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Dezimeterwellen-Therapiegerät
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Diese Erfindung betrifft ein Dezimeterwellen-Therapiegerät für medizinische
Indikationen in der Human- und Veterinär-Medizin, welches auf der Nennfrequenz von
433,92 MHz arbeitet. Diese Erfindung betrifft aber auch Dezimeterwellen-Therapiegerate
für medizinische Indikationen, welche auf einer anderen Dezimeterwellen-Frequenz
von 300 MHz bis 3000 MHz arbeiten, soweit diese Erfindung hierauf anwendbar ist.
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Auf der World Administrative Radio Conference of the International
Telecommunication Union wurde 1979 die Frequenz 433,92 MHz weltweit für industrielle,
wissenschaftliche und medizinische (Industrial, Scientific and Medical = ISM) Anwendungen
freigegeben. In der Bundesrepublik Deutschland ist entsprechend der Verwaltungsanweisung
vom 09.12.1961 zum Gesetz über den Betrieb von Hochfrequenzgeräten vom 09.08.1949
die Nennfrequenz 433,92 MHz bereits ab 1961 als ISM-Frequenz zugelassen. 1962 wurde
zumindest ein bekanntes Dezimeterwellen-Therapiegerät in der Bundesrepublik Deutschland
vom Fernmeldetechnischen Zentralamt der Deutschen Bundespost für die medizinische
Anwendung zugelassen und serienmäßig produziert.
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Für die Hochfrequenz-Therapie werden seit über 25 Jahren außerdem
die Frequenzen 27,12 MHz für Kurzwellen-Therapiegeräte und 2450 MHz für Mikrowellen-Therapiegeräte
verwendet.
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In der Fachliteratur ist seit über 25 Jahren bekannt, daß die Dezimeterwelle
für die therapeutische Anwendung in der Medizin gegenüber der Kurzwelle den Vorteil
der einfacheren Applikation und gegenüber der Mikrowelle den Vorteil der größeren
relativen Eindringtiefe in das biologische Gewebe hat. In der praktischen Anwendung
können diese Vorteile bis heute jedoch nicht entsprechend genutzt werden, weil Dezimeterwellen-Therapiegeräte
infolge der relativ geringen zugelassenen Frequenz-Toleranzen
von
nur +/- 0,2 %, wovon entsprechend den technischen Bestimmungen der Deutschen Bundespost
für Hochfrequenz-Geräte und -Anlagen (Amtsblatt 1961, Nr. 142) "während der Messung
zur technischen Prüfung von Seriengeräten nur 70 % der vorstehend genannten Toleranz
in Anspruch genommen werden darf, so daß an der oberen und unteren Frequenzgrenze
ein Sicherheitsabstand von 15 S besteht".
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Kurzwellen-Therapiegeräte dürfen dagegen +/- 0,6 % und Mikrowellen-Therapiegeräte
+/- 2 S Toleranz der Nennfrequenz ausnutzen, was auch bei Berücksichtigung des hier
ebenfalls vorgeschriebenen Sicherheitsabstandes von 15 % an der oberen und unteren
Frequenzgrenze praktisch wesentlich einfacher zu realisieren ist.
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Bei der Konzeption von Dezimeterwellen-Therapiegeräten muß bezüglich
der Einhaltung der relativ engen Frequenztoleranz von effektiv +/-0,17 % berücksichtigt
werden, daß die Betriebsfrequenz des Generators von verschiedenen variablen Parametern
abhängig ist, wie beispielsweise der Temperatur der frequenzbestimmenden Elemente,
den Betriebsspannungen des Dezimeterwellen-Generators, der Alterung aller Elemente,
welche einen Einfluß auf die Betriebsfrequenz haben und insbesondere auch den Lastschwankungen,
welche aus der Verwendung unterschiedlicher Dezimeterwellen-Applikatoren am selben
Gerät sowie den individuellen Applikationstechniken resultieren. Diese variablen
Parameter dürfen bei bestimmungsgema#ßem Gebrauch des Dezimeterwellen-Therapiegerätes
die enge Frequenztoleranz von +/- 0,17 t nicht überschreiten.
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Um die relativ geringe Frequenz-Toleranz von effektiv +/- 0,17 % bei
Dezimeterwellen-Therapiegeräten zu realisieren, wurden innerhalb der letzten 25
Jahre verschiedene Lösungen diskutiert. Bereits bei den ersten Konzeptionen für
ein Dezimeterwellen-Therapiegerät wurde diskutiert, ob die enge Frequenztoleranz
besser mit einem selbsterregten, bzw. freischwingenden Generator oder mit einem
fremderregten Generator realisiert werden kann.
