EP0781447B1

EP0781447B1 - Vorrichtung zur erzeugung von stosswellen für die medizinische therapie, insbesondere für die elektro-hydraulische lithotripsie

Info

Publication number: EP0781447B1
Application number: EP94928388A
Authority: EP
Inventors: Erwin Simnacher
Original assignee: HMT High Medical Technologies Entwicklungs und Vertriebs AG
Current assignee: HMT High Medical Technologies Entwicklungs und Vertriebs AG
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-09-21
Also published as: EP0781447A1; WO1996009621A1; DE59408375D1; JP3594610B2; JPH10508221A; US6113560A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen durch Funkenentladung zwischen Elektroden, die in einem flüssigen Medium wie Wasser intermittierend mit elektrischem Strom gespeist werden, wobei die Stoßwellen auf das in einem Körper befindliche Objekt fokussiert werden.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE-PS 23 51 247 bekannt. Darin ist eine Einrichtung zum Zertrümmern von Konkrementen im Körper von Lebewesen beschrieben. Mit Hilfe einer Funkenentladung in einem flüssigen Medium werden in einem Brennpunkt eines abgestumpften Rotationsellipsoids Stoßwellen erzeugt, am Ellipsoid reflektiert und im zweiten Brennpunkt fokussiert. In diesen zweiten Brennpunkt werden die zu zertrümmernden Konkremente gebracht.

Im allgemeinen findet bei Anlagen dieser Art die Funkenentladung an einer austauschbaren Vorrichtung statt, bei der sich mindestens zwei Elektroden gegenüberstehen, zwischen denen die Entladung abläuft.

In der DE-OS 26 35 635 ist eine solche Vorrichtung beschrieben, im wesentlichen bestehend aus zwei axial angeordneten Elektrodenspitzen, einer induktionsarmen Stromzuführung und der mechanischen Halterung bzw. Einbettung der Elektroden.

In die zugehörige Anlage eingebracht, bilden die Elektroden zusammen mit einem Hochspannungsschalter und einer hochspannungsfesten Kapazität einen möglichst niederinduktiven und niederohmschen Stromkreis. Beim Betrieb wird die Kapazität auf eine Spannung in der Größenordnung von etwa 10 kV bis 30 kV aufgeladen. Diese Spannung wird intermittierend über den Hochspannungsschalter an die sich in wäßriger Umgebung befindlichen Elektroden angelegt. Ist bei vorgegebener Spannung der Abstand der beiden Elektroden nicht zu groß, so erfolgt zwischen den Elektroden ein elektrischer Durchbruch in Form einer Funkenentladung. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden sinkt hierbei stark ab, und die Kapazität entlädt sich in einer gedämpften periodischen Schwingung. Zwischen dem Schließen des Hochspannungsschalters und dem starken Absinken des Widerstandes zwischen den Elektroden vergeht dabei eine gewisse Zeit, die Latenzzeit, während der ein geringer Strom fließt, der im wesentlichen durch den ohmschen Widerstand des sich zwischen den Elektroden befindlichen flüssigen Mediums begrenzt wird.

Damit zwischen den beiden Elektroden ein Spannungsdurchbruch in Form einer Funkenentladung zustandekommt, darf deren Abstand ein gewisses Maß, abhängig von der Art des flüssigen Mediums und der Höhe der intermittierend angelegten Spannung, nicht überschreiten. Jede Funkenentladung führt an den Elektrodenspitzen zu einem Materialverlust und damit zu einem größeren Elektrodenabstand. Nähert sich der Abstand einem kritischen Maß, so führt ein Anlegen der Spannung an die Elektroden immer seltener zu einer Funkenentladung, bis diese schließlich ganz ausbleibt. Zusätzlich verlängert sich die durchschnittliche Latenzzeit, mit der Folge, daß bereits ein Teil der gespeicherten Energie vor dem Spannungsdurchbruch infolge des dabei fließenden Stromes verlorengeht und die zur Erzeugung der Stoßwelle zur Verfügung stehende Energie entsprechend geringer ist.

