindestens bis zu dem gewebeseitigen Brennpunkt des Rotationsellipsoiden
verkürzt ist und an der Schlagteilseite bis zu dem schlagteilseitigen
Brennpunkt verkürzt ist,
und ein entsprechendes Verfahren,
bei dem eine solche Vorrichtung verwendet wird.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung geht dabei von der Vorgabe aus, fokussierte Druckwellen,
die in vergleichsweise einfacher Weise durch das Aufprallen eines
Schlagteils auf einen Prallkörper erzeugt werden, in den Körper
einkoppeln zu können. Hierzu soll der Prallkörper
als Fokussierelement dienen, um die durch das Aufprallen des Schlagteils
in ihm erzeugten Druckwellen zu bündeln. Konkret schlägt
die Erfindung hierzu den Einsatz eines Rotationsellipsoiden als
Prallkörper vor, dessen Längsachse zu der Bewegungsrichtung
des Schlagteils parallel sein soll bzw. dieser entsprechen soll.
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Zur
Erzeugung und Einkopplung der Druckwelle ist der Rotationsellipsoid
schlagteilseitig so verkürzt, dass das Schlagteil in dem
entsprechenden Brennpunkt auftrifft. Demzufolge bündeln
die dem Rotationsellipsoiden entsprechenden Mantelflächenanteile
die Druckwelle auf den zweiten Brennpunkt. Der Prallkörper
ist an dieser Körpersubstanzseite so verkürzt,
dass dieser Brennpunkt entweder unmittelbar auf der an dem Prallkörper
anliegenden Körperoberfläche oder davon beabstandet
in dem Körper zu liegen kommt. Somit wird durch die Rotationsellipsoidform
eine fokussierte Druckwelle in den Körper eingebracht.
Durch das Maß der Verkürzung kann eingestellt
werden, ob der Brennpunkt auf der Hautoberfläche, in einen
tieferen Hautbereich oder noch oder tiefer im Gewebe liegt, je nachdem
auf welchen Körperbereich die Behandlung abzielt.
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Der
Rotationsellipsoid erlaubt dabei eine kompakte und baulich und in
der Handhabung praktische Form des Prallkörpers, die sich
leicht montieren lässt, und bietet im Übrigen
eine Fokussiermöglichkeit ohne Laufzeitunterschiede zwischen
den ver schiedenen fokussierten Anteilen. In einer Ellipse werden
nämlich die durch einen Brennpunkt gehenden "Strahlen"
an der elliptischen Linie so reflektiert, dass sie durch den anderen
Brennpunkt laufen, wobei die verschiedenen Varianten zwischen den
beiden Brennpunkten identische Weglängen haben.
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Vorzugsweise
ist der Prallkörper schlagteilseitig für den Aufprall
des Schlagteils stumpf verkürzt, und kann insbesondere
eine gerade Eintrittsfläche für den Aufprall des
Schlagteils aufweisen, die zur Längsachse senkrecht ist.
Auch konvexe Flächen sind möglich; allerdings
würde durch das Zurückspringen einer stark konvexen
Form hinter ihren in der Längsachse liegenden Scheitelpunkt
ein gewisser Teil der Rotationsellipsoid-Mantelfläche verloren gehen.
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In
gleicher Weise ist eine stumpfe Austrittsfläche an der
dem Körper zugewandten Seite bevorzugt, insbesondere eine
zur Längsachse senkrechte gerade Austrittfläche.
Auch hier ist eine konvexe Fläche denkbar, hätte
jedoch, vor allem wenn sie stärker ausgeprägt
wäre, eine defokussierende Wirkung (also eine Abschwächung
der Fokussierung und Verlagerung des Fokuspunkts weiter in den Körper
hinein), die mit der Einführung von Laufzeitunterschieden verknüpft
wäre. Auch eine Verstärkung der Fokussierung durch
eine konkave Austrittsfläche wäre mit Laufzeitunterschieden
verbunden.
