-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum in vivo Zerstören von
Ablagerungen mit verringerter Gewebeverletzung durch forcierte Konzentration
von akustisch induzierter transienter Hohlraumenergie in Richtung
auf den Targetstein (Ablagerung) unter Verwendung eines piezoelektrischen
Ringanordnungs-Schockwellengenerator mit einem bestimmten Design
in Kombination mit einer primären Schockwellenquelle.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Eine
Zerkleinerung von Steinen in vivo unter Verwendung von extra-corporeal
erzeugten Schockwellen (Lithotripsie) ist eine relativ neue medizinische Vorgehensweise,
insbesondere in der Behandlung von Harnstein- und Gallensteinkrankheiten.
Im Stand der Technik sind vielfältige
Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen hochintensiver fokussierter Schockwellen
zur Fragmentierung von Ablagerungen innerhalb eines menschlichen
Wesens beschrieben. Das US-Patent 3,942,531 von Hoff und anderen
offenbart die Verwendung einer Funkenstreckenentladung in Wasser,
um eine Schockwelle innerhalb eines ellipsoiden Reflektors zu erzeugen,
der die Schockwelle mit fragmentierten Nierensteinen innerhalb des
Körpers
koppelt und auf sie fokussiert. Hahn und andere beschreiben in dem
US-Patent 4,655,220 eine Vorrichtung unter Verwendung einer Spule
und eines gepaarten Radiators in der Form eines sphärischen
Segments, um magnetisch induzierte selbstkonvergierende Schockwellen
zu erzeugen. Wurster und andere beschreiben in den US-Patenten 4,821,730
und 4,888,746 die Verwendung von piezoelektrischen Elementen, die
in einer Mosaikform auf einer sphärischen Kappe angeordnet sind,
um fokussierte hochintensive Schockwellen in der geometrischen Mitte
der Kappe zu erzeugen, worin die Ablagerung platziert sein muss.
Andere Schockwellengeneratorensysteme sind in der Technik bekannt.
-
Trotz
der verschiedenen Prinzipien für
eine Schockwellengenerierung erzeugen alle diese Vorrichtungen Schockwellen
einer ähnlichen
Wellenform, die durch eine kompressive Phase charakterisiert werden
kann, die aus einer schnellen Schockfront mit einem positi ven Spitzendruck
bis zu 100 MPa besteht, die durch eine dünne (negative) Phase mit einem
negativen Spitzendruck bis zu 10 MPa und einer Dauer von wenigen μs gefolgt
wird. Es ist in der Lithotripsie-Technik bekannt, dass die negative
Phase einer eingehenden Schockwelle transiente Hohlraumblasen in
dem Fokusbereich erzeugen kann.
-
Es
ist ferner in der Lithotripsie-Technik bekannt, dass, wenn die Hohlraumblasen
nahe einer Steinoberfläche
kollabieren, Mikrojets aufgrund des asymmetrischen Kollapses der
Hohlraumblasen erzeugt werden. Diese Mikrojets schlagen hart auf
die Steinoberfläche
und verursachen eine Steinfragmentierung. Experimente haben gezeigt,
dass unter Verwendung desselben Schockwellengenerators mit dem gleichen
Intensitätspegel
ein Stein eingetaucht in Glycerin (ein Hohlraumbildungsverhinderungsmedium)
nicht beschädigt
wird, während
derselbe Stein eingetaucht in wässeriger
Lösung,
wie Wasser (ein hohlraumbildungsförderndes Medium) fragmentiert werden
kann, trotz der Tatsache, dass die Transmission der Schockwellenenergie
in beiden Fällen
die gleiche ist. Es ist in der Technik der Lithotripsie etabliert,
dass Schockwellen eine Hohlraumbildung induzieren kann und der resultierende
Mikrojet-Einschlag einer der hauptsächlichen Mechanismen zur Steinfragmentierung
ist. Ferner können,
wenn schockwelleninduzierte Hohlraumblasen nahe der Gewebeoberflächen kollabieren,
sie Gewebeverletzungen durch die Schockwellenemission, Regenerierung
hoher Temperaturen, von Mikrojets und Scherkräften, die mit der schnellen
Blasenoszillation assoziiert ist, verursachen.
-
Es
wurde ferner in der Vergangenheit festgestellt, dass der Kollaps
eines Hohlraumblasen-Clusters so kontrolliert werden kann, dass
er eine erhöhte Zerkleinerung
von Ablagerungen durch Aufprägen
einer einschlagenden Schockwelle geeigneter Form und Intensität verursacht
werden kann, um den Blasen-Cluster von seiner äußeren Schicht bis zu einer inneren
Schicht vollständig
zu kollabieren.
-
Der
Kollaps einer Hohlraumblase durch eine einschlagende Schockwelle
wurde als asymmetrisch erkannt, das zu der Bildung eines Flüssigkeitsstrahls führt, der
sich entlang der Richtung der einschlagenden Schockwelle bewegt.
Der Flüssigkeitsstrahl
ist ein Wasserstrahl, wenn dies in Wasser erfolgt. Es wurde in der
Vergangenheit herausgefunden, dass der Kollaps der Hohlraumblase
durch eine einfallende Schockwelle gesteuert und geführt werden
kann, vorausgesetzt, dass diese Schockwelle zu dem richtigen Zeitpunkt
des Auftretens einer Hohlraumblase erfolgt. Es ist im Stand der
Technik bekannt, dass der Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters durch
eine einschlagende Schockwelle 80% bis 90% der Hohlraumblasenenergie
von einer äußeren Schicht
auf eine innere Schicht konzentrieren kann, wenn diese Hohlraumblasen
zum Kollabieren in einer Sequenz durch die eingehende Schockwelle
forciert werden. Es wurde herausgefunden, dass dieser abgestimmte kontrollierte
Kollaps eines Hohlraumblasen-Clusters durch eine einfallende Schockwelle
eine effiziente Konzentration der Hohlraumenergie in Richtung auf die
Mitte des Blasen-Clusters erzeugt, wobei die Abstimmung lokalisiert
ist. Da die Hohlraumenergie auf die Zielablagerung gerichtet und
konzentriert ist, sind Gewebeverletzungen assoziiert mit der Zerkleinerung
der Ablagerung reduziert. Daher weist die Zerkleinerung von Ablagerungen
in vivo unter Verwendung gesteuerter konzentrierter Hohlraumenergie den
Vorteil der erhöhten
Fragmentierungseffizienz mit verringerter Gewebeverletzung auf.
