DE3842916C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stoßwellengenerator, insbesondere zur Zertrümmerung von Konkrementen in biologischen Hohlorganen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Stoßwellengeneratoren dieser Art (DE-OS 37 36 953), wie sie als flexible Applikationssysteme mit äußerst geringen Lichtlei­ ter- und Wandlerdurchmessern von größenordnungsmäßig 1 bis 2 mm etwa in der intrakorporalen Lithotripsie zur Erzeugung von laserinduzierten Stoßwellen mit Hilfe des optischen Breakdown-Effekts Verwendung finden, ist der Wandler als hohlzylindrisches, den Lichtleiter am distalen Lichtleiterende koaxial umfassendes, einseitig geöffnetes Aufnahmegehäu­ se ausgebildet, welches zur Verringerung der zur Auslösung des Break­ down-Effektes erforderlichen Lichtimpulsdichte mit einem das Stoßwel­ len-Austrittslumen des Wandlers im Bereich des offenen Gehäuseendes durchsetzenden, metallischen Ionisationssteg versehen ist, an dessen dem distalen Lichtleiterende zugekehrter, senkrecht zur Strahlungsachse der auftreffenden Lichtimpulse verlaufender Ionisationsfläche eine Stoßwelle im umgebenden Fluid erzeugt wird.

Diese läuft zumindest teilweise im direkten Abstrahlbereich der Ionisa­ tionsfläche innerhalb des Wandlergehäuses zunächst zurück zum Lichtlei­ ter und zu den Gehäuse-Innenwänden, wo sie reflektiert wird, bevor sie den Wandler über die durch den Ionisationssteg verengte Austrittszone in Richtung des zu zertrümmernden Konkrementes verlassen kann. Bedingt durch den Energieverlust der Stoßwelle auf dem Weg zwischen Ionisations­ fläche und Wandler-Ausgang besitzen derartige Stoßwellengeneratoren eine begrenzte Effizienz und Haltbarkeit, vor allem im Bereich des distalen, in Hauptrichtung der zurücklaufenden Stoßwelle liegenden Lichtleiteren­ des.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optoakustischen Stoßwellengenerator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß durch eine verbesserte Stoßwellenführung im Wandler die nutzbare Stromwellenenergie und die Standfestigkeit des Stoßwellengenerators deutlich erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Stoßwellengenerator gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Stoßwellengenerator wird aufgrund der speziel­ len Zuordnung der Ionisationsfläche bezüglich der Strahlungsachse des Lichtleiters einerseits und der Stoßwellen-Auslaßzone andererseits si­ chergestellt, daß die Stoßwellenbelastung des Wandlers, vor allem in den diesbezüglich besonders empfindlichen, lichtleiterseitigen Wandlerberei­ chen, stark reduziert wird und sich die Stoßwelle weitgehend ungehindert von der Ionisationsfläche über den Wandlerauslaß zur Applikationsstelle ausbreitet. Hierdurch wird die an der Applikationsstelle nutzbare Stoß­ wellenenergie im Verhältnis zur eingestrahlten Lichtpulsenergie wesent­ lich gesteigert und die mechanische Standfestigkeit des Stoßwellengene­ rators deutlich verbessert. Der erfindungsgemäße Stoßwellengenerator eignet sich daher in hervoragender Weise zur direkten Stoßwellen-Zer­ trümmerung von Konkrementen an schwer zugänglichen Stellen, wie etwa Harnleiter- oder Nierensteinen im menschlichen Körper.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Ionisa­ tionsfläche gemäß Anspruch 2 vorzugsweise unter einem Winkel von 20° bis 60° zur Strahlungsachse des Lichtimpulses geneigt, wodurch ohne Fokus­ sierung des Lichtimpulses eine ausreichend hohe Leuchtdichte an der Io­ nisationsfläche bei zugleich besonders günstiger, gegenseitiger Zuord­ nung von distalem Lichtleiterende, Ionisationsfläche und Austrittszone des Wandlers erzielt werden kann. Im Hinblick auf eine problemlose Er­ neuerung der Ionisationsfläche, an der die zur Initiierung des Break­ down-Effektes erforderliche Leuchtdichte der Lichtimpulse bei größenord­ nungsmäßig 10⁹ W/cm² liegen muß, ist gemäß Anspruch 3 die Ionisati­ onsfläche vorzugsweie an einem auswechselbaren Trägerelement des Wand­ lers ausgebildet.

