DE3708995A1 - Ultraschall-lithotripter zur zerstoerung von steinablagerungen im menschlichen koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Lithotripter zur Zer­ störung von Steinablagerungen im menschlichen Körper entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ultraschall-Lithotripter werden verwendet, um z. B. Steine im Harnableitungssystem oder in der Gallenblase ohne offene Ope­ ration zu zerstören und zu entfernen. Es handelt sich dabei um Steine, die so groß gewachsen sind, daß sie nicht mehr auf natürlichem Weg abgehen können.

In Ultraschall-Lithotripter wird der umgekehrte piezoelek­ trische Effekt zur Erzeugung einer Ultraschall-Schwingung aus einer elektrischen Hochfrequenzspannung der gleichen Frequenz genutzt. Dazu wird ein piezoelektrischer Wandler in einem aku­ stisch genau bestimmten Einspannsystem gehalten. Das Einspann­ system sorgt einerseits für die notwendige mechanische Vorspan­ nung des piezoelektrischen Wandlers und besorgt andererseits die Umlenkung der vom piezoelektrischen Wandler nach hinten gehenden Kraftkomponente in Richtung auf den zu zerstörenden Stein hin.

Die Betriebsleistung bekannter Ultraschall-Lithotriptoren liegt in der Größenordnung von 100 bis 200 W. Piezoelektrische Wandler für solche Leistungen sind so groß, daß sie nicht di­ rekt an den Steinen herangebracht werden können. Sie müssen vielmehr außerhalb des menschlichen Körpers betrieben werden. Deshalb werden dünne Sonden verwendet, die den Abstand zwi­ schen dem piezoelektrischen Wandler und dem im Körperinneren des Patienten sich befindenden Stein überbrücken und die im piezoelektrischen Wandler erzeugte Ultraschall-Leistung zu dem zu zerstörenden Stein leiten. Die Sonde wird z. B. durch die Harnröhre an einen Blasenstein, oder durch die Harnröhre und die Harnblase an einen Ureter- oder Nierenstein, oder durch einen Einstich in der Haut, d. h. perkutan, an einen Nieren­ stein herangeführt.

Wegen des großen Unterschieds der Querschnittsflächen von Son­ de und Einspannsystem bzw. piezoelektrischem Wandler bestehen in diesen Abschnitten sehr unterschiedliche akustische Impe­ danzen. Aus diesem Grund werden zwischen dem Einspannsystem und der Sonde Mittel zur Anpassung der akustischen Impedanzen verwendet.

Zur Speisung des piezoelektrischen Wandlers wird ein Hochfre­ quenzgenerator verwendet, der die Hochfrequenzleistung auf der Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Wandlers bereitstellt. Die Eingangsimpedanz piezoelektrischer Wandler ist im allge­ meinen sehr hoch, d. h. im Bereich bis zu einigen hundert kOhm. Nur im Bereich mechanischer Resonanzen des Gesamtsystems, also des piezoelektrischen Wandlers, des Einspannsystems und der Sonde, ist die Eingangsimpedanz niederohmig und zeigt dabei das typische Verhalten einer Serienresonanz. Bei der Serien­ resonanz liegt die Eingangsimpedanz im Bereich einiger hundert Ohm. Nur hier kann eine Speisung mit praktikablen Spannungen durchgeführt werden. Abseits der Serienresonanz müßte der Hochfrequenzgenerator Spannungen im Bereich von vielen kV ab­ geben, um die notwendige Ultraschall-Leistung zu erzeugen.

Lithotripter werden daher wie elektrische Serienresonanzkreise behandelt. Nach der bestehenden Lehrmeinung werden sie deshalb mit eingeprägter Spannung, d. h. mit niederohmigen Hochfre­ quenzgeneratoren betrieben.

