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Die
Erfindung betrifft ein medizinisches Instrument zur Behandlung von
biologischem Gewebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Instrumente dienen dazu, mittels Druck- oder Stoßwellen den Heilungsprozeß bei Knochenbrüchen und
Knochendefekten aber auch bei der Parodontose zu beschleunigen oder überhaupt
erst in Gang zu bringen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Behandlung
von Schmerzen bei Sehnenansatzerkrankungen.
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Bei
bislang für
solche Behandlung verwendeten bekannten, extrakorporalen Druckwellengeräte wird
im Brennpunkt eines akustischen Reflektors, z.B. mittels einer Funkenentladung,
wie in der Deutsche Offenlegungsschrift
DE 23 51 247 A angegeben,
eine impulsförmige
Druck- oder Stoßwelle
erzeugt, die dann durch den Reflektor auf das zu beschallende Objekt
fokussiert wird. Es wird vermutet, daß mit Hilfe der Druckwellen
Mikroschädigungen
im biologischen Gewebe erzeugt werden, die den Körper zu Regenerationsmaßnahmen
veranlassen.
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Solche
bekannten Druckwellengeräte
besitzen einen eng lokalisierten Fokusbereich, in dem allein eine
therapeutische Wirkung beobachtet wird. Dies ist darin begründet, daß diese
Druckwellengeräte – sogenannte
extrakorporale Lithotriptoren – für die Zertrümmerung
von Körpersteinen
entwickelt wurden. Bei dieser Anwendung wird die gesamte Energie
in einem kleinen Areal, in diesem Fall auf den zu zerstörende Körperstein,
gebündelt.
Für ein
befriedigendes Behandlungsergebnis bei Knochenbrüchen und in der Schmerztherapie
hingegen, muß meist
ein größeres Areal
gleichmäßig beschallt
werden. Dies verlangt einen aufwendigen Bewegungsmechanismus und
ist zudem durch das wiederholte Aufsuchen der Behandlungsposition
sehr zeitintensiv.
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Ein
weiterer Nachteil der extrakorporalen Druckwellenquellen ist die
Unsichtbarkeit des Fokusbereiches für den Anwender. Der Brennpunkt
liegt außerhalb
des eigentlichen Gerätes.
Für eine
Behandlung benötigt
der Arzt daher ein Ortungssystem (Ultraschall oder/und Röntgen) um
Fokus und Behandlungsort zur Deckung zu bringen.
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In
der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 25 477 A1 ist ein Gerät beschrieben,
bei dem mit einem Übertragungselement
unfokussierte, mechanische erzeugte Druckwellen in biologisches
Gewebe eingekoppelt werden. Dabei muß der Anwender das stumpfe Übertragungselement
auf den Behandlungsort richten. Dieses sehr einfach aufgebaute Instrument
hat allerdings zur Folge, daß die
Bewegung des Übertragungselementes – auch wenn
sie sich nur auf eine Längenänderung
durch den Einfluß einer Druckwelle
beschränkt – nicht
vermeidbar ist. Für
Anwendungen, bei denen ein solches Gerät auf die Hautoberfläche angesetzt
wird, mag die Belastung durch die Auslenkung des Übertragungselementes, wie
Rötungen
und leichte Schwellungen, vertretbar sein. Bei der Behandlung einer
Parodontose hingegen, müßte ein
solches Instrument auf das Zahnfleisch aufgesetzt werden, welches
dieser Belastung nicht standhält.
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Der
Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein medizinisches
Instrument zur Übertragung
von Druckwellen so auszubilden, daß es auf eine einfache und
kostengünstige
Weise eine gleichmäßige Energieverteilung
der Druckwelle auf einen großflächigen Wirkungsbereich
ermöglicht,
ohne bei der Übertragung
der Druckwelle von dem Instrument auf das biologische Gewebe dasselbe
zu schädigen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß die Übertragungseinrichtung eine
flüssigkeitsgefüllte Druckkammer
aufweist, deren Flüssigkeit
eingekoppelte Druckwellen auf eine an dem ausgangsseitigen Ende
der Druckkammer angeordnete Membran überträgt, die die von der Flüssigkeit übertragenen
Druckwellen unfokussiert in das biologische Gewebe einkoppelt.