In der Vergangenheit gab es mehrere Ansätze, auch bei einem über das kritische Maß hinausgehenden Elektrodenabstand einen Spannungsdurchbruch zu erhalten, um zum einen die Lebensdauer der die Elektroden enthaltenden Vorrichtungen zu erhöhen und zum anderen durch den längeren Entladungskanal eine Leistungssteigerung bezüglich der Stoßwellenenergie zu erreichen.

Bekannt sind sogenannte Drahtentladungsquellen, bei denen dünne Drähte durch eine Hochstromentladung zum explosionsartigen Verdampfen gebracht werden. Diese stellen jedoch speziell bei der hydraulischen Lithotripsie kein praktikables Verfahren dar, weil der Draht nach jeder Entladung erneuert werden muß und eine durchschnittliche Lithotripsiebehandlung mehrere tausend Entladungen umfaßt.

In der DE-PS 36 37 326 ist die Verwendung einer Hilfselektrode beschrieben, die zu einer kontrollierten Leadergeometrie und hierüber zu größeren Elektrodenabständen führt. Der Leader ist dabei ein zunächst stromarmer Kanal, welcher der eigentlichen Funkenentladung vorausgeht und deren örtlichen Verlauf bestimmt. Da in der Nähe einer Funkenentladung ganz erhebliche mechanische Belastungen auftreten, ist eine geeignete Konstruktion nur schwer zu realisieren. Zudem muß die Hilfselektrode getrennt von den beiden Hauptelektroden mit Spannung versorgt werden, so daß diese Vorrichtungen nicht in bestehenden Anlagen verwendet werden können.

Ein anderer Weg, eine effizientere Stoßwelle zu bekommen und die Lebensdauer der Elektroden zu verlängern, ist in der DE-PS 40 20 770 beschrieben. Wesentlich dabei ist, daß der Widerstand des flüssigen Mediums zwischen den Elektroden beträchtlich verringert wird, so daß sich eine aperiodische Entladung ergibt. Der hierfür notwendige kritische Widerstandswert liegt unter etwa 20 Ohm x cm.

Aus der US-A-2 559 227 ist ein Stoßwellenerzeuger für die medizinische-Therapie mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen bekannt.

In der DE-A-1 252 449 ist eine Einrichtung zur Erzeugung kurzzeitiger hydraulischer Druckstöße hoher Energie für die Bearbeitung von Metallen oder für sonstige mechanische Arbeitszwecke beschrieben, wobei in das die Elektroden umgebende flüssige Medium leitende Teilchen eingebracht und in einer Arbeitskammer gehalten werden.

Die DE-A-1 277 716 beschreibt einen Funkenschallsender für den Einsatz in Bohrlöchern, wobei innerhalb eines druckfesten Gehäuses der Flüssigkeitsfüllung ein Katalysator aus Metallen der Platingruppe in Form von kolloidalen Lösungen, feinpulverigen Suspensionen oder auf Trägern zugesetzt wird.

Der GB-A-2 229 528 ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung als bekannt zu entnehmen, wobei Stoßwellen für die Stimulierung bei der Gewinnung von Öl, Gas u.dgl. aus Bohrlöchern eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zwischen zwei sich in einem fliissigen Medium befindlichen Elektroden einen Spannungsdurchbruch in Form einer Funkenentladung bei einem Abstand der Elektroden zu erreichen, welcher über ein kritisches Maß hinausgeht, bei dem bei gegebenem flüssigem Medium und gegebener Höhe der angelegten Spannung ohne weitere Maßnahmen keine Funkenentladung stattfinden würde.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Erfindungswesentlich ist, daß zwischen die Elektroden in ein diese umgebendes flüssiges Medium leitende, halbleitende oder polarisierbare Teilchen eingebracht und dort gehalten werden. Diese Teilchen gehen nicht in Lösung. Es hat sich gezeigt, daß dadurch auch bei erheblich über das kritische Maß hinausgehenden Elektrodenabständen eine Funkenentladung stattfindet. Dies trägt zu einer wesentlich längeren Lebensdauer der die Elektroden enthaltenden Vorrichtung bei. Zusätzlich wird eine Leistungssteigerung erzielt, der Wirkungsgrad erhöht und der nutzbare Spannungsbereich erweitert. Ein präparativer Vorgang zwischen einzelnen Entladungen ist aber nicht notwendig, es werden keine Hilfselektroden und -spannungen benötigt, und ein Absenken des ohmschen Widerstandes des Mediums zwischen den Elektroden in die Nähe des kritischen Wertes ist nicht erforderlich.

