DE3712010A1 - Ultraschall-lithotripter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Lithotripter zur Zer­ störung von Steinablagerungen im menschlichen Körper entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ultraschall-Lithotripter werden verwendet, um z. B. Steine im Harnableitungssystem oder in der Gallenblase ohne offene Ope­ ration 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.

In Ultraschall-Lithotriptern wird der umgekehrte piezoelektri­ sche Effekt zur Erzeugung einer Ultraschall-Schwingung aus einer elektrischen Hochfrequenzspannung der gleichen Frequenz genutzt. Dazu wird ein piezoelektrischer Wandler in einem aku­ stisch genau bestimmten Einspannsystem gehalten. Das Einspann­ system sorgt einerseits für die notwendige mechanische Vor­ spannung des piezoelektrischen Wandlers und besorgt anderer­ seits die Umlenkung der vom piezoelektrischen Wandler nach hinten gehenden Kraftkomponente in Richtung auf den zu zer­ störenden Stein hin.

Zur Speisung des piezoelektrischen Wandlers wird ein Hochfre­ quenzgenerator verwendet, der die Hochfrequenzleistung auf der Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Wandlers bereitstellt.

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 di­ rekt an den Stein herangebracht werden können. Sie müssen vielmehr außerhalb des menschlichen Körpers betrieben werden. Deshalb werden dünne Sonden verwendet, die den Abstand zwi­ schen 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 Nieren­ stein herangeführt.

Wegen des großen Unterschieds der Querschnittsflächen von Son­ de und Einspannsystem bzw. piezoelektrischem Wandler bestehen in diesen Abschnitten sehr unterschiedliche akustische Impe­ danzen. Aus diesem Grund werden zwischen dem Einspannsystem und der Sonde Mittel zur Anpassung der akustischen Impedanzen verwendet.

Bekannte Lithotripter verwenden zur Anpassung der akustischen Impedanzen z. B. einen konusförmigen Übergang zwischen dem Einspannsystem und der Sonde. Dieser Konus ist fester Bestand­ teil des Einspannsystems. Aus dem Katalogblatt URO 37 der Firma Karl Storz Endoskope vom September 1982 ist weiterhin eine Anordnung bekannt, bei der zur Anpassung ein zylindri­ sches Metallstück verwendet wird. Auch dieser Metallzylinder ist fester Bestand des Einspannsystems und untrennbar mit diesem verbunden.

Je nach Lage des zu zerstörenden Steins im menschlichen Körper bräuchte man verschiedene Sondenformen. Bei der transurethra­ len Entfernung eines Blasensteines oder der perkutanen Ent­ fernung eines Nierensteines hat sich eine etwa 30 cm lange Son­ de mit etwa 4 mm Außendurchmesser als optimal erwiesen. Bei der transurethralen Entfernung eines Uretersteins bräuchte man dagegen eine etwa 50 cm lange Sonde, deren Außendurchmesser höchstens 1 mm sein darf, um die notwendige Flexibilität der Sonde zu gewährleisten. Eine Sonde für die transurethrale Behandlung eines Nierensteines müßte sogar noch länger sein und ihr Durchmesser sollte noch deutlich unter 1 mm liegen.

Außerdem ist einleuchtend, daß Sonden für die Steinversorgung von Kindern in den verschiedenen Altersstufen andere Abmessun­ gen aufweisen müßten als solche für die Behandlung von Erwach­ senen.

Die Mittel für die akustische Anpassung können aber nur eine Sondenform optimal an das Einspannsystem und damit an den piezoelektrischen Wandler anpassen. Würde man in diesem System andere Sondenformen verwenden, so würde sich die elektrische Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers gegenüber dem angepaßten Fall sehr stark ändern. Dies würde bewirken, daß der piezoelektrische Wandler entweder zu wenig oder zu viel Leistung aufnimmt. Im ersten Fall wäre die steinzerstörende Wirkung der Sonde unzureichend, im zweiten Fall würde sich die Sonde überhitzen und könnte durch Überlastung sogar zu Bruch gehen.

