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Die Erfindung betrifft ein Linsensystem
für einen
Stoßwellengenerator
mit wenigstens zwei Linsenelementen.
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Stoßwellengeneratoren werden beispielsweise
in Therapieeinrichtungen zur Behandlung von Steinleiden (Lithotripsie),
Tumorleiden und Knochenleiden (Osteorestauration) verwendet. Zur
Zertrümmerung
beispielsweise von Nierensteinen werden Stoßwellensequenzen von einer
Stoßwellenquelle erzeugt,
die auf das Konkrement im Körper
fokussiert werden. Bei den heute verfügbaren Geräten ist die geometrische Form
und der zeitliche Verlauf der Stoßwellen durch die Struktur
und Geometrie der Quelle und der fokussierenden Elemente festgelegt.
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Ein wichtiges Anliegen bei der Gestaltung der
Stoßquellen
besteht darin, auf der einen Seite die Effektivität der Zertrümmerung
zu verbessern und auf der anderen Seite die Nebenwirkungen durch
die nicht vom Stein absorbierte akustische Energie zu reduzieren.
Untersuchungen an elektrohydraulischen Stoßquellen (Elektrodenquellen)
haben gezeigt, dass die erzeugten Stoßwellen in Bezug auf das Verhältnis von
Wirkung zu Nebenwirkung dadurch verbessert werden können, dass
ein Teil der Stoßwellenfront
gegenüber
der Hauptwelle zeitlich so verzögert
wird, dass die im Fokus und in dessen Umgebung auftretenden Zuganteile
durch Überlagerung
von positiven Anteilen aus der verzögerten Welle reduziert und
dadurch die für
die Nebenwirkungen verantwortliche Kavitationsneigung verringert
wird. Versuche der Anmelderin mit Verzögerungsstrecken im Stoßwellenpfad
haben gezeigt, dass es möglich
ist, durch Verzögerung
von Teilen der Stoßwellenfront
die Spitzendrücke
in der Fokusachse zu senken. Dabei konnten erheblich reduzierte
Durchsätze
akus tischer Energie durch den Therapiefokus realisiert werden, ohne
die Effektivität
des Einzelpulses hinsichtlich seiner Zertrümmerungswirkung zu verringern.
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Das häufig verwendete elektrohydraulische Verfahren
erzeugt durch den außertokalen
Funkensprung eine zeitliche Dehnung und eine seitliche Verschmierung
des Fokusprofils. Die elektromagnetische Quelle erzeugt insbesondere
bei großen
Apparaturen geometrisch und zeitlich exakte Pulse, die – unterstützt durch
nichtlineare Effekte – zu
einer sehr scharten Bündelung
führen.
Scharfe und unscharfe Fokussierungen führen zu unterschiedlichen Zerkleinerungsmechanismen,
die je nach Steingröße, Steinzusammensetzung
und Zertrümmerungsfortschritt auf
verschiedene Weise geeignet eingesetzt werden können.
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Aus der
EP 0 254 104 ist ein Stoßwellengenerator
bekannt, der eine Fokussierungseinrichtung mit mehreren Linsen umfasst.
Dabei werden eine oder mehrere Linsen entweder in den Strahlengang bzw.
den Stoßwellenweg
eingebracht oder aus diesem heraus genommen. Durch dieses Einbringen und
Herausnehmen der Linsen kann die Fokusbreite verändert werden.
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Ein erster Nachteil dieses Stands
der Technik besteht darin, dass lediglich die Fokusgeometrie, nicht
jedoch das Pulsprofil verändert
werden kann. Außerdem
erfordert dieses Verfahren des Einbringens und Herausnehmens der
Linsen einen relativ voluminösen
Stoßwellengenerator.
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Die
EP
0 448 291 offenbart eine Ultraschallsonde, bei der neben
einem piezoelektrischen Element eine Welle zum Rotieren von ein
oder zwei Beugungsteilen angeordnet ist, um verschiedene Abschnitte
eines Beugungsteils in den Strahlengang einzubringen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,
ein Linsensystem bereitzustellen, das eine Veränderung der Fokusgeometrie
und des Pulsprofils von Stoßwellen
ermöglicht
und außerdem
in kompakter Bauweise herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Linsensystem gemäß Anspruch
1. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Linsensystem für einen
Stoßwellengenerator
mit wenigstens zwei Linsenelementen bereitgestellt, wobei wenigstens
ein Linsenelement um eine Rotationsachse innerhalb des Strahlengangs rotierbar
ist und die wenigstens zwei Linsenelemente bezüglich der Rotationsachse eine nichtrotationssymmetrische
Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen.
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Unter einem Linsenelement wird hier
und im Folgenden ein durchstrahlbares Element verstanden, das geeignet
ist, einen akustischen Strahl zu verändern. Die Veränderung
kann beispielsweise in einer Fokussierung oder einer Phasenverschiebung
bestehen. Der Begriff Beugungscharakteristik impliziert nicht notwendigerweise,
dass das entsprechenden Linsenelement den Strahl fokussiert; auch
eine Aufweitung des Strahls ist möglich. Ein Linsenelement kann
auch lediglich eine Phasenverschiebung eines Teils oder des gesamten
Strahls bewirken ohne diesen zu fokussieren. In diesem Fall kann
ein weiteres Linsenelement vorgesehen sein, das lediglich der Fokussierung
dient. Neben den wenigstens zwei Linsenelementen kann ein Linsenelement
mit einer rotationssymmetrischen Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik
vorgesehen sein.
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Die nichtrotationssymmetrische Phasenverschiebungscharakteristik
kann kontinuierlich oder nichtkontinuierlich ausgebildet sein.
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Die wenigstens zwei Linsenelemente
müssen
nicht notwendigerweise dieselbe Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik
aufweisen. Wie unten ausführlich
diskutiert wird, ist es häufig
nützlich,
wenn sie unterschiedliche Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristika
aufweisen.
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Die nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder
Phasenverschiebungscharakteristik der wenigstens zwei Linsenelemente
erlaubt ein Verändern
und Anpassen des Fokus und des Pulsprofils durch Rotation des wenigstens
einen Linsenelements um die Rotationsachse. Kompakte Abmessungen
des Linsensystems werden dadurch gewährleistet, dass die Rotationsachse
innerhalb des Strahlengangs bzw. akustischen Wellenwegs liegt. Die
Linsen müssen
nicht, wie in dem oben beschriebenen Stand der Technik, jeweils
in den Strahlengang eingebracht werden.
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Es ist zu beachten, dass das wenigstens eine
Linsenelement des erfindungsgemäßen Linsensystems
nicht notwendigerweise so ausgebildet ist, dass es in einem Strahlengang
den gesamten Wellenquerschnitt (beispielsweise einer Stoßwelle)
erfasst. Das Linsenelement muss auch nicht die Rotationsachse vollständig umgeben
und/oder in irgendeiner Weise symmetrisch bzgl. der Rotationsachse
ausgebildet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die
wenigstens zwei Linsenelemente koaxial angeordnet und die gemeinsame
Achse die Rotationsachse sein.
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Bei einer koaxialen Anordnung weist
jedes Linsenelement – zumindest
was seine Umfangsgestalt in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse
betrifft – eine
Symmetrie bezüglich
dieser Rotationsachse auf. Beispielsweise könnte ein Linsenelement einen
kreisförmigen
Umfang aufweisen. Durch die koaxiale Anordnung wird ein einfacher
und kompakter Aufbau ermöglicht.
Außerdem
ist ein einfaches Einstellen bzw. Anpassen der Linsenstellungen
möglich.
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Zur Einstellung eines bestimmten
Fokus oder Pulsprofils können
die wenigstens zwei Linsenelemente in eine vorherbestimmte relative
Stellung zueinander gebracht werden. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass ein Linsenelement fest ist während das andere um die Rotationsachse
bewegbar ist. Es können
aber auch alle Linsenelemente rotierbar sein. Bei mehr als zwei
Linsenelementen können alternativ
auch einige der Linsenelemente bewegbar sein während andere fest angeordnet
sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
können die
Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristika der wenigstens
zwei Linsenelemente derart ausgebildet sein, dass die Beugungs-
und/oder Phasenverschiebungswirkung der wenigstens zwei Linsenelemente
in einer ersten vorbestimmten relativen Anordnung der wenigstens
zwei Linsenelemente maximal und in einer zweiten vorbestimmen relativen Anordnung
minimal ist.
