DE3520133C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Instrument für die Ultraschall- Lithotripsie, bestehend aus einer an den zu zertrümmernden Stein anzulegenden Sonde, einem aus Kera­ mikscheiben aufgebauten piezoelektrischen Wandler, dessen Wandlerschwingungen über einen distalen Wandlerabschluß auf die Sonde übertragen werden, und aus einem elektrischen Gene­ rator, der an den Wandler angeschlossen ist.

Bei bekannten Instrumenten dieser Art (DE-PS 20 20 345 und 20 53 982), die speziell zur Zertrümmerung von Blasen- und Nierensteinen mit Ultraschallwellen eingesetzt werden, wird der Schallwandler mit einem Dauersignal betrieben. In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese Betriebsweise eine recht lange Zeit für die Bearbeitung des zu zerstörenden Steines erfordert, was vor allem auf die relativ geringe Auslenkung der Sonde zurückzuführen ist.

Im übrigen übertragen die Wandlersysteme im wesentlichen nur longitudinale und transversale Wellen auf die Sonde bzw. Sono­ trode, wobei sich nach kurzer Zeit ein eingeschwungener Zu­ stand ergibt, der meist nur zu einem Durchbohren und nicht auch zu einem Zerplatzen des bearbeiteten Steines bzw. von Teilen des Steines führt.

Ein impulsweiser Betrieb einer Ultraschallsonde bei einem Verfahren zum Entfernen von Konkrementen aus dem Ureter ist aus der US-PS 41 92 294 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Konkrement jedoch nicht durch das Einwirken von Stoß­ wellen zerstört. Vielmehr wird gemäß diesem Stand der Technik Ultraschall gegen die Wände des Ureters gerichtet, welcher dadurch zu peristaltischen Bewegungen angeregt wird. Nach der Applikation von Ultraschall auf die Ureterwände wird die Sonde aus dem Ureter herausgezogen, woraufhin das Konkrement auf­ grund der ausgelösten peristaltischen Bewegungen zum natürli­ chen Ausgang transportiert wird. Bei dem genannten Verfahren wird also der Stein nicht zerstört, vielmehr dessen Abgang durch die impulsweise Applikation von Ultraschallwellen ange­ strebt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht vor dem Hintergrund des auf­ gezeigten Standes der Technik in der Schaffung eines Instru­ mentes für die Ultraschall-Lithotripsie, das im Vergleich zu bisher bekannten Instrumenten im Hinblick auf die Leistung der Wandler- und Generatorsysteme optimiert ist und eine we­ sentlich schnellere Zertrümmerung von Körpersteinen ermög­ licht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vom eingangs erwähnten Instrument ausgegangen und dieses erfindungsgemäß so aus­ gebildet, daß der Generator den Wandler impulsweise anregt und daß der Wandler im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbereich keine Eigenresonanz hat.

Durch die stoßweise bzw. impulsweise Anregung des Wandlers und durch den deshalb auch stoßweise erfolgenden Betrieb der Sonde ist es möglich, den Wandler mit hoher Leistung ohne Ge­ fahr einer Überlastung zu betreiben und somit entsprechend große Schwingungsamplituden am Sondenende zu erzielen. Außer­ dem werden durch diese intermittierende Betriebsweise am Anfang und Ende jedes dem Wandler zugeführten elektrischen Impulses mechanische Ein- und Ausschwingvorgänge an der Sonde auftreten, die dazu führen werden, daß die Sonde nicht über­ wiegend in den Stein bohrt, sondern den Stein vor allem auch durch transversale Auslenkungen von unterschiedlicher Amplitude zum Platzen bringt.

Im Verhältnis zu einer elektrohydraulischen Stoßwellen- Lithotripsie, bei der man gegebenenfalls auch einzelne hy­ draulische Impulse auf den mit Abstand zum distalen Sonden­ ende befindlichen Stein geben kann, ist die Ultraschall- Lithotripsie meist gefahrloser sowie einfacher in der An­ wendung und bei Verwendung des erfindungsgemäßen Instrumen­ tes in vielen Fällen auch effektiver.