Um ein Eindringen von Schwebeteilchen, etwa Bruchstücken des zu zertrüm­ mernden Konkrementes, in den Strahlengang der Lichtimpulse zwischen distalem Leiterende und Ionisationsfläche auf einfache Weise wirksam zu verhindern, ist gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise ein zusätzlich zum Lichtleiter an den Wandler angeschlossener Spülkanal zur Zuführung eines das distale Lichtleiterende umströmenden und zur Ionisationsfläche hin abfließenden Spülfluids vorgesehen, und im Hinblick auf eine besonders günstige Durchspülung des Wandler-Innenraums enthält der Spülkanal gemäß Anspruch 5 vorzugsweise mehrere, im Bereich des distalen Leiterendes gleichförmig in Umfangsrichtung verteilte Spülfluid-Auslaßöffnungen, wobei als Spülfluid zweckmäßigerweise eine wasserhaltige Flüssigkeit verwendet wird, die sowohl die gewünschten optischen Eigenschaften hin­ sichtlich einer niedrigschwelligen Auslösung des Breakdown-Effektes auf­ weist als auch eine möglichst verlustarme Übertragung der direkt auf die Applikationsstelle gerichteten Stoßwelle erlaubt.

Aus Herstellungsgründen ist die Ionisationsfläche gemäß Anspruch 6 vor­ zugsweise eben ausgebildet, wahlweise kann sie jedoch, etwa im Hinblick auf eine gleichförmige Leuchtdichte-Verteilung bei einer im allgemeinen geringfügig divergenten Eigen-Abstrahlcharakteristik des Lichtleiters, auch gekrümmt sein.

Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht der Wand­ ler nach Anspruch 7 aus einem hohlzylindrischen Aufnahmegehäuse, welches ein über das offene Gehäuseende fingerartig vorstehendes, mit der Ioni­ satonsfläche versehenes Trägerelement enthält, wodurch sich seitlich von der Gehäuseachse eine nicht mehr durch den Gehäuse-Innendurchmesser be­ schränkte Austrittszone ergibt, die von der an der Ionisationsfläche entstehenden Stoßwelle nahezu vollständig auf direktem Wege in Richtung der Applikationsstelle passiert werden kann. In diesem Fall verläuft die Strahlungsachse des Lichtleiters gemäß Anspruch 8 im Hinblick auf eine einfache Lichtleiter-Befestigung zweckmäßigerweise in Richtung der Ge­ häuse-Mittelachse, wobei der Lichtleiter nicht nur - wie gemäß Anspruch 9 - koaxial, sondern auch - wie gemäß Anspruch 10 bevorzugt - exzen­ trisch zur Gehäuse-Mittelachse im Aufnahmegehäuse befestigt werden kann, wobei die exzentrische Befestigung eine flachere Neigung der Ionisa­ tionsfläche bezüglich der Gehäuse-Mittelachse und dadurch eine Vergröße­ rung der Austrittszone und eine mehr vorwärts gerichtete Stoßwellen-Aus­ breitung ergibt. Für eine noch stärker vom offenen Gehäuseende nach vor­ ne fortgerichtete Anordnung der Ionisationsfläche empfiehlt es sich ge­ mäß Anspruch 11, den Lichtleiter im Aufnahmegehäuse schräg zur Gehäu­ se-Mittelachse zu befestigen.