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Freischwingende Generatoren haben den Nachteil, daß insbesondere Lastschwankungen
die Betriebsfrequenz beeinflussen, so daß derartige Generatoren mit einem frequenzbestimmenden
Resonator möglichst hoher Güte ausgestattet werden müssen.
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Fremderregte Generatoren, bestehend aus einem stabilen Hochfrequenzoszillator,
beispielsweise einem Quarzoszillator, und einem oder mehreren nachgeschalteten Hochfrequenz-Leistungverstärkern
haben zwar den Vorteil, daß Schwankungen der Last bzw. der Lastimpedanz keinen Einfluß
auf die Betriebsfrequenz haben, jedoch den Nachteil, daß deren Realisierung sehr
aufwendig und damit teuer ist.
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So entschieden sich die Hersteller von Dezimeterwellen-Therapiegeraten
für die Verwendung freischwingender, selbsterregter Dezimeterwellengeneratoren.
Als frequenzbestimmender Resonanzkreis wird seit über 25 Jahren ein sog. Topfkreisresonator
verwendet, welcher mit Rücksicht auf die o.g. relativ enge zugelassene Frequenztoleranz
sehr präzise und mit hoher Güte hergestellt werden muß. Die erforderliche hohe Güte
muß durch Polieren und Versilbern der Hochfrequenzstrom führenden Oberflächen des
Topfkreisresonators realisiert werden. Die erforderliche Präzision muß durch sehr
enge Toleranzen der geometrischen Abmessungen aller frequenzbestimmenden Teile des
Topfkreisresonators sowie durch Auswahl von Metallkombinationen mit geringer Temperaturabhängigkeit
dieser Abmessungen realisiert werden.
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In den letzten 25 Jahren, seit denen Dezimeterwellen-Therapiegeräte
mit freischwingenden, selbsterregten Generatoren hergestellt werden, sind die Lohnkosten
für die präzisen mechanischen Komponenten der Topfkreisresonatoren derart angestiegen,
daß der Preis von Dezimeterwellen-Therapiegeräten im Vergleich zu Kurzwellen- und
Mikrowellen-Therapiegeräten nicht mehr konkurrenzfähig ist und Dezimeterwellen-Therapiegeräte
trotz ihrer medizinisch therapeutischen Vorteile immer weniger verwendet werden.
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Auch die Wartungs- und Reparaturkosten für Dezimeterwellen-Therapiegeräte
sind relativ hoch, weil teure Frequenzmeßgeräte und Ersatzteile hierfür benötigt
werden.
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Aufgabe der Erfindung war, ein Dezimeterwellen-Therapiegerät zu entwickeln,
das so kostengünstig hergestellt und repariert werden kann, daß es preislich gegenüber
Kurzwellen- und Mikrowellen-Therapiegeräten konkurrenzfähig ist.
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Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst, indem ein ansich bekannter
Topfkreisresonator, allerdings in stark reduzierter Präzision und Güte im Vergleich
zu bekannten Topfkreisresonatoren von Dezimeterwellen-Therapiegeräten, verwendet
wird. Der erfindungsgemäße Topfkreisresonator muß weder eng tolerierte geometrische
Formen haben noch müssen die Hochfrequenzstrom führenden Flächen des Topfkreisresonators
besonders poliert oder gar teuer versilbert sein.
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Der Verzicht auf Präzision und Güte, welcher die Herstellkosten des
Topfkreisresonators deutlich verringert, wird möglich durch die Einführung einer
automatischen Frequenzregelung, wobei die Frequenzregelung den Anforderungen bei
Hochfrequenz-Therapiegeräten angepaßt sein muß. Diesbezügliche Anforderungen sind
beispielsweise die relativ schnellen Last- und Impedanzänderungen infolge der unvermeidlichen
Bewegungen der Patienten vor den Hochfrequenzapplikatoren, die Verwendung verschiedener
Hochfrequenzapplikatoren am selben Dezimeterwellen-Therapiegerät, der große Bereich
der einstellbaren Hochfrequenzausgangsleistung von beispielsweise 2,5 Watt bis 250
Watt mittels schnell bedienbarer Stufenschalter oder stufenlos sowie der Betrieb
des Dezimeterwellengenerators mit und ohne Hochfrequenzapplikator.
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Anhand der schematischen Zeichnung Fig. 1 soll ein Ausführungsbeispiel
des Dezimeterwellen-Therapiegerätes entsprechend der Erfindung näher beschrieben
werden.
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Der Hochfrequenzgenerator 1 ist ein selbsterregter Generator, dessen
Frequenz f von einem Resonanzkreis, vorzugsweise einem koaxialen g Leitungskreis
oder einem sogenannten Topfkreis bestimmt wird. Dieser Resonanzkreis ist mit kapazitiven
15 und/oder induktiven 16 Frequenz-Abstimmelementen ausgestattet, welche mechanisch
beispielsweise durch elektromotorischen Antrieb 7 eingestellt werden.
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Die Frequenz f des Hochfrequenzgenerators 1 wird mit der Frequenz
f g 0 eines Sollfrequenz- Gebers 3, vorzugsweise einem Quarzoszillator, in einem
Frequenzvergleicher 4 verglichen.
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Wird die Generatorfrequenz f mit einem Frequenzteiler 2 mit dem g
Teilerverhältnis n heruntergeteilt, so kann ein Sollfrequenz-Geber mit entsprechend
kleinerer Frequenz 433,92 : n verwendet werden.
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Der Frequenzvergleicher 4, beispielsweise ein PLL-Diskriminator, liefert
eine elektrische Spannung U1, welche proportional ist der Differenz Sf der beiden
Frequenzen f und f bzw. fg :n und 433,92:n.
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g o Diese Spannung U1 wird in einem Leistungsverstärker 6 so weit
verstärkt, daß hierdurch der Stellmotor 7 genügend Kraft entwickelt, um die Frequenzabstimmelemente
15 und/oder 16 abstimmen zu können. Um Regelschwingungen infolge Massenträgheit
der mechanischen Frequenzabstimmung zu vermeiden, wird zu Lasten der Abstimmgenauigkeit
eine Hysterese der Frequenzabstimmung dadurch erzeugt, daß eine Schwellenwertunterdrückung
5 der Funktion U2=f(U1), beispielsweise durch Nutzung der Kennlinie von Dioden oder
Zenerdioden, eingefügt wird.
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Um zu verhindern, daß bei f : n = 0, beispielsweise wenn der Hochg
frequenzgenerator 1 abgeschaltet oder defekt ist, der Stellmotor ständig rotiert,
ist ein Frequenzindikator 8 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal P des Leistungsverstärkers
6 sofort abschaltet, wenn und solange die Frequenz fg = 0 und damit f : n = 0 ist.
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g Um zu verhindern, daß bei f = 0, beispielsweise infolge eines 0
Defektes des Sollfrequenz-Gebers 3, der Stellmotor 7 ständig rotiert, ist ein Frequenzindikator
17 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal P des Leistungsverstärkers 6 sofort abschaltet,
wenn und solange die Frequenz f = 0 ist. Gleichzeitig wird der Hochfrequenzgenerator
1 0 automatisch abgeschaltet und dieser Fehlerzustand durch ein optisches Signal
19 und/oder ein akustisches Signal 20 signalisiert.
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Um zu verhindern, daß bei zu schnellen Anderungen solcher Parameter,
welche die Generator frequenz beeinflußen, kurzzeitig die maximal zugelassenen Frequenzgrenzen
infolge der endlichen Geschwindigkeit bzw. der Massenträgheit der mechanischen Stellglieder
7, 15 und/oder 16 kurzzeitig überschritten werden, ist ein Spannungskomparator 11
vorgesehen,
welcher die Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators 1 sofort und solange auf
einen sehr kleinen Pegel zurückschaltet, wenn die Ausgangsspannung U1 des Frequenzvergleichers
4 den Pegel erreicht oder überschreitet, welcher beispielsweise der Differenzfrequenz
Jf =+/- 0,7 MHz, entsprechend etwa +/- 0,17 % von 433,92 MHz, entspricht.Die kleine
Restleistung des Hochfrequenzgenerators 1 muß lediglich noch ausreichen, dem Frequenzteiler
2 oder dem Frequenzvergleicher 4 einen ausreichenden Pegel zu liefern.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den Stellmotor 7 mittels
eines einfachen Schalters 18 oder einer elektronischen Abschaltvorrichtung abschalten
zu können.
