CZ291158B6 - Způsob generace fokusované rázové vlny elektrickým výbojem v kapalině a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Zp sob generace fokusovan r zov vlny elektrick²m v²bojem v kapalin spo v v tom, e prostor (6) mezi dv ma elektrodami (1, 4) se zapln kapalinou se zv² enou elektrickou vodivost , zejm na vodou a na prvn elektrod (1) ve tvaru po adovan tlakov vlnoplochy se po p°ipojen impulzn ho nap t generuje mnohakan lov² elektrick² v²boj ho° c mezi touto prvn elektrodou (1) a kapalinou a jednotliv kvazisf rick tlakov vlny vznikaj c ve v²bojov²ch kan lech se skl daj v tlakovou vlnu s po adovan²m tvarem vlnoplochy, kter se d le fokusuje a transformuje na vlnu r zovou. Za° zen sest v ze dvou elektrod, z nich prvn elektroda (1) m tvar dan akustick vlnoplochy a je pokryt por zn izola n vrstvou (10), nebo je opat°ena izola n vrstvou (2), ve kter jsou zapu t ny hroty (3) z vodiv ho materi lu spojen s touto elektrodou (1) a druh elektroda je tvo°ena st nou n doby (4) reflektoru, vodivou f li (11) i s kou, p°i em elektrody jsou od sebe izolov ny izol torem (5) a mezi elektrodami je vytvo°en prostor (6) pro kapalinu se zv² enou elektrickou vodivost .\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení ke generaci fokusovaných rázových vln v kapalinách se zvýšenou elektrickou vodivostí.

Dosavadní stav techniky i

V 80-tých letech byla do lékařské praxe zavedena nová neinvazivní metoda k odstraňování tělesných konkrementů z těla pacienta tzv. litotrypsie. Její podstatou je rozrušování kamenů opakovaným účinkem fokusované rázové vlny, generované ve vodě vně těla pacienta. Litotrypsie ledvinových a močových kamenů rázovou vlnou patří dnes k rutinně používaným léčebným metodám.

Ke generaci fokusovaných rázových vln pro litotrypsii jsou dosud využívány následující fyzikální principy:

a) Silnoproudý jiskrový výboj mezi hrotovými elektrodami (např. firmy Domier. Philips. Technomed Intemational. Medipo Brno), který je umístěn v primárním ohnisku dutiny kovového reflektoru ve tvaru části (zhruba poloviny) rotačního elipsoidu. Jiskrový výboj je bodovým zdrojem silné sféricky divergentní rázové vlny a odrazem od stěny reflektoru je její energie soustředěna do sekundárního ohniska, kde je umístěn kámen. Hrotové elektrody účinkem výbojů silně erodují ajejich životnost (2000-3000 výbojů) vystačí pouze na jeden zákrok, což léčbu zdržuje a prodražuje.

b) Mikrovýbuch třaskaviny (Japonsko) je, podobně jako silnoproudý jiskrový výboj zdrojem sféricky divergentní rázové vlny a kjejí fokusaci je použit reflektor stejného tvaru jako u jiskrových generátorů. Pro běžné klinické využití je tento způsob nevhodný.

c) Elektromagneticky buzený kmit rovinné nebo cylindrické kovové membrány (např. firmy Siemens. Dornier. Storch). Tlakový impulz je fokusován pomocí akustické čočky, resp. pomocí parabolického kovového reflektoru. Životnost těchto generátorů je 100-200 tisíc impulzů a končí buď elektrickým průrazem mezi budicí cívkou a membránou, nebo mechanickým protržením membrány. Výměna zdroje rázové vlny je mnohonásobně dražší než výměna vodního jiskřiště jiskrových generátorů, čímž jsou provozní náklady u obou systémů srovnatelné a pro některé membránové generátory dokonce vyšší.

d) Synchronní kmit velkého počtu piezoelektrických elementů rozmístěných na vnitřní ploše kulového vrchlíku (např. firmy Wolf-Rakousko. EDAP-Francie) vytvářející sféricky konvergentní rázovou vlnu. Vzhledem k omezené mechanické pevnosti piezoelektrických elementů je pro generaci potřebné amplitudy rázové vlny nutno použít velkoplošného zdroje s několika tisíci piezoelementů, jehož rozměr (průměr apertury kulového vrchlíku) neumožňuje rentgenovou lokalizaci kamene do ohniska rázové vlny bez změny polohy pacienta.

