DE3634378A1 - Elektromagnetischer wandler, insbesondere schallsender fuer medizinische anwendungszwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wandler, ins­ besondere Schallsender zur Erzeugung transienter akustischer Impulse hoher Amplitude für medizinische Anwendungszwecke, bestehend aus mindestens einem Leiterpaar, von dem jeweils der erste Leiter von einem Träger mit hoher Schallimpedanz be­ wegungsgehemmt gehalten wird, während der relativ hierzu be­ wegliche zweite Leiter eine Schall abstrahlende Fläche zur Erzeugung eines Druckimpulses antreibt, sobald beide Leiter von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen und hier­ bei voneinander abgestoßen werden.

Zur Erzeugung hochenergetischer Druckimpulse, wie sie bei­ spielsweise in der Medizintechnik zur gezielten Zerstörung von Gewebe oder von Konkrementen in der Niere, Blase oder Galle erforderlich sind, werden bisher Wandler verschiedener Art verwendet. So gibt es Wandler, bei denen das den Schall abstrahlende Element induktiv mit Magnetspulen oder auch piezoelektrisch angetrieben wird.

Weiterhin gibt es elektromagnetische Wandler (DE-OS 33 12 014), bei denen die Strahlerfläche durch die Oberfläche einer me­ tallischen Membran gebildet wird, die isoliert und mit Ab­ stand einer Leiteranordnung gegenüberliegt und mit dieser ein Leiterpaar bildet. Wenn die beispielsweise aus einem spiralig gewundenen Draht bestehende Leiteranordnung mit einem Stromimpuls beaufschlagt wird, induziert das hierbei ent­ stehende Feld in der beweglich angeordneten Membran einen entgegengesetzt gerichteten Strom, wodurch die Membran abge­ stoßen wird und ein positiver Druckstoß entsteht. Es geht hierbei also um Wandler, die nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten.

Wandler dieser Art haben den Nachteil, daß sie nur als Sen­ der betrieben werden können und daß bei unregelmäßiger Aus­ bildung der Wirbelströme in der flexiblen Membran keine ausreichend genaue Fokussierung der Druckwelle möglich sein wird. Außerdem wird aufgrund der meist spiralförmigen An­ ordnung des in einem Träger befindlichen Leiters eine hohe Induktivität zu erwarten sein, so daß auch entsprechend hohe Spannungsimpulse für den Betrieb dieses Wandlers erforder­ lich sein werden. Schließlich ist noch zu bedenken, daß sich mit einem solchen Wandler im wesentlichen nur positive Schallimpulse und somit keine Kavitationen mit der Folge von Zugspannungen am zu zerstörenden Gewebe bzw. Konkrement er­ zeugen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines vor allem für medizinische Zwecke bei der gewollten Zerstörung von Gewebe und körperinneren Konkrementen geeigneten Wandlers, der als Sender und Empfänger betrieben werden kann, um mit diesem Wandler auch Ortungsvorgänge durchführen zu können. Weiterhin soll der Wandler in der Lage sein, sowohl positive als auch negative Schallimpulse erzeugen zu können. Schließ­ lich soll der Wandler eine einwandfreie Funktion und eine exakte Fokussierung der im Sendebetrieb abgegebenen Schall­ impulse gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der eingangs erwähnte Wandler erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die beiden Leiter jedes Leiterpaares parallel zueinander geführt und elektrisch so beschaltet sind, daß die jeweils benachbarten Strecken der zusammenwirkenden ersten und zweiten Leiter zur Erzeugung abstoßender Kräfte gegensinnig und zur Erzeugung anziehender Kräfte gleichsinnig von den in die Leiter eingespeisten Strö­ men durchflossen werden.

Je nach vorgewählter Richtung des in die sich wechselseitig durch elektromagnetische Felder beeinflussenden ersten und zweiten Leiter kann dieser Wandler also im Sendebetrieb wahl­ weise positive oder negative Schallimpulse erzeugen, so daß man beispielsweise zur Zertrümmerung von Konkrementen , wie anorganischen Körpersteinen, mit positiven Impulsen und zur Zerstörung von biologischem Gewebe, wie Karzinomen, erfor­ derlichenfalls auch mit negativen, Kavitationen erzeugenden Impulsen arbeiten kann.

Außerdem besteht die Möglichkeit, den Wandler nach der Er­ findung auch nur als Empfänger oder abwechselnd als Sender und Empfänger zu betreiben, um etwa Konkremente auf demsel­ ben Schallweg orten und zerstören zu können.