Der Keramikscheibenaufbau des Wandlers wird von einem pro­ ximalen und einem distalen Wandlerabschluß eingefaßt. Dabei kann der Wandler auf der proximalen Seite zumindest im we­ sentlichen mit der Impedanz seiner Keramikscheiben reflexions­ frei abgeschlossen werden, wobei in diesem Fall die Masse des distalen Wandlerabschlusses kleiner als die Masse des proxima­ len Wandlerausschlusses sein soll. Im übrigen ist es zur Er­ reichung eines reflexionsfreien Abschlusses zweckmäßig, wenn die freie Endfläche des proximalen Wandlerabschlusses ein un­ regelmäßiges Profil hat und somit einen diffusen Abschluß für die vom Wandler kommende Schallwelle bildet.

Allerdings kann der proximale Wandlerabschluß auch so ge­ staltet und dimensioniert werden, daß er die Schallwellen optimal reflektiert, wobei in diesem Fall die freie Endflä­ che des proximalen Wandlerabschlusses eben und parallel zur Ebene der Keramikscheiben und des Wandlers liegen sollte.

Im übrigen hat der Wandler mit elektrischen Anregungs­ impulsen versorgende Generatoren mindestens einen mit Gleich­ strom aufladbaren Kondensator, der jeweils mit wenigstens einer getriggerten Funkenstrecke impulsartig über den Wand­ ler entladen werden kann. Zu diesem Zweck können zwei ge­ triggerte Funkenstrecken und zwei Kondensatoren gesonderte Schaltkreise bilden, so daß die Kondensatoren nacheinander durch Zünden der zugeordneten Funkenstrecke auf den Wandler geschaltet werden können, während bei Entladung des einen der anderen Kondensator wieder geladen wird, so daß eine kon­ tinuierliche Pulsfolge erzielbar ist.

Eine andere Möglichkeit für die Ausbildung des Generators besteht darin, daß vier Funkenstrecken und zwei Triggergene­ ratoren so geschaltet werden, daß jeweils zwei Funkenstrec­ ken nacheinander mit einem der Triggergeneratoren angesteu­ ert werden und hierdurch dem Wandler abwechselnd positive und negative Impulse zugeführt werden.

Schließlich können der Wandler mit seinen Keramikscheiben, der die Sonde tragende distale Wandlerabschluß und der pro­ ximale Wandlerabschluß mit einem Spannelement lösbar verbun­ den sein, wobei der gesamte Aufbau bzw. der Wandler so ausge­ legt werden soll, daß im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbereich keine definierten Eigenresonanzen auftreten und der Wandler der aufgeprägten elektrischen Spannung rasch folgt.

In der Zeichnung sind schematisch einige Aus­ führungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden. Es zeigen

Fig. 1 bis 4 Seitenansichten von verschiedenen erfindungsgemäßen Instrumenten in teil­ weisem Längsschnitt und

Fig. 5 bis 8 mehrere mögliche Schaltungen für den elektrischen Generator.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen glei­ chen sich im wesentlichen in ihrem grundsätzlichen Aufbau, so daß zur Vereinfachung für identische oder in ihrer Funk­ tion ähnliche bzw. gleichwirkende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Die Instrumente bestehen aus einer Sonde 1, die an einem distalen Wandler­ abschluß 2 starr befestigt ist. Zwischen diesem und dem pro­ ximalen Wandlerabschluß 3 ist jeweils der aus wenigstens einem Keramikscheibenpaar bestehende piezoelektrische Wand­ ler 4 eingespannt, und zwar bei den Fig. 1 bis 3 mittels eines Bolzens 5, der durch zentrische Löcher des Wandlerab­ schlusses 3 und des Wandlers 4 gesteckt und im Wandlerab­ schluß 2 verschraubt ist.

Der Bolzen 5 ist im Bereich des Wandlers 4 von einer elasti­ schen Manschette 6 aus Isoliermaterial umgeben, damit die Keramikscheibenpaare nicht elektrisch kurzgeschlossen wer­ den. Gleichen bewirkt sinnge­ mäß der Manschette 6 beim Instrument nach Fig. 4, bei dem aber anstelle eines Bolzens ein Spannelement 7 nach Art einer Überwurfmutter verwendet wird, die den proximalen Wandlerab­ schluß 2 und die Keramikscheiben des Wandlers 4 aufnimmt und diese Teile durch Verschraubung mit dem proximalen Wandler­ abschluß 3 einspannt.

