CN103536339A - 体外冲击波碎石机及用于体外冲击波碎石机的充放电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体外冲击波碎石机及用于体外冲击波碎石机的充放电电路。其中体外冲击波碎石机，包括冲击波发生装置，该冲击波发生装置包括充电电路和放电电路，充电电路由电阻和电容组成，放电电路由该电容、高压开关以及冲击波波源装置组成。其中电容的电容值为1.5μF～2.5μF,经该电容向冲击波波源装置放电产生的冲击波的焦点压力峰值为6MPa～30MPa，底部脉宽为3μs～4μs。通过本发明的体外冲击波碎石机，产生的冲击波底部脉宽较宽，压力较平缓，且冲击波的焦点压力峰值小，通过应力集中使结石碎裂，同时降低了对人体的副作用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种体外冲击波碎石机及用于体外冲击波碎石机的充放电电路。
背景技术
随着医疗技术的发展，体外冲击波碎石机越来越多的被应用。为了将体内的结石击碎的更加彻底，冲击波的焦点压力被设计得越来越高。然而，与此带来的是冲击波的压力超过了人体软组织的承受极限，造成了人体软组织的损伤。因此，如何提供一种对人体损伤较小或无损伤的体外冲击波碎石机是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体外冲击波碎石机，在粉碎人体结石的同时，降低或避免对人体软组织的伤害。
基于上述目的，本发明提供了一种体外冲击波碎石机，包括冲击波发生装置，所述冲击波发生装置包括充电电路和放电电路，所述充电电路由电阻和电容组成，所述放电电路由所述电容、高压开关以及冲击波波源装置依次串联组成，所述电容的电容值为1.5μF～2.5μF,经所述电容向所述冲击波波源装置放电产生的冲击波的焦点压力峰值为6MPa ～30MPa，所述冲击波的底部脉宽为3μs～4μs。
优选的，所述充电电路的充电电压为5000V～11000V。
优选的，所述电容值为1.6μF～2.4μF。
优选的，所述冲击波波源装置为电磁式波源、液电式波源和压电式波源中的任一种。
优选的，所述冲击波波源装置为电磁式波源，所述电磁式波源包括一端与所述电容相连且另一端与所述高压开关相连的线圈、与所述线圈相对设置的金属膜片、充满水的皮囊及设置在所述线圈与金属膜片之间的绝缘层，所述线圈和所述金属膜片设置在所述皮囊的内腔体中。
优选的，所述线圈为单层螺旋球形线圈，所述线圈的匝数为15～30，所述线圈的直径为65mm～130mm，所述线圈由铜线绕制而成，所述金属膜片为铜膜，所述铜膜的厚度为0.1mm～0.3mm；
其中，所述铜线的横截面为圆形，所述圆形的直径为0.5mm～2.5mm；或所述铜线的横截面为矩形，所述矩形的面积为0.5 mm×0.5 mm～2.5 mm×1.5 mm。
优选的，所述冲击波具有正压段和负压段，所述正压段引起的结石的碎裂方向和所述负压段引起的结石的碎裂方向垂直。
本发明还提供了一种充放电电路，应用在如上述任一种体外冲击波碎石机中，所述充放电电路的充电电路由电阻和电容组成，所述充放电电路的放电电路由所述电容、高压开关以及冲击波波源装置组成，所述电容的电容值为1.5μF～2.5μF。
优选的，所述电容值为1.6μF～2.4μF 。
优选的，所述充电电路的充电电压为5000V～11000V。
本发明的有益效果是：
本发明选用1.5μF～2.5μF的电容，并使产生的冲击波的焦点压力峰值在6 MPa～30MPa，底部脉宽在3μs～4μs。因为冲击波的压力小，曲线头部较缓和，大部分穿透进入结石中，引起应力集中，且脉宽长即冲击波的持续时间长，造成了累积损伤，从而实现了结石的碎裂。而且冲击波的压力小，大部分透进了结石，所以反射产生的压力少，因此大大降低了对人体软组织的损伤。
