DE19916891C1 - Einrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen und Verwendung einer derartigen Einrichtung - Google Patents

Abstract

Einrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen mit einer Schaltungsanordnung (9), umfassend ein Schaltmittel und einen über das Schaltmittel entladbaren Hochspannungskondensator (C), wobei das Schaltmittel (S, S¶1¶, S¶2¶) einen Halbleiterschalter (10, 17) aufweist und wobei eine den Schaltbetrieb steuernde Steuerelektronik (14, 19) vorgesehen ist, die über eine Lichtleiterverbindung (15, 20) mit dem Halbleiterbauelement (18) kommuniziert und mittels der ein den Schaltvorgang initiierender Lichtimpuls erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung akusti­ scher Welle mit einer Schaltungsanordnung umfassend ein Schaltmittel und einen über das Schaltmittel entladbaren Hochspannungskondensator.

Akustische Wellen, beispielsweise akustische Stoßwellen, wie sie z. B. mittels eines aus der DE 41 43 540 C2 bekannten Li­ thotripsiegeräts erzeugbar sind, werden therapeutisch in der Medizintechnik genutzt, um Steine (Nieren-, Gallen-, Pankre­ as-, Speichelsteine) nicht-invasiv zu zertrümmern. Diese nicht-invasive Therapie wird Lithotripsie genannt. Die Druck­ amplitude einer mittels einer hierfür vorgesehenen Einrich­ tung erzeugten Stoßwelle kann durch Fokussierung dabei weiter verstärkt werden. Die auf den zu zerstörenden Stein gerichte­ te Stoßwelle bewirkt, daß im Stein zunächst Risse entstehen, in die Gewebsflüssigkeit eindringt. Die eigentliche Steinzer­ störung findet hauptsächlich durch Kavitation der eingedrun­ genen Flüssigkeit statt. Im Unterdruck der Stoßwelle implo­ dieren Flüssigkeitsblasen und reißen den Stein entzwei.

Bei der bei bekannten Lithotripsiegeräten vorgesehenen Ein­ richtung zur Erzeugung von Stoßwellen handelt es sich häufig um ein elektromagnetisches Stoßwellensystem, wie es in der EP 0 133 665 B1 beschrieben ist. Dieses umfaßt eine Schaltquel­ le, eine Ringspule sowie einen Hochspannungskondensator und ein Schaltmittel, wobei der Hochspannungskondensator über das Schaltmittel und die Ringspule entladen wird. Mittels des Schaltmittels wird ein Kurzschluß erzeugt. Beim Entladen der Kapazität fließt ein abklingender Strom, welcher ursächlich für einen mechanischen Druckaufbau in einer bestimmten Reso­ nanzfrequenz und damit für die Erzeugung von Stoßwellen ist. Die Arbeitsweise eines Lithotripsiegeräts ist an und für sich bekannt. Als Schaltmittel werden bei derartigen elektromagne­ tischen Systemen Funkenstrecken oder, wie in der DE 87 15 901 U1 beschrieben, ein Thyristor eingesetzt, welche die hohen Anforderungen, die an ein solches Schaltmittel gestellt sind, erfüllen. Ein solches Schaltmittel muß zum einen elektronisch schaltbar sein, zum anderen sollte die Triggerfrequenz ≦ 4 Hz sein. Die Ladespannung sollte ≦ 22 kV sein, der maximale Strom sollte ≦ 5 kA sein. Neben einer Stromanstiegsgeschwin­ digkeit von ≦ 3 kA/µs, die das Schaltmittel aushalten muß, sollte es bei einer Entladungsfrequenz von zirka 100 kHz we­ nigstens 1 Million mal schaltbar sein.

