CN1518959A - 具有放大聚焦点的冲击波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有透镜的冲击波发生器，其中的透镜相对于声学轴线具有非旋转对称的相位移特征。本发明还涉及具有非旋转对称的相位移特征的透镜应用，其用于冲击波。

Description

具有放大聚焦点的冲击波发生器

技术领域

本发明涉及一种扩展了聚焦区的冲击波发生器。

背景技术

冲击波发生器，应用于例如诊治结石病(碎石术)，肿瘤病和骨科病(骨修复)的治疗装置。为震碎如肾结石，需要由一冲击波源产生冲击波序列，并使之聚焦于体内的结石上。

专利US5 800 365披露了一种电动的冲击波源，它以特定的时间延迟产生首次和第二次冲击波，以按这种方式通过空化作用加大震碎效果。

专利US5 873 845披露了一种用于对生物组织进行超声加热处理的系统，该系统包括一用来扩展聚焦区的折射板。该发明的背景是应用了连续超声波(“continuous wave”连续波)用来使生物组织凝固，其并不是应用冲击波。

设计冲击源的一个重要的要求在于：一方面要改善震碎的效果，另一方面要减少由于由结石未吸收的声学能量而引起的副作用。传统的冲击波源通常产生几何形状和时间上都精确的脉冲，从而造成锐聚焦束。锐聚焦束的结果往往是使结石破碎成多个仍然还相对较大的块。产生的震碎效果甚微。此外由于空化倾向而引起了不希望的副作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击波发生器，其具有高的震碎效果较小副作用。

根据本发明的冲击波发生器包括一透镜，其中透镜相对于声学轴线具有非旋转对称的相位移特性。

非旋转对称的相位移特性或者时间的延迟特性可以使冲击波前的几个部分有时间上的延迟，这样能使聚焦轴线上的峰值压力降低。尤其是，按照这种方式可以扩展聚焦点并延长脉冲长度。因而不仅能够改善震碎效果，而且也降低了副作用。用于解释改善震碎效果的一种可能的假设的是基于在宽的聚焦点时出现了所谓挤压效果强化(W.Eisenmenger著的“ESWL中的碎石力学”，UltrasoundMed.Biol.2001；27：683-693)，这种效应在震碎结石时作用是非常有效的。

非旋转对称的相位移特性可以连续方式形成。为了简化相应的透镜的制造，根据另外一可选的优选实施例，也可以将非旋转对称的相位移特性设计成非连续性的。

为了实现一种特别有利的相位移，透镜可以包括至少二个具有相同的相位移特性的扇区。透镜因此分成至少二个圆扇区，其中每个圆扇区里的透镜均设计成具有相同的相位移特性。这意味着每个圆扇区都重复着相同的相位移特性。

根据上文所述的冲击波发生器的一种有利的改进方案，透镜可以具有非旋转对称的厚度分布，用以形成非旋转对称的相位移特性。因而可以简单的方式制造一种具有所希望的相位移特性的透镜。

透镜优选地具有一非连续的厚度分布，具有以不连续幅度变化的厚度的分布，特别地，其可使透镜的制造更为简单。

根据另外一种较优的改进方案，透镜可以具有多个径向布置的楔形元件，用以形成非旋转对称的厚度分布。楔形元件不必须从透镜的中心开始，也可以在离中心或者离光学轴线特定的距离处开始。

根据所有前述冲击波发生器的一较优改进方案，厚度可作为角度的函数在一个预先给定的角度范围呈线性增加。该角度范围如包括一个扇区，因而在这扇区里厚度作为角度的函数呈线性增加。线性增加不必须是连续的，也可是不连续幅度(阶梯式)增加，其方法是使透镜例如具有楔形的元件，这些元件的高度或者厚度都以阶梯形式线性增加。

根据所有前述的冲击波发生器的一种较优的改进方案，透镜可包括至少两种材料。通过合适地选择其有某种声波速度的材料，可以这种方式来制造具有所希望的相位移特性的透镜。这些不同的材料可以用来替代透镜的一种不连续的厚度分布，或者作为其补充。例如一个透镜可以包括不同材料制成的几个部分。

透镜优选使用一种形状稳定的材料，特别是聚苯乙烯(Polistyrol)。这种材料具有各种不同的优点。其一是由于声学阻抗和小的阻尼常数使得在透镜中由于反射和阻尼而产生的损耗较小。此外由于聚苯乙烯与水的声速不同，随着透镜厚度小变化就可以引起显著的相位移，这样就进一步减小了透镜中的阻尼。此外聚苯乙烯也是一种价廉而容易加工的材料。

本发明还涉及了一种冲击波中的具有非旋转对称的相位移特性的透镜的应用。这种透镜应用于冲击波，尤其是冲击波聚焦时可使聚焦区有利的扩展，正如上文所述。

优选的改进方案与上述根据本发明的冲击波发生器的改进方案对应。

非旋转对称的相位移特性可以连续的形成。为了简化对应透镜的制造，根据另外一可选的较优的方案可以使非旋转对称的相位移特性不连续形成。

为了实现一种特别有利的相位移，该透镜可以包括至少二个具有相同的相位移特性的扇形区。

根据一优选的改进方案，这种透镜可以包括非旋转对称的厚度分布，用以形成非旋转对称的相位移特性。

该透镜优选地可具有不连续的厚度分布。

根据一较优的改进方案，这种透镜可以具有多个径向布置的楔形元件用于形成非旋转对称的厚度分布。楔形元件不必须从透镜的中心开始，也可在与中心或者说与光学轴线某个距离处开始。

