DE19881185B4 - Vorrichtung zur Zertrümmerung von Konkrementen - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Zertrümmerung von Konkrementen, mit
– einer länglichen, in den menschlichen Körper einführbaren Sonde (1),
– einer Antriebseinheit, die einen Prallkörper (2) beschleunigt, und
– einer Hebeleinheit, die wenigstens einen einarmigen Hebel (4) aufweist, der um eine Drehachse (5) drehbar derart gelagert ist, daß er in seiner Ruhestellung an der proximalen Endfläche (11) der Sonde (1) anliegt, und den der Prallkörper beim Auftreffen dreht, so daß der Hebel (4) die an ihm anliegende Sonde beschleunigt und diese eine Translationsbewegung ausführt, aufgrund derer das Konkrement durch das Auftreffen der distalen Endfläche der Sonde zertrümmert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand r3 des Zentrums der Anlagefläche des Hebels in Ruhestellung an der proximalen Endfläche (11) von der Drehachse (5) des Hebels (4) kleiner ist als der Abstand r1 des Zentrums der Auftrefffläche des Prallkörpers auf den Hebel (4) von der Drehachse (5), und
daß die Masse...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zertrümmerung von Konkrementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Intrakorporal arbeitende Vorrichtungen Zertrümmerung von Konkrementen sind allgemein bekannt. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise als sogenannte Lithotripter in der Medizin eingesetzt, um Konkremente wie Nierensteine, Harnsteine oder dergleichen durch kurze Impulsstöße einer in den menschlichen Körper eingeführten Sonde zu zerstören bzw. so zu zerkleinern, daß sie über den Harnweg abgeführt werden können.
  • Eine Vorrichtung, von der bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, ist in der WO 96/33661 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung weist eine längliche, in den menschlichen Körper insbesondere über den Harnleiter einführbare Sonde auf. Am proximalen Ende der Sonde liegt ein Hebel an, dessen Drehbewegung die Sonde zu einer translatorischen Bewegung als Ganzes mit einer Geschwindigkeit beschleunigt, die ausreicht, daß durch das Auftreffen des distalen Endes der Sonde auf das Konkrement dieses zertrümmert bzw. zerstört wird. Der Hebel wird beispielsweise durch einen Prallkörper, der mit hoher Geschwindigkeit auf ihn auftritt, zu einer schnellen Drehbewegung angetrieben.
  • Aus der EP 0 317 507 B1 ist eine scheinbar ähnliche Vorrichtung zur Zerstörung von Konkrementen bekannt. Bei dieser Vorrichtung trifft ein Projektil auf die proximale Grenzfläche eines Wellenleiters auf. Durch das Auftreffen des Projektils sollen in dem Wellenleiter Stoßwellen angeregt werden, die zu einer Verlagerung der distalen Grenzfläche des Wellenleiters führen sollen.
  • Die aus der WO 96/33661 A1 sowie der DE 195 35 828 A1 bekannte Vorrichtung hat gegenüber der aus der EP 0 317 507 B1 bekannten Vorrichtung, bei der in dem Wellenleiter lediglich oder hauptsächlich Stoßwellen bzw. Kompressionswellen angeregt werden, folgenden Vorteil: Da bei der aus der WO 96/33661 A1 bekannten Vorrichtung die Sonde als Ganzes verlagert wird, trägt die Masse der Sonde zur kinetischen Energie der Sonde bei. Bei der aus der EP 0 317 507 B1 bekannten Vorrichtung trägt dagegen nur der von der „durchwandernden" Kompressionswelle beeinflußte Bruchteil der Gesamtmasse zur kinetischen Energie bei.
  • Damit trägt bei der aus der WO 96/33661 A1 bekannten Vorrichtung, bei der die Sonde als Ganzes verlagert wird, die gesamte Masse der Sonde zur kinetischen Energie der Sonde bei.
  • Bei der aus der EP 0 317 507 B1 bekannten Vorrichtung trägt dagegen nur der von der „durchwandernden" Kompressionswelle beeinflußte Bruchteil der Gesamtmasse zur kinetischen Energie bei. Damit ist bei der aus der WO 96/33661 A1 bekannten Vorrichtung, bei der die Sonde als Ganzes bewegt wird, die „effektive kinetische Energie" sehr viel größer, so daß ein hervorragender Zertrümmerungserfolg erreicht wird.
  • In der US 5,449,363 A ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Hammer eine Rotationsbewegung ausführt. Er wird mittels Luftdruck beschleunigt und gibt am Ende seiner Bahn die Energie in die Sonde ab. Hier ist allerdings der schon zuvor beschriebene Hebel nicht vorhanden.