Gemäß einer weiteren, fertigungsmäßig besonders einfachen Variante der Erfindung nach Anspruch 12 schließlich wird in Verbindung mit einem ebenfalls wieder als hohlzylindrisches Aufnahmegehäuse ausgebildeten Wandler eine durch schräge, proximalseitige Einkoppelung des Lichtimpul­ ses erzielte, zirkumferenzielle Abstrahlcharakteristik am distalen Lichtleiterende in der Weise ausgenutzt, daß der Lichtimpuls als zur Ge­ häuse-Mittelachse koaxialer Ringkegel schräg auf den an das offene Ge­ häuseende angrenzenden Teil der Zylinder-Innenwand, welcher die Ionisa­ tionsfläche bildet, gerichtet wird. Durch die in Umfangsrichtung gleich­ förmige Verteilung des Lichtimpulses über die die Gehäuse-Öffnung um­ grenzende Ringzone der Gehäuse-Innenfläche wird die Standfestigkeit des Wandlers weiter erhöht und gleichfalls sichergestellt, daß sich die ent­ stehende Stoßwelle auf direktem Wege über die freie Gehäuse-Öffnung un­ gehindert nach vorne zu der Applikationsstelle, also etwa dem zu zerstö­ renden Stein, ausbreiten kann.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der in den Figuren dargestellten Aus­ führungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen in stark schematisierter, maßstäblich übertriebener Darstel­ lung:

Fig. 1 Die teilweise geschnittene Ansicht eines Stoßwellengenerators in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 Den Stoßwellengenerator gemäß Fig. 1 im Bereich des Wandlerge­ häuses mit einer modifizierten Lichtleiter-Befestigung;

Fig. 3 Eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung in nochmals abgewan­ delter Ausführung;

Fig. 4 Die teilweise geschnittene Ansicht eines Stoßwellengenerators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Laser 2 auf, der geeignet ist, Lichtimpulse mit einer Pulsdauer von etwa 10 ns und einer Energie bis zu 50 mJ zu erzeugen, welche über eine Einkoppeloptik 4 in die proximale Stirnfläche einer flexiblen, von einer Faserhülle 6 ummantelten Lichtleitfaser 8 eingekoppelt werden. Diese ist im distal­ seitigen Endbereich im metallischen, hohlzylindrischen Aufnahmegehäuse 12 eines insgesamt mit 14 bezeichneten Wandlers koaxial zur Gehäuse-Mit­ telachse befestigt, so daß die eingestrahlten Laserlicht-Impulse an der nahe dem offenen Gehäuseende 16 gelegenen, distalen Lichtleiter-Stirn­ fläche 18 als zur Gehäuseachse koaxialer Lichtkegel - mit einem halben Scheitelwinkel von etwa 10° abgestrahlt werden, wie dies durch die in Fig. 1 eingezeichneten Randstrahlen dargestellt ist.

An einem fingerartig nach vorn über die Gehäuseöffnung 16 vorstehenden, auswechselbaren, ebenfalls metallischen Trägerelement 20 des Aufnahmege­ häuses 12 ist eine unter etwa 40° schräg zur Strahlungsachse der Licht­ impulse geneigte ebene Ionisationsfläche 22 ausgebildet, auf die die Lichtimpulse mit einer Leuchtdichte von etwa 10⁹ W/cm² auftreffen und in dem umgebenden Fluid 24 eine Stoßwelle erzeugen, die sich in seitlicher Richtung ungehindert über die zwischen Gehäuseende 16 und Ionisationsfläche 22 freigehaltene Austrittszone auf direktem Wege zu dem der Austrittszone vorgelagerten Konkrement 26 ausbreitet.

Das Fluid 24, in dem der die Stoßwelle erzeugende Breakdown-Effekt mit­ tels der Laserimpulse an der elliptischen Ionisationsfläche 22 erzeugt wird, sollte sowohl die gewünschten optischen Eigenschaften hinsichtlich des Breakdown-Effektes aufweisen als auch eine möglichst verlustarme Übertragung der entstehenden Stoßwelle gewährleisten und besteht in der Regel aus einer wasserhaltigen, biologisch verträglichen Flüssigkeit, die dem Wandler 14 von einer Spülflüssigkeitspumpe 26 in einem zum Lichtleiter 6, 8 koaxialen Flüssigkeitsschlauch 28 zugeführt wird und über mehrere, in Umfangsrichtung gleichförmig verteilte Spülschlitze 30 des Aufnahmegehäuses 12 im Bereich des distalen Lichtleiterendes in das Gehäuselumen austritt und in Richtung der Ionisationsfläche 22 über die Stoßwellen-Austrittszone abströmt. Aufgrund der gegenseitigen räumlichen Zuordnung von Ionisationsfläche 22, Lichtleiter-Strahlungsachse und Stoßwellen-Auslaßzone des Wandlers 14 wird die Laserimpulsenergie mit sehr hoher, nämlich gegenüber vergleichbaren, herkömmlichen Wandlern um etwa das Dreifache gesteigerter Effizienz in nutzbare Stoßwellenenergie umgewandelt. Zugleich läßt sich der Wandler 14 wegen seiner geringen Ab­ messungen - von z.B. 10 mm Gesamtlänge und 2 mm Außendurchmesser - auf kleinstem Raum direkt am zu zerstörenden Konkrement 26 zur Anwendung bringen.

