DE19914809A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von fokussierten Stoßwellen - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung von fokussierten Stoßwellen

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von fokussierten Stoßwellen werden die bei hohen Drücken auftretenden Nichtlinearitäten in der Wellenausbreitung durch abbildende Systeme kompensiert, deren Abbildungsfunktion bei angenommener linearer Ausbreitung der Wellen einen Ringfokus ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei bekannten Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art z. B. Lithotriptern werden die von einer Stoßwellenquelle erzeugten Stoßwellen durch ein abbildendes System etwa einer akustischen Linse oder einem Reflektor gebündelt. Das abbildende System weist eine Form auf, welche nach den Gesetzen der geometrischen Optik berechnet ist und bei angenommener linearer Ausbreitungscharakteristik ideal auf einen Fokuspunkt abbildet.
Nachteilig beim Stand der Technik hat sich herausgestellt, daß das derart berechnete abbildende System die Stoßwellen nicht so fokussiert wie es Lichtstrahlen fokussieren würde.
Es hat sich gezeigt, daß ab einer bestimmten Druckintensität in Fokusnähe eine nichtlineare Ausbreitungscharakteristik auftritt. Dies führt zu einer ausgeprägten axialen Kaustik.
Diese Kaustik macht sich durch langgezogene Isobaren bemerkbar und hat beim Einsatz der bekannten Vorrichtung zu therapeutischen Zwecken den Nachteil, daß auch ausserhalb des nach den Gesetzen der Strahlenoptik errechneten Fokus ein hoher Druck herrscht, der zu Beeinträchtigungen des mit diesem Druck beaufschlagten Gewebes führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher derjenige Bereich, in welchem ein therapeutisch hoher Druck herrschen soll möglichst eng begrenzt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1.
Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und/oder Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Überlegungen, welche zu der Entstehung der vorliegenden Erfindung führten, gingen von der Erkenntnis aus, daß die Auswirkungen der nichtlinearen Ausbreitung durch den Einsatz von speziell gestalteten abbildenden Systemen kompensiert werden können.
Es hat sich gezeigt, daß ein abbildendes System, welches unter idealen Bedingungen, (d. h. ausschließlich lineare Ausbreitung) auf einem Ring fokussiert, geeignet ist.
Bei einem solchen abbildenden System ergibt sich eine Überschneidungszone der Teilstrahlen, die eine andere axiale Lage als die Ringfokusebene aufweist. Die Überschneidungszone liegt je nach Auslegung des abbildenden Systems vor oder nach der Ringfokusebene.
Die dominierende nichtlineare Ausbreitung führt in erfinderischer Weise zu einem Druckmaximum etwa im Bereich der Überschneidungszone, wobei in erfinderischer Weise die Zone der Isobaren axial deutlich verkürzt ist.
Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber den bekannten abbildenden Systemen mit punktförmiger Abbildungscharakteristik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren, die unterschiedliche Ausführungsbeispiele zeigen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die Stoßwellenquelle S flächenhaft ausgebildet ist. Mit der Stoßwellenquelle S sind im wesentlichen ebene Stoßwellen erzeugbar. Das abbildende System besteht aus diffraktiven Elementen und erzeugt bei angenommener linearer Ausbreitungscharakteristik einen Ringfokus.
Dieser Ringfokus wird im vorliegenden Beispiel erzeugt, indem man eine ideale rotationssymmetrische Linse 1 mit einem rotationssymmetrischen Prisma 2 kombiniert.
Der Ringfokus liegt in der Ebene 3.
Durch den Einsatz des Prismas 2 werden Teilstrahlen erzeugt, die in der gewählten Schnittdarstellung mit 4a und 4b bezeichnet sind. Die Teilstrahlen 4a und 4b kreuzen sich zwischen der Oberfläche des Prismas 2 und der Ebene 3. Der Kreuzungsbereich ist mit 5 beziffert.
Dominiert nun nichtlineare Ausbreitung in der Fokusregion, so ergibt sich im Kreuzungsbereich 5 ein Druckmaximum, welches axial begrenzt ausgebildet ist und etwa bis zur Ebene 3 reicht.
Je nach Ausgestaltung des Prismas 2 läßt sich der Kreuzungsbereich axial vor oder nach der Ringfokusebene erzeugen.
Eine weitere Möglichkeit, ein abbildendes System zu schaffen, welches nach den Gesetzen der Strahlenoptik auf einen Ringfokus fokussiert besteht darin, daß man die Linse und das Prisma zu einem homogenen Körper zusammenfügt, bzw. einen Körper einstückig herstellt, der die gleichen Aussenkonturen aufweist wie das zusammengesetzte Linsen/Prisma System.