Bei der Verwendung im Operationssaal darf der Hochfrequenz­ generator keinen Lüfter enthalten, um das Aufwirbeln von Bak­ terien zu vermeiden. Wegen der oben genannten Betriebsleistung muß der Hochfrequenzgenerator daher einen hohen Wirkungsgrad haben, um die Verlustleistung genügend klein zu halten. Aus diesem Grund werden bei den bekannten Ultraschall-Lithotrip­ tern Hochfrequenzgeneratoren mit Transistor-Leistungsverstär­ kern verwendet, die im Schaltbetrieb arbeiten. Diese Lei­ stungsverstärker werden mit einer konstanten Speise-Gleich­ spannung versorgt und wirken daher an ihren Ausgangsklemmen niederohmig, was bei dem oben geschilderten Serienresonanz- Verhalten des Lithotripters auch als richtig erachtet wird.

Im praktischen Betrieb wird die Sonde unter optischer Sicht durch ein Endoskop an den Stein herangeführt. Sobald der Stein mit der Sondenspitze berührt wird, schaltet der Operateur über einen Fußschalter den Hochfrequenzgenerator ein. Es dauert meistens einige Sekunden, bis der Stein zerspringt. Die ent­ stehenden Bruchstücke sind dann fast immer noch zu groß, um durch das Instrument hindurch ausgespült werden zu können. Der Vorgang des Zerkleinerns wird daher an den jeweils entstehen­ den Bruchstücken sukzessive so lange fortgeführt, bis alle Stücke so klein sind, daß sie ausgespült werden können.

Wegen der losen Kopplung zwischen der Sondenspitze und dem Stein sind fast immer mehrere Versuche notwendig, um den Stein oder das Bruchstück zum Zerspringen zu bringen. Der Stein oder das Bruchstück kann auch durch die ersten Ultraschallschwin­ gungen weggeschleudert werden, ohne zu zerspringen und muß dann erneut mit der Sondenspitze berührt werden.

Die geschilderten Vorgänge führen in der Praxis dazu, daß der Hochfrequenzgenerator sehr viel länger eingeschaltet wird, als zum eigentlichen Zerstören des Steines notwendig wäre. Dabei kann sich die Sonde durch die Ultraschallschwingungen so stark erwärmen, daß das umgebende Gewebe des Patienten durch Über­ hitzung gefährdet ist. Diese Verbrennungsgefahr betrifft z. B. die Harnröhre bei der Zerstörung von Blasen- und Ureterstei­ nen, oder das Nierengewebe und den Einstichbereich bei der perkutanen Nierensteinzerstörung, insbesondere aber den Ureter bei der transurethralen Zerstörung von Ureter- und Nieren­ steinen.

Der Operateur kann diese Gefahr dadurch reduzieren, daß er den Hochfrequenzgenerator sehr sorgfältig nur in den Momenten ein­ schaltet, in denen er den Stein mit der Sonde wirklich berührt und dadurch, daß er nach jeder Generatoraktivierung eine Min­ destpause bis zur nächsten Generatoraktivierung einlegt, um die Sonde wieder abkühlen zu lassen. Beide Maßnahmen sind bei der Durchführung einer Operation jedoch sehr hinderlich, abge­ sehen davon, daß dem Operateur eine wirkliche Kontrolle über die Erwärmung der Sonde gar nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Ultra­ schall-Lithotripter zu schaffen, bei dem die Erwärmung der Sonde so stark reduziert ist, daß ein Gefährdung des die Son­ de umgebenden Gewebes praktisch ausgeschlossen werden kann, die Steinzerstörungswirkung jedoch nicht vermindert wird.

Diese Aufgabe wird mit den in den Kennzeichen der Ansprüche angegebenen Maßnahmen gelöst.

Umfangreiche Berechnungen und Messungen der Erfindung haben er­ geben, daß die Eingangsimpedanz eines Ultraschall-Lithotrip­ ters in der Umgebung einer Serienresonanz durch eine Ersatz­ schaltung beschrieben werden kann, die aus der Serienschaltung einer Induktivität, einer Kapazität und zweier Wirkwiderstände besteht. Die Induktivität und die Kapazität kennzeichnen das Serienresonanzverhalten. Ihre Blindwiderstände kompensieren sich exakt bei der Serienresonanzfrequenz.

