CN100448554C

CN100448554C - 用于产生声波的电磁源电路、电磁源以及碎石机

Info

Publication number: CN100448554C
Application number: CNB038153599A
Authority: CN
Inventors: 阿尼姆·罗韦德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-06-16
Also published as: WO2004002635A1; US7821871B2; DE10229112A1; EP1517757B1; DE50306318D1; AU2003280438A1; EP1517757A1; CN1665607A; US20060152301A1; DE10229112B4

Abstract

本发明涉及一种用于产生声波的电磁源的电路。该电路包括至少一个第一电容器(C0，C0’)，该电容器与至少一个由第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)和第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)构成的串联电路并联。

Description

用于产生声波的电磁源电路、电磁源以及碎石机

技术领域

本发明涉及一种用于产生声波的电磁源电路，该电路包括至少一个第一电容器，该电容器与至少一个由第二电容器和第一整流器构成的串联电路并联。

背景技术

例如DE19814331A1公开了一种用于电磁压力波源的这种电路。该电路包括两个相继连接的LC振荡电路。其中，第一振荡电路具有第一电容器、与该电容器并联的半导体功率开关以及连接在后的电感，该半导体功率开关由可触发的半导体闸流管和与该半导体闸流管反并联连接的自振荡二极管构成。第二电容器是该第一振荡电路的一部分，与半导体功率开关及电感串联、并与第一电容器并联，该第二电容器同样属于第二振荡电路。该第二振荡电路与可饱和电感并联，并设置了一个构造为电感负载的电磁压力波源。只要半导体功率开关的半导体闸流管被触发到导通状态，就将用电容器充电装置充电的第一电容器与首先尚未充电的第二电容器连接，使得第一电容器的电量转移到第二电容器上。这样测量电感和两个电容器，即在实际上第一电容器的整个电量已转移到第二电容器上的时刻，可饱和电感才进入饱和状态并由此变成低电感。此时，只是由于具有通过第二振荡电路预定的时间常数的第二电容器的放电电压，才使得较大的放电电流流过电磁压力波源的电感负载，并在该电磁压力波源处产生声脉冲。

引用SU1747188A1的用于电动力辐射器的电感的电路具有一个共有的电源，该电源连接多个并联支路，所述并联支路分别具有输入端的一个二极管、接地的存储电容器以及输出端的换向器，也就是开关。其中，这样设置二极管的极性，使得各并联支路的存储电容器就其充电电压来说始终相互分离，也就是保持分开，从而可以相互避免这些充电电压的电荷交换过程或平衡过程。为了对存储电容器共同放电，所有并联支路的换向器集体(即同时)闭合。在该放电过程期间，各支路的存储电容器与该支路输入端的二极管并联。

图1示出根据现有技术的另一个电路。该电路包括直流电源1、通常作为火花隙构成的开关装置2、电容器C以及线圈L，该线圈是电磁源的声波产生单元的一部分。电磁源的声波产生单元除了线圈L之外还具有未示出的线圈架，线圈就设置在该线圈架上，以及同样未示出的、绝缘设置在该线圈L上的薄膜。在通过线圈L对电容器C进行放电期间，电流i(t)流过线圈L，由此产生与薄膜相互作用的电磁场。其中，薄膜被作为声传播介质而撞击，由此将源压力波发射到作为载波介质的、位于电磁源的声波产生单元和待发出声波的物体之间的该声传播介质中。通过载波介质中的非线性效应，可以从该声源压力波中冲例如产生冲击波。例如EP0133665B1中描述了电磁源、尤其是电磁冲击波源的结构。

冲击波例如用于非侵入式地粉碎患者体内的固结物，例如用于粉碎肾结石。对准肾结石的冲击波发生作用，使得在肾结石中出现裂缝。最后肾结石彼此分裂开来，并由自然途径排出体外。

如果运行图1所示的用于产生声波的电路，则在通过线圈L对电容器C放电过程中(为此借助开关装置2产生短路)，产生图2中示例性绘出的线圈L上的电压u(t)(曲线3)和流过线圈L的电流i(t)(曲线4)。如已提到的，流过线圈4的衰减电流i(t)是产生声波的原因。

电流i(t)的平方(即图2中的曲线5)与电磁冲击波源产生的声波成正比。因此，基于电容器C的放电过程，从第一声源压力脉冲(第一最大值)中产生第一声源压力波，并由正声源压力脉冲的衰减序列产生其它声源压力波。如已提到的，第一源压力波和后面的源压力波可以通过载波介质中的非线性效应以及冲击波中的非线性聚焦，以短促上升的正分量和后面拉长的所谓低压槽(Unterdruckwannen)形成，其中非线性聚焦通常是用本身公知的声聚焦透镜实现的。

