DE3708995C2 - Ultraschall-Lithotripter zur Zerstörung von Steinablagerungen im menschlichen Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Lithotripter zur Zerstörung von Steinablagerungen im menschlichen Körper entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher ist aus DE 20 20 345 C3 bekannt. Weitere solche Lithotripter bzw. Sonden für solche sind in DE 35 20 133 A1 und in "Biomedizinische Technik" Band 18/1<973, Nr. 1, S. 21-23 beschrieben.

Ultraschall-Lithotripter werden verwendet, um z. B. Steine im Harnableitungssystem oder in der Gallenblase ohne offene Operation 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-Lithotriptern wird der umgekehrte piezoelektrische Effekt zur Erzeugung einer Ultraschall- Schwingung aus einer elektrischen Hochfrequenzspannung der gleichen Frequenz genutzt. Dazu wird ein piezoelektrischer Wandler in einem akustisch genau bestimmten Einspannsystem gehalten. Das Einspannsystem sorgt einerseits für die notwendige mechanische Vorspannung 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 direkt an den Steinen herangebracht werden können. Sie müssen vielmehr außerhalb des menschlichen Körpers betrieben werden. Deshalb werden dünne Sonden verwendet, die den Abstand zwischen 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 Nierenstein herangeführt.

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

Zur Speisung des piezoelektrischen Wandlers wird ein Hochfrequenzgenerator verwendet, der die Hochfrequenzleistung auf der Betriebsfrequenz des piezoelektrischen Wandlers bereitstellt. Die Eingangsimpedanz piezoelektrischer Wandler ist im allgemeinen sehr hoch, d. h. im Bereich bis zu einigen hundert kΩ. 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 Serienresonanz liegt die Eingangsimpedanz im Bereich einiger hundert Ω. Nur hier kann eine Speisung mit praktikablen Spannungen durchgeführt werden. Abseits der Serienresonanz müßte der Hochfrequenzgenerator Spannungen im Bereich von vielen kV abgeben, 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 Hochfrequenzgeneratoren betrieben. Alle bekannten Hersteller von Ultraschall-Lithotriptern verwenden diese Form von Generatoren ohne diesen Sachverhalt in ihren Applikationsschriften gesondert zu vermerken.

Bei Verwendung im Operationssaal darf der Hochfrequenzgenerator keinen Lüfter enthalten, um das Aufwirbeln von Bakterien 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-Lithotriptern Hochfrequenzgeneratoren mit Transistor- Leistungsverstärkern verwendet, die im Schaltbetrieb arbeiten. Diese Leistungsverstärker werden mit einer konstanten Speise-Gleichspannung 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 optimaler 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 entstehenden 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 entstehenden 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 Ultraschallschwingungen 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 Überhitzung gefährdet ist. Diese Verbrennungsgefahr betrifft z. B. die Harnröhre bei der Zerstörung von Blasen- und Uretersteinen, oder das Nierengewebe und den Einstichbereich bei der perkutanen Nierensteinzerstörung, insbesondere aber den Ureter bei der transurethralen Zerstörung von Ureter- und Nierensteinen.

Der Operateur kann diese Gefahr dadurch reduzieren, daß er den Hochfrequenzgenerator sehr sorgfältig nur in den Momenten einschaltet, in denen er den Stein mit der Sonde wirklich berührt und dadurch, daß er nach jeder Generatoraktivierung eine Mindestpause bis zur nächsten Generatoraktivierung einlegt, um die Sonde wieder abkühlen zu lassen. Beide Maßnahmen sind bei der Durchführung einer Operation jedoch sehr hinderlich abgesehen 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 Ultraschall-Lithotripter zu schaffen, bei dem die Erwärmung der Sonde so stark reduziert ist, daß eine Gefährdung des die Sonde umgebenden Gewebes praktisch ausgeschlossen werden kann, die Steinzerstörungswirkung jedoch nicht vermindert wird.

