DE3520133A1

DE3520133A1 - Instrument fuer die ultraschall-lithotripsie

Info

Publication number: DE3520133A1
Application number: DE19853520133
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 7519 Sulzfeld Bolg; Werner Dipl.-Ing. 7133 Maulbronn Krauß; Helmut Dipl.-Ing. 7519 Oberderdingen Wurster
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1985-06-05
Publication date: 1986-12-11
Also published as: GB8607552D0; DE3520133C2; GB2176113A; FR2582929A1; FR2582929B1; GB2176113B; US4721107A

Description

Anmelder: Richard Wolf GmbH

Pforzheimer Str. 24
7134 Knittlingen

Instrument für die Ultraschall-Lithotripsie

Die Erfindung betrifft ein Instrument für die Ultraschall-Lithotripsie, bestehend aus einer an den zu zertrümmernden Stein anzulegenden Sonde, die von einem piezoelektrischen Wandler in Schwingungen versetzbar ist, indem der aus Keramikscheiben aufgebaute Wandler von einem elektrischen Generator zum Schwingen angeregt wird und die Wandlerschwingungen über einen distalen Wandlerabschluß auf die Sonde übertragen werden.

Bei bekannten Instrumenten dieser Art (DE-PSen 20 20 345 und 20 53 982), die speziell zur Zertrümmerung von Blasen- und Nierensteinen mit Ultraschallwellen eingesetzt werden, wird der Schallwandler mit einem Dauersignal betrieben. In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese Betriebsweise eine recht lange Zeit für die Bearbeitung des zu zerstörenden Steines erfordert, was vor allem auf die relativ geringe Auslenkung der Sonde zurückzuführen'ist.

Im übrigen übertragen die Wandlersysterne im wesentlichen nur longitudinale und transversale Wellen auf die Sonde bzw. Sono-

trode, wobei sich nach kurzer Zeit ein eingeschwungener Zustand ergibt, der meist nur zu einem Durchbohren und nicht auch zu einem Zerplatzen des bearbeiteten Steines bzw. von Teilen des Steines führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Instrumentes für die ültraschall-Lithotripsie, das im Vergleich zu bisher bekannten Instrumenten im Hinblick auf die Leistung der Wandler- und Generatorsysteme optimiert ist und eine wesentlich schnellere Zertrümmerung von Körpersteinen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vom eingangs erwähnten Instrument ausgegangen und dieses erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der Wandler durch impulsweisen Betrieb des Generators stoßweise anregbar ist und im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbereich keine definierte Eigenresonanz hat.

Durch die stoßweise bzw. impulsweise Anregung des Wandlers 2,0 und durch den deshalb auch stoßweise erfolgenden Betrieb der Sonde ist es möglich, den Wandler mit hoher Leistung ohne Gefahr einer Überlastung zu betreiben und somit entsprechend große Schwingungsamplituden am Sondenende zu erzielen. Außerdem werden durch diese intermittierende Betriebsweise am Anfang und Ende jedes dem Wandler zugeführten elektrischen Impulses mechanische Ein- und AusSchwingvorgänge an der Sonde auftreten, die dazu führen werden, daß die Sonde nicht über-

wiegend in den Stein bohrt, sondern den Stein vor allem auch durch transversale Auslenkungen von unterschiedlicher Amplitude zum Platzen bringt.

Im Verhältnis zu einer elektrohydraulischen Stoßwellen-Lithotripsie, bei der man gegebenenfalls auch einzelne hydraulische Impulse auf den mit Abstand zum distalen Sondenende befindlichen Stein geben kann, ist die Ultraschall-Lithotripsie meist gefahrloser sowie einfacher in der An-ο wendung und bei Verwendung des erfindungsgemäßen Instrumentes in vielen Fällen auch effektiver.

Der Keramikscheibenaufbau des Wandlers wird von einem proximalen und einem distalen Wandlerabschluß eingefaßt. Dabei kann der Wandler auf der proximalen Seite zumindest im wesentlichen mit der Impedanz seiner Keramikscheiben reflexionsfrei abgeschlossen werden, wobei in diesem Fall die Masse des distalen Wandlerabschlusses kleiner als die Masse des proximalen Wandlerabschlusses sein soll. Im übrigen ist es zur Erreichung eines -reflexionsfreien Abschlusses zweckmäßig, wenn die freie Endfläche des proximalen Wandlerabschlusses ein unregelmäßiges Profil hat und somit einen diffusen Abschluß für die vom Wandler kommende Schallwelle bildet.