  • Der Grund für die translatorische Bewegung der Sonde als Ganzes anstelle der Anregung einer Stoßwelle bzw. einer Kompressionswelle liegt in der Verwendung eines Hebels:
    Der Hebel wirkt als Transformationselement, das eine Tiefpaßwirkung hat. Aufgrund dieser Tiefpaßwirkung wird die kinetische Energie des Prallkörpers durch den als Transformationselement dienenden Hebel so umgesetzt, daß im wesentlichen nur eine translatorische Bewegung der Sonde mit der erwähnten hohen kinetischen Energie ohne therapeutisch wirksamen Kompressionswellenanteil erreicht wird.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es durch Optimieren des Verhältnisses des Abstandes des Zentrums der Anlagefläche des als Transformationselements dienenden Hebels in Ruhestellung an der proximalen Endfläche von der Drehachse des Hebels und des Abstandes des Zentrums der Auftrefffläche des Prallkörpers auf den Hebel von der Drehachse möglich ist, eine möglichst hohe translatorische Geschwindigkeit bei optimaler kinetischer Energie der Sonde zu erreichen.
  • Insbesondere liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß bei der aus der WO 96/33661 bekannten Vorrichtung die Hebelverhältnisse – wie sie der Zeichnung zu entnehmen sind – nicht optimal gewählt sind.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zur mechanischen Zertrümmerung von Konkrementen dienende Vorrichtung anzugeben, bei der die Sonde mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf das Konkrement auftrifft, und möglichst viel der kinetischen Energie des Prallkörpers auf die Sonde übertragen wird.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 Insbesondere kann der Abstand des Zentrums der Anlagefläche des Hebels in Ruhestellung an der proximalen Endfläche von der Drehachse des Hebels deutlich kleiner sein als der Abstand des Zentrums der Auftrefffläche des Prallkörpers auf den Hebel von der Drehachse.
  • Dies bedeutet, daß sich der erste Stoßpunkt zwischen der Drehachse und einem frei beweglichen Ende des Hebelelements befindet und daß die Sonde insbesondere statt von der Mitte des Hebelelements von einem anderen Bereich des Hebelelements beaufschlagt wird. Während bei der herkömmlichen, mit Rücksicht auf die zylindrische Bauart des Gehäuses erfolgten Hebelgestaltung und Hebelanordnung der erste Stoßpunkt am frei beweglichen Hebelende und der zweite Stoßpunkt exakt in der Mitte zwischen beiden Hebelenden vorgesehen ist, ermöglicht es die erfindungsgemäße asymmetrische Lage der Stoßpunkte, die Energieübertragung vom Prallkörper auf die Sonde auf die bekeiligten Massen von Prallkörper, Hebel und Sonde abzustimmen und durch den Hebelmechanismus bedingte Energieübertragungsverluste weitgehend zu vermeiden.
  • Weiterhin für die Abstände r1 und r3 gilt (r3/r1)2 = m1/m3 hierbei sind
    • m1
    Masse des Prallkörpers
    m2
    Masse der Sonde
    r1
    Abstand des Zentrums der Auftrefffläche des Prallkörpers auf den Hebel von der Drehachse,
    r3
    Abstand des Zentrums der Anlagefläche des Hebels in Ruhestellung an der proximalen Endfläche von der Drehachse der Sonde.
  • Dadurch wird die kinetische Energie des Projektils trotz unferschiedlicher Massen von Sonde und Prallkörper praktisch vollständig auf die Sonde übertragen wird. Da die Sonde aufgrund ihrer Länge, die zur Einführung in den menschlichen Körper erforderlich ist, meist deutlich schwerer ist als das Projektil, kann eine vollständige Energieübertragung nur bei unterschiedlichen Stoßradien von Stoßeinheit und Sande erreicht werden.
  • Insbesondere kann die Drehachse in Richtung der Längsachse des Hebels in dessen Ruhestellung verschiebbar sein, so daß die Hebelwirkung einstellbar ist. Um die Energieübertragung nicht nur im Bereich des Gehäuseinneren, sondern auch zwischen dem distalen Sondenende und dem Konkrement zu optimieren, ist eine Regulierung der seitlichen Lage des Hebelelements dann vorteilhaft, wenn die Energieübertragung für die Zertrümmerung verschieden großer Konkremente auf die jeweilige Konkrementmasse abgestimmt werden soll.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, daß das proximale Ende der Stoßsonde und die Stoßeinheit seitlich gegeneinander verschiebbar sind, um eine Regulierung der Hebelwirkung zu ermöglichen. Während eine Verschiebung des Hebels beide Stoßradien verändert, kann gemäß dieser Möglichkeit einer der Stoßradien unabhängig von dem anderen optimiert werden. Als Verschiebung wird hier entgegen der sonst wörtlichen Bedeutung jede Bewegung bezeichnet, die zu einer seitlichen Versetzung von Sonde und Stoßeinheit führt; beispielweise kann eine Drehung der Stoßeinheit bzw. des hinteren Teils des Gehäuses um eine außerhalb der Gehäusemitte oder des proximalen Sondenendes verlaufende Achse oder ein sonstiger Verstellmechanismus zu einer seitlichen Annäherung von Stoßeinheit und Stoßsonde (bzw. deren gehäuseseitiger Verlängerung) führen.
