DE3335158A1

DE3335158A1 - Schaltung zur anregung eines ultraschall-therapiekopfes

Info

Publication number: DE3335158A1
Application number: DE19833335158
Authority: DE
Inventors: Ralph Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Meissner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-09-28
Filing date: 1983-09-28
Publication date: 1985-04-04
Also published as: EP0135907A3; DE3467981D1; EP0135907A2; EP0135907B1; ATE31257T1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 3 3 2 5 DE

Schaltung zur Anregung eines Ultraschall-Therapiekopfes 5

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Anregung eines Ultraschall-Therapiekopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

1G In der physikalischen Therapie spielt neben der reinen Reizstrombehandlung und der Hochfrequenztherapie auch die Ultraschallbestrahlung eine wichtige Rolle. Die Ultraschallbestrahlung kann dabei beispielsweise in Kombination mit der Reizstromapplikation erfolgen. Zur Ultraschalltherapie sind sogenannte Therapieköpfe mit einem Ultraschallschwinger bekannt, welche entweder direkt über die Behandlungsfläche mit Hilfe eines Ankoppelgels geführt werden oder bei denen die Ultraschallwellen in einem Wasserbad über Wasser als Ankoppelmedium auf das Behandlungsobjekt einwirken.

Für die Anregung des Ultraschallschwingers im Therapiekopf ist eine Anregungsschaltung notwendig. Bekannte Anregungsschaltungen verwenden einen stabilen freischwingenden bzw. quarzgesteuerten Oszillator als Frequenzgenerator und eine abstimmbare Leistungsstufe. Die bekannten Schaltungen haben durchweg den Nachteil, daß bei Austausch des Therapiekopfes ein Neuabgleich des Oszillators und eventuell auch der Endstufe erforderlich ist.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß bei den bekannten Schaltungen der konstante und zu hohe Generatorinnenwiderstand eine optimale Leistungsanpassung verhindert. Im allgemeinen kann deshalb die maximale Leistung im

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Serienresonanzpunkt des Ultraschallkopfes nicht abgegeben werden, sondern vielmehr bei einer Frequenz zwischen Serien- und Parallelresonanz.

Aus ELEKTRONIK (1979) 10, S. 83 - 90, ist eine Anregungsschaltung für einen Ultraschallzerstäuber bekannt, bei der ein Oszillator für den Ultraschallzerstäuber aus Transformator und Transistor mit transformatorischer Rückkopplung besteht. Diese Schaltung ist für einen Frequenzbereich von etwa 100 kHz und eine niedrige Leistung ausgelegt und nicht für die Anregung von Ultraschalltherapieköpfen geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung für die Anregung eines Ultraschall-Therapieschwingers zu realisieren, die einfach aufgebaut und damit preiswert ist und bei der insbesondere keine Machjustierungen bei einem Therapiekopfwechsel notwendig werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist nur ein einmaliger Abgleichvorgang für die Frequenz notwendig. Besonders vorteilhaft ist also, daß die Schaltung selbst abgleichend wirkt, so daß ein Therapiekopfwechsel keinerlei Probleme mehr bereitet. Insbesondere durch die Stromrückkopplung bei niedriger Impedanz des Wandlers (jfc 20 SX.) wird nach einer einmaligen Grundeinstellung immer der Serienresonanzpunkt des Wandlers eingenommen und somit eine optimale Leistungsanpassung erzielt. Weitere Frequenzabgleiche entfallen vollends.

Die Schaltung nach der Erfindung hat sich insbesondere im Zusammenhang mit einem Therapiekopf gemäß dem

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DBGM 82 20 944 aufgrund des niedrigen Serienresonanzwiderstandes bei Last bewährt. Dabei ist der Wandler der frequenzbestimmende Teil; ohne diesen Wandler schwingt der gesamte Oszillator nicht.
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' Bei der Erfindung ist als Feldeffekttransistor ein Leistungs-MOS-FET verwendet. Vorteilhaft ist dabei, daß ein Serienresonanzkreis im Rückkopplungszweig für die niederohmige Ansteuerung des Leistungs-MOS-FET's sorgt. Im Gegensatz zu normalen Transistoren läßt sich der MOS-FET leistungslos steuern; lediglich die Eingangskapazitäten am Gate müssen schnell genug umgeladen werden, wofür die niederohmige Ansteuerung erforderlich ist. Dabei wird der Leistungs-MOS-FET umso schwingfreudiger, je niederohmiger auch die Last ist; die somit auftretenden Leistungsverluste werden dadurch gering gehalten und der Wirkungsgrad des Leistungsoszillators ist sehr hoch.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Die Figur zeigt eine Generatorschaltung für einen Therapiekopf, wie er insbesondere im DBGM 82 20 944 vorgeschlagen wurde.

In der einzigen Figur ist mit 1 ein Ultraschallwandler bezeichnet. Ein solcher Ultraschallwandler ist Teil eines Ultraschall-Therapiekopfes, wie er in spezieller Raumform im DBGM 82,20 944 beschrieben ist. Durch diese Raumform ist gewährleistet, daß der Schwinger immer im Serien-Resonanzbetrieb bei einer Impedanz von ca. 20 SL arbeiten kann. Sowohl der Wandler als auch der Schwingerträger des Therapiekopfes sind auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmt.