Einer der beiden Wirkwiderstände beschreibt ersatzweise die Verluste des Ultraschall-Lithotripters. Die Leistung, die die­ ser Widerstand in der Ersatzschaltung aufnehmen würde, ist die Leistung, die im Lithotripter im piezoelektrischen Wandler, im Einspannsystem, in den Impedanz-Anpassungsmitteln und insbe­ sondere in der Sonde in Verlustwärme umgesetzt wird. Dieser Widerstand wird daher im folgenden als Verlustwiderstand be­ zeichnet.

Der zweite Wirkwiderstand beschreibt die Leistung, die von der Sondenspitze auf den zu zerstörenden Stein übergekoppelt wird. Er wird daher im folgenden als Nutzwiderstand bezeichnet.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß der Verlustwiderstand bei den in der Praxis vorkommenden Bedingungen nicht von der Belastung der Sonde durch den zu zerstörenden Stein abhängt und deshalb als konstant angenommen werden darf. Für den Ver­ lustwiderstand spielt es also keine Rolle, ob die Sonde den Stein berührt oder nicht, bzw. wie stark die Sonde an den Stein gepreßt wird. Sein Wert verändert sich nicht.

Dagegen hängt der Wert des Nutzwiderstandes sehr stark vom An­ druck der Sonde an den zu zerstörenden Stein ab. Berührt die Sonde den Stein nicht, so ist der Wert des Nutzwiderstandes Null. Bei einer Berührung des Steines ist sein Widerstandswert dagegen von Null verschieden und nimmt mit steigendem Andruck zu.

Beim Stand der Technik ist der Hochfrequenzgenerator auf sehr niedrigen Innenwiderstand dimensioniert, d. h. der piezoelek­ trische Wandler wird mit eingeprägter Spannung betrieben. Der resultierende Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers ist daher im Leerlauf, d. h. wenn der Stein nicht berührt wird, am höchsten, weil in diesem Fall der Nutzwiderstand Null ist. In diesem Zustand wird dem piezoelektrischen Wandler die höchste Leistung zugeführt und vollständig in Verlustwärme umgewan­ delt. Dabei erwärmt sich die Sonde am stärksten, was zu der geschilderten Gefahr der Verbrennung führt. Bei einer Berüh­ rung des Steines steigt der Nutzwiderstand mit wachsendem An­ druck ab, weshalb der Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers im gleichen Maß abnimmt. Mit wachsendem Andruck der Sonde an den Stein nimmt also auch die Verlustleistung und damit die in der Sonde erzeugte Wärme ab. Die Nutzleistung, d. h. die steinzerstörende Wirkung der Sonde nimmt mit wach­ sendem Andruck der Sonden an den Stein zunächst zu, erreicht dann aber einen Höchstwert und nimmt schließlich wieder ab.

Der besondere Nachteil eines Systems nach dem Stand der Tech­ nik ist darin begründet, daß die Sonde in den meisten Anteilen der Zeit den Stein nicht berührt, weil der Generator zu früh eingeschaltet oder zu spät ausgeschaltet wird, oder der Stein von der Sonde weggeschleudert wurde und bei eingeschaltetem Generator neu gesucht wird. In allen diesen Zeiten mit Leer­ laufbetrieb der Sonde wird aber die maximal mögliche Leistung zugeführt und die Sonde maximal aufgeheizt.

Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß nach Über­ schreiten der maximalen Nutzleistung die steinzerstörende Wir­ kung mit weiter wachsendem Andruck wieder abnimmt. Dies steht im Widerspruch zu der Erwartung eines operierenden Arztes: Bei einem hartnäckigen Stein, der nicht nach kurzem Berühren mit der Sonde zerspringt, versucht erfahrungsgemäß jeder Arzt, die Wirkung des Lithotripters durch stärkeren Andruck der Sonde an den Stein zu verbessern. Nach Überschreiten des Optimums be­ wirkt er damit jedoch genau das Gegenteil der erwünschtne Ver­ besserung.

