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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Erzeugung akustischer Wellen mit einem Schallwandler aufweisend
eine erste als Membran dienende und an ein akustisches Ausbreitungsmedium
angrenzende Elektrode und eine zweite von der ersten beanstandete
Elektrode, zwischen welchen sich ein Elektrolyt befindet.
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Eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung akustischer
Wellen arbeitet nach dem thermohydraulischen Prinzip. Durch die
kurzzeitige Aufheizung des elektrisch leitfähigen, zwischen den Elektroden
befindlichen Elektrolyten mit Hilfe eines Heizstromes, welcher infolge
eines an die Elektroden angelegten elektrischen Impulses fließt, kann
elektrische Energie direkt und praktisch verlustfrei in thermische
Energie des Elektrolyten umgesetzt werden. Durch die durch den Heizstrom
hervorgerufene Wärmeausdehnung des
Elektrolyten wird eine Druckwelle erzeugt, welche sich in dem an
die erste Elektrode angrenzenden akustischen Ausbreitungsmedium
ausbreiten kann. Die Vorrichtung kann demnach beispielsweise zur Erzeugung
von Stoßwellen
eingesetzt werden, wie sie in der Medizin bei der Lithotripsie oder
der Schmerztherapie verwendet werden.
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Eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art ist in der
DE
197 02 593 A1 beschrieben. Die Vorrichtung weist eine erste
massiv ausgeführte
und eine zweite dünne,
als Membran dienende Elektrode auf, zwischen welchen sich der Elektrolyt
befindet.
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Nachteilig an der in der
DE 197 02 593 A1 beschriebenen
Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Wellen ist, dass eine
Röntgenortung
von mit der Vorrichtung zu beschallenden Objekten, wie sie beispielsweise
in der Lithotripsie zur Ortung von Konkrementen üblich ist, nur an der Vorrichtung
vorbei erfolgen kann. Die Möglichkeiten
der Röntgenortung an
der Vorrichtung sind demnach beschränkt. Dies bedeutet, dass für medizinische
Anwendungen in der Lithotripsie ein behandelnder Arzt nur einen
Teil des Therapiegebietes in den Röntgenaufnahmen sehen kann.
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In der
DE 41 35 177 A1 ist eine Vorrichtung zur
Erzeugung akustischer Wellen beschrieben, welche einen nach dem
elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Schallwandler umfasst. Der
Schallwandler weist eine zentrale Öffnung auf, um durch den Schallwandler
hindurch röntgen
zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass
die Möglichkeiten
der Röntgenortung
an der Vorrichtung erweitert sind.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe
gelöst
durch eine Vorrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen mit einem
Schallwandler aufweisend eine erste als Membran dienende und an
ein akustisches Ausbreitungsmedium angrenzende Elektrode und eine
zweite von der ersten beabstandete Elektrode, zwischen welchen sich
ein Elektrolyt befindet, wobei die Elektroden des Schallwandlers
durchlässig für Röntgenstrahlung
sind. Infolge der Durchlässigkeit
der Elektroden und des Schallwandlers insgesamt für Röntgenstrahlung
kann nunmehr nach einer Variante der Erfindung die Vorrichtung insgesamt durchlässig für Röntgenstrahlung
ausgebildet sein, so dass eine Röntgenortung
durch die Vorrichtung hindurch während
des Betriebes der Vorrichtung erfolgen kann. Der Schallwandler kann
dabei in seiner radialen Ausdehnung derart ausgeführt sein,
dass bei entsprechender Positionierung einer ein in der Regel kegelförmiges Röntgenstrahlenbündel aussendenden
Röntgenstrahlenquelle
relativ zu der Vorrichtung praktisch keine Abschattung des durch
die Vorrichtung verlaufenden Röntgenstrahlenbündels durch
die Vorrichtung erfolgt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen
die röntgentransparenten
Elektroden Schichtdicken im Mikrometerbereich auf. Vorzugsweise
beträgt
die Schichtdicke einer Elektrode 150 Mikrometer und weniger. Auf
diese Weise reichen bereits verhältnismäßig geringe
Röntgendosen
aus, um die Elektroden und somit den Schallwandler durchstrahlen
zu können.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Elektroden eine homogene Struktur
und glatte Oberflächen
aufweisen. Auf diese Weise erhält
man beim Durchstrahlen des Schallwandlers Röntgenbilder, welche praktisch frei
von röntgenpositiven Überlagerungen
seitens der Elektroden sind, welche bei einer inhomogenen Struktur
der Elektroden auftreten würden.
Da also in derart erzeugten Röntgenbildern
keine von dem Schallwandler herrührende Überlagerungen
vorhanden sind, ist auch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlinterpretation
der Röntgenbilder
nahezu ausgeschlossen.