Aus diesem Grund werden bis heute bei manchen Lithotriptern die Sonden nicht auswechselbar gemacht. Die unterschiedlichen Anwendungsfälle werden mit komplett unterschiedlichen Instru­ menten abgedeckt. Bei anderen Lithotriptern werden zwar aus­ wechselbare Sonden angeboten. Die unterschiedlichen Sondenfor­ men sind aber sehr ähnlich, um keine unzulässigen Änderungen der aufgenommenen Leistung zu bewirken und man erreicht dabei nur eine suboptimale Anpassung an den Anwendungsfall.

Es ist auch versucht worden, die Ausgangsleistung des Hochfre­ quenzgenerators von Hand einstellbar zu machen. In diesem Fall könnte bei einer Fehlanpassung die Eingangsleistung so einge­ stellt werden, daß einerseits zwar eine ausreichende steinzer­ störende Wirkung der Sonde erzielt wird, andererseits aber die Sonde auch nicht überhitzt bzw. überlastet wird. Dieses Prin­ zip hat aber den großen Nachteil von möglichen Fehlbedienun­ gen. Es besteht die Gefahr, daß der Operateur bei der Behand­ lung hartnäckiger Steine die Leistung zugunsten einer besseren Zerstörungswirkung unzulässig erhöht. Die mögliche Überhitzung der Sonde gefährdet dann das Gewebe des Patienten, das die Sonde im Bereich des Einführungskanals umgibt, bzw. die Sonde kann durch Überschreitung der maximalen Bruchdehnung durch die Ultraschall-Schwingungen sogar brechen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Ultra­ schall-Lithotripter zu schaffen, bei dem die Sonde austausch­ bar ist, wobei sehr unterschiedliche Sondenformen im gleichen System verwendet werden können, und jeder Sonde nahezu die bei ihrer Form maximal mögliche Leistung zugeführt wird, d. h. die Leistung, die die maximal mögliche Steinzerstörungswirkung ergibt, bei der die Sonde aber noch nicht unzulässig erwärmt und insbesondere nicht durch Bruch gefährdet wird.

Diese Aufgabe wird mit den in den Kennzeichen der Ansprüche angegebenen Maßnahmen gelöst.

Zur Anpassung der Sonde an den piezoelektrischen Wandler wird eine Anordnung verwendet, die aus zwei in Kette geschalteten akustischen Transformatoren besteht. Dabei ist der erste aku­ stische Transformator mit dem Einspannsystem fest verbunden und der zweite akustische Transformator mit der Sonde. Zwi­ schen dem ersten und dem zweiten akustischen Transformator ist eine lösbare Verbindung, wie z. B. eine Schraubverbindung, ange­ bracht, so daß die Sonde zusammen mit dem zweiten akustischen Transformator vom restlichen Teil des Ultraschall-Lithotrip­ ters abgenommen und durch eine andere Sonde ersetzt werden kann.

Der erste akustische Transformator bleibt also immer mit dem piezoelektrischen Wandler und dem Einspannsystem verbunden und wird nur einmal benötigt. Er transformiert die hohe akustische Impedanz des piezoelektrischen Wandlers, die wegen der großen Querschnittsfläche des piezoelektrischen Wandlers grundsätz­ lich sehr viel höher ist als die akustische Impedanz aller in Frage kommenden Sonden, auf ein akustisches Impedanzniveau, das den Impedanzen der verwendeten Sondenformen sehr nahe kommt.

Der zweite akustische Transformator ist dagegen fest mit der jeweiligen Sonde verbunden. Er ist genau auf die Form seiner Sonde dimensioniert und wird natürlich bei jedem Sondenwechsel mit ausgewechselt. So können Sonden mit den verschiedensten Abmessungen, d. h. verschiedenen Längen, verschiedenen Quer­ schnittsflächen oder verschiedenen Längen und verschiedenen Querschnittsflächen verwendet werden. Auf diese Weise kann der Lithotripter an jede Anwendung optimal angepaßt werden, wobei der teuerste Teil des Systems, nämlich der Hochfrequenzgene­ rator und die Anordnung aus dem piezoelektrischen Wandler, dem Einspannsystem und dem ersten akustischen Transformator nur einmal vorhanden sein muß. Man hat damit ein preisgünstiges System realisiert, das trotzdem für jeden Anwendungsfall opti­ mal ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der er­ ste akustische Transformator so dimensioniert, daß eine Son­ denform verwendet werden kann, bei der kein zweiter akusti­ scher Transformator notwendig ist. Der erste akustische Trans­ formator ist dabei so ausgestaltet, daß beim Anbringen der be­ treffenden Sonde die Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers einen Wert aufweist, bei dem der Hochfrequenzgenera­ tor genau die für diese Sondenform passende Leistung an den piezoelektrischen Wandler abgibt.

