DE3708995C2 - Ultrasonic lithotripter to destroy stone deposits in the human body - Google Patents
Ultrasonic lithotripter to destroy stone deposits in the human bodyInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Lithotripter zur Zerstörung von Steinablagerungen im menschlichen Körper entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher ist aus DE 20 20 345 C3 bekannt. Weitere solche Lithotripter bzw. Sonden für solche sind in DE 35 20 133 A1 und in "Biomedizinische Technik" Band 18/1<973, Nr. 1, S. 21-23 beschrieben.The invention relates to an ultrasound lithotripter Destruction of stone deposits in the human body according to the preamble of claim 1. Such is known from DE 20 20 345 C3. More such Lithotripters or probes for such are in DE 35 20 133 A1 and in "Biomedical Engineering" Volume 18/1 <973, No. 1, Pp. 21-23.
Ultraschall-Lithotripter werden verwendet, um z. B. Steine im Harnableitungssystem oder in der Gallenblase ohne offene Operation zu zerstören und zu entfernen. Es handelt sich dabei um Steine, die so groß gewachsen sind, daß sie nicht mehr auf natürlichem Weg abgehen können.Ultrasonic lithotripters are used to e.g. B. stones in the urinary system or in the gallbladder without destroy and remove open surgery. It are stones that have grown so big that they can no longer go naturally.
In Ultraschall-Lithotriptern wird der umgekehrte piezoelektrische Effekt zur Erzeugung einer Ultraschall- Schwingung aus einer elektrischen Hochfrequenzspannung der gleichen Frequenz genutzt. Dazu wird ein piezoelektrischer Wandler in einem akustisch genau bestimmten Einspannsystem gehalten. Das Einspannsystem sorgt einerseits für die notwendige mechanische Vorspannung des piezoelektrischen Wandlers und besorgt andererseits die Umlenkung der vom piezoelektrischen Wandler nach hinten gehenden Kraftkomponente in Richtung auf den zu zerstörenden Stein hin.The reverse is done in ultrasound lithotripters piezoelectric effect to generate an ultrasonic Vibration from a high-frequency electrical voltage the same frequency. To do this, a piezoelectric transducer in one acoustically accurate certain clamping system. The clamping system on the one hand provides the necessary mechanical Bias the piezoelectric transducer and worried on the other hand, the deflection of the piezoelectric Transducer force component going towards the rear towards the stone to be destroyed.
Die Betriebsleistung bekannter Ultraschall-Lithotriptoren liegt in der Größenordnung von 100 bis 200 W. Piezoelektrische Wandler für solche Leistungen sind so groß, daß sie nicht direkt an den Steinen herangebracht werden können. Sie müssen vielmehr außerhalb des menschlichen Körpers betrieben werden. Deshalb werden dünne Sonden verwendet, die den Abstand zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem im Körperinneren des Patienten sich befindenden Stein überbrücken und die im piezoelektrischen Wandler erzeugte Ultraschall-Leistung zu dem zu zerstörenden Stein leiten. Die Sonde wird z. B. durch die Harnröhre an einen Blasenstein, oder durch die Harnröhre und die Harnblase an einen Ureter- oder Nierenstein, oder durch einen Einstich in der Haut, d. h. perkutan, an einen Nierenstein herangeführt.The operating performance of known ultrasound lithotriptors is in the order of 100 to 200 W. Piezoelectric converters for such services are like this great that it could not be brought directly to the stones can be. Rather, you must be outside of the human body. Therefore be uses thin probes that measure the distance between the piezoelectric transducer and the inside of the body Bridge the stone in the patient and the stone in the piezoelectric transducer generated ultrasonic power lead to the stone to be destroyed. The probe is e.g. B. through the urethra to a bladder stone, or through the Urethra and the bladder to a ureter or Kidney stone, or by a puncture in the skin, d. H. percutaneously, brought up to a kidney stone.
Wegen des großen Unterschieds der Querschnittsfläche von Sonde und Einspannsystem bzw. piezoelektrischem Wandler bestehen in diesen Abschnitten sehr unterschiedliche akustische Impedanzen. Aus diesem Grund werden zwischen dem Einspannsystem und der Sonde Mittel zur Anpassung der akustischen Impedanzen verwendet.Because of the large difference in cross-sectional area from Probe and clamping system or piezoelectric transducer exist very different in these sections acoustic impedances. For this reason, between the clamping system and the probe means for adapting the acoustic impedances used.
Zur Speisung des piezoelektrischen Wandlers wird ein Hochfrequenzgenerator verwendet, der die Hochfrequenzleistung auf der Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Wandlers bereitstellt. Die Eingangsimpedanz piezoelektrischer Wandler ist im allgemeinen sehr hoch, d. h. im Bereich bis zu einigen hundert kΩ. Nur im Bereich mechanischer Resonanzen des Gesamtsystems, also des piezoelektrischen Wandlers, des Einspannsystems und der Sonde, ist die Eingangsimpedanz niederohmig und zeigt dabei das typische Verhalten einer Serienresonanz. Bei der Serienresonanz liegt die Eingangsimpedanz im Bereich einiger hundert Ω. Nur hier kann eine Speisung mit praktikablen Spannungen durchgeführt werden. Abseits der Serienresonanz müßte der Hochfrequenzgenerator Spannungen im Bereich von vielen kV abgeben, um die notwendige Ultraschall-Leistung zu erzeugen.A is used to feed the piezoelectric transducer High frequency generator used, the High frequency power on the operating frequency of the Provides piezoelectric transducer. The Input impedance of piezoelectric transducers is in the generally very high, d. H. in the range up to some hundred kΩ. Only in the area of mechanical resonances of the Overall system, that is, the piezoelectric transducer Clamping system and the probe, is the input impedance low-resistance and shows the typical behavior of a Series resonance. The series resonance lies Input impedance in the range of a few hundred Ω. Only here can be a supply with practical voltages be performed. Apart from the series resonance, the High frequency generator voltages in the range of many kV submit to the necessary ultrasound power too produce.