-
In ähnlicher
Weise offenbart Cathignol und andere in dem US-Patent 5,219,401
eine Vorrichtung zum selektiven Zerstören von biologischem Material einschließlich von
Zellen, weichen Geweben und Knochen. Die Injektion von Gasblasen-Precursor-Mikrokapseln,
die einen Durchmesser von vorzugsweise 0,5 bis 300 μm aufweisen
und aus Materialien wie Lecithin gebildet sind, in den Blutstrom
wird durch Cathignol als das Hauptmittel zum Generieren von Gasblasen
in vivo verwendet. Obwohl das Phänomen
einer Hohlraumbildung verursacht durch einen Ultraschallwellengenerator,
der in einem Frequenzbereich von 10 bis 100 KHz arbeitet, beschrieben
ist, ist die Schaltpulssequenz nicht spezifiziert. Es wurde in der
Lithotripsie-Technik herausgefunden, dass der forcierte Kollaps
der Hohlraumblasen, um fluide Mikrojets für die verbesserte Zerkleinerung
von Ablagerungen zu erzeugen, eine spezifische Beziehung zwischen
dem ersten hohlraumbildungsinduzierenden akustischen Puls und dem
zweiten hohlraumkollabierenden akustischen Puls benötigt. Zusätzlich wurde herausgefunden,
dass der zweite hohlraumkollabierende akustische Puls eine kompressive
(positive) Phase mit einer langen Dauer und nur eine kleine oder
gar keine dehnbare (negative) Komponente aufweisen muss.
-
Reichenberger
offenbart in dem US-Patent 4,664,111 eine Schockwellenröhre zum
Generieren von zeitgestaffelten Schockwellen mittels einer Aufsplittvorrichtung,
wie einem Konus, für
die Fragmentierung von Ablagerungen in vivo. Reichenberger offenbart,
dass der Effekt der Schockwellen verbessert werden kann, falls sie
zeitlich so nahe beabstandet sind, dass sie in ihrer Wirkung auf
die Ablagerung überlagern.
Der Effekt der Schockwelle, der durch die Hohlräume induziert wird, wird nicht
von Reichenberger in Betracht gezogen oder erwähnt.
-
Somit
erwähnt
keines der obengenannten Dokumente zum Stand der Technik die Verwendung einer
sekundären
Schockwelle, die zu einer vorbestimmten Zeitverzögerung einwirkt, um den Kollaps eines
transienten Hohlraumblasen-Clusters zu steuern, das durch eine primäre Schockwelle
induziert wird. Ohne diese zeitsequenzierte zweite Schockwelle wurde
herausgefunden, dass die Effizienz der in vivo Ablagerungszerkleinerungen
durch Schockwellen-Lithotripsie sehr gering sein wird und das begleitende
Risiko für
Gewebeverletzungen aufgrund unkontrollierter Hohlraumenergie Deponierung
aufgrund des Verfahrens entsprechend erhöht sein wird. Jedoch gab es
zum jetzigen Zeitpunkt vorläufige
Entdeckungen, die sich mit diesem Aspekt der Lithotripsie-Technologie
befassen.
-
Insbesondere
sind für
zeitsequenzierte sekundäre
Schockwellen Zhong und andere mit dem US-Patent 5,582,578 von Bedeutung,
das ein Verfahren zum Generieren einer Sequenz von Schockwellenpulsen
mit einer spezifizierten sehr kurzen Zeitverzögerung (weniger als 400 μs) schafft
und mit Druckbeziehungen zwischen den individuellen Pulsen, die
sowohl ein Mittel zum Induzieren eines transienten Hohlraum-Clusters
und ein Mittel zum Steuern der Größe und des nachfolgenden Kollapses
des Hohlraumblasen-Clusters nahe der Zielablagerungen in dem lebenden
Organismus schafft, um eine erhöhte
Fragmentierungseffizienz mit reduzierter Gewebeverletzung zu erreichen.
-
Ferner
haben nach Zhong und anderen, US-Patent 5,582,578 Anwender bereits
einen Schockwellengenerator entwickelt, der einen piezoelektrischen
Ringanordnungs- (PEAA) Schockwellengenerator aufweist, der auf einen
bestehenden klinischen Nierensteinzertrümmerer (z. B. Dornier HM-3) angepasst
werden kann, um eine Sequenz von Schockwellenpulsen zu generieren.
Der PEAA-Generator war gedacht, eine Hilfsschockwelle zu erzeugen,
zu steuern und den Kollaps der Nierensteinzertrümmerer-induzierten Blasen zu
forcieren auf die Zielablagerung für eine verbesserte Steinzerkleinerung.
Ein Prototyp PEAA-Generator wurde mit einem experimentellen elektrohydraulischen
(EH) Schockwellen-Nierensteinzertrümmerer mit einem verkürzten HM-3-Reflektor
in vorhergehenden Experimenten kombiniert. Steinfragmentierungstests
in vitro wurden durchgeführt
und diese Ergebnisse demonstrierten, dass 60% bis 80% Erhöhung in
einer Steinfragmentierung unter Verwendung des kombinierten Schockwellengenerators
mit einer optimalen Zwischenpulsverzögerung erreicht werden könnten.