In der Praxis wird man den ersten akustischen Transformator so dimensionieren, daß die am häufigsten verwendete Sondenform keinen zweiten akustischen Transformator braucht. Bringt man eine solche Sonde an den ersten akustischen Transformator an, so zeigt der piezoelektrische Wandler genau die Eingangsimpe­ danz, bei der der Hochfrequenzgenerator genau die zu dieser Sondenform passende Leistung an den piezoelektrischen Wandler abgibt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hoch­ frequenzgenerator mit niedrigem Innenwiderstand verwendet. Darunter wird ein Innenwiderstand verstanden, der im Vergleich zu den möglichen Eingangsimpedanzen des piezoelektrischen Wandlers niederohmig ist. Ein solcher Hochfrequenzgenerator gibt an den piezoelektrischen Wandler eine umso kleinere Lei­ stung ab, je hochohmiger der Realteil der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers ist. Dabei wird vorausgesetzt, daß Ultraschall-Lithotripter im Bereich einer Serienresonanz der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers betrieben wer­ den, der Imaginärteil der Eingangsimpedanz also näherungsweise vernachlässigbar ist gegenüber dem Realteil der Eingangsimpe­ danz.

Weiterhin werden bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren so dimensio­ niert, daß der Realteil der Eingangsimpedanz des piezoelektri­ schen Wandlers umso größer wird, je kleiner die Länge und je kleiner der Durchmesser der dazugehörigen Sonde ist. Je dünner und je kürzer eine Sonde ist, umso kleiner ist die maximal zu­ lässige Leistung, die der Sonde und damit dem piezoelektri­ schen Wandler zugeführt werden darf, wenn Überhitzung oder Bruchgefahr für die Sonde ausgeschlossen werden soll. Diese Bedingung wird von einem so gestalteten Lithotripter automa­ tisch erfüllt.

Die dem piezoelektrischen Wandler vom Hochfrequenzgenerator zugeführte Leistung wird überwiegend in der Sonde in Verlust­ wärme umgewandelt, weil dort die Verformung durch die Ultra­ schallschwingungen sehr viel größer ist als im restlichen Teil des Lithotripters. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung werden daher die zweiten akustischen Transformatoren der einzelnen Sondenformen so dimensioniert, daß der Realteil der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers ungefähr rezi­ prok proportional zum Volumen der zugehörigen Sonde ist, also ungefähr reziprok proportional zum Produkt aus Länge und Quer­ schnittsfläche der Sonde. Damit wird erreicht, daß die pro Sondenvolumen entstehende Verlustleistung für alle Sondenfor­ men ungefähr konstant ist. Mit einer einmaligen Einstellung der Leerlaufspannung des Hochfrequenzgenerators wird dann allen Sondenformen automatisch die richtige, d. h. zum Beispiel die maximal zulässige Leistung zugeführt, ohne daß nach einem Son­ dentausch eine manuelle Leistungseinstellung nötig wäre.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hoch­ frequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand verwendet. Darun­ ter wird ein Innenwiderstand verstanden, der im Vergleich zu den möglichen Eingangsimpedanzen des piezoelektrischen Wand­ lers hochohmig ist. Ein solcher Hochfrequenzgenerator gibt an den piezoelektrischen Wandler eine umso kleinere Leistung ab, je niederohmiger seine Eingangsimpedanz ist. Dabei wird wieder vorausgesetzt, daß Ultraschall-Lithotripter im Bereich einer Serienresonanz der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers betrieben werden, der Imaginärteil der Eingangsimpe­ danz also näherungsweise vernachlässigbar ist gegenüber dem Realteil der Eingangsimpedanz.

