DE3319871C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fokussierenden Wandler in Form einer Kugelkalotte zur Ortung und Zerstörung von harten Konkrementen im Körper eines Patienten, bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen piezoelektrischen Wandler­ elementen aus Keramik, die an einem Träger mosaikartig zu­ sammengestellt und befestigt sind.

Eine Zerkleinerung von im Körper eingeschlossenem, spröden Festkörpern, wie z. B. Nieren-, Blasen- oder Gallensteinen, ist ohne Eingriff in das Körperinnere nur mit fokussiertem Ultraschall möglich, wobei dafür gesorgt werden muß, daß schädliche Energiedichten nur unmittelbar an dem zu zer­ störenden Objekt auftreten. Um dies zu erreichen, verwendet man z. B. Funkenstrecken unter Wasser als Schallquelle, deren Abstrahlung dann über einen elliptisch geformten Reflektor am Ort des Konkrements konzentriert wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die von Funkenstrecken erzeugten Knallwellen nur schlecht reproduzierbar und damit auch schlecht dosierbar sind und daß eine Konzentration auf kleinste Ziele durch die Größe der bei der Funkenentladung entstehenden Blase nicht möglich ist. Hinzu kommt, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schockwellen die ent­ stehenden Blasen beseitigt werden müssen und daß die ver­ wendeten Funkenstrecken nur eine sehr geringe Lebensdauer von etwa 100 Entladungen haben.

Es ist weiter bekannt, DE-OS 31 19 295, piezoelektrische Wandler aus Ultraschallwandler-Einzelelementen mosaikartig in einer Ebene zusammenzusetzen, wobei dann das gesamte zu zerstörende Konkrement in einer Körperhöhle gleichzeitig der Schockwelle ausgesetzt wird. Dies ist als nachteilig anzusehen, da dann verhältnismäßig große Bruckstücke des Konkrementes entstehen, deren Abtransport auf natürlichem Wege häufig nicht möglich ist.

Eine zweite bekannte Möglichkeit besteht darin, Ultraschall­ wandler als Quelle zu verwenden, die die Form einer Kugel­ schale haben, auf deren konkaven Fläche piezoelektrische Wandler als Einzelelemente mosaikartig aufgebaut sind (siehe hierzu L. D. Rozenberg, im Aufsatz "Sources of High-Inten­ sity-Ultrasound" Vol. 1, New York 1969, Plenumpres, Seiten 275 bis 309). Dort besteht die Aufgabe darin, Hochenergie- Schallwandler zur Dauerschallerzeugung zu gewinnen, so daß diese Wandler nicht in der Lage sind, Kurzzeit-Schallimpulse zu erzeugen, wie sie zur Zerstörung von Konkrementen in Körperhöhlen erforderlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für piezoelektrische Wandler der eingangs erwähnten Art die für die Zertrümmerung von Konkrementen in Körperhöhlen erforderlichen hohen Energie­ dichten zu erzielen und kurzzeitige Schallimpulse auf kleinst­ möglichem Querschnitt zu konzentrieren und dabei die er­ forderliche Gesamtenergie klein zu halten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei dem eingangs er­ wähnten piezoelektrischen Wandler dadurch gelöst, daß die Höhe der Wandlerelemente in der Größenordnung von 3 bis 10 mm liegt, daß ihre seitliche Aus­ dehnung die gesamte Höhe nicht wesentlich überschreitet, daß die Räume zwischen den Wandlerelementen mit einem elek­ trisch isolierenden, elastischen Material ausgefüllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der der Keramik, und daß die Stichhöhe h der Kugelkalotte mindestens 5 cm und der Scheitelwinkel alpha des zugehörigen Kugelsenktors mindestens 60° beträgt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Kalotten­ hohlraum mit einem weichen Kunststoff gefüllt, dessen Wellenwiderstand dem des Körpergewebes ungefähr gleich ist und dessen Oberfläche nach außen leicht konvex gewölbt oder kegelförmig ist. Dabei wird durch die Füllung mit einem weichen Kunststoff der Wandler im wesentlichen frei von Schubwellenausbreitung bleiben.

Der piezoelektrische Wandler nach der Erfindung wird so zur Anwendung gebracht, daß nach einer mit dem Wandler durch­ geführten Echoimpulsortung des Steines im Körper durch Speisung des Senders mit Hochspannungsimpulsen eine erste, einige Sekunden dauernde Stoßwellenbehandlung auf einen Flächenteil des Steines ausgeübt wird, worauf nach je­ weiliger erneuterter Ortung ein oder mehrere weitere Flächen­ teile des Steines mit Stoßwellen behandelt werden.

Der piezoelektrische Wandler nach der Erfindung ist in der Figur im schematischen Schnitt dargestellt und wird nachstehend mit den erreichten Vorteilen beschrieben.

