Verbesserung des Linsendesigns und der Leistungsfähigkeit eines aktuellen elektromagnetischen Lithotripters Andreas Neisiusa,b,, Nathan B. Smithc, Georgy Sankinc, Nicholas John Kuntza, John Francis Maddend, Daniel E. Fovarguee, Sorin Mitrane, Michael Eric Lipkina, Walter Neal Simmonsc, Glenn M. Premingera, and Pei Zhonga,c aDivision of Urologic Surgery and dDepartment of Pathology, Duke University Medical Center, Durham, USA bDepartment of Urology, Universitätsmedizin Mainz, Johannes Gutenberg University, 55131 Mainz, Germany; cDepartment of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University, Durham, NC, USA eDepartment of Mathematics, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC,USA

Harnsteintherapie - Deutschland ESWL - PNL + URS ++ Volkmer et al., Urologe 2014

ESWL - Heute Steinfreiheitsraten 183 Patienten: 84 Nierensteine, 99 Harnleitersteine Neisius et al., BJU Int 2013

ESWL - Heute Effektivität der neuen Systeme Neisius et al., BJU Int 2013

ESWL - Historie HM3 Die aktuell erhältichen Lithotripter erreichen eine geringere Steinzertrümmerungsrate als der “Gold Standard” Lithotripter der 1.Generation (Dornier HM3). Hierfür werden maßgeblich 3 Faktoren verantwortlich gemacht: Geringe Fokusbreite Nicht ideale Schockwellenmorphologie (aufgrund der 2 positiven Druckwelle, die durch die Oszillation der elektromagnetischen Spule verursacht wird. Außerdem verschiebt sich der Fokus bei hohen Energieleveln zum Schockwellenkopf hin. This drawback has been attributed primarily to two disadvantageous features of the EM lithotripters, namely, narrow beam width and non-idealized pulse profile The non-idealized pressure profile is a results of the oscillation in the EM coil.

Akustische Pulsenergie Einleitung Brennweite Siemens Modularis Lithotripters der 3.Generation wurde weiter modifiziert um: Eine ideale Druckwellenform ähnlich der des Dornier HM3 zu generieren. Die Fokuszone zu vergrößeren, ähnlich der des Dornier HM3. Den geometrischen und den akustischen Fokus bei hohen Energiestufen zur Deckung zu bringen. Akustische Pulsenergie Akustische Linse

Linsendesign Um diese Fokusverlagerung zu erreichen, wurden der sphärische Radius (Rs) und die kleine ellipsoide Halbachse (be) der Linse verändert.

Linsendesign Ringeinschnitt Mancini & Neisius et al., J Urol 2013 Pilotstudie im Schwein mit 60% und 14mm Tiefe ohne Modifikation der Halbachsen. Mancini & Neisius et al., J Urol 2013

Technische Details The design modifications are shown at the right side with its effects in red an green colors. The annular ring cut causes the modified pulse profile via in situ pulse superposition with a second delayed wave originating from the same EM pulse. The smaller aperture causes a broader beam width Später noch: Fokusverlagerun: sphärische Radius (Rs) und die kleine ellipsoide Halbachse (be) der Linse verändert. Und

Wellenform Charakteristik Druck [Mpa] These measurements are done with a FOPH Showing the modification of the waveforms. The blue waves are from the original lens, the red ones are generated from the new lens. Zeit [µs]

Fokuszonen Charakteristik Spitzendruck [Mpa] Waveform characterization with the FOPH demonstrates a lower peak pressure for the new lens and a much broader beam widht (by > 47%). Simultaneously with refinement of geometric parameters for in situ pulse superposition, the new lens was re-shaped to counteract acoustic focal shifting. EM shock wave lithotripters tend to shift proximal (towards the source) in the location of peak positive pressure (i.e., acoustic focus) relative to its focal location determined through linear acoustics (i.e., geometric focus) at increasing source voltages x- Achse [mm]

Fokusverschiebung Spitzendruck [Mpa] z- Achse [mm]