Weiterhin werden bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren so dimensio­ niert, daß der Realteil der Eingangsimpedanz des piezoelektri­ schen Wandlers umso niedriger wird, je kleiner die Länge und je kleiner der Durchmesser der dazugehörigen Sonde ist. Auch in dieser Ausgestaltung wird automatisch die Bedingung er­ füllt, daß die der Sonde zugeführte Leistung um so kleiner ist, je dünner und je kürzer eine Sonde ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ebenfalls ein hochohmiger Hochfrequenzgenerator verwendet und die zwei­ ten akustischen Transformatoren der einzelnen Sondenformen werden so dimensioniert, daß der Realteil der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers ungefähr proportional zum Volu­ men der zugehörigen Sonde ist, also ungefähr proportional zum Produkt aus Länge und Querschnittsfläche der Sonde. Damit wird erreicht, daß die pro Sondenvolumen entstehende Verlustlei­ stung für alle Sondenformen ungefähr konstant ist. Mit einer einmaligen Einstellung des Hochfrequenzgenerators wird dann allen Sondenformen automatisch die richtige, d. h. zum Beispiel die maximal zulässige Leistung zugeführt, ohne daß nach einem Sondentausch eine manuelle Leistungseinstellung nötig wäre.

In bestimmten Ausführungen der Erfindung werden die zweiten akustischen Transformatoren als zylinderförmige Körper aus Me­ tall oder einem nichtmetallischen Werkstoff hergestellt, deren Länge ungefähr einem Viertel der akustischen Wellenlänge in dem betreffenden Werkstoff bei der verwendeten Betriebsfre­ quenz beträgt.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind noch Abbildun­ gen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Lithotripters mit Hochfre­ quenzgenerator, piezoelektrischem Wandler, Einspann­ system, zylindrischem erstem und zweitem akustischen Transformator und Sonde, sowie eine Austauschsonde anderer Form,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Lithotripters mit Hochfre­ quenzgenerator, piezoelektrischem Wandler, Einspann­ system, konischem erstem akustischen Transformator, zylindrischem zweitem akustischen Transformator und Sonde,

Fig. 3 das Beispiel einer Detailanordnung mit zylindrischem er­ stem und zweitem akustischen Transformator.

In Fig. 1 ist schematisch der prinzipielle Aufbau eines Litho­ tripters mit Hochfrequenzgenerator, piezoelektrischem Wandler, Einspannsystem, erstem und zweitem akustischen Transformator und Sonde dargestellt. 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 7 an das Einspannsystem bzw. den piezoelek­ trischen Wandler 1 werden in diesem Beispiel die beiden Zylin­ derstücke 5 und 6 verwendet. Durch ihre unterschiedlichen Außendurchmesser wirken sie als Kettenschaltung zweier akusti­ scher Transformatoren. Mit der Sondenspitze wird der zu zer­ störende Stein 8 berührt. Der Hochfrequenzgenerator 9 ist sym­ bolisch mit einer Spannungsquelle der Leerlaufspannung Uo und dem Innenwiderstand Ri dargestellt. Z ist die Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers, die bei der Betriebsfrequenz, i. a. also bei einer Serienresonanz der gesamten Anordnung, reell ist. Mit Pv ist symbolisch die Verlustleistung bezeich­ net, die zwar prinzipiell auf alle mechanisch schwingenden Teile des Systems verteilt ist, vorzugsweise aber in der Sonde 7 entsteht, weil dort die Verformungsamplituden durch die Ultraschallschwingungen weitaus am größten sind.

Weiterhin ist in Fig. 1 eine Austauschsonde 10 mit anderer Form dargestellt. Zur Anpassung dieser Sonde an den piezoelek­ trischen Wandler ist ein zweiter akustischer Transformator 11 mit anderen Abmessungen vorgesehen.

Eine Anordnung mit konischem erstem Transformator 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Der restliche Aufbau und insbesondere der zweite akustische Transformator sind genauso aufgebaut wie im Beispiel der Fig. 1.

In Fig. 3 ist schließlich noch eine Detailzeichnung der Schraubverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten akusti­ schen Transformator dargestellt. Hier kann die Sonde zusammen mit dem zweiten akustischen Transformator abgenommen und durch eine andere Sonde für einen anderen Anwendungsfall ersetzt werden.