Lithotripter werden daher wie elektrische Serienresonanzkreise behandelt. Nach der bestehenden Lehrmeinung werden sie deshalb mit eingeprägter Spannung, d. h. mit niederohmigen Hochfrequenzgeneratoren betrieben. Alle bekannten Hersteller von Ultraschall-Lithotriptern verwenden diese Form von Generatoren ohne diesen Sachverhalt in ihren Applikationsschriften gesondert zu vermerken. Lithotripters therefore become like electrical ones Series resonance circuits treated. According to the existing Therefore they become doctrine with imprinted tension, d. H. operated with low-resistance high-frequency generators. All well-known manufacturers of ultrasound lithotripters use this form of generators without this Issue separately in their application notes note.
Bei Verwendung im Operationssaal darf der Hochfrequenzgenerator keinen Lüfter enthalten, um das Aufwirbeln von Bakterien zu vermeiden. Wegen der oben genannten Betriebsleistung muß der Hochfrequenzgenerator daher einen hohen Wirkungsgrad haben, um die Verlustleistung genügend klein zu halten. Aus diesem Grund werden bei den bekannten Ultraschall-Lithotriptern Hochfrequenzgeneratoren mit Transistor- Leistungsverstärkern verwendet, die im Schaltbetrieb arbeiten. Diese Leistungsverstärker werden mit einer konstanten Speise-Gleichspannung versorgt und wirken daher an ihren Ausgangsklemmen niederohmig, was bei dem oben geschilderten Serienresonanz-Verhalten des Lithotripters auch als richtig erachtet wird.When used in the operating room, the High frequency generator does not include a fan to that Avoid whirling up bacteria. Because of the above the high-frequency generator therefore have a high efficiency to the To keep the power loss small enough. For this The reason for the well-known ultrasonic lithotripters High frequency generators with transistor Power amplifiers used in switching operation work. These power amplifiers come with a constant DC supply voltage and act therefore low-impedance at their output terminals, which is the case with the series resonance behavior of the Lithotripters is also considered correct.
Im praktischen Betrieb wird die Sonde unter optimaler Sicht durch ein Endoskop an den Stein herangeführt. Sobald der Stein mit der Sondenspitze berührt wird, schaltet der Operateur über einen Fußschalter den Hochfrequenzgenerator ein. Es dauert meistens einige Sekunden, bis der Stein zerspringt. Die entstehenden Bruchstücke sind dann fast immer noch zu groß, um durch das Instrument hindurch ausgespült werden zu können. Der Vorgang des Zerkleinerns wird daher an den jeweils entstehenden Bruchstücken sukzessive so lange fortgeführt, bis alle Stücke so klein sind, daß sie ausgespült werden können.In practical operation, the probe becomes more optimal Visible to the stone through an endoscope. As soon as the stone is touched with the probe tip, the surgeon switches the foot switch High frequency generator. It usually takes a few Seconds until the stone shatters. The emerging Fragments are then almost always too large to pass through the instrument can be rinsed out. Of the The process of crushing is therefore carried out on each resulting fragments successively as long continued until all pieces are so small that they can be rinsed out.
Wegen der losen Kopplung zwischen der Sondenspitze und dem Stein sind fast immer mehrere Versuche notwendig, um den Stein oder das Bruchstück zum Zerspringen zu bringen. Der Stein oder das Bruchstück kann auch durch die ersten Ultraschallschwingungen weggeschleudert werden, ohne zu zerspringen und muß dann erneut mit der Sondenspitze berührt werden.Because of the loose coupling between the probe tip and Several attempts are almost always necessary to the stone to cause the stone or the fragment to shatter. The stone or the fragment can also be through the first Ultrasonic vibrations are thrown away without too burst and must then again with the probe tip be touched.
Die geschilderten Vorgänge führen in der Praxis dazu, daß der Hochfrequenzgenerator sehr viel länger eingeschaltet wird, als zum eigentlichen Zerstören des Steines notwendig wäre. Dabei kann sich die Sonde durch die Ultraschallschwingungen so stark erwärmen, daß das umgebende Gewebe des Patienten durch Überhitzung gefährdet ist. Diese Verbrennungsgefahr betrifft z. B. die Harnröhre bei der Zerstörung von Blasen- und Uretersteinen, oder das Nierengewebe und den Einstichbereich bei der perkutanen Nierensteinzerstörung, insbesondere aber den Ureter bei der transurethralen Zerstörung von Ureter- und Nierensteinen.In practice, the processes described lead to the fact that the high frequency generator turned on a lot longer becomes the actual destruction of the stone would be necessary. The probe can pass through the Heat ultrasonic vibrations so strongly that the surrounding tissue of the patient due to overheating endangered is. This risk of burn affects z. B. the Urethra in the destruction of bladder and Ureteral stones, or the kidney tissue and the Puncture area for percutaneous kidney stone destruction, but especially the ureter in the transurethral Destruction of ureter and kidney stones.
Der Operateur kann diese Gefahr dadurch reduzieren, daß er den Hochfrequenzgenerator sehr sorgfältig nur in den Momenten einschaltet, in denen er den Stein mit der Sonde wirklich berührt und dadurch, daß er nach jeder Generatoraktivierung eine Mindestpause bis zur nächsten Generatoraktivierung einlegt, um die Sonde wieder abkühlen zu lassen. Beide Maßnahmen sind bei der Durchführung einer Operation jedoch sehr hinderlich abgesehen davon, daß dem Operateur eine wirkliche Kontrolle über die Erwärmung der Sonde gar nicht möglich ist.The surgeon can reduce this risk by he very carefully only in the high frequency generator Turns on moments when he takes the stone with the probe really touched and by being after everyone Generator activation a minimum pause until the next Generator activation inserts to the probe again to let cool. Both measures are with the However, performing an operation is very cumbersome apart from the fact that the surgeon has a real Control over the heating of the probe is not possible is.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Ultraschall-Lithotripter zu schaffen, bei dem die Erwärmung der Sonde so stark reduziert ist, daß eine Gefährdung des die Sonde umgebenden Gewebes praktisch ausgeschlossen werden kann, die Steinzerstörungswirkung jedoch nicht vermindert wird.The invention is therefore based on the object Ultrasound lithotripter to create the Heating of the probe is reduced so much that a Practical risk to the tissue surrounding the probe the stone destruction effect can be excluded but is not diminished.