通过流过线圈L的电流i(t)的频率可以改变冲击波的特性，例如冲击波的聚焦直径。利用可变的电流频率和由此可变的冲击波频率可以例如改变有效焦点的大小，并根据不同的应用设置到待处理的物体上。例如，可以在碎石机中相应地根据结石的大小选择有效焦点，使得声能可以更好地用于分裂结石，开减少周围组织的负担。

由于最大可达到100MW范围的短路功率较高，因此电容器C的可变电容和线圈L的可变电感费用很高。因此为了改变冲击波，通常只改变电容器C的充电电压，由此改变流过线圈L的电流i(t)以及线圈L上电压u(t)的最大值。但是，电流i(t)和电压u(t)的曲线形状基本上保持一致。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，建立开头所述类型的电路，使得可以改善声波的产生。

根据本发明，该技术问题是通过用于产生声波的电磁源的电路来解决的，其特征在于，所述第一整流器这样连接，即在对两个电容器(C0，C1)充电之后、在对所述第一电容器(C0)放电期间，只要该第一电容器(C0)具有比第二电容器(C1)大的充电电压(u₀(t))，该第一整流器(D1)就截止，并且只要首先放电的第一电容器的充电电压至少基本上达到所述第二电容器的充电电压，第一整流器就导通，由此开始对第二电容器放电，并且两个放电的电容器向所述电磁源的线圈馈给电流。

本发明还涉及一种具有根据本发明电路的电磁源，以及一种具有这种电磁源的碎石机。

根据本发明的优选实施方式，第一整流器是第一二极管或第一二极管模块，并且在此是这样连接的，即其在两个电容器充电之后截至，也就是阻止两个电容器之间的平衡过程。由此，如根据本发明的优选变形所具有的那样，在对两个电容器放电之前第一电容器具有大于第二电容器的充电电压。为了通过该电路产生声波，首先以通过线圈对第一电容器放电，也就是通过线圈对具有较大充电电压的电容器放电开始。只要第一电容器的充电电压至少基本上等于第二电容器的充电电压，第一整流器就导通，从而对两个电容器放电。因此在第二电容器开始放电前，该电路具有的电量为第一电容器的电量。而在两个电容器放电期间，该电路具有等于两个电容器电量之和的电量。由此对该电路设置了可在时间上改变的电量，因此可以影响流过电磁源线圈的电流的曲线形状。由此，通过改变两个电容器的充电电压，可以改变流过线圈的电流的曲线形状，由此又可以改变冲击波的特性。如果电路具有多个串连的整流器/电容器对，且这些串联的整流器/电容器对与第一电容器并联并加载不同的充电电压，则还可以改变放电电流的曲线形状。

此外，第一二极管模块还包括例如多个二极管的串联和/或并联电路。

根据本发明的实施方式，在放电之前，用第一直流电源对第一电容充电，用第二直流电源对第二电容器充电。在本发明的优选实施方式中，还可以只用一个直流电源对第一电容器和第二电容器充电，并且只要第二电容器达到其充电电压，就用开关装置将该直流电源与第二电容器断开。根据本发明的实施方式，该开关装置至少包括一个半导体元件。

根据本发明的特别优选的变形，由第二电容器/第一整流器和第一电容器组成的并联电路与第二整流器并联。根据本发明的实施方式，第二整流器是一个第二二极管或第二二极管模块。通过第二整流器与电容器的并联电路，可以在对电容器放电期间延长第一源压力脉冲的时间。此外，根据第二整流器的阻抗强烈衰减后面的衰减源压力脉冲。其中，该衰减可以大到使后面的源压力脉冲完全消失。通过延长第一源压力脉冲的时间，可以例如在产生冲击波时产生较强的第一声波，也就是较强的第一冲击波，由此为了粉碎固结物而加强了分裂体积的作用。另外，由于在第一源压力脉冲后面只出现很少的微弱源压力脉冲，或更本就不出现源压力脉冲，避免了会对组织造成损害的气穴现象，该现象是由跟第一冲击波后面的、后续源压力脉冲引起的冲击波所导致的。由此，由于第二整流器引起极性变换电压减小，提高了第一和第二电容器的使用寿命。此外，在这样产生冲击波时产生更少的可听见声波，从而减少了噪音。因此，电流平方曲线下的总面积在产生冲击波过程中对于产生可听见的声波具有决定意义。在本发明的情况下，通过去掉通常紧接在第一源压力脉冲后面的源压力脉冲来减小该总面积。

