DE202015005070U1

DE202015005070U1 - Vorrichtung zur Verringerung des Elektrodenabbrands bei der elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugung

Info

Publication number: DE202015005070U1
Application number: DE202015005070.0U
Authority: DE
Original assignee: Mts Medical Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: MTS MEDICAL AG, DE
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2016-10-24
Anticipated expiration: 2025-07-16

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen, insbesondere für die medizinische Anwendung, über eine Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorrichtung die Diode DB und der Kondensator CB in den Bremsschaltungen durch eine große Zahl seriell und parallel geschalteter Schaltungseinheiten, welche im Wesentlichen jeweils aus der Reihenschaltung je einer Diode und eines Kondensators bestehen, ersetzt werden.

Description

Zur Erzeugung von Stoßwellen bzw. Druckwellen mit extremen Druckunterschieden zur extrakorporalen Stoßwellentherapie (ESWT) und in der Lithotripsie in der Humanmedizin wird unter anderem die elektrohydraulische Methode verwendet. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtungen zur Erzeugung von Stosswellen, insbesondere für die medizinische Anwendung, über eine Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einem flüssigen Medium.
Zum Erzeugen von Stosswellen mit elektrohydraulischen Systemen wird ein auf hohe elektrische Spannung (bis zu 30 kV) aufgeladener sogenannter Stoßkondensator (1: CS) über zwei in flüssigem Medium befindlichen Elektrodenspitzen entladen. Bei dem Durchbruch, das heisst bei deren schlagartiger Entladung, verdampft das flüssige Medium explosionsartig und es bildet sich ein Plasma. Von diesem Plasma löst sich eine Druckwelle ab, die in der Regel über einen Reflektor, zum Beispiel in Form eines Ellipsoids oder Paraboloids, reflektiert wird. Für eine medizinische Anwendung wird die Druckwelle fokussiert oder unfokussiert in den Körper eines Lebewesens eingekoppelt. Vorrichtungen dieser Gattung sind beispielsweise aus DE-PS 26 35 635 oder EP 0590 177 bekannt.
Der in 1 darstellte Schalter wird beim Schließen mit extrem großen Strömen belastet. Um dies zu vermeiden wird auch eine zweistufige Schaltung eingesetzt, bei der in einem ersten Schritt ein erster Hochspannungskondensator, der sog. Vorladekondensator CL, auf eine hohe Spannung aufgeladen wird. In einem zweiten Schritt wird dessen Ladung auf den eigentlichen Stosskondensator CS übertragen, siehe 2. Der Schalter S wird in dieser Anordnung signifikant geringer belastet als der in der Anordnung nach 1. Der dritte Schritt ist dann der Funkenüberschlag.
Eine Weiterentwicklung dieser Methode wurde in [1] beschrieben. Dort wurde anstelle weniger, sehr kostenintensiver Hochspannungskomponenten eine große Zahl von sehr preisgünstigen Niederspannungskomponenten (ca. 1 kV) verwendet (3). Diese werden mit einer Vorladeschaltung derart aufgeladen, dass je zwei Kondensatorspannungen betragsmäßig gleiche Spannungen mit entgegen gesetzter Polarität aufweisen, so dass die Summe dieser Spannungen, die an der Funkenstrecke anliegt, zunächst Null ist. Jedem zweiten Kondensator ist ein Umschwingkreis zugeordnet, der mindestens aus einem Thyristor und einer Spule besteht. Werden diese Thyristoren gezündet, kehrt sich die Spannung der zugehörigen Kondensatoren um. Damit weisen alle Kondensatorspannungen die gleiche Polarität auf. Die Spannungen addieren sich und der Funke schlägt über. Eine ausführliche Beschreibung findet sich in [1].
Sobald die Funkenstrecke gezündet hat, bilden die Stoßkondensatoren C1 bis C10 (3 ) zusammen mit der (nicht dargestellten) Leitungsinduktivität einen schwach gedämpften Schwingkreis. Der Zeitverlauf des sog. Stoßstroms ist dabei typischerweise ein schwach gedämpfter Sinusverlauf, s. 4.
Dieser Stoßstrom führt nicht nur zur gewünschten Bildung der Stoßwelle, sondern auch zu einem unerwünschten Abbrand der Elektroden der Funkenstrecke. Diese haben somit eine begrenzte Lebensdauer und müssen häufig ausgetauscht werden, was einen erheblichen Nachteil und Kostenfaktor bedeutet.
Wesentlich ist nun die Erkenntnis, dass nur die erste Halbschwingung dieses Stoßstroms zur Bildung der Stoßwelle beiträgt. Die darauf folgenden Schwingungen des Stoßstroms sind für die Bildung der Stoßwelle unnütz, tragen aber zum Elektrodenabbrand erheblich bei.
In [1] wurde eine Methode vorgeschlagen, mit der dieser unerwünschte Elektrodenabbrand der Funkenstrecke verringert werden kann. Es handelt sich um Zusatzschaltungen, die sog. Bremsschaltungen, welche im Wesentlichen aus je einer Diode DB und einem Kondensator CB bestehen (die Spule LB kann auch entfallen), s. 5
Wie in [1] beschrieben besteht die Funktion dieser Bremsschaltungen darin, dass die zweite Halbschwingung des Stoßstroms umgeleitet wird in die Bremsschaltungen. Die Bremskondensatoren CB nehmen die Energie auf, die somit nicht mehr zum Elektrodenabbrand beitragen kann. Sie wird danach beispielsweise in einem (hier nicht dargestellten) Widerstand in Wärme umgewandelt.
In der Praxis erweist sich die dargestellte Ausführung dieser Methode jedoch als untauglich. Grund sind die extremen elektrischen Belastungen der verwendeten Dioden DB mit sowohl sehr hohen Spannungswerten als auch insbesondere sehr hohen Stromwerten sowie extrem hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten.
Die Verwendung größer dimensionierter Dioden scheitert in der Praxis zum einen an einem viel zu hohen Preis, zum andern an Problemen bei der mechanischen Anordnung. Der erforderliche kompakte Aufbau ist mit solchen voluminösen Dioden nicht erreichbar.
Die Aufgabe der vorgestellten Erfindung besteht darin, die Nachteile des Bekannten zu überwinden und eine praxistaugliche Ausführung einer Bremsschaltung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Diode DB und der Kondensator CB in den Bremsschaltungen werden durch eine große Zahl seriell und parallel geschalteter Schaltungseinheiten, welche im Wesentlichen jeweils aus der Reihenschaltung je einer Diode und eines Kondensators bestehen, ersetzt; s. 6 und 7.
Der Kondensator CB und die Diode DB aus 5 werden durch die dargestellte Serien- und Parallelschaltung vieler einzelner Kondensatoren und Dioden ersetzt. Durch die Parallelschaltung verringern sich die Strombeanspruchungen der Dioden umgekehrt proportional zur Zahl der Parallelschaltungen. Durch die Serienschaltung verringert sich die Spannungsbeanspruchung umgekehrt proportional zur Zahl der Serienschaltungen. Beides zusammen führt dazu, dass es möglich wird, preisgünstige und kompakte Standard-Dioden, vorzugsweise in SMD-Ausführung, zu verwenden. Auch für die Kondensatoren können preisgünstige Standardausführungen eingesetzt werden. Es ist damit möglich, eine Bremsschaltung als Leiterplattenausführung automatisiert und damit kostengünstig zu fertigen.
In konkreten Ausführungsbeispielen werden weitere Komponenten eingesetzt, die der Spannungssymmetrierung dienen, z. B. Symmetrierkondensatoren und Varistoren. Zusätzlich werden Widerstände benötigt, die der kontrollierten Entladung der Kondensatoren dienen. Vorzugsweise sollen hier auch Widerstände in SMD-Ausführung verwendet werden. 6 zeigt eine erste Variante, 7 eine zweite Variante.
8 und 9 zeigen den Unterschied eines Stoßstromgenerators ohne Bremsschaltung (8) im Vergleich zu einem Stoßstromgenerator in der Ausführung als EHSG mit Bremsschaltung (9). Dargestellt ist nicht der Stoßstrom selbst, sondern die Spannung an dem bzw. den Stoßkondensatoren. In 8 weist diese Spannung den Zeitverlauf einer schwach gedämpften Schwingung und somit auch der Strom den Zeitverlauf einer nur schwach gedämpften Schwingung auf. Der Elektrodenabbrand ist deshalb erheblich. In 9 ist diese Schwingung der Spannung und somit auch des Stroms durch die Bremsschaltung sehr stark gedämpft. In Versuchsreihen konnte nachgewiesen werden, dass der Elektrodenabbrand deutlich verringert ist. Dies stellt einen erheblichen Kundennutzen und somit einen Marktvorteil des Herstellers dar.
Um die zeitlich schnelle Umladung in die Bremskondensatoren zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn eine Leiterplatte in Multilayer-Ausführung mit grossen Masseflächen verwendet wird, um die Induktivität der Bremsschaltung gering zu halten.

