Investigation of repulsion effects during lithotripsy

Abstract

Abstract Background: Stone therapy has been developing towards minimally invasive endourological techniques. This includes endoscopic lithotripsy techniques to reduce the urolith size prior to removal. In this context, stone repulsion constitutes an undesired effect of the mechanical impact on the stones and should therefore be minimized to facilitate the intervention and to improve its outcome. Objectives: To compare the repulsion characteristics of two stand-alone, handheld lithotripsy devices (LithoBreaker® and StoneBreaker™) and one Ho:YAG laser using dedicated test models. Materials and methods: Tests with single-use mechanical probes (1 and 2 mm in diameter) as well as Ho:YAG laser pulses delivered by optical fibers with core diameters of 230, 365 and 600 μm were conducted in underwater set-ups by measuring displacements of non-breakable spherical test masses (steel balls having diameters of 3–5 mm and masses of 0.12, 0.27 and 0.52 g respectively; and a lead ball with a diameter of 5 mm and a mass of 0.72 g). The tests were carried out in an acrylic glass tube with an inner diameter of 12 mm used as an ureter model and on a pendulum set-up. Additionally, hard and soft dampers were compared in case of the LithoBreaker®. Mean and standard deviations of the displacements and related quantities were evaluated for all sets of experiments and statistical analyses were performed (Student’s t-test, Mann-Whitney U-test, Shapiro-Wilk test) to test the influence of device type and device parameters. Results: The repulsion distance in the ureter model using the 1-mm probes was 19.4±1.9 cm with hard and 21.5±2.7 cm with soft damper for the LithoBreaker® device and 20.3±3.0 cm for the StoneBreaker™ device (with standard damper). The repulsion distance using the 2-mm probes was 14.8±1.3 cm with hard and 20.5±2.5 cm with soft damper for the LithoBreaker® and 17.1±2.0 cm for the StoneBreaker™. In pendulum tests, the 2-mm probes again resulted in smaller displacements than the 1-mm probes, except for the LithoBreaker® with soft damper. For a fixed probe diameter, no statistically significant influence of the damper was observed in case of the LithoBreaker® (p>0.05). However, the StoneBreaker™ with 2-mm probes produced smaller repulsions than the LithoBreaker® with 2-mm probes and hard damper. The pendulum tests with Ho:YAG laser pulses showed that the repulsion is proportional to the fiber core diameter and the laser pulse energy. The laser-induced momentum is about a factor 100 lower than the one generated with the mechanical lithotripsy devices. Conclusions: The electromechanical LithoBreaker® and the pneumatic StoneBreaker™ produced significantly different repulsions (p<0.05). The laser-induced momentum transfer is significantly lower compared to the mechanical lithotripsy devices (p<0.05). Zusammenfassung Hintergrund: Die Steintherapie hat sich zunehmend hin zu minimal-invasiven endourologischen Techniken entwickelt. Dies schließt endoskopische Steinzertrümmerungstechniken ein, die eingesetzt werden, um die Größe des Uroliths vor der Entfernung zu reduzieren. In diesem Zusammenhang stellt der Rückstoß des Steins einen unerwünschten Effekt des mechanischen Stoßes dar, der daher minimiert werden sollte, um den Eingriff zu erleichtern und seinen Erfolg zu verbessern. Zielsetzung: Vergleich der Rückstoß-Charakteristiken von zwei eigenständigen tragbaren Lithotripsie-Geräten (LithoBreaker® und StoneBreaker™) und einem Ho:YAG-Laser mit Hilfe spezieller Testmodelle. Materialien und Methoden: In Wasserumgebung wurden Tests mit mechanischen Einwegsonden (1 und 2 mm im Durchmesser) sowie mit über optische Fasern (Kerndurchmesser von 230, 365 und 600 μm) übertragenen Ho:YAG-Laserpulsen durchgeführt, indem die Auslenkungen von unzerbrechlichen kugelförmigen Testmassen gemessen wurden (Stahlkugeln mit Durchmessern von 3, 4 bzw. 5 mm und Massen von 0,12, 0,27 bzw. 0,52 g, sowie eine Bleikugel mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Masse von 0,72 g). Die Tests wurden in einer Acrylglas-Röhre mit 12 mm Innendurchmesser, welche als Ureter-Modell diente, sowie an einem Pendelaufbau durchgeführt. Zusätzlich wurden im Falle des LithoBreaker® harte und weiche Dämpfer miteinander verglichen. Mittelwerte und Standardabweichungen der Auslenkungen und der damit zusammenhängenden Messgrößen wurden für alle Experimentserien berechnet, und statistische Analysen wurden durchgeführt (Student’s t-Test, Mann-Whitney U-Test, Shapiro-Wilk-Test), um den Einfluss des Gerätetyps und der Geräteparameter zu testen. Ergebnisse: Die Rückstoßdistanz im Ureter-Modell bei Verwendung der 1 mm-Sonden betrug 19,4±1,9 cm mit hartem und 21,5±2,7 cm mit weichem Dämpfer für das LithoBreaker®-Gerät und 20,3±3,0 cm für das StoneBreaker™-Gerät (mit Standard-Dämpfer). Die Rückstoßdistanz bei Verwendung der 2 mm-Sonden lag bei 14,8±1,3 cm mit hartem und 20,5±2,5 cm mit weichem Dämpfer für den LithoBreaker® und 17,1±2,0 cm für den StoneBreaker™. In den Pendelversuchen mit den 2 mm-Sonden wurden erneut kleinere Auslenkungen als mit den 1 mm-Sonden gemessen, mit Ausnahme des LithoBreaker® mit weichem Dämpfer. Bei festem Sondendurchmesser wurde im Falle des LithoBreaker® kein statistisch signifikanter Einfluss des Dämpfers beobachtet (p>0,05). Der StoneBreaker™ mit 2 mm-Sonden erzeugte jedoch kleinere Rückstöße als der LithoBreaker® mit 2 mm-Sonden und hartem Dämpfer. Die Pendeltests mit Ho:YAG-Laserpulsen zeigten, dass der Rückstoß sich proportional zum Faserkerndurchmesser und der Laserpulsenergie verhält. Der laser-induzierte Impuls ist etwa um den Faktor 100 kleiner als der, der mit den mechanischen Lithotripsie-Geräten erzeugt wurde. Schlussfolgerungen: Mit dem elektromechanischen LithoBreaker® und dem pneumatischen StoneBreaker™ werden signifikant unterschiedliche Rückstöße erzeugt (p<0,05). Der laser-induzierte Impulsübertrag ist signifikant kleiner als bei den mechanischen Lithotripsie-Geräten (p<0,05).