Diese Aufgabe wird mit dem im Anspruch 1 angegebenen Lithtotripter gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with the lithtotripter specified in claim 1 solved. Further developments are specified in the subclaims.
Umfangreiche Berechnungen und Messungen der Erfindung haben ergeben, daß die Eingangsimpedanz eines Ultraschall-Lithotripters in der Umgebung einer Serienresonanz durch eine Ersatzschaltung beschrieben werden kann, die aus der Serienschaltung einer Induktivität, einer Kapazität und zweier Wirkwiderstände besteht. Die Induktivität und die Kapazität kennzeichnen das Serienresonanzverhalten. Ihre Blindwiderstände kompensieren sich exakt bei der Serienresonanzfrequenz. Extensive calculations and measurements of the invention have shown that the input impedance of a Ultrasound lithotripters in the area of a Series resonance described by an equivalent circuit can be made from the series connection of a Inductance, a capacitance and two active resistors consists. Indicate the inductance and the capacitance the series resonance behavior. Your reactance compensate each other exactly at the series resonance frequency.
Einer der beiden Wirkwiderstände beschreibt ersatzweise die Verluste des Ultraschall-Lithotripters. Die Leistung, die dieser Widerstand in der Ersatzschaltung aufnehmen würde, ist die Leistung, die im Lithotripter im piezoelektrischen Wandler, im Einspannsystem, in den Impedanz-Anpassungsmitteln und insbesondere in der Sonde in Verlustwärme umgesetzt wird. Dieser Widerstand wird daher im folgenden als Verlustwiderstand bezeichnet.One of the two active resistors describes as an alternative the losses of the ultrasound lithotripter. The performance, which this resistor will take up in the equivalent circuit would be the performance that is in the lithotripter piezoelectric transducer, in the clamping system, in the Impedance matching means and especially in the probe is converted into heat loss. This resistance will therefore referred to below as loss resistance.
Der zweite Wirkwiderstand beschreibt die Leistung, die von der Sondenspitze auf den zu zerstörenden Stein übergekoppelt wird. Er wird daher im folgenden als Nutzwiderstand bezeichnet.The second active resistance describes the power that from the tip of the probe to the stone to be destroyed is coupled over. It is therefore referred to below as Designated resistance.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß der Verlustwiderstand bei den in der Praxis vorkommenden Bedingungen nicht von der Belastung der Sonde durch den zu zerstörenden Stein abhängt und deshalb als konstant angenommen werden darf. Für den Verlustwiderstand spielt es also keine Rolle, ob die Sonde den Stein berührt oder nicht, bzw. wie stark die Sonde an den Stein gepreßt wird. Sein Wert verändert sich nicht.The inventors found that the Loss resistance in those occurring in practice Conditions do not depend on the load on the probe depends on the stone to be destroyed and therefore as constant may be accepted. For the loss resistance plays So it doesn't matter whether the probe touches the stone or not, or how hard the probe is pressed against the stone becomes. Its value does not change.
Dagegen hängt der Wert des Nutzwiderstandes sehr stark vom Andruck der Sonde an den zu zerstörenden Stein ab. Berührt die Sonde den Stein nicht, so ist der Wert des Nutzwiderstandes Null. Bei einer Berührung des Steines ist sein Widerstandswert dagegen von Null verschieden und nimmt mit steigendem Andruck zu.In contrast, the value of the useful resistance depends very much from the pressure of the probe on the stone to be destroyed. If the probe does not touch the stone, the value of the Resistance zero. When touching the stone however, its resistance value is different from zero and increases with increasing pressure.
Beim Stand der Technik ist der Hochfrequenzgenerator auf sehr niedrigen Innenwiderstand dimensioniert, d. h. der piezoelektrische Wandler wird mit eingeprägter Spannung betrieben. Der resultierende Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers ist daher im Leerlauf, d. h. wenn der Stein nicht berührt wird, am höchsten, weil in diesem Fall der Nutzwiderstand Null ist. In diesem Zustand wird dem piezoelektrischen Wandler die höchste Leistung zugeführt und vollständig in Verlustwärme umgewandelt. Dabei erwärmt sich die Sonde am stärksten, was zu der geschilderten Gefahr der Verbrennung führt. Bei einer Berührung des Steines steigt der Nutzwiderstand mit wachsendem Andruck an, weshalb der Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers im gleichen Maß abnimmt. Mit wachsendem Andruck der Sonde an den Stein nimmt also auch die Verlustleistung und damit die in der Sonde erzeugte Wärme ab. Die Nutzleistung, d. h. die steinzerstörende Wirkung der Sonde nimmt mit wachsendem Andruck der Sonden an den Stein zunächst zu, erreicht dann aber einen Höchstwert und nimmt schließlich wieder ab.In the prior art, the high frequency generator is on dimensioned very low internal resistance, d. H. of the piezoelectric transducer with impressed voltage operated. The resulting input current of the piezoelectric transducer is therefore idle, i. H. if the stone is not touched, highest because in in this case the useful resistance is zero. In this State becomes the highest for the piezoelectric transducer Power supplied and completely in heat loss converted. The probe heats up the most, which leads to the described risk of burning. When the stone is touched, the useful resistance increases with increasing pressure, which is why the input current of the piezoelectric transducer decreases to the same extent. With the probe's increasing pressure on the stone also increases the power loss and thus that generated in the probe Heat. The useful power, i. H. the stone destroying The effect of the probe decreases with increasing pressure on the probes to the stone at first, but then reaches one Maximum value and finally decreases again.
