DE3842916C1 - - Google Patents
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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.
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