Wenngleich Funkenstrecken diese insbesondere hinsichtlich der Spannungs- und Stromtragfähigkeit wie auch der Stromanstiegs­ geschwindigkeit beachtlichen Anforderungen erfüllen, haben sie dennoch einige Nachteile. Zum einen ist das Schalten deutlich hörbar, ferner ist eine Zündspule im Energielade­ kreis zum Zünden der Funkenstrecke nötig. Auch besitzt das Funkenstreckenbauteil beachtlich große Abmessungen und einen begrenzten Dynamikbereich infolge der zum Durchschalten er­ forderlichen Mindestspannung. Auch die Lebensdauer von zirka 1 Million Schaltbetätigungen ist an der Grenze des Mindestge­ forderten.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Einrich­ tung zur Erzeugung akustischer Wellen mit einem alternativen, jedoch gleichermaßen wirksamen Schaltmittel anzugeben.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Einrichtung zur Er­ zeugung akustischer Wellen der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß vorgesehen, daß das Schaltmittel, über das der Hochspannungskondensator entladbar ist, einen wenigstens ein Halbleiterbauelement umfassenden Halbleiterschalter aufweist, wobei eine den Schaltbetrieb steuernde Steuerelektronik vor­ gesehen ist, die mit einer dem Halbleiterbauelement vorgeschalteten Elektronik oder direkt mit dem Halb­ leiterbauelement über eine Lichtleiterverbindung kommuniziert und mittels der ein den Schaltvorgang initiierender Lichtim­ puls erzeugbar ist.

In weiterer Erfindungsausgestaltung weist der Halbleiter­ schalter mehrere in Reihe geschaltete hochsperrende Halblei­ terbauelemente aufweist.

Der Halbleiterschalter, der hinsichtlich der elektronischen Anforderungen entsprechend auszulegen ist, besitzt gegenüber Funkenstrecken eine prinzipiell nicht begrenzte Lebensdauer, weiterhin zeigt er auch einen großen Dynamikbereich von 5% bis 100% der maximal erlaubten Spannung. Da am zu entladenden Hochspannungskondensator bis zu über 20 kV anliegen, umfaßt der Halbleiterschalter zweckmäßigerweise ein oder mehrere in Reihe geschaltete hochsperrende Halbleiterbauelemente, wobei abhängig von der zu entladenden Kondensatorspannung sowie der Höhe der maximalen Sperrspannung des jeweils verwendeten Halbleiterbauelements die Anzahl der den Halbleiterschalter bildenden Halbleiterbauelemente zu wählen ist. Dabei können die verwendeten Halbleiterbauelemente aus Silizium oder aber aus Siliziumkarbid sein, wobei Bauelemente aus Siliziumkarbid eine deutlich höhere Sperrfähigkeit je Bauelement besitzen.

Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann als Halblei­ terbauelement erfindungsgemäß ein IGBT (Insulated Gate Bipo­ lar Transistor) vorgesehen sein, wobei natürlich auch mehrere derartige Halbleiterbauelemente in Reihe geschaltet sein kön­ nen. Ein IGBT ist für hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit aus­ gelegt und hinsichtlich des Betriebs auf einfache Weise über den Gate-Kontakt steuerbar, wobei die zum Durchschalten er­ forderliche Gate-Spannung relativ niedrig ist. Die Sperrfä­ higkeit eines IGBT beträgt zirka 4,5 kV. Geht man beispiels­ weise von einer Kondensatorentladespannung von 22 kV aus, so wären unter Berücksichtigung eines hinreichenden Spannungs­ puffers beispielsweise sechs IGBT's in Reihe zu schalten.

Eine Alternative zum IGBT bildet ein Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO-Thyristor). Bekannte GTO-Thyristoren besitzen eine Sperrfähigkeit von bis zu zirka 6,5 kV. Im Vergleich zum IGBT sind hier also weniger Bauelemente nötig.

Eine dritte Alternative sieht als Halbleiterbauelement einen mit Licht zündbaren Thyristor vor. Ein solcher Thyristor wird direkt durch einen Lichtimpuls gezündet, die in manchen Be­ triebszuständen schwierige Generierung eines elektrischen Zündimpulses entfällt. Als viertes alternatives Halbleiter­ bauelement kann weiterhin ein elektrisch zündbarer Thyristor vorgesehen sein.

