Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen, die ihrerseits insbesondere zur extrakorporal en Zerstörung von Nierensteinen verwendet werden, wobei die beispielsweise piezoelektrisch erzeugten Stoßwellen fokussie und dann über flüssige Wellenleiter und das menschliche Gewe auf das Konkrement gerichtet werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Stoßwellenerzeuger und ggf. anschließender Fokussierung άe r Stoßwellen mit einer Schallinse.

Stoßwellen treten bei Explosionen und Überschal 1 Strömungen auf. Sie werden gezielt erzeugt, um Werkstoffe zu verformen oder zu beeinflussen oder zu zerstören. Bekannt ist es, zur Zertrümmerung, insbesondere von Nierensteinen, Stoßwellengeneratoren zur Erzeugung von Stoßwellen einzu¬ setzen, wobei die Stoßwellen auf den Ort des Nierensteins fokussiert werden, um so die zur Zertrümmerung notwendige mechanische Energie genau an die Stelle zu bringen, wo sie benötigt wird. Zur Weiterleitung der fokussierten Stoßwelle dient ein Wasserreservoir bzw. der Patient wird in ein Wasse bad gelegt. Neben der Zerstörung von Nierensteinen mit Hilfe von durch Unterwasserfunkentladung mit fokussi erendem Ellipsoid erzeugten Stoßwellen ist es auch bekannt, zur el ektro echani sehen Stoßwellenerzeugung impulsartig beschleu¬ nigte Metal 1 embrane mit anschließender Fokussierung mit Hilfe einer Schallinse einzusetzen sowie fokussi erende pi ezokerami sehe Systeme. Die beiden zuerst genannten Ver¬ fahren erzeugen Stoßwellen mit mehr oder weniger starken niederfrequenten Spektral komponenten, die zu traumatischen Effekten führen. Diese niederf equenten Spektral komponenten sind darüber hinaus therapeutisch unwirksam. Die durch sie hervorgerufenen Nebenwirkungen können zu Hämatomen u.a. Schädigungen führen. Bei den fokussi erenden, pi ezokerami sehen

Systemen dagegen werden Stoßwellen erzeugt, die frei von traumatischen, niederfrequenten Spektral komponenten sind, die allerdings mit Stoßwellen geringer Amplitude auskommen müssen. Nachteilig bei allen bekannten Verfahren ist, daß der zeitliche Verlauf der Stoßwellen wenig zu beein¬ flussen ist. Nachteilig ist außerdem, daß bei einer Vergröße¬ rung der Amplitude auch die Impulsdauer vergrößert wird, wodurch der Zerkleinerungsgrad derartiger Stoßwellen erheblic sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen, insbesondere zur extrakorporalen Zerstörung von Nierensteinen und einen dafür geeignten Sto߬ wellengenerator zu schaffen, mit dem die Amplitude der Sto߬ wellen ohne gleichzeitige und entsprechende Vergrößerung der Impulsdauer verändert und Stoßwellen mit beliebigem Zeit- verlauf erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Sto߬ wellen nacheinander erzeugt und laufzeitrichtig verstärkt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich dabei das sogenannte Wanderwellenprinzip zu Nutze, wie es in Laufzeitröhren zur Verstärkung hochfrequenter elektrischer Signale benutzt wird. Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung werden akustische Signale entsprechend verstärkt, so daß die Stoßwellen sich gegenseiti erhöhen, ohne daß sie sich negativ beeinflussen können. Je nach Zahl der sich überdeckenden und erhöhenden auf diese Art und Weise erzeugten Stoßwellen kann die Amplitude deutlic vergrößert werden, ohne daß sich dabei gleichzeitig auch die Impulsdauer verändert. Damit ist es erstmals möglich, auf den zeitlichen Verlauf der Stoßwellen von außen her Einfluß zu nehmen und zwar gezielt in die Richtung, daß dadurch die Impulsform den jeweiligen Gegebenheiten entspre¬ chend verändert bzw. diesen entsprechend angepaßt wird. Diese Lösung bringt gerade im Bereich des bevorzugten Anwendungs-

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gebietes (Nierensteinzertrümmerung) erhebliche Vorteile. Aus der Swartz R.G., Plummer J. D., On the Gneration of High-Frequenzy Acoustic Energy with Polyvi nyl i dene Fluoride. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-27, No. 6. Nov. 198o, pp. 295-3o3 und Platte M., PVDF Ultrasonics Transducers. Ferroel ectrics Vol. 75, 1987, pp. 327-337 ist es bekannt, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit piezoelek¬ trischer Hochpolymerfolien mehrere (N) Folien (der Dicke d) aufeinandergelegt werden. Diese haben das gleiche Frequenz¬ verhalten wie eine Folie der Dicke N x d, während die akustische Leistung entsprechend erhöht wird. Bei der erfin¬ dungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung sind die Folien dagegen nicht unmittelbar aufeinander angeordnet, sondern um eine definierte Flüssigkeitsstrecke voneinander getrennt, so daß ihr Frequenzverhalten nicht von dem der anderen Folien beein¬ flußt wird.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Stoßwellen durch Anregen von Folien erzeugt werden, die im exakt gleichen Abstand zueinander angeordnet und vom gleichen elektrischen Signal um die Laufzeit zwischen den einzelnen Folien verzögert ange¬ regt werden. Eine so gezielte Schal 1 abstrahl ung von den einzelnen Folien erbringt die angestrebte Erhöhung der Amplitude der in eine Richtung laufenden akustischen Signale, die eine ebene Stoßwelle darstellen. Durch Einsatz des immer gleichen elektrischen Signals für alle hintereinander ange¬ ordneten Folien ist sichergestellt, daß jeweils das gleiche akustische Signal erzeugt wird, das durch geschickte Anordnun der Folien hintereinander beim Durchlaufen der Folien sich mit dem neu erzeugten Signal überlagert und dadurch erhöht wi rd .

Ergänzend sieht die Erfindung vor, daß die Folgef equenz der elektrischen Signale jeweils exakt mit der reziproken Laufzeit von Folie zu Folie übereinstimmend eingestellt wird,

um so eine negative gegenseitige Beeinflussung der Signale und damit der Stoßwellen zu verhindern.

Abweichend von den bekannten Verfahren werden hier keine Metallmembrane eingesetzt, um Stoßwellen zu erzeugen, sondern vielmehr sieht die Erfindung vor, daß in einem flüssigkeits¬ gefüllten Rohr mehrere, sehr dünnwandige, kontaktierte piezo¬ elektrische Hochpolymerfolien in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet und elektrisch parallel und um die Laufzeit zwischen den Folien verzögert geschaltet sind. Durch die kontraktierten piezoelektrischen Hochpolymerfolien können durch elektrische Signale akustische Signale und mit Sto߬ wellen im flüssigkei sgefüllten Rohr erzeugt werden. Durch die genaue Abstandsvorgabe der einzelnen Hochpolymerfolien ist die angestrebte Erhöhung der Amplitude sichergestellt, wobei aufgrund der sehr dünnwandigen Ausbildung der einzelne Hochpolymerfolien davon ausgegangen werden kann, daß diese keine Behinderung für die durchlaufenden akustischen Signale bzw. Stoßwellen darstellen. Wegen der extrem geringen Dicke der Folien und dem geringen akustischen Impedanzunterschied zwischen Folie und Wasser durchsetzen die akustischen Signal praktisch ungeschwächt die aufeinanderfolgenden Folien und verstärken die von den anderen Folien erzeugten akustischen Signale, da zu ihrer Ankunftszeit an der jeweils nächsten Folie dort ein gleichartiges, akustisches Signal erzeugt wird. Durch die Parallelschaltung der Folien wird sicherge¬ stellt, daß von jeder Folie die gleiche akustische Impuls¬ folge abgestrahlt wird, so daß die gezielte genaue Beein¬ flussung der akustischen Signale in der erfindungsgemäßen Richtung sichergestellt ist.