Jsou zkoumány možnosti využití rázových vln i v jiných oblastech medicíny. Klinicky je využívána litotrypsie v kombinaci s endoskopií k odstraňování konkrementů ze žlučových cest. Na laboratorní úrovni jsou prováděny experimenty s využitím rázových vln v ortopedii (stimulace růstu kostních tkání po zlomeninách, viz např. Proc.ofthe 20^th Int.Symp.on Shock Waves, edit.: B.Sturtevant. J. E.Shepherd. H. G.Hordung. Vol. II, p. 1655-1660, Word Scientifíc 1996) avonkologii k rozrušování nádorových tkání (viz např. : Proc.of the 18^th Int.Symp.on

-1 CZ 291158 B6

Shock Waves, edit.: K.Takayama. Vol II p. 1163-1172, Springer-Verlag 1992). Akustické vlastnosti nádorových tkání se však od okolních zdravých tkání téměř neliší. Je tedy patrné, že k cílenému mechanickému namáhání původně akusticky homogenního prostředí je nutné použít rázové vlny speciálních vlastností. Možnost změny časového průběhu fokusované rázové vlny 5 (např. poměr amplitudy tlakové a podtlakové vlny) je u elektromagnetických a jiskrových generátorů principiálně omezena. Piezoelektrické generátory sice umožňují změnu časového průběhu vlny, avšak napájecí zdroje jsou pak značně složité a celková energie fokusované rázové vlny je omezena mechanickou pevností piezoelektrických elementů.

. Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu, který odstraňuje zmíněné nedostatky a rozšiřuje oblast aplikací fokusovaných rázových vln je způsob generace fokusované rázové vlny elektrickým výbojem v kapalině, 15 který podle vynálezu spočívá v tom, že prostor mezi dvěma elektrodami se zaplní kapalinou se zvýšenou elektrickou vodivostí, zejména vodou a na elektrodě ve tvaru požadované tlakové vlnoplochy se po připojení impulzního napětí generuje mnohokanálový elektrický výboj hořící mezi touto elektrodou a kapalinou. Jednotlivé kvazisférické tlakové vlny vznikající ve výbojových kanálech se skládají v tlakovou vlnu s požadovaným tvarem vlnoplochy, která se 20 dále fokusuje a transformuje na vlnu rázovou. Mnohokanálový elektrický výboj se generuje soustředěním předvýbojových proudů do otevřených pórů v porézní izolační vrstvě pokrývající elektrodu, nebo na vodivé hroty vodivě s ní spojené a zapuštěné do izolační vrstvy pokrývající elektrodu. Je-li vysokonapěťová (první) elektroda tvořena buďto soustavou mnoha paralelně spojených hrotů zapuštěných do izolační vrstvy a rozmístěných rovnoměrně na ploše ve tvaru 25 žádané akustické vlnoplochy (např. rovina, válec, kulový vrchlík), nebo kovovou elektrodou ve tvaru žádané akustické vlnoplochy pokrytou porézní izolační např. keramickou vrstvou, vzniká v kapalině se zvýšenou vodivostí mnohokanálový výboj, hořící mezi kovovou elektrodou a kapalinou (např. vodou). Proud obvodem se uzavírá přes kapalinu na druhou elektrodu tvořenou stěnou nádoby, nebo stěnou reflektoru, nebo tenkou vodivou fólií, která je pro tlakovou 30 vlnu průzračná. Po připojení impulzního zdroje napětí na tuto elektrodovou soustavu jsou předvýbojové proudy soustředěny do jednotlivých pórů, ev. na jednotlivé hroty, čímž v okolí hrotů ev. uvnitř pórů vzniká elektrické pole s intenzitou blízkou k E~U/r, kde U je použité napětí a r je poloměr hrotové elektrody, respektive tloušťka porézní izolační vrstvy. Při elektrických polích E~0, 5-1 MV/cm dochází na hrotech (v pórech) k iniciaci výboje a při zvýšené vodivosti 35 kapaliny jsou výboje soustředěny pouze do jednotlivých pórů v izolační vrstvě ev. do těsného okolí hrotů. Celkový proud výbojem roste s rostoucí vodivostí kapaliny. Výboj v každém póru (na každém hrotu) vytváří kvazisférickou tlakovou vlnu a superpozicí těchto vln je možno podle tvaru povrchu elektrody (při dostatečné hustotě hrotů, ev. pórů) vytvářet různé tvary akustických vlnoploch, např. rovinnou, cylindrickou, sférickou, ev. jinou tlakovou vlnu. Na rozdíl od 40 jiskrových a elektromagnetických generátorů je možno ovlivňovat amplitudu a časový průběh tlakové vlny nejen volbou parametrů výbojového obvodu (použité napětí, kapacita kondensátoru, indukčnost obvodu), ale také změnou vodivosti kapaliny, např. změnou koncentrace solí r rozpuštěných ve vodě. Rozdělením výbojového proudu do mnoha kanálů je zároveň silně omezena eroze elektrod.