Bei einem Lithotripter nach der Erfindung ist dagegen der Hochfrequenzgenerator mit einem hohen Innenwiderstand ausge­ stattet. Ein hoher Innenwiderstand ist hier im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers zu sehen und bedeutet, daß dieser etwa eine Größenordnung höher ist als die Leerlauf-Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers. Auch in diesem Fall nimmt die steinzerstörende Wirkung von der er­ sten Berührung des Steines an stetig mit dem Andruck zu, wächst aber immer weiter an, ohne in ein Maximum zu laufen, wie im Fall des niederohmigen Hochfrequenzgenerators. Die ma­ ximale steinzerstörende Wirkung ist nur durch die maximal ab­ gebbare Spannung des Hochfrequenzgenerators, also durch die Dimensionierung der elektronischen Schaltung im Hochfrequenz­ generator bestimmt, die nicht in Verbindung mit der Erfindung steht.

Im Gegensatz zu einem Hochfrequenzgenerator mit niedrigem In­ nenwiderstand, wie beim Stand der Technik, ist bei einem Hoch­ frequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand die Verlustlei­ stung, die dem piezoelektrischen Wandler zugeführt wird und damit die Erhitzung der Sonde unabhängig vom Andruck der Sonde an den Stein. Damit ist der hauptsächliche Nachteil des Litho­ tripters nach dem Stand der Technik beseitigt, bei dem insbe­ sondere im Leerlaufbetrieb eine excessive Erwärmung der Sonde durch Verlustleistung entsteht.

Ein Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand wirkt als Stromquelle, d. h. er prägt in den piezoelektrischen Wandler einen Strom ein, der von dessen Eingangsimpedanz nahezu unab­ hängig ist. Dieser Strom kann bei einem Lithotripter nach der Erfindung so klein gewählt werden, daß die in der Sonde ent­ stehende Verlustwärme ohne Gefahr für das umgebende Gewebe ist. Trotzdem ist die steinzerstörende Wirkung des Lithotrip­ ters nicht nachteilig verringert, weil mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein jede Nutzleistung erreichbar ist.

Wie bereits oben geschildert, muß der Wirkungsgrad eines Hoch­ frequenzgenerators für die Lithotripsie sehr hoch sein. Aus diesem Grund werden als Leistungs-Endstufe in solchen Hochfre­ quenzgeneratoren vorwiegend Transistorverstärker im Schaltbe­ trieb verwendet. Solche Verstärker sind aber grundsätzlich niederohmig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung wird der Hochfrequenzgenerator daher so dimensioniert, daß es zwar statisch niederohmig ist, aber dynamisch einen ho­ hen Innenwiderstand aufweist. Dies bedeutet, daß der Innenwi­ derstand eigentlich gering ist, die Leerlaufspannung des Hoch­ frequenzgenerators sich aber abhängig vom Lastwiderstand, d. h. von der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers so ändert, daß ein nahezu konstanter Ausgangsstrom fließt. Dieses Verhalten wird vorteilhafterweise durch eine Stromgegenkopp­ lung und/oder Stromregelung des im Hochfrequenzgenerator ent­ haltenen Leistungsverstärkers erzielt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hoch­ frequenzgenerator mit einem an sich niederohmigen Leistungs­ verstärker verwendet, bei dem die Gleichstromversorgung des Leistungsverstärkers aber mit einem eingeprägten, also ungefähr konstanten Gleichstrom erfolgt. In diesem Fall hängt die sich ausbildende Betriebsgleichspannung des Leistungsverstärkers vom Ausgangswechselstrom des Leistungsverstärkers ab: Bei niedrigem Ausgangswechselstrom, d h. hoher Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers, steigt die Betriebsgleichspan­ nung an, was auch ein Ansteigen der Ausgangsspannung und damit ein Ansteigen des Ausgangsstromes so lange zur Folge hat, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Damit bleibt auch hier, trotz niederohmigen Leistungsverstärkers, der Ausgangs­ strom des Hochfrequenzgenerators ungefähr konstant. Auch die­ ser Hochfrequenzgenerator hat einen hohen dynamischen Innen­ widerstand.