Allerdings kann der proximale Wandlerabschluß auch so gestaltet und dimensioniert werden, daß er die Schallwellen optimal reflektiert, wobei in diesem Fall die freie Endfläche des proximalen Wandlerabschlusses eben und parallel zur

Ebene der Keramikscheiben des Wandlers liegen sollte.

Im übrigen hat der den Wandler mit elektrischen Anregungsimpulsen versorgende Generator mindestens einen mit Gleich- strom aufladbaren Kondensator, der jeweils mit wenigstens einer getriggerten Funkenstrecke impulsartig über den Wandler entladen werden kann. Zu diesem Zweck können zwei getriggerte Funkenstrecken und zwei Kondensatoren gesonderte Schaltkreise bilden, so daß die Kondensatoren nacheinander durch Zünden der zugeordneten Funkenstrecke auf den Wandler geschaltet werden können, während bei Entladung des einen der andere Kondensator wieder geladen wird, so daß eine kontinuierliche Pulsfolge erzielbar ist.

Eine andere Möglichkeit für die Ausbildung des Generators besteht darin, daß vier Funkenstrecken und zwei Triggergeneratoren so geschaltet werden, daß jeweils zwei Funkenstrekken nacheinander mit einem der Triggergeneratoren angesteuert werden und hierdurch dem Wandler abwechselnd positive und negative Impulse zugeführt werden.

Schließlich können der Wandler mit seinen Keramikscheiben, der die Sonde tragende distale Wandlerabschluß und der proximale Wandlerabschluß mit einem Spannelement lösbar verbunden sein, wobei der gesamte Aufbau bzw. der Wandler so ausgelegt werden soll, daß im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbereich keine definierten Eigenresonanzen auftreten und der Wandler der aufgeprägten elektrischen Spannung rasch folgt.

In der anliegenden Zeichnung sind schematisch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden. Es zeigen: Figuren 1 bis 4 Seitenansichten von verschiedenen erfindungsgemäßen Instrumenten in teil

weisem Längsschnitt und

Figuren 5 bis 8 mehrere mögliche Schaltungen für den

elektrischen Generator.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen gleichen Sich, ü& wesentlichen in ihrem grundsätzlichen Aufbau, so daß zur Vereinfachung für identische oder in ihrer Funktion ähnliche bzw. gleichwirkende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Die Instrumente bestehen aus einer Sonde 1, die an einem distalen Wandlerabschluß 2 starr befestigt ist. Zwischen diesem und dem proximalen Wandlerabschluß 3 ist jeweils der aus wenigstens einem Keramikscheibenpaar bestehende piezoelektrische Wandler 4 eingespannt, und zwar bei den Figuren 1 bis 3 mittels eines Bolzens 5, der durch zentrische Löcher des Wandlerabschlusses 3 und des Wandlers 4 gesteckt und im Wandlerabschluß 2 verschraubt ist.

Der Bolzen 5 ist im Bereich des Wandlers 4 von einer elastisehen Manschette 6 aus Isoliermaterial umgeben, damit die Keramikscheibenpaare nicht elektrisch kurzgeschlossen wer-r .den. Gleiches bewirkt sinnge-

maß die Manschette 6 beim Instrument nach Fig. 4, bei dem aber anstelle eines Bolzens ein Spannelement 7 nach Art einer Überwurfmutter verwendet wird, die den proximalen Wandlerabschluß 2 und die Keramikscheiben des Wandlers 4 aufnimmt und diese Teile durch Verschraubung mit dem proximalen Wandlerabschluß 3 einspannt.

Der piezoelektrische Wandler ist in seinem Aufbau und seiner Funktion bekannt und braucht deshalb nicht im einzelnen erklärt zu werden. Im übrigen wird der Wandler 4 über die Anschlüsse 8 impulsweise mit Strom -von dem später beschriebenen elektrischen Generator versorgt, wobei bei Anwendung mehrerer Keramikscheibenpaare(Fig. 3) diese parallel an den Anschlüssen 8 liegen.

