DE19814331A1

DE19814331A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von akustischen Druckpulsen

Info

Publication number: DE19814331A1
Application number: DE19814331A
Authority: DE
Inventors: Harald Eizenhoefer
Original assignee: Dornier Medtech Holding International GmbH
Current assignee: Dornier Medtech Holding International GmbH
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-14

Abstract

Die Vorrichtung weist eine als induktive Last (10) ausgebildete elektromagnetische Druckwelleneinheit und einen Generator (1) auf, der einen Stromstoß für die Last erzeugt und diesen geschaltet auf die Last überträgt. Hierzu weist der Generator zumindest einen Halbleiter-Leistungsschalter (5) und zumindest einen sättigbaren Induktor (9) auf, über den der Stromstoß zur Last fließt. Der Leistungspuls kann auch zur besseren Impedanzanpassung der Last über einen Impulstransformator (13) an die Last (10) geleitet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeu gen von akustischen Druckpulsen, einen sogenannten Druck wellengenerator, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1. Unter Druckpulsen werden hierbei aufgesteilte als auch nicht aufgesteilte akustische Wellen in Flüssigkeiten verstanden.

Derartige Druckwellengeneratoren werden im Medizinbereich z. B. zur Zertrümmerung von Nierensteinen eingesetzt; in neuerer Zeit werden diese Druckwellengeneratoren jedoch auch zur Schmerztherapie verwendet, wobei sowohl fokussier te, jedoch auch unfokussierte Druckwellen eingesetzt wer den.

Derartige Druckwellengeneratoren weisen in der Regel einen Kondensator auf, dessen Ladung dann in einem kurzen Strom stoss auf den elektro-akustischen Wandler (EMSE, Piezo, Ma gneto-striktiv, elektrohydraulisch) geleitet wird. Als Schalter zum Einleiten des Entladevorganges des Kondensa tors werden hierbei Funkenstrecken, aber auch elektronische Röhren, z. B. ein Thyratron verwendet. Derartige Schalter sind verschleißbehaftet und sehr teuer und werden dieses wohl auch in Zukunft bleiben, da der Markt für derartige Schalter begrenzt und in keinem Falle ein Massenmarkt ist. Wenn auf der anderen Seite derartige Druckwellengeneratoren immer häufiger zur Schmerztherapie eingesetzt werden, so wäre es wünschenswert, diese Geräte kostengünstiger anbie ten zu können. Ausserdem sollten diese Geräte wartungsfrei sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zum Erzeugen von kurzen Hochleistungs-Strompulsen für medizinische Druckpulsquellen anzugeben, bei der insbe sondere der aufwendige, teure und auch nicht wartungsfreie Schalter ersetzt wird.

Diese Aufgabe ist gemäss der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Demgemäss wird in dem Druckwellengenerator ein oder mehrere Halbleiter-Leistungsschalter in Verbindung mit zumindest einem sättigbaren Induktor eingesetzt, über den der Strom stoss zur Last fliesst. In einer Ausführung dient der sät tigbare Induktor als magnetische Einschaltstrombegrenzung. In einer weiteren Ausführung dient der sättigbare Induktor zur magnetischen, einstufigen Pulskompression. Mehrstufige Kompressionen können entsprechend ausgeführt werden. Ebenso sind Kombinationen aus Einschaltstrombegrenzung und Puls kompression denkbar.

Zum Erzeugen des Stromstosses können also mehrere hinter einander geschaltete LC-Schwingkreise verwendet werden, wo bei dann die Ladung eines ersten Kondensators ein- oder gar mehrfach auf weitere Folgekondensatoren in den anderen Schwingkreisen umgeladen wird und der Stromstoss jeweils zeitlich komprimiert wird.

Es ist ferner möglich, den Stromstoss auf die Last über ei nen Transformator zu leiten, so dass eine Impedanzanpassung möglich ist.

