DE10394286T5 - Vorrichtung für verbesserte Schockwellen-Nierenzertrümmerung (SWL) unter Verwendung eines piezoelektrischen Ringanordnungs- (PEAA) Schockwellengenerators in Kombination mit einer primären Schockwellenquelle - Google Patents

Vorrichtung für verbesserte Schockwellen-Nierenzertrümmerung (SWL) unter Verwendung eines piezoelektrischen Ringanordnungs- (PEAA) Schockwellengenerators in Kombination mit einer primären Schockwellenquelle Download PDF

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Xufeng Sunnyvale Xi
Franklin H. Cocks
Glenn M. Preminger
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University of Durham
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Abstract

Verbesserte elektrohydraulische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung zum Zerkleinern von Nierensteinen, wobei die verbesserte elektrohydraulische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung aufweist:
(a) eine primäre Schockwellenquelle, wobei die Schockwellenquelle einen darin operativ angeordneten Reflektor aufweist, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Fokus aufweist, wobei der Fokus im Wesentlichen mit den Nierensteinen zusammenfällt, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Maximaldruck aufweist, wobei die primäre Schockwellenquelle Hohlraumblasen um den Fokus der primären Schockwellenquelle erzeugt, wobei der Reflektor einen Umfang aufweist,
(b) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren zum Erzeugen von Hilfsschockwellen, wobei die Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren jeweils einen gemeinsamen Konvergenzpunkt aufweisen, wobei jeder piezoelektrische Generator im Wesentlichen aus mindestens einem im Wesentlichen sphärischen konkaven piezoelektrischen Element besteht, wobei die piezoelektrischen Generatoren operativ mit mindestens einem Teil des Umfanges des Reflektors assoziiert sind, wobei die kreisförmige Anordnung der Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren auf den Umfang des Reflektors ausgerichtet sind, um eine Konvergenz jedes der sphärisch konkaven piezoelektrischen Elemente an dem gemeinsamen Konvergenzpunkt...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum in vivo Zerstören von Ablagerungen mit verringerter Gewebeverletzung durch forcierte Konzentration von akustisch induzierter transienter Hohlraumenergie in Richtung auf den Targetstein (Ablagerung) unter Verwendung eines piezoelektrischen Ringanordnungs-Schockwellengenerator mit einem bestimmten Design in Kombination mit einer primären Schockwellenquelle.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Zerkleinerung von Steinen in vivo unter Verwendung von extra-corporeal erzeugten Schockwellen (Lithotripsie) ist eine relativ neue medizinische Vorgehensweise, insbesondere in der Behandlung von Harnstein- und Gallensteinkrankheiten. Im Stand der Technik sind vielfältige Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen hochintensiver fokussierter Schockwellen zur Fragmentierung von Ablagerungen innerhalb eines menschlichen Wesens beschrieben. Das US-Patent 3,942,531 von Hoff und anderen offenbart die Verwendung einer Funkenstreckenentladung in Wasser, um eine Schockwelle innerhalb eines ellipsoiden Reflektors zu erzeugen, der die Schockwelle mit fragmentierten Nierensteinen innerhalb des Körpers koppelt und auf sie fokussiert. Hahn und andere beschreiben in dem US-Patent 4,655,220 eine Vorrichtung unter Verwendung einer Spule und eines gepaarten Radiators in der Form eines sphärischen Segments, um magnetisch induzierte selbstkonvergierende Schockwellen zu erzeugen. Wurster und andere beschreiben in den US-Patenten 4,821,730 und 4,888,746 die Verwendung von piezoelektrischen Elementen, die in einer Mosaikform auf einer sphärischen Kappe angeordnet sind, um fokussierte hochintensive Schockwellen in der geometrischen Mitte der Kappe zu erzeugen, worin die Ablagerung platziert sein muss. Andere Schockwellengeneratorensysteme sind in der Technik bekannt.
  • Trotz der verschiedenen Prinzipien für eine Schockwellengenerierung erzeugen alle diese Vorrichtungen Schockwellen einer ähnlichen Wellenform, die durch eine kompressive Phase charakterisiert werden kann, die aus einer schnellen Schockfront mit einem positi ven Spitzendruck bis zu 100 MPa besteht, die durch eine dünne (negative) Phase mit einem negativen Spitzendruck bis zu 10 MPa und einer Dauer von wenigen μs gefolgt wird. Es ist in der Lithotripsie-Technik bekannt, dass die negative Phase einer eingehenden Schockwelle transiente Hohlraumblasen in dem Fokusbereich erzeugen kann.
  • Es ist ferner in der Lithotripsie-Technik bekannt, dass, wenn die Hohlraumblasen nahe einer Steinoberfläche kollabieren, Mikrojets aufgrund des asymmetrischen Kollapses der Hohlraumblasen erzeugt werden. Diese Mikrojets schlagen hart auf die Steinoberfläche und verursachen eine Steinfragmentierung. Experimente haben gezeigt, dass unter Verwendung desselben Schockwellengenerators mit dem gleichen Intensitätspegel ein Stein eingetaucht in Glycerin (ein Hohlraumbildungsverhinderungsmedium) nicht beschädigt wird, während derselbe Stein eingetaucht in wässeriger Lösung, wie Wasser (ein hohlraumbildungsförderndes Medium) fragmentiert werden kann, trotz der Tatsache, dass die Transmission der Schockwellenenergie in beiden Fällen die gleiche ist. Es ist in der Technik der Lithotripsie etabliert, dass Schockwellen eine Hohlraumbildung induzieren kann und der resultierende Mikrojet-Einschlag einer der hauptsächlichen Mechanismen zur Steinfragmentierung ist. Ferner können, wenn schockwelleninduzierte Hohlraumblasen nahe der Gewebeoberflächen kollabieren, sie Gewebeverletzungen durch die Schockwellenemission, Regenerierung hoher Temperaturen, von Mikrojets und Scherkräften, die mit der schnellen Blasenoszillation assoziiert ist, verursachen.
  • Es wurde ferner in der Vergangenheit festgestellt, dass der Kollaps eines Hohlraumblasen-Clusters so kontrolliert werden kann, dass er eine erhöhte Zerkleinerung von Ablagerungen durch Aufprägen einer einschlagenden Schockwelle geeigneter Form und Intensität verursacht werden kann, um den Blasen-Cluster von seiner äußeren Schicht bis zu einer inneren Schicht vollständig zu kollabieren.