Erfindungswesentlich ist weiter: das Medium mit den darin enthaltenen Teilchen ist in einer die Elektroden umgebenden, stoßwellendurchlässigen Hülle untergebracht die mindestens eine Öffnung für das Entweichen des bei der Funkenentladung entstehenden Gases hat. Der Durchmesser dieser Öffnung soll so groß sein, daß der Austausch zwischen Hülleninnenraum und Hüllenaußenraum der sich in dem flüssigen Medium befindlichen Teilchen eingeschränkt wird. Dem sich in der Hülle befindlichen flüssigen Medium werden die Teilchen einmalig, mehrmalig oder kontinuierlich zugesetzt. Die Hülle weist eine verschließbare Öffnung zu ihrem Befüllen auf.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens haben die Teilchen die Größe von einigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern. Vorzugsweise werden metallische Teilchen, insbesondere Teilchen aus Aluminium, verwendet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens um eine Elektrode eine diese ringförmig umgebende Blende angeordnet. Diese Blende absorbiert und/oder reflektiert Teile der durch die Funkenentladung entstehenden Stoßwelle. Dadurch wird der Fokusbereich im zweiten Brennpunkt in seiner Größe und Form beeinflußt, und es wird insbesondere bei großen Elektrodenabständen die Fokusausdehnung auf einem für die extrakorporale Stoßwellenlithotripsie (ESWL) anwendungsgerechten Maß gehalten.

Vorzugsweise besteht die Blende aus Polyurethan.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine Anlage zur Verwendung insbesondere für die extrakorporale Stoßwellenlithotripsie (ESWL), mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, bzw. welche die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält;
Fig. 2: eine Schnittdarstellung einer die Elektroden enthaltenden Vorrichtung;
Fig. 3: einen Teilschnitt mit einer Blende zur Fokusbegrenzung.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Längsachse eines abgestumpften Rotationsellipsoids. An der Wandung 1 des abgestumpften Rotationsellipsoids werden die von einem Fokus F1 kommenden Stoßwellen reflektiert und zu einem Brennpunkt F2 hin fokussiert. Das abgestumpfte Rotationsellipsoid ist mit entgastem Wasser gefüllt und nach oben hin durch eine stoßwellendurchlässige elastische Membran verschlossen. Über diese Membran 2 erfolgt die akustische Ankopplung an einen Körper, wobei zu zertrümmernde Konkremente oder zu behandelnde Gewebe in den Fokus F2 gebracht werden. Im Fokus F1 stehen sich zwei Elektroden 3 und 4 gegenüber, an denen die Funkenentladung und damit die Stoßwellenerzeugung erfolgt. Die beiden Elektroden 3 und 4 sind Teil einer austauschbaren Vorrichtung. Die elektrische Schaltung zeigt einen Ladewiderstand 5, einen Hochspannungskondensator 6 und einen Hochspannungsschalter 7.

Über den Ladewiderstand 5 wird der Hochspannungskondensator 6 mit Hilfe einer Hochspannungsstromquelle auf eine Spannung in der Größenordnung von 10 000 V bis 30 000 V gebracht. Über den Hochspannungsschalter 7, welcher beispielsweise aus einer triggerbaren Zündfunkenstrecke besteht, wird der Hochspannungskondensator 6 mit den beiden Elektroden 3 und 4 verbunden. Ist der Abstand der beiden Elektroden 3 und 4 abhängig von der Höhe der über den Hochspannungsschalter 7 angelegten Spannung nicht zu groß, so erfolgt zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 ein Spannungsdurchbruch in Form einer Funkenentladung. Zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 bildet sich dabei ein Entladungskanal in Form eines heißen Plasmas aus, welcher auf Grund seiner schnellen Expansion zu einer Stoßwelle führt.