Um das Durchsetzen der akustischen Signale zu erleichtern sieht die Erfindung vor, daß die Hochpolymerfolien eine Dick von 5 bis 12 μm, vorzugswei se 9 μ aufwei sen. Solche sehr dünn wandigen Hochpolymerfolien sind mit der notwendigen Vorsicht handhabbar, wobei die Erfindung ergänzend vorsieht, daß dies

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Hochpolymerfolien in Rahmen eingespannt und im flüssigkeits¬ gefüllten Rohr so angeordnet sind, daß ihre Flächennormale mit der Rohrachse zusammenf llt. Damit sind Abstrahl ungen unbeabsichtigter Art und unbeabsichtigter Richtung vermieden und umgekehrt sichergestellt, daß die erzeugten akustischen Signale genau in bzw. achsparallel zur Rohrachse abgestrahlt werden, um sich dann gegenseitig zu beeinflussen bzw. zu erhöhen. Die Einspannung in Rahmen erleichtert sowohl die Handhabung als auch die genaue Anordnung im flüssigkeitsge¬ füllten Rohr, was ja wegen der laufzeitrichtigen Anordnung unbedingt notwendig ist.

Wenn eine einseitige Schall abstrahl ung gewünscht wird, ist dies erfindungsgemäß dadurch möglich, daß an einem Ende des Rohres ein ebener, relativ schallharter Abschluß angeordnet ist, dessen Abstand zur letzten Hochpolymerfolie halb so groß ist, wie deren Abstand zur nächsten Hochpolymerfolie. Ein derartiger schallharter Festkörper kann gemäß der Erfin¬ dung eine lo mm dicke Metallplatte oder ein "Corner-Reflektor sein, die entsprechend im Rohr so angeordnet ist, daß die Stoßwellen ohne Phasensprung in die entgegengesetzte Richtung reflektiert werden. Durch die Abstandsvorgabe ist dabei sichergestellt, daß die so zurückgestrahlten Schallwellen sich mit den in der "richtigen" Richtung erzeugten Schall¬ wellen jeweils der nächsten Generation überdecken und erhöhen Auf diese Weise kann mit der gleichen Anzahl von Hochpolymer¬ folien eine wesentliche höhere Beeinflussung der Amplitude erreicht werden, da sich die Amplitude der akustischen Signal um den Faktor 2 erhöht.

Um temperaturbedingte Änderungen der Si gnal 1 aufzei ten zu vermeiden, bestehen die die Hochpolymerfolien haltenden Rahmen und vor allem die Distanzstücke zwischen den Rahmen aus einem Material mit geringem thermischen Ausdehnungs¬ koeffizienten. Als derartiges Material eignet sich vorzugs¬ weise Invar. Auf diese Weise können die mechanischen Kompo-

nenten unabhängig von ihrer Anordnung und Ausbildung zum Einsatz kommen, ohne daß die Gefahr besteht, daß dadurch die Signal! aufZei en beeinflußt werden.

Gleiches gilt für die im Rohr untergebrachte Flüssigkeit, d.h. die Erfindung sieht vor, daß das Rohr mit einem Alkohol- Wasser-Gemisch, vorzugsweise Wasser mit 2o % Äthylalkohol gefüllt und auf der schall abstrahlenden Seite über eine Kunst stoffmembran verschlossen ist. Durch den Abschluß mit der Kunststoffmembran ist eine Vermischung mit anderer Flüssigkei oder ein unbeabsichtigtes Ausströmen der so gezielt herge¬ stellten Mischung vermieden. Auf der anderen Seite des Rohres sorgt zweckmäßigerweise die Metallplatte bzw. der relativ schallharte Abschluß auch für die Abdichtung gegenüber der Atmosphäre.