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Da
die Impedanz der Flüssigkeit
weitgehend der Impedanz des biologischen Gewebes entspricht, in
die die Druckwelle eingekoppelt werden soll, entstehen bei der Übertragung
der Druckwelle von der Flüssigkeit über die
Membran auf das biologische Gewebe keine Übertragungsverluste. Insbesondere kann
eine gleichmäßige Energieverteilung
der Druckwelle auf einen großflächigen Wirkungsbereich
ermöglicht
werden, ohne das biologische Gewebe bei der Übertragung der Druckwelle zu
schädigen.
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Als
Einkoppeleinrichtung wird eine dünne Membran
verwendet. Diese verschließt
einerseits die Druckkammer an ihrem ausgangsseitigen Ende und ist
andererseits bei der Einkopplung der Druckwellen aus der Flüssigkeit
in das biologische Gewebe nicht hinderlich. Auch wird die Eintrittsfläche des
biologischen Gewebes bei der Weiterleitung der Druckwelle durch
die Membran mechanisch nicht belastet, so daß der Einsatz des Instrumentes
für alle
Arten von biologischem Gewebe möglich
ist. Als Membran können
impedanzangepaßte
Kunststoffolien verwendet werden.
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Die
Druckkammer besteht vorzugsweise aus einem langgestreckten Kanal.
Die Kanalform hat den Vorteil, daß die von der Druckwellenerzeugungseinrichtung
einge koppelte Druckwelle nicht seitlich auswandern kann und auf
diese Weise über
eine längere Distanz
als ebene Welle ohne größere Verluste
transportiert werden kann. Darüber
hinaus kommt es in diesem vorzugsweise rohrförmigen Kanal infolge der Lauflänge und
den nicht linearen Fortpflanzungseigenschaften zu einem Aufsteilen
der Druckwelle, so daß der
langgestreckte Kanal in der Art eines Stoßwellenrohres arbeitet. Durch
das Aufsteilen der Druckwelle ändern
sich die physikalischen Zustandsgrößen der Druckwelle innerhalb
einer kürzeren
Zeitspanne und die zerstörenden
Eigenschaften der Druckwelle nehmen zu, ein Effekt, der für das Setzen der
Mikroschäden
von Vorteil ist.
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Das
Verhältnis
der Länge
der Druckkammer zu ihrem Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich zwischen
2 und 10.
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Die
Druckwellenerzeugungseinrichtung kann innerhalb der Druckkammer
angeordnet sein. Die Druckwellenerzeugungseinrichtung generiert
eine nicht gerichtete Druckwelle, die sich kugelförmig ausbreitet
und deren Energie demzufolge mit der Entfernung von ihrem Ursprungsort
rasch abnimmt. Liegen Entstehungs- und Anwendungsort nicht nahe
beieinander, so erreicht nur ein geringer Teil der eingesetzten
Energie seinen Bestimmungsort. Um diese Verluste zu beschränken, kann
die mit Flüssigkeit
gefüllte
Druckkammer so ausgebildet sein, daß die Druckwellenerzeugungseinrichtung
innerhalb des rohrförmigen
Kanals in der Nähe
seines eingangsseitigen Endes angeordnet ist.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, daß die Druckwellenerzeugungseinrichtung
an die Druckkammer angrenzt. In diesem Fall ist die Austrittsgrenzfläche der
Druckwellenerzeugungseinrichtung identisch mit der Eintrittsgrenzfläche der
Druckkammer.
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Die
Druckwellenerzeugungseinrichtung kann die Druckwellen auf piezoelektrische,
magnetostriktive, elektrostriktive, magnetische, elektrische oder mechanische
Weise erzeugen.
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Die
Druckwellenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise aus einer in
der Druckkammer angeordneten elektrohydraulischen Sonde bestehen,
die eine Druckwelle durch Funkenüberschlag
erzeugt.
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Alternativ
kann die Druckwellenerzeugungseinrichtung ein Piezoelement aufweisen,
das in dem Kanal der Druckkammer eingangsseitig angeordnet ist und
direkt an die Flüssigkeit
angrenzt.
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Weiterhin
kann die Druckwellenerzeugungseinrichtung eine elektromagnetisch
erregte Membran aufweisen, die in der Druckkammer eingangsseitig angeordnet
ist und direkt an die Flüssigkeit
angrenzt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, daß die
Druckwellenerzeugungseinrichtung die Druckwellen mechanisch in die
Druckkammer einkoppelt und daß ein
linear geführtes,
in Axialrichtung elastisch gelagertes Übertragungselement mit einer
Austrittsgrenzfläche
an die Flüssigkeit der
Druckkammer angekoppelt ist und mechanisch induzierte Druckwellen
auf die Flüssigkeit überträgt.