Trotz der im Gegensatz zu Generatoren mit elektronischen Schaltröhren im allgemeinen komplexeren Schaltung eines Druckwellengenerators gemäss der Erfindung können als Ein zelteile jeweils kostengünstige Elemente verwendet werden. Der verwendete Halbleiter-Leistungsschalter, z. B. ein Thy ristor, wird in vielen Varianten z. B. in der elektrischen Antriebstechnik verwendet; sowohl Halbleiterschalter wie Induktor sind praktisch verschleissfrei.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Un teransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druck wellengenerators gemäss der Erfindung mit einstufiger Pulskompression;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druck wellengenerators gemäss der Erfindung mit Einschaltstrombegrenzung; und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druck wellengenerators gemäss der Erfindung mit ei nem Übertragungstransformator und mit Ein schaltstrombegrenzung.

In Fig. 1 ist ein Schaltungsschema eines Druckwellengene rators 1 dargestellt, der zwei LC-Schwingkreise 3 und 4 aufweist. Der erste Schwingkreis 3 weist einen ersten Kon densator C₁ auf, der von einem nicht gezeigten Kondensator ladegerät mit einer Spannung von etwa 3 bis 4 kV aufgeladen wird. Dieser erste Schwingkreis weist weiterhin einen Halb- - leiter-Leistungsschalter 5 aus einem Thyristor kund einer Diode 7 sowie eine Induktivität 8 auf. Teil dieses ersten Schwingkreises ist ferner ein zweiter Kondensator C₂, der ebenfalls dem zweiten Schwingkreis 4 gemeinsam mit einem sättigbaren Induktor 9 und der als induktive Last 10 ausge bildeten elektromagnetischen Druckwellenquelle 10 angehört. Der sättigbare Induktor 9 ist mit der Last 10 über ein Ka bel 11 verbunden.

Es ist selbstverständlich, dass in dem ersten Schwingkreis 3 die Position von Thyristor 6 (mit Freilaufdiode 7) ver tauscht werden kann mit derjenigen des Kondensators C₁. Ebenso ist als Halbleiter-Leistungsschalter anstelle des Thyristors auch ein anderer Halbleiter-Leistungsschalter denkbar, so z. B. ein IGBT- oder ein MOSFET-Schalter.

Der durch das Kondensatorladegerät aufgeladene Kondensator C₁ wird über den Halbleiterschalter, wenn dieser auf Durch gang geschaltet wird, auf den zunächst nicht geladenen Kon densator C₂ geschaltet. Die Ladung des ersten Kondensators c₁ geht mit einer Zeit konstanten ω₁ relativ langsam auf den zweiten Kondensator C₂ über. Ein kleiner Anteil des Lade stromes fliesst natürlich auch über den sättigbaren Induk tor 9 und das Kabel 11 zur Last, jedoch wird dieser Strom durch den sättigbaren Induktor 9 gering gehalten. Der In duktor und die Kondensatoren sind so bemessen, dass erst zu dem Zeitpunkt, wenn praktisch die gesamte Ladung von dem ersten Kondensator C₁ auf den zweiten Kondensator C₂ umge laden worden ist, der sättigbare Induktor 9 in Sättigung gerät und damit niederinduktiv wird. In diesem Moment fliesst ein hoher Entladestrom sehr schnell mit einer durch den Schwingkreis 4 vorgegebenen Zeit konstanten ω₂ durch die induktive Last 10, wo ein akustischer Puls erzeugt wird.

Mit der Schaltung gemäss Fig. 1 wird eine einstufige ma gnetische Kompression des Stromstosses mit Hilfe des sät tigbaren Induktors erreicht. Es ist natürlich möglich, wie bereits oben angedeutet, durch-mehrere derartige Stufen ei ne mehrstufige magnetische Pulskompression zu erzielen.