V porovnání s elektromagnetickými membránovými generátory má způsob podle vynálezu výhodu vtom, že časový průběh primární tlakové vlny zde není určován mechanickými vlastnostmi membrány, nýbrž pouze časovým průběhem výkonu ve výboji. Není zde rovněž nebezpečí destrukce membrány, ke které u elektromagnetických generátorů po jistém počtu rázů 50 dochází. Vhodnou fokusační soustavou (čočka, reflektor, tvar primární vlnoplochy) se energie primární tlakové vlny soustředí do předem známého ohniska. Volbou amplitudy a časového průběhu primární tlakové vlny je možno dosáhnout stavu, kdy vlna zředění je v oblasti ohniska potlačena (případ vhodný pro litotrypsii kamenů), nebo naopak stavu, kdy vlna zředění překračuje v okolí ohniska kavitační práh a účinkem kavitací, ev. účinkem sledu alespoň dvou

- 9 _ rázových vln následujících po sobě v časech kratších než je doba akustického zklidnění prostředí je možno dosáhnout lokálního mechanického namáhání původně akusticky homogenního prostředí, např. rozrušovat buněčné membrány nádorových tkání.

Zařízení k provádění výše popsaného způsobu podle vynálezu sestává ze dvou elektrod, z nichž první (vysokonapěťová) elektroda, na které vzniká mnohokanálový výboj je tvořena buďto systémem paralelně spojených hrotů zapuštěných do izolační vrstvy ve tvaru žádané akustické vlnoplochy a rozmístěných rovnoměrně po ploše izolační vrstvy, nebo kovovou elektrodou ve tvaru žádané akustické vlnoplochy pokrytou porézní izolační např. keramickou vrstvou s několika procentní otevřenou pórovitostí. Druhá elektroda je tvořena buďto vodivými stěnami nádoby, v níž je vysokonapěťová elektroda umístěna, nebo vodivými stěnami použitého reflektoru, nebo tenkou vodivou fólií či síťkou, kterou tlaková vlna prochází bez útlumu. Mezielektrodový prostor je zaplněn kapalinou se zvýšenou elektrickou vodivostí. Mnohokanálový výboj vzniká připojením napětí impulzního vysokonapěťového zdroje např. nabitého kondensátoru k elektrodové soustavě. Energie primární tlakové vlny vzniklé superpozicí mnoha kvazisférických vln je odpovídající fokusační soustavou soustředěna do předem známého místa - ohniska. K fokusaci rovinné vlny je použita akustická čočka, cylindrická divergentní vlna je fokusována parabolickým reflektorem. Popsaný způsob rovněž umožňuje generovat sféricky konvergentní rázové vlny. Při použití kladného napětí na vysokonapěťové elektrodě je účinnost generace tlakové vlny vyšší než při použití opačné polarity napětí.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení vynálezu budou blíže objasněny pomocí výkresů - obr. 1 až 3, které schematicky znázorňují různé varianty zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje generaci cylindrické tlakové vlny velké amplitudy, která je fokusována parabolickým reflektorem. První (vysokonapěťová) elektroda 1 je tvořena kovovým válcem pokrytým dostatečně tlustou izolační vrstvou 2 do níž jsou zapuštěny hroty 3 z vodivého materiálu tak, že z izolační vrstvy nevyčnívají a jsou rozmístěné rovnoměrně po vnější ploše válce ve vzdálenostech větších než je trojnásobek průměru hrotů 3. Hroty 3 jsou vodivě spojené s první elektrodou 1 (kovovým válcem). Alternativním provedením první elektrody je kovový válec pokrytý tenkou porésní izolační vrstvou (tlustou 0,2-0,5 mm) s otevřenou pórovitostí 35 %. První elektroda 1 je umístěna v ose kovového reflektoru 4 ve tvaru části dutiny rotačního paraboloidu vzniklého rotací paraboly kolem osy procházející ohniskem paraboly a kolmé k její ose a je od reflektoru izolována izolátorem 5. Stěny reflektoru 4 tvoří druhou elektrodu výbojového obvodu. Prostor 6 mezi elektrodami je zaplněn kapalinou s elektrickou vodivostí větší než 5 mS/cm. Po připojení impulzního napětí 15-30 kV k elektrodám z impulzního zdroje 7, například nabitého kondensátoru, se mohou předvýbojové proudy uzavírat pouze přes jednotlivé otevřené póry, ev. přes jednotlivé čelní plochy hrotů 3. Tímto nerovnoměrným rozložením předvýbojových proudů dochází v pórech, ev. na povrchu hrotů, k lokálnímu zvýšení intenzity elektrického pole na hodnotu dostatečnou k iniciaci mnohokanálového elektrického výboje. Proud v jednotlivých kanálcích je omezen odporem přechodové vrstvy mezi výbojovým plazmatem a neporušenou kapalinou, čímž je zamezeno vzniku jiskrového výboje a naopak je umožněna současná existence mnoha výbojových kanálků. Při elektrické vodivosti vody nad 5mS/cm hoří výboje jen v těsném okolí jednotlivých pórů, ev. hrotů 3. Rychlý ohřev vody v okolí pórů, ev. hrotů 3 vede ke vzniku mnoha kvazisférických tlakových vln a jejich superpozicí vzniká cylindrická tlaková vlna 8, šířící se radiálně od první (vysokonapěťové) elektrody směrem ke stěnám nádoby 4 reflektoru. Odrazem od stěny nádoby 4 reflektoru je

-3 CZ 291158 B6 energie cylindrické tlakové vlny 8 soustředěna do ohniska 9 paraboloidu. Během fokusace se tlaková vlna přetransformuje na vlnu rázovou.

Obr. 2 schematicky znázorňuje generaci rovinné vlny. První elektroda 1 je tvořena kovovou 5 deskou pokrytou tenkou porésní izolační vrstvou 10 s otevřenou pórovitostí 3-5 %. Alternativním provedením první elektrody 1 je kovová deska pokrytá dostatečně tlustou izolační vrstvou, do níž jsou zapuštěny hroty tak, že z izolační vrstvy nevyčnívají a jsou rozmístěné rovnoměrně po ploše elektrody ve vzdálenostech větších než je trojnásobek průměru hrotů. První elektroda 1 je od nádoby 4 izolována izolátorem 5. Druhá elektroda je tvořena buďto vodivými stěnami nádoby 4, ío v níž je první elektroda 1 umístěna, nebo tenkou vodivou folií 11, kterou tlaková vlna prochází bez útlumu. Mezielektrodový prostor 6 je zaplněn vodným roztokem se zvýšenou elektrickou vodivostí. Mechanismus vzniku rovinné vlny je shodný s mechanismem vzniku válcové vlny, popsaném v předchozím příkladu. Superpozicí vzniklá rovinná vlna 12 je fokusována do ohniska 9 pomocí akustické čočky 13.. Během fokusace se tlaková vlna transformuje na rázovou.

Obr. 3 schematicky znázorňuje generaci sféricky konvergentní tlakové vlny. První elektroda 1 je n ořena kulovým vrchlíkem pokrytým tenkou porésní izolační vrstvou 10 s otevřenou pórovitostí 3-5 %. Alternativním provedením první (vysokonapěťové) elektrody 1 je kovový kulový vrchlík pokrytý' dostatečně tlustou izolační vrstvou, do níž jsou zapuštěny hroty tak, že z izolační vrstvy 20 nevyčnívají ajsou rozmístěné rovnoměrně po vnitřní ploše kulového vrchlíku ve vzdálenostech větších než je trojnásobek průměru hrotů. První elektroda 1 je od nádoby izolována izolátorem 5. Druhá elektroda je tvořena buďto vodivými stěnami nádoby 4, v níž je první elektroda 1 umístěna, nebo tenkou vodivou fólií 11, kterou tlaková vlna prochází bez útlumu. Mezielektrodový prostor 6 je zaplněn vodným roztokem se zvýšenou elektrickou vodivostí. Mechanismus 25 vzniku sféricky konvergentní vlny je shodný s mechanismem popsaném v předchozích příkladech. Superpozicí, vzniklá sféricky konvergentní vlna 14 je soustředěna do ohniska 9 kulové plochy. V průběhu fokusace se tlaková vlna transformuje na vlnu rázovou.