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Da es sich bei dem verwendeten Elektrolyten des
Schallwandlers gegebenenfalls um eine aggressive, Korrosionen hervorrufende
Substanz handeln kann, sieht eine Ausführungsform der, Erfindung vor, die
Elektroden aus einem korrosionsbeständigen Material auszubilden.
Gemäß einer
Variante der Erfindung sind die Elektroden aus Edelstahl oder Aluminium
ausgebildet.
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Werden mit dem Schallwandler ebene
akustische Wellen erzeugt, so ist es nach einer Variante der Erfindung
vorgesehen, dass die Vorrichtung eine akustische Linse, vorzugsweise
eine akustische Sammellinse aufweist, welche die akustischen Wellen
auf einen Fokusbereich fokussiert. Auf eine derartige akustische
Linse zur Fokussierung der akustischen Wellen kann jedoch verzichtet
werden, wenn nach einer anderen Variante der Erfindung wenigstens
die erste Elektrode, vorzugsweise aber beide Elektroden, konkav
gekrümmt
ausgebildet sind, so dass im Betrieb der Vorrichtung eine gekrümmte Wellenfront
erzeugt wird. Die Vorrichtung ist demnach selbstfokussierend.
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Eine andere Variante der Erfindung
sieht vor, dass der Elektrolyt den zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode vorhandenen Raum durchströmt. Auf diese Weise können im
Betrieb der Vorrichtung stets definierte Betriebsbedingungen aufrechterhalten
werden. Beispielsweise kann mit dem Durchströmen erreicht werden, dass der
Elektrolyt vor der gezielt vorgenommenen Erwärmung stets annähernd dieselbe
Ausgangstempe ratur aufweist. Der Elektrolyt kann hierzu eine Kühleinrichtung
durchströmen, welche
die Temperatur des Elektrolyten konstant hält.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Erzeugung akustischer Wellen,
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2 den
Ausschnitt II aus 1 und
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Erzeugung akustischer Wellen mit einer akustischen Linse
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
handelt es sich bei der in der 1 gezeigten Vorrichtung
zur Erzeugung akustischer Wellen um einen Stoßwellengenerator 1,
welcher beispielsweise für
die Lithotripsie oder die Schmerztherapie verwendet werden kann.
Der Stoßwellengenerator 1 ist
im wesentlichen rotationssymmetrisch zu seiner akustischen Achse
A ausgebildet und weist ein aus mehreren Teilen 3 bis 5 zusammengesetztes
Gehäuse 2 aus
Aluminium, welches der elektrischen Abschirmung dient, auf.
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Frontseitig ist das Gehäuse 2 mit
einem in der 1 schematisiert
dargestellten Koppelbalg 6 verschlossen, welcher zur Anlage
an einen Patienten P gebracht werden kann und mit einem Ausbreitungsmedium
für akustische
Wellen, im vorliegenden Fall Wasser 7, gefüllt ist.
An das Wasser 7 grenzt eine erste kreisförmig ausgebildete
Elektrode 8 an, welche als Membran dient. Die Elektrode 8 ist
konkav gekrümmt
ausgebildet und an ihrem äußeren Rand
in einer metallischen Klemmvorrichtung 9 fixiert. Eine zweite
ebenfalls kreisförmig
ausgebildete und konkav gekrümmte
Elektrode 10 ist in einem Abstand d von der ersten Elektrode 8 auf
einem elektrisch isolierenden, aus Kunststoff ausgebildeten Elektrodenträger 11 angeordnet. 2 zeigt in dem Ausschnitt II
aus 1 in Vergrößerung die
Anordnung der Elektroden 8 und 10 relativ zueinander.
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Der äußere Rand der Elektrode 10 ist
zwischen dem Elektrodenträger 11 und
einem ringförmigen
Isolator 12 verklemmt. Der Elektrodenträger 11 und der Isolator 12 sind
gegen ringförmige,
gegeneinander und gegen die Gehäuseteile 3 bis 5 gelagerte
Kunststoffteile 13, 14 gelagert. Zwischen dem Elektrodenträger 11 und
dem Gehäuseteil 3 befindet sich
Luft L.
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Die Elektroden 8 und 10 sind
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
beide aus korrosionsbeständigem
Aluminium ausgebildet und weisen eine homogene Struktur mit wenigstens
im wesentlichen konstanter Schichtdicke s von 100 Mikrometern und
mit glatten Oberflächen,
d. h. mit geringer, wenigstens im wesentlichen konstanter Rautiefe, auf.
Die Elektrode 8 ist außerdem
auf ihrer, dem Wasser 7 zugewandten Seite mit einer elektrisch
isolierenden, für
Röntgenstrahlen
durchlässigen
Beschichtung 15 versehen, was jedoch nicht zwingend erforderlich
sein muss.
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Die Spannungszuführung erfolgt bei dem Stoßwellengenerator 1 koaxial.
