DE3425992A1 - Piezoelektrischer wandler zur zerstoerung von konkrementen im koerperinneren - Google Patents

Description

Anmelder: Richard Wolf GmbH/

Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen

Piezoelektrischer Wandler zur Zerstörung von Konkrementen im Körperinneren

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler zur Zerstörung von Konkrementen im Körperinneren, bestehend aus einer Kugelkalotte mit an deren Frontseite angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen.
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Die Erregung eines solchen beispielsweise nach der älteren deutschen Patentanmeldung P 33 19 871.3 ausgebildeten piezokeramischen Wandlers mit einem Hochspannungsimpuls kann dazu führen, daß zunächst je nach Polarisationsrichtung ein nahezu rechteckförmiger über- oder Unterdruckimpuls erzeugt wird, dessen Zeitdauer durch die Laufzeit der Dichtebzw. Dehnwelle im Keramikmaterial gegeben ist. Das gleiche tritt aber auch an der Rückseite des Wandlers auf. Er wird dort unter Phasenumkehr reflektiert und erscheint anschließend mit umgekehrter Phase an der

Frontseite.

Einem Oberdruckimpuls folgt also stets ein Unterdruckimpuls , und da auch an der Frontseite der größte Teil der Energie unter Phasenumkehr reflektiert wird, wiederholt sich dieser Vorgang mehrfach. Anstelle eines Einzelimpulses wird also eine abklingende Schwingung erzeugt, deren Grundfrequenz durch die tiefste Dicken-Eigenschwingung (Dickey-? 1/2 Wellenlänge) der Piezokeramik gegeben ist.

Es ist zu erwarten, daß in den Unterdruckphasen dieser abklingenden Schwingung Kavitationserscheinungen auftreten. Soweit dies unmittelbar am zu zertrümmernden Konkrement geschieht, kann dies zu einer beschleunigten Zerstörung führen, sich also positiv auswirken. Es ist aber nicht auszuschließen, daß die Kavitationsschwelle auch im vorgelagerten Gewebe bereits überschritten wird. Kavitation im Gewebe kann aber zu Blutungen bzw. zu Ge-

2ο webeZerstörungen führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Auftreten von Unterdruckimpulsen zu vermeiden oder zumindest so weit zu reduzieren, daß Kavitationen ausgeschlossen werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim eingangs

erwähnten piezoelektrischen Wandler die Kalotte aus Metall, vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, besteht, daß der Wellenwiderstand des Kalottenmaterials mit dem Wellenwiderstand des Materials der Keramikelemente zumindest weitgehend übereinstimmt und daß die rückseitige Oberfläche der Kalotte geometrisch so gestaltet und/oder beschichtet ist, daß die daran reflektierten Kugelwellen nicht fokussiert werden.

Einem erzeugten Unterdruckimpuls folgt aufgrund dieser Lösung kein durch Reflexion entstehender Unterdruckimpuls, da die Keramikelemente rückseitig reflektionsfrei abgeschlossen sind. Die Elemente haben dann keine Eigenfrequenzen mehr, und ihre Deformationen folgen einer elektrisch vorgegebenen Impulsform.

In der anliegenden Zeichnung sind im Querschnitt drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Diese Beispiele werden nachfolgend näher beschrieben.

Ein reflektionsfreier Abschluß der auf dem Radius R angeordneten piezoelektrischen Keramikelemente 1 läßt sich vorteilhaft durch Kupferlegierungen, wie Messing oder Bronze, realisieren. Wenn man die tragende Kugelkalotte als Messing-Kalotte 2 ausbildet, deren Legierung so gewählt

sein muß, daß ihr Wellenwiderstand mit dem der Keramik wenigstens weitgehend übereinstimmt, und wenn man daran die Keramikelemente 1 mit einer sehr dünnen lötfähigen bzw. leitfähigen Klebstoffschicht befestigt, dann tritt an der Rückseite der Keramikelemente keine Reflexion auf. Es wird sogar noch der nach vorn abgestrahlte Impuls im Vergleich zu einem Wandler mit einer Kunststoffkalotte verstärkt.

Der nach hinten abgestrahlte Schallimpuls läuft in die Kalotte 2 hinein. Da diese nicht beliebig dick sein kann, würde der Schallimpuls normalerweise an der Kalottenrückseite unter Phasenumkehr reflektiert, das heißt, der Unterdruckimpuls würde zwar verzögert, aber nicht vermieden.

Zur Unterdrückung dieses verzögerten Impulses gibt es im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten. Man kann die Rückseite der Kalotte mit einem schallabsorbierenden Material beschichten und durch Vertiefungen, Rillen oder dergleichen, deren Tiefe größer ist als die Impulslänge, für einen stetigen übergang vom Kalottenmaterial in das absorbierende Material sorgen. Dieser Weg ist allerdings relativ aufwendig. Besser könnte insofern eine Lösung sein, bei der die rückseitige Oberfläche der Kalotte beispielsweise durch gegenläufig zur Kalottenwölbung

verlaufende Krümmungen so gestaltet wird, daß der durch Reflexion entstehende Unterdruckstoß nicht mehr fokussiert wird.