Gemäß Fig. 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Ele­ mente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ist der Lichtleiter 106, 108 im Aufnahmegehäuse 112 exzentrisch befestigt und die am auswechselbaren Trägerelement 120 ausgebildete, elliptische Ionisationsfläche 122 dementsprechend ebenfalls exzentrisch zur Gehäu­ se-Mittelachse angeordnet, wodurch die Stoßwellen-Austrittszone des Wandlers 114 vergrößert und der direkte Stoßwellen-Abstrahlbereich der Ionisationsfläche 122 mehr vorwärts gerichtet wird. Die Spülflüssig­ keitskanäle 130 sind unter Berücksichtigung der exzentrischen Lichtlei­ ter-Anordnung nicht gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt, sondern verlaufen aus Platzgründen einseitig oberhalb des Lichtleiters 106, 108 im Wandlergehäuse 112. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise des Wandlers 114 die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung und mit um 200 erhöhten Bezugszeichen ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem der Lichtleiter 206, 208 nicht nur exzentrisch, sondern auch ge­ bogen in dem Wandlergehäuse 212 gefaßt ist, wodurch der Neigungswinkel der Ionisationsfläche 222 gegenüber der Gehäuse-Mittelachse unter Beibe­ halt einer schrägen Anstellung zur Strahlungsachse des Lichtimpulses so verändert werden kann, daß sich gegenüber Fig. 2 eine nochmalige Ver­ größerung der im unmittelbaren Abstrahlbereich der Ionisationsfläche 222 liegenden Wandler-Austrittszone und eine noch mehr nach vorwärts ge­ richtete Stoßwellen-Ausbreitung ergibt. Die Anordnung der Spülkanäle 230 ist ebenso wie die übrige Bau- und Funktionsweise des Wandlers 214 die gleiche wie gemäß Fig. 2.

Bei dem Stoßwellengenerator gemäß Fig. 4, wo die dem ersten Ausführungs­ beispiel entsprechenden Bauteile mit einem um 300 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, ist der Lichtleiter 306, 308 wiederum in einem hohlzylin­ drischen Wandlergehäuse 312 koaxial zur Gehäuseachse gefaßt, welches mit gleichförmig in Umfangsrichtung verteilten Spülschlitzen 330 versehen ist. Im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist in diesem Fall jedoch der an die freie Gehäuseöffnung 316 angrenzende Teil der zylindrischen Gehäuse-Innenwand als Ionisationsfläche 322 an einem ringbuchsenförmigen, auswechselbaren Einsatzelement 320 ausgebildet. Die schräge Zuordnung der Ionisationsfläche 322 bezüglich der Strahlungs­ richtung der Lichtimpulse wird dadurch erreicht, daß die Lichtimpulse über die Einkoppeloptik 304 unter einem spitzen Winkel bezüglich der Flächennormalen A am proximalen Lichtleiterende in die Lichtleiter-Ein­ trittsfläche eingekoppelt werden, so daß sie an der distalen Lichtlei­ ter-Stirnfläche 318 mit zirkumferenzieller Abstrahlcharakteristik in Form eines zur Gehäuse-Mittelachse koaxialen, auf die Ionisationsfläche 322 gerichteten Ringkegels emittiert werden, wie dies in Fig. 4 durch die Ringkegel-Randstrahlen angedeutet ist. Auch bei diesem Ausführungs­ beispiel ist somit die Ionisationsfläche 322 gegenüber der Strahlungs­ richtung der Lichtimpulse schräg in Richtung der durch die freie Gehäu­ seöffnung 316 gebildeten, im direkten Stroßwellen-Abstrahlbereich der Ionisationsfläche 322 gelegenen Stoßwellen-Austrittszone geneigt. Durch das ringförmig austretende, intensive Laserlicht wird an der Ionisati­ onsfläche 322 rund um die Gehäuseöffnung 316 ein Plasma erzeugt, und es kommt zur Ausbildung einer Stoßwelle, die sich nach vorne ungehindert bis zum Konkrement 326 ausbreitet. Im übrigen entspricht die Bau- und Funktionsweise derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Claims (12)