Der besondere Nachteil eines Systems nach dem Stand der Technik ist darin begründet, daß die Sonde in den meisten Anteilen der Zeit den Stein nicht berührt, weil der Generator zu früh eingeschaltet oder zu spät ausgeschaltet wird, oder der Stein von der Sonde weggeschleudert wurde und bei eingeschaltetem Generator neu gesucht wird. In allen diesen Zeiten mit Leerlaufbetrieb der Sonde wird aber die maximal mögliche Leistung zugeführt und die Sonde maximal aufgeheizt.The particular disadvantage of a system according to the prior art Technique is based on the fact that the probe in most Portions of the time not touching the stone because of the Generator switched on too early or too late is turned off, or the stone from the probe was thrown away and with the generator switched on is searched again. In all these times with Idle operation of the probe becomes the maximum possible Power supplied and the probe heated up to the maximum.
Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß nach Überschreiten der maximalen Nutzleistung die steinzerstörende Wirkung mit weiter wachsendem Andruck wieder abnimmt. Dies steht im Widerspruch zu der Erwartung eines operierenden Arztes: Bei einem hartnäckigen Stein, der nicht nach kurzem Berühren mit der Sonde zerspringt, versucht erfahrungsgemäß jeder Arzt, die Wirkung des Lithotripters durch stärkeren Andruck der Sonde an den Stein zu verbessern. Nach Überschreiten des Optimums bewirkt er damit jedoch genau das Gegenteil der erwünschten Verbesserung.Another disadvantage is that after Exceeding the maximum useful power stone-destroying effect with growing pressure decreases again. This contradicts the Expectation of an operating doctor: At one stubborn stone that does not touch after a short touch experience has shown that the probe bursts, everyone tries Doctor, the effect of the lithotripter by stronger To improve the pressure of the probe against the stone. To Exceeding the optimum, however, causes it exactly the opposite of the desired improvement.
Bei einem Lithotripter nach der Erfindung ist dagegen der Hochfrequenzgenerator mit einem hohen Innenwiderstand ausgestattet. Ein hoher Innenwiderstand ist hier im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers zu sehen und bedeutet, daß dieser etwa eine Größenanordnung höher ist als die Leerlauf- Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers. Auch in diesem Fall nimmt die steinzerstörende Wirkung von der ersten Berührung des Steines an stetig mit dem Andruck zu, wächst aber immer weiter an, ohne in ein Maximum zu laufen, wie im Fall des niederohmigen Hochfrequenzgenerators. Die maximale steinzerstörende Wirkung ist nur durch die maximal ,abgebbare Spannung des Hochfrequenzgenerators, also durch die Dimensionierung der elektronischen Schaltung im Hochfrequenzgenerator bestimmt, die nicht in Verbindung mit der Erfindung steht.In a lithotripter according to the invention, however, is High frequency generator with a high internal resistance fitted. A high internal resistance is here in the Relationship to the input impedance of the piezoelectric See converter and means that this is about one Size order is higher than the idle Input impedance of the piezoelectric transducer. Also in in this case the stone destroying effect of the first touch of the stone steadily with the pressure to, but continues to grow without increasing to a maximum run, as in the case of low impedance High frequency generator. The maximum stone destroying Effect is only by the maximum, deliverable tension of the High-frequency generator, i.e. by dimensioning the electronic circuit in the high frequency generator determined which is not in connection with the invention stands.
Im Gegensatz zu einem Hochfrequenzgenerator mit niedrigem Innenwiderstand, wie beim Stand der Technik, ist bei einem Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand die Verlustleistung, die dem piezoelektrischen Wandler zugeführt wird und damit die Erhitzung der Sonde unabhängig vom Andruck der Sonde an den Stein. Damit ist der hauptsächliche Nachteil des Lithotripters nach dem Stand der Technik beseitigt, bei dem insbesondere im Leerlaufbetrieb eine excessive Erwärmung der Sonde durch Verlustleistung entsteht.In contrast to a high frequency generator with low Internal resistance, as in the prior art, is at a high frequency generator with high internal resistance Power loss that the piezoelectric transducer is supplied and thus the heating of the probe regardless of the pressure of the probe on the stone. So that is the main disadvantage of the lithotripter after Removed prior art, in particular in Excessive heating of the probe due to idle operation Power loss arises.
Ein Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand wirkt als Stromquelle, d. h. er prägt in den piezoelektrischen Wandler einen Strom ein, der von dessen Eingangsimpedanz nahezu unabhängig ist. Dieser Strom kann bei einem Lithotripter nach der Erfindung so klein gewählt werden, daß die in der Sonde entstehende Verlustwärme ohne Gefahr für das umgebende Gewebe ist. Trotzdem ist die steinzerstörende Wirkung des Lithotripters nicht nachteilig verringert, weil mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein jede Nutzleistung erreichbar ist.A high frequency generator with high internal resistance works as a power source, d. H. it shapes in the piezoelectric Converter a current by its input impedance is almost independent. This current can with a Lithotripters according to the invention can be chosen so small that the heat generated in the probe is safe for the surrounding tissue. Still it is stone-destroying effect of the lithotripter not disadvantageously reduced because with increasing pressure the Probe to the stone any useful output is achievable.