根据所有前述透镜的一种较优的改进方案，厚度可以作为角度的函数在一个预先给定的角度区内呈线性增加，角度区域例如可以包括一个扇形区，因而在这扇形区里的厚度作为角度的函数而线性增加。线性增加不必须是连续的，也可以以不连续的幅度来实现，其方法是使透镜例如包括有楔形的元件，这些元件的高度或者说厚度是以阶梯方式呈线性增加的。

根据所有上述透镜的一种较优的改进方案，透镜可以包括至少二种材料，通过恰当选择具有特定声速的材料就可以应用这种方式制造具有所希望的相位移特性的透镜。

透镜优选使用一种形状稳定的材料，特别是聚苯乙烯。

附图说明

图1图示用于本发明的冲击波发生器的一个透镜的实施例示意图。

图2表示图1中所示实施例的聚焦排布示意图。

具体实施方式

以下根据附图对本发明的其它特性和优点进行说明。

图1中的透镜1的下面部分2相当于一种标准透镜，即为最佳聚焦的透镜。上面部分3具有一种非旋转对称的厚度分布。这种形状也称作为涡流(vortex)透镜。透镜分为四个圆扇区，其中在所示的实施例中每个扇区具有径向布置的N＝15个楔形阶梯4，其中在一个扇区之内阶梯高度h₀......h_N-1随角度变化每一个都呈线性增加。第零个阶梯没有高度，也就是h₀＝0。

以下根据惠更斯原理对这种透镜的效应进行说明。不同的阶梯高度使不同的基本波基本上达到一种相对的时间延迟(相位移)。相对的最大时间延迟发生在经过最高的阶梯h_N-1和经过零阶梯h₀的阶梯的基本波之间，这种延迟用Δt_max表示。

在所示楔形阶梯的设置中，每个扇区的结构性干涉形成焦点，焦点全部落在一个环上，环半径R取决于Δt_max，因而通过合适地选择Δt_max就可以对聚焦点的扩展产生影响。

图2示出了图1中具有四个扇区S₁，S₂，S₃和S₄的透镜1，其中每个扇区包括有N＝15个阶梯，(图中未示出)。在一个最大阶梯高度h_N-1≠0时，每个扇区形成一个焦点F₁，F₂，F₃和F₄，它们都位于一个半径为R的环上。半径R表示为h_N-1的函数。F表示具有最大阶梯高度h_N-1＝0的透镜的焦点。

例如这透镜可由具有声速约为950m/s的硅橡胶组成。透镜位于水中，水的声速为1550m/s。例如在通过最高的阶梯和具有零高度的阶梯之间的时间延迟为6μs，这大致相当于一个冲击波的长度，那么就得出一个所需的最大阶梯高度h_N-1＝15mm。

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。根据本发明的冲击波发生器的透镜也可以以其他方式，尤其是采用这些特征的其它的组合形成。特别是可以选择任意数量的扇区，或者相位移可以设计成连续的以代替不连续的幅度，其中N→∞。本发明的各种更改，变化，和等同物由所附的权利要求书的内容涵盖。

Claims (13)

1.具有一透镜(1)的冲击波发生器，其特征在于，透镜相对于声学轴线具有非旋转对称的相位移特性。

2.根据权利要求1所述的冲击波发生器，其中所述非旋转对称的相位移特性是不连续形成的。

3.根据权利要求1或者2所述的冲击波发生器，其中所述透镜包括至少二个具有相同的所述相位移特性的扇区(S1；S2；S3；S4)。

4.根据上述权利要求的任一项权利要求所述的冲击波发生器，其中所述透镜具有非旋转对称的厚度分布，用于形成非旋转对称的相位移特性。

5.根据权利要求4所述的冲击波发生器，其中所述透镜具有多个径向布置的楔形元件(4)，用以形成所述非旋转对称的厚度分布。

6.根据权利要求4或5所述的冲击波发生器，其中所述厚度作为角度的函数在一预先给定的角度范围内呈线性增加。

7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的冲击波发生器，其中所述透镜包括至少二种材料。

8.一种具有非旋转对称的相位移特性的透镜应用，其用于冲击波。

9.根据权利要求8所述的应用，其中非旋转对称的相位移特性是不连续形成的。

10.根据权利要求8或9所述的应用，其中所述透镜具有一种非旋转对称的厚度分布，用以形成非旋转对称的相位移动特性。

11.根据权利要求10所述的应用，其中所述透镜具有多个径向布置的楔形元件，用以形成非旋转对称的厚度分布。

12.根据权利要求10或者11所述的应用，其中所述厚度作为角度的函数在一个预先给定的角度范围内呈线性增加。

13.根据权利要求8至12中任一权利要求所述的应用，其中所述透镜包括至少二种材料。