Beim Instrument, nach Fig. 1 ist der Wandler 4 mit oder zumindest im wesentlichen mit der Impedanz des den Wandler bildenden Keramikscheibenpaares reflexionsfrei abgeschlossen. Dementsprechend ist die Masse des distalen Wandlerabschlusses 2 kleiner als die Masse des proximalen Wandlerabschlusses, wodurch unterschiedliche Eigenresonanzen am distalen und proximalen Wandlerabschluß erzeugt werden. Zur Erzielung eines reflexionsfreien Abschlusses müssen außerdem auch die Materialien und Längenabmessungen der beiden Wandlerabschlüsse entsprechend ausgelegt werden, während weiterhin die freie Endfläche 3a des proximalen Wandlerabschlusses 3 der Darstellung entsprechend unregelmäßig profiliert ist und demgemäß eine diffuse Reflexion bewirken wird. Bei dieser Ausführungsform

werden keine oder höchstens ein unerheblicher Teil Schallwellen des vom Wandler 4 kommenden AnregungsSignaIs an der Endfläche 3a reflektiert, so daß die Sonde im Prinzip nur zu einem positiven Stoß angeregt werden wird.

Eine andere Möglichkeit gemäß Fig. 2 besteht darin, den Ultraschallwandler 4 nicht reflexionsfrei abzuschließen, sondern mit einem reflektierenden Abschluß 3 zu betreiben, wodurch positive Schallwellenimpulse unter Phasenumkehr an der freien Endfläche 3b reflektiert werden und dadurch am Ende der Sonde 1 auch Unterdruckimpulse mit sehr steiler Anstiegsflanke auftreten. Es entstehen dabei am bearbeiteten Stein Kavitationsblasen mit hohem Energieinhalt, welche zusätzlich die Sprengwirkung auf den Stein erhöhen. Im übrigen sollte in diesem Fall die ebene Endfläche 3b des Abschlusses 3 parallel zur Ebene der Keramikscheiben des Wandlers 4 liegen, um eine optimale Reflexionswirkung zu erzielen.

Der Wandler 4 kann auch aus mehr als einem Keramikscheibenpaar aufgebaut werden. Die Fig. 3 zeigt einen Wandler mit drei Scheibenpaaren, der im Vergleich zu den Wandlern nach den Fig. 1,2 und 4 eine wesentlich höhere Leistung bringen kann. Wenn außerdem noch kurze Anstiegszeiten des Ultraschallsignals und damit eine schnelle Auslenkung bzw. Längenänderung der Sonde 1 erreicht werden sollen, müssen die Massen der beiden Wand~ lerabschlüsse 2,3 verständlicherweise möglichst klein gewählt werden.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen elektrische Generatoren, die zum Betrieb der Wandler der vorher beschriebenen Instrumente besonders geeignet sind. Diese Generatoren haben mindestens einen mit Gleichstrom geladenen Kondensator, der jeweils mit wenigstens einer getriggerten Funkenstrecke impulsartig über den Wandler entladen und anschließend selbsttätig mit einer Gleichstromquelle wieder aufgeladen wird.

Der Generator nach Fig. 5 ist eine schaltungstechnisch einfache Ausführung, bei der die Gleichstromquelle bzw. Batterie 9 über einen Vorwiderstand 10 den erwähnten Kondensator 11 auflädt.Ein Triggergenerator 12 zündet bei Bedarf die Funkenstrecke 13, so daß die Ladeenergie des Kondensators impulsartig an den Schallwandler 4 abgegeben wird.

Um mit dem Generator kurzzeitig nacheinander zwei Spannungsimpulse auf den Schallwandler geben zu können, braucht das in Fig. 5 gezeigte Schaltschema nur einfach verdoppelt zu werden, so daß sich die dann von selbst verständliche Schaltung gemäß Fig. '6 ergibt. Hier bilden also zwei getriggerte Funkenstrecken und zwei Kondensatoren gesonderte Schaltkreise , wobei die Kondensatoren nacheinander durch Zünden der Funkenstrecken auf den Wandler geschaltet werden können.