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Im Übrigen
sollten die Kanten der Austrittsfläche vorzugsweise etwas
verrundet sein, um Verletzungen des Körpers durch Schneidwirkungen
oder Ähnliches zu vermeiden, beispielsweise mit einem Krümmungsradius
in der Größenordnung zwischen 0,1 mm und 1 mm,
etwa bei 0,5 mm.
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Vorzugsweise
ist das Schlagteil an seiner Frontfläche, die auf den Prallkörper
trifft, gegenüber der größten im Schlagteil
auftretenden Querschnittsfläche verkleinert, um eine Einkopplung
der Welle möglichst in der, im Hinblick auf Richtungen
senkrecht zur Längsachse, näheren Umgebung des
ersten Brennpunkts zu begünstigen und damit die Fokussierung
zu optimieren. Von dem ersten Brennpunkt senkrecht zur Längsachse
versetzt eingekoppelte Elementarwellen werden tatsächlich
ebenfalls gebündelt, jedoch führen solche Anteile
zu einer gewissen Verschmierung des Fokuspunkts.
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Insbesondere
kann das Schlagteil eine konvexe Frontfläche aufweisen,
etwa eine sphärische, um trotz einer gewissen Baugröße
senkrecht zur Längsachse brennpunktnah, also gewissermaßen "konzentriert"
aufzuprallen. Im Prinzip könnte zusätzlich oder
alternativ auch die Eintrittsfläche an dem Prallkörper
konvex sein, was die zuvor bereits erwähnten geringen Verluste
an Rotationsellipsoid-Mantelfläche zur Folge hätte.
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Das
Schlagteil kann in verschiedener Weise beschleunigt werden, etwa
magnetisch, über einen elektrischen (insbesondere Linear-)Motor
oder in anderer Weise. Besonders bevorzugt ist jedoch ein pneumatischer
Antrieb. Er erweist sich als betriebssicher, effizient und zuverlässig
und in der Implementierung relativ einfach.
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Der
Prallkörper kann in verschiedener Weise gelagert werden,
insbesondere über zumindest einen Elastomerring. Vorzugsweise
sind zwei Elastomerringe vorgesehen, gegen deren elastischen Widerstand der
Prallkörper etwas axial verschiebbar gehalten ist. Im Übrigen
ist vorzugsweise für eine Führung des Prallkörpers
gesorgt, die diese axiale Verschiebbarkeit gewährleistet,
dabei aber nur ein geringes Spiel senkrecht zur Längsachse
zulässt.
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Ferner
kann der Prallkörper zur Abstützung gegen den
zumindest einen Elastomerring mindestens einen Flansch aufweisen,
der vorzugsweise in einer örtlichen Verdickung der Mantelfläche
gegenüber der Rotationsellipsoidform besteht.
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Als
günstiger Bereich für Schlagteilgeschwindigkeiten
beim Aufprall auf den Prallkörper hat sich der Bereich
zwischen 5 m/s bis 50 m/s, vorzugsweise bis 40 m/s, herausgestellt.
Als günstiger Arbeitsmodus hat sich ferner ein repetitiver
Betrieb mit Frequenzen insbesondere in dem Bereich zwischen 1 Hz
und 50 Hz bewährt.
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Ein
gewisser Hub des Prallkörpers, wenn das Schlagteil auf
den Prallkörper aufprallt, ist durch die bereits erwähnte
Lagerung über Elastomerringe gegeben. Dieser sollte relativ
gering sein, vorzugsweise bei höchstens 1 mm und besonders
bevorzugter Weise bei höchstens 0,5 mm liegen, was sich
relativ zu der Restvorrichtung versteht, wobei die Austrittsfläche
des Prallkörpers nicht an festerem Material anliegt, sondern
in der Luft gehalten ist.