Der piezoelektrische Wandler ist in seinem Aufbau und seiner Funktion bekannt und braucht deshalb nicht im einzelnen er­ klärt zu werden. Im übrigen wird der Wandler 4 über die An­ schlüsse 8 impulsweise mit Strom von dem später beschriebenen elektrischen Generator versorgt, wobei bei Anwendung mehrerer Keramikscheibenpaare (Fig. 3) diese parallel an den Anschlüssen 8 liegen.

Beim Instrument nach Fig. 1 ist der Wandler 4 mit oder zumin­ dest im wesentlichen mit der Impedanz des den Wandler bilden­ den Keramikscheibenpaares reflektionsfrei abgeschlossen. Dem­ entsprechend ist die Masse des distalen Wandlerabschlusses 2 kleiner als die Masse des proximalen Wandlerabschlusses, wo­ durch unterschiedliche Eigenresonanzen am distalen und pro­ ximalen Wandlerabschluß erzeugt werden. Zur Erzielung eines reflexionsfreien Abschlusses müssen außerdem auch die Materi­ alien und Längenabmessungen der beiden Wandlerabschlüsse ent­ sprechend ausgelegt werden, während weiterhin die freie End­ fläche 3 a des proximalen Wandlerabschlusses 3 der Darstellung entsprechend unregelmäßig profiliert ist und demgemäß eine diffuse Reflexion bewirken wird. Bei dieser Ausführungsform werden keine oder höchstens ein unerheblicher Teil Schall­ wellen des vom Wandler 4 kommenden Anregungssignale an der Endfläche 3 a reflektiert, so daß die Sonde im Prinzip nur zu einem positiven Stoß angeregt werden wird.

Eine andere Möglichkeit gemäß Fig. 2 besteht darin, den Ultraschallwandler 4 nicht reflexionsfrei abzuschließen, sondern mit einem reflektierenden Abschluß 3 zu betreiben, wodurch positive Schallwellenimpulse unter Phasenumkehr an der freien Endfläche 3 b reflektiert werden und dadurch am Ende der Sonde 1 auch Unterdruckimpulse mit sehr steiler Anstiegsflanke auftreten. Es entstehen dabei am bearbeiteten Stein Kavitationsblasen mit hohem Energieinhalt, welche zu­ sätzlich die Sprengwirkung auf den Stein erhöhen. Im übrigen sollte in diesem Fall die ebene Endfläche 3 b des Abschlusses 3 parallel zur Ebene der Keramikscheiben des Wandlers 4 lie­ gen, um eine optimale Reflexionswirkung zu erzielen.

Der Wandler 4 kann auch aus mehr als einem Keramikscheibenpaar aufgebaut werden. Die Fig. 3 zeigt einen Wandler mit drei Scheibenpaaren, der im Vergleich zu den Wandlern nach den Fig. 1, 2 und 4 eine wesentlich höhere Leistung bringen kann. Wenn außerdem noch kurze Anstiegszeiten des Ultraschallsignals und damit eine schnelle Auslenkung bzw. Längenänderung der Sonde 1 erreicht werden sollen, müssen die Massen der beiden Wand­ lerabschlüsse 2, 3 verständlicherweise möglichst klein ge­ wählt werden.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen elektrische Generatoren, die zum Betrieb der Wandler der vorher beschriebenen Instrumente besonders geeignet sind. Diese Generatoren haben mindestens einen mit Gleichstrom geladenen Kondensator, der jeweils mit wenigstens einer getriggerten Funkenstrecke impulsartig über den Wandler entladen und anschließend selbsttätig mit einer Gleichstromquelle wieder aufgeladen wird.

Der Generator nach Fig. 5 ist eine schaltungstechnisch ein­ fache Ausführung, bei der die Gleichstromquelle bzw. Batterie 9 über einen Vorwiderstand 10 den erwähnten Kondensator 11 auflädt. Ein Triggergenerator 12 zündet bei Bedarf die Funken­ strecke 13, so daß die Ladeenergie des Kondensators impuls­ artig an den Schallwandler 4 abgegeben wird.

Um mit dem Generator kurzzeitig nacheinander zwei Spannungs­ impulse auf den Schallwandler geben zu können, braucht das in Fig. 5 gezeigte Schaltschema nur einfach verdoppelt zu werden, so daß sich die dann von selbst verständliche Schal­ tung gemäß Fig. 6 ergibt. Hier bilden also zwei getriggerte Funkenstrecken und zwei Kondensatoren gesonderte Schaltkrei­ se, wobei die Kondensatoren nacheinander durch Zünden der Funkenstrecke auf den Wandler geschaltet werden können.