Im Falle der IGBT's und der GTO-Thyristoren sowie der elekt­ risch zündbaren Thyristoren wird von der Steuerelektronik der Steuerbefehl zur Zündung über die Lichtleiterverbindung an die jeweilige Bauelement-Elektronik gegeben und dort in einen elektrischen Zündimpuls umgesetzt. Die mit Licht zündbaren Thyristoren werden direkt mit dem Lichtimpuls beaufschlagt, was neben der Tatsache, daß zum Zünden keinerlei Zündspannun­ gen oder Zündströme zu erzeugen sind, den weiteren Vorteil der galvanischen Trennung von der Zündelektronik bietet. Da­ bei kann die Steuerelektronik eine gemeinsame Lichtquelle zur Erzeugung der den mehreren einzelnen Elektroniken oder den mehreren Bauelementen direkt zuzuführenden Lichtimpulse auf­ weisen, alternativ kann auch für jedes Halbleiterbauelement eine eigene Lichtquelle vorgesehen sein.

Die Erfindung wird in den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Lithotripsiegeräts,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Stoßwelle,

Fig. 3 eine Prinzipskizze des Schaltmittels mit in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen mit separater Bauelement-Elektronik, und

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Schaltmittels mit in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen mit direkter Ansteuerung über die Steuerelektronik.

Fig. 1 zeigt in Form einer teils geschnittenen, teils block­ schaltartigen Darstellung eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen, welche im Falle des vorlie­ genden Ausführungsbeispiels Bestandteil eines Lithotripsiege­ rät ist. Das Lithotripsiegerät 1 weist eine insgesamt mit 2 bezeichnete Quelle fokussierter akustischer Stoßwellen auf, die über einen Halter 3 an einer nur schematisch angedeuteten Verstelleinheit 4 angebracht ist. Diese erlaubt die Verstel­ lung der Quelle 2 in Richtung der Achsen x, y, z des in Fig. 1 angedeuteten räumlichen Koordinatensystems. An die Ver­ stelleinheit 4 ist eine Bedien- und Versorgungseinheit 5 an­ geschlossen, die alle zum Betrieb der Quelle 2 benötigten Ag­ gregate enthält und mit einer Tastatur zur Bedienung des Li­ thotripsiegeräts versehen ist.

Die Quelle 2 liegt über eine akustische Koppelmembran 6 an der Körperoberfläche eines Patienten P an, um die im Betrieb des Lithotripsiegeräts erzeugten fokussierten akustischen Stoßwellen in den Körper eines Patienten P einleiten zu kön­ nen, welcher beispielsweise einen Nierenstein N besitzt, der zu zerstören ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt die Einrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen eine Quelle akustischer Wellen, welche im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine in der Quelle 2 angeordnete elektromagnetische Druckimpulsquelle 7 zur Erzeugung von Stoßwellen in Form von Druckimpulsen ist, wie sie hinsichtlich Aufbau und Funktion in der EP-A-0 188 750 und der EP-A-0 301 360 beschrieben ist, sowie eine Schal­ tungsanordnung 9, die im Falle des vorliegenden Ausführungs­ beispiels Bestandteil der Bedien- und Versorgungseinheit 5 ist und die mit der Druckimpulsquelle 7 über eine entspre­ chende Leitung verbunden ist. Die Druckimpulsquelle 7 umfaßt in nicht dargestellter Weise einen Spulenträger, eine als Flachspule ausgebildete Ringspule und eine gegenüber der Flachspule isolierte metallische Membran. Die Quelle 2 ent­ hält außerdem eine akustische Sammellinse 8 zur Fokussierung der von der Druckimpulsquelle 7 erzeugten Druckimpulse auf einen Fokus F. Die Wirkungsweise einer derartigen Einrichtung ist an sich bekannt und wird in Fig. 2 in Form eines Ersatz­ schaltbilds nochmals kurz erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung des Stoßwellenerzeugungssystems eines Lithotripsiegeräts ge­ mäß Fig. 1. Diese besteht aus einem Hochspannungskondensator C mit einer Induktivität L_C, dem Schaltmittel S, der Zulei­ tungsinduktivität L_Z, der Streuinduktivität L_S sowie einem Membranwiderstand R_m. Bei dem Schaltmittel S handelt es sich um einen Halbleiterschalter, der in Form konkreter Ausgestal­ tungen in den Fig. 3 und 4 noch näher beschrieben wird. Wird der Hochspannungskondensator C mit Hilfe des Schaltmit­ tel S über die Ringspule entladen, so fließt ein abklingender Strom. Dieser Strom i₁(t) ist verknüpft mit einem magneti­ schen Fluß. Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses induziert einen Strom i₂(t) in dem Membranwiderstand. Für ei­ nen kleinen elektrischen Membranwiderstand R_m gilt, daß i₁(t) und i₂(t) näherungsweise phasengleich sind und die gleiche Amplitude haben, jedoch unterschiedliche Wirkrichtung. Der mechanische Druck, welcher dabei erzeugt wird, ist proportio­ nal zu i₁(t) × i₂(t)und hat damit die doppelte Resonanzfre­ quenz.