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Als
günstige Materialen für den Prallkörper haben
sich neben verschiedenen Metallen und Legierungen auch metallische
Werkstoffe, die also auch weitere Bestandteile außer Metallen
enthalten, sowie Kunststoffe und Kunststoffverbundmaterialien, etwa mit
Fremdzuschlägen wie mineralischen Pulvern, bewährt.
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Vorzugsweise
werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Körperweichgewebe
behandelt, besonders Körpermuskeln.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale
auch in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswesentlich
sein können und sich grundsätzlich auf die Vorrichtungs- und
die Verfahrenskategorie der Erfindung beziehen.
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1 zeigt
einen schematisierten Schnitt entlang der Längsachse durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem ersten
Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt
einen Prallkörper aus 1 vergrößert.
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3 zeigt
einen Schnitt gemäß 1 durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt
den Prallkörper aus 3 vergrößert.
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In 1 ist
in einem Schnitt entlang einer Längsachse eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Einkopplung von fokussierten mechanischen Druckwellen
in beispielsweise den menschlichen Körper dargestellt.
Ein Rohrstück bildet ein Gehäuse 1, das von
einer in der Anwendung körperfernen Zuluftkappe 2 und
einer in der Anwendung körperzugewandten Applikatorkappe 3 jeweils
endseitig abgeschlossen ist.
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Die
Zuluftkappe 2 enthält einen Druckluftanschluss 4 für
eine pneumatische Versorgung. In an sich bekannter Weise ist an
diesen Druckluftanschluss 4 über eine pneumatische
Versorgungsleitung ein von einer Ansteuereinheit gesteuertes Ventil,
insbesondere Magnetventil, angeschlossen, das in einem gleich bleibenden
iterati ven Takt zwischen etwa 1 Hz und 50 Hz Druckluftpulse über
den Druckluftanschluss einkoppelt.
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Die
Vorrichtung ist als mit der Hand einer Bedienungsperson zu haltendes
Gerät ausgebildet, das über die erwähnte
Pneumatikleitung an eine Basisstation mit der Ansteuereinheit und
dem Kompressor verbunden ist und auf den Patienten manuell aufgesetzt
werden kann. Es dient zur Behandlung von Weichgewebe, insbesondere
Muskeln. Fokussierte Druckwellen kommen für verschiedene
Behandlungstypen in Betracht, vor allem dann, wenn die eingekoppelte
Energie auf einen bestimmten Bereich konzentriert werden soll.
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Die
Einzelheiten der Pneumatikversorgung sind nicht Gegenstand dieser
Erfindung und dem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufig.
Vorzugsweise ist die Frequenz einstellbar. Der iterative Betrieb
kann komplizierter als mit einer einfachen gleich bleibenden Wiederholung
von Pulsen einer bestimmten Frequenz erfolgen, insbesondere auch mit
einer Mehrzahl in relativ kurzem Zeitabstand, also mit einer relativ
hohen Frequenz, aufeinander folgenden Schlägen, wobei Gruppen
von Schlägen in diesem kürzeren Zeitabstand durch
etwas größere Zeitabstände voneinander
getrennt sind. Die Einzelheiten hierzu sind nicht Gegenstand der
vorliegenden Erfindung, können aber damit kombiniert sein.
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In
dem Gehäuse 1 ist über einen Einsatz 5 ein
Führungsrohr 6 gehalten, dessen bei der Anwendung
körperfernes Ende in der Zuluftkappe 2 endet und
dort mit dem Druckluftanschluss 4 kommuniziert. Das in
der Anwendung körperseitige Ende des Führungsrohres 6 endet
in einem Teil des Einsatzes 5, der in die Applikatorkappe 3 hineinragt,
und zwar kurz vor dem dortigen Ende des Einsatzes 5 und
einem Innenraum 7 in der Applikatorkappe 3.
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In
dem Innenraum 7, der mit zwei radialen Schultern in eine
in der Anwendung körperseitige Applikatoröffnung 8 übergeht,
ist ein Prallkörper 9 aufgenommen. Dieser stützt
sich über einen O-Ring 10 aus einem Elastomer
an einer der radialen Schultern ab und weist hierzu einen Flansch 11 auf.