  • Der Kollaps einer Hohlraumblase durch eine einschlagende Schockwelle wurde als asymmetrisch erkannt, das zu der Bildung eines Flüssigkeitsstrahls führt, der sich entlang der Richtung der einschlagenden Schockwelle bewegt. Der Flüssigkeitsstrahl ist ein Wasserstrahl, wenn dies in Wasser erfolgt. Es wurde in der Vergangenheit herausgefunden, dass der Kollaps der Hohlraumblase durch eine einfallende Schockwelle gesteuert und geführt werden kann, vorausgesetzt, dass diese Schockwelle zu dem richtigen Zeitpunkt des Auftretens einer Hohlraumblase erfolgt. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass der Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters durch eine einschlagende Schockwelle 80% bis 90% der Hohlraumblasenenergie von einer äußeren Schicht auf eine innere Schicht konzentrieren kann, wenn diese Hohlraumblasen zum Kollabieren in einer Sequenz durch die eingehende Schockwelle forciert werden. Es wurde herausgefunden, dass dieser abgestimmte kontrollierte Kollaps eines Hohlraumblasen-Clusters durch eine einfallende Schockwelle eine effiziente Konzentration der Hohlraumenergie in Richtung auf die Mitte des Blasen-Clusters erzeugt, wobei die Abstimmung lokalisiert ist. Da die Hohlraumenergie auf die Zielablagerung gerichtet und konzentriert ist, sind Gewebeverletzungen assoziiert mit der Zerkleinerung der Ablagerung reduziert. Daher weist die Zerkleinerung von Ablagerungen in vivo unter Verwendung gesteuerter konzentrierter Hohlraumenergie den Vorteil der erhöhten Fragmentierungseffizienz mit verringerter Gewebeverletzung auf.
  • In ähnlicher Weise offenbart Cathignol und andere in dem US-Patent 5,219,401 eine Vorrichtung zum selektiven Zerstören von biologischem Material einschließlich von Zellen, weichen Geweben und Knochen. Die Injektion von Gasblasen-Precursor-Mikrokapseln, die einen Durchmesser von vorzugsweise 0,5 bis 300 μm aufweisen und aus Materialien wie Lecithin gebildet sind, in den Blutstrom wird durch Cathignol als das Hauptmittel zum Generieren von Gasblasen in vivo verwendet. Obwohl das Phänomen einer Hohlraumbildung verursacht durch einen Ultraschallwellengenerator, der in einem Frequenzbereich von 10 bis 100 KHz arbeitet, beschrieben ist, ist die Schaltpulssequenz nicht spezifiziert. Es wurde in der Lithotripsie-Technik herausgefunden, dass der forcierte Kollaps der Hohlraumblasen, um fluide Mikrojets für die verbesserte Zerkleinerung von Ablagerungen zu erzeugen, eine spezifische Beziehung zwischen dem ersten hohlraumbildungsinduzierenden akustischen Puls und dem zweiten hohlraumkollabierenden akustischen Puls benötigt. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass der zweite hohlraumkollabierende akustische Puls eine kompressive (positive) Phase mit einer langen Dauer und nur eine kleine oder gar keine dehnbare (negative) Komponente aufweisen muss.
  • Reichenberger offenbart in dem US-Patent 4,664,111 eine Schockwellenröhre zum Generieren von zeitgestaffelten Schockwellen mittels einer Aufsplittvorrichtung, wie einem Konus, für die Fragmentierung von Ablagerungen in vivo. Reichenberger offenbart, dass der Effekt der Schockwellen verbessert werden kann, falls sie zeitlich so nahe beabstandet sind, dass sie in ihrer Wirkung auf die Ablagerung überlagern. Der Effekt der Schockwelle, der durch die Hohlräume induziert wird, wird nicht von Reichenberger in Betracht gezogen oder erwähnt.
  • Somit erwähnt keines der obengenannten Dokumente zum Stand der Technik die Verwendung einer sekundären Schockwelle, die zu einer vorbestimmten Zeitverzögerung einwirkt, um den Kollaps eines transienten Hohlraumblasen-Clusters zu steuern, das durch eine primäre Schockwelle induziert wird. Ohne diese zeitsequenzierte zweite Schockwelle wurde herausgefunden, dass die Effizienz der in vivo Ablagerungszerkleinerungen durch Schockwellen-Lithotripsie sehr gering sein wird und das begleitende Risiko für Gewebeverletzungen aufgrund unkontrollierter Hohlraumenergie Deponierung aufgrund des Verfahrens entsprechend erhöht sein wird. Jedoch gab es zum jetzigen Zeitpunkt vorläufige Entdeckungen, die sich mit diesem Aspekt der Lithotripsie-Technologie befassen.
  • Insbesondere sind für zeitsequenzierte sekundäre Schockwellen Zhong und andere mit dem US-Patent 5,582,578 von Bedeutung, das ein Verfahren zum Generieren einer Sequenz von Schockwellenpulsen mit einer spezifizierten sehr kurzen Zeitverzögerung (weniger als 400 μs) schafft und mit Druckbeziehungen zwischen den individuellen Pulsen, die sowohl ein Mittel zum Induzieren eines transienten Hohlraum-Clusters und ein Mittel zum Steuern der Größe und des nachfolgenden Kollapses des Hohlraumblasen-Clusters nahe der Zielablagerungen in dem lebenden Organismus schafft, um eine erhöhte Fragmentierungseffizienz mit reduzierter Gewebeverletzung zu erreichen.
  • Ferner haben nach Zhong und anderen, US-Patent 5,582,578 Anwender bereits einen Schockwellengenerator entwickelt, der einen piezoelektrischen Ringanordnungs- (PEAA) Schockwellengenerator aufweist, der auf einen bestehenden klinischen Nierensteinzertrümmerer (z. B. Dornier HM-3) angepasst werden kann, um eine Sequenz von Schockwellenpulsen zu generieren. Der PEAA-Generator war gedacht, eine Hilfsschockwelle zu erzeugen, zu steuern und den Kollaps der Nierensteinzertrümmerer-induzierten Blasen zu forcieren auf die Zielablagerung für eine verbesserte Steinzerkleinerung. Ein Prototyp PEAA-Generator wurde mit einem experimentellen elektrohydraulischen (EH) Schockwellen-Nierensteinzertrümmerer mit einem verkürzten HM-3-Reflektor in vorhergehenden Experimenten kombiniert. Steinfragmentierungstests in vitro wurden durchgeführt und diese Ergebnisse demonstrierten, dass 60% bis 80% Erhöhung in einer Steinfragmentierung unter Verwendung des kombinierten Schockwellengenerators mit einer optimalen Zwischenpulsverzögerung erreicht werden könnten.