Claims (8)

1. Ultraschall-Lithotripter zur Zerstörung von Steinablagerun­ gen im menschlichen Körper, bestehend aus einem piezoelek­ trischen Wandler, einem Einspannsystem zur Halterung und mechanischen Vorspannung des piezoelektrischen Wandlers, einer Sonde zur Überbrückung des Abstandes zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem zu zerstörenden Stein, Mitteln zur Anpassung der akustischen Impedanz zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der Sonde, sowie einem Hoch­ frequenzgenerator zur Speisung des piezoelektrischen Wand­ lers, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Anpassung der akustischen Impedanz aus zwei in Kette geschalteten akustischen Transformatoren (5 und 6) bestehen, wobei der erste akustische Transformator (5) mit dem Einspannsystem (2, 3 und 4) fest verbunden ist und der zweite akustische Transformator (6) mit der Sonde (7) fest verbunden ist und zwischen dem ersten (5) und dem zweiten akustischen Transformator (6) eine lösbare Verbindung, wie z. B. eine Schraubverbindung existiert, so daß die Sonde (7) zusammen mit dem zweiten akustischen Transformator (6) vom restlichen Teil des Ultraschall-Lithotripters abgenommen und durch eine andere Sonde (10) ersetzt werden kann, wobei Sonden mit verschiedenen Abmessungen, d. h. verschiedenen Längen, verschiedenen Querschnittsflächen oder verschiede­ nen Längen und verschiedenen Querschnittsflächen verwendet werden können, um den Lithotripter an jede Anwendung opti­ mal anzupassen, und für jede Sondenform ein eigens dimen­ sionierter zweiter akustischer Transformator (6 bzw. 11) vorgesehen ist, der in Verbindung mit dem ersten akusti­ schen Transformator (5) die betreffende Sonde (7) so an den piezoelektrischen Wandler (1) anpaßt, daß bei der dabei entstehenden Eingangsimpedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) vom Hochfrequenzgenerator (9) möglichst genau die gewünschte Leistung an den piezoelektrischen Wandler (1) abgegeben wird.

2. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste akustische Transformator (5) so gestaltet ist, daß bei einer Sondenform, z. B. der am häufigsten ange­ wandten Sondenform, kein zweiter akustischer Transformator (6) notwendig ist.

3. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen Innenwiderstand (Ri) aufweist, der klein ist gegen die Eingangsimpedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfrequenz und die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) so dimensioniert sind, daß der Realteil der Eingangsim­ pedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) umso größer wird, je kleiner die Länge und je kleiner der Durchmesser der dazugehörigen Sonde (7 bzw. 10) ist.

4. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) so dimensioniert sind, daß der Realteil der Eingangsim­ pedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) ungefähr reziprok proportional zum Volumen der zugehörigen Sonde (7 bzw. 10), also ungefähr reziprok proportional zum Produkt aus Länge und Querschnittsfläche der zugehörigen Sonde (7 bzw. 10) ist.

5. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen Innenwiderstand (Ri) aufweist, der groß ist gegen die Eingangsimpedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfrequenz und die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) so dimensioniert sind, daß der Realteil der Eingangsim­ pedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) umso kleiner wird, je kleiner die Länge und je kleiner der Durchmesser der dazugehörigen Sonde (7 bzw. 10) ist.

6. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die jeweiligen zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) so dimensioniert sind, daß der Realteil der Eingangsim­ pedanz (Z) des piezoelektrischen Wandlers (1) ungefähr proportional zum Volumen der zugehörigen Sonde (7 bzw. 10), also ungefähr proportional zum Produkt aus Länge und Quer­ schnittsfläche der zugehörigen Sonde (7 bzw. 10) ist.

7. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) als zylindrische Körper aus Metall mit einer Länge aufgebaut sind, die bei der Betriebsfrequenz ungefähr einem Viertel der akustischen Wellenlänge in dem verwendeten Metall ent­ spricht.

8. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten akustischen Transformatoren (6 bzw. 11) als zylindrische Körper aus einem nichtmetallischen Material mit einer Länge aufgebaut sind, die bei der Betriebsfre­ quenz ungefähr einem Viertel der akustischen Wellenlänge in dem verwendeten Material entspricht.