Ein sich zur körperfernen Seite hin verjüngendes
Ende des Prallkörpers 9 stützt sich über
einen weiteren O-Ring 12 an dem Einsatz 5 ab,
und zwar in einem das bereits erwähnte Ende des Einsatzes 5 umgebenden
Einschnitt. Die Applikatoröffnung 8 dient dabei
zu einer in der Längsrichtung verschiebbaren Führung
des Prallkörpers 9 und fixiert diesen quer zur
Längsrichtung. Die Axialverschiebbarkeit ist durch die
Nachgiebigkeit der Elastomerringe 10 und 12 begrenzt und
liegt bei in Luft betriebener Vorrichtung relativ zur Restvorrichtung
deutlich unter 0,5 mm.
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Auf
die geometrischen Merkmale des Prallkörpers 9,
der hier gleichzeitig den auf die Haut aufzusetzenden Applikator
bildet, wird im Folgenden noch anhand 2 näher
eingegangen.
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In
dem angrenzenden Bereich des Führungsrohres 6 ist
ein in 1 mit dem Prallkörper 9 in Kontakt
stehendes Schlagteil 13 eingesetzt. Dieses passt (in Bezug
auf das Führungsrohr und die im Wesentlichen zylindrische
Geometrie des Schlagteils 13) radial mit geringem Spiel.
Das Schlagteil 13 kann durch Druckunterschiede der Luftsäule
in dem Führungsrohr 6 vor und hinter ihm (d. h.
in 1 rechts und links des Schlagteils 13)
in dem Führungsrohr hin- und herbewegt werden und insbesondere
auf den Prallkörper 9 zu beschleunigt werden.
Hierzu wird es aus einer Ausgangsposition (nicht gezeigt) in 1 links
durch einen Druckluftstoß durch den Druckluftanschluss 4 beschleunigt
und trifft mit seiner dem Prallkörper 9 zugewandten
Frontfläche (in 1 der Übersichtlichkeit
halber nicht bezeichnet) auf den Prallkörper 9 auf.
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Die
Rückbewegung des Schlagteils 13 erfolgt durch
ein Rückströmen der Luft aus einer das Führungsrohr 6 innerhalb
des Einsatzes 5 umgebenden Staukammer 14. In diese
wird die Luft bei der Beschleunigung des Schlagteils 13 in
Richtung zu dem Prallkörper 9 verdrängt
und damit dort komprimiert. Wenn das Magnetventil in der Pneumatikzuleitung des
Druckluftanschlusses 4 den Druck wegschaltet, wird das
Schlagteil 13 damit in die Ausgangsstellung zurückbewegt.
Dies kann natürlich auch durch eine zusätzliche
oder alternative Druckbeaufschlagung der Staukammer 14 oder
eines anderen Luftvolumens körperseitig von dem Schlagteil 13 erfolgen. Das
in der Anwendung körperferne Ende des Führungsrohres 6 endet
in einem Magnethalter 17 für das Schlagteil 13.
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2 zeigt
den Prallkörper 9 aus 1 vergrößert.
Es handelt sich im Wesentlichen um einen zu der in 1 und 2 horizontal
in der Zeichenebene liegenden Längsachse rotationssymmetrischen Rotationsellipsoiden,
dessen linkes und dessen rechtes (ursprünglich) konvexestes
Ende jeweils symmetrisch zur Längsachse gerade abgeschnitten
sind. Dabei läuft die linke Schnittfläche 15 als
zu der Längsachse senkrechte plane Fläche durch
den dortigen Brennpunkt des Ellipsoiden bzw. der im Schnitt dargestellten
Ellipse. Das Gleiche gilt für die rechte Schnittfläche 16 mit
der Maßgabe, dass dort die Schnittfläche durch
den zweiten Brennpunkt oder weiter innen läuft und hier
abgerundete Kanten aufweist.