Um die Forderung nach hohem Wirkungsgrad zu erfüllen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der im Hoch­ frequenzgenerator enthaltene Leitungsverstärker als Schaltver­ stärker ausgeführt. Zusammen mit den zuvor beschriebenen Maß­ nahmen weist dann dieser an sich niederohmige Leistungsver­ stärker einen hohen dynamischen Innenwiderstand auf.

Betreibt man den piezoelektrischen Wandler mit einem einge­ prägten Strom, d. h. mit einem Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand oder hohem dynamischen Innenwiderstand, so können die Eingangsspannung und die Eingangsleistung bei sehr hohem Andruck der Sonde an den Stein sehr groß werden. Um hier eine Überschreitung der Grenzwerte des piezoelektrischen Wand­ lers zu vermeiden, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators be­ grenzt.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sind noch Figuren beigefügt. Es zeigt

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau eines Lithotripters mit niederoh­ miger Spannungsquelle,

Fig. 2 Ersatzschaltung eines Lithotripters mit niederohmiger Spannungsquelle in der Nähe einer Serienresonanz,

Fig. 3 Verteilung der Nutz- und der Verlustleistung abhängig vom Andruck der Sonde an den zu zerstörenden Stein bei Verwendung eines niederohmigen Hochfrequenzgenerators,

Fig. 4 Prinzipieller Aufbau eines Lithotripters mit hochomi­ ger Spannungsquelle,

Fig. 5 Ersatzschaltung eines Lithotripters mit hochohmiger Spannungsquelle in der Nähe einer Serienresonanz,

Fig. 6 Verteilung der Nutz- und der Verlustleistung abhängig vom Andruck der Sonde an den zu zerstörenden Stein bei Verwendung eines hochohmigen Hochfrequenzgenerators,

Fig. 7 Blockschaltbild eines Lithotripters mit niederohmigem Leistungsverstärker und Stromregelung zur Erzeugung eines hohen dynamischen Innenwiderstandes,

Fig. 8 Blockschaltbild eines Lithotripters mit niederohmigem Leistungsverstärker und hochohmiger Gleichstromversor­ gung des Leistungsverstärkers zur Erzeugung eines ho­ hen dynamischen Innenwiderstandes.

In Fig. 1 ist schematisch ein Lithotripter mit niederohmigem Hochfrequenzgenerator dargestellt, wie er nach dem Stand der Technik verwendet wird. Als piezoelektrischer Wandler werden zwei gegenpolig angeordnete Keramikscheiben 1 verwendet. Das Einspannsystem besteht aus der rückwärtigen Masse 2, einem Bolzen 3 und der Frontmasse 4. Zur Anpassung der akustischen Impedanz der Sonde 6 an das Einspannsystem bzw. den piezo­ elektrischen Wandler 1 wird in diesem Beispiel ein Zylinder 5 verwendet. Mit der Sondenspitze wird der zu zerstörende Stein 7 berührt. Der Hochfrequenzgenerator 8 ist symbolisch mit ei­ ner Spannungsquelle der Leerlaufspannung Uo und dem Innenwi­ derstand Ri dargestellt. Ri ist in diesem Fall kleiner als die Leerlaufeingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers 1, d. h. wenn die Sonde 6 den Stein 7 nicht berührt. Z ist die Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers, die bei der Betriebsfrequenz, d. h. bei einer Serienresonanz reell ist. Mit Pv ist symbolisch die Verlustleistung bezeichnet, die auf alle mechanisch schwingenden Teile des Systems verteilt ist, vor­ zugsweise aber in der Sonde 6 entsteht. Pn ist die Nutzlei­ stung, die nur dann an den Stein abgegeben wird, wenn dieser berührt wird.