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In der ersten vorbestimmten relativen
Anordnung der wenigstens zwei Linsenelemente können sich also etwa die Beugungs-
und/oder Phasenverschiebungswirkungen der Linsenelemente verstärken während sie
sich in der zweiten vorbestimmten relativen Anordnung etwa zumindest
teilweise kompensieren.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
kann wenigstens ein zweites Linsenelement eine derartige Beugungs-
und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen, dass die Kombination
des wenigstens einen und des zweiten Linsenelements in einer vorbestimmten
relativen Anordnung der Linsenelemente eine rotationssymmetrische
Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweist. Auf
diese Weise kann die nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder
Phasenverschiebungscharakteristik des wenigstens einen Linsenelements
durch eine vorbestimmte relative Position wenigstens eines zweiten
Linsenelements kompensiert werden, so dass die gesamte Charakteristik
des einen und des zweiten Linsenelements rotationssymmetrisch ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann
das zweite Linsenelement die gleiche Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik wie
das wenigstens eine Linsenelement aufweisen. Damit wird die Beugungs-
und/oder Phasenverschiebungswirkung der beiden Linsenelemente, wenn
diese bzgl. der Rotationsachse in gleicher Position sind, maximal
verstärkt.
Diese Weiterbildung erlaubt auch eine einfache Herstellung des Linsenelements.
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Gemäß einer vorteilhaften Alternative
kann das zweite Linsenelement eine zu der des wenigstens einen Linsenelements
inverse Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen.
Auf diese Weise kann in einer vorherbestimmten relativen Anordnung
der beiden Linsenelemente eine Kompen sation der nichtrotationssymmetrischen
Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung des wenigstens einen
Linsenelements erzielt werden. Falls beispielsweise das wenigstens
eine Linsenelement in einem Bereich eine konvexe Wölbung aufweist
kann das zweite Linsenelement in einem entsprechenden Bereich eine
konkave Wölbung aufweisen.
Damit kann erreicht werden, dass in einer ersten relativen Anordnung
der Linsenelemente eine Maximierung der Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung
erreicht wird; in einer anderen relativen Anordnung kann eine Kompensation
der Wirkung erzielt werden. Vorzugsweise sind das wenigstens eine
und das zweite Linsenelement derart ausgebildet, dass die relative
Anordnung der beiden Linsenelemente mit minimaler Wirkung durch
eine relative Drehung um 90° aus
der Stellung maximale Wirkung entsteht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
der zuvor beschriebenen Linsensysteme kann das wenigsten eine Linsenelement
eine nichtrotationssymmetrische Dickenverteilung aufweisen. Vorzugsweise
kann die Dickenverteilung nichtkontinuierlich sein. Dies ermöglicht eine
genaue Einstellung eines definierten Fokus und/oder Pulsprofils.
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Wie bereits zuvor erwähnt, muss
ein Linsenelement nicht einen gesamten Wellenquerschnitt umfassen.
Vorzugsweise kann das wenigstens eine Linsenelement in Ringform
ausgebildet sein. Dadurch wird ein Teil des Strahls unbeeinflusst
gelassen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
kann das wenigsten eine Linsenelement wenigstens zwei Materialien
umfassen. Durch eine geeignete Wahl der Materialien mit bestimmten
Schallgeschwindigkeiten können
somit Linsenelemente mit gewünschten
Charakteristika hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise kann das wenigstens
eine Linsenelement einen formstabilen Werkstoff, insbesondere Polistyrol,
umfassen.
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Die Erfindung stellt außerdem einen
Stoßwellengenerator
mit einem Linsensystem der zuvor beschriebenen Art bereit. Die Verwendung
eines solchen Stoßwellengenerators
erlaubt es, die Stoßwellen
bei einer Therapie auf den jeweiligen Patienten anzupassen und dabei
die Nebenwirkungen bei gleichbleibender Effektivität zu verringern.
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Weitere Merkmale und Vorteile in
der Erfindung werden an Hand der folgenden Zeichnungen näher beschreiben.
Dabei zeigt
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1 in
schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linsensystems
in einem Stoßwellengenerator;
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2 in
schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linsensystems
in einem Stoßwellengenerator
mit einer ersten relativen Anordnung der Linsenelemente;
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3a das
Fokusprofil der Linsenanordnung von 2;
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3b das
Pulsprofil der Linsenanordnung von 2;
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4 das
zweite Ausführungsbeispiel
mit einer anderen Anordnung der beiden Linsenelemente;
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5a das
Fokusprofil für
die Anordnung der Linsenelemente von 4;
und
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5b das
Pulsprofil für
die Anordnung der Linsenelemente von 4.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Stoßwellengenerators.
Der Stoßwellengenerator
umfasst eine Stoßquelle 1,
bei der es sich beispielsweise um eine ebene (wie in der Figur gezeigt)
oder eine zylind rische elektromagnetische Quelle, eine ebene oder
kalottenförmige
piezoelektrische Quelle handeln kann. In dem Strahlengang der Stoßwelle ist
eine konvexe Linse 2 angeordnet, die der Fokussierung der
Stoßwelle
dient. In der der Stoßquelle
abgewandten Seite der Linse 2 sind Vertiefungen 3 angeordnet.
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Die Linse 2 besteht aus
einem Material mit einer anderen Schallgeschwindigkeit als das umgebende
Medium (z.B. Wasser). Auf Grund der Vertiefungen 3 sind
Teile einer Stoßwelle,
welche die Linse 2 in den Bereichen der Vertiefungen 3 verlassen,
gegenüber
anderen Teilen der Stoßwelle,
welche aus der Linse 2 in anderen Bereichen der Oberfläche austreten,
phasenverschoben. Die Vertiefungen 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel
in Form von Stufen ausgebildet; das Linsenelement 2 weist
somit eine nichtkontinuierliche Dickenverteilung auf.
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In Strahlungsrichtung nach dem Linsenelement 2 kommt
ein weiteres Linsenelement 4, das lediglich der Phasenverschiebung
dient; es wird nicht zur Fokussierung verwendet. Auf dem Linsenelement 4 sind
Erhöhungen 5 angeordnet.
Die Höhe
der Erhöhungen 5 entspricht
der Tiefe der Vertiefungen 3. Beide Linsenelemente 2 und 4 sind
koaxial bzgl. der Achse 6 angeordnet, wobei das Linsenelement
4 um die Achse 6 rotierbar ist, wie durch den Pfeil angedeutet
wird.
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In der in 1 gezeigten relativen Stellung der Linsenelemente 2 und 4 zueinander,
kompensieren sich die durch die Vertiefungen 3 und Erhöhungen 5 erzielten
Phasenverschiebungen. Auf Grund der sich entsprechenden Verzögerungs-
oder Beschleunigungsstrecken in den Linsenelementen 2 und 4,
haben die beiden Linsenelemente zueinander inverse Phasenverschiebungscharakteristika.
Die resultierende Stoßwellenfront
ist durch die Linie mit der Bezugsziffer 9 angedeutet.
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Wird das Linsenelement 4 um
die Achse 6 gedreht, so dass die Stufen 3 und 5 nicht
mehr übereinander
liegen, durchläuft
eine Stoßwelle
je nach Bereich der Linsenelemente 2 und 4 unterschiedliche Strecken
in dem Linsenmaterial. Dadurch erfahren Teile der Stoßwelle,
je nach gewähltem
Material, eine Beschleunigung oder eine Verzögerung gegenüber anderen
Teilen der Stoßwelle.
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Statt der in 1 gezeigten Form, können die Vertiefungen 3 und
Erhöhungen 5 auch
bis zum Mittelpunkt der Linsenelemente reichen. Neben den gezeigten
Stufen mit einer bestimmten Höhe
bzw. Tiefe können
auch weitere Stufen mit unterschiedlicher Höhe bzw. Tiefe vorhanden sein.