[1]: Gekeler, Manfred W.; Electronic high-voltage pulse current generator for shock wave therapy in human medicine; EPE European Conference an Power Electronics and Applications; 2009, Barcelona; ISBN: 9789075815009

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2635635 [0002]
EP 0590177 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Gekeler, Manfred W.; Electronic high-voltage pulse current generator for shock wave therapy in human medicine; EPE European Conference an Power Electronics and Applications; 2009, Barcelona; ISBN: 9789075815009 [0017]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen, insbesondere für die medizinische Anwendung, über eine Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorrichtung die Diode DB und der Kondensator CB in den Bremsschaltungen durch eine große Zahl seriell und parallel geschalteter Schaltungseinheiten, welche im Wesentlichen jeweils aus der Reihenschaltung je einer Diode und eines Kondensators bestehen, ersetzt werden.
Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass preisgünstige und kompakte Standard-Dioden, vorzugsweise in SMD-Ausführung, verwendet werden.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch für die Bremskondensatoren preisgünstige Standardausführungen eingesetzt werden.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Widerstände verwendet werden, die der kontrollierten Entladung der Kondensatoren dienen.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass preisgünstige und kompakte Standard-Widerstände in SMD-Ausführung verwendet werden.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten zur Spannungssymmetrierung verwendet werden, z. B. Symmetrierkondensatoren und Varistoren.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsschaltung als Leiterplattenausführung automatisiert und damit kostengünstig gefertigt werden kann.
Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenausführung in Multilayer-Variante ausgeführt wird, um die Induktivität bei der Umladung in die Bremskondensatoren gering zu halten.