Eine weitere Möglichkeit eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zu realisieren ist anhand Fig. 2 beschrieben.
Bei dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die Stoßwellenquelle 6 eine kugelförmige Wellenausbreitung und das abbildende System ist als Reflektor 7 ausgebildet, durch den die Stoßwellen bei linearer Ausbreitungscharakteristik auf einen Ring, der in der Ebene 8 liegt, fokussierbar sind.
Der Reflektor 7 ist beispielsweise als Ellipsoid ausgebildet, welches modifiziert wurde, indem dem idealen Ellipsoid eine Kontur überlagert ist, welche zu einer lateralen Aufweitung des Fokus führt. Hierdurch entsteht ein Kreuzungsbereich 9 in welchem das Druckmaximum axial begrenzt ausgebildet ist.
Die Fig. 3 zeigt nun eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die Stoßwellenquelle 10 flächenhaft von einer Mantelfläche abstrahlt und das abbildende System als ein Reflektor 11 ausgebildet ist. Dieser Reflektor 11 ist beispielsweise als ein modifiziertes Paraboloid ausgebildet. Hierzu wird ein ideales Paraboloid mit einer Kontur überlagert. Hierdurch werden die von der Stoßwellenquelle 10 ausgesendeten Stoßwellen - eine lineare Ausbreitungscharakteristik vorausgesetzt - auf einen Ring fokussierbar, der auf der Ebene 12 liegt.
Neben dem Einsatz zu therapeutischen Zwecken ist der erfindungsgemäße Vorteil des axial eng begrenzten Druckmaximums überall dort einzusetzen, wo ein vorgegebener eng definierter Bereich eines Materials mit einem hohen Druck beaufschlagt werden soll. Mögliche Anwendungsgebiete sind hierfür z. B. Materialprüfungen oder auch die Materialbearbeitung.
Bezugszeichenliste
S Stoßwellenquelle
1
Linse
2
Prisma
3
Fokusebene
4
a,
4
b Teilstrahlen
5
Kreuzungsbereich
6
Stoßwellenquelle
7
Reflektor
8
Fokusebene
9
Kreuzungsbereich
10
Stoßwellenquelle
11
Reflektor
12
Fokusebene
13
Kreuzungsbereich

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von fokussierten Stoßwellen, mit
  • - einer Stoßwellenquelle,
  • - einem abbildenden System bestehend aus refraktären und oder reflektiven Elementen, mit welchen die von der Stoßwellenquelle ausgehenden Stoßwellen bündelbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
das abbildende System (1, 2, 7, 11) eine Form aufweist, welche von der idealen, auf einen Punkt fokussierenden Form abweicht und wodurch die nichtlineare Ausbreitungscharakteristik der Stoßwellen kompensierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende System (1, 2, 7, 11) eine Form aufweist, durch welche die Stoßwellen - eine lineare Ausbreitungscharakteristik vorausgesetzt - auf einen Ring fokussierbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende System (1, 2, 7, 11) eine Form aufweist, bei welcher - nach den Gesetzen der Strahlenoptik berechnet - die Strahlen gekreuzt verlaufen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stoßwellenquelle (S) flächenhaft ausgebildet ist und mit der Stoßwellenquelle (S) im wesentlichen ebene Stoßwellen erzeugbar sind und
das abbildende System aus einer rotationssymmetrischen Linse (1) und einem rotationssymetrischen Prisma (2) besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das abbildende System bestehend aus Linse und Prisma zu einem optischen Element verschmolzen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenquelle (6) eine kugelförmige Wellenausbreitung erzeugt und das abbildende System als ein Reflektor (7) ausgebildet ist, durch den die Stoßwellen - eine lineare Ausbreitungscharakteristik vorausgesetzt - auf einen Ring fokussierbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenquelle (6) eine kugelförmige Wellenausbreitung erzeugt und das abbildende System aus einem Ellipsoid besteht, dem eine Kontur überlagert ist, welche zu einer lateralen Aufweitung des Fokus führt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenquelle (11) flächenhaft von einer Mantelfläche abstrahlt und das abbildende System als ein Reflektor (12) ausgebildet ist, durch den die Stoßwellen - eine lineare Ausbreitungscharakteristik vorausgesetzt - auf einen Ring fokussierbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenquelle (11) flächenhaft von einer Mantelfläche abstrahlt und das abbildende System aus einem Paraboloid (12) besteht, dem eine Kontur überlagert ist, welche zu einer lateralen Aufweitung des Fokus führt.
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