Die elektrische Ersatzschaltung für den Frequenzbereich einer Serienresonanz ist in Fig. 2 dargestellt. Die Blindelemente L und C charakterisieren die Frequenzabhängigkeit des Systems und beschreiben die Serienresonanz. Rv beschreibt die Verluste und damit die Leistung, die hauptsächlich in der Sonde 6 in Wärme umgewandelt wird. Rn ist ein Widerstand, mit dem die an den Stein abgegebene Nutzleistung beschrieben werden kann. Im Leerlauf, wenn die Sonde 6 den Stein 7 nicht berührt, ist Rn = 0. Deshalb stellt Rv auch die Leerlaufimpedanz des piezo­ elektrischen Wandlers bei der Resonanzfrequenz dar.

Mit steigendem Andruck der Sonde 6 an den Stein 7 erhöht sich der Widerstand Rn, während die anderen Elemente der Ersatz­ schaltung praktisch konstant bleiben. Die Konstanz der rest­ lichen Elemente ist auf die geringe Kopplung zwischen der Sonde 6 und dem Stein 7 zurückzuführen, die bei praktikablen Andrücken erreicht wird. Aus diesem Grund bleibt die Schwin­ gungsverteilung längs der Sonde und des Einspannsystems bei allen praktischen Andrücken gleich und damit auch das Verhält­ nis zwischen den durch Druck und Bewegung gespeicherten Blind­ energien und der durch Verformung entstehenden Verlustlei­ stung.

Die Verlustleistung Pv und die Nutzleistung Pn eines Litho­ tripters mit niederohmigem Hochfrequenzgenerator sind in Fig. 3 abhängig vom Andruck dargestellt. Wie bereits ausgeführt, kann der Widersand Rn als Maß für den Andruck verwendet wer­ den. Da weiterhin der Verlustwiderstand Rv in allen prakti­ schen Fällen konstant ist, kann der Andruck durch das Verhält­ nis Rn/Rv ausgedrückt werden. Dieses Verhältnis wird in Fig. 3 als "relativer Andruck" bezeichnet.

Die Leistungen sind in Fig. 3 auf die bei einem ganz bestimm­ ten Andruck auftretende maximale Nutzleistung bezogen. Diese maximale Nutzleistung ist dem Fachmann als "verfügbare Lei­ stung" oder "available power" Pa bekannt.

Wie man Fig. 3 entnehmen kann, ist die Verlustleistung bei fehlendem Kontakt zwischen Sonde und Stein, d. h. bei Rn = 0, be­ sonders groß. Sie ist viermal so groß wie die maximale Nutz­ leistung Pa. Mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein wächst die Nutzleistung Pn bis zu einem Maximum, wobei die Verlustleistung Pa abnimmt. Übersteigt der Andruck den Wert, bei dem Rn gerade genau so groß ist wie Rv, so nimmt die Nutz­ leistung und daher die Steinzerstörungswirkung wieder ab. Die­ ser Effekt ist für den Operateur unverständlich und irritie­ rend, weil er bei einem Stein, der nicht sofort zerspringt, natürlich erwartet, daß er mit wachsendem Andruck der Sonde an den Stein eine monoton wachsende Wirkung erzielen kann.

Der besondere Nachteil der Anordnung nach dem Stand der Tech­ nik ist aber die im Vergleich zur maximalen Nutzleistung sehr hohe Verlustleistung, die aus operationstechnischen Gründen, wie geschildert, in der meisten Zeit während einer Operation anfällt.

In Fig. 4 ist schematisch ein Lithotripter mit hochohmigem Hochfrequenzgenerator (9) nach der Erfindung dargestellt. Un­ ter hochohmig soll im Sinne der Erfindung ein Innenwiderstand Ri verstanden werden, der etwa eine Größenordnung größer ist als die Eingangsimpedanz Z bei der Betriebsfrequenz und bei Leerlauf, d. h. wenn die Sonde den Stein nicht berührt. Unter diesen Bedingungen ist es zweckmäßig, den Hochfrequenzgenera­ tor als Stromquelle mit dem Kurzschlußstrom Ik darzustellen, da IK praktisch der Eingangsstrom des piezoelektrischen Wand­ lers ist.