Wenn der Wandler als Empfänger arbeiten soll, wird so vorge­ gangen, daß zumindest ein Leiter jedes Leiterpaares an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird, derart, daß die durch ein akustisches, auf einen zweiten Träger mit den zweiten Leitern treffendes Empfangssignal erzwungende Bewegung der jeweils zweiten Leiter in wenigstens einem der Leiter eine Spannung induziert, die der Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Trägers proportional ist und mit einer Auswerte­ schaltung erfaßt werden kann.

Außerdem ist es möglich, wenigstens einem Leiter jedes Lei­ terpaares einen hochfrequenten Strom zuzuführen, so daß die kapazitive und/oder induktive Kopplung zwischen den ersten und zweiten Leitern als Maß für deren gegenseitigen Abstand und für die Amplitude des Empfangssignals mit einer auswer­ tenden Schaltung erfaßt werden kann.

Die Leiter bestehen zweckmäßigerweise aus Profilmaterial, wie Draht, Band und Streifen, wobei der Abstand zwischen den benachbarten Strecken der zusammenwirkenden ersten und zwei­ ten Leiter zwecks Erzielung eines großen Kopplungsfaktors möglichst kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 5 mm sein sollte.

Im übrigen können mehrere parallel in einer Ebene des ersten Trägers geführte und gleichsinnig in einer Richtung stromdurch­ flossene erste Leiter eine Parallelschaltung bilden, während gleich viele parallel in einer Ebene eines zweiten Trägers geführte und gleichsinnig stromdurchflossene zweite Leiter eine weitere Parallelschaltung bilden und die Leiter bzw. Träger wahlweise gerade oder gekrümmt verlaufen. In diesem Fall können die beiden erwähnten Parallelschaltungen zur Er­ zeugung abstoßender Kräfte in Reihe und zur Erzeugung an­ ziehender Kräfte parallel geschaltet werden.

Wenn der Träger mit den beweglichen Leitern als ebenes Bau­ element ausgebildet wird, ergibt sich ein planarer Strahler, so daß zur Fokussierung der abgegebenen Schallwellen ein die Strahlung bündelndes Element vorzusehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Träger für die ersten und zweiten Leiter von vornherein als fokussierende Bauelemente auszu­ bilden, wobei u.a. die Form von konzentrischen Kugelkalotten in Betracht kommt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungs­ beispiele beschrieben, die in der anliegenden Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Möglichkeit für die erfindungsgemäße Anordnung und Schaltung von ersten und zweiten Leitern,

Fig. 2 ein vereinfachtes Beispiel für ein bifilares Leiterpaar,

Fig. 3 eine Schaltung für einen als Sender und Empfänger betreibbaren Wandler,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Schaltung, jedoch mit­ einer zusätzlichen Sendebetriebsmöglichkeit,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Gerät zur Zerstö­ rung von Konkrementen und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine weitere mögliche Ausführungsform für ein Gerät zur Zerstörung von Konkrementen.

Gemäß Fig. 1 sind in oder an einem ersten ortsfesten Trä­ ger 1 drei erste Leiter a 1, a 2 und a 3 angeordnet, denen ent­ sprechend drei zweite Leiter b 1, b 2 und b 3 gegenüberliegen, die ebenfalls in oder an einem zweiten beweglichen Träger 2 so angeordnet sind, daß jeweils die beiden unmittelbar be­ nachbarten und direkt zusammenarbeitenden Leiter jedes Lei­ terpaares a 1, b 1; a 2, b 2; a 3, b 3 parallel zueinander geführt sind. Auch die in diesem Fall in Form von ebenen Platten ausge­ bildeten Träger 1, 2 verlaufen parallel zueinander.

Die Leiter a und auch die Leiter b sind jeweils an den Enden der Träger 1, 2 elektrisch so verbunden, daß sich zwei Paral­ lelschaltungen ergeben, die mit der Brücke 3 in Reihe geschal­ tet sind. Wenn nun in Richtung des Pfeils x 1 Strom in die Leiter des ersten Trägers eingespeist wird und dieser Strom die Schaltung in Richtung des Pfeils y 1 wieder verläßt, wer­ den die ersten und zweiten Leiter a, b gegensinnig von Strom durchflossen, was aufgrund der sich aufbauenden Felder und Kräfte zur Folge haben wird, daß die mit dem Träger 2 be­ weglichen zweiten Leiter b von den ersten Leitern a und da­ mit vom feststehenden Träger 1 abgestoßen und der Zeichnung entsprechend nach oben bewegt werden. An der hier als Strah­ lerfläche dienenden Oberfläche 2 a des Trägers 2 wird dem­ entsprechend ein positiver Druckimpuls entstehen.