Diese Aufgabe wird mit dem im Anspruch 1 angegebenen Lithtotripter gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Umfangreiche Berechnungen und Messungen der Erfindung haben ergeben, daß die Eingangsimpedanz eines Ultraschall-Lithotripters in der Umgebung einer Serienresonanz durch eine Ersatzschaltung 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 dieser Widerstand in der Ersatzschaltung aufnehmen würde, ist die Leistung, die im Lithotripter im piezoelektrischen Wandler, im Einspannsystem, in den Impedanz-Anpassungsmitteln und insbesondere in der Sonde in Verlustwärme umgesetzt wird. Dieser Widerstand wird daher im folgenden als Verlustwiderstand bezeichnet.

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 Verlustwiderstand 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 Andruck 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 piezoelektrische 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 umgewandelt. Dabei erwärmt sich die Sonde am stärksten, was zu der geschilderten Gefahr der Verbrennung führt. Bei einer Berührung des Steines steigt der Nutzwiderstand mit wachsendem Andruck an, 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 wachsendem 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 Technik 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 Leerlaufbetrieb der Sonde wird aber die maximal mögliche Leistung zugeführt und die Sonde maximal aufgeheizt.

Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß nach Überschreiten der maximalen Nutzleistung die steinzerstörende Wirkung 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 bewirkt er damit jedoch genau das Gegenteil der erwünschten Verbesserung.

Bei einem Lithotripter nach der Erfindung ist dagegen der Hochfrequenzgenerator mit einem hohen Innenwiderstand ausgestattet. Ein hoher Innenwiderstand ist hier im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers zu sehen und bedeutet, daß dieser etwa eine Größenanordnung höher ist als die Leerlauf- Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers. Auch in diesem Fall nimmt die steinzerstörende Wirkung von der ersten 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 maximale steinzerstörende Wirkung ist nur durch die maximal ,abgebbare Spannung des Hochfrequenzgenerators, also durch die Dimensionierung der elektronischen Schaltung im Hochfrequenzgenerator bestimmt, die nicht in Verbindung mit der Erfindung steht.

Im Gegensatz zu einem Hochfrequenzgenerator mit niedrigem Innenwiderstand, wie beim Stand der Technik, ist bei einem Hochfrequenzgenerator mit hohem Innenwiderstand die Verlustleistung, 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 Lithotripters nach dem Stand der Technik beseitigt, bei dem insbesondere 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 unabhängig ist. Dieser Strom kann bei einem Lithotripter nach der Erfindung so klein gewählt werden, daß die in der Sonde entstehende Verlustwärme ohne Gefahr für das umgebende Gewebe ist. Trotzdem ist die steinzerstörende Wirkung des Lithotripters nicht nachteilig verringert, weil mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein jede Nutzleistung erreichbar ist.

Wie bereits oben geschildert, muß der Wirkungsgrad eines Hochfrequenzgenerators für die Lithotripsie sehr hoch sein. Aus diesem Grund werden als Leistungs-Endstufe in solchen Hochfrequenzgeneratoren vorwiegend Transistorverstärker im Schaltbetrieb verwendet. Solche Verstärker sind aber grundsätzlich niederohmig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Hochfrequenzgenerator daher so dimensioniert, daß es zwar statisch niederohmig ist, aber dynamisch einen hohen Innenwiderstand aufweist. Dies bedeutet, daß der Innenwiderstand eigentlich gering ist, die Leerlaufspannung des Hochfrequenzgenerators 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 Stromgegenkopplung und/oder Stromregelung des im Hochfrequenzgenerator enthaltenen Leistungsverstärkers erzielt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hochfrequenzgenerator mit einem an sich niederohmigen Leistungsverstärker 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 Betriebsgleichspannung 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 Ausgangsstrom des Hochfrequenzgenerators ungefähr konstant. Auch dieser Hochfrequenzgenerator hat einen hohen dynamischen Innenwiderstand.