  • Der vorhergehend kombinierte EH/PEAA-Schockwellengenerator wurde in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Improvement of Stone Fragmentation During Shock Wave Lithotripsy Using a Combined EH/PEAA Shock Wave Generator – In Vitro Experiments" von Xi und Zhong beschrieben, das in Ultrasound in Medicine and Biology, Nr. 26/Seiten 457–467 von 2000 veröffentlicht wurde, und zeigte, dass der Kollaps der Hohlraumblasen, die durch Schockwellen-Nierensteinzertrümmerung induziert werden unter Verwendung eines sekundären Pulses modifiziert werden können, der durch piezoelektrische Transducer erzeugt wird, die aus piezokeramischen Scheiben (PZT-4) hergestellt sind. Xi und Zhong fanden heraus, dass eine Steinzertrümmerung in vitro-Bedingungen wesentlich erhöht werden kann, wenn der sekundäre Puls, der durch piezoelektrische Transducer erzeugt wird, während der Kollapsphase der Hohlraumblasen auftritt, die durch die primäre Schockwelle erzeugt werden, die durch einen elektrohydraulischen Schockwellen-Nierensteinzertrümmerer generiert werden. Xi und Zhong untersuchten nicht die Effekte ihrer Vorrichtung unter in vivo-Bedingungen. Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass das von Xi und Zhong offenbarte Verfahren nicht in in vivo-Überprüfungen arbeitete. Obwohl nicht mit Gewissheit bekannt ist, warum die Verfahren von Xi und Zhong bei in vivo-Bedingungen ausfielen, kann dies daran liegen, dass der Ausfall während des Durchlaufs der Hilfsschockwellenpulse, die durch die piezoelektrischen Transducer erzeugt werden, durch das Gewebe viel größer ist, als der, welcher unter in vitro-Bedingungen auftritt. Klinische Anwendungen benötigen unvermeidbarerweise den Durchgang der sekundären Schockwellenpulse, die durch die piezoelektrischen Transducer erzeugt werden, durch das Gewebe. Ferner benötigt die klinische Anwendung ebenso die Verwendung von akustischen Monitoren und röntgenstrahlverbessernden Luftsäcken, welche die Fläche verringern, die für piezoelektrische Transducer verfügbar ist. In der von Xi und Zhong beschriebenen Vorrichtung wurde der gesamte verfügbare Raum für piezoelektrische Transducer verwendet und Xi und Zhong beschrieben keine Einrichtung, die effektiv eine klinische Verwendung der sekundären Schockwellenpulse ermöglicht, die durch die piezoelektrischen Transducer zum Verbessern der Steinzerkleinerung erzeugt werden.
  • Obwohl die vorherbekannte Kombination eines PEAA-Generators und eines EH-Nierensteinzertrümmerers von gewissen Unzulänglichkeiten in der Effizienz und seiner Performance leidet, wurde dies dem Fachmann nun offensichtlich. Es wird angenommen, dass die Entdeckung des Anmelders diese Unzulänglichkeiten beseitigt und einen verbesserten kombinierten PEAA-Generator und EH-Generator schafft.
  • Zusammenfassung und Aufgaben der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Generieren einer Sequenz von Schockwellenpulsen mit einer spezifizierten sehr kurzen Zeitverzögerung und mit einer Druckbeziehung zwischen den individuellen Pulsen, die ein Mittel zum Induzieren eines transienten Hohlraum-Clusters schaffen und ein Mittel zum Steuern der Größe und des nachfolgenden Kollapses des Hohlraum-Clusters nahe der Zielablagerunen in vivo, um eine erhöhte Fragmentierungseffizienz mit erhöhter Gewebe verletzung zu erreichen. Nach ausführlichen Experimenten wurde nun herausgefunden, dass eine bestimmte Kombination von elektrohydraulischen (EH) oder elektromagnetischen (EM) primären Schockwellengeneratoren und einer piezoelektrischen Ringanordnung (PEAA) zum Generieren eines sekundären Schockwellenpulses mit einem bestimmten Zeitablauf und einer Anordnung bezüglich des primären Schockwellenpulses eine verbesserte Steinzerkleinerung in vivo mit reduzierter Gewebeverletzung erzeugt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen eines kontrollierten konzentrierten Kollapses von Hohlraumblasen zur effizienten Zerkleinerung von Ablagerungen in vivo mit reduzierten Verletzungen umgebenden Gewebes mittels einer Kombination eines primären Schockwellenpulses und eines sekundären Schockwellenpulses zu erzeugen.
  • Manche der Aufgaben der Erfindung wurden festgehalten, andere Aufgaben werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen und angehängten Ansprüchen erkennbar.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 (Stand der Technik) zeigt eine Ablagerung in einem lebenden Körper und ein Schockwellengenerierungssystem nach dem Stand der Technik zum Generieren von zwei aufeinanderfolgenden Schockwellenpulsen, die durch eine vorbestimmte Zeitverzögerung separiert sind, zum Zerkleinern von Ablagerungen innerhalb eines lebenden Körpers.
  • 2 (Stand der Technik) zeigt zwei aufeinanderfolgende Schockwellenpulse, die durch eine spezifizierte Zeitverzögerung von 50 bis 400 μs getrennt sind, um durch eine dehnbare Phase des ersten Schockwellenpulses einen transienten akustischen Hohlraumblasen-Cluster nahe einer Zielablagerung zu induzieren und durch den zweiten Schockwellenpuls den induzierten Hohlraumblasen-Cluster zu kollabieren, nachdem er sich auf seine maximale Größe ausdehnte, um die Hohlraumenergie in Form von Flüssigkeit-Mikrojets in Richtung auf die Zielablagerung für eine verbesserte Fragmentierungseffizienz mit reduzierter Gewebeverletzung zu konzentrieren (Stand der Technik).
  • 3 (Stand der Technik) ist eine Frontansicht eines Standes der Technik mit kombiniertem elektrohydraulischen und piezoelektrischen Ringanordnungsschockwellengenerator, wobei der piezoelektrische Ringanordnungsgenerator aus acht individuellen Transducern besteht, die in einem Ringformat mit einem tragenden Rahmen um den elektrohy draulischen (EH) Generator angeordnet sind, und die einen verkürzten Dornier (HM-3)-Reflektor verwendet.
  • 4 (Stand der Technik) ist ein schematisches Diagramm eines experimentellen Nierensteinzertrümmerers und ein optischer Aufbau für einen Schattenaufzeichner und eine photoelastische Abbildung unter Verwendung des kombinierten elektrohydraulischen und piezoelektrischen Ringanordnungsschockwellengenerators, der in 3 gezeigt ist.
  • 5 (Stand der Technik) zeigt einen Graphen von verschiedenen akustischen Emissionssignalen, die durch (a) den elektrohydraulischen Generator nach 3 bei 24 kV und (b) durch den piezoelektrischen Ringanordnungsgenerator nach 3 bei 15 kV erzeugt werden; und
  • 6A ist ein schematischer vertikaler Querschnitt durch den verbesserten kombinierten elektrohydraulischen (EH) und piezoelektrischen Ringanordnungs- (PEAA) Generator der vorliegenden Erfindung; und
  • 6B ist eine schematische Frontansicht der verbesserten Vorrichtung nach 6A.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • A. Stand der Technik kombinierter EH- and PEAA-Generator
  • 1 zeigt ein Verfahren mit Verwendung von zwei Schockwellenimpulsen 1, 2, die durch eine spezifizierte Zeitverzögerung Δt 3 separiert sind. Die Schockwellenpulse 1, 2 werden durch ein Schockwellengenerierungssystem 6 erzeugt und konfokal auf eine Zielablagerung 4 innerhalb eines lebenden Wesens 5 zum Zerkleinern der Zielablagerung 4 mit verbesserter Fragmentierungseffizienz und verringerter Gewebeverletzung gerichtet. Diese zwei Pulse bestehen aus einem ersten Schockwellenpuls 1 und einem zweiten Schockwellenpuls 2, die in der Zeit durch eine Zeitverzögerung Δt 3 separiert sind. Es wurde herausgefunden, dass für einen optimalen Effekt diese Zeitverzögerung zwischen 50 bis 400 μs sein sollte.