-
Der
vorhergehend kombinierte EH/PEAA-Schockwellengenerator wurde in
einer Veröffentlichung
mit dem Titel „Improvement
of Stone Fragmentation During Shock Wave Lithotripsy Using a Combined
EH/PEAA Shock Wave Generator – In Vitro
Experiments" von
Xi und Zhong beschrieben, das in Ultrasound in Medicine and Biology,
Nr. 26/Seiten 457–467
von 2000 veröffentlicht
wurde, und zeigte, dass der Kollaps der Hohlraumblasen, die durch
Schockwellen-Nierensteinzertrümmerung
induziert werden unter Verwendung eines sekundären Pulses modifiziert werden
können,
der durch piezoelektrische Transducer erzeugt wird, die aus piezokeramischen
Scheiben (PZT-4) hergestellt sind. Xi und Zhong fanden heraus, dass
eine Steinzertrümmerung
in vitro-Bedingungen wesentlich erhöht werden kann, wenn der sekundäre Puls,
der durch piezoelektrische Transducer erzeugt wird, während der
Kollapsphase der Hohlraumblasen auftritt, die durch die primäre Schockwelle
erzeugt werden, die durch einen elektrohydraulischen Schockwellen-Nierensteinzertrümmerer generiert
werden. Xi und Zhong untersuchten nicht die Effekte ihrer Vorrichtung
unter in vivo-Bedingungen. Überraschenderweise
wurde herausgefunden, dass das von Xi und Zhong offenbarte Verfahren
nicht in in vivo-Überprüfungen arbeitete. Obwohl
nicht mit Gewissheit bekannt ist, warum die Verfahren von Xi und
Zhong bei in vivo-Bedingungen ausfielen, kann dies daran liegen,
dass der Ausfall während
des Durchlaufs der Hilfsschockwellenpulse, die durch die piezoelektrischen
Transducer erzeugt werden, durch das Gewebe viel größer ist,
als der, welcher unter in vitro-Bedingungen
auftritt. Klinische Anwendungen benötigen unvermeidbarerweise den Durchgang
der sekundären
Schockwellenpulse, die durch die piezoelektrischen Transducer erzeugt
werden, durch das Gewebe. Ferner benötigt die klinische Anwendung
ebenso die Verwendung von akustischen Monitoren und röntgenstrahlverbessernden Luftsäcken, welche
die Fläche
verringern, die für
piezoelektrische Transducer verfügbar
ist. In der von Xi und Zhong beschriebenen Vorrichtung wurde der
gesamte verfügbare
Raum für
piezoelektrische Transducer verwendet und Xi und Zhong beschrieben
keine Einrichtung, die effektiv eine klinische Verwendung der sekundären Schockwellenpulse
ermöglicht, die
durch die piezoelektrischen Transducer zum Verbessern der Steinzerkleinerung
erzeugt werden.
-
Obwohl
die vorherbekannte Kombination eines PEAA-Generators und eines EH-Nierensteinzertrümmerers
von gewissen Unzulänglichkeiten
in der Effizienz und seiner Performance leidet, wurde dies dem Fachmann
nun offensichtlich. Es wird angenommen, dass die Entdeckung des
Anmelders diese Unzulänglichkeiten
beseitigt und einen verbesserten kombinierten PEAA-Generator und
EH-Generator schafft.
-
Zusammenfassung
und Aufgaben der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Vorrichtung und ein
Verfahren zum Generieren einer Sequenz von Schockwellenpulsen mit
einer spezifizierten sehr kurzen Zeitverzögerung und mit einer Druckbeziehung
zwischen den individuellen Pulsen, die ein Mittel zum Induzieren
eines transienten Hohlraum-Clusters schaffen und ein Mittel zum Steuern
der Größe und des
nachfolgenden Kollapses des Hohlraum-Clusters nahe der Zielablagerunen
in vivo, um eine erhöhte
Fragmentierungseffizienz mit erhöhter
Gewebe verletzung zu erreichen. Nach ausführlichen Experimenten wurde
nun herausgefunden, dass eine bestimmte Kombination von elektrohydraulischen
(EH) oder elektromagnetischen (EM) primären Schockwellengeneratoren
und einer piezoelektrischen Ringanordnung (PEAA) zum Generieren
eines sekundären
Schockwellenpulses mit einem bestimmten Zeitablauf und einer Anordnung
bezüglich
des primären
Schockwellenpulses eine verbesserte Steinzerkleinerung in vivo mit
reduzierter Gewebeverletzung erzeugt.
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung zum Erzeugen eines kontrollierten konzentrierten Kollapses
von Hohlraumblasen zur effizienten Zerkleinerung von Ablagerungen
in vivo mit reduzierten Verletzungen umgebenden Gewebes mittels
einer Kombination eines primären
Schockwellenpulses und eines sekundären Schockwellenpulses zu erzeugen.
-
Manche
der Aufgaben der Erfindung wurden festgehalten, andere Aufgaben
werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen und angehängten Ansprüchen erkennbar.
-
Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 (Stand
der Technik) zeigt eine Ablagerung in einem lebenden Körper und
ein Schockwellengenerierungssystem nach dem Stand der Technik zum
Generieren von zwei aufeinanderfolgenden Schockwellenpulsen, die
durch eine vorbestimmte Zeitverzögerung
separiert sind, zum Zerkleinern von Ablagerungen innerhalb eines
lebenden Körpers.
-
2 (Stand
der Technik) zeigt zwei aufeinanderfolgende Schockwellenpulse, die
durch eine spezifizierte Zeitverzögerung von 50 bis 400 μs getrennt
sind, um durch eine dehnbare Phase des ersten Schockwellenpulses
einen transienten akustischen Hohlraumblasen-Cluster nahe einer
Zielablagerung zu induzieren und durch den zweiten Schockwellenpuls
den induzierten Hohlraumblasen-Cluster zu kollabieren, nachdem er
sich auf seine maximale Größe ausdehnte,
um die Hohlraumenergie in Form von Flüssigkeit-Mikrojets in Richtung auf die Zielablagerung
für eine
verbesserte Fragmentierungseffizienz mit reduzierter Gewebeverletzung
zu konzentrieren (Stand der Technik).
-
3 (Stand
der Technik) ist eine Frontansicht eines Standes der Technik mit
kombiniertem elektrohydraulischen und piezoelektrischen Ringanordnungsschockwellengenerator,
wobei der piezoelektrische Ringanordnungsgenerator aus acht individuellen
Transducern besteht, die in einem Ringformat mit einem tragenden
Rahmen um den elektrohy draulischen (EH) Generator angeordnet sind,
und die einen verkürzten
Dornier (HM-3)-Reflektor
verwendet.