Zwischen und/oder in die Nähe der beiden Elektroden 3 und 4 werden leitende, halbleitende oder polarisierbare Teilchen 15 in der Größenordnung von einigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern gebracht und dort gehalten. Es hat sich gezeigt, daß auch bei Abständen der Elektroden 3 und 4, welche über ein kritisches Maß hinausgehen, bei dem sonst kein Spannungsdurchbruch mehr stattfinden würde, zuverlässig eine Funkenentladung eintritt. Vorzugsweise haben die Teilchen eine Größe von 50 µm bis 500 µm.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer die Elektroden 3 und 4 enthaltenden Vorrichtung. Die Elektrode 3 ist in eine Kunststoffisolierung 8 eingebettet und besitzt eine elektrische Zuführung in Form eines metallischen Innenleiters 9. Die Elektrode 4 ist mit einem rohrförmigen Außenleiter 10 elektrisch verbunden. Der Raum um die Elektroden 3 und 4 ist von einer stoßwellendurchlässigen Hülle 11 umschlossen, welche zwei Bohrungen 12 und 13 von jeweils einigen hundert Mikrometern aufweist. Die Hülle 11 ist mit entgastem Wasser 14 gefüllt, welches einen spezifischen Widerstand von etwa 2000 Ohm x cm aufweist. Dem Wasser sind die Teilchen 15 zugesetzt.

Diese Vorrichtung wird in einer Anlage gemäß Fig. 1 so befestigt, daß sich der Mittelpunkt zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 im Fokus F1 des abgestumpften Rotationsellipsoids befindet. Über den Innenleiter 9 und den Außenleiter 10 wird beim Durchschalten des Hochspannungsschalters 7 eine hohe Spannung an die Elektroden 3 und 4 angelegt. Zwischen den Elektroden 3 und 4 bildet sich dann nach einer gewissen Latenzzeit eine Funkenentladung aus, wobei eine Stoßwelle erzeugt wird. Bei jeder Entladung wird von den Spitzen der Elektroden 3 und 4 Material abgetragen, so daß sich der Abstand zwischen den Elektroden zunehmend vergrößert. Die leitenden, halbleitenden oder polarisierbaren Teilchen 15 bewirken, daß auch bei einem wesentlich über ein kritisches Maß hinausgehenden Abstand der Elektroden 3 und 4 zuverlässig eine Funkenentladung stattfindet.

Das bei jeder Funkenentladung entstehende Gas entweicht über die Bohrungen 12 und 13 aus der Hülle 11. Die Bohrungen 12 und 13 sind dabei so angebracht, daß sich bei jeder möglichen Stellung des abgestumpften Rotationsellipsoids eine der Bohrungen am höchsten Punkt des von der Hülle 11 eingeschlossenen Raumes befindet.

Die Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung der Elektroden 3 und 4, wobei die Elektrode 3 von einer rotationssymmetrischen Blende 16 umgeben ist. Diese Blende 16 besteht aus elektrisch nichtleitendem, stoßwellenabsorbierendem und/oder -reflektierendem Material. Die Blende 16 sorgt bei großen Elektrodenabständen dafür, daß Stoßwellenanteile, welche vom Entladungskanal 17 relativ weit vom Fokus F1 entfernt erzeugt werden, nicht zum Fokus F2 gelangen. Dadurch bleibt der Fokusbereich von F2 klein und entspricht dem von einer Funkenentladung über einen kleinen Elektrodenabstand erzeugten Bereich.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen durch Funkenentladung für die medizinische Therapie, insbesondere für die elektrohydraulische Lithotripsie, mit Elektroden (3, 4), welche in einem flüssigen Medium (14) wie Wasser intermittierend mit Strom gespeist werden, und mit einer Fokussiereinrichtung, welche die Stoßwellen auf das in einem Körper sich befindende Objekt fokussiert,
dadurch gekennzeichnet, daß
das flüssige Medium (14), in welches zwischen die Elektroden (3, 4) leitende, halbleitende oder polarisierbare Teilchen (15) eingebracht und dort gehalten sind, in einer die Elektroden (3, 4) umgebenden, stoßwellendurchlässigen Hülle (11) untergebracht ist, welche mindestens eine Öffnung (12, 13) für das Entweichen von Gas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Medium (14) enthaltenen Teilchen (15) einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (14) metallische Teilchen (15) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (14) Teilchen aus Aluminium enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens um eine Elektrode (3) eine Blende (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16) aus Polyurethan besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Hochspannungskondensator (6) zum Anlegen einer Hochspannung von 10000 V bis 30000 V an die Elektroden.