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Die 3 und 4 entsprechen
den 1 und 2, beziehen sich aber auf ein
zweites Ausführungsbeispiel, bei dem im Unterschied zu
dem ersten Ausführungsbeispiel die Schnittfläche 16' nicht
durch den zweiten Brennpunkt, sondern innerhalb desselben (in den 3 und 4 als
Kreuz eingezeichnet) verläuft, so dass der zweite Brennpunkt
unter der Hautoberfläche im Körpergewebe liegt,
was in vielen Fallen bevorzugt ist. Zu den 3 und 4 gelten
im Übrigen die gleichen Erläuterungen wie zu den 1 und 2,
so dass auch dieselben Bezugszeichen verwendet worden sind. Einzige
Ausnahmen sind der Prallkörper 9' gegenüber dem
Prallkörper 9 aus den 1 und 2 und
dessen rechte Schnittfläche 16' gegenüber
der rechten Schnittfläche 16.
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Einige
modellhafte "Strahlen" zur Veranschaulichung der Fokussierung auf
den rechten Brennpunkt sind eingezeichnet.
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Im Übrigen
weist der Prallkörper 9 bzw. 9' den bereits
anhand 1 beschriebenen, um den Ellipsoidmantel umlaufenden
Flansch 11 ungefähr in einem Drittel seiner Längserstreckung
auf, wobei der Flansch eine in Richtung der Längsachse
flache zylindrische Form mit angefasten Kanten aufweist. Er stört
die Ellipsoidform nur wenig und dient, wie bereits ausgeführt,
zur Halterung des Prallkörpers 9 bzw. 9'.
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1 und 3 zeigen
einen Kontakt zwischen dem Schlagteil 13 und der linken
Schnittfläche 15 des Prallkörpers 9 bzw. 9',
nämlich der sog. Eintrittsfläche (Eintritt der
Druckwelle). Man kann in 1 noch erkennen, dass die dem
Prallkörper 9 bzw. 9' zugewandte Frontfläche
etwas konvex ist, und zwar sphärisch, und damit die plane
Eintrittsfläche des Prallkörpers 9 bzw. 9' im
Wesentlichen im Brennpunkt berührt. Durch den Aufprall
des Schlagteils 13 entstehen in dem Prallkörper 9 bzw. 9' Druckwellen,
die sich in die verschiedenen Richtungen ausbreiten. Sie werden
von der rotationsellipsiodförmigen Mantelfläche
des Prallkörpers 9 bzw. 9' auf den zweiten
Brennpunkt und damit in den Körper des Patienten fokussiert.
Hieran ändert auch der Materialsprung von dem Prallkörper 9 bzw. 9' in
das nicht dargestellte Körpergewebe nichts, bei dem die Schallgeschwindigkeit
abnimmt und damit eine Änderung der Ausbreitungsrichtung
analog zur optischen Brechung auftritt.
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Bei
einer Variante könnte die Frontfläche des Schlagteils 13 auch
gerade abgeschnitten sein, was die Fokussiereigenschaften etwas
verschlechtert. Dabei ist die plane Frontfläche vorzugsweise
gegenüber der Innenquerschnittsfläche des Führungsrohres 6 und
der größten auftretenden Querschnittsfläche
des Schlagteils 13 etwas verjüngt. Eine Veranschaulichung
bietet das in 1 linke Ende des Schlagteils 13,
wobei die Verjüngung stärker ausgeprägt
sein kann.
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Bei
dieser Ausführungsform bestehen der Prallkörper 9 bzw. 9' und
das Schlagteil 13 aus Metall, etwa rostfreiem Stahl. Es
sind allerdings auch andere Varianten denkbar, insbesondere Prallkörper aus
Metallen mit Zusätzen, Kunststoffen oder Kunststoffen mit
Zuschlägen, etwa mineralischen Pulvern o. Ä.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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