附图说明

在附图中示例性地展示了本发明的实施例。其中示出了：

图1是用于产生声波的公知电路，

图2示出在图1的电路的电容器放电期间电压u(t)、电流i(t)和电流平方i²(t)随时间的变化，

图3是电磁冲击波源，

图4示出根据本发明的用于产生声波的电路，

图5示出在根据本发明的电路放电期间电流i’(t)随时间的变化，

图6至图8示出其它根据本发明的电路。

具体实施方式

图3以部分截面、部分电路框图的形式示出电磁冲击波源，该电磁冲击波源为治疗头10的形式，该治疗头10在本实施方式中是未示出的碎石机的部件。治疗头10具有用11表示的、本身公知的按照电磁原理工作的声波产生单元。声波产生单元11按照图3中未示出的方式具有线圈架、设置在该线圈架上的平面线圈和与该平面线圈绝缘的金属薄膜。为了产生声波，该薄膜通过与平面线圈的电磁相互作用而被作为用12表示的声传播介质撞击，由此，源压力波被发射到声传播介质12中。声透镜13的源压力波聚焦在焦点区F上，其中，当源压力波在声传播介质12中传播时以及在进入患者P体内之后，源压力波上升为冲击波。在图3所示实施例的情况下，该冲击波用于粉碎患者P肾脏N内的结石ST。

治疗头10配属有操作和供电单元14，后者包括图4所示的直至平面线圈的根据本发明的用于产生声波的电路。在此，操作和供电单元14通过图3所示的连接导线15与包括平面线圈的声波产生单元11电连接。

图4中示出的根据本发明的用于产生声波的电磁冲击波源的电路包括：直流电源DC0、DC1和DC2，开关装置S，电容器C0、C1和C2，以及治疗头10的电磁声波产生单元11的扁平线圈23。在本实施例的情况下，电容器C1与二极管D1串联，电容器C2与二极管D2串联。此外，由电容器C1/二极管D1和电容器C2/二极管D2构成的串联电路与电容器C0并联。

为了给电容器C0至C2充电而断开开关装置S。因此用直流电源DC0的直流电压U₀以及按照图4所示的极性对电容器C0充电。用直流电源DC1的直流电压U₁以及按照图4所示的极性对电容器C1充电。在本实施例的情况下，直流电源DC1的电压U₁小于直流电源DC0的电压U₀。这样连接二极管D1，使得只要电容器C0具有比电容器C1大的充电电压u₀(t)，二极管D1就截止。因此，二极管D1阻止充电电压为U₀的电容器C0和充电电压为U₁的电容器C1之间的平衡过程，因此电容器C0在充电结束后具有比电容器C1高的充电电压U₀，而电容器C1在充电结束后具有充电电压U₁。此外，用直流电源DC2的直流电压U₂以及按照图4所示的极性对电容器C2充电。在本实施例的情况下，直流电压U2小于直流电压U1。同样这样来连接二极管D2，使得只要电容器C2具有小于电容器C0充电电压u₀(t)的充电电压u₂(t)，二极管D2就截止。由此，电容器C0至C2可以用不同大小的电压来充电。

为了产生冲击波而闭合开关装置S。由此电容器C0开始通过线圈23放电，因此电容器C0的电压u₀(t)下降，并且电流i’(t)流过平面线圈23。加在平面线圈23上的电压用u’(t)表示。如果电容器C0的电压u₀(t)达到充电后的电容器C1的电压U₁值，则二极管D1导通，并且流过平面线圈23的电流i’(t)由两个电容器C0和C1馈给。如果电容器C0的电压u₀(t)以及电容器C1的电压u₁(t)都达到充电后的电容器C2的电压U₂，则二极管D2导通，并且流过平面线圈23的电流i’(t)由三个电容器C0至C2馈给。因此，该电路具有可在时间上改变的电量，由此可以影响流过平面线圈23的电流i’(t)的曲线形状。通过图4中未示出的与电容器C0并联的其它电容器/二极管组合，这些组合的电容器具有小于直流电源DC0的电压U₀的、不同大小的充电电压，可以进一步影响在放电期间流过平面线圈23的电流i’(t)的曲线形状。

图5作为例子示出当图4所示的电路只包括电容器C0和C1时，在放电期间流过平面线圈23的电流i’(t)的变化曲线。通过适当选择直流电源DC0和DC1的电压U₀和U₁，使电流最大值相等。

图6示出根据本发明的电路的另一实施方式。在本实施例的情况下，图6所示的电路包括：电容器C0’至C2’，开关装置S’、S1和S2，二极管D1’和D2’，直流电源DC0’以及平面线圈23。

二极管D1’和电容器C1’以及二极管D2’和电容器C2’串联连接。由电容器C1’/二极管D1’和电容器C2’/二极管D2’构成的串联电路与电容器C0’并联。这样设置二极管D1’和D2’的极性，使得只要电容器C0’的根据图6所示极性的充电电压u₀’(t)大于根据图6所示极性的电容器C1的充电电压u₁’(t)以及电容器C2的充电电压u₂’(t)，二极管D1’和D2’就截止。