Um die Forderung nach hohem Wirkungsgrad zu erfüllen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der im Hochfrequenzgenerator enthaltene Leistungsverstärker als Verstärker mit im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren ausgeführt. Zusammen mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen weist dann dieser an sich niederohmige Leistungsverstärker einen hohen dynamischen Innenwiderstand auf.

Betreibt man den piezoelektrischen Wandler mit einem eingeprägten 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 Wandlers zu vermeiden, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators begrenzt.

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

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau eines Lithotripters mit niederohmiger 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 hochohmiger 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 Gleichstromversorgung des Leistungsverstärkers zur Erzeugung eines hohen 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 piezoelektrischen 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 einer Spannungsquelle der Leerlaufspannung U_o und dem Innenwiderstand R_i dargestellt. R_i 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 P_v ist symbolisch die Verlustleistung bezeichnet, die auf alle mechanisch schwingenden Teile des Systems verteilt ist, vorzugsweise aber in der Sonde 6 entsteht. P_n ist die Nutzleistung, 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. R_v beschreibt die Verluste und damit die Leistung, die hauptsächlich in der Sonde 6 in Wärme umgewandelt wird. R_n 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 R_n = 0. Deshalb stellt R_v auch die Leerlaufimpedanz des piezoelektrischen Wandlers bei der Resonanzfrequenz dar.

Mit steigendem Andruck der Sonde 6 an den Stein 7 erhöht sich der Widerstand R_n, während die anderen Elemente der Ersatzschaltung praktisch konstant bleiben. Die Konstanz der restlichen 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 Schwingungsverteilung längs der Sonde und des Einspannsystems bei allen praktischen Andrücken gleich und damit auch das Verhältnis zwischen den durch Druck und Bewegung gespeicherten Blindenergien und der durch Verformung entstehenden Verlustleistung.

Die Verlustleistung P_v und die Nutzleistung P_n eines Lithotripters mit niederohmigem Hochfrequenzgenerator sind in Fig. 3 abhängig vom Andruck dargestellt. Wie bereits ausgeführt, kann der Widerstand R_n als Maß für den Andruck verwendet werden. Da weiterhin der Verlustwiderstand in allen praktischen Fällen konstant ist, kann der Andruck durch das Verhältnis R_n/R_v ausgedrückt werden. Dieses Verhältnis wird in Fig. 3 als "relativer Andruck" bezeichnet.

Die Leistungen sind in Fig. 3 auf die bei einem ganz bestimmten Andruck auftretende maximale Nutzleistung bezogen. Diese maximale Nutzleistung ist dem Fachmann als "verfügbare Leistung" oder "available power" P_a bekannt.

Wie man Fig. 3 entnehmen kann, ist die Verlustleistung bei fehlendem Kontakt zwischen Sonde und Stein, d. h. bei R_n = 0, besonders groß. Sie ist viermal so groß wie die maximale Nutzleistung P_a. Mit steigendem Andruck der Sonde an den Stein wächst die Nutzleistung P_n bis zu einem Maximum, wobei die Verlustleistung P_v abnimmt. Übersteigt der Andruck den Wert, bei dem R_n gerade genau so groß ist wie R_v, so nimmt die Nutzleistung und daher die Steinzerstörungswirkung wieder ab. Dieser Effekt ist für den Operateur unverständlich und irritierend, 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 Technik 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. Unter hochohmig soll im Sinne der Erfindung ein Innenwiderstand R_i 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 Hochfrequenzgenerator als Stromquelle mit dem Kurzschlußstrom I_K darzustellen, da I_k praktisch der Eingangsstrom des piezoelektrischen Wandlers ist.

Das zugehörige Ersatzschaltbild ist in Fig. 5 dargestellt. R_n und R_v sind wieder die Nutz- und Verlustwiderstände. Der Verlustwiderstand 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 Eingangsimpedanz Z des piezoelektrischen Wandlers beschreiben.