Wie bereits oben geschildert, muß der Wirkungsgrad eines Hochfrequenzgenerators für die Lithotripsie sehr hoch sein. Aus diesem Grund werden als Leistungs-Endstufe in solchen Hochfrequenzgeneratoren vorwiegend Transistorverstärker im Schaltbetrieb verwendet. Solche Verstärker sind aber grundsätzlich niederohmig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Hochfrequenzgenerator daher so dimensioniert, daß es zwar statisch niederohmig ist, aber dynamisch einen hohen Innenwiderstand aufweist. Dies bedeutet, daß der Innenwiderstand eigentlich gering ist, die Leerlaufspannung des Hochfrequenzgenerators sich aber abhängig vom Lastwiderstand, d. h. von der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers so ändert, daß ein nahezu konstanter Ausgangsstrom fließt. Dieses Verhalten wird vorteilhafterweise durch eine Stromgegenkopplung und/oder Stromregelung des im Hochfrequenzgenerator enthaltenen Leistungsverstärkers erzielt.As already described above, the efficiency of a High frequency generator for lithotripsy very high his. For this reason, as a power amplifier in such high-frequency generators predominantly Transistor amplifier used in switching operation. Such However, amplifiers are basically low-resistance. In a advantageous embodiment of the invention High-frequency generator therefore dimensioned so that it is is statically low, but dynamically high Has internal resistance. This means that the Internal resistance is actually low that Open-circuit voltage of the high-frequency generator itself depending on the load resistance, d. H. of the Input impedance of the piezoelectric transducer so changes that an almost constant output current flows. This behavior is advantageously caused by a Current negative feedback and / or current regulation of the im High frequency generator contained power amplifier achieved.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hochfrequenzgenerator mit einem an sich niederohmigen Leistungsverstärker verwendet, bei dem die Gleichstromversorgung des Leistungsverstärkers aber mit einem eingeprägten, also ungefähr konstanten Gleichstrom erfolgt. In diesem Fall hängt die sich ausbildende Betriebsgleichspannung des Leistungsverstärkers vom Ausgangswechselstrom des Leistungsverstärkers ab: Bei niedrigem Ausgangswechselstrom, d. h. hoher Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers, steigt die Betriebsgleichspannung an, was auch ein Ansteigen der Ausgangsspannung und damit ein Ansteigen des Ausgangsstromes so lange zur Folge hat, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Damit bleibt auch hier, trotz niederohmigen Leistungsverstärkers, der Ausgangsstrom des Hochfrequenzgenerators ungefähr konstant. Auch dieser Hochfrequenzgenerator hat einen hohen dynamischen Innenwiderstand.In a further embodiment of the invention, a High frequency generator with a low impedance per se Power amplifier used, in which the DC power supply to the power amplifier an impressed, i.e. approximately constant direct current he follows. In this case, the developing depends Operating DC voltage of the power amplifier from Output AC current of the power amplifier from: At low AC output, i.e. H. higher Input impedance of the piezoelectric transducer increases the operating DC voltage, which is also an increase in the Output voltage and thus an increase in Output current until a Has reached equilibrium. So that stays here, despite the low-impedance power amplifier, the High frequency generator output current approximately constant. This high frequency generator also has one high dynamic internal resistance.
Um die Forderung nach hohem Wirkungsgrad zu erfüllen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der im Hochfrequenzgenerator enthaltene Leistungsverstärker als Verstärker mit im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren ausgeführt. Zusammen mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen weist dann dieser an sich niederohmige Leistungsverstärker einen hohen dynamischen Innenwiderstand auf.To meet the demand for high efficiency, is in an advantageous embodiment of the invention the one contained in the high frequency generator Power amplifier as amplifier with switching operation working transistors executed. Together with the The measures described above then refer to them low-impedance power amplifiers have a high dynamic Internal resistance.
Betreibt man den piezoelektrischen Wandler mit einem eingeprägten Strom, d. h. mit einem Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand oder hohem dynamischen Innenwiderstand, so können die Eingangsspannung und die Eingangsleistung bei sehr hohem Andruck der Sonde an den Stein sehr groß werden. Um hier eine Überschreitung der Grenzwerte des piezoelektrischen Wandlers zu vermeiden, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators begrenzt.If you operate the piezoelectric transducer with a impressed current, d. H. with a high frequency generator with high internal resistance or high dynamic Internal resistance, so the input voltage and the Input power at very high pressure of the probe on the Stone become very large. In order to exceed the To avoid limit values of the piezoelectric transducer, is in a further embodiment of the invention Output voltage of the high frequency generator limited.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind noch Figuren beigefügt. Es zeigtTo further clarify the invention are still Figures attached. It shows
Fig. 1 Prinzipieller Aufbau eines Lithotripters mit niederohmiger Spannungsquelle, Fig. 1 Basic structure of a lithotripter with low impedance voltage source,
Fig. 2 Ersatzschaltung eines Lithotripters mit niederohmiger Spannungsquelle in der Nähe einer Serienresonanz, Fig. 2 equivalent circuit of a lithotripter with low impedance voltage source in the vicinity of a series resonance,
Fig. 3 Verteilung der Nutz- und der Verlustleistung abhängig vom Andruck der Sonde an den zu zerstörenden Stein bei Verwendung eines niederohmigen Hochfrequenzgenerators, Fig. 3 Distribution of the useful and of the power loss depends on the contact pressure of the probe to the stone to be destroyed with the use of a low high-frequency generator,
Fig. 4 Prinzipieller Aufbau eines Lithotripters mit hochohmiger Spannungsquelle, Fig. 4 Basic structure of a lithotripter with high-impedance voltage source,
Fig. 5 Ersatzschaltung eines Lithotripters mit hochohmiger Spannungsquelle in der Nähe einer Serienresonanz, Fig. 5 equivalent circuit of a lithotripter with high-impedance voltage source in the vicinity of a series resonance,
Fig. 6 Verteilung der Nutz- und der Verlustleistung abhängig vom Andruck der Sonde an den zu zerstörenden Stein bei Verwendung eines hochohmigen Hochfrequenzgenerators, Fig. 6 Distribution of the useful and of the power loss depends on the contact pressure of the probe to the stone to be destroyed using a high-impedance high-frequency generator,
Fig. 7 Blockschaltbild eines Lithotripters mit niederohmigem Leistungsverstärker und Stromregelung zur Erzeugung eines hohen dynamischen Innenwiderstandes, Fig. 7 block diagram of a lithotripter with low-impedance power amplifier and current control for generating a high dynamic internal resistance,
Fig. 8 Blockschaltbild eines Lithotripters mit niederohmigem Leistungsverstärker und hochohmiger Gleichstromversorgung des Leistungsverstärkers zur Erzeugung eines hohen dynamischen Innenwiderstandes. Fig. 8 block diagram of a lithotripter with a low-impedance power amplifier and a high-impedance direct current supply to the power amplifier for generating a high dynamic internal resistance.