在电容器C0’之C2’充电期间开关装置S’断开。在开始充电时开关S1和S2闭合。由于电容器C1’和C2’应当由比直流电源DC0的电压U₀’小的充电电压U₁’和U₂’来充电，因此当电容器C1’和C2’具有期望的充电电压U₁’和U₂’时，开关S1和S2断开。由于在本实施例的情况下电容器具有小于1安培的较小的充电电流，因此开关S1和S2在毫秒范围内的开关精度就足以用足够的精度对电容器C1’和C2’充电。在充电期间，利用图6未示出的测量仪器监控电容器C1’和C2’的电压u₁’(t)和u₂’(t)。

因此，在充电结束时开关装置S1和S2断开，从而电容器C0’的充电电压为直流电源DC0’的电压U₀’，电容器C1’和C2’的充电电压分别为U₁’和U₂’。此外，在本实施例的情况下，充电后的电容器C2’的电压U₂’小于充电后的电容器C1’的电压U₁’。

为了对电容器C0’至C2’放电闭合开关装置S’，并开始通过平面线圈23对电容器C0’放电，由此电流i’(t)流过平面线圈23。只要电容器C0’的电压u₀’(t)大于充电后的电容器C1’的电压U₁’，二极管D1’和D2’就截止。如果电容器C0’的电压u₀’(t)达到充电后的电容器C1’的电压U₁’值，则二极管D1’导通，并且流过平面线圈23的电流i’(t)由电容器C0’和C1’馈给。如果电容器C0’的电压u₀’(t)以及电容器C1’的电压u₁’(t)都达到充电后的电容器C2’的电压U₂’，则二极管D2’导通，并且流过平面线圈23的电流i’(t)由电容器C0’至C2’馈给。

图7示出另一个根据本发明的电路，该电路与图4所示的电路相比还具有一个二极管D3。二极管D3以截至方向与电容器C0的充电电压U₀并联。

图8还示出另一个根据本发明的电路，该电路与图6所示的电路相比还具有一个二极管D3’。二极管D3’以截至方向与电容器C0’的充电电压U₀’并联。

可以用具有多个二极管的串联电路和/或并联电路的二极管模块来代替二极管D1至D3和D1’至D3’。开关装置S、S’、S1和S2可以尤其是由本身公知的半导体闸流管组成的串联电路，这些半导体闸流管例如由BEHLKEELECTRONIC GmbH公司(Am Auerberg 4，61476 Kronberg)在其2001年6月的产品目录“Fast High Voltage Solid-State Switches”中提供。

Claims

1.一种用于产生声波的电磁源(10)的电路，该电路包括至少一个第一电容器(C0，C0’)，该电容器与至少一个由第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)和第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)构成的串联电路并联，其特征在于，所述第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)这样连接，即在对两个电容器(C0，C1)充电之后、在对所述第一电容器(C0，C0’)放电期间，只要该第一电容器(C0，C0’)具有比第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)大的充电电压(u₀(t))，该第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)就截止，并且只要首先放电的第一电容器(C0，C0’)的充电电压(u₀(t))至少达到所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)的充电电压(u₁(t))，该第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)就导通，由此开始对第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)放电，并且两个放电的电容器(C0，C1)向所述电磁源(10)的线圈(23)馈给电流(i’(t))。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一整流器是第一二极管(D1，D2，D1’，D2’)或第一二极管模块。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在对所述第一电容器(C0，C0’)和第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)进行放电之前，对所述第一电容器(C0，C0’)利用比对所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)大的充电电压(U₀，U₀’)充电。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其特征在于，在放电之前可以用第一直流电源(DC0)对所述第一电容器(C0，C0’)充电，用第二直流电源(DC1，DC2)对所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)充电。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其特征在于，只用一个直流电源(DC)对所述第一电容器(C0，C0’)和所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)充电，并且只要该第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)达到其充电电压，就用开关装置(S1，S2)将该直流电源(DC)与所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)断开。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述开关装置(S1，S2)包括至少一个半导体元件。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其特征在于，由所述第二电容器(C1，C2，C1’，C2’)与第一整流器(D1，D2，D1’，D2’)串联后和第一电容器(C0，C0’)组成的并联电路再与第二整流器(D3，D3’)并联。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述第二整流器是第二二极管(D3，D3’)或第二二极管模块。

9.一种具有根据上述权利要求之一所述电路的电磁源(10)。

10.一种具有根据权利要求9所述电磁源(10)的碎石机。