  • Weiterhin ist es möglich, daß das Hebelelement über seine Länge einen variierenden Querschnitt besitzt. Hierdurch kann alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Maßnahmen eine weitere Abstimmung der Energieübertragung auf den Hebel und von dem Hebel auf die Sonde erzielt werden.
  • Erfindungsgemäß ist die Masse des Hebels die Hälfte des Prallkörpers oder weniger. Weiterhin beträgt die Masse der Sonde ca. das Doppelte der Masse des Prallkörpers oder mehr.
  • Die vorstehend genannte Bedingung für das Verhältnis entspricht wegen der zu der Hebelarmlänge proportionalen Hebelgeschwindigkeit der Energieerhaltung bzw. der vollständigen Energieübertragung auf die Sonde, wobei die Masse der Sonde sinngemäß auch die Masse sämtlicher während des Stoßvorgangs gleichzeitig mit der Sonde mitbewegten Teile umfaßt.
  • Die Antriebseinheit kann eine Röhre aufweisen, in der der Prallkörper beispielsweise mittels Druckluft oder elektromagnetisch beschleunigt wird.
  • Weiterhin kann die Antriebseinheit wenigstens einen weiteren Hebel aufweisen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
  • 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Lithotripter,
  • 2 eine graphische Darstellung der mit herkömmlichem Lithotriptern erzielbaren Energieübertragung für verschiedene Sondengrößen,
  • 3 eine graphische Darstellung der mit dem erfindungsgemäßen Lithotripter erzielbaren Energieübertragung für verschiedene Sondengrößen, und
  • 4 eine graphische Darstellung der mit dem erfindungsgemäßen Lithotripter erzielbaren Energieübertragung für verschiedene Stoßradien der Sonde.
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Sonde 1 auf, die beispielsweise in den Harnleiter eingeführt werden kann, und die zur Zerstörung bzw. zur Zertrümmerung eines Körperkonkrements, wie eines Harnsteins dient. Die Sonde wird – wie aus der WO 96/33661 A1 bekannt – wie folgt auf eine translatorische Geschwindigkeit beschleunigt, die typischerweise 5-10 m/s beträgt:
    Ein Prallkörper 2 wird in einer Röhre 3 beispielsweise mittels Druckluft oder eines elektromagnetischen Feldes auf eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Der Prallkörper 2 trifft auf einen Hebel 4 auf, der um eine Achse 5 drehbar ist, und der in seiner Ruhestellung am proximalen Ende der Sonde 1 anliegt. Die Drehachse 5 ist beispielsweise an einer Außenwand 8 eines Handstücks durch eine Halterung 9 in einem gewissen Abstand gehalten.
  • Das durch die Stoßeinheit 3 beschleunigte Projektil 2 stößt gegen den Hebel 4, der das proximale Ende der Stoßsonde beaufschlagt und so die kinetische Energie des Projektils an die Sonde weiterleitet. Durch den als Transformationselement dienenden Hebel erhält man eine Tiefpaßwirkung, so daß keine Ultraschall-Kompressionswellen angeregt werden. Vielmehr führt die Sonde praktisch eine reine Translationsbewegung mit hoher kinetischer Energie aus, ohne daß therapeutisch wirksame Kompressionswellen in der Sonde angeregt werden. Insoweit ist die Vorrichtung aus der WO 96133661 A1 bekannt.
  • r1 bezeichnet den Abstand des Zentrums 6 der Auftrefffläche des Prallkörpers 2 auf den Hebel 4 von der Drehachse 5.
  • r2 bezeichnet den Abstand des Schwerpunkts 10 des Hebels 4 von der Drehachse 5.
  • r3 bezeichnet den Abstand des Zentrums 7 der Anlagefläche des Hebels 4 in Ruhestellung an der proximalen Endfläche 11 von der Drehachse 5 des Hebels.
  • Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Abstände r1 und r3 derart gewählt, daß die Sonde eine maximale translatorische-, -Geschwindigkeit bei maximaler kinetischer Energie erreicht.