Falls ein negativer Druck- bzw. Schallimpuls erzeugt werden soll, wird die Schaltung einfach so geändert, daß die beiden Parallelschaltungen aus den ersten und zweiten Leitern a, b parallel geschaltet werden, indem die gestrichelt in der Fig. 1 angedeuteten Verbindungen geschaffen werden und Strom in Richtung des Pfeils x 2 eingespeist wird, der die Schal­ tung am anderen Ende in Richtung des Pfeils y 2 verläßt.

In diesem Fall werden alle Leiter gleichsinnig von Strom durchflossen, so daß sie sich gegenseitig anziehen werden und die zweiten Leiter b mit dem beweglichen Träger 2 und der Strahlerfläche 2 a in Richtung auf den feststehenden Träger 1 bewegt werden.

Die Schnelle und Amplitude der Strahlenflächenbewegung und damit auch der Verlauf und die Amplitude der so erzeugbaren positiven oder negativen Druckimpulse hängen im wesentlichen von der Art des eingespeisten Stromimpulses und weiterhin vom mechanischen Aufbau und der Trägheit des gesamten Systems ab.

Abweichend von einem geraden Verlauf der ersten und zweiten Leiter nach Fig. 1 können diese Leiter auch auf ebenen oder räumlichen Bahnen gekrümmt, gebogen, in Schleifen- oder Mäanderform verlegt sein. Hierzu zeigt die Fig. 2 ein mög­ liches Beispiel mit einem einzelnen Leiterpaar, bei dem zur Vereinfachung die Träger für die Leiter nicht dargestellt wur­ den und bei dem der erste Leiter a und der zweite Leiter b nach Art einer Spirale gewunden und an ihrem einen Ende über eine Brücke 4 verbunden sind, so daß eine bifilare Anordnung entsteht.

In diesem Fall werden die beiden Leiter bei Einspeisung des Stromes in einen der Leiter gegensinnig vom Strom durchflos­ sen, so daß sie sich unter Erzeugung eines positiven Druck­ stoßes gegenseitig abstoßen werden. Wie schon vorher im Zu­ sammenhang mit dem Beispiel nach Fig. 1 beschrieben wurde, kann aber auch diese Schaltung in entsprechender Weise ein­ fach so geändert werden, daß beide Leiter gleichsinnig von Strom durchflossen werden, um bei Bedarf ebenfalls negative Schallimpulse erzeugen zu können.

Einleitend wurde bereits erwähnt, daß sich Wandlersysteme dieser Art nicht nur als Schallsender, sondern auch als Em­ pfänger betreiben lassen. In diesem Zusammenhang zeigen die Fig. 3 und 4 praktische Lösungen für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Wandlers als Sender und Empfänger. Dabei sind die ersten und zweiten Leiter a, b in der Zeichnung durch Spulen bzw. Induktivitäten dargestellt, die in Reihe geschal­ tet sind. Wenn sich der Schalter 5 in der Stellung 1 für den Sendebetrieb befindet, werden die Leiter bzw. Spulen von einem Generator 6 mit Hochspannungsimpulsen angesteuert und gegen­ sinnig von Strom durchflossen. Unter der Voraussetzung, daß die Spule a unbeweglich und die Spule b in Verbindung mit einer nicht dargestellten Strahlerfläche relativ hierzu be­ weglich ist, werden in diesem Fall positive Schallimpulse erzeugt.

Bei der weiteren möglichen Stellung 2 des Schalters 5 kann der Wandler als Empfänger arbeiten. Hierbei erfolgt die not­ wendige Vormagnetisierung der beiden Leiteranordnungen bzw. Spulen a, b über eine Gleichstromquelle 7. Falls ein Schallim­ puls auf die mit der beweglichen Leiteranordnung b verbun­ dene und nicht weiter dargestellte Strahler- bzw. Wandler­ oberfläche trifft, wird diese Leiteranordnung ausgelenkt und relativ zur anderen Leiteranordnung a bewegt, so daß aufgrund einer magnetischen Induktion ein Signalstrom fließen wird, der als Richtgröße für das Empfangssignal in einer Auswerte­ schaltung 8, beispielsweise ein Oszilloskop, verarbeitet, angezeigt und ausgewertet werden kann.

