DE3319871A1

DE3319871A1 - Piezoelektrischer wandler zur zerstoerung von konkrementen im koerperinnern

Info

Publication number: DE3319871A1
Application number: DE3319871A
Authority: DE
Inventors: Günther Prof. Dr. 6940 Weinheim Kurtze; Rainer Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Riedlinger
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1983-06-01
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 1984-12-06
Also published as: FR2546737B1; GB2140693B; FR2546737A1; FR2589715B1; US4858597A; FR2589715A1; GB2140693A; DE3319871C2

Description

Anmelder: Richard Wolf GmbH,

Pforzheiiner Straße 24, 7134 Knittlingen

Piezoelektrischer Wandler zur Zerstörung von Konkrementen im Körperinnern

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler in Form einer Kugelkalotte zur Ortung und Zerstörung von harten Konkrementen im Körper.

Eine Zerkleinerung von im Körper eingeschlossenen 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 zerstörenden 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 entstehenden Blasen beseitagt 'werden müssen und daß die verwendeten Funkenstrecken

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nur eine sehr geringe Lebensdauer (Größenordnung 100 Entladüngen) haben.

Eine zweite bekannte Möglichkeit besteht darin, Ultraschallwandler als Quellen zu verwenden, die entweder die Form von Kugelschalen haben oder aber durch Anwendung von Linsensystemen fokussiert werden. Die größte Schwierigkeit bei der Anwendung von Ultraschallstrahlern besteht, darin, die notwendigen hohen Energiedichten zu erzielen. Erfahrungsgemäß werden zur Zerstörung von Konkrementen Druckamplituden in der Größenordnung von 2000 bar benötigt. Linsensysteme sind deshalb kaum anwendbar, weil durch Reflexion und Absorption im Linsenmaterial zu hohe Verluste entstehen. Ultraschallwandler in Form von Kugelschalen sind zur kontinuierlichen Abstrahlung von Ultraschall gut geeignet, doch ist die Anwendung von kontinuierlichem Ultraschall in diesem Fall nicht möglich, weil bei der erforderlichen hohen Energiedichte Verbrennungserscheinungen in der Umgebung des Konkrements unvermeidlich wären. Grundsätzlich lassen sich mit Ultraschallwandlern in Form von Kugelschalen auch Knallwellen erzeugen, doch setzt dies eine extrem hohe Belastbarkeit der Wandlerelemente voraus ,-'weil dabei die bei kontinuierlicher Erregung auftretende Resonanzerhöhung der Schwingungsamplitude nicht ausgenutzt werden kann. Ultraschallwandler in Form von Kugelschalen werden üblicherweise als Piezokeramik, z.B. auf Basis von Bariumtitanat, in Form gepreßt, gesintert

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und anschließend radial polarisiert. Da die unter dem Einfluß der aufgebrachten elektrischen Ladung entstehende Dickenänderung des Materials immer zugleich mit einer Querkontraktion verbunden ist, werden solche Keramik-Kugelkalotten bei Impulserregung mit hohen Spannungen sehr schnell zerstört. Besondere Maßnahmen sind deshalb erforderlich, um die notwendige hohe Belastbarkeit zu erzielen.

Piezoelektrische Wandler haben andererseits den Vorteil, daß die erzeugten Impulse einwandfrei reproduziert und dosiert werden können und daß ihre Lebensdauer bei geeignetem Aufbau um.mehrere Größenordnungen größer ist als die von Funkenstrecken. Ein weiterer Vorteil der piezokeramischen Sender ist, daß es möglich ist, ein und denselben Sender sowohl zur Erzeugung der Schockwellen als auch zur Ortung des Konkrements zu benutzen. Da auf dem Wege von der Körperoberfläche bis zum Konkrement unterschiedliche Gewebestrukturen durchstrahlt werden müssen, besteht immer die Gefahr, daß der Brennpunkt durch Schallbrechung verschoben wird, so daß eine einwandfreie Justierung auf den z.B. röntgenologisch erjnittelten Ort des Konkrements nicht möglich ist. Verwendet man jedoch zur Ortung Ultraschallimpulse, die vom Schockwellenwandler selbst mit kleiner Intensität abgestrahlt werden, dann können derartige

Justierungsfehler nicht auftreten. ^- ***TL\

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Die Erfahrung zeigt, daß es nicht zweckmäßig ist, das ge-