-
4 (Stand
der Technik) ist ein schematisches Diagramm eines experimentellen
Nierensteinzertrümmerers
und ein optischer Aufbau für
einen Schattenaufzeichner und eine photoelastische Abbildung unter
Verwendung des kombinierten elektrohydraulischen und piezoelektrischen
Ringanordnungsschockwellengenerators, der in 3 gezeigt
ist.
-
5 (Stand der Technik) zeigt einen Graphen
von verschiedenen akustischen Emissionssignalen, die durch (a) den
elektrohydraulischen Generator nach 3 bei 24
kV und (b) durch den piezoelektrischen Ringanordnungsgenerator nach 3 bei
15 kV erzeugt werden; und
-
6A ist
ein schematischer vertikaler Querschnitt durch den verbesserten
kombinierten elektrohydraulischen (EH) und piezoelektrischen Ringanordnungs-
(PEAA) Generator der vorliegenden Erfindung; und
-
6B ist
eine schematische Frontansicht der verbesserten Vorrichtung nach 6A.
-
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
A. Stand der Technik kombinierter
EH- and PEAA-Generator
-
1 zeigt
ein Verfahren mit Verwendung von zwei Schockwellenimpulsen 1, 2,
die durch eine spezifizierte Zeitverzögerung Δt 3 separiert sind.
Die Schockwellenpulse 1, 2 werden durch ein Schockwellengenerierungssystem 6 erzeugt
und konfokal auf eine Zielablagerung 4 innerhalb eines
lebenden Wesens 5 zum Zerkleinern der Zielablagerung 4 mit verbesserter
Fragmentierungseffizienz und verringerter Gewebeverletzung gerichtet.
Diese zwei Pulse bestehen aus einem ersten Schockwellenpuls 1 und einem
zweiten Schockwellenpuls 2, die in der Zeit durch eine
Zeitverzögerung Δt 3 separiert
sind. Es wurde herausgefunden, dass für einen optimalen Effekt diese
Zeitverzögerung
zwischen 50 bis 400 μs sein
sollte.
-
Ebenso
ist eine andere Technik nach dem Stand der Technik in 2 illustriert,
in welcher die Druckwellenform 7 des ersten Druckwellenpulses 1 aus
einer kompressiven Phase mit einer positiven Spitzendruckamplitude
in dem Bereich von 20 bis 100 Millionen Pascal (MPa) und einer positiven
Dauer von 1 bis 2 μs
besteht, gefolgt durch eine dehnbare Phase mit einer negativen Spitzendruckamplitude von –1 bis –10 MPa
und einer Dauer von 2 bis 5 μs. Die
Druckwellenform 8 des zweiten Schockwellenpulses 2 besteht
im Wesentlichen aus einer kompressiven Phase mit einer positiven
Spitzendruckamplitude von 2 bis 100 MPa und einer Dauer von 5 bis
40 μs. Es
wurde herausgefunden, dass die Zeitverzögerung Δt 3 zwischen dem ersten
Schockwellenpuls und dem zweiten Schockwellenpuls 2 in
dem Bereich von 50 bis 400 μs
zum Erreichen einer verbesserten Steinzerkleinerung und einer Reduzierung
von Gewebebeschädigungen
sein sollte.
-
Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführungsform
der vorhergehenden Entdeckung, wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, wird die dehnbare Phase des ersten Schockwellpulses 1 zum
Induzieren eines fortlaufenden Hohlraumblasen-Clusters 9 nahe
einer Ablagerungsfläche 4 induziert,
wobei das induzierte Hohlraumblasen-Cluster 9 auf seine maximale
Größe in 50
bis 400 μs
anwächst,
in Abhängigkeit
der Intensität
des ersten Schockwellenpulses 1. Der zweite Schockwellenpuls 2,
der von dem ersten Schockwellenpuls 1 durch eine vorbestimmte
Zeitverzögerung
separiert ist, wird verwendet, um das Hohlraumblasen-Cluster 9 bei
seiner maximalen Ausdehnung zu kollabieren, welches zu einem abgestimmten
Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters 9 in Richtung
der Zielablagerung 4 führt.
Es wurde herausgefunden, dass dieser forcierte Kollaps in der Bildung
von Hochgeschwindgkeitsflüssigkeitsstrahlen 10 resultiert,
die in Richtung der Zielablagerung 4 aufschlagen und eine
Desintegration des Steines 4 mit erhöhter Geschwindigkeit verursachen,
verglichen mit dem unkontrollierten Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorhergehenden Entdeckung kann der erste Schockwellenpuls 1 durch
eine elektrohydraulische Vorrichtung generiert werden, die eine
Funkenentladung in Wasser mit einem ellipsoiden Reflektor verwendet, die
durch Hoff und andere in dem US-Patent 3,942,531 beschrieben ist.
Elektromagnetische Schockwellengeneratoren, wie die in dem Stand
der Technik bekannten, können
ebenso verwendet werden, wie die Vorrichtung, die in dem US-Patent 4,655,220
von Hahn und anderen beschrieben ist. Zusätzlich können piezoelektrische Schockwellengeneratoren
verwendet werden, die ebenso einem Experten bekannt sind, wie die
Vorrichtung, die von Wurster und anderen in dem US-Patent 4,821,730
offenbart ist. Die schon offenbarten Vorrichtungen generieren eine
Verteilung von hochintensiven Schockwellen in einem fokalen Volumen,
das die Zielablagerungen 4 umgibt. Es ist in dem Stand
der Technik wohl bekannt, dass der Strahldurchmesser eines Schockwellenpulses
in der fokalen Ebene und der Tiefe des Fokusses entlang der Schockwellenachse in
dem Bereich von 2 bis 15 bzw. 12 bis 120 mm liegt. Es wurde herausgefunden,
dass das transiente Hohlraumblasen-Cluster, das durch diese Vorrichtungen induziert
wird, in einem Volumen zwischen 1,4 und 65 cm3 verteilt
ist.