Bei der Ortung von Konkrementen oder krankhaft befallenem Gewebe im Körper eines Patienten wird im allgemeinen mit Scannern gearbeitet, die abwechselnd als Sender und Em­ pfänger betrieben werden, wobei also der gleiche Wandler zunächst einen Sendeimpuls abgibt und anschließend auf Em­ pfang gestellt wird, um das Echosignal aufzunehmen. Diese Betriebsweise ist auch mit den Schaltungen nach den Fig. 3 und 4 möglich, sofern der Schalter 5 ein schneller elektro­ nischer Schalter ist und die Umschaltung von Stellung 1 auf 2 innerhalb des Laufzeitintervalls des hin- und rücklaufenden Schallimpulses erfolgt. Die Parameter, wie Amplitude, Lauf­ zeit und Phase, der Echosignale können dann in üblicher und bekannter Weise zur Ortung ausgewertet werden.

Weiterhin besteht die in Fig. 4 gezeigte Möglichkeit, zum Orten einen Impulsgenerator 9 mit relativ geringer Leistung einzusetzen, der bei Stellung 3 des Schalters 5 auf die Lei­ teranordnungen a, b geschaltet wird, während das Echosignal wie vorher beschrieben bei Stellung 2 dieses Schalters em­ pfangen werden kann. In diesem Fall muß also der Schalter schnell von Stellung 3 auf Stellung 2 umgeschaltet werden können, wenn die Ortung mit einem Wandler durchgeführt wird. Im übrigen wird der Generator 6 nur zur Erzeugung von Schall­ impulsen hoher Energie, also zum Zerstören eines Konkrementes oder Gewebeteils, nach dem Ortungsvorgang eingesetzt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen hierfür geeignete Vorrichtungen und Geräte unter Anwendung des Wandlers nach der Erfindung. Bei der folgenden Beschreibung dieser Geräte werden zum besseren Verständnis für Teile, die mit denen der Fig. 1 und 2 über­ einstimmen, die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Entsprechend Fig. 5 sind die ortsfesten Leiter a 1, a 2 . . . a 29 bewegungsgehemmt in einem als Träger 1 dienenden Gehäuse aus Kunststoff eingebettet, und zwar so, daß sie sich in einem möglichst geringen Abstand zu den anderen zweiten Leitern b 1, b 2 . . . b 29 befinden, die in einem zweiten Träger 2 mit der ebe­ nen Strahlerfläche 2 a eingebettet sind. Gemäß der Schaltung nach Fig. 1 können die Leiter a und die Leiter b jeweils eine Parallelschaltung bilden und diese beiden Parallelschaltungen über eine Brücke 3 elektrisch in Reihe verbunden werden. Die Stromimpulse zum Betrieb des Wandlers als Sender werden in Richtung des Pfeils x 1 in die aus den Leitern a befindliche Parallelschaltung eingespeist, so daß der Strom schließlich über die Brücke 3 in Gegenrichtung zurück durch die aus den Leitern b bestehende Parallelschaltung fließen und das Sy­ stem im Richtung des Pfeils x 2 verlassen wird.

Unter diesen Voraussetzungen wird der Stromimpuls zu einem gegenseitigen Abstoßen der beiden Leiteranordnungen führen, so daß sich der Träger 2 impulsartig nach oben bewegen und über seine Strahlerfläche 2 a einen Schallimpuls in das z.B. flüssige oder fließende Übertragungsmedium 10 einstrahlen wird. Die Schallstrahlen werden mit einer bikonkaven Linse 11 auf einen Brennpunkt 12 fokussiert, der nach entsprechen­ der Ortung und Ausrichtung des Gerätes z.B. auf oder in einem Konkrement in der Niere 13 eines Patienten liegt. Dabei ist der Körper 14 des Patienten direkt über das Koppelmedium 10 an die Vorrichtung angeschlossen, wobei dieser Anschluß in bekannter Weise mit einer flexiblen Manschette 15 erreicht wird, die mit ihrem unteren Rand 15 a am Träger 1 befestigt ist und mit ihrem oberen Rand 15 b außen am Körper 14 des liegend behandelten Patienten anliegt.

Anstelle des Planarwandlers mit einer fokussierenden Linse nach Fig. 5 kann eine Fokussierung der Schallwellen entspre­ chend Fig. 6 auch in der Weise erzielt werden, daß die beiden Träger 1 und 2 eine räumlich gekrümmte, fokussierende Form haben, also beispielsweise als konzentrische Kugelkalotten ausgebildet sind, die einen gemeinsamen Brennpunkt 12 haben. Im übrigen sind der Aufbau und die Funktion dieses fokussieren­ den Wandlers die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5.