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sarnte zu zerstörende' Konkrcinent gleichzeitig der Schockwelle auszusetzen, sondern daß es günstiger ist, die Energie zeitlich nacheinander auf einzelne Abschnitte des Konkrements zu konzentrieren. Im ersteren Fall entstehen nämlich relativ große Bruchstücke, deren Abtransport auf natürlichem Wege oft noch nicht möglich ist, während das Konkrement im zweiten Fall in kleinste, fast staubartige Bruchstücke zerfällt. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Schallenergie auf den kleinstmöglichen Querschnitt zu konzentrieren und die erforderliche Gesamtleistung kleinzuhalten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein piezoelektrischer Wandler der eingangs erwähnten Art als Mosaik aus piezokeramischen, vorzugsweise zylindrischen Einzelelementen besteht, deren Höhe 3-10 mm beträgt, deren seitliche Ausdehnung die Höhe nicht wesentlich überschreitet und deren Zwischenräume mit einem isolierenden, elastischen Material ausgefüllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der der Keramik, wobei die Stichhöhe (h) der Kugelkalotte mindestens 5 cm und der Scheitelwinkel des zugehörigen Kugelsektors mindestens 60 Grad beträgt.

Der piezoelektrische Wandler der vorstehenden Art wird so zur Anwendung gebracht, daß nach einer mit dem Wandler durchzuführenden Echoimpulsortung des Steines im Körper durch

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Speisung des Sonders* wit Hochspannungs-Impulsen eine erste/ einige Sekunden dauernde Stoßwellenbehandlung auf einen Flächenteil des Steines ausgeübt wird, worauf nach jeweiliger erneuter Ortung ein oder mehrere weitere Flächenteile des Steines mit Stoßwellen behandelt werden.

Der piezoelektrische Wandler nach der Erfindung ist in der anliegenden 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 werden, möglichst klein zu halten. Aus dem gleichen Grund müssen die Zwischenräume zwischen den Wandlerelementen mit einem elektrisch hochisolierenden, elastischen Material ausgefüllt werden, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der des Keramikmaterials, z.B. Silikonkautschuk. Die beiden Stirnflächen 6 der Piezokeramikkörper sind zur Erzeugung der erregenden elektrischen FeId-

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stärke metallisiert'/ wobei die innere Elektrode auf Erdpotential liegen sollte. Die piezoelektrischen, zylindri .sehen Wandlerkörper werden zum Beispiel über ein Drahtverbindungsnetz 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 durchstrahlenden 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 Bestrahlung in vertikaler Richtung seitlich abwandern können und damit die Bestrahlung nicht stören. Die Flüssigkeitsschicht 4 selbst, zum Beispiel Wasser, deren Wellenwiderstand wiederum dem des Gewebes angepaßt sein muß, wird zwischen zwei Membranen und eine faltenbalgartige Gummimanschette 5 eingefaßt. Um eine sichere Ankopplung an die körperoberfläche zu erreichen, wird es in der Regel notwendig sein, den flüssigkeitsgefüllten 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 Kugelkalotte ab. Rechnerisch zeigt sich, daß bei einer Stichhöhe von 10cm "die Größe der Brennfläche ca. Sram beträgt. Aus den obengenannten Grün-

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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 erzeugten Druckstoß stets ein Unterdruckstoß folgt, der seinerseits 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 Grundfreguenz 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 1ooo bar beträgt und nimmt man einen Scheitelwinkel von 60 an, dann beträgt er in 10 mm Abstand in Axialrichtung 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. BAD ORIGINAL

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Elektrische Anregung

Die Ortung des Steines im Körper erfolgt durch Speisung des Wandlers mit Schwingungsimpulsen, und zwar einfach dadurch, daß bei ungefährer Kenntnis der Lage des Konkrcmonts - ermittelt z.B. durch Röntgen-Aufnahmen - der Sender in allen drei Koordinatenrichtungen auf maximale Größe d<-s reflektierten Impulses justiert wird. Das Konkrement muß sich dann zwangsläufig im Brennpunkt befinden, der Schwinger wird zu diesem Zweck mit Schwingungsimpulsen niederer Spannung von ca. 10 Schwingungsperioden z.B. der Freguenz der tiefsten Dickeneigenschwingung der Senderelemente (500 kHz) gespeist. Danach erfolgt elektronische Umschaltung auf Empfang und Anzeige des reflektierten Impulses auf einem BiIdschirm. Diese Art der Ortung läßt sich verbessern, indem man die Nachführung des Senders auf jeweils maximale Uchoamplitude automatisiert.