Das mit Hilfe der sehr dünnwandigen, kontaktierten piezo¬ elektrischen Hochpolymerfolien erzeugte akustische Signal stellt wie erwähnt eine ebene Stoßwelle dar, die gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung von einer Schallinse fokussiert und frequenzabhängig nochmals verstärkt wird. Eine derartige Schallinse besteht vorzugsweise aus Polystyren hat einen Durchmesser von 7o mm und eine Brennweite von loo mm. Die Schallinse ist an der schal 1 abstrahl enden Seite angebracht, so daß die gesamte erzeugte Stoßwelle gezielt nochmals verstärkt werden kann. Von einer solchen Schallinse wird beispielsweise die 1 MHz Spektral omponente um den Faktor 75o verstärkt. Für die niedrigeren Spektral komponenten ist die Verstärkung geringer, für höhere noch größer. Der entstehende Fokus mit einem Durchmesser von einigen mm weist einen Schalldruck auf, der gegenüber dem von einer einzelnen Folie erzeugten Schalldruck um ca. vier Größenordnungen höhe ist, wenn beispielsweise fünf Folien mit einseitiger Abstrah lung hintereinander angeordnet sind.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die einzelnen Hochpoly-

merfolien elektrisch parallel geschaltet sind, so daß von jeder Folie die gleiche akustische Impulsfolge abgestrahlt wird. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß die Hoch¬ polymerfolien vom ankommenden akustischen Signal ansteuerbar ausgebildet und geschaltet sind. Damit ist ebenfalls sicher¬ gestellt, daß zur Ankunftszeit je eines akustischen Signals an einer Hochpolymerfolie dort beim Durchdringen bzw. im Bereich dieses Zeitraums ein gleichartiges akustisches Signa erzeugt wird.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere für den Bereich der Nierensteinzertrümmerung dadurch aus, daß Stoßwellen erzeugt werden können, die frei von traumatischen, nieder¬ frequenten Spektral komponenten sind, so daß eine patienten¬ freundliche Behandlung beim Zerkleinern der Nierensteine sichergestellt ist. Wesentlich ist dabei, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung der zeitlic Verlauf der Stoßwellen genau beeinflußt werden kann, um so eine gezielte Zerstörung von Nierensteinen sicherzustellen. Auch für andere Anwendungsf lle ergeben sich entsprechende Vorteile. Vorteilhaft ist außerdem, daß die Stoßwellen¬ amplitude verändert werden kann, ohne gleichzeitig auch die Impulsdauer zu verändern und zwar mit einer im Aufbau ver¬ hältnismäßig einfachen Vorrichtung, die bezüglich der Wartun nur geringe Anforderungen stellt. Außerdem zeichnet sie sich durch günstige Abmessungen aus, so daß die gesamte Vorrichtu besonders handhabungsfreundlich ist. Besonders zu erwähnen ist, daß die elektrischen Signale nur eine Amplitude von max. einigen loo V benötigen, im Gegensatz zu bekannten Systemen mit mehr als lo V .

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zuge¬ hörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbei¬ spiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines im Einsatz befindlichen Stoßwellengenerators mit flüssigkeitsgefülltem Rohr,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Rohr im Bereich einer Hochpolymerfo ie und

Fig. 3 einen Schnitt mit einer anders geformten Hochpoly erfol ie.

Der Erfindungsgedanke sieht Anwendung des Wanderwellen- prinzips, wie es in Laufzeitröhren zur Verstärkung hoch¬ frequenter elektrischer Signale benutzt wird, auf die Ver¬ stärkung akustischer Signale vor. Dazu sind in einem Rahmen (11) eingespannte, kontaktierte piezoelektrische Hochpoly¬ merfolien (8, 9, lo) mit einer Dicke von 9 μ und einer Ab¬ messung von loo mm Durchmesser in dem mit einer Flüssigkeit (7) angefüllten Rohr (6) so angeordnet, daß ihre Flächen¬ normale mit der Rohrachse (12} zusammenfäll .

Das Rohr (6) mit den darin angeordneten Hochpolymerfolien (8, 9, lo) wird auf den in der Niere (1) angeordneten Nierenstein (2) gerichtet, wobei zur Übertragung der Sto߬ wellen auf der Körperoberfläche (3) ein Flüssigkeitsbeutel (4) angeordnet ist.