Im Träger 1 sind also die ersten Leiter a 1- a 31 eingebettet, während im zweiten und hierzu beweglichen Träger 2 die zwei­ ten Leiter b 1- b 31 eingebettet sind. Diese Leiter können auch in diesem Fall wieder Parallelschaltungen bilden, die mit einer Brücke 3 verbunden und in Reihe geschaltet sind, so daß ein in Richtung des Pfeils x 1 in die ersten Leiter eingespeis­ ter und die Schaltung wieder in Richtung des Pfeils x 2 ver­ lassender Stromimpuls zu einem impulsartigen Abheben des zweiten Trägers vom ersten Träger führen wird. Dies hat einen positiven Druckstoß zur Folge, der über das Medium 10 und den Körper 14 des Patienten fokussiert auf das zu zerstörende Konkrement bzw. Gewebe gelangen wird.

Wie bereits erwähnt wurde, sollte der freie Abstand zwischen den ersten und zweiten Leitern möglichst gering sein, also weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 5 mm betragen. Weiterhin sollten die Leiter aus Profilmaterial, wie Draht, Band und Streifen bestehen, wobei eine Band- und Streifen­ form die Möglichkeit bieten wird, daß die jeweils dem zu zerstörenden Teil zugewandte Fläche der Leiter als Strahler­ fläche dienen kann, ohne daß diese Strahlerfläche durch die Oberfläche eines gesonderten zweiten Trägers gebildet werden muß. Schließlich könnte der zweite Träger in der in den Zeichnungen dargestellten Form auch entfallen, sofern die zweiten beweglichen Leiter ein eigensteifes und formstabil schwingungsfähiges Gebilde darstellen.

Claims (9)

1. Elektromagnetischer Wandler, insbesondere Schallsender zur Erzeugung transienter akustischer Impulse hoher Ampli­ tude für medizinische Anwendungszwecke, bestehend aus min­ destens einem Leiterpaar, von dem jeweils der erste Lei­ ter von einem Träger mit hoher Schallimpedanz bewegungs­ gehemmt gehalten wird, während der relativ hierzu beweg­ liche zweite Leiter eine Schall abstrahlende Fläche zur Erzeugung eines Druckimpulses antreibt, sobald beide Lei­ ter von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen und hierbei voneinander abgestoßen werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Leiter (a, b) jedes Leiter­ paares (a 1, b 1; a 2, b 2 . . .) parallel zueinander geführt und elektrisch so beschaltet sind, daß die jeweils benachbar­ ten Strecken der zusammenwirkenden ersten und zweiten Leiter zur Erzeugung abstoßender Kräfte gegensinnig und zur Erzeugung anziehender Kräfte gleichsinnig von den in die Leiter eingespeisten Strömen durchflossen werden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (a, b) aus Profilmaterial, wie Draht, Band und Streifen, bestehen und daß der Abstand zwischen den be­ nachbarten Strecken der zusammenwirkenden ersten und zweiten Leiter kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 5 mm ist.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere parallel in einer Ebene des vorge­ nannten ersten Trägers (1) geführte und gleichsinnig in einer Richtung stromdurchflossene erste Leiter (a) eine Parallelschaltung bilden, daß gleich viele parallel in einer Ebene eines zweiten Trägers (2) geführte und gleich­ sinnig stromdurchflossene zweite Leiter (b) eine weitere Parallelschaltung bilden und daß die Leiter bzw. Träger wahlweise gerade oder gekrümmt verlaufen.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Parallelschaltungen zur Erzeugung ab­ stoßender Kräfte in Reihe und zur Erzeugung anziehender Kräfte parallel geschaltet sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (a, b) eine bifilare Anordnung bilden.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Träger (1, 2) der ersten und zweiten Lei­ ter (a, b) eine fokussierende Form aufweisen.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (1, 2) die Form von konzentrischen Kugelkalotten haben.

8. Wandler als Schallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Leiter (a, b) jedes Leiterpaares (a 1, b 1; a 2, b 2 . . .) an eine Gleich­ stromquelle (7) anschließbar ist, derart, daß die durch ein akustisches, auf den zweiten beweglichen Träger (2) treffendes Empfangssignal erzwungene Bewegung der je­ weils zweiten Leiter (b) in wenigstens einem der Leiter (a, b) eine Spannung induziert, die der Bewegungs­ geschwindigkeit des zweiten Trägers (2) proportional ist und von einer Auswerteschaltung (8) erfaßt wird.

9. Wandler als Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Leiter (a, b) jedes Leiterpaares (a 1, b 1; a 2, b 2 . . .) ein hochfre­ quenter Strom zuführbar ist und daß die kapazitive und/ oder induktive Kopplung zwischen den ersten und zweiten Leitern als Maß für deren gegenseitigen Abstand von einer Auswerteschaltung (8) erfaßt wird.