Das zugehörige Ersatzschaltbild ist in Fig. 5 dargestellt. Rn und Rv sind wieder die Nutz- und Verlustwiderstände. Der Ver­ lustwiderstand ist praktisch wieder konstant, während der Nutzwiderstand vom Andruck der Sonde an den Stein abhängt und daher als variabler Widerstand gezeichnet ist. L und C sind die Ersatzelemente, die die Frequenzabhängigkeit der Eingangs­ impedanz Z des piezoelektrischen Wandlers beschreiben.

In Fig. 6 ist die andruckabhängige Verteilung der Verlustlei­ stung Pv und der Nutzleistung Pn aufgetragen. Auch hier wird das Widerstandsverhältnis Rn/Rn als Maß für den Andruck ver­ wendet und als relativer Andruck bezeichnet. Wegen des kon­ stanten Eingangsstromes und des konstanten Verlustwiderstandes ist hier die Verlustleistung Pv konstant und wird als Bezugs­ größe für die Nutzleistung Pn verwendet.

Wie man Fig. 6 entnehmen kann, steigt bei einem erfindungsge­ mäßen Lithotripter die Nutzleistung und damit die Steizerstö­ rungswirkung proportional zum Andruck an. Der Operateur kann daher bei hartnäckigen Steinen die steinzerstörende Wirkung verbessern, wenn er die Sonde immer stärker an den Stein an­ drückt.

Besonders günstig ist das Verhalten der Verlustleistung: sie bleibt bei allen Andrücken gleich und hat insbesondere bei fehlendem Steinkontakt kein Maximum mehr, wie beim Stand der Technik. Beim Übersteigen eines bestimmten Andrucks, bei dem Rn und Rv gerade gleich groß sind, wird die Nutzleistung bei einem erfindungsgemäßen Lithotripter sogar größer als die ma­ ximale Verlustleistung. Beim Stand der Technik war dagegen die maximale Nutzleistung nur ein Viertel der maximalen Verlust­ leistung.

Die Konstanz der Verlustleistung macht es dem Fachmann beson­ ders leicht, den Kurzschlußstrom des hochohmigen Hochfrequenz­ generators so zu wählen, daß keine unzulässige Erwärmung der Sonde auftritt.

In Fig. 7 ist das Blockschaltbild eines Beispiels für einen Lithotripter gezeichnet, bei dem ein Hochfrequenzgenerator mit hohem dynamischen Innenwiderstand verwendet wird. Der hohe dy­ namische Innenwiderstand wird in diesem Beispiel mithilfe ei­ ner Stromregelung erreicht.

Die Hochfrequenzschwingung wird in einem spannungsgesteuerten Oszillator 10 erzeugt und über einen Modulator 11 einem Lei­ stungsverstärker 12 zugeführt, mit dem die notwendige Aus­ gangsleistung erzeugt wird. Dieser Leistungsverstärker, der über den Netzgleichrichter 13 und die Siebschaltung 14 mit seiner Betriebsspannung versorgt wird, hat eigentlich einen niedrigen Innenwiderstand Riv. Auf den Leistungsverstärker 12 folgt aber ein Strommesser 15, dessen Meßsignal dem Modulator 11 als Regelgröße zugeführt. Dabei wird die Ansteuerung des Leistungsverstärkers 12 stromabhängig so verändert, daß am Ausgang des Strommessers 15 praktisch ein konstanter Ausgangs­ strom fließt. Am Ausgang des Strommessers scheint daher ein hoher Innenwiderstand Ri vorzuliegen. Dieses Verhalten wird als hoher dynamischer Innenwiderstand bezeichnet.