In Fig. 2 ist ein Druckwellengenerator 1 mit lediglich ei nem Kondensator c dargestellt. In dem schematischen Schal tungsbild sind für gleiche oder gleichwirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Dieser Druckwellengenerator 1 weist lediglich einen LC- Serienschwingkreis aus einem Kondensator C, einem sättigba ren Induktor 9, einer induktiven Last 10 und einem Halblei ter-Leistungsschalter 5 bestehend aus einem Thyristor 6 und einer Diode 7 auf. Der Kondensator C wird über ein Konden satorladegerät aufgeladen. Sobald der Halbleiter- Leistungsschalter 5 getriggert wird, fliesst nach einer durch den sättigbaren Induktor definierten Verzögerungszeit ein hoher Stromstoss durch die induktive Last 10, wodurch der gewünschte akustische Puls erzeugt wird. Der sättigbare Induktor 9 kann bei diesem Ausführungsbeispiel wesentlich kleiner als bei der Schaltung gemäss Fig. 1 dimensioniert sein, da er sozusagen nur zur magnetischen Unterstützung für wenige Mikrosekunden den Anstieg des Entladestromes verzögern muss, bis der Halbleiter nach seinem Triggern den voll-leitenden Zustand erreicht hat.

In Fig. 3 ist ein Druckwellengenerator 1 dargestellt, der nur einen LC-Serienschwingkreis aus einem Halbleiter- Leistungsschalter 5 bestehend aus einem Thyristor 6 und ei ner Diode 7, einem sättigbaren Induktor 9 und einem Konden sator C aufweist. In diesem Serienschwingkreis liegt noch die primärseitige Wicklung eines Impulstransformators 13, dessen Sekundärwicklung 14 über ein Kabel 11 mit der Puls quelle 10 verbunden ist. Nachdem der Kondensator C aufgela den ist, wird wiederum der Halbleiter-Leistungsschalter 5 in den leitenden Zustand getriggert, wobei der sättigbare Induktor 9 dafür sorgt, dass sich der Kondensator C erst dann schlagartig entlädt, wenn der Halbleiter- Leistungsschalter 5 den voll-leitenden Zustand erreicht hat. Dieser Stromstoss wird über den Impulstransformator 13 auf die Pulsquelle 10 übertragen. Mit Hilfe des Im pulstransformators 13 ist eine Impedanzanpassung möglich, d. h. die Impedanzen der Stoßstromquelle und des elektrome chanischen Wandlers können in einem grösseren Bereich va riiert werden. Dadurch kann das Gesamtsystem, bestehend aus Stoßstromquelle und elektromechanischem Wandler, auf einen höheren Wirkungsgrad optimiert werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen von akustischen Pulsen für medi zinische Zwecke, mit einer vorzugsweise als induktive Last ausgebildeten elektromagnetischen Pulswellenquelle und einem einen Stromstoss für die Last erzeugenden Gene rator, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zumin dest einen Halbleiter-Leistungsschalter (5, 6, 7) und zu mindest einen sättigbaren Induktor (9) aufweist, über die der Stromstoss zur Last (10) fliesst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen ersten LC-Schwingkreis (3) mit dem Halbleiter-Leistungsschalter (5, 6, 7) und einem ersten Kondensator (C₁) sowie zumindest einen weiteren LC- Schwingkreis (4) aufweist, der mit der Last verbunden ist und in dem der sättigbare Induktor (9) sowie ein zweiter, nach Schalten des Halbleiter-Leistungsschalters (5, 6, 7) durch den ersten Kondensator (C₁) aufzuladender zweiter Kondensator C₂ liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen LC-Serienschwingkreis mit einem auf zuladenden Kondensator (C), dem sättigbaren Induktor (9), und dem Halbleiter-Leistungsschalter (5, 6, 7) aufweist, der mit der Last (10) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Stromsto sses von dem Generator auf die Last (10) über einen Transformator (13) erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Halbleiter- Leistungsschalter (5, 6, 7) aus einem triggerbaren Thyri stor (6) und einer antiparallel geschalteten Diode (7) zusammengesetzt ist.