Die Figur 1 zeigt eine Lösung, bei der die rückseitige Oberfläche 3 der Kalotte 2 unregelmäßige Vertiefungen bzw. Rillen 4 hat, also im Prinzip stark zerklüftet ist. Hierdurch wird der von den Keramikelementen 1 nach hinten abgestrahlte Schallimpuls 5 mehrfach und den dargestellten Pfeilen entsprechend an der rückseitigen Oberfläche 3 und auch an der frontseitigen Oberfläche 7 der Kalotte 2 teilreflektiert und der frontseitig austretende Schallanteil 6 nicht mehr fokussiert» so daß der vorher angesprochene Unterdruck impuls nicht mehr auftreten wird.

Die Ausführungsform nach Figur 2 stimmt im wesentlichen mit der nach Figur 1 überein, jedoch ist die rückseitige Kalottenfläche 3 zusätzlich mit einer schallabsorbierenden Schicht 8 versehen. Wenn die Vertiefungen bzw. Rillen 4 tiefer sind als die Schallimpulslänge, werden die hinten aus dem Kalottenmaterial austretenden Schallwellen reflektionsarm in die Schicht 8 übergehen und dort absorbiert. Anstelle der oder zusätzlich zu den. Vertiefungen 4 könnten auch Bohrungen 9 auf der Rückseite der Kalotte 2 angebracht werden.

Eine weitere vorteilhafte Lösung zeigt die Figur 3, bei der die rückseitige Oberfläche 3 der Kalotte 2 in mehrere Teilflächen 10 aufgelöst ist, deren Krümmungen entgegengesetzt zur frontseitigen Krümmung der Kalotte gerichtet sind und deren Krümmungsradien der Darstellung entsprechend wesentlich vom frontseitigen Krümmungsradius der Kalotte abweichen. Dabei ist möglichst jede Symmetrie dieser Krümmungen zur Kalottenachse 11 zu vermeiden. Die Teilflächen 10 ihrerseits werden auch in diesem Fall mit unregelmäßigen Vertiefungen, keilförmigen Rillen 4 und/odex mit Bohrungen 9 (Sacklöcher) versehen, deren Tiefe zumindest der Dicke der Keramikelemente 1 entspricht. Außerdem ist die Kalotte 2 rückseitig mit einer harten Materialschicht 8 ausgestattet, die sowohl elektrisch isolierend als auch schallabsorbierend ist. Diese Schicht kann beispielsweise aus Kunstharz mit harten anorganischen Füllstoffen bestehen.

Im übrigen wird bei Wandlern dieser Art die Kalotte 2 aus Metall als sogenannte "heiße" Elektrode dienen, während die frontseitige Metallisierung der Kalotte auf Erdpotential liegen wird. Außerdem können die zu einem Mosaik angeordneten Keramikelemente in weichem und elektrisch isolierendem Material eingegossen sein.

Claims (4)

Patentanwalt« L :..-'..-" Dr. Hugo WilcKen - - - " - - ' .--■■■ Dipt.-Ifig, Thomas Wilcken q L O C Q Q O Musterbahn 1 · 2400 Lübeck ? O^ ΔΌΌΌ Δ Anmelder: Richard Wolf GmbH, Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen Ansprüche

1. Piezoelektrischer Wandler zur Zerstörung von Konkrementen im Körperinneren, bestehend aus einer Kugelkalotte mit an deren Frontseite angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (2) aus Metall, vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, besteht, daß der Wellenwiderstand des Kalottenmaterials mit dem Wellenwiderstand des Materials der Keramikelemente (1) zumindest weitgehend übereinstimmt und daß die rückseitige Oberfläche (3) der Kalotte geometrisch so gestaltet und/ oder beschichtet ist, daß die daran reflektierten Kugelwellen nicht fokussiert werden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Oberfläche (3) der Kalotte (2) Vertiefungen bzw. Rillen (4) und/oder Bohrungen (9) aufweist, die einen stetigen übergang des Wellenwiderstandes in ein isolierendes und schallabsorbierendes Material (8) hinein bewirken, mit dem die Kalotte beschichtet ist.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Oberfläche (3) der Kalotte

(2) in Teilflächen (10) aufgelöst ist, deren Krümmungen asymmetrisch zur Kalottenachse (11) sind und deren Krümmungsradien vom frontseitigen Krümmungsradius der Kalotte erheblich abweichen.
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4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilf.lachen (10) Vertiefungen und/oder Bohrungen (4, 9) angeordnet sind.