An einer tragenden Rückwand 1 als Kugelkalotte aus starrem elektrisch-isolierenden Material (z. B. GFK) befindet sich eine piezoelektrisch wirksame Schicht 2. Diese besteht aus einem Mosaik von vorzugsweise zylindrischen Körpern aus Piezokeramik mit einer Höhe von etwa 3 bis 10 mm, deren Querdimensionen nicht größer sein sollten als ihre Höhe, um die den Wandler zerstörenden Schubspannungen, die durch Resonanzschwingungen in Umfangsrichtung hervorgerufen wer­ den, möglichst klein zu halten. Aus dem gleichen Grund müssen die Zwischenräume zwischen den Wandlerelementen mit einem elektrisch hochisolierenden, elastischen Material aus­ gefüllt werden, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der des Keramikmaterial, z. B. Silikonkautschuk. Die beiden Stirnflächen 6 der Piezokera­ mikkörper sind zur Erzeugung der erregenden elektrischen Feld­ stärke metallisiert, wobei die innere Elektrode auf Erdpo­ tential liegen sollte. Die piezoelektrischen, zylindrischen Wandlerkörper werden zum Beispiel über ein Drahtverbindungs­ netz an die elektrische Spannungsquelle angeschlossen.

Das Innere 3 der Kugelschale 1 ist mit einer Flüssigkeit oder einem weichen Kunststoff (Gießharz) ausgefüllt, wobei der Wellenwiderstand der Füllung an den Widerstand des zu durch­ strahlenden Gewebes möglichst gut angepaßt sein muß. Die Oberfläche der Kunststoffschicht muß konvex gestaltet sein, damit Luftblasen, die in der zur Ankopplung an den Körper dienenden Flüssigkeitsschicht 4 entstehen, auch bei Bestrah­ lung in vertikaler Richtung seitlich abwandern können und damit die Bestrahlung nicht stören. Die Flüssigkeitsschicht 4 selbst, zum Beispiel Wasser, deren Wellenwiderstand wieder­ um dem des Gewebes angepaßt sein muß, wird zwischen zwei Membranen und eine faltenbalgartige Gummimanschette 5 einge­ faßt. Um eine sichere Ankopplung an die Körperoberfläche zu erreichen, wird es in der Regel notwendig sein, den flüssig­ keitsgefüllten Hohlraum zwischen der Kunststoffschicht und der Gummimanschette mit einem Ausgleichsgefäß zu verbinden, über das auch entstehende Blasen abwandern können.

Die Größe der erzielbaren Brennfläche hängt bei gegebener Impulslänge von der Tiefe bzw. der Stichhöhe h der Kugel­ kalotte ab. Rechnerisch zeigt sich, daß bei einer Stichhöhe von 10 cm die Größe der Brennflcähe ca. 5 mm² beträgt. Aus den obengenannten Grün­ den ist deshalb eine Stichhöhe von ca. 10 cm anzustreben.

Ein weiteres für die Gestaltung der Kugelkalotte wichtiges Maß ist der Scheitelwinkel des Kugelsektors zwischen Kalotte und Brennpunkt. Dieser Winkel bestimmt den Grad der Abnahme der Schallintensität mit zunehmendem Abstand vom Brennpunkt und ist damit wesentlich für den Grad der Gefährdung des umliegenden Gewebes. Da es unvermeidlich ist, daß einem er­ zeugten Druckstoß stets ein Unterdruckstoß folgt, der sei­ nerseits Kavitation erzeugen und damit das Gewebe schädigen kann, ist es notwendig, hier eine Abschätzung vorzunehmen. Die Kavitationsschwelle steigt mit zunehmender Frequenz ober­ halb 100 kHz sehr steil an. Die beträgt bei 100 kHz 10 bar, bei 200 kHz 30 bar, bei 500 kHz 200 bar. Bei einer Höhe der Keramikelemente von 5 mm ist die Grundfrequenz des Senders ca. 500 kHz. Damit ist der Schwinger für eine Impulslänge von einer Mikrosekunde prädestiniert. Geht man davon aus, daß der Stoßwellenspitzendruck in der Unterdruckphase in der Brennebene 1000 bar beträgt und nimmt man einen Scheitel­ winkel von 60° an, dann beträgt er in 10 mm Abstand in Axial­ richtung von der Brennebene noch etwa 200 bar und in 50 mm Abstand nur noch 40 bar. Damit ist eine Gewebeschädigung durch Kavitation schon in 10 mm Abstand vom Brennpunkt nicht mehr zu erwarten.

Aus diesem Grund sollte der Scheitelwinkel des Kugelsektors mindestens 60° betragen.