In Fig. 1 ist schematisch ein Lithotripter mit niederohmigem Hochfrequenzgenerator dargestellt, wie er nach dem Stand der Technik verwendet wird. Als piezoelektrischer Wandler werden zwei gegenpolig angeordnete Keramikscheiben 1 verwendet. Das Einspannsystem besteht aus der rückwärtigen Masse 2, einem Bolzen 3 und der Frontmasse 4. Zur Anpassung der akustischen Impedanz der Sonde 6 an das Einspannsystem bzw. den piezoelektrischen Wandler 1 wird in diesem Beispiel ein Zylinder 5 verwendet. Mit der Sondenspitze wird der zu zerstörende Stein 7 berührt. Der Hochfrequenzgenerator 8 ist symbolisch mit einer Spannungsquelle der Leerlaufspannung Uo und dem Innenwiderstand Ri dargestellt. Ri ist in diesem Fall kleiner als die Leerlaufeingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers 1, d. h. wenn die Sonde 6 den Stein 7 nicht berührt. Z ist die Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers, die bei der Betriebsfrequenz, d. h. bei einer Serienresonanz reell ist. Mit Pv ist symbolisch die Verlustleistung bezeichnet, die auf alle mechanisch schwingenden Teile des Systems verteilt ist, vorzugsweise aber in der Sonde 6 entsteht. Pn ist die Nutzleistung, die nur dann an den Stein abgegeben wird, wenn dieser berührt wird.In Fig. 1, a lithotripter with a low-impedance high-frequency generator is shown schematically, as used in the prior art. Two ceramic disks 1 arranged in opposite poles are used as the piezoelectric transducer. The clamping system consists of the rear mass 2 , a bolt 3 and the front mass 4 . A cylinder 5 is used in this example to adapt the acoustic impedance of the probe 6 to the clamping system or the piezoelectric transducer 1 . The stone 7 to be destroyed is touched with the probe tip. The high-frequency generator 8 is shown symbolically with a voltage source of the open circuit voltage U o and the internal resistance R i . In this case, R i is smaller than the open-circuit input impedance of the piezoelectric transducer 1 , ie if the probe 6 does not touch the stone 7 . Z is the input impedance of the piezoelectric transducer, which is real at the operating frequency, ie at a series resonance. P v symbolically denotes the power loss, which is distributed over all mechanically vibrating parts of the system, but preferably arises in the probe 6 . P n is the useful power that is only given to the stone when it is touched.
Die elektrische Ersatzschaltung für den Frequenzbereich einer Serienresonanz ist in Fig. 2 dargestellt. Die Blindelemente L und C charakterisieren die Frequenzabhängigkeit des Systems und beschreiben die Serienresonanz. Rv beschreibt die Verluste und damit die Leistung, die hauptsächlich in der Sonde 6 in Wärme umgewandelt wird. Rn ist ein Widerstand, mit dem die an den Stein abgegebene Nutzleistung beschrieben werden kann. Im Leerlauf, wenn die Sonde 6 den Stein 7 nicht berührt, ist Rn = 0. Deshalb stellt Rv auch die Leerlaufimpedanz des piezoelektrischen Wandlers bei der Resonanzfrequenz dar. The electrical equivalent circuit for the frequency range of a series resonance is shown in FIG. 2. The dummy elements L and C characterize the frequency dependence of the system and describe the series resonance. R v describes the losses and thus the power, which is mainly converted into heat in the probe 6 . R n is a resistance that can be used to describe the useful power delivered to the stone. At idle, when the probe 6 does not touch the stone 7 , R n = 0. Therefore, R v also represents the idle impedance of the piezoelectric transducer at the resonance frequency.
Mit steigendem Andruck der Sonde 6 an den Stein 7 erhöht sich der Widerstand Rn, während die anderen Elemente der Ersatzschaltung praktisch konstant bleiben. Die Konstanz der restlichen Elemente ist auf die geringe Kopplung zwischen der Sonde 6 und dem Stein 7 zurückzuführen, die bei praktikablen Andrücken erreicht wird. Aus diesem Grund bleibt die Schwingungsverteilung längs der Sonde und des Einspannsystems bei allen praktischen Andrücken gleich und damit auch das Verhältnis zwischen den durch Druck und Bewegung gespeicherten Blindenergien und der durch Verformung entstehenden Verlustleistung.With increasing pressure of the probe 6 against the stone 7 , the resistance R n increases , while the other elements of the equivalent circuit remain practically constant. The constancy of the remaining elements is due to the low coupling between the probe 6 and the stone 7 , which is achieved with practical pressures. For this reason, the vibration distribution along the probe and the clamping system remains the same with all practical pressures and thus also the relationship between the reactive energy stored by pressure and movement and the power loss resulting from deformation.
Die Verlustleistung Pv und die Nutzleistung Pn eines Lithotripters mit niederohmigem Hochfrequenzgenerator sind in Fig. 3 abhängig vom Andruck dargestellt. Wie bereits ausgeführt, kann der Widerstand Rn als Maß für den Andruck verwendet werden. Da weiterhin der Verlustwiderstand in allen praktischen Fällen konstant ist, kann der Andruck durch das Verhältnis Rn/Rv ausgedrückt werden. Dieses Verhältnis wird in Fig. 3 als "relativer Andruck" bezeichnet.The power loss P v and the useful power P n of a lithotripter with a low-resistance high-frequency generator are shown in FIG. 3 depending on the pressure. As already stated, the resistance R n can be used as a measure of the pressure. Since the loss resistance is constant in all practical cases, the pressure can be expressed by the ratio R n / R v . This ratio is referred to in FIG. 3 as "relative pressure".