Das Gehäuseteil 4 sowie
das Kunststoffteil 14 ist mit einer Öffnungen 16 versehen,
durch die ein Leiter L1 eines geschirmten Kabels K zu der Elektrode 10 geführt ist,
welches die Elektrode 10 mit einem in der Figur nicht dargestellten,
aber an sich bekannten Leistungsimpulsgenerator verbindet. Die in
der metallischen Klemmvorrichtung 9 fixierte Elektrode 8 ist über die
Klemmvorrichtung mit dem Gehäuse 2 verbunden,
welches über den
Leiter L2 des Kabels K auf Massepotential liegt. Demnach liegt auch
die Elektrode 8 auf Massepotential.
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Zwischen den Elektroden 8 und 10 befindet sich
ein mit einem Elektrolyt E gefüllter
Raum. Bei dem Elektrolyten E handelt es sich um eine leitfähige Salzlösung oder
um einfache Alkohole, wie Ethanol oder Methanol, mit ionenleitfähigen Zusätzen. An den
Klemmstellen der Elektroden 8 in der Klemmvorrichtung 9 bzw.
an den Klemmstellen der Elektroden 10 zwi schen dem Elektrodenträger 11 und
dem Isolator 12 sowie zwischen dem ringförmigen Kunststoffteil 14 und
dem Isolator 12 sind O-Ringe 19 vorgesehen, welche
einen unerwünschten
Austritt des Elektrolyten E aus dem zwischen den Elektroden 8, 10 befindlichen
Raum in das Innere des Gehäuses 2 bzw.
aus dem Gehäuse 2 des
Stoßwellengenerators 1 verhindern.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
durchströmt
der Elektrolyt E den von den Elektroden 8 und 10 eingeschlossenen
Raum. Der Elektrolyt E wird dem Raum dabei über eine Öffnung 17 in dem Gehäuseteil 4 und
dem Kunststoffteil 14 zugeführt, an der eine Leitung 20 angeschlossen
ist. Über eine
weitere in dem Gehäuseteil 4 und
dem Kunststoffteil 14 vorhandene Öffnung 18 kann der
Elektrolyt E aus dem Raum zwischen den Elektroden 8 und 10 über eine
an die Öffnung 18 angeschlossene
Leitung 21 ausströmt.
Im Betrieb der Vorrichtung zirkuliert der Elektrolyt E vorzugsweise
in einem Kreislauf durch eine Kühleinrichtung 22,
welche den Elektrolyten E auf einer annähernd konstanten Temperatur hält. Darüber hinaus
können
in der Kühleinrichtung 22 Mittel
zur Entgasung des Elektrolyten E vorgesehen sein, welche sich unter
Umständen
im Betrieb der Vorrichtung bilden können und welche, falls sich diese
in Form von Gasblasen im Raum zwischen den Elektroden 8 und 10 halten,
die Vorrichtung in ihrer Funktion beeinträchtigen können.
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Im Betrieb der Vorrichtung werden über den von
einer in 1 nicht gezeigten
Steuer- und Recheneinheit angesteuerten Leistungsimpulsgenerator
in definierter Weise Spannungsimpulse an die Elektroden 8 und 10 angelegt,
welche einen durch den Elektrolyten E fließenden Strom hervorrufen, wodurch
der Elektrolyt E aufgeheizt wird. Infolge der Erwärmung dehnt
sich der Elektrolyt E aus, womit ein Druckanstieg und somit die
Erzeugung einer Druckwelle einhergeht. Die durch die an die Elektroden 8, 10 angelegten
Spannungsimpulse erzeugten Druckwellen, werden über die Membran 8 in
das Wasser 7 und von dort über den Koppelbalg 6 in
den Körper des
Patienten P ein geleitet. Infolge der konkaven Krümmung der Elektroden 8 und 10 steilen
sich die erzeugten Druckwellen zu auf einen Fokusbereich F fokussierte
Stoßwellen
auf, welcher auf eine zu behandelnde Geweberegion G des Patienten
P ausgerichtet wird. Die Ausrichtung erfolgt in der Regel mittels
Röntgenortung.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausführung des
Stoßwellengenerators 1 ist
der die Elektroden 8, 10, den Elektrodenträger 11,
den Elektrolyten E und das Ausbreitungsmedium 7 umfassende
Schallwandler des Stoßwellengenerators 1 röntgentransparent,
so dass eine Röntgenortung
durch den Stoßwellengenerator 1 hindurch
erfolgen kann.