Kavitationseigenschaften Originallinse Das Kavitationspotential der zwei Linsen wurde mittels Hochgeschwindigkeitsbildgebung erfaßt. In der perirenalen Region und auf Hautniveau sind keine signifikanten Kavitationsunterschiede zwischen den Linsen feststellbar. Der Kavitationsindex im Lithotripterfokus ist für die neue Linse allerdings signifikant höher und deckt eine größere Fläche ab, dies konnte die Steinzertrümmerung verbessern. Cavitation. Contour plots (Left) of CI obtained from an average of cavitation events produced by 30 consecutive lithotripter pulses produced by the (A) original lens and (B) new lens alongside representative bubble dynamics (Right) from a single cavitation event. Contours are generated from the frame corresponding to maximum bubble expansion (i.e., 250 μs). Lithotripter focus (F) is marked by “+.” The width of each image frame is 50 mm. Neue Linse

Methoden – in vivo Zunächst wurde in einer Versuchsreihe das maximale Energielevel (beginnend mit der höchsten Energiestufe), mit dem die neue Linse sicher benutzt werden kann, eruiert.  E+ = 44 mJ Unter Einhaltung eines klinisches Therapieschemas wurden mit einer Energiestufeneskalation 3000 SW mit einer PRF von 1.5 Hz oder 1.0 Hz appliziert.  kumulative Energiedosis ~112J

Methoden – in vivo Nach erfolgter Behandlung wurden die Nieren in vivo druckperfundiert und fixiert, entnommen, alkohol- dehydriert, und mit einem aushärtenden Silikongel (Microfil®) perfundiert, um die vaskuläre Versorgung zu demarkieren.

Methoden – in vivo Nach Einbettung in Paraffinwax wurden die dehydrierten Nieren mit dem Mikrotom in 120 µm dünne Scheiben geschnitten.

Methoden – in vivo Die Schnitte wurden digitalisiert. Dann wurde die Schädigung des funktionellen renalen Volumens in Prozent ermittelt.

Methoden – in vivo Die durch die Originallinse und durch die neue Linse erzielten Steinzertrümmerungsraten (Effizienz) wurden im Schweinetiermodel verglichen.

Methoden – in vivo 5x10mm große harte zylindrische Bego-Steine wurden in Schweinenieren implantiert. Aorta Ureter Niere Bego-Stein

Methoden – in vivo Zielstein in der Niere Koppelbalg 3000 SW / 1.5Hz pro Niere unter Verwendung des klinischen Eskalationsschemas  ~112J für beide Linsen Zielstein in der Niere Koppelbalg Linse EM Spule

Methoden – in vivo Nach erfolgter ESWL wurden die Nieren entnommen, alle Fragmente sorgfältig gesammelt, getrocknet und gesiebt. Die endgültige Zertrümmerungseffizienz wurde durch den Prozentanteil (nach Gewicht) an Fragmenten definiert, die kleiner als 2mm im Verhältnis zum Originalgewicht waren. Fragmente DJ

Ergebnisse - Gewebeschädigung Der Energie- Grenzwert für makroskopische Gewebe-schädigung der neuen Linse ist vergleichbar mit dem der Originallinse (E+ = 44 mJ). Die Gewebeschädigung hängt von der akustischen Puls-energie, der kumulierten Gesamtenergie und der PRF ab. Geschädigtes funktionelles renales Volumen (%) Neisius et al., PNAS 2014

Ergebnisse - Zertrümmerung Bei E+ = 44 mJ und 1.5 Hz zeigt die neue Linse eine Effizienz von 88,8% (±10,9%) versus 54,1% (±23,3%) bei der Originallinse. Zertrümmerungseffizienz <2mm Original Neu Neisius et al., PNAS 2014

Zusammenfassung - Therapie Unsere jüngste Linsenmodifikation für einen elektro-magnetischen Lithotripter Verbreitert den Fokus um ~ 47%. Eliminiert die 2. Druckwelle. Bringt den akustischen und geometrischen Fokus bei hohen Energieleveln zur Deckung. We proved that no severe adverse effects (i.e. Tissue injury) will be produced under these treatment conditions. Impulssuperposition!!

Zusammenfassung Bessere Steinzertrümmerung Ähnlich geringes Gewebeschädigungspotential Kann prinzipiell in allen elektromagnetischen Lithotriptern nachgerüstet werden und dadurch die Effizienz deutlich verbessern.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !