DE10340624A1 - Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle - Google Patents

Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle Download PDF

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Abstract

Eine Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle enthält einen elektromagnetischen Stoßwellengenerator (3) mit einer metallischen Membran (8), die eine Stoßwelle in einem an die Membran (8) angrenzenden Koppelmedium (18) erzeugt. Die akustische Impedanz des Koppelmediums (18) ist kleiner als 1 Mrayl. In einem Abstand (a) von der Membran, der größer als ein Vielfaches der Grundwellenlänge der Stoßwelle ist, befindet sich eine akustische Linse (12) zum Fokussieren der Stoßwelle. Der sich zwischen der akustischen Linse (12) und der Membran (8) befindliche Zwischenraum (16) ist vom Koppelmedium (18) ausgefüllt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle, wie sie beispielsweise aus der DE 41 25 375 C1 bekannt ist.
  • Eine solche Stoßwellenquelle wird beispielsweise bei der extrakorporalen Lithotripsie, insbesondere bei der Zertrümmerung von Konkrementen im Inneren einer Niere eingesetzt. Bei der aus der DE 41 25 375 C1 bekannten Stoßwellenquelle wird die Stoßwelle mit einem elektromagnetischen Verfahren erzeugt. Bei diesem Verfahren wird ein Hochspannungskondensator schlagartig über eine Flachspule entladen, vor der als Sekundärspule eine metallische Membran, in der Regel eine Kupfermembran, angeordnet ist. Flachspule und metallische Membran sind durch eine zwischengelegte Isolierfolie voneinander elektrisch isoliert. Durch die gegenseitige magnetische Abstoßung der beiden Spulen wird die Membran stoßartig bewegt und erzeugt in einem angrenzenden Koppelmedium eine ebene Druckwelle, die mit einer akustischen Linse in einem Fokus gebündelt wird. Dabei ist als Koppelmedium in der Regel Wasser vorgesehen.
  • Um eine möglichst verlustfreie Einkoppelung der Stoßwelle in das Wasser sicherzustellen, ist bei der bekannten Stoßwellenquelle vorgesehen, zwischen der Membran und der Wasserstrecke eine Schicht anzuordnen, deren akustische Impedanz kleiner als die akustische Impedanz von Wasser ist. Diese Schicht dient als sogenannte λ/4- Anpassungsschicht und soll wenigstens ein Viertel der Wellenlänge der Grundwelle der Stoßwelle betragen. Um als Anpassungsschicht wirksam zu sein, d.h. um sicherzustellen, dass die an der von der Membran abgewandten Grenzfläche der Schallwelle sich zu einem signifikanten Anteil der Stoßwelle konstruktiv überlagert, darf die Dicke dieser Schicht die Größenordnung einer Wellenlänge nicht we sentlich überschreiten. Um als λ/4- Anpassungsschicht wirksam zu sein, muss außerdem die Schichtdicke möglichst genau eingehalten werden. Dies ist mit einem erhöhten fertigungstechnischen Aufwand verbunden. Darüber hinaus ist die Stoßwelle aufgrund des impulsförmigen Verlaufes nicht aus Schallwellen einer einzigen Wellenlänge zusammengesetzt, so das die Wirksamkeit der λ/4- Anpassungsschicht begrenzt ist.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle anzugeben, die bei hohem Wirkungsgrad mit einem fertigungstechnisch vertretbaren Aufwand herstellbar ist.
  • Die genannte Aufgabe wird gelöst mit einer Stoßwellenquelle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Stoßwellenquelle einen elektromagnetischen Stoßwellengenerator, der eine metallische Membran zum Erzeugen einer Stoßwelle in einem an die Membran angrenzenden Koppelmedium enthält, dessen akustische Impedanz kleiner als 1 MRayl ist. In einem Abstand von der Membran, der größer als ein Vielfaches der Grundwellenlänge der Stoßwelle ist, ist eine akustische Linse zum Fokussieren der Stoßwelle angeordnet, wobei der zwischen der akustischen Linse und der Membran befindliche Zwischenraum vom Koppelmedium ausgefüllt ist. Größer als ein Vielfaches der Grundwellenlänge heißt, dass der Abstand nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Grundwellenlänge sein muss.
  • Durch die Verwendung eines Koppelmediums zwischen der akustischen Linse und der Membran, dessen akustische Impedanz kleiner als 1 MRayl ist, und in dem der von der Stoßwelle zurückgelegte Weg größer als ein Vielfaches ihrer Grundwellenlänge ist, ist die in das Koppelmedium eingekoppelte Schallenergie vom Abstand zwischen der Linse und der Membran, d. h. der Dicke des als Zwischenschicht dienenden Koppelmediums, unabhängig. Da es sich außerdem bei der Stoßwelle um eine im wesentlichen ebene Welle handelt, ist der fertigungstechnische Aufwand hinsichtlich der zulässigen Toleranzen dieses Abstandes erheblich reduziert.
  • Durch die Verwendung eines Koppelmediums mit einer kleinen akustischen Impedanz sind die Verluste bei der Schallenergieeinkopplung erheblich reduziert ohne dass es der Verwendung einer λ/4- Anpassungsschicht bedarf.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Stoßwellenquelle gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt schematisch veranschaulicht ist.
  • Gemäß der Figur enthält die Stoßwellenquelle 2 einen Stoßwellengenerator 3 mit einer nur schematisch dargestellten Flachspule 4, vor der elektrisch durch eine Isolierfolie 6 getrennt eine metallische Membran 8 angeordnet ist. Die metallische Membran ist mit ihrem Rand in einem Stoßwellenrohr 10 gelagert, in dem sich die Stoßwelle zu einer akustischen Linse 12 ausbreitet. Diese fokussiert die von der Membran 8 erzeugte, im wesentlichen ebene Stoßwelle in einem Fokus F, der bei korrekt auf den Körper eines Patienten P aufgesetzter Stoßwellenquelle 2 mit dem Ort eines im Körper des Patienten P befindlichen Konkrementes K zusammenfällt.
  • Um eine flexible Ankopplung der Stoßwellenquelle 2 auf die Hautoberfläche des Patienten P zu ermöglichen, ist am freien Ende des Stoßwellenrohres 10 ein flexibler, mit Wasser gefüllter Koppelbalg 14 angeordnet.
  • Ein innerhalb des Stoßwellenrohres 10 zwischen der akustischen Linse 12 und der Membran 8 befindlicher Zwischenraum 16 ist vollständig mit einem Koppelmedium 18 ausgefüllt, dessen akustische Impedanz kleiner als 1 MRayl ist. Der Abstand a zwischen der akustischen Linse 12 und der Membran 8, d, h. die Länge der vom Koppelmedium 18 gebildeten Koppelstrecke ist größer als ein Vielfaches der Grundwellenlänge der von der Membran 8 unmittelbar in das Koppelmedium 18 eingekoppelten Stoßwelle. Diese Grundwellenlänge beträgt in der Praxis etwa zwischen 2 und 3 mm wobei sich ein Abstand a zwischen etwa 20 und 50 mm als besonders geeignet herausgestellt hat. Dieser Abstand a ist nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge. Durch den relativ großen Abstand der der Membran 8 zugewandten brechenden Fläche 20 der Linse 12 kann diese, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, konkav gekrümmt sein, da die an dieser Grenzfläche stattfindende Reflexion auf Grund der langen Laufzeit zurück zur Membran keinen störenden Einfluss mehr ausübt. Durch die Verwendung einer bikonkaven akustischen Linse 12, deren brechende Flächen 20 und 22 für dieselbe Brechkraft einen kleineren Krümmungsradius aufweisen müssen als eine Plankonkavlinse derselben Brechkraft. Dadurch werden die Fokuseigenschaften der fokussierten Stoßwelle verbessert.
  • Die akustische Linse 12 besteht vorzugsweise aus einem polymeren Werkstoff, insbesondere aus Polystyrol PS.
  • Als akustisches Koppelmedium 18 haben sich insbesondere feste oder flüssige Koppelmedien herausgestellt, deren akustische Impedanz zwischen 0,2 und 0,8 MRayl beträgt. Geeignete flüssige Koppelmedien sind beispielsweise Isopentan mit Z = 0,62 MRayl und Silikonöl mit Z = 0,74 MRayl (Dow 200, 1 centistoke von Dow Corning, siehe auch Tabelle "Acoustic Properties of Liquids", http://www.ondacorp.com/tables/Liquids.pdf). Geeignete feste Koppelmedien sind beispielsweise Silikongele, wie sie unter der Bezeichnung Silgel 604 mit einer Impedanz von 0,94 MRayl von der Firma Wacker zu beziehen sind. Ein Feststoff mit kleiner Impedanz kann auch dadurch erzeugt werden, dass in einem polymeren Werkstoff Hohlräume eingebracht werden, die mit einem Material mit niedrigerer akustischer Impedanz, beispielsweise mit einem Gas gefüllt sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Stoßwellenquelle kann die in die akustische Linse 12 übertragene Energie gegenüber den bekannten Aufbauten um 20 bis 40% steigen. Damit ist auch die im Fokus verfügbare Schallenergie erhöht, so dass bei gleicher Energiedichte im Fokus die der Flachspule zugeführte elektrische Energie reduziert werden kann. Dies ist mit einem vereinfachten Hochspannungsaufbau oder mit einer verlängerten Lebensdauer der Stoßwellenquelle verbunden.