Die Ortung des Steines im Körper erfolgt durch Speisung des Wandlers mit Schwingungsimpulsen, und zwar einfach da­ durch, daß bei ungefährer Kenntnis der Lage des Konkrements - ermittelt z. B. durch Röntgen-Aufnahmen - der Sender in allen drei Koordinatenrichtungen auf maximale Größe des re­ flektierten Impulses justiert wird. Das Konkrement muß sich dann zwangsläufig im Brennpunkt befinden. Der Schwinger wird zu diesem Zweck mit Schwingungsimpulsen niederer Span­ nung von ca. 10 Schwingungsperioden z. B. der Frequenz der tiefsten Dickeneigenschwingung der Senderelemente (500 kHz) gespeist. Danach erfolgt elektronische Umschaltung auf Emp­ fang und Anzeige des reflektierten Impulses auf einem Bild­ schirm. Diese Art der Ortung läßt sich verbessern, indem man die Nachführung des Senders auf jeweils maximale Echo­ amplitude automatisiert.

Zur Erzeugung der Schockwellen wird der Sender mit Hoch­ spannungsimpulsen gespeist. Da die Impulslänge durch die Laufzeit des Schalls im Keramikmaterial vorgegeben ist, ge­ nügt zur elektrischen Speisung ein Hochspannungsimpuls mit einer Anstiegszeit klein gegen eine Mikrosekunde und eine Abklingzeit größer als eine Mikrosekunde. Bei Keramikwand­ lern von 5 mm Stärke ist eine Spannung von 6 bis 10 kV er­ forderlich.

Ein Impuls von 2000 bar und einer Mikrosekunde Dauer mit einem Querschnitt von 10 mm² entspricht einer Arbeit von nur etwa 0,3 Watt-Sekunden. Es kann deshalb bedenkenlos eine Impulsfolge von ca. 10 Impulsen/Sekunde abgestrahlt werden; das ergäbe erst eine Dauerleistung von 3 Watt im Brennpunkt und damit keine schädliche lokale Erwärmung.

Da erfahrungsgemäß für die Zerstörung eines Nierensteins mittlerer größe ca. 1000 Impulse notwendig sind, bedeutet das eine reine Behandlungszeit von weniger als zwei Minuten.

Behandlungsverfahren

Das an einem Stativ in allen drei Richtungen beweglich auf­ gehängte Gerät wird mit seiner Gummimembrane auf die Haut des Patienten aufgesetzt und über einen Flüssigkeitsfilm zwischen Haut und Membrane angekoppelt. Dabei dürfen zwi­ schen Membrane und Haut keine Luftblasen eingeschlossen werden. Durch geeigneten Flüssigkeitsdruck (Höheneinstellung des Ausgleichsgefäßes) wird dafür gesorgt, daß die Membrane im gesamten Bereich des Strahlenquerschnits an der Haut anliegt. Mit Hilfe der Echoimpulsortung wird das Gerät so justiert, daß das Konkrement im Brennpunkt liegt. Danach kann eine erste Stoßwellenbehandlung beginnen. Nach eini­ gen Sekunden Behandlung sollte eine erneute Ortung statt­ finden, wobei eine evtl. bereits erzielte Wirkung aus der Veränderung der Form und Höhe des reflektierten Signals erkennbar ist. Nach erneuter Justierung Fortsetzung der Behandlung usw.

Bei großen Konkrementen sollte nicht bis zur vollständigen Zerstörung des Konkrements beschallt werden, weil die Ge­ fahr besteht, daß zu große Mengen von Staub bzw. Granulat die natürlichen Abgänge verstopfen könnten. In solchen Fällen ist eine Wiederholung der Behandlung in ausreichen­ den Zeitabständen angezeigt.

Claims (3)

1. Fokussierender Wandler in Form einer Kugelkalotte zur Or­ tung und Zerstörung von harten Konkrementen im Körper eines Patienten, bestehend aus einer Vielzahl von einzel­ nen piezoelektrischen Wandlerelementen aus Keramik, die an einem Träger mosaikartig zusammengestellt und befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Wandlerele­ mente in der Größenordnung von 3 bis 10 mm liegt, daß ihre seitliche Ausdehnung die gesamte Höhe nicht wesentlich über­ schreitet, daß die Räume zwischen den Wandlerelementen mit einem elektrisch isolierenden, elastischen Material ausge­ füllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der der Keramik, und daß die Stichhöhe h der Kugelkalotte mindestens 5 cm und der Scheitel-Winkel alpha des zugehörigen Kugelsenktors minde­ stens 60° beträgt.

2. Fokussierender Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kalottenhohlraum mit einem weichen Kunststoff gefüllt ist, dessen Wellenwiderstand dem des Körpergewebes ungefähr gleich ist und dessen Oberfläche nach außen leicht konvex gewölbt oder kegelförmig ist.

3. Fokussierender Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ankopplung an den Körper ein flüssig­ keitsgefülltes Kissen vorhanden ist, das durch eine elastomere Membrane gehalten wird, wobei die Flüssigkeit einen Wellen­ widerstand hat, der ungefähr dem des Körpergewebes gleich ist, und wobei das Kissen über einen Schlauch mit einem Ausgleichsgefäß verbunden ist, dessen Höhe zur Druckregelung variiert werden kann.