-
Gemäß anderen
vorteilhaften Ausführungsformen
der vorhergehenden Entdeckungen kann der zweite Schockwellenpuls 2 piezoelektrisch
durch die Überlagerung
von individuellen Schockwellenpulsen verschiedener Amplituden, Frequenzen
und Phasen generiert werden, wie durch Wurster und andere in dem
US-Patent 4,888,746 beschrieben. Wurster und andere offenbaren einen
fokussierenden Ultraschall-Transducer,
der aus einer mosaikartigen Anordnung von piezoelektrischen Materialien
besteht, die auf einer inneren Oberfläche einer sphärischen Kappe
befestigt sind, wobei der Antrieb der individuellen piezoelektrischen
Elemente elektronisch gesteuert wird. Darüber hinaus offenbart Wurster
und andere, dass das Antreiben in einer bestimmten Sequenz einer
Anordnung von piezoelektrischen Elementen in solch einer Weise,
dass die negativen Halbwellen der akustischen Wellen, die an der
aktiven Transducer-Oberfläche
durch momentane Rückoszillation
der Transducer-Oberflächen, die
in jedem Fall angetrieben werden, durch ein Antreiben in gegenteiliger
Phase anderer Transducer-Elemente ausgeglichen werden kann, d. h.,
dass ein positiver Druck nur in dem Brennpunkt auftreten wird.
-
Um
eine Hohlraumbildungssteuerung in klinisch relevanter Konfiguration
abzuschätzen,
wurde ein experimenteller Nierensteinzertrümmerer, der einen kombinierten
Grund EH/PEAA-Schockwellengenerator 100 verwendet (3)
vor kurzem von den Anmeldern an der University in Durham, North
Carolina, entworfen und hergestellt. Während der EH-Generator 110 zum
Simulieren der Schockwelle und der assoziierten Hohlraumbildung,
die durch einen klinischen Nierensteinzertrümmerer erzeugt wird, verwendet
wurde, wurde der hinzugefügte
PEAA-Generator 112 zum Steuern des Kollapses der Hohlraumblasen
verwendet, die durch die EH-Quelle induziert werden. Der Prototyp-PEAA-Generator
besteht aus acht individuellen Transducern 112, die in
einem kreisförmigen
Format auf einem Trägerrahmen 114 angeordnet
sind, der mechanisch mit der EH-Quelle 110 verbunden ist.
Jeder Transducer 112 wurde aus einem scheibenförmigen PZT-4-Element 112A (Channel
Industries, Santa Barbara, CA, D = 50 mm, Thk = 10 MM) und einer
Aluminiumscheibe (nicht dargestellt) der gleichen Größe als Stützmaterial
hergestellt, wobei beide innerhalb eines Lucite-Zylinders 112B unter
Verwendung eines Epoxyharzes (nicht gezeigt) fixiert sind. Der PEAA-Generator 112 (Brennweite
F = 150 mm) wurde koaxial und konfokal entlang der EH-Quelle 110 ausgerichtet,
die einen abgeschnittenen Dornier HM-3-Reflektor (nicht dargestellt) verwendet
[halbe Hauptachse a = 138 mm, halbe Nebenachse b = 77,8 mm und Brennweite
(von der Öffnung
bis F2) = 119 mm], sodass der gesamte Einfallswinkel des kombinierten
Schockwellengenerators 100 etwa 105° war, sodass er innerhalb des von
chemischen Nierensteinzertrümmerern
verwendeten Bereichs gehalten ist. Der kombinierte Schockwellengenerator 100 wurde
horizontal in einem Plexiglastank (51 × 64 × 76, H × W × L cm) befestigt, das mit
entgasten (Sauerstoffkonzentration < 4 mg/L) und deionisiertem Wasser gefüllt war. 4 zeigt
ein schematisches Diagramm des vorher entwickelten experimentalen
Nierensteinzertrümmerers
und des Hochgeschwindigkeitsbilderfassungssystems, das zum Charakterisieren
der in situ-Schockwellenblaseninteraktion
verwendet wird, die durch den kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerator 100 erzeugt
wird.
-
Die
PEAA-Generatoren 120 und der EH-Generator 110 wurden
durch zwei unabhängige
Hochspannungspulsgeneratoren 116 eines lokalen Designs
angeregt. Der Pulsgenerator der PEAA verwendete einen 0,5 μF-Kondensator
und eine Entladungsspannung, die zwischen 10 und 20 kV anpassbar
ist, der Pulsgenerator für
die EH verwendete zwei parallele 40 nF-Kondensatoren und wurde zwischen 20
und 30 kV mit einer Standard-Dornier-Elektronik betrieben. In all
den beschriebenen Experimenten wurde der PEAA-Generator 120 bei
15 kV und der EH-Generator 110 bei 24 kV entweder individuell oder
kombiniert betrieben. Beide Generatoren waren abgeschirmt und geerdet,
um die Emission von elektromagnetischen Rauschen zu verringern,
das durch die Hochspannungsentladung erzeugt wird. Darüber hinaus
wurden Trigger-Signale
für die
Generatoren durch opto-elektrische Konverter durch optische Leitungen
bereitgestellt, um ein Quersprechen zwischen den zwei Schockwellenquellen
im Betrieb zu vermeiden. In einem typischen Hohlraumsteuer-Experiment wurde
die EH-Quelle 110 zuerst
ausgelöst.
Die Funkenentladung der Elektrode wurde dann durch einen schnellen
Fotodetektor 118 (PDA 450, Thorlabs, Newton, NJ) aufgenommen
und durch einen digitalen Verzögerungsgenerator 122 (DG535,
Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA) verzögert, um ein zeitverzögertes Signal
zum Triggern des PEAA-Generators 120 zu schaffen. Der Jitter
des PEAA-Generators 120 (Zeitverzögerung zwischen dem Eingangs-Triggersignal
und der Ausgangsschockwelle) wurde als kleiner 5 μs bestimmt.
Da die durch einen EH-Nierensteinzertrümmerer induzierten Blasen sich gewöhnlich ausdehnen
und dann innerhalb von 200 bis 400 μs kollabieren, konnten die durch
den PEAA-Generator 120 erzeugten Schockwellen verwendet
werden, um verlässlich
mit den Blasen bei verschiedenen Zuständen ihrer Oszillation zu interagieren.