Im Gegensatz zu den beiden vorher beschriebenen Schaltungsbeispielen wird gemäß Fig. 7 der Wandler 4 selbst als Kondensator verwendet. Die Batterie 9 lädt-.also in diesem Fall

den Wandler 4 über den Widerstand 10 auf. Der Triggergenerator 12 kann über die Funkenstrecke 13 gezündet werden, wodurch der Wandler kurzgeschlossen wird und sich schlagartig entlädt, wobei an der Sonde ein negativer Stoß entsteht.

Schließlich zeigt die Fig. 8 einen Generator, bei dem vier Funkenstrecken und zwei Trxggergeneratoren so geschaltet sind, daß jeweils zwei Funkenstrecken 13a,13b mit einem Triggergenerator 12a und die beiden anderen' Funkenstrecken 13c,13d mit dem weiteren Triggergenerator 12b angesteuert werden können. Hierbei kann der Wandler 4 also mit einzelnen positiven oder negativen Stromimpulsen oder auch abwechselnd mit negativen und positiven Stromimpulsen gespeist werden, was natürlich eine entsprechende Einstellbarkeit und Steuerung der beiden Triggergeneratoren voraussetzt.

Die Sonde 1 kann in an sich bekannter Weise aus einem Rohr oder aus einem dünnen flexiblen Draht bestehen. Andererseits kann die Sonde auch aus mehreren verdrillten und mit Kunststoff beschichteten Stahldrähten bestehen, wobei die Beschichtung einen Schallverlust zwischen den Drähten verhindern soll.

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Claims

Anmelder: Richard Wolf GmbH Pforzheimer Str. 24 7134 Knittlingen Patentansprüche

1. Instrument für die Ultraschall-Lithotripsie, bestehend aus einer an den zu zertrümmernden Stein anzulegenden Sonde, die von einem piezoelektrischen Wandler in Schwingungen versetzbar ist, indem der aus Keramikscheiben aufgebaute Wandler von einem elektrischen Generator zum Schwingen angeregt wird und die Wandlerschwingungen über einen distalen Wandlerabschluß auf die Sonde übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) durch impulsweisen Betrieb des Generators (9-13) anregbar ist und im vorgegebenen Arbeitsfrequenzbereich keine definierte Eigenresonanz hat.

2. Instrument nach Anspruch 1, bei dem der Keramikscheibenaufbau des Wandlers von einem proximalen und einem distalen Wandlerabschluß eingefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) auf der proximalen Seite zumindest im wesentlichen mit der Impedanz seiner Keramikscheiben reflexionsfrei' abgeschlossen ist, wobei die Masse des distalen Wandlerabschlusses (2) kleiner

als die Masse des proximalen Wandlerabschlusses (3) ist.

3. Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Endfläche (3a) des proximalen Wandlerabschlusses (3) ein unregelmäßiges und diffus reflektierendes Profil hat.

4. Instrument nach Anspruch 1, bei dem die Keramikscheiben des Wandlers von einem proximalen und einem distalen Wandlerabschluß eingefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der proximale Wandlerabschluß (3) einen Schallwellen optimal reflektierenden Abschluß bildet und daß die freie ebene Endfläche (3b) dieses Abschlusses parallel zur Ebene der Keramikscheiben des Wandlers (4) liegt.

5. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Generator (9-13) mindestens einen mit Gleichstrom aufladbaren Kondensator

(11) aufweist, der jeweils mit wenigstens einer getriggerter Funkenstrecke (13) impulsartig über den Wandler (4) entladbar ist.

6. Instrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei getriggerte Funkenstrecken (13) und mindestens zwei Kondensatoren (11) gesonderte Schaltkreise bilden und daß die Kondensatoren nacheinander durch Zünden der zugeordneten Funkenstrecken auf den Wandler (4) schaltbar sind.

7. Instrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Funkenstrecken (13a-13d) und zwei Triggergeneratoren (12a,12b) so geschaltet sind, daß jeweils eine oder zwei Funkenstrecken oder Funkenstrekkenpaare (13a,13b und 13c,13d) nacheinander mit einem der Triggergeneratoren ansteuerbar sind und dem Wandler (4) abwechselnd positive und negative Impulse zuführbar sind.

8. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (4) als Kondensator verwendet ist und über eine Funkenstrecke entladen wird.