Die Leistungen sind in Fig. 3 auf die bei einem ganz bestimmten Andruck auftretende maximale Nutzleistung bezogen. Diese maximale Nutzleistung ist dem Fachmann als "verfügbare Leistung" oder "available power" Pa bekannt.The services in FIG. 3 are based on the maximum useful power that occurs at a very specific pressure. This maximum useful power is known to the person skilled in the art as "available power" or "available power" P a .
Wie man Fig. 3 entnehmen kann, ist die Verlustleistung bei fehlendem Kontakt zwischen Sonde und Stein, d. h. bei Rn = 0, besonders groß. Sie ist viermal so groß wie die maximale Nutzleistung Pa. Mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein wächst die Nutzleistung Pn bis zu einem Maximum, wobei die Verlustleistung Pv abnimmt. Übersteigt der Andruck den Wert, bei dem Rn gerade genau so groß ist wie Rv, so nimmt die Nutzleistung und daher die Steinzerstörungswirkung wieder ab. Dieser Effekt ist für den Operateur unverständlich und irritierend, weil er bei einem Stein, der nicht sofort zerspringt, natürlich erwartet, daß er mit wachsendem Andruck der Sonde an den Stein eine monoton wachsende Wirkung erzielen kann.As can be seen in FIG. 3, the power loss is particularly great when there is no contact between the probe and the stone, ie when R n = 0. It is four times the maximum useful power P a . With increasing pressure of the probe against the stone, the useful power P n increases to a maximum, the power loss P v decreasing. If the pressure exceeds the value at which R n is just as large as R v , the useful power and therefore the stone destruction effect decrease again. This effect is incomprehensible and irritating for the surgeon because he naturally expects a stone that does not shatter immediately to be able to achieve a monotonously increasing effect as the probe is pressed against the stone.
Der besondere Nachteil der Anordnung nach dem Stand der Technik ist aber die im Vergleich zur maximalen Nutzleistung sehr hohe Verlustleistung, die aus operationstechnischen Gründen, wie geschildert, in der meisten Zeit während einer Operation anfällt.The particular disadvantage of the arrangement according to the prior art Technology is compared to the maximum Useful power very high power loss that from operational reasons, as described in the most of the time during an operation.
In Fig. 4 ist schematisch ein Lithotripter mit hochohmigem Hochfrequenzgenerator (9) nach der Erfindung dargestellt. Unter hochohmig soll im Sinne der Erfindung ein Innenwiderstand Ri verstanden werden, der etwa eine Größenordnung größer ist als die Eingangsimpedanz Z bei der Betriebsfrequenz und bei Leerlauf, d. h. wenn die Sonde den Stein nicht berührt. Unter diesen Bedingungen ist es zweckmäßig, den Hochfrequenzgenerator als Stromquelle mit dem Kurzschlußstrom IK darzustellen, da Ik praktisch der Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers ist.In FIG. 4, a lithotripter with high-impedance high-frequency generator (9) is shown according to the invention schematically. In the sense of the invention, high-impedance is understood to mean an internal resistance R i which is approximately one order of magnitude greater than the input impedance Z at the operating frequency and when idling, ie when the probe does not touch the stone. Under these conditions, it is expedient to present the high-frequency generator as a current source with the short-circuit current I K , since I k is practically the input current of the piezoelectric transducer.
Das zugehörige Ersatzschaltbild ist in Fig. 5 dargestellt. Rn und Rv sind wieder die Nutz- und Verlustwiderstände. Der Verlustwiderstand ist praktisch wieder konstant, während der Nutzwiderstand vom Andruck der Sonde an den Stein abhängt und daher als variabler Widerstand gezeichnet ist. L und C sind die Ersatzelemente, die die Frequenzabhängigkeit der Eingangsimpedanz Z des piezoelektrischen Wandlers beschreiben.The associated equivalent circuit diagram is shown in FIG. 5. R n and R v are again the useful and loss resistances. The loss resistance is practically constant again, while the useful resistance depends on the pressure of the probe against the stone and is therefore drawn as a variable resistance. L and C are the replacement elements that describe the frequency dependence of the input impedance Z of the piezoelectric transducer.
In Fig. 6 ist die andruckabhängige Verteilung der Verlustleistung Pv und der Nutzleistung Pn aufgetragen. Auch hier wird das Widerstandsverhältnis Rn/Rv als Maß für den Andruck verwendet und als relativer Andruck bezeichnet. Wegen des konstanten Eingangsstromes und des konstanten Verlustwiderstandes ist hier die Verlustleistung Pv konstant und wird als Bezugsgröße für die Nutzleistung Pn verwendet. The pressure-dependent distribution of the power loss P v and the useful power P n is plotted in FIG. 6. Here too, the resistance ratio R n / R v is used as a measure of the pressure and is referred to as the relative pressure. Because of the constant input current and the constant loss resistance, the power loss P v is constant here and is used as a reference variable for the useful power P n .
Wie man Fig. 6 entnehmen kann, steigt bei einem erfindungsgemäßen Lithotripter die Nutzleistung und damit die Steinzerstörungswirkung proportional zum Andruck an. Der Operateur kann daher bei hartnäckigen Steinen die steinzerstörende Wirkung verbessern, wenn er die Sonde immer stärker an den Stein andrückt.As can be seen in FIG. 6, in a lithotripter according to the invention the useful power and thus the stone destruction effect increases in proportion to the pressure. With stubborn stones, the surgeon can therefore improve the stone-destroying effect by pressing the probe more and more against the stone.
Besonders günstig ist das Verhalten der Verlustleistung: sie bleibt bei allen Andrücken gleich und hat insbesondere bei fehlendem Steinkontakt kein Maximum mehr, wie beim Stand der Technik. Beim Übersteigen eines bestimmten Andrucks, bei dem Rn und Rv gerade gleich groß sind, wird die Nutzleistung bei einem erfindungsgemäßen Lithotripter sogar größer als die maximale Verlustleistung. Beim Stand der Technik war dagegen die maximale Nutzleistung nur ein Viertel der maximalen Verlustleistung.The behavior of the power loss is particularly favorable: it remains the same with all pressures and, especially when there is no stone contact, no longer has a maximum, as in the prior art. When a certain pressure is exceeded, at which R n and R v are just the same size, the useful power in a lithotripter according to the invention is even greater than the maximum power loss. In contrast, in the prior art, the maximum useful power was only a quarter of the maximum power loss.