-
Die
Druckwellenform, die entweder durch die PEAA 120 oder die
EH 110-Quelle erzeugt wurde, wurde individuell unter Verwendung
eines kalbrierten Polyvinyliden-Difluorid-
(PVDF) Membran-Hydrophons 124 (Sonic Industries, Halboro,
PA) vermessen, das eine Frequenzbandbreite von 20 MHz, eine minimale
Anstiegsflankenauflösung
von 11 ns und eine Empfindlichkeit von 6,8 kPa/mV aufweist. Um das
akustische Feld des PEAA-Generators 120 abzubilden, wurde
das PVDF-Hyrophon mit 1 bis 2 mm-Schritten abgescannt, entweder
entlang oder quer zu der Schockwellenachse. Für die EH-Quelle 110 wurden
Messungen nur an dem Brennpunkt durchgeführt. Das Ausgangssignal des
Hydrophons wurde mit einem LECROY-Digital-Oszilloskop 126 (Modell
9314) mit einer 100 MHz-Sampling-Rate aufgezeichnet.
-
Die
Dauer der durch den EH 110 oder PEAA-Generator 120 induzierten
Oszillation wurde unter Verwendung eines passiven Hohlraumbildungserfassungssystems
bestimmt und ein 2,25 MHz-resonanzfrequenzfokussiertes Hydrophon 124 (F
= 101,6 mm) verwendet. Der –6
dB-Strahldurchmesser des fokussierten Hydrophons wurde als etwa 3
mm abgeschätzt,
sodass die Blasenaktivität
innerhalb eines kleinen Volumens um F2 erfasst werden könnte. Das
fokussierte Hydrophon wurde senkrecht zu der Nierensteinzertrümmererachse
und konfokal mit F2 ausgerichtet. 5 zeigt ein Beispiel der typischen akustischen
Emissions- (AE) Signale, die mit der Blasenoszillation assoziiert
sind, die durch die EH 110 bzw. PEAA 120-Quelle
erzeugt wird. Der erste Burst (1°)
repräsentiert
die anfängliche
Kompression und die nachfolgende schnelle Ausdehnung der vorexistierenden
Hohlraumbildungskerne durch die eingehende Schockwelle, wobei der
zweite Burst (2°) dem
primären
Kollaps des Blasen-Clusters
entspricht. Für
die EH-Quelle 110 konnte ebenso ein getrennter dritter
Burst (3°)
entsprechend dem nachfolgenden Kollaps der großen zurückprallenden Blasen identifiziert
werden. Aufgrund der getrennten Burst-Struktur konnte die Kollapszeit
für die
Blasen bezüglich
des Ankommens der Nierensteinzertrümmererschockwelle bei F2 (T1-2 für
das Blasen-Cluster und T1-3 für die zurückprallenden
Blasen) einfach gemessen werden. Nachfolgend werden entsprechende
Werte für
die EH-Quelle 110 verwendet, um den Trigger für den PEAA-Generator 120 zu
steuern, sodass ein forcierter Kollaps der Blasen bei verschiedenen
Zuständen
ihrer Oszillation erzeugt werden kann.
-
Unter
Verwendung eines PEAA-Generators 120, der mit einem experimentellen
EH-Nierensteinzertrümmerer 110 kombiniert
ist, wurde zuerst in vitro demonstriert, dass eine Steinfragmentation
wesentlich verbessert werden kann, wenn eine geeignete Schockwellensequenz
verwendet wird. Die Hilfsschockwelle, die durch den PEAA- Generator 120 erzeugt
wird, war in der Größenordnung
von 8 MPa in dem Spitzenpositivdruck, der alleine nicht ausreichend
kräftig
ist, um eine Steinfragmentation zu verursachen. Jedoch wenn er mit
einer geeigneten Zeitsequenz mit dem EH-Nierensteinzertrümmererpuls kombiniert wird,
wurde herausgefunden, dass diese Hilfsschockwelle wesentlich den
Kollaps der Nierensteinzertrümmerer-induzierten
Blasen nahe der Steinoberfläche
verstärkt,
was zu einer wesentlich verbesserten Steinzertrümmerung führt. Die maximale Erhöhung der
Steinfragmentierung konnte konsistent für Steinphantome von drei verschiedenen Dichten
erreicht werden, wenn die Hilfsschockwelle zum Interagieren direkt
mit den aggregierten Blasen an der Oberfläche des Steines geliefert wurde.
Jedoch wurde überraschenderweise
herausgefunden, dass, wenn die Experimente künstliche Nierensteine, die
in Schweinenieren implantiert wurden, verwendeten, dass die vorteilhafte
Resultate, die in vitro beobachtet sind, in vivo nicht auftreten.
-
B. Verbesserter elektrohydraulischer
und piezoelektrischer Ringanordnungsgenerator
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform 200 der
vorliegenden Erfindung, wie in den 6A und 6B gezeigt,
ist eine Anordnung von sechs fokussierten Sätzen piezoelektrischer Elemente 212 um den
Reflektor R und die Achse einer primären Schockwellenquelle 210 angeordnet,
um einen kombinierten Schockwellengenerator 200 zu bilden,
obwohl zwischen 6 und 2000 piezoelektrische Elemente 212 verwendet
werden könnten.
Eine alternative Anordnung der piezoelektrischen Elemente ist ebenso
möglich,
vorausgesetzt, dass sie operativ mit dem Umfang des Reflektors der
primären
Schockwellenquelle assoziiert sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform
besteht das piezoelektrische Element aus Piezokeramiken, die in
Epoxyharz eingebettet sind, um zusammengesetzte piezoelektrische
Blöcke
zu bilden. Es wurde nun herausgefunden, dass jeder individuell zusammengesetzte
piezoelektrische Block selbstsphärisch
konkav und auf einen Konvergenzspot fokussiert sein muss, der im
Wesentlichen kongruent mit der Zielablagerung ist. Ferner muss ebenso
die Anordnung der piezoelektrischen Blockelemente in solch einer
Weise fokussiert sein, dass jedes der individuell fokussierten piezoelektrischen Blockelemente
nicht mit dem Ausgang eines anderen piezoelektrischen Blockelementes
interferiert. Es wurde herausgefunden, dass die piezoelektrischen Elemente 212 vorzugsweise
in einer sphärisch
konkaven Konfiguration um den Reflektor R der primären Schockwellenquelle 210 angeordnet
werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden sechs solcher
Elemente 212 verwendet. Jedoch können weniger wie zwei Elemente
oder viele wie 20 Elemente 212 verwendet werden. Abstände für den Durchlauf von
Röntgenstrahlen
für die
Lokalisierung von zu zertrümmernden
Nierensteinen wurden ebenso geschaffen.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Spitzendruck von 9 bis 30 MPa durch die Anordnung der piezoelektrischen
Elemente 212 in dem Brennpunkt der primären Schockwellenquelle 210 erzeugt. Es
ist ebenso wichtig, dass dieser Spitzendruck, der durch die piezoelektrischen
Elemente erzeugt wird, innerhalb mindestens 401 μs, aber weniger als 1000 μs erzeugt
wird, nachdem der Spitzendruck der primären Schockwellenquelle erzeugt
wird, obwohl ein Bereich von 10 μs
bis 1000 μs
möglich
ist.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die primäre
Schockwellenquelle 210 ein elektrohydraulischer Funkengenerator.
