Dr. O. T. Zophel The Fragmentation Performance

V. SUMMARY

The purpose of this study was to improve the still unsatisfactory results of clinical gallstone lithotripsy.

The main focus of the investigations was on comparing the fragmentation performance of shock waves on artificial and natural gallstones using different patterns of application. Another part of this study was devoted to comparing a piezoelectric and an electromagnetic shock wave source and to analysing the exact mechanisms of stone fragmentation.

The following experimental procedure was chosen for this purpose: placed in a meshwork model, the stones were exposed to the shock waves until all the fragments had fallen through the meshes onto the base. The fragment debris was then analysed according to size and weight.

The results presented provide important data for clinical practice:

It was demonstrated with artificial stones and gallstones that the quality of fragmentation, i.e. the finest possible comminution of the stones, is markedly improved if the stones are treated with high energy levels from the beginning of the comminution process (application pattern A). The application pattern of stepwise increasing the shock wave pressures employed in clinical practice proved less effective (application pattern B).

With application pattern A at the highest energy level (9), for example, the artificial stones were broken down into fragments with a diameter < 1.0 mm and dust to an extent of 83.6 % ± 1.0 of their weight. Using energy levels 1 – 9 (application pattern B), only 74.4 % ± 1.1 was achieved. A comparison of energy levels 5 and 7 with energy levels 1 – 5 and 1 – 7 also revealed distinct differences between application patterns A and B. With application pattern A and energy level 9, the gallstones were broken down into fragments with a size of < 1.0 mm and dust to an extent of 80.3 % ± 3.2. With energy levels 1 – 9, the corresponding value was only 72.3 ± 5.3. As with the artificial stones, better results were also achieved in this case with energy levels 5 and 7 than with levels 1 – 5 and 1 – 7.

On the other hand, clear-cut differences in the disintegration mechanism of artificial and natural stones were revealed by fragment analyses and scanning electron micrograph enlargements.

Finally, it was demonstrated that the electromagnetic principle provides a higher fragmentation quality than the piezoelectric principle:

With the electromagnetic generator, for example, the artificial stones were already fragmented almost completely to an extent of 78.2 % ± 1.8 using a focal pressure of about 360 bar. In contrast, the piezoelectric generator was only able to reduce the stones to fragments < 1.0 mm to an extent of 54.5 % ± 1.7 of their weight using a focal pressure of about 400 bar. However, this value improved to 81.8 ± 0.3 on using the maximum pressure of about 1,600 bar.

The electromagnetic device however already achieved a fragmentation quality of 83.6 % ± 1.0 using a maximum pressure of about 620 bar.

The results demonstrate beyond doubt that maximal shock wave pressures should be used during the treatment of patients with gallstones and kidney stones. The development of lithotriptors in which the pressures are optimally matched to the shock wave propagation could contribute especially to patients suffering from gallstones benefiting from this gentle therapeutic modality with its low rate of side effects.

V. SAMENVATTING

Het doel van de in dit proefschrift behandelde onderzoekingen was de tot nu toe nog onbevredigende resultaten van de klinische galsteenlithotripsie te verbeteren.

De betekenis van de onderzoekingen werd vooral gezien in het vergelijken van het fragmentatievermogen van schokgolven bij toepassing van verschillende applicatiemodellen op kunstmatige en natuurlijke galstenen.

Een ander deel van dit proefschrift houdt zich bezig met de vergelijking van een piëzo-elektrische en een elektromagnetische schokgolvengenerator en met de vraag naar de precieze mechanismen die aan de steenvergruizing ten grondslag liggen.

Daarvoor werd de volgende experimentele werkwijze gekozen: na plaatsing in een netmodel werden de stenen zo lang blootgesteld aan de schokgolven tot alle fragmenten door de mazen naar de bodem waren gezakt. Vervolgens werden de fragmenten geanalyseerd op grootte en gewicht.

De hier gepresenteerde resultaten leveren belangrijke gegevens voor de klinische praktijk:

aan de hand van kunstmatige en natuurlijke galstenen kon worden aangetoond dat de fragmentatiegraad, d.w.z. de zo fijn mogelijke vergruizing van de stenen, duidelijk verbetert, wanneer de stenen bij de vergruizing van het begin af aan worden behandeld met hoge energieniveaus (applicatiemodel A). Het in de klinische praktijk toegepaste applicatiemodel waarbij de stootgolfdruk stap voor stap wordt verhoogd, is minder effectief gebleken (applicatiemodel B).

Zo konden bijvoorbeeld de kunstmatige stenen met applicatiemodel A op het hoogste energieniveau (9) voor een gewichtspercentage van 83,6% ± 1,0 worden vergruisd tot fragmenten met een diameter van < 1,0 mm of tot stof. Bij toepassing van de energieniveaus 1 – 9 (applicatiemodel B) werd dit resultaat slechts bereikt voor een gewichtspercentage van 74,4% ± 1,1. Ook een vergelijking van de energieniveaus 5 en 7 met de energieniveaus 1 – 5 en 1 – 7 legde duidelijke verschillen aan den dag tussen de applicatiemodellen A en B. De galstenen werden bij toepassing van applicatiemodel A en energieniveau 9 voor 80,3% ± 3,2 vergruisd tot fragmenten met een grootte van < 1,0 mm of tot stof. Bij toepassing van de energieniveaus 1 – 9 bedroeg de betreffende waarde slechts 72,3% ± 5,3. Evenals bij de kunstmatige stenen konden er ook hier met de energieniveaus 5 en 7 betere resultaten worden bereikt dan met de niveaus 1 – 5 en 1 – 7.

Daarnaast was het mogelijk aan de hand van fragmentanalyses en REM-vergrotingen duidelijke verschillen aan te tonen in het fragmentatiemechanisme van kunstmatige en natuurlijke stenen.

Tot slot kon worden aangetoond dat met het elektromagnetische principe een hogere fragmentatiegraad bereikt kan worden dan met het piëzo-elektrische principe:

zo werden de kunstmatige stenen met de elektromagnetische generator al bij een druk in het brandpunt van ca. 360 bar voor 78,2% ± 1,8 vrijwel volledig vergruisd. Daarentegen kon de piëzo-elektrische generator de stenen bij een druk in het brandpunt van ca. 400 bar slechts voor een gewichtspercentage van 54,4% ± 1,7 verkleinen tot fragmenten van < 1,0 mm. Wel nam deze waarde bij de maximale druk van ca. 1.600 bar toe tot 81,8% ± 0,3.

Daarbij moet worden opgemerkt dat met het elektromagnetische apparaat al bij een drukmaximum van ca. 620 bar een fragmentatiegraad van 83,6% ± 1,0 werd gerealiseerd.

Deze resultaten tonen onomstotelijk aan dat er bij de behandeling van patiënten met gal- of nierstenen schokgolven met een maximale druk gebruikt moeten worden. De ontwikkeling van lithotriptoren waarbij de drukwaarden optimaal zijn afgestemd op de verspreiding van de schokgolven, kan ertoe bijdragen dat in de toekomst vooral meer patiënten die last hebben van galstenen, kunnen profiteren van deze behandelingsmethode die vrijwel niet belastend is en weinig bijwerkingen heeft.