Die Fig. 3 und 4 zeigen konkrete Ausgestaltungen für un­ terschiedliche Ausführungsformen des Schaltmittels S. Fig. 3 zeigt ein Schaltmittel S₁ in Form eines Halbleiterschalters 10, bei welchem vier Halbleiterbauelemente 11 hintereinander geschaltet sind. Jedem Halbleiterbauelement 11 ist eine eige­ ne Elektronik 12 zugeordnet, welche den jeweiligen Schaltvor­ gang steuert. Die jeweiligen Elektroniken 12 sind über ent­ sprechende Verbindungen 13 mit dem Gate-Kontakt des jeweili­ gen Halbleiterbauelements verbunden. Der Schaltzeitpunkt wird über eine übergeordnete Steuerelektronik 14 gesteuert, die über Lichtleiter 15 mit der jeweiligen Elektronik 12 der ein­ zelnen Halbleiterbauelemente 11 verbunden ist. Im gezeigten Beispiel besitzt die Steuerelektronik eine einzelne Licht­ quelle 16 zur Erzeugung des Schalt-Lichtimpulses, welcher ü­ ber die Lichtleiter 15 an die Elektroniken 12 gegeben wird und der dort in einen elektrischen Zündimpuls, der dann wie­ derum an das jeweilige Gate des Halbleiterbauelements 11 ge­ geben wird, umgesetzt wird. Bei den Halbleiterbauelementen 11, die in einem solchen Schaltmittel zum Einsatz kommen kön­ nen, kann es sich um IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transis­ tor) oder aber um GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off Thyristor) oder elektrisch zündbare Thyristoren handeln. Die Anzahl der in Reihe geschalteten IGBT's oder Thyristoren hängt von der Höhe der Entladespannung des Kondensators sowie der maximalen Sperrspannung des einzelnen Halbleiterbauelements ab. Bisher bekannte IGBT's weisen eine geringere Sperrfähigkeit (ca. 4,5 kV) im Vergleich zu GTO-Thyristoren (ca. 6,5 kV) auf, weshalb im Falle der Verwendung von IGBT's mehr Bauelemente hinter­ einander geschaltet werden müssen. Die Sperrfähigkeit elekt­ risch zündbarer Thyristoren beträgt demgegenüber 8 kV bis 12 kV.