附图说明
图1为本发明中的冲击波发生装置结构图；
图2为本发明中的自聚焦电磁式冲击波发生装置结构图；
图3为本发明中的充放电电路结构图；
图4为本发明中的体外冲击波碎石机产生的冲击波的波形图；
图5为本发明中的体外冲击波碎石机产生的冲击波与结石相遇的示意图；
图6为现有技术中的体外冲击波碎石机产生的冲击波的波形图；
图7为现有技术的体外冲击波碎石机产生的冲击波与结石相遇的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
体外冲击波碎石机都需要一个冲击波发生装置。该冲击波发生装置包括一个充放电电路。图1示出了该充放电电路。其具体包括充电电路1和放电电路2，其中充电电路1由电阻11和电容12组成，放电电路由电容12、高压开关13和冲击波波源装置14依次串联组成。首先对电容12进行充电，充电完成后导通高压开关13，电容12便向冲击波波源装置14瞬时放电而产生冲击波。其中，放电有两种模式，一种为手动放电，就是按一次开关13，放一次电。另一种就是连续放电，即按给定的频率放电。该放电的频率可根据需要设定。如每分钟30次。
目前常用的冲击波波源装置14有电磁式波源、液电式波源和压电式波源三种。为使本发明更加清楚，以下以自聚焦电磁式冲击波发生装置为例，对本发明进行详细的介绍。
图2为采用自聚焦电磁式冲击波发生装置治疗人体肾脏36内的结石37的示意图。自聚焦电磁式冲击波发生装置具体包括充电电路和放电电路，其中充电电路由电阻31和电容32组成，放电电路由电容32、高压开关33和电磁式冲击波波源装置34依次串联组成。其中电磁式冲击波波源装置34包括一端与电容32相连且另一端与高压开关33相连的线圈341、与线圈341相对设置的金属膜片342、充满水的皮囊343以及衬底344。其中线圈341和金属膜片342设置在皮囊343的内腔体中，线圈341和金属膜片342之间设有绝缘层（图中未示出）。电容32经电线连接至线圈341，皮囊343紧贴人体的皮肤35。其中线圈341优选为单层螺旋球形线圈，可由铜线绕制而成，金属膜片342可以选用铜膜。
在图3中，以电容C、电阻R、高压开关G和电感L组成的电路的等效电路图的方式示出自聚焦电磁式波源的充放电电路。其中电感L本质上由线圈342等效得到。本发明中的充电电压可由交流电压经高压变压器变压继而经整流器整流后获的。
该自聚焦电磁式波源的工作原理为给电容C充电到给定电压，通过高压开关G，电容C完成一次放电，在线圈中产生强脉冲电流，该强脉冲电流流过线圈341时，在金属膜片342中产生感应电流，两个电流形成的磁场相互排斥，使金属膜片342产生一短促而快速的运动，从而在水中驱动出一强压力脉冲并传播，形成冲击波。
现有的体外冲击波碎石机对人体的伤害较大。这一伤害主要源于现有碎石机产生的冲击波的焦点压力峰值大，且频率高造成。为减小对人体的伤害，需要降低该冲击波的压力和频率。在体外冲击波碎石机中，冲击波的焦点压力峰值由电容值、充电电压值以及冲击波波源装置对电能的转换能力决定，而冲击波的频率主要由电容值决定。基于此，申请人进行了多次试验，最终得到了一种既能很好的完成体外碎石，同时副作用又特别小的体外冲击波碎石机，如下：该体外冲击波碎石机采用的电容C的电容值为1.5μF～2.5μF。最为优选的，该电容值为1.6μF～2.4μF。经由上述电容放电产生一冲击波，本发明的碎石机产生的冲击波的焦点压力峰值为6MPa～30MPa，底部脉宽为3μs～4μs。其波形具体如图4所示。
根据公式W=½CU²可知，电容放电的能量由电容值和充电电压共同决定，而最终电能转换成机械能还取决于冲击波产生装置对电能的转换能力。因此，本领域的技术人员可以根据不同冲击波产生装置对电能的转换能力来选取合适的充电电压。本发明的具体实施例中，充电电压的范围可在5000V～11000V之间。