1. Stoßwellengenerator, insbesondere zur Zertrümmerung von Konkre­ menten in biologischen Hohlorganen, mit einem licht-, insbesondere la­ serlichtimpulsübertragenden Lichtleiter und einem am distalen Lichtlei­ terende angeordneten Wandler, der mit einer beim Auftreffen eines Licht­ impulses eine Stoßwelle im umgebenden Fluid initiierenden Ionisations­ fläche sowie mit einer Stoßwellen-Austrittszone versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationsfläche (22; 322) bezüglich der Strahlungsachse des auftreffenden Lichtimpulses schräg geneigt verläuft und die Stoßwellen-Austrittszone (316) des Wandlers (14; 314) im direk­ ten Stoßwellen-Abstrahlbereich der Ionisationsfläche angeordnet ist.

2. Stoßwellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationsfläche (22; 322) unter einem Winkel von 20° bis 60° zur Strahlungsachse des Lichtimpulses geneigt ist.

3. Stoßwellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ionisationsfläche (22, 322) sich an einem auswechselbar am Wandler (14; 314) befestigten Trägerelement (20; 320) befindet.

4. Stoßwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen zusätzlich zum Lichtleiter (6, 8) an den Wand­ ler (14) angeschlossenen Spülkanal (28, 30) zur Zuführung eines das distale Lichtleiterende (18) umströmenden und zur Ionisationsfläche (22) hin abfließenden Spülfluids.

5. Stoßwellengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülkanal (28, 30) mehrere, im Bereich des distalen Lichtleiter­ endes (18) gleichförmig in Umfangsrichtung verteilt in den Wandler-In­ nenraum mündende Spülfluid-Auslaßöffnungen (30) enthält.

6. Stoßwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ionisationsfläche (22) eben ausgebildet ist.

7. Stoßwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) ein hohlzylindrisches, den Lichtleiter (6, 8) umschließendes, einseitig frei geöffnetes Aufnahmege­ häuse (12) mit einem über das offenen Gehäuseende (16) fingerartig vor­ stehenden, mit einer Ionisationsfläche (22) versehenen Trägerelement (20) enthält.

8. Stoßwellengenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsachse des Lichtimpulses in Richtung der Gehäuse-Mit­ telachse verläuft.

9. Stoßwellengenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (6, 8) im Aufnahmegehäuse (12) koaxial zur Gehäu­ se Mittelachse befestigt ist.

10. Stoßwellengenerator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtleiter (106, 108; 206, 208) im Aufnahmegehäuse (112, 212) exzentrisch zur Gehäuse-Mittelachse befestigt ist.

11. Stoßwellengenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (206, 208) im Aufnahmegehäuse (212) schräg zur Ge­ häuse-Mittelachse befestigt ist.

12. Stoßwellengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (314) als hohlzylindrisches, einerseits den Lichtleiter (306, 308) umfassendes und andererseits am frei geöffne­ ten Zylinderende (316) die Stoßwellen-Austrittszone umgrenzendes Aufnah­ megehäuse (312) mit dem am offenen Zylinderende gelegenen Teilabschnitt der Zylinder-Innenwand als ringförmige Ionisationsfläche (322) ausgebil­ det ist und die Lichtimpulse am proximalen Lichtleiterende schräg einge­ koppelt werden, derart, daß sie am distalen Lichtleiterende (318) mit zirkumferentieller Abstrahlcharakteristik in Form eines auf die Ionisa­ tionsfläche gerichteten Ringkegels austreten.