Im Hinblick auf die auftretenden Stromsteilheiten von bis zu 3 kA/µs sind sogenannten "hard driven" GTO-Thyristoren zu verwenden. Bei diesen wird der zur Zündung des jeweiligen GTO-Thyristors notwendige Gate-Impuls sehr schnell (ca. 100 A/µs) angelegt. Im Vergleich zu dem relativ hohen Gate-Strom zur Zündung der GTO-Thyristoren wird zur Zündung der IGBT's eine relativ niedrige Zündspannung benötigt. Die Ansteuerung wird hierdurch etwas vereinfacht.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Schaltmittel S₂ in Form eines Halb­ leiterschalters 17. Bei den dort verwendeten Halbleiterbau­ elementen 18 handelt es sich um mit Licht zündbare Thyristo­ ren. Die Lichtzündung erfolgt über eine gemeinsame Steuer­ elektronik 19, die mit den jeweiligen Thyristoren über Licht­ leiter 20 verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel be­ sitzt die Steuerelektronik 19 für jeden Thyristor 18 eine ei­ gene Lichtquelle 21, von welcher ausgehend jeweils separate Lichtleiter 20 abgehen. Es ist selbstverständlich auch mög­ lich - wie im Fall der Ausführungsform nach Fig. 3 - lediglich eine gemeinsame Lichtquelle vorzusehen und deren Impulslicht entsprechend zu verteilen. Die direkte Lichtzündung erfordert die Erzeugung eines elektrischen Zündimpulses, wie es bei der Modifikation nach Fig. 3 der Fall ist, nicht mehr. Infolgedes­ sen entfällt die mitunter störanfällige und in manchen Be­ triebszuständen auch schwierige Generierung eines elektri­ schen Zündimpulses. Ferner sind die Thyristoren über die Lichtstrecke auch galvanisch von der Steuerelektronik ge­ trennt. Auch die lichtgezündeten Thyristoren ermöglichen eine sehr hohe Stromsteilheit beim Einschalten.

Bei den verwendeten Halbleiterbauelementen 11, 18 handelt es sich um hochsperrende Bauelemente. Verwendbar sind bevorzugt Halbleiterbauelemente aus Silizium. Sie können jedoch auch aus Siliziumkarbid bestehen, wobei diese Bauelemente gegen­ über Silizium-Bauelementen eine deutlich höhere Sperrfähig­ keit besitzen können. Abhängig von der Höhe der Entladespan­ nung des Kondensators sind im Falle der Verwendung von Sili­ ziumkarbid-Bauelementen wesentlich weniger Bauelemente erfor­ derlich, es besteht mithin auch die Möglichkeit, daß der Halbleiterschalter mit lediglich einem Bauelement realisiert werden kann.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Erzeugung akustischer Wellen mit einer Schaltungsanordnung (9) umfassend ein Schaltmittel (S, S₁, S₂), welches einen wenigstens ein Halbleiterbauelement (11, 18) umfassenden Halbleiterschalter (10, 17) aufweist, und ei­ nen über das Schaltmittel entladbaren Hochspannungskondensa­ tor (C), dadurch gekennzeichnet, daß eine den Schaltbetrieb steuernde Steuerelektronik (14, 19) vorgesehen ist, die mit einer dem Halbleiterbauelement (11) vorgeschalteten Elektronik (12) oder di­ rekt mit dem Halbleiterbauelement (18) über eine Lichtleiter­ verbindung (15, 20) kommuniziert und mittels der ein den Schaltvorgang initiierender Lichtimpuls erzeugbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (10, 17) mehrere in Reihe geschaltete hochsperrende Halbleiterbauele­ mente (11, 18) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement (11) ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement (11) ein Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO-Thyristor) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement (18) ein mit Licht zündbarer Thyristor vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement (11) ein elektrisch zündbarer Thyristor vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuer­ elektronik (14, 19) eine gemeinsame Lichtquelle (16) zur Er­ zeugung der den mehreren einzelnen Elektroniken (12) oder den mehreren Halbleiterbauelementen (18) direkt zuzuführenden Lichtimpulse aufweist, oder daß für jedes Halbleiterbauele­ ment (11, 18) eine eigene Lichtquelle (21) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das oder die Halbleiterbauelemente (11, 18) aus Silizium oder Siliziumkar­ bid bestehen.

9. Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung von akustischen Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Therapiege­ rät.

10. Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung von akusti­ schen Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Li­ thotripsiegerät.