Zur Erzeugung der Schockwellen wird der Sender mit Hochspannungsimpulsen gespeist. Da die Impulslänge durch die Laufzeit des Schalls im Keramikmaterial vorgegeben ist, genügt zur elektrischen Speisung ein Hochspannungsimpuls mit einer Anstiegszeit klein gegen eine Mikrosekunde und eine Abklingzeit größer als eine Mikrosekunde. Bei Keramikwandlern von 5 mm Stärke ist eine Spannung von 6 bis 10 kV erforderlich. —*'^! N

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Ein impuls von 2000,_tbar und einer Mikrosekunde Dauer mit f

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einem Querschnitt von 10 ram entspricht einer Arbeit von '■'■

nur etwa 0,3 Watt-Sekunden. Es kann deshalb bedenkenlos i¹

eine Impulsfolge von ca. 10 Impulsen/Sekunde abgestrahlt f

werden; das ergäbe erst eine Dauerleistung von 3 Watt im i;

Brennpunkt und damit keine schädliche lokale Erwärmung. t\

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 aufgehängte Gerät wird mit seiner Gummimembrane auf die Haut des Patienten aufgesetzt und über einen Flüssigkeitsfilm zwischen Haut und Membrane angekoppelt. Dabei dürfen zwischen Membrane und Haut keine Luftblasen eingeschlossen werden. Durch geeigneten Flüssigkeitsdruck (Höheneinstellung des Ausgleichsgefäßes) wird dafür gesorgt, daß die Membrane im gesamten Bereich des Strahlenquerschnitts an der Haut -f\ anliegt. Mit Hilfe der Echoimpulsortung wird das Gerät so justiert, daß das Konkrement im Brennpunkt liegt. Danach kann eine erste Stoßwellenbehandlung beginnen. Nach einigen Sekunden Behandlung sollte eine erneute Ortung stattfinden, wobei eine evtl. bereits erzielte Wirkung aus der Veränderung der Form und Höhe des reflektierten Signals

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erkennbar ist. Nach erneuter Justierung Fortsetzung der

Behandlung usw.

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

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Claims

Anmelder: Richard Wolf GmbH,

Pforzheiiner Straße 24, 7134 Knittlingen

Patentansprüche.

Piezoelektrischer Wandler in Form einer Kugelkalottc zur Zerstörung von harten Konkrementen im Körper, dadurch gekennzeichnet, daß er als Mosaik aus piezokeramischen vorzugsweise zylindrischen Einzelelementen besteht, deren Höhe 3-1Omm beträgt, deren seitliche Ausdehnung die Höhe nicht wesentlich überschreitet und deren Zwischenräume mit einem elektrisch isolierenden, elastischen Material ausgefüllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als der der Keramik, wobei die Stichhöhe h der Kugelkalotte mindestens 5cm und der Scheitel-Winkel«C des zugehörigen Kugelsektors mindestens 60 beträgt.
2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ankopplung an den Körper ein

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flüssigkeitsgofülltGs Kissen vorgesehen ist, das durch eine elastomere Membrane gehalten wird, wobei die Flüssigkeit einen Wellenwiderstand hat, der ungefähr dem des Körpergewebes gleich ist und wobei das Kissen gegebenenfalls über einen Schlauch mit einem Ausgleichsgefäß verbunden ist, dessen Höhe zur Druckregelung variiert werden kann.
4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der zur Ortung eines Steines in der Körperhöhle auf die Erzeugung von Echoimpulsen justierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Echoimpulsortung der Sender durch die Speisung mit Hochspannungs-Impulsen für einige Sekunden auf die Erzeugung von Stoßwellen justierbar und dies abwechselnd wiederholbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortung Schwingungsimpulse von ca. 10 Perioden Dauer mit der Grundfrequenz oder einem Mehrfachen der Grundfrequenz des Wandlers ausgesendet werden und daß der Wandler dann manuell oder automatisch auf maximale Reflexion justiert wird.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß zur Zerstörung der Konkremente einzelne Druckinipulse von ca. 1 Ä«, Dauer dadurch erzeugt werden, daß der Wandler mit einer Anstiegszeit^«^ 1 i/5 und einer Spannung von 5-15 kV aufgeladen und mit einer Abklingzeit 1//g, wieder entladen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stoßwellenerregung periodisch mit 1-20 Impulsen/Sekunde wiederholt.

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