Die Hochpolymerfol en (8, 9, lo) weisen exakt den gleichen Abstand voneinander auf, hier loo mm. Wenn eine einseitige Schal1abstrahlung gewünscht wird, ist hinter der letzten Hochpolymerfolie (lo) im halben Abstand der Hochpolymer- folien (8, 9, lo) untereinander ein relativ schallharter Abschluß (15) ("Corner-Reflektor" bzw. eine z.B. lo mm dicke Metallplatte angeordnet. Dieser Abschluß (15) ist am Ende (13) des Rohres (6) vorgesehen und bildet gleichzeitig den dichten Abschluß des mit Flüssigkeit (7) gefüllten Rohres (6).

Von den einzelnen Hochpolymerfolien (8, 9, lo) werden durch elektrische Signale (z.B. Rechteckimpulse einer Dauer von

1 μsec) akustische Signale mit dem gleichen Zeitverlauf erzeugt, da die Laufzeit der akustischen Signale durch die Hochpolymerfolie (8, 9, lo) hindurch gegenüber der Signal¬ dauer vernachlässigbar ist. Die akustischen Signale werden in beide Richtungen abgestrahlt. Die Folgefrequenz der elektrischen Signale muß exakt - d.h. auf Bruchteile von Promille genau - mit der reziproken Laufzeit von Hochpolym folie zu Hochpolymerfolie (8, 9, lo) übereinstimmen. Die Hochpolymerfolien (8, 9, lo) sind elektrisch parallel ge¬ schaltet, so daß von jeder Folie die gleiche akustische Impulsfolge abgestrahlt wird. Wegen der geringen Dicke der Folien und dem geringen akustischen Impedanzunterschied zwischen Hochpolymerfol ie (8, 9, lo) und Wasser durchsetze die akustischen Signale praktisch ungeschwächt die aufein¬ anderfolgenden Hochpolymerfolien (8, 9, lo) und verstärken die von den anderen Folien erzeugten akustischen Signale, da zu ihrer Ankunftszeit an einer Folie dort ein gleich¬ artiges akustisches Signal erzeugt wird.

Bei der oben erwähnten einseitigen Schall abstrahl ung durch Einfügen eines reflektierenden Abschlusses (15) werden die in diese Richtung abgestrahlten akustischen Signale von diesem ebenfalls laufzeitrichtig in die entgegengesetzte Richtung reflektiert. Dadurch wird die Amplitude der in diese Richtung laufenden akustischen Signale nochmals um d Faktor 2 erhöht.

Fünf Hochpolymerfolien (8, 9, lo) mit einseitiger Ab- strahlung erzeugen daher ein akustisches Signal, das die lOfache Amplitude des von einer einzigen Hochpolymerfolie (8; 9; lo) erzeugten Signals besitzt. Dieses akustische Signal stellt eine ebene Stoßwelle dar, die von einer auf der schallabstrahlenden Seite (14) angeordneten Schallinse (17) fokussiert und frequenzabhängig nochmals verstärkt wird. Von dieser Schallinse (17) wird die 1 MHz Spektral¬ komponente um den Faktor 75o verstärkt.

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lo

Um temperaturbedingte Änderungen der Signallaufzeiten zu vermeiden, sind die zur exakten Einstellung des Ab tandes der einzelnen Hochpolymerfol en (8, 9, lo) verwendeten Distanzstücke (18) aus einem Material mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt. Aus dem gleichen Grund wird eine Flüssigkeit (7) mit konstanter Schallgeschwindigkeit in diesem Temperaturbereich verwendet. Das Rohr (6) ist auf der schallabstrahlenden Seite (14) hierzu mit einem Abschluß in Form einer Kunststoffmembran (16) ausgerüstet.

Die Lage bzw. Anordnung der Distanzstücke (18, 19) zeigen die Fig. 2 und 3 ergänzend, wobei sich hier lediglich die Form der Rohrrahmen bzw. Rahmen (11, 2o) unterscheidet. Auch die Distanzstücke (18, 19) können jeweils dem Einsatz- fall entsprechend geformte Ausbildungen aufweisen, wobei es in der Regel ausreicht, daß die Distanzstücke (18, 19) aus dem einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff bestehen.

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