Průmyslová využitelnost

Způsob a zařízení ke generaci fokusovaných rázových vln lze využít v lékařství k odstraňování tělesných konkrementů z těla pacienta a k ovlivňování růstu tkání a v dalších oblastech lidské činnosti, kde se vyžaduje cílené rázové mechanické namáhání akusticky homogenního, nebo 35 nehomogenního prostředí.

Claims (9)

1. Způsob generace fokusované rázové vlny elektrickým výbojem v kapalině vyznačující se tím, že prostor (6) mezi dvěma elektrodami (1, 4) se zaplní kapalinou

45 se zvýšenou elektrickou vodivostí, zejména vodou a na první elektrodě (1) ve tvaru požadované tlakové vlnoplochy se po připojení impulzního napětí generuje mnohokanálový elektrický výboj hořící mezi touto první elektrodou (1) a kapalinou a jednotlivé kvazisférické tlakové vlny vznikající ve výbojových kanálech se skládají vtlakovou vlnu s požadovaným tvarem vlnoplochy, která se dále fokusuje a transformuje na vlnu rázovou.

2. Způsob generace fokusované rázové vlny podle nároku 1, vyznačující se tím, že mnohokanálový elektrický výboj se generuje soustředěním předvýbojových proudů do

-4CZ 291158 B6 otevřených pórů v porézní izolační vrstvě (10) pokrývající první elektrodu (1), nebo na vodivé hroty(3) vodivě s ní spojené a zapuštěné do izolační vrstvy (2) pokrývající první elektrodu (1).

3. Způsob generace fokusované rázové vlny podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím,

5 že se generuje sled alespoň dvou mnohokanálových výbojů následujících po sobě v časech kratších než je doba akustického zklidnění prostředí.

4. Zařízení kprovádění způsobu podle nároků 1 až 3, vy zn ač u j í cí se t í m, že sestává ze dvou elektrod, z nichž první elektroda (1) má tvar žádané akustické vlnoplochy a je pokrytá ío porézní izolační vrstvou (10), nebo je opatřena izolační vrstvou (2), ve které jsou zapuštěny hroty (3) z vodivého materiálu spojené s touto elektrodou (1) a druhá elektroda je tvořena stěnou nádoby (4) reflektoru, vodivou fólií (11) či síťkou, přičemž elektrody jsou od sebe izolovány izolátorem (5) a mezi elektrodami je vytvořen prostor (6) pro kapalinu se zvýšenou elektrickou vodivostí.

5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že hroty (3) jsou rozmístěné rovnoměrně po ploše první elektrody (1).

6. Zařízení podle nároků 4 a 5, vy zn ač uj í cí se t í m , že první elektroda (1) je válcová 20 a je umístěna vose dutiny nádoby (4) elektricky vodivého reflektoru) ve tvaru části rotačního paraboloidu, který tvoří druhou elektrodu a je od reflektoru izolována izolátorem (5).

7. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že první elektroda (1) je rovinný disk a druhá elektroda je tvořena vodivou stěnou válcové nádoby (4), přičemž mezi první

25 a druhou elektrodou je umístěn izolátor (5).

8. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že první elektroda (1) je rovinný disk a druhá elektroda je tvořena vodivou fólií (11), nebo vodivou síťkou a mezi elektrodami je umístěn izolátor (5) a vyn ořen prostor (6) pro kapalinu se zvýšenou elektrickou vodivostí.

9. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že první elektroda (1) má tvar vnitřní plochy kulového vrchlíku a druhá elektroda je tvořena stěnou válcové nádoby (4), nebo vodivou fólií (11), nebo vodivou síťkou a mezi elektrodami je umístěn izolátor (5) a vytvořen prostor (6) pro kapalinu se zvýšenou elektrickou vodivostí.