当采用上述自聚焦电磁式波源时，考虑到使用寿命和效果，其线圈341的匝数优选为15～30，直径为65mm～130mm，线圈341由铜线绕制而成。当选用横截面为圆形的铜线时，其直径范围为0.5mm～2.5mm。当选用横截面为矩形的铜线时，该矩形的横截面面积为0.5 mm×0.5 mm～2.5 mm×1.5 mm。金属膜片342为铜膜，其厚度为0.1mm～0.3mm。
我们知道，现有的体外冲击波碎石机都是依靠高压力瞬时击碎人体内的碎石，焦点压力峰值一般都在60MPa以上。而本发明中的体外冲击波碎石机产生的冲击波的焦点压力峰值在6 MPa～30MPa，虽远小于现有的体外冲击波碎石机所产生的冲击波的焦点压力峰值，但经过实验发现对同一实验用结石，其同样能够实现理想的碎石效果。以电容在1.5μF～2.5μF之间，焦点压力峰值为16MPa的体外冲击波碎石机为例，其经过644次左右的放电即可完成碎石。以现有技术中的电容为1μF, 焦点压力峰值为60MPa的体外冲击波碎石机为例，其需要经过676次左右完成碎石。以下对现有的体外冲击波碎石机依靠高压力碎石和本发明中的体外冲击波碎石机依靠低压力碎石的机理及效果进行对比说明。
图4示出了本发明中的体外冲击波碎石机产生的冲击波的一个具体波形，焦点压力峰值约为16MPa，底部脉宽为3μs。图5示出了图4中所示冲击波和结石相遇时的情形。图6示出了现有的体外冲击波碎石机（电容为1μF）产生的冲击波的一个具体波形，焦点压力峰值约为60MPa，底部脉宽为2μs。图7示出了图6中所示冲击波和结石相遇时的情形。图4和图6的纵轴表示的是冲击波的压力值，单位为MPa，横轴为时间，单位为μs。
对于图4所示的冲击波，由于它的焦点压力峰值小，底部脉宽较宽，头部比较缓和，即频率低，所以当它遇到结石时，大部分能量透进了结石（如图4所示），遇到了原先存在于结石内部的杂质、小缺陷或微裂缝，就引起了高度应力集中，这就是诱导应力，造成了原有的杂质或微裂缝在该应力的作用下不断扩大，成为累积损伤。而且由于本发明中的冲击波的底部脉宽较宽即增加了时间跨度，因此使得累积损伤更加明显。随着放电一次次的重复，微裂缝逐步扩大，积累到一定程度，结石便碎裂崩溃。这是一种不同的碎石机理，我们称之为诱导应力效应。诱导应力始终为张应力，垂直或平行于冲击波运动方向。
图4中所示的冲击波由正压段I和负压段II组成，图5分别示出了正压段I和负压段II结石的碎裂情况。其中正压段I的冲击波方向与所引起的结石的碎裂方向平行，负压段II的冲击波方向与所引起的结石的碎裂方向垂直。即正压段I的冲击波所引起的结石的碎裂方向与负压段II的冲击波所引起的结石的碎裂方向垂直。结石的断裂面必然产生在最先全面达到结石的诱导应力大于结石的破坏应力的剖面上，从而引起结石的断裂。
对于图6所示的冲击波，自左至右首先经过的部分是正压，以
时段表示（见图7）。由于焦点压力峰值处曲线的变化率大，压力陡峭，冲击波与结石相遇时大部分压力反射掉了。因为它的焦点压力峰值大，再加上反射压力，就直接把结石打碎成小坑。在结石的坑里面，满是结石的粉末，等到进入了
时段（见图7），也就是负压段起作用，把留在坑里的粉末扬起来，做了废功。
上述图6所示的冲击波的焦点压力峰值比图4所示的冲击波的焦点压力峰值大了3.75倍，再加上图6所示冲击波，在结石的周边，压力又因反射而增加，所以此时结石的周边压力变得很大，对附近的软组织造成很严重的损伤。而且上述压力骤变很大，产生的空化效应强烈，因而造成的损害也很大。而图4所示的冲击波的压力本身较小，且在遇到结石时，大部分透进了结石，因反射而增加的压力微乎其微，所以此时结石的周边压力很小，而且产生的空化效应也很小，因而对附近的软组织几乎没有任何的副作用。