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In der Schaltung ist dem Schwinger eine HF-Drossel 2 sowie ein Widerstand 3 parallelgeschaltet, um Eigenresonanzen der Drossel 2 zu reduzieren. Der Schwinger ist einerseits von der Betriebsspannung U_R (maximal 25 Volt) über die HF-Drossel 2 und andererseits vom Drain-Ausgang eines Feldeffekttransistors 10 angesteuert. Der Feldeffekttransistor 10 mit Gate-, Source- und Drain-Eingängen bildet zusammen mit den zugehörigen Schaltgliedern und einer Stromrückkopplung einen selbstabstimmenden Oszillator, der im Rahmen der für die Ultraschallschwinger notwendigen Frequenzen von z.B. bis 880 KHz keine Nachjustierung benötigt. Es ist ein solcher Leistungs-MOS-FET als Feldeffekttransistor verwendet, der eine hinreichende Leistung für den Schallschwinger 1 liefert.

Im einzelnen bedeuten 20 weiterhin ein Rückkopplungstransformator mit Wicklungen 21 und 22 und zugeordneten Kapazitäten 23 und 24, von denen die Wicklung 22 auf den Source-Eingang und die Wicklung 21 über einen strombegrenzenden Widerstand 11 auf den Gate-Eingang des MOS-FET 's 10 einwirken. Dem Drain-Ausgang des MOS-FET's ist weiterhin ein Tiefpaß aus Widerstand 13 und Kapazität 14 zugeordnet, womit Schaltspitzen reduziert werden können. Im Betriebsspannungskreis sind für die Arbeitspunkteinstellung des MOS-FET's 10 zusätzlich Widerstände 5 und 7 mit zugehöriger Kapazität 6 vorhanden.

Der beschriebene einstufige Oszillator schwingt nur, wenn der Ultraschallkopf als Schwinger angeschlossen ist. Mit der veränderbaren Kapazität 23 wird der Oszillator auf die bekannte Serienresonanzfrequenz eines bekannten Ultraschallkopfes einmalig eingestellt. Beim Auswechseln des Schwingersystems stellt sich dann der Oszillator immer auf die neue Serienresonanzfrequenz ein. Ein erneuter Abgleich ist im angegebenen Bereich dann nicht mehr erforderlich.

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Eine Leistungsregelung erfolgt zweckmäßigerweise über die Änderung der Betriebsspannung. Bei fester vorgegebener Spannung, beispielsweise 30 Volt und 1 Ampere, kann über einen Schaltregler (nicht dargestellt) die Betriebsspannung zwischen 5 und 20 Volt für maximal 12 W Schalleistung eingestellt werden. Damit ergibt sich ein Verhältnis von Schalleistung zu Gleichstromeingangsleistung ohne Schallreglerverluste von ca. 60 %, der als Gesamtwirkungsgrad definiert ist.

Für die abgegebene Schalleistung ergibt sich dabei jeweils die interessierende Größe in Abhängigkeit vom Strom I entsprechend der Beziehung:

P T ii)

^Schall ^{L n)}

Es kann also über die Stromaufnähme die Schalleistung direkt angezeigt werden. Bei Verwendung der beschriebenen Schaltung im Zusammenhang mit einem Ultraschalltherapiekopf nach dem DBGM 82 20 944 besteht die Möglichkeit, ein Signal für die Ankopplung des Therapiekopfes am Behandlungsobjekt über die gleichgerichtete HF-Ausgangsspannung zu erhalten. Damit kann gleichzeitig Vorsorge getroffen werden, daß der beschriebene Leistungs-MOS-FET gegen unzulässig hohe Werte der Drain-Source-Spannung bei unbelastetem Zustand, d.h. bei Schallabstrahlung in Luft, geschützt wird. Die HF-Ausgangsspahnung aktiviert dann gleichzeitig ein Signal zum Reduzieren bzw. Abschalten der Betriebsspannung. In gleicher Weise läßt sich daraus ein Schaltsignal ableiten, wenn der Oszillator für einen Impulsschallbetrieb angewandt werden soll.

5 Patentansprüche
1 Figur

Claims

-4S- VPA 83 P 33 2 5 DE Patentansprüche

1. Schaltung zur Anregung eines Ultraschall-Therapiekopfes, mit einem im wesentlichen aus Transformator und Transistor mit transformatorischer Rückkopplung bestehendem Oszillator als Schwingungs- und Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler als Teil des Therapiekopfes, dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor durch einen Feldeffekttransistor (10) gebildet ist und daß der Ultraschallwandler (1) zusammen mit dem in Resonanz befindleichen Therapiekopf die Schwingungsfrequenz des Oszillators bestimmt, wozu der transformatorische Rückkopplungszweig mit niedrigem Innenwiderstand auf die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors (10) einwirkt.

2„ Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Feldeffekttransistor (10) ein Leistungs-MOS-FET ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Drain-Elektrode ein Tiefpaß (13, 14) zur Reduktion von Schaltspitzen angeschaltet ist.

k. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Therapiekopf niederohmig, vorzugsweise im Bereich von 20 Ohm oder niedriger, ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Schalleistung am Therapiekopf zur Gleichstromeingangsleistung des Oszillators, bei etwa 60 % liegt.