In Fig. 6 ist die andruckabhängige Verteilung der Verlustleistung P_v und der Nutzleistung P_n aufgetragen. Auch hier wird das Widerstandsverhältnis R_n/R_v als Maß für den Andruck verwendet und als relativer Andruck bezeichnet. Wegen des konstanten Eingangsstromes und des konstanten Verlustwiderstandes ist hier die Verlustleistung P_v konstant und wird als Bezugsgröße für die Nutzleistung P_n verwendet.

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

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 R_n und R_v gerade gleich groß sind, wird die Nutzleistung bei einem erfindungsgemäßen Lithotripter sogar größer als die maximale Verlustleistung. Beim Stand der Technik war dagegen die maximale Nutzleistung nur ein Viertel der maximalen Verlustleistung.

Die Konstanz der Verlustleistung macht es dem Fachmann besonders leicht, den Kurzschlußstrom des hochohmigen Hochfrequenzgenerators 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 dynamische Innenwiderstand wird in diesem Beispiel mithilfe einer Stromregelung erreicht.

Die Hochfrequenzschwingung wird in einem spannungsgesteuerten Oszillator 10 erzeugt und über einen Modulator 11 einem Leistungsverstärker 12 zugeführt, mit dem die notwendige Ausgangsleistung erzeugt wird. Dieser Leistungsverstärker, der über den Netzgleichrichter 13 und die Siebschaltung 14 mit seiner Betriebsspannung versorgt wird, hat eigentlich einen niedrigen Innenwiderstand R_iv. 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 Ausgangsstrom fließt. Am Ausgang des Strommessers scheint daher ein hoher Innenwiderstand R_i 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 spannungsgesteuerten Oszillator 10 zugeführt. Mithilfe dieses Signals stellt der spannungsgesteuerte Oszillator 10 seine Frequenz so ein, daß die Phasenverschiebung nahezu null ist, der piezoelektrische Wandler 17 also bei der Resonanzfrequenz arbeitet.

In Fig. 8 ist als weiteres Beispiel das Blockschaltbild eines Lithotripters dargestellt, bei dessen Hochfrequenzgenerator eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines hohen dynamischen Innenwiderstandes genutzt wird. Es ist wieder ein spannungsgesteuerter Oszillator 10 vorhanden, der einen an sich niederohmigen Leistungsverstärker 12 steuert. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10 wird ebenfalls von einem Phasenmesser 16 so geregelt, daß die Eingangsspannung und der Eingangsstrom am piezoelektrischen Wandler 17 ungefähr in Phase sind. In diesem Beispiel enthält die Betriebsspannungsversorgung 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 Leistungsverstärkers 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 Steinablagerungen im menschlichen Körper, bestehend aus einem piezoelektrischen 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 Hochfrequenzgenerator zur Speisung des piezoelektrischen Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen Innenwiderstand (R_i) aufweist, der höher ist, in der Regel etwa eine Größenordnung höher, als die Leerlauf-Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfrequenz, 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.

2. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen dynamischen Innenwiderstand (R_i) aufweist, der höher ist, in der Regel etwa eine Größenordnung höher, als die Leerlauf-Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlers (1) bei der Betriebsfrequenz, 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 gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen an sich niederohmigen Leistungsverstärker (12) enthält, dessen Ansteuerung durch eine Stromgegenkopplung und/oder Stromregelung so beeinflußt wird, daß sich ein ungefähr konstanter Ausgangsstrom, unabhängig vom Eingangswiderstand des piezoelektrischen Wandlers (1), ergibt.

4. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (9) einen niederohmigen Leistungsverstärker (12) enthält, dessen Gleichstromversorgung mit eingeprägtem, also ungefähr konstantem Gleichstrom erfolgt.

5. Ultraschall-Lithotripter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (12) als Verstärker mit im Schaltbetrieb arbeitenden Transistoren ausgebildet ist.

6. Ultraschall-Lithotripter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators (9) zu hohen 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.