  • Hierzu ist nicht notwendigerweise der erste Stoßpunkt 6 – im Gegensatz zu der aus der vorgenannten Druckschrift bekannten Vorrichtung – nicht direkt am frei beweglichen – in 1 unteren – Ende des Hebels angeordnet; ferner kann der zweite Stoßpunkt 7 insbesondere asymmetrisch versetzt angeordnet sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der Abstand r3 größer als der Abstand r2 des Schwerpunkts 10 des Hebels von der Drehachse 5 ist.
  • Die 2, 3 und 4 stellen mit bekannten und erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur intrakorporalen Lithotripsie erzielbare Energieübertragungsverhältnisse dar.
  • 2 zeigt die Energieübertragung, d.h. das Verhältnis der auf die Stoßsonde übertragenen kinetischen Energie relativ zu der des auf den Hebel auftreffenden Projektils, für Sondenmassen m3 zwischen der doppelten und der fünffachen Masse m1 des Projektils. Aufgrund des der zylindrischen Gehäuseform angepaßten Hebelmechanismus der herkömmlichen Vorrichtung wird die kinetische Energie des Projektils auch im günstigsten Fall eines Sondengewichts von etwa 67 % der Projektilmasse nur unvollständig auf die Sonde übertragen.
  • 3 zeigt für gleiche Sondengrößen das Energieübertragungsverhältnis des erfindungsgemäßen Hebelmechanismus, bei dem der erste Stoßradius r1 auf das Massenverhältnis von Projektil und Hebel und der Stoßradius r3 auf eine im Vergleich zum Projektil doppelt so schwere Sonde optimiert ist; beispielsweise sind im Falle eines Hebels mit im Vergleich zum Projektil halb so großer Masse beide Stoßradien kleiner als die halbe Hebellänge; da die Sonde schwerer ist als das Projektil, ist der Stoßradius r3 kleiner als der Stoßradius r1.
  • 4 zeigt die Energieübertragung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Stoßradius r3 zum Stoßradius r1 bei einem auf die Hebelmasse abgestimmtem ersten Stoßradius und einer im Vergleich zum Projektil doppelt so schweren Sonde, die ebenso wie in 3 den Maximalwert 1 erreicht.
  • Aus den 2 bis 4 geht hervor, daß die erfindungsgemäß vorgeschlagene asymmetrische Anordnung der Stoßeinheit und der Stoßsonde relativ zum Hebel einen mit herkömmlichen mit einem Hebelmechanismus versehenen Lithotriptern nicht erzielbaren, praktisch vollständigen Energieübertrag auf die Stoßsonde ermöglicht und damit die Effizienz von Lithotriptern bei der Zertrümmerung von Konkrementen erhöht.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Zertrümmerung von Konkrementen, mit – einer länglichen, in den menschlichen Körper einführbaren Sonde (1), – einer Antriebseinheit, die einen Prallkörper (2) beschleunigt, und – einer Hebeleinheit, die wenigstens einen einarmigen Hebel (4) aufweist, der um eine Drehachse (5) drehbar derart gelagert ist, daß er in seiner Ruhestellung an der proximalen Endfläche (11) der Sonde (1) anliegt, und den der Prallkörper beim Auftreffen dreht, so daß der Hebel (4) die an ihm anliegende Sonde beschleunigt und diese eine Translationsbewegung ausführt, aufgrund derer das Konkrement durch das Auftreffen der distalen Endfläche der Sonde zertrümmert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand r3 des Zentrums der Anlagefläche des Hebels in Ruhestellung an der proximalen Endfläche (11) von der Drehachse (5) des Hebels (4) kleiner ist als der Abstand r1 des Zentrums der Auftrefffläche des Prallkörpers auf den Hebel (4) von der Drehachse (5), und daß die Masse m2 des Hebels die Hälfte der Masse m1 des Prallkörpers oder weniger und die Masse m3 der Sonde das Doppelte der Masse des Prallkörpers oder mehr beträgt, und daß für die Abstände r1 und r3 (r3/r1)2 = m1/m3 gilt, so dass die Sonde maximale translatorische Geschwindigkeit erreicht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand r3 größer als der Abstand r2 des Schwerpunkts (10) des Hebels (4) von der Drehachse (5) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (5) in Richtung der Längsachse des Hebels (4) in Ruhestellung verschiebbar ist, so daß die Abstände r1 und r3 einstellbar sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das proximate Ende der Sonde und die Anstriebseinheit in Richtung senkrecht zur Längsachse der Sonde gegeneinander verschiebbar sind, so daß die Hebelverhältnisse einstellbar sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelelement über seine Länge einen variierenden Querschnitt besitzt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit eine Röhre (3) aufweist, in der ein Prallkörper (2) beschleunigt wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (2) in der Röhre (3) mittels Druckluft beschleunigt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (2) in der Röhre (3) elektromagnetisch beschleunigt wird.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit wenigstens einen weiteren Hebel aufweist.
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