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Alternativ
kann an dem eingangsseitigen Ende der Druckkammer eine in Axialrichtung
elastisch gelagerte innere Membran angeordnet sein, die eingekoppelte
Druckwellen mechanisch auf die Flüssigkeit überträgt.
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Das Übertragungselement
bzw. die innere Membran wird von einem linear hin- und herbewegbaren
Schlagteil beaufschlagt, das infolge des Kraftstoßes mechanisch
eine Druckwelle induziert, die sich bis zur Austrittsgrenzfläche der
Membran bzw. des Übertragungselementes
fortpflanzt.
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Dabei
ist das Schlagteil koaxial zu dem Übertragungselement geführt.
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Die
Druckwellenerzeugungseinrichtung erzeugt die eingekoppelten Druckwellen
periodisch. Eine größere Anzahl
von hintereinanderfolgenden einzelnen impulsförmigen Druckwellen mit schwächerer Energie
zeigt einen besseren Heilungserfolg in dem biologischen Gewebe als
ein einzelner starker Druckimpuls. Die Druckwellenerzeu gungseinrichtung kann
daher mit einer Wiederholfrequenz einzelner Druckimpulse zwischen
1 und 20 Hz arbeiten, wobei zur Behandlung des biologischen Gewebes
etwa 1000 bis 2000 Druckimpulse erforderlich sind.
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Bei
einem mechanischen Betrieb der Druckwellenerzeugungseinrichtung
sind die Antriebsmittel für
einen kontinuierlichen Betrieb vorzugsweise so ausgestaltet, daß eine periodische
Bewegung des Antriebs möglich
ist. Wird beispielsweise ein pneumatisches Schlagteil verwendet,
das durch seinen Aufschlag auf ein Übertragungselement in diesem eine
Druckwelle erzeugt, so können
die Luftströme so
ausgelegt sein, daß das
Schlagteil eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung ausführt und
periodisch das Übertragungselement
trifft.
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Elektrisch
betriebene Druckwellenerzeugungseinrichtungen werden in der Regel
von einer Kondensatorbatterie versorgt. Hier muß bei einem periodischen Betrieb
die Stromzuführung
für das
Laden der Batterien ausreichend hoch sein, damit die vorgegebene
Anzahl von Druckimpulsen mit der nötigen Wiederholfrequenz abgegeben
werden kann.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist vorgesehen, daß der Querschnitt des Kanals
in Richtung auf die äußere Membran
konisch erweitert oder verjüngt
ist. Eine sich in Richtung der Membran verjüngende Druckkammer verstärkt die Druckwelle
durch die Verkleinerung ihres Querschnitts. Eine Erweiterung der
Druckkammer schwächt
demgegenüber
die Druckwelle ab, beschallt aber eine größere Behandlungsfläche.
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Zwischen
der äußeren Membran
und dem biologischen Gewebe kann ein impedanzanpassendes Medium
angeordnet sein, das das Einkoppeln der Druckwellen in das biologische
Gewebe verbessert. Liegt die Membran nicht absolut eben und ohne
Lufteinschlüsse
auf dem biologischen Gewebe auf, so wird ein Teil des Druckimpulses
an dieser akustischen Unstetigkeit reflektiert und der Anteil der
einkoppelbaren Druckwellen gemindert. Ein geeignetes pastenförmiges Impedanzanpassungsmedium
ist beispielsweise ein Ultraschallgel oder andere pastenförmige Massen
mit einer ähnlichen
Impedanz wie das biologische Gewebe, wie beispielsweise Vaseline.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
mit einer mechanischen Druckwellenerzeugungseinrichtung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
mit einer elektrohydraulischen Sonde als Druckwellenerzeugungseinrichtung,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
mit einer piezoelektrischen Druckwellenerzeugungseinrichtung,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
mit einer elektromagnetischen Druckwellenerzeugungseinrichtung,
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5 eine Übertragungseinrichtung
mit einer konisch sich verjüngenden
Druckkammer, und
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6 eine Übertragungseinrichtung
mit einer sich konisch erweiternden Druckkammer.
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Das
in 1 gezeigte Handstück 1 besteht aus einem
Gehäuse 2 einer
mechanischen Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 mit einem
Innenzylinder 7, in dem ein Schlagteil 40 mit
Hilfe pneumatischer Antriebsmittel 44 in Verbindung mit
einer Staudruckkammer 48, die den Innenzylinder 7 koaxial ringförmig umgibt,
zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegt wird. An dem distalen
Ende des Gehäuses 2 ist
eine Übertragungseinrichtung 8 für Druckwellen
aufgeschraubt.
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Alternativ
ist es auch möglich,
das Schlagteil 40 hydraulisch, mechanisch, elektromagnetisch
oder durch andere Antriebsmittel zu bewegen. Je nach Antriebsart
kann die Länge
des Beschleunigungsweges ausgewählt
werden. Bei einem pneumatisch betriebenen Schlagteil 40 und
einem pneumatischen Druck von ca. 0,3 MPa (3 bar) beträgt dieser
etwa 50 bis 200 mm. In der proximalen Endposition des Schlagteils 40 am
Ende des Innenzylinders 7 ist ein Magnethalter 50 angeordnet,
der das metallische Schlagteil 40 in seiner proximalen
Endposition festhalten kann, bis erneut ein über den Anschluß 52 aufgebrachter
pneumatischer Druck das Schlagteil 40 in Richtung auf das
distale Ende des Innenzylinders 7 beschleunigt. Die sich
in Bewegungsrichtung des Schlagteils 40 befindliche Luft
vor dem Schlagteil 40 wird über an dem distalen Ende des
Innenzylinders 7 befindliche Ringschlitze 54 in
die Staudruckkammer 48 geleitet. Durch die Beschleunigung
des Schlagteils 40 trifft dieses mit hoher Endgeschwindigkeit
von beispielsweise 10–25
m/s auf eine distal von dem Innenzylinder 7 angeordnete
Eintrittsgrenzfläche 56 eines Übertragungselementes 30.
Das Übertragungselement 30 besteht
aus einer im wesentlichen zylindrischen metallischen Sonde mit einer
plan oder leicht nach innen oder außen gewölbten Austrittsgrenzfläche 32.
Das Übertragungselement 30 wird
in einem hohlzylindrischen Aufnahmeteil 34 gleitend geführt. Ein
Ringbund 35 am Übertragungselement 30 dient als
Anschlagteil gegen das Aufnahmeteil 34, wobei zwischen
Ringbund 35 und dem Aufnahmeteil 34 ein Feder-/Dämpfungselement 38 angeordnet
ist, das das Übertragungselement 30 von
dem Aufnahmeteil 34 entkoppelt und auch dafür sorgt,
daß das Übertragungselement 30 nach
dem Schlagvorgang wieder in seine Ausgangsposition am distalen Ende
des Innenzylinders 7 zurückkehrt. Ein das Übertragungselement 30 gleitend
aufnehmender O-Ring 37 dichtet die Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 gegen
die Übertragungseinrichtung 8 für die Druckwellen
ab.
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Die
Austrittsgrenzfläche 32 des Übertragungselementes 30 ist
in direktem Kontakt mit einer mit Flüssigkeit gefüllten Druckkammer 12 der Übertragungseinrichtung 8.
Als Flüssigkeit
dient bevorzugt eine den akustischen Eigenschaften von biologischem
Gewebe ähnliche
Substanz, wie z.B. Wasser. Die Druckkammer 12 kann eine
längliche
zylindrische Form aufweisen, um die Druckwelle aufzusteilen, kann
aber auch sehr kurz gehalten sein, wenn die Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 Druckwellen
ausreichender Intensität
erzeugt. Die Druckkammer 12 wird an dem distalen Ende von
einer Membran 16 verschlossen. Eine Spannvorrichtung 20 spannt
die Membran 16 über
das distale Ende der Druckkammer 12 und schließt deren
ausgangsseitiges Ende dicht gegen die Umgebung ab, so daß die Flüssigkeit 14 nicht
aus der Druckkammer 3 heraustreten kann.
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Schlägt das Schlagteil 40 auf
die Eingangsgrenzfläche 56 des Übertragungselementes 30 auf, wird
eine Druckwelle in dem Übertragungselement 30 erzeugt,
die sich bis zu der Austrittsgrenzfläche 32 des Übertragungselementes 30 fortpflanzt
und dann in die Flüssigkeit 14 innerhalb
der Druckkammer 12 eingekoppelt wird. Die Druckwelle läuft innerhalb
der Druckkammer 12 in Richtung auf die distale Membran 16,
steilt sich dabei durch die nicht linearen Wellenausbreitungsbedingungen
auf und tritt durch die Membran 16 hindurch in das die
Membran 16 kontaktierende biologische Gewebe ein.
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Nach
Beendigung des Schlagvorgangs bewegt das Feder-/Dämpfungselement
38 das Übertragungselement 30 wieder
in seine Ausgangsposition zurück.
Das Schlagteil 40 wird durch den in der Staudruckkammer 48 aufgebauten Überdruck
und das Zurückströmen der
Luft aus der Staudruckkammer 48 durch die Ringschlitze 54 hindurch
in seine Ruheposition am proximalen Ende des Innenzylinders 7 zurückgeführt und
von dem Magnethalter 50 gehalten. Das Instrument ist nun
wieder zu einem erneuten Schlagvorgang bereit.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
mit einer Funkenentladungsstrecke zur Erzeugung von Druckwellen.
Eine elektrische Schaltung 19 versorgt die beiden Elektroden 21 einer
elektrohydraulischen Sonde 18 mit einem kurzen Spannungsimpuls.
Ist die umgebende Flüssigkeit 14 in
der Druckkammer 12 elektrisch leitend, so kommt es zu einem
Funkenüberschlag
zwischen den Elektroden 21. Durch die damit einhergehende
plötzliche
Plasmabildung entsteht eine Druckwelle, die sich in der Druckkammer 12 ausbreitet
und über
die Membran 16 in das mit der Membran 16 in Kontakt
stehende biologische Gewebe eingekoppelt wird.
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Eine
alternative Druckwellenerzeugungseinrichtung 3 ist in 3 dargestellt.
Eine elektrische Schaltung 23 liefert einen Spannungsimpuls
an ein in der Druckkammer 12 angeordnetes piezoelektrisches
Element 22. Infolge des Spannungsimpulses dehnt sich das
piezoelektrische Element 22 aus und generiert in der umgebenden
Flüssigkeit 14 eine Druckwelle.
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4 zeigt
eine weitere alternative Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 mit
einer Spulenanordnung 24, die von einer elektrischen Schaltung 25 mit
Strom versorgt wird. Distal vor der Spulenanordnung 24 ist
eine Erregermembran 26 angeordnet. Die Spulenanordnung 24 induziert
in der Erregermembran 26 einen Wirbelstrom, der wiederum
ein Magnetfeld aufbaut. Durch die abstoßenden Kräfte zwischen der Spulenanordnung 24 und
der Erregermembran 26 wird letztere bei einem kurzen Stromimpuls
aus der elektrischen Schaltung 25 ruckartig von der elektrischen
Spulenanordnung 24 wegbewegt, wodurch eine Druckwelle in
die Druckkammer 12 eingekoppelt wird.
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Die Übertragungseinrichtungen 8 der
unterschiedlichen Ausführungsbeispiele
unterscheiden sich durch die Länge
und die Form der Druckkammer 12. 5 zeigt
eine Übertragungseinrichtung 8,
bei der sich die Druckkammer 12 in distaler Richtung konisch
verjüngt.
Eine von einer Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 erzeugte
Druckwelle wird infolge der Verkleinerung des wirksamen Querschnitts
der Druckkammer 12 verstärkt. Erweitert sich die Druckkammer 12 wie
in 6 dargestellt, so wird die Druckwelle abgeschwächt, beschallt
aber eine größere Fläche. Ist
ein Aufsteilen der Druckwelle nicht erforderlich oder nicht erwünscht, so
kann die Druckkammer 12 kurz gehalten sein, wie bei den
Ausführungsbeispielen
der 2 bis 4.
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Die Übertragungseinrichtung 8 ist
als Schraubkopf gestaltet und kann auf die Druckwellenerzeugungseinrichtung 4 aufgeschraubt
werden. Eine Dichtung 10 dichtet die Übertragungseinrichtung 8 gegen
das Aufnahmeteil 34 der Druckwellenübertragungseinrichtung 4 ab.
Die Druckkammer 12 kann sich dabei bis in das Aufnahmeteil 34 hinein
erstrecken.