与上述体外冲击波碎石机相对应的，本发明还提供了一种应用于该体外冲击波碎石机中的充放电电路，应用在如上述任一种体外冲击波碎石机中，该充放电电路的充电电路由电阻和电容组成，该充放电电路的放电电路由所述电容、高压开关以及冲击波波源装置组成，其中电容的电容值为1.5μF～2.5μF。
最为优选的，该电容值为1.6uF-2.4uF。根据公式W=½CU²可知，电容放电的能量由电容值和充电电压共同决定，而最终电能转换成机械能还取决于冲击波产生装置对电能的转换能力。因此，本领域的技术人员可以根据不同冲击波产生装置对电能的转换能力来选取合适的充电电压。本发明的具体实施例中，充电电压的范围可在5000V-11000V之间。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上仅为本发明的一个具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种体外冲击波碎石机，包括冲击波发生装置，其特征在于，所述冲击波发生装置包括充电电路和放电电路，所述充电电路由电阻和电容组成，所述放电电路由所述电容、高压开关以及冲击波波源装置依次串联组成，所述电容的电容值为1.5μF～2.5μF,经所述电容向所述冲击波波源装置放电产生的冲击波的焦点压力峰值为6MPa ～30MPa，所述冲击波的底部脉宽为3μs～4μs。
2.如权利要求1所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述充电电路的充电电压为5000V～11000V。
3.如权利要求1所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述电容值为1.6μF～2.4μF。
4.如权利要求1所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述冲击波波源装置为电磁式波源、液电式波源和压电式波源中的任一种。
5.如权利要求1所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述冲击波波源装置为电磁式波源，所述电磁式波源包括一端与所述电容相连且另一端与所述高压开关相连的线圈、与所述线圈相对设置的金属膜片、充满水的皮囊及设置在所述线圈与金属膜片之间的绝缘层，所述线圈和所述金属膜片设置在所述皮囊的内腔体中。
6.如权利要求5所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述线圈为单层螺旋球形线圈，所述线圈的匝数为15～30，所述线圈的直径为65mm～130mm，所述线圈由铜线绕制而成，所述金属膜片为铜膜，所述铜膜的厚度为0.1mm～0.3mm；
其中，所述铜线的横截面为圆形，所述圆形的直径为0.5mm～2.5mm；或所述铜线的横截面为矩形，所述矩形的面积为0.5 mm×0.5 mm～2.5 mm×1.5 mm。
7.如权利要求1所述的体外冲击波碎石机，其特征在于，所述冲击波具有正压段和负压段，所述正压段引起的结石的碎裂方向和所述负压段引起的结石的碎裂方向垂直。
8.一种充放电电路，应用在如所述权利要求1-7的任一项中的体外冲击波碎石机中，其特征在于，所述充放电电路的充电电路由电阻和电容组成，所述充放电电路的放电电路由所述电容、高压开关以及冲击波波源装置组成，所述电容的电容值为1.5μF～2.5μF。
9.如权利要求8所述的充放电电路，其特征在于，所述电容值为1.6μF～2.4μF 。
10.如权利要求8所述的充放电电路，其特征在于，所述充电电路的充电电压为5000V～11000V。
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