Um die Oszillatorfrequenz im Bereich der Serienresonanz des piezoelektrischen Wandlers zu halten, wird in diesem Beispiel noch in einem Phasenmesser 16 die Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom am Eingang des piezoelektrischen Wandlers 17 gemessen. Das Meßsignal wird dem spannungsgesteu­ erten Oszillator 10 zugeführt. Mithilfe dieses Signals stellt der spannungsgesteuerte Oszillator 10 seine Frequenz so ein, daß die Phasenverschiebung nahezu null ist, der piezoelektri­ sche Wandler 17 also bei der Resonanzfrequenz arbeitet.

In Fig. 8 ist als ein weiteres Beispiel das Blockschaltbild eines Lithotripters dargestellt, bei dessen Hochfrequenzgene­ rator eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines hohen dyna­ mischen Innenwiderstandes genutzt wird. Es ist wieder ein spannungsgesteuerter Oszillator 10 vorhanden, der einen an sich niederohmigen Leistungsvertärker 12 steuert. Die Fre­ quenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10 wird ebenfalls von einem Phasenmesser 16 so geregelt, daß die Eingangsspan­ nung und der Eingangsstrom am piezoelektrischen Wandler 17 ungefähr in Phase sind. In diesem Beispiel enthält die Be­ tribsspannungsversorgung neben dem Netzgleichrichter 13 und der Netzsiebung 14 aber noch eine Stromquelle 18, die aus dem Netzteil einen nahezu konstanten Gleichstrom entnimmt und als Versorgungsgleichstrom in den Leistungsverstärker 12 einprägt. Auf diese Weise ist der Ausgangswechselstrom des Leistungsver­ stärkers nahezu konstant und der Hochfrequenzgenerator wirkt wie ein hochohmiger Generator, obwohl der Leistungsverstärker an sich niederohmig ist.

Claims (6)

1. Ultraschall-Lithotripter zur Zerstörung von Steinablagerun­ gen im menschlichen Körper, bestehend aus einem piezoelek­ trischen Wandler, einem Einspannsystem zur Halterung und mechanischen Vorspannung des piezoelektrischen Wandlers, einer Sonde zur Überbrückung des Abstandes zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem zu zerstörenden Stein, Mitteln zur Anpassung der akustischen Impedanz zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der Sonde, sowie einem Hoch­ frequenzgenerator zur Speisung des piezoeleketrischen Wand­ lers, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen Innenwiderstand (Ri) aufweist, der höher ist, in der Regel also etwa eine Größ­ enordnung höher, als die Leerlauf-Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfrequenz, wobei unter Leerlauf-Eingangsimpedanz die Impedanz zu ver­ stehen ist, die der piezoelektrische Wandler (1) zeigt, solange die Sonde (6) den zu zerstörenden Stein (7) nicht berührt.

2. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen dynamischen Innenwider­ stand (Ri) aufweist, der höher ist, in der Regel also etwa eine Größenordnung höher, als die Leerlauf-Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfre­ quenz, wobei unter Leerlauf-Eingangsimpedanz die Impedanz zu verstehen ist, die der piezoelektrische Wandler (1) zeigt, solange die Sonde (6) den zu zerstörenden Stein (7) nicht berührt.

3. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen an sich niederohmigen Leistungsverstärker (12) enthält, dessen Ansteuerung durch eine Stromgegenkopplung und/oder Stromregelung so beein­ flußt wird, daß sich ein ungefähr konstanter Ausgangsstrom, unabhängig vom Eingangswiderstand des piezoelektrischen Wandlers (1), ergibt.

4. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen niederohmigen Lei­ stungsverstärker (12) enthält, dessen Gleichstromversorgung mit eingeprägtem, also ungefähr konstantem Gleichstrom er­ folgt.

5. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (12) als Schaltverstärker ausgebil­ det ist.

6. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators (9) zu ho­ hen Spannungen hin auf einen solchen Wert begrenzt ist, daß bei steigendem Eingangswiderstand des piezoelektrischen Wandlers (1) die maximal zulässige Eingangsleistung und die maximal zulässige Eingangsspannung des piezoelektrischen Wandlers (1) nicht überschritten werden.