  • Ebenso ist eine andere Technik nach dem Stand der Technik in 2 illustriert, in welcher die Druckwellenform 7 des ersten Druckwellenpulses 1 aus einer kompressiven Phase mit einer positiven Spitzendruckamplitude in dem Bereich von 20 bis 100 Millionen Pascal (MPa) und einer positiven Dauer von 1 bis 2 μs besteht, gefolgt durch eine dehnbare Phase mit einer negativen Spitzendruckamplitude von –1 bis –10 MPa und einer Dauer von 2 bis 5 μs. Die Druckwellenform 8 des zweiten Schockwellenpulses 2 besteht im Wesentlichen aus einer kompressiven Phase mit einer positiven Spitzendruckamplitude von 2 bis 100 MPa und einer Dauer von 5 bis 40 μs. Es wurde herausgefunden, dass die Zeitverzögerung Δt 3 zwischen dem ersten Schockwellenpuls und dem zweiten Schockwellenpuls 2 in dem Bereich von 50 bis 400 μs zum Erreichen einer verbesserten Steinzerkleinerung und einer Reduzierung von Gewebebeschädigungen sein sollte.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der vorhergehenden Entdeckung, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, wird die dehnbare Phase des ersten Schockwellpulses 1 zum Induzieren eines fortlaufenden Hohlraumblasen-Clusters 9 nahe einer Ablagerungsfläche 4 induziert, wobei das induzierte Hohlraumblasen-Cluster 9 auf seine maximale Größe in 50 bis 400 μs anwächst, in Abhängigkeit der Intensität des ersten Schockwellenpulses 1. Der zweite Schockwellenpuls 2, der von dem ersten Schockwellenpuls 1 durch eine vorbestimmte Zeitverzögerung separiert ist, wird verwendet, um das Hohlraumblasen-Cluster 9 bei seiner maximalen Ausdehnung zu kollabieren, welches zu einem abgestimmten Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters 9 in Richtung der Zielablagerung 4 führt. Es wurde herausgefunden, dass dieser forcierte Kollaps in der Bildung von Hochgeschwindgkeitsflüssigkeitsstrahlen 10 resultiert, die in Richtung der Zielablagerung 4 aufschlagen und eine Desintegration des Steines 4 mit erhöhter Geschwindigkeit verursachen, verglichen mit dem unkontrollierten Kollaps des Hohlraumblasen-Clusters.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorhergehenden Entdeckung kann der erste Schockwellenpuls 1 durch eine elektrohydraulische Vorrichtung generiert werden, die eine Funkenentladung in Wasser mit einem ellipsoiden Reflektor verwendet, die durch Hoff und andere in dem US-Patent 3,942,531 beschrieben ist. Elektromagnetische Schockwellengeneratoren, wie die in dem Stand der Technik bekannten, können ebenso verwendet werden, wie die Vorrichtung, die in dem US-Patent 4,655,220 von Hahn und anderen beschrieben ist. Zusätzlich können piezoelektrische Schockwellengeneratoren verwendet werden, die ebenso einem Experten bekannt sind, wie die Vorrichtung, die von Wurster und anderen in dem US-Patent 4,821,730 offenbart ist. Die schon offenbarten Vorrichtungen generieren eine Verteilung von hochintensiven Schockwellen in einem fokalen Volumen, das die Zielablagerungen 4 umgibt. Es ist in dem Stand der Technik wohl bekannt, dass der Strahldurchmesser eines Schockwellenpulses in der fokalen Ebene und der Tiefe des Fokusses entlang der Schockwellenachse in dem Bereich von 2 bis 15 bzw. 12 bis 120 mm liegt. Es wurde herausgefunden, dass das transiente Hohlraumblasen-Cluster, das durch diese Vorrichtungen induziert wird, in einem Volumen zwischen 1,4 und 65 cm3 verteilt ist.
  • Gemäß anderen vorteilhaften Ausführungsformen der vorhergehenden Entdeckungen kann der zweite Schockwellenpuls 2 piezoelektrisch durch die Überlagerung von individuellen Schockwellenpulsen verschiedener Amplituden, Frequenzen und Phasen generiert werden, wie durch Wurster und andere in dem US-Patent 4,888,746 beschrieben. Wurster und andere offenbaren einen fokussierenden Ultraschall-Transducer, der aus einer mosaikartigen Anordnung von piezoelektrischen Materialien besteht, die auf einer inneren Oberfläche einer sphärischen Kappe befestigt sind, wobei der Antrieb der individuellen piezoelektrischen Elemente elektronisch gesteuert wird. Darüber hinaus offenbart Wurster und andere, dass das Antreiben in einer bestimmten Sequenz einer Anordnung von piezoelektrischen Elementen in solch einer Weise, dass die negativen Halbwellen der akustischen Wellen, die an der aktiven Transducer-Oberfläche durch momentane Rückoszillation der Transducer-Oberflächen, die in jedem Fall angetrieben werden, durch ein Antreiben in gegenteiliger Phase anderer Transducer-Elemente ausgeglichen werden kann, d. h., dass ein positiver Druck nur in dem Brennpunkt auftreten wird.
  • Um eine Hohlraumbildungssteuerung in klinisch relevanter Konfiguration abzuschätzen, wurde ein experimenteller Nierensteinzertrümmerer, der einen kombinierten Grund EH/PEAA-Schockwellengenerator 100 verwendet (3) vor kurzem von den Anmeldern an der University in Durham, North Carolina, entworfen und hergestellt. Während der EH-Generator 110 zum Simulieren der Schockwelle und der assoziierten Hohlraumbildung, die durch einen klinischen Nierensteinzertrümmerer erzeugt wird, verwendet wurde, wurde der hinzugefügte PEAA-Generator 112 zum Steuern des Kollapses der Hohlraumblasen verwendet, die durch die EH-Quelle induziert werden. Der Prototyp-PEAA-Generator besteht aus acht individuellen Transducern 112, die in einem kreisförmigen Format auf einem Trägerrahmen 114 angeordnet sind, der mechanisch mit der EH-Quelle 110 verbunden ist. Jeder Transducer 112 wurde aus einem scheibenförmigen PZT-4-Element 112A (Channel Industries, Santa Barbara, CA, D = 50 mm, Thk = 10 MM) und einer Aluminiumscheibe (nicht dargestellt) der gleichen Größe als Stützmaterial hergestellt, wobei beide innerhalb eines Lucite-Zylinders 112B unter Verwendung eines Epoxyharzes (nicht gezeigt) fixiert sind. Der PEAA-Generator 112 (Brennweite F = 150 mm) wurde koaxial und konfokal entlang der EH-Quelle 110 ausgerichtet, die einen abgeschnittenen Dornier HM-3-Reflektor (nicht dargestellt) verwendet [halbe Hauptachse a = 138 mm, halbe Nebenachse b = 77,8 mm und Brennweite (von der Öffnung bis F2) = 119 mm], sodass der gesamte Einfallswinkel des kombinierten Schockwellengenerators 100 etwa 105° war, sodass er innerhalb des von chemischen Nierensteinzertrümmerern verwendeten Bereichs gehalten ist. Der kombinierte Schockwellengenerator 100 wurde horizontal in einem Plexiglastank (51 × 64 × 76, H × W × L cm) befestigt, das mit entgasten (Sauerstoffkonzentration < 4 mg/L) und deionisiertem Wasser gefüllt war. 4 zeigt ein schematisches Diagramm des vorher entwickelten experimentalen Nierensteinzertrümmerers und des Hochgeschwindigkeitsbilderfassungssystems, das zum Charakterisieren der in situ-Schockwellenblaseninteraktion verwendet wird, die durch den kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerator 100 erzeugt wird.
  • Die PEAA-Generatoren 120 und der EH-Generator 110 wurden durch zwei unabhängige Hochspannungspulsgeneratoren 116 eines lokalen Designs angeregt. Der Pulsgenerator der PEAA verwendete einen 0,5 μF-Kondensator und eine Entladungsspannung, die zwischen 10 und 20 kV anpassbar ist, der Pulsgenerator für die EH verwendete zwei parallele 40 nF-Kondensatoren und wurde zwischen 20 und 30 kV mit einer Standard-Dornier-Elektronik betrieben. In all den beschriebenen Experimenten wurde der PEAA-Generator 120 bei 15 kV und der EH-Generator 110 bei 24 kV entweder individuell oder kombiniert betrieben. Beide Generatoren waren abgeschirmt und geerdet, um die Emission von elektromagnetischen Rauschen zu verringern, das durch die Hochspannungsentladung erzeugt wird. Darüber hinaus wurden Trigger-Signale für die Generatoren durch opto-elektrische Konverter durch optische Leitungen bereitgestellt, um ein Quersprechen zwischen den zwei Schockwellenquellen im Betrieb zu vermeiden. In einem typischen Hohlraumsteuer-Experiment wurde die EH-Quelle 110 zuerst ausgelöst. Die Funkenentladung der Elektrode wurde dann durch einen schnellen Fotodetektor 118 (PDA 450, Thorlabs, Newton, NJ) aufgenommen und durch einen digitalen Verzögerungsgenerator 122 (DG535, Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA) verzögert, um ein zeitverzögertes Signal zum Triggern des PEAA-Generators 120 zu schaffen. Der Jitter des PEAA-Generators 120 (Zeitverzögerung zwischen dem Eingangs-Triggersignal und der Ausgangsschockwelle) wurde als kleiner 5 μs bestimmt. Da die durch einen EH-Nierensteinzertrümmerer induzierten Blasen sich gewöhnlich ausdehnen und dann innerhalb von 200 bis 400 μs kollabieren, konnten die durch den PEAA-Generator 120 erzeugten Schockwellen verwendet werden, um verlässlich mit den Blasen bei verschiedenen Zuständen ihrer Oszillation zu interagieren.
  • Die Druckwellenform, die entweder durch die PEAA 120 oder die EH 110-Quelle erzeugt wurde, wurde individuell unter Verwendung eines kalbrierten Polyvinyliden-Difluorid- (PVDF) Membran-Hydrophons 124 (Sonic Industries, Halboro, PA) vermessen, das eine Frequenzbandbreite von 20 MHz, eine minimale Anstiegsflankenauflösung von 11 ns und eine Empfindlichkeit von 6,8 kPa/mV aufweist. Um das akustische Feld des PEAA-Generators 120 abzubilden, wurde das PVDF-Hyrophon mit 1 bis 2 mm-Schritten abgescannt, entweder entlang oder quer zu der Schockwellenachse. Für die EH-Quelle 110 wurden Messungen nur an dem Brennpunkt durchgeführt. Das Ausgangssignal des Hydrophons wurde mit einem LECROY-Digital-Oszilloskop 126 (Modell 9314) mit einer 100 MHz-Sampling-Rate aufgezeichnet.
  • Die Dauer der durch den EH 110 oder PEAA-Generator 120 induzierten Oszillation wurde unter Verwendung eines passiven Hohlraumbildungserfassungssystems bestimmt und ein 2,25 MHz-resonanzfrequenzfokussiertes Hydrophon 124 (F = 101,6 mm) verwendet. Der –6 dB-Strahldurchmesser des fokussierten Hydrophons wurde als etwa 3 mm abgeschätzt, sodass die Blasenaktivität innerhalb eines kleinen Volumens um F2 erfasst werden könnte. Das fokussierte Hydrophon wurde senkrecht zu der Nierensteinzertrümmererachse und konfokal mit F2 ausgerichtet. 5 zeigt ein Beispiel der typischen akustischen Emissions- (AE) Signale, die mit der Blasenoszillation assoziiert sind, die durch die EH 110 bzw. PEAA 120-Quelle erzeugt wird. Der erste Burst (1°) repräsentiert die anfängliche Kompression und die nachfolgende schnelle Ausdehnung der vorexistierenden Hohlraumbildungskerne durch die eingehende Schockwelle, wobei der zweite Burst (2°) dem primären Kollaps des Blasen-Clusters entspricht. Für die EH-Quelle 110 konnte ebenso ein getrennter dritter Burst (3°) entsprechend dem nachfolgenden Kollaps der großen zurückprallenden Blasen identifiziert werden. Aufgrund der getrennten Burst-Struktur konnte die Kollapszeit für die Blasen bezüglich des Ankommens der Nierensteinzertrümmererschockwelle bei F2 (T1-2 für das Blasen-Cluster und T1-3 für die zurückprallenden Blasen) einfach gemessen werden. Nachfolgend werden entsprechende Werte für die EH-Quelle 110 verwendet, um den Trigger für den PEAA-Generator 120 zu steuern, sodass ein forcierter Kollaps der Blasen bei verschiedenen Zuständen ihrer Oszillation erzeugt werden kann.
  • Unter Verwendung eines PEAA-Generators 120, der mit einem experimentellen EH-Nierensteinzertrümmerer 110 kombiniert ist, wurde zuerst in vitro demonstriert, dass eine Steinfragmentation wesentlich verbessert werden kann, wenn eine geeignete Schockwellensequenz verwendet wird. Die Hilfsschockwelle, die durch den PEAA- Generator 120 erzeugt wird, war in der Größenordnung von 8 MPa in dem Spitzenpositivdruck, der alleine nicht ausreichend kräftig ist, um eine Steinfragmentation zu verursachen. Jedoch wenn er mit einer geeigneten Zeitsequenz mit dem EH-Nierensteinzertrümmererpuls kombiniert wird, wurde herausgefunden, dass diese Hilfsschockwelle wesentlich den Kollaps der Nierensteinzertrümmerer-induzierten Blasen nahe der Steinoberfläche verstärkt, was zu einer wesentlich verbesserten Steinzertrümmerung führt. Die maximale Erhöhung der Steinfragmentierung konnte konsistent für Steinphantome von drei verschiedenen Dichten erreicht werden, wenn die Hilfsschockwelle zum Interagieren direkt mit den aggregierten Blasen an der Oberfläche des Steines geliefert wurde. Jedoch wurde überraschenderweise herausgefunden, dass, wenn die Experimente künstliche Nierensteine, die in Schweinenieren implantiert wurden, verwendeten, dass die vorteilhafte Resultate, die in vitro beobachtet sind, in vivo nicht auftreten.
  • B. Verbesserter elektrohydraulischer und piezoelektrischer Ringanordnungsgenerator
  • In einer bevorzugten Ausführungsform 200 der vorliegenden Erfindung, wie in den 6A und 6B gezeigt, ist eine Anordnung von sechs fokussierten Sätzen piezoelektrischer Elemente 212 um den Reflektor R und die Achse einer primären Schockwellenquelle 210 angeordnet, um einen kombinierten Schockwellengenerator 200 zu bilden, obwohl zwischen 6 und 2000 piezoelektrische Elemente 212 verwendet werden könnten. Eine alternative Anordnung der piezoelektrischen Elemente ist ebenso möglich, vorausgesetzt, dass sie operativ mit dem Umfang des Reflektors der primären Schockwellenquelle assoziiert sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht das piezoelektrische Element aus Piezokeramiken, die in Epoxyharz eingebettet sind, um zusammengesetzte piezoelektrische Blöcke zu bilden. Es wurde nun herausgefunden, dass jeder individuell zusammengesetzte piezoelektrische Block selbstsphärisch konkav und auf einen Konvergenzspot fokussiert sein muss, der im Wesentlichen kongruent mit der Zielablagerung ist. Ferner muss ebenso die Anordnung der piezoelektrischen Blockelemente in solch einer Weise fokussiert sein, dass jedes der individuell fokussierten piezoelektrischen Blockelemente nicht mit dem Ausgang eines anderen piezoelektrischen Blockelementes interferiert. Es wurde herausgefunden, dass die piezoelektrischen Elemente 212 vorzugsweise in einer sphärisch konkaven Konfiguration um den Reflektor R der primären Schockwellenquelle 210 angeordnet werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden sechs solcher Elemente 212 verwendet. Jedoch können weniger wie zwei Elemente oder viele wie 20 Elemente 212 verwendet werden. Abstände für den Durchlauf von Röntgenstrahlen für die Lokalisierung von zu zertrümmernden Nierensteinen wurden ebenso geschaffen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Spitzendruck von 9 bis 30 MPa durch die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 212 in dem Brennpunkt der primären Schockwellenquelle 210 erzeugt. Es ist ebenso wichtig, dass dieser Spitzendruck, der durch die piezoelektrischen Elemente erzeugt wird, innerhalb mindestens 401 μs, aber weniger als 1000 μs erzeugt wird, nachdem der Spitzendruck der primären Schockwellenquelle erzeugt wird, obwohl ein Bereich von 10 μs bis 1000 μs möglich ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist die primäre Schockwellenquelle 210 ein elektrohydraulischer Funkengenerator. Dennoch geben die Anmelder an, dass ebenso ein elektromagnetischer Schockwellengenerator verwendet werden könnte. Es ist wichtig, dass die primäre Schockwellenquelle 210 einen Spitzendruck von mindestens 20 MPa, aber weniger als 130 MPa erzeugt. Es ist ebenso wichtig, dass die Dauer der dehnbaren Komponente der primären Schockwelle mindestens zwei μs, aber weniger als 10 μs sein muss. Die Dauer der kompressiven Komponente der primären Schockwelle muss mindestens 0,5 μs, aber weniger als 3 μs sein.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sind die Anordnung der piezoelektrischen Elemente 212 und der primären Schockwellenquelle 210 zusätzlich mit mindestens zwei selbst fokussierenden Hydrophonen H versehen, die konfokal mit dem primären Schockwellenfokus und mit dem piezoelektrischen Schockwellenfokus ausgerichtet sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die selbstfokussierten Hydrophone H PANAMETRICS-Hydrophone, deren Brennweite 150 mm und deren nominaler Elementdurchmesser 37,5 mm ist.
  • Im Betrieb arbeitet die bevorzugte Ausführungsform wie folgt: Die primäre Schockwellenquelle 210 wird getriggert, um eine Schockwelle zu generieren, die Hohlraumblasen um die anvisierten Nierensteine induziert, welche in dem Fokus der primären Schockwellenquelle lokalisiert sind. Die Dauer der Blasenoszillation (Expansion und Kollaps) wird aus den akustischen Emissionssignalen bestimmt, die durch die zwei selbstfokussierenden Hydrophone H aufgenommen werden, welche konfokal mit der primären Schockwellenquelle 210 ausgerichtet sind. Die akustische Emissionsinformation wird verwendet, um die Zwischenpulsverzögerung zwischen den Schockwellen zu bestimmen, die durch die primäre Schockwellenquelle 210 generiert wird und denen, die durch die piezoelektrischen Elemente 212 generiert sind. Eine verbesserte Steinzertrümmerung wird erreicht, wenn die Schockwelle, die durch die piezoelektri schen Elemente 212 erzeugt wird, an dem Fokus der primären Schockwelle, während der Kollapsphase der Hohlraumblasen ankommt, die durch die primäre Schockwelle 210 erzeugt sind. Es wurde herausgefunden, dass auf diese Weise ein verstärkter Kollaps der Hohlraumblasen in Richtung der anvisierten Nierensteine erzeugt wird, das zu einer verbesserten Zertrümmerung der anvisierten Nierensteine führt.
  • Zusammenfassend führte vorhergehende Forschung unter Verwendung eines kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators 100 mit optimalen Pulssequenzen zu einer signifikanten Verbesserung in einer Steinzertrümmerung in vitro. Das Ergebnis zeigte die Möglichkeit einer Verwendung eines solchen Konzeptes zum Verbessern einer Lithotripsie-Effizienz. Die Anmelder haben nun herausgefunden, dass eine verbesserte Vorrichtung zum Verwenden eines kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators 200 eine verbesserte PEAA-Anordnung und eine Konfiguration beinhaltet, die in einer unerwarteten und überraschenden Verbesserung in der Effizienz des kombinierten EH/PEAA-Schockwellengenerators in vivo resultiert.
  • C. Physik des verbesserten elektrohydraulischen und piezoelektrischen Ringanordnungsgenerators
  • Schockwellennierensteinzertrümmerer verwenden die Tatsache, dass akustische Eigenschaften von menschlichem Gewebe gleich zu der von Wasser sind, wobei die akustischen Eigenschaften von Nierenablagerungen sehr verschieden von entweder Wasser oder Gewebe sind. Aufgrund dessen können akustische Signale durch Wasser und Gewebe transmittiert werden, aber teilweise absorbiert und teilweise durch eine Ablagerung reflektiert werden. Durch Fokussieren von hochdruckakustischen Impulsen auf eine menschliche Ablagerung in einem lebenden Körper kann die Ablagerung mittels Schalldruckeffekten und Hohlraumblaseneffekten fragmentiert werden. Es wurde herausgefunden, dass ein sekundärer akustischer Puls einer Intensität, die nicht groß genug ist, um selbst eine Steinfragmentation zu verursachen, falls er bezüglich eines anfänglichen akustischen Pulses richtig zeitgesteuert ist, verursachen kann, dass die Hohlraumblasen, die durch den hochintensiven anfänglichen Puls erzeugt werden, in Richtung der Ablagerungen kollabieren, bevor sie einen ausreichend großen Durchmesser erreichen, um Kapillargefäße zu zerstören. Es wurde nun herausgefunden, dass eine verbesserte Nierensteinzertrümmervorrichtung zum Zerkleinern von Nierensteinen durch Kombinieren einer primären Schockwellenquelle erzeugt werden kann, gleichgültig, ob es eine elektrohydraulische oder elektromagnetische ist, mit sekundären Schockwellenquellen.
  • In dem elektrohydraulischen Fall wurde herausgefunden, dass die zweiten Schockwellenquellen eines spezifischen Typs und einer Anordnung, wenn sie auf dem Umfang des Reflektors angeordnet sind, welcher zum Fokussieren der akustischen Impulse von der elektrohydraulischen Schockwellenquelle auf die Nierenablagerungen verwendet wird, unter bestimmten Bedingungen eine verbesserte Steinzertrümmerung in vivo mit verringerter Gewebeverletzung erzeugen kann. Die primäre Schockwellenquelle hat einen Maximaldruck, der Hohlraumblasen um den Fokus der primären Schockwellenquelle erzeugt. Durch Hinzufügen einer Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren eines bestimmten Typs und einer Anordnung können Hilfsschockwellen der richtigen Intensität und einer Zeitsteuerung erzeugt werden, um hilfreiche Effekte auf die Steinzertrümmerung zu verursachen, wodurch eine Nierenbeschädigung reduziert wird. Diese piezoelektrischen Generatoren sind orientiert, um einen gemeinsamen Konvergenzpunkt aufzuweisen, welcher kongruent mit dem Fokus der primären Schockwellenquelle ist. Jeder dieser piezoelektrischen Generatoren besteht aus mindestens einem sphärischen konkaven piezoelektrischen Element. Indem jedes piezoelektrische Element sphärisch konkav gemacht ist, muss der akustische Impuls, den jedes produziert, selbst auf die Target-Ablagerung fokussiert werden. Flache piezoelektrische Elemente können nicht individuell fokussiert werden. Es wurde herausgefunden, dass durch Anordnen sphärisch konkaver piezoelektrischer Elemente in einer ringförmigen Anordnung um mindestens einen Teil des Umfanges des Reflektors, der zum Fokussieren der primären Schockwellenquellenimpulse dient, der Kollaps der Hohlraumblasen, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt werden, gesteuert werden kann, wenn die ringförmige Anordnung der piezoelektrischen Generatoren an dem Umfang des primären Schockwellenquellenreflektors orientiert ist. Diese Orientierung kombiniert mit der sphärischen konkaven Natur der piezoelektrischen Elemente erzeugt einen starken akustischen Impuls an dem gemeinsamen Konvergenzpunkt dieser sphärisch konkaven piezoelektrischen Elemente. Dieser gemeinsame Konvergenzpunkt sollte im Wesentlichen kongruent mit dem Fokus der primären Schockwellenquelle sein.
  • Um eine Steuerung und einen Kollaps der Hohlraumblasen zu erreichen, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt werden, ist es notwendig, die piezoelektrischen Generatoren mit einem Zeitverzögerungsgenerator operativ zu verbinden, sodass das Auslösen der Hilfsschockwellen verzögert wird und auftritt, nachdem der Maximaldruck der primären Schockwelle an ihrem Fokus erzeugt wurde. Mindestens ein Hydrophon, das im Wesentlichen konfokal mit der primären Schockwellenquelle ausge richtet ist, bestimmt die benötigte Zeitverzögerung. Durch diese Mittel wurde herausgefunden, dass es möglich ist, den Kollaps der Hohlraumblasen, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt werden, so zu steuern und so den Kollaps zu forcieren, dass sie forciert werden in Richtung der anvisierten Nierenablagerungen in vivo zu kollabieren und simultan eine verbesserte Ablagerungszerkleinerung und reduzierte Gewebeverletzung zu erzeugen. Aus diesem Grund sollte die Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren zwischen 2 und 2000 piezoelektrischen Elementen aufweisen, obwohl sechs piezoelektrische Elemente aus kombinierten Überlegungen ökonomischer und physikalischer Effekte vorteilhaft sein können. Diese kombinierten piezoelektrischen Generatoren sollten einen Spitzendruck zwischen 9 und 30 MPa nahe der Zielablagerungen schaffen, um effektiv zu sein und zusätzlich sollte der Spitzendruck mit einer Zeitverzögerung in dem Bereich von 10 bis 1000 μs nach dem Spitzendruck der primären Schockwelle erzeugt werden, obwohl 401 bis 1000 μs für manche Fälle vorteilhaft sein könnten. Abschließend sollte die primäre Schockwellenquelle einen Spitzendruck zwischen 20 und 130 MPa erzeugen und eine dehnbare Komponente mit eine Pulsdauer zwischen 2 und 10 μs und eine kompressive Komponente mit einer Pulsdauer zwischen 0,5 und 3 μs aufweisen, um einen Überfluss von Hohlraumblasen zu erzeugen.
  • Es ist zu verstehen, dass vielfältige Details der Erfindung geändert werden können, ohne aus dem Umfang der Erfindung herauszufallen. Ferner dient die vorhergehende Beschreibung nur der Illustration und nicht der Einschränkung, da die Erfindung durch die Ansprüche definiert ist, wie sie nachfolgend ausgeführt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zum Zerkleinern von Steinen im lebenden Organismus durch gesteuerte konzentrierte Hohlraumenergie unter Verwendung zweier Schockwellenpulse mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung und einer Druckbeziehung, wobei der erste Schockwellenpuls zum Induzieren eines sich fortpflanzenden Hohlraumblasen-Clusters nahe dem Zielstein verwendet wird und der zweite Schockwellenpuls zum Steuern und Forcieren des Zusammenfalls des Hohlraumblasen-Clusters in Richtung des Zielsteines mit einer konzentrierten Energiedisposition, wobei Verletzungen des umgebenden Gewebes vermieden werden. Die Erfindung betrachtet die Verwendung eines verbesserten kombinierten elektrohydraulischen oder elektromagnetischen und eines piezoelektrischen ringförmig angeordneten Schockwellengenerators zum Erzeugen einer verbesserten Steinzerkleinerung mit verringerten Gewebeverletzungen in einem lebenden Organismus.