Claims (8)

  1. Stoßwellenquelle zum Erzeugen einer fokussierten Stoßwelle, mit einem elektromagnetischen Stoßwellengenerator (3), der eine metallische Membran (8) zum Erzeugen einer Stoßwelle in einem an die Membran (8) angrenzenden Koppelmedium (18) enthält, dessen akustische Impedanz kleiner als 1 MRayl ist, sowie mit einer akustischen Linse (12) zum Fokussieren der Stoßwelle, deren Abstand (a) von der Membran größer als ein Vielfaches der Grundwellenlänge der Stoßwelle ist, wobei der sich zwischen der akustischen Linse (12) und der Membran (8) befindliche Zwischenraum (16) vom Koppelmedium (18) ausgefüllt ist.
  2. Stoßwellenquelle nach Anspruch 1, bei der als Koppelmedium (18) ein Feststoff vorgesehen ist.
  3. Stoßwellenquelle nach Anspruch 1, bei der als Koppelmedium (18) eine Flüssigkeit vorgesehen ist.
  4. Stoßwellenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die akustische Impedanz des Koppelmediums (18) zwischen 0,2 MRayl und 0,8 MRayl liegt.
  5. Stoßwellenquelle nach Anspruch 4, bei der als Koppelmedium (18) Isopentan vorgesehen ist.
  6. Stoßwellenquelle nach Anspruch 4, bei der als Koppelmedium (18) Silikonöl vorgesehen ist.
  7. Stoßwellenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die akustische Linse (12) aus einem polymeren Werkstoff besteht.
  8. Stoßwellenquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als akustische Linse (12) eine Bikonkavlinse vorgesehen ist.
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DE202009012955U1 (de) 2009-09-24 2009-12-10 Ast Gmbh Elektrohydraulische Elektrode
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