Dennoch geben die Anmelder an, dass ebenso ein elektromagnetischer Schockwellengenerator
verwendet werden könnte. Es
ist wichtig, dass die primäre
Schockwellenquelle 210 einen Spitzendruck von mindestens
20 MPa, aber weniger als 130 MPa erzeugt. Es ist ebenso wichtig,
dass die Dauer der dehnbaren Komponente der primären Schockwelle mindestens
zwei μs,
aber weniger als 10 μs
sein muss. Die Dauer der kompressiven Komponente der primären Schockwelle
muss mindestens 0,5 μs,
aber weniger als 3 μs
sein.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 212 und der
primären
Schockwellenquelle 210 zusätzlich mit mindestens zwei
selbst fokussierenden Hydrophonen H versehen, die konfokal mit dem
primären Schockwellenfokus
und mit dem piezoelektrischen Schockwellenfokus ausgerichtet sind.
In dieser bevorzugten Ausführungsform
sind die selbstfokussierten Hydrophone H PANAMETRICS-Hydrophone,
deren Brennweite 150 mm und deren nominaler Elementdurchmesser 37,5
mm ist.
-
Im
Betrieb arbeitet die bevorzugte Ausführungsform wie folgt: Die primäre Schockwellenquelle 210 wird
getriggert, um eine Schockwelle zu generieren, die Hohlraumblasen
um die anvisierten Nierensteine induziert, welche in dem Fokus der
primären Schockwellenquelle
lokalisiert sind. Die Dauer der Blasenoszillation (Expansion und
Kollaps) wird aus den akustischen Emissionssignalen bestimmt, die durch
die zwei selbstfokussierenden Hydrophone H aufgenommen werden, welche
konfokal mit der primären
Schockwellenquelle 210 ausgerichtet sind. Die akustische
Emissionsinformation wird verwendet, um die Zwischenpulsverzögerung zwischen
den Schockwellen zu bestimmen, die durch die primäre Schockwellenquelle 210 generiert
wird und denen, die durch die piezoelektrischen Elemente 212 generiert
sind. Eine verbesserte Steinzertrümmerung wird erreicht, wenn
die Schockwelle, die durch die piezoelektri schen Elemente 212 erzeugt
wird, an dem Fokus der primären
Schockwelle, während
der Kollapsphase der Hohlraumblasen ankommt, die durch die primäre Schockwelle 210 erzeugt
sind. Es wurde herausgefunden, dass auf diese Weise ein verstärkter Kollaps
der Hohlraumblasen in Richtung der anvisierten Nierensteine erzeugt
wird, das zu einer verbesserten Zertrümmerung der anvisierten Nierensteine führt.
-
Zusammenfassend
führte
vorhergehende Forschung unter Verwendung eines kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators 100 mit
optimalen Pulssequenzen zu einer signifikanten Verbesserung in einer
Steinzertrümmerung
in vitro. Das Ergebnis zeigte die Möglichkeit einer Verwendung
eines solchen Konzeptes zum Verbessern einer Lithotripsie-Effizienz.
Die Anmelder haben nun herausgefunden, dass eine verbesserte Vorrichtung
zum Verwenden eines kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators 200 eine
verbesserte PEAA-Anordnung und eine Konfiguration beinhaltet, die
in einer unerwarteten und überraschenden
Verbesserung in der Effizienz des kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators
in vivo resultiert.
-
C. Physik des verbesserten
elektrohydraulischen und piezoelektrischen Ringanordnungsgenerators
-
Schockwellennierensteinzertrümmerer verwenden
die Tatsache, dass akustische Eigenschaften von menschlichem Gewebe
gleich zu der von Wasser sind, wobei die akustischen Eigenschaften von
Nierenablagerungen sehr verschieden von entweder Wasser oder Gewebe
sind. Aufgrund dessen können
akustische Signale durch Wasser und Gewebe transmittiert werden,
aber teilweise absorbiert und teilweise durch eine Ablagerung reflektiert
werden. Durch Fokussieren von hochdruckakustischen Impulsen auf
eine menschliche Ablagerung in einem lebenden Körper kann die Ablagerung mittels
Schalldruckeffekten und Hohlraumblaseneffekten fragmentiert werden.
Es wurde herausgefunden, dass ein sekundärer akustischer Puls einer
Intensität,
die nicht groß genug
ist, um selbst eine Steinfragmentation zu verursachen, falls er
bezüglich
eines anfänglichen akustischen
Pulses richtig zeitgesteuert ist, verursachen kann, dass die Hohlraumblasen,
die durch den hochintensiven anfänglichen
Puls erzeugt werden, in Richtung der Ablagerungen kollabieren, bevor
sie einen ausreichend großen
Durchmesser erreichen, um Kapillargefäße zu zerstören. Es wurde nun herausgefunden,
dass eine verbesserte Nierensteinzertrümmervorrichtung zum Zerkleinern
von Nierensteinen durch Kombinieren einer primären Schockwellenquelle erzeugt
werden kann, gleichgültig,
ob es eine elektrohydraulische oder elektromagnetische ist, mit
sekundären
Schockwellenquellen.