Claims (14)

  1. Verbesserte elektrohydraulische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung zum Zerkleinern von Nierensteinen, wobei die verbesserte elektrohydraulische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung aufweist: (a) eine primäre Schockwellenquelle, wobei die Schockwellenquelle einen darin operativ angeordneten Reflektor aufweist, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Fokus aufweist, wobei der Fokus im Wesentlichen mit den Nierensteinen zusammenfällt, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Maximaldruck aufweist, wobei die primäre Schockwellenquelle Hohlraumblasen um den Fokus der primären Schockwellenquelle erzeugt, wobei der Reflektor einen Umfang aufweist, (b) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren zum Erzeugen von Hilfsschockwellen, wobei die Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren jeweils einen gemeinsamen Konvergenzpunkt aufweisen, wobei jeder piezoelektrische Generator im Wesentlichen aus mindestens einem im Wesentlichen sphärischen konkaven piezoelektrischen Element besteht, wobei die piezoelektrischen Generatoren operativ mit mindestens einem Teil des Umfanges des Reflektors assoziiert sind, wobei die kreisförmige Anordnung der Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren auf den Umfang des Reflektors ausgerichtet sind, um eine Konvergenz jedes der sphärisch konkaven piezoelektrischen Elemente an dem gemeinsamen Konvergenzpunkt zu erzeugen, wobei der gemeinsame Konvergenzpunkt im Wesentlichen kongruent mit dem Punkt der primären Schockwellenquelle ist, (c) wobei die primäre Schockwellenquelle operativ mit einem Zeitverzögerungsgenerator verbunden ist, wobei der Zeitverzögerungsgenerator die Hilfsschockwellen um eine Zeitverzögerung verzögert, wobei die Hilfsschockwellen einen Spitzendruck aufweisen, wobei der Spitzendruck der Hilfswellen durch den Verzögerungsgenerator so verzögert wird, dass der Spitzendruck der Hilfsschockwellen zwischen 10 und 1000 μs nach dem Maximaldruck der primären Schockwellenquelle auftritt, um den Zusammenfall der Hohlraumblasen zu steuern und zu forcieren, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt werden und (d) mindestens ein Hydrophon, das im Wesentlichen entlang der primären Schockwellenquelle ausgerichtet ist, um die Zeitverzögerung zu bestimmen, wobei die Hohlraumblasen in Richtung der Nierensteine gesteuert und zum Kollabieren for ciert werden, für eine verbesserte Zerkleinerung der Steine und eine verringerte Gewebeverletzung.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren 2 und 2000 piezoelektrische Elemente aufweisen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren sechs piezoelektrische Elemente aufweisen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren einen Spitzendruck von etwa 9 bis 30 MPa schaffen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren den Spitzendruck zwischen 401 und 1000 μs erzeugen, nachdem ein Spitzendruck der primären Schockwellenquelle erzeugt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Spitzendruck zwischen 20 und 130 MPa erzeugt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die primäre Schockwellenquelle eine dehnbare Komponente der primären Schockwelle zwischen 2 und 10 μs und eine kompressive Komponente der primären Schockwelle zwischen 0,5 und 3 μs aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich mindestens ein selbstfokussierendes Hydrophon aufweist, das konfokal entlang der ersten primären Schockwellenquelle ausgerichtet ist, um die Hohlraumblasen zu überwachen, die durch die erste Schockwellenquelle erzeugt werden.
  9. Verbesserte elektromagnetische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung zum Zerkleinern von Nierensteinen, wobei die verbesserte elektromagnetische Schockwellen-Nierenzertrümmervorrichtung aufweist. (a) eine primäre Schockwellenquelle, wobei die primäre Schockwellenquelle einen elektromagnetischen Schockwellenemitter aufweist, der darin operativ angeordnet ist, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Fokus aufweist, wobei der Fokus im Wesentlichen mit den Nierensteinen zusammenfällt, wobei die primäre Schockwellenquelle Hohlraumblasen um den Fokus der primären Schockwellenquelle erzeugt, wobei der elektromagnetische Schockwellenemitter einen Umfang aufweist, (b) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren zum Erzeugen von Hilfsschockwellen, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren jeweils einen gemeinsamen Konvergenzpunkt aufweisen, wobei jeder der piezoelektrischen Generatoren im Wesentlichen aus mindestens einem im Wesentlichen konkaven piezoelektrischen Element besteht, wobei die piezoelektrischen Generatoren operativ mit mindestens einem Teil des Umfanges des elektromagnetischen Schockwellenemitters assoziiert sind, wobei die kreisförmige Anordnung der Mehrzahl von piezoelektrischen Generatoren auf den Umfang des elektromagnetischen Schockwellenemitters orientiert sind, um eine Konvergenz jedes der sphärisch konkaven piezoelektrischen Elemente an dem gemeinsamen Konvergenzpunkt zu erzeugen, wobei der gemeinsame Konvergenzpunkt im Wesentlichen kongruent mit dem Brennpunkt der primären Schockwellenquelle ist, (c) wobei die primäre Schockwellenquelle operativ mit einem Zeitverzögerungsgenerator verbunden ist, wobei der Zeitverzögerungsgenerator die Hilfsschockwellen um eine Zeitverzögerung verzögert, wobei die Hilfsschockwellen einen Spitzendruck aufweisen, wobei der Spitzendruck der Hilfsschockwellen durch den Verzögerungsgenerator derart verzögert wird, dass der Spitzendruck der Hilfsschockwellen zwischen 10 und 1000 μs nach dem Maximaldruck der primären Schockwellenquelle auftritt, um ein Kollabieren der Hohlraumblasen zu steuern und zu forcieren, die durch die primäre Schockwellenquelle erzeugt werden und (d) mindestens ein Hydrophon, das im Wesentlichen konfokal entlang der primären Schockwellenquelle ausgerichtet ist, um die Zeitverzögerung zu bestimmen, wobei die Hohlraumblasen in Richtung der Nierensteinen gesteuert und zum Zusammenfallen forciert werden, um eine Steinzerkleinerung zu verbessern und Gewebeverletzungen zu reduzieren.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren zwischen 2 und 2000 piezoelektrischen Elementen aufweisen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren sechs piezoelektrische Elemente aufweisen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren einen Spitzendruck zwischen 9 und 30 MPa schaffen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl der piezoelektrischen Generatoren einen Spitzendruck zwischen 401 und 1000 μs erzeugen, nachdem ein Spitzendruck der primären Schockwellenquelle erzeugt ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die primäre Schockwellenquelle einen Spitzendruck zwischen 20 und 130 MPa erzeugt.
DE10394286T 2003-08-14 2003-08-14 Vorrichtung für verbesserte Schockwellen-Nierenzertrümmerung (SWL) unter Verwendung eines piezoelektrischen Ringanordnungs- (PEAA) Schockwellengenerators in Kombination mit einer primären Schockwellenquelle Ceased DE10394286T5 (de)

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