Auch die gezeigten Stufen können
unterschiedliche Abmessungen aufweisen; dies gilt sowohl für Stufen
innerhalb eines der Linsenelemente als auch für die Stufen in verschiedenen
Linsenelementen.
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Die Linsenelemente können aus
einem Material mit höherer
Schallgeschwindigkeit (z.B. Polistyrol) oder mit niedrigerer Schallgeschwindigkeit
(z.B. Silikonkautschuk) als das umgebende Ausbreitungsmedium (z.B.
Wasser) bestehen. Aus Gründen
der Formstabilität
können
die Linsenelemente aus einem formstabilen Werkstoff wie z.B. Polistyrol
gefertigt sein.
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Die Rotation des Linsenelements 4 kann
von Hand durch einen Hebel von außen oder etwa mit einem Stellmotor
erfolgen. Auch das andere Linsenelement 2 kann beweglich
sein.
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2 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Stoßwellengenerators.
In diesem Beispiel kommt nach der elektromagnetischen Quelle 1 eine
konvexe Linse 2, die lediglich der Fokussierung dient.
Die Linse 2 wird gefolgt von zwei Linsenelementen 7 und 8,
welche jeweils die gleiche Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen.
In der gezeigten Anordnung nimmt die Dicke des Linsenelements vom
Mittelpunkt aus nach links und rechts zu.
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In 2 sind
die Linsenelemente 7 und 8 derart zueinander angeordnet,
dass sich die Phasenverschiebung beider Linsenelemente maximal verstärkt, da
sich die phasenverzögernden
Bereiche (bei einem Material mit niedrigerer Schallgeschwindigkeit als
das Umgebungsmedium) übereinander
befinden.
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Die resultierende Stoßwellenfront
ist durch die Linie 9 angedeutet. Wie man erkennen kann,
sind die Randbereiche links und rechts der Wellenfront im Vergleich
zu einer nicht verzögerten
Stoßwellenfront 10 etwas
zurückgeblieben.
Die entsprechende Druckverteilung im Fokus 11 ergibt sich
aus den gezeigten Isobaren.
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In 3a ist
die Ortsabhängigkeit
des Drucks p nochmals gezeigt. Man erkennt die räumliche Defokussierung der
Stoßwellenfront. 3b stellt das Pulsprofil
dar. Auch die zeitliche Defokussierung der Stoßwellenfront ist somit maximal.
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In 4 ist
das Ausführungsbeispiel
des Linsensystems von 2 gezeigt,
wobei hier die Linsenelemente 7 und 8 relativ
zu der in 2 gezeigten
Anordnung um 90° gegeneinander
verdreht sind. Somit werden die Phasenverschiebungen kompensiert.
Jeder Teil der Stoßwelle
durchläuft
die gleiche Materialdicke mit von dem Umgebungsmedium abweichender
Schallgeschwindigkeit, so dass die gesamte Stoßwellenfront dieselbe Beschleunigung bzw.
Verzögerung
erfährt.
Die resultierende Stoßwellenfront 10 entspricht
somit der eines Stoßwellengenerators
ohne Linsenelemente 7 und 8.
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Die resultierende Druckverteilung
bzw. das resultierende Pulsprofil sind in 5a und 5b gezeigt.
Man erkennt, dass die Stoßwelle
sowohl räumlich
(5a) als auch zeitlich
(5b) maximal fokussiert
ist.
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Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Linsenelemente
sind lediglich Illustrationen des erfindungsgemäßen Linsensystems. Es ist klar,
dass beispielsweise die Linsenelemente 7 und/oder 8 auch vor
der konvexen Linse 2 angeordnet sein können. Auch sind andere Kombinationen
von Linsenelemen ten insbesondere mit anderen Dickenverteilungen oder
aus verschiedenen Materialien denkbar.
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In den Ausführungsbeispielen sind ebene elektromagnetische
Stoßquellen
gezeigt. Linsenelemente für
andere Stoßquellen
(beispielsweise zylindrische oder kalottenförmige Quellen) können in
analoger Weise konstruiert werden.