-
In
dem elektrohydraulischen Fall wurde herausgefunden, dass die zweiten
Schockwellenquellen eines spezifischen Typs und einer Anordnung,
wenn sie auf dem Umfang des Reflektors angeordnet sind, welcher
zum Fokussieren der akustischen Impulse von der elektrohydraulischen
Schockwellenquelle auf die Nierenablagerungen verwendet wird, unter
bestimmten Bedingungen eine verbesserte Steinzertrümmerung
in vivo mit verringerter Gewebeverletzung erzeugen kann. Die primäre Schockwellenquelle
hat einen Maximaldruck, der Hohlraumblasen um den Fokus der primären Schockwellenquelle
erzeugt. Durch Hinzufügen
einer Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren eines bestimmten
Typs und einer Anordnung können
Hilfsschockwellen der richtigen Intensität und einer Zeitsteuerung erzeugt
werden, um hilfreiche Effekte auf die Steinzertrümmerung zu verursachen, wodurch
eine Nierenbeschädigung
reduziert wird. Diese piezoelektrischen Generatoren sind orientiert,
um einen gemeinsamen Konvergenzpunkt aufzuweisen, welcher kongruent
mit dem Fokus der primären
Schockwellenquelle ist. Jeder dieser piezoelektrischen Generatoren
besteht aus mindestens einem sphärischen
konkaven piezoelektrischen Element. Indem jedes piezoelektrische
Element sphärisch
konkav gemacht ist, muss der akustische Impuls, den jedes produziert,
selbst auf die Target-Ablagerung fokussiert werden. Flache piezoelektrische
Elemente können
nicht individuell fokussiert werden. Es wurde herausgefunden, dass
durch Anordnen sphärisch
konkaver piezoelektrischer Elemente in einer ringförmigen Anordnung
um mindestens einen Teil des Umfanges des Reflektors, der zum Fokussieren
der primären
Schockwellenquellenimpulse dient, der Kollaps der Hohlraumblasen,
die durch die primäre
Schockwellenquelle erzeugt werden, gesteuert werden kann, wenn die
ringförmige Anordnung
der piezoelektrischen Generatoren an dem Umfang des primären Schockwellenquellenreflektors
orientiert ist. Diese Orientierung kombiniert mit der sphärischen
konkaven Natur der piezoelektrischen Elemente erzeugt einen starken
akustischen Impuls an dem gemeinsamen Konvergenzpunkt dieser sphärisch konkaven
piezoelektrischen Elemente. Dieser gemeinsame Konvergenzpunkt sollte
im Wesentlichen kongruent mit dem Fokus der primären Schockwellenquelle sein.
-
Um
eine Steuerung und einen Kollaps der Hohlraumblasen zu erreichen,
die durch die primäre Schockwellenquelle
erzeugt werden, ist es notwendig, die piezoelektrischen Generatoren
mit einem Zeitverzögerungsgenerator
operativ zu verbinden, sodass das Auslösen der Hilfsschockwellen verzögert wird
und auftritt, nachdem der Maximaldruck der primären Schockwelle an ihrem Fokus
erzeugt wurde. Mindestens ein Hydrophon, das im Wesentlichen konfokal
mit der primären
Schockwellenquelle ausge richtet ist, bestimmt die benötigte Zeitverzögerung. Durch
diese Mittel wurde herausgefunden, dass es möglich ist, den Kollaps der
Hohlraumblasen, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt
werden, so zu steuern und so den Kollaps zu forcieren, dass sie
forciert werden in Richtung der anvisierten Nierenablagerungen in
vivo zu kollabieren und simultan eine verbesserte Ablagerungszerkleinerung
und reduzierte Gewebeverletzung zu erzeugen. Aus diesem Grund sollte
die Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren zwischen 2 und 2000
piezoelektrischen Elementen aufweisen, obwohl sechs piezoelektrische
Elemente aus kombinierten Überlegungen ökonomischer
und physikalischer Effekte vorteilhaft sein können. Diese kombinierten piezoelektrischen
Generatoren sollten einen Spitzendruck zwischen 9 und 30 MPa nahe
der Zielablagerungen schaffen, um effektiv zu sein und zusätzlich sollte
der Spitzendruck mit einer Zeitverzögerung in dem Bereich von 10
bis 1000 μs
nach dem Spitzendruck der primären Schockwelle
erzeugt werden, obwohl 401 bis 1000 μs für manche Fälle vorteilhaft sein könnten. Abschließend sollte
die primäre
Schockwellenquelle einen Spitzendruck zwischen 20 und 130 MPa erzeugen
und eine dehnbare Komponente mit eine Pulsdauer zwischen 2 und 10 μs und eine
kompressive Komponente mit einer Pulsdauer zwischen 0,5 und 3 μs aufweisen,
um einen Überfluss
von Hohlraumblasen zu erzeugen.
-
Es
ist zu verstehen, dass vielfältige
Details der Erfindung geändert
werden können,
ohne aus dem Umfang der Erfindung herauszufallen. Ferner dient die
vorhergehende Beschreibung nur der Illustration und nicht der Einschränkung, da
die Erfindung durch die Ansprüche
definiert ist, wie sie nachfolgend ausgeführt sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zum
Zerkleinern von Steinen im lebenden Organismus durch gesteuerte
konzentrierte Hohlraumenergie unter Verwendung zweier Schockwellenpulse
mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung
und einer Druckbeziehung, wobei der erste Schockwellenpuls zum Induzieren
eines sich fortpflanzenden Hohlraumblasen-Clusters nahe dem Zielstein
verwendet wird und der zweite Schockwellenpuls zum Steuern und Forcieren
des Zusammenfalls des Hohlraumblasen-Clusters in Richtung des Zielsteines
mit einer konzentrierten Energiedisposition, wobei Verletzungen
des umgebenden Gewebes vermieden werden. Die Erfindung betrachtet
die Verwendung eines verbesserten kombinierten elektrohydraulischen
oder elektromagnetischen und eines piezoelektrischen ringförmig angeordneten
Schockwellengenerators zum Erzeugen einer verbesserten Steinzerkleinerung
mit verringerten Gewebeverletzungen in einem lebenden Organismus.