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In 1 ist
schematisiert eine Röntgenstrahlenquelle 30,
welche ein kegelförmiges
Röntgenstrahlenbündel 31 aussendet,
dargestellt. Der Stoßwellengenerator 1 und
die Röntgenstrahlenquelle 30 sind
derart relativ zueinander ausgerichtet, dass zum einen der Zentralstrahl
ZS des von der Röntgenstrahlenquelle 30 ausgehenden
Röntgenstrahlenbündels 31 mit
der akustischen Achse A des Stoßwellengenerators 1 zusammenfällt und
keine Abschattung des kegelförmigen
Röntgenstrahlenbündels 31 durch
den Stoßwellengenerator 1 erfolgt.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Öffnungsweite W des Stoßwellengenerators 1 bzw.
des Schallwandlers an die zur Röntgenortung
verwendete Röntgenstrahlenquelle 30 angepasst
ist und der Abstand der Röntgenstrahlenquelle 30 von
der Vorrichtung möglichst gering
gewählt
wird. Infolge des Aufbaus des Stoßwellengenerators 1 nach
dem erfindungsgemäßen Prinzip
kann der Stoßwellengenerator,
insbesondere der Schallwandler des Stoßwellengenerators, demnach
mit der Röntgenstrahlen
durchstrahlt werden. Die außer
dem Schallwandler in dem von dem Röntgenstrahlenbündel 31 zu
durchstrahlenden Raum des Stoßwellengenerators 1 liegenden
Komponenten des Stoßwellenwandlers 1,
wie das Gehäuseteil 3,
das Wasser 7, welches ähnlich
röntgentransparent wie
menschliches Gewebe ist, und der Koppelbalg 6, bilden dabei
keine Barriere für
die Röntgenstrahlung.
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Von großem Vorteil ist es, dass die
Elektroden 8, 10 eine nur geringe Schichtdicke
s, eine homogene Struktur und glatte Oberflächen aufweisen, so dass keine
Strukturen der mit der Röntgenstrahlung
durchstrahlten Elektroden 8, 10 in den Röntgenbildern
abgebildet werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
des Stoßwellengenerators 1 kann
die Bauhöhe
des Stoßwellengenerators 1 verhältnismäßig klein
gehalten werden. Die Bauhöhe
kann in der Praxis ca. nur die Hälfte
des Abstandes des Fokus F von der als Membran dienenden Elektrode
des Schallwandlers betragen. Auf diese Weise kann die Strecke, welche
das Röntgenstrahlenbündel 31
beim Durchtritt durch den Stoßwellengenerator 1 durchlaufen
muss, verhältnismäßig klein
gehalten werden, wodurch Probleme durch Abschattungen des Röntgenstrahlenbündels 31 weitgehend
vermieden werden können.
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Der Elektrolyt E muss im übrigen nicht
notwendigerweise den von den Elektroden 8 und 10 eingeschlossenen
Raum durchströmen.
Vielmehr kann der Elektrolyt E auch stationär abgeschlossen in dem Raum
gehalten sein.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
sind die Elektroden 8 und 10 konkav gekrümmt ausgeführt. Die
Elektroden können
jedoch auch ebene kreisförmige
ausgebildet sein. In 3 ist
in stark schematisierter Weise ein Stoßwellengenerator 40 mit
zwei ebenen kreisförmigen
Elektroden 41, 42 gezeigt, zwischen denen sich
ein Elektrolyt E befindet. Die Elektrode 42 ist auf einem
Elektrodenträger 43 aus
Kunststoff angeordnet. Die Elektrode 41, welche als Membran
dient, ist wie die Elektrode 8 auf ihrer dem akustischen
Ausbreitungsmedium 44 zugewandten Seite mit einer in 3 nicht zu erkennenden elektrisch
isolierenden Beschichtung versehenen. Da mit dem Schallwandler nur
ebene akustische Druckwellen erzeugt werden können, ist in Falle des in 3 gezeigten Stoßwellengenerators 40 zur
Fokussierung der mit dem Schall wandler erzeugten Druckwellen eine
akustische Sammellinse 45 vorgesehen, welche innerhalb
des Stoßwellengenerators in
dem akustischen Ausbreitungsmedium 44 und zwischen der
Elektrode 41 und dem die Stoßwellenquelle verschließenden Koppelbalg 46 angeordnet
ist. Um den Stoßwellengenerator
mit Röntgenstrahlen durchstrahlen
zu können,
ist auch die akustische Sammellinse 45 aus einem röntgentransparenten Material,
z. B. Polystyrol, ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde vorstehend
am Beispiel zweier Stoßwellengeneratoren 1, 40,
welcher für
den medizinischen Einsatz vorgesehen sind, beschrieben. Die Anwendung
der Vorrichtung ist jedoch nicht auf den Bereich der Stoßwellenerzeugung
sowie auf den Bereich der Medizin beschränkt.
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Im Unterschied zu den vorliegenden
Ausführungsbeispielen
können
die Elektroden auch andere Schichtdicken aufweisen und aus anderen
Materialien, z. B. Edelstahl, ausgebildet sein. Die Schichtdicke
sowie die Materialwahl ist dabei vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig.