Evaluierung und Optimierung der Fragmentationseffektivität eines piezoelektrischen Stoßwellenlithotripters

  • Evaluation and optimization of the fragmentation effectiveness of a piezoelectric shockwave lithotripter

Dietz-Laursonn, Kristin; Radermacher, Klaus (Thesis advisor); Olivier, Herbert (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur Medizintechnik 67
Seite(n)/Artikel-Nr.: iii, 202 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die extrakorporale Stoßwellenlithotripsie ist eine nichtinvasive Therapiemöglichkeit des Harnsteinleidens. Bei der Therapie werden die Steine mit fokussierten Schallwellen fragmentiert und anschließend über den Urin ausgeschieden. Zurückbleibende Restfragmente können Steinneubildungen begünstigen und sollten daher vermieden werden. Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung der Stoßwellenlithotripsie durch Erzeugung kleinerer Konkremente ohne Verstärkung der Nebenwirkungen. Hierzu wurde zunächst eine in-vitro Steinfragmentationsumgebung entwickelt, mit der die Fragmentationseffektivität verschiedener Lithotripterschallfelder experimentell ermittelt werden kann. Die Fragmentationsumgebung besteht aus einem künstlichen Harnstein, der mit einer Halterung in einem Wasserbecken relativ zum Fokus des Stoßwellenlithotripters positioniert wird. Nach der Stoßwellenbehandlung werden die Fragmente mittels Siebanalyse ausgewertet. Basierend auf Schallfeldmessungen des verwendeten Lithotripters und theoretischen Überlegungen der Fragmentationsmechanismen wurden Hypothesen aufgestellt, die eine erhöhte Fragmentationseffektivität gegenüber der Standardbehandlung (Stein im Fokus des Schallwandlers) vermuten lassen. Diese Hypothesen wurden durch experimentelle Untersuchungen in der Steinfragmentationsumgebung bestätigt. So ergibt eine Ausrichtung des Steins 1,5 cm im Vorfokus eine signifikante Steigerung der Fragmentationseffektivität gegenüber der Standardbehandlung. Eine Kombination aus der Behandlung im Vorfokus für 250 Pulse gefolgt von einer Fokusbehandlung mit weiteren 250 Pulsen erhöht die Effektivität geringfügig weiter. Weitere Messungen ergaben bei einer Steinverschiebung von mehr als 5mm aus dem Fokus orthogonal zur akustischen Achse eine signifikante Abnahme der Fragmentationseffektivität, weshalb Respirationseffekte zu einer deutlichen Verschlechterung der klinischen Behandlungsergebnisse führen können. Neben der experimentellen Umgebung wurde ein Simulationsmodell zur Berechnung der Fragmentationseffektivität eines Schallfeldes erstellt. Hierfür wird das Tuler-Butcher-Bruchkriterium verwendet, dessen Materialkonstanten über experimentelle Untersuchungen bestimmt wurden. Für den Großteil der untersuchten Schallfelder konnte eine gute Korrelation zwischen experimentellen und simulativen Ergebnissen festgestellt werden. Da das Simulationsmodell jedoch nicht abschließend validiert werden konnte, wurde es nicht für weitere Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit genutzt. Als ein Hauptproblem wird der signifikante Einfluss der Kavitation auf den Unterdruckanteil der Stoßwellen vermutet, der in der Simulation nur ungenügend berücksichtigt werden kann.

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