Im Gegensatz zu den beiden vorher beschriebenen Schaltungs­ beispielen wird gemäß Fig. 7 der Wandler 4 selbst als Kon­ densator verwendet. Die Batterie 9 lädt also in diesem Fall den Wandler 4 über den Widerstand 10 auf. Die Funkenstrecke 13 kann über den Triggergenerator 12 gezündet werden, wodurch der Wandler kurzgeschlossen wird und sich schlag­ artig entlädt, wobei an der Sonde ein negativer Stoß ent­ steht.

Schließlich zeigt die Fig. 8 einen Gegenrator, bei dem vier Funkenstrecken und zwei Triggergeneratoren so geschaltet sind, daß jeweils zwei Funkenstrecken 13 a, 13 b mit einem Triggergene­ rator 12 a und die beiden anderen Funkenstrecken 13 c, 13 d mit dem weiteren Triggergenerator 12 b angesteuert werden können. Hierbei kann der Wandler 4 also mit einzelnen positiven oder negativen Stromimpulsen oder auch abwechselnd mit negativen und positiven Stromimpulsen gespeist werden, was natürlich eine entsprechende Einstellbarkeit und Steuerung der beiden Triggergeneratoren voraussetzt.

Die Sonde 1 kann in an sich bekannter Weise aus einem Rohr oder aus einem dünnen flexiblen Draht bestehen. Andererseits kann die Sonde auch aus mehreren verdrillten und mit Kunst­ stoff beschichteten Stahldrähten bestehen, wobei die Beschich­ tung einen Schallverlust zwischen den Drähten verhindern soll.

Claims (8)

1. Instrument für die Ultraschall-Lithotripsie, bestehend aus einer an den zu zertrümmernden Stein anzulegenden Sonde, einem aus Keramikscheiben aufgebauten piezoelektrischen Wand­ ler, dessen Wandlerschwingen über einen distalen Wandler­ abschluß auf die Sonde übertragen werden, und aus einem elektrischen Generator, der an den Wandler ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9-13) den Wandler (4) impulsweise anregt und daß der Wandler (4) im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbe­ reich keine Eigenresonanz hat.

2. Instrument nach Anspruch 1, bei dem der Keramikscheiben­ aufbau des Wandlers von einem proximalen und einem di­ stalen Wandlerabschluß eingefaßt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wandler (4) auf der proximalen Seite im wesentlichen mit der Impedanz seiner Ke­ ramikscheiben reflexionsfrei abgeschlossen ist, wobei die Masse des distalen Wandlerabschlusses (2) kleiner als die Masse des proximalen Wandlerabschlusses (3) ist.

3. Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Endfläche (3 a) des proximalen Wandlerabschlus­ ses (3) ein unregelmäßiges und diffus reflektierendes Profil hat.

4. Instrument nach Anspruch 1, bei dem die Keramikscheiben des Wandlers von einem proximalen und einem distalen Wandlerabschluß eingefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der proximale Wandlerabschluß (3) einen Schallwellen optimal reflektierenden Abschluß bildet und daß die freie ebene Endfläche (3 b) dieses Abschlusses parallel zur Ebene der Keramikscheiben des Wandlers (4) liegt.

5. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektrische Generator (9-13) min­ destens einen mit Gleichstrom aufladbaren Kondensator (11) aufweist, der jeweils mit wenigstens einer getrigger­ ten Funkenstrecke (13) impulsartig über den Wandler (4) entladbar ist.

6. Instrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei getriggerte Funkenstrecken (13) und min­ destens zwei Kondensatoren (11) gesonderte Schaltkreise bilden und daß die Kondensatoren nacheinander durch Zün­ den der zugeordneten Funkenstrecken auf den Wandler (4) schaltbar sind.

7. Instrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Funkenstrecken (13 a-13 d) und zwei Triggergeneratoren (12 a, 12 b) so geschaltet sind, daß jeweils eine oder zwei Funkenstrecken oder Funkenstrec­ kenpaare (13 a, 13 b und 13 c, 13 d) nacheinander mit einem der Triggergeneratoren (12 a, 12 b) ansteuerbar sind, so daß der Wand­ ler (4) abwechselnd positive und negative Impulse erhält.

8. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) als Kondensator verwendet ist und über eine Funkenstrecke entladen wird.