Die Konstanz der Verlustleistung macht es dem Fachmann besonders leicht, den Kurzschlußstrom des hochohmigen Hochfrequenzgenerators so zu wählen, daß keine unzulässige Erwärmung der Sonde auftritt.The consistency of the power loss makes it to the expert particularly easy, the short-circuit current of the high-impedance High frequency generator to choose so that none excessive heating of the probe occurs.
In Fig. 7 ist das Blockschaltbild eines Beispiels für einen Lithotripter gezeichnet, bei dem ein Hochfrequenzgenerator mit hohem dynamischen Innenwiderstand verwendet wird. Der hohe dynamische Innenwiderstand wird in diesem Beispiel mithilfe einer Stromregelung erreicht.In Fig. 7, the block diagram is shown of an example of a lithotripter, in which a high-frequency generator is used with a high dynamic internal resistance. In this example, the high dynamic internal resistance is achieved with the help of a current control.
Die Hochfrequenzschwingung wird in einem spannungsgesteuerten Oszillator 10 erzeugt und über einen Modulator 11 einem Leistungsverstärker 12 zugeführt, mit dem die notwendige Ausgangsleistung erzeugt wird. Dieser Leistungsverstärker, der über den Netzgleichrichter 13 und die Siebschaltung 14 mit seiner Betriebsspannung versorgt wird, hat eigentlich einen niedrigen Innenwiderstand Riv. Auf den Leistungsverstärker 12 folgt aber ein Strommesser 15 dessen Meßsignal dem Modulator 11 als Regelgröße zugeführt. Dabei wird die Ansteuerung des Leistungsverstärkers 12 stromabhängig so verändert, daß am Ausgang des Strommessers 15 praktisch ein konstanter Ausgangsstrom fließt. Am Ausgang des Strommessers scheint daher ein hoher Innenwiderstand Ri vorzuliegen. Dieses Verhalten wird als hoher dynamischer Innenwiderstand bezeichnet.The high-frequency oscillation is generated in a voltage-controlled oscillator 10 and fed via a modulator 11 to a power amplifier 12 , with which the necessary output power is generated. This power amplifier, which is supplied with its operating voltage via the mains rectifier 13 and the filter circuit 14 , actually has a low internal resistance R iv . However, an ammeter 15 follows the power amplifier 12 and its measurement signal is fed to the modulator 11 as a controlled variable. The control of the power amplifier 12 is changed depending on the current so that a constant output current flows practically at the output of the ammeter 15 . A high internal resistance R i therefore appears to be present at the output of the ammeter. This behavior is known as high dynamic internal resistance.
Um die Oszillatorfrequenz im Bereich der Serienresonanz des piezoelektrischen Wandlers zu halten, wird in diesem Beispiel noch in einem Phasenmesser 16 die Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom am Eingang des piezoelektrischen Wandlers 17 gemessen. Das Meßsignal wird dem spannungsgesteuerten Oszillator 10 zugeführt. Mithilfe dieses Signals stellt der spannungsgesteuerte Oszillator 10 seine Frequenz so ein, daß die Phasenverschiebung nahezu null ist, der piezoelektrische Wandler 17 also bei der Resonanzfrequenz arbeitet.In order to keep the oscillator frequency in the range of the series resonance of the piezoelectric transducer, the phase shift between the voltage and the current at the input of the piezoelectric transducer 17 is still measured in a phase meter 16 in this example. The measurement signal is fed to the voltage-controlled oscillator 10 . With the aid of this signal, the voltage-controlled oscillator 10 adjusts its frequency so that the phase shift is almost zero, that is, the piezoelectric transducer 17 operates at the resonance frequency.
In Fig. 8 ist als weiteres Beispiel das Blockschaltbild eines Lithotripters dargestellt, bei dessen Hochfrequenzgenerator eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines hohen dynamischen Innenwiderstandes genutzt wird. Es ist wieder ein spannungsgesteuerter Oszillator 10 vorhanden, der einen an sich niederohmigen Leistungsverstärker 12 steuert. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10 wird ebenfalls von einem Phasenmesser 16 so geregelt, daß die Eingangsspannung und der Eingangsstrom am piezoelektrischen Wandler 17 ungefähr in Phase sind. In diesem Beispiel enthält die Betriebsspannungsversorgung neben dem Netzgleichrichter 13 und der Netzsiebung 14 aber noch eine Stromquelle 18, die aus dem Netzteil einen nahezu konstanten Gleichstrom entnimmt und als Versorgungsgleichstrom in den Leistungsverstärker 12 einprägt. Auf diese Weise ist der Ausgangswechselstrom des Leistungsverstärkers nahezu konstant und der Hochfrequenzgenerator wirkt wie ein hochohmiger Generator, obwohl der Leistungsverstärker an sich niederohmig ist.In Fig. 8, the block diagram of a lithotripter is shown as a further example, in whose high-frequency generator another possibility is used to generate a high dynamic internal resistance. A voltage-controlled oscillator 10 is again present, which controls a power amplifier 12 , which is inherently low-resistance. The frequency of the voltage controlled oscillator 10 is also controlled by a phase meter 16 so that the input voltage and the input current at the piezoelectric transducer 17 are approximately in phase. In this example, the operating voltage supply also contains, in addition to the line rectifier 13 and the line filter 14 , a current source 18 which takes an almost constant direct current from the power supply and impresses it into the power amplifier 12 as supply direct current. In this way, the output alternating current of the power amplifier is almost constant and the high-frequency generator acts like a high-resistance generator, although the power amplifier itself is low-resistance.
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