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Wird der jeweils verwendete Hochfrequenzapplikator 21 vorschriftsmäßig
so nahe wie möglich an dem zu bestrahlenden Körperteil des Patienten 22 appliziert
und der Schalter 18 nach Einschalten des Hochfrequenzgenerators 1 und nach Erreichen
der Sollfrequenz so geschaltet, daß der Stellmotor abgeschaltet bleibt, und ist
der Hochfrequenzapplikator 21 so dimensioniert, daß dessen Impedanz ausreichend
stark vom Abstand d zwischen Patienten und Applikator abhängig ist, so schaltet
der Spannungskomparator 11 den Hochfrequenzgenerator 1 auf die o.g. Restleistung
zurück, sobald und solange die Ausgangsspannung U1 des Frequenzvergleichers 4 infolge
Ansteigens der Differenzfrequenz Af, welche mit dem Abstand des Patienten 22 vom
Hochfrequenzapplikator 21 ansteigt, die einstellbare Schwellspannung - Uf oder +
Uí erreicht. Hierdurch wird verhindert, daß sich der während der Bestrahlung oft
unbeobachtete Patient 22 aus Unkenntnis zu weit vom Hochfrequenzapplikator 21 entfernt
und dann ein großer Teil der vom Hochfrequenzapplikator 21 abgestrahlten Hochfrequenzleistung
in das Umfeld gestrahlt würde.
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Wird ein elektronischer Schalter, beispielsweise bestehend aus digitalen
Logikhalbleitern wie Logikgattern, statt des einfachen Schalters 18 verwendet, so
kann dieser so gestaltet sein, daß seine Funktion von verschiedenen Randbedingungen
abhängig gemacht wird, beispielsweise davon, ob der Hochfrequenzgenerator 1 eingeschaltet
ist und die Differenzfrequenz jf ihr Minimum entsprechend der Schwellwertunterdrückung
5 erreicht hat. Ein entsprechendes Logiksignal kann aus der Spannung U2 abgeleitet
werden.
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Außerdem könnte ein elektronischer Schalter automatisch nach jedem
Abschalten des Hochfrequenzgenerators 1 durch die Therapieuhr 14, oder den Netzschalter
23 in die Ausgangsstellung zurückgesetzt werden, bei welcher der Stellmotor 7 nach
erneutem Einschalten des Hochfrequenzgenerators 1 sofort wieder eingeschaltet ist.
Hierdurch wird verhindert, daß der Stellmotor 7 bei erneutem Einschalten des Netzschalters
23 versehentlich abgeschaltet bleibt. Ein derartiger elektronischer Schalter, welcher
verschiedene Randbedingungen berücksichtigt, ist heute mit logischen Halbleiterbauelementen
von jedem Fachmann leicht realisierbar und wird deshalb nicht ausführlicher beschrieben.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein optisches
13 und/oder akustisches 12 Signal vorgesehen ist, welche vom Spannungskomparator
11 aktiviert werden, sobald und solange U1 den Schwellenwert - Uí oder + Uí des
Spannungskomparators 11 erreicht bzw. überschreitet. Außerdem wird der Gang der
Therapieuhr 14 so lange unterbrochen wie U1 den Schwellenwert - Uí oder + Uí des
Spannungskomperators 11 erreicht bzw. überschreitet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein optisches
(19) und/oder ein akustisches (20) Signal von dem Frequenzindikator (17) aktiviert
werden sobald und solange der Sollfrequenz-Geber (3) nicht schwingt. Gleichzeitig
wird die Betriebsspannung UB des Hochfrequenzgenerators (1) abgeschaltet, so daß
der Hochfrequenzgenerator (1) abgeschaltet ist. Hierdurch wird verhindert, daß der
Hochfrequenzgenerator ungeregelt auch außerhalb der zugelassenen Frequenzgrenzen
von 433,92 MHz +/- 0,2 % schwingen kann.
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Die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dargestellten Frequenzvergleicher
4, Schwellwertunterdrückung 5 und Spannungskomparator 11 können mit höherer Genauigkeit
auch durch digitale Schaltungen realisiert werden, wobei der Frequenzvergleicher
4 die Differenzfrequenz Af statt als analoge Spannung U1 als digitale Zahl ausgeben
würde und der analoge Spannungskomparator 11 durch einen digitalen Komparator ersetzbar
ist.