DE3637326C1

DE3637326C1 - Spark gap for generating shock waves

Info

Publication number: DE3637326C1
Application number: DE19863637326
Authority: DE
Inventors: Othmar Dipl-Phys Dr Wess
Original assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 1986-11-03
Filing date: 1986-11-03
Publication date: 1987-12-03

Abstract

The invention relates to a spark gap for generating shock waves for the contactless destruction of concrements in the body of living beings. In order to improve formation of the spark channel, the spark gap comprises an auxiliary electrode around the spark channel of the main electrodes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen für die berührungsfreie Zerstörung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen.The invention relates to a spark gap for generation of shock waves for the contactless destruction of Concretions in bodies of living beings.

Stoßwellenquellen finden in verschiedenen medizinischen und technischen Einrichtungen Verwendung. Funkenstrecken zur Stoßwellenerzeugung haben sich beispielsweise bei der berührungsfreien medizinischen Stoßwellenlithotripsie bewährt. Dabei wird durch elektrische Unterwasserfunkenentladung in einem Kondensator gespeicherte Energie in mechanische Stoßwellenenergie umgewandelt. Diese Stoßwellenenergie dient der berührungsfreien Zertrümmerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen. Die Konkremente werden in abgangsfähige Bruchstücke zerkleinert. Die Stoßwelle wird in einem Brennpunkt eines Rotationsellipsoides erzeugt und im anderen Brennpunkt fokussiert. In diesem zweiten Brennpunkt befinden sich die zu zertrümmernden Konkremente.Shock wave sources can be found in various medical and technical facilities use. Spark gaps to generate shock waves have, for example, at Non-contact medical shock wave lithotripsy proven. This is done by electrical underwater spark discharge energy stored in a capacitor in mechanical Shock wave energy converted. This shock wave energy is used for the contact-free crushing of concrements in bodies of living beings. The concretions are shredded into fragments that can be removed. The shock wave is generated at a focal point of an ellipsoid of revolution and focused in the other focus. In this second The focus is on the concrements to be crushed.

Aus der DE-PS 23 51 247 und der DE-PS 26 35 635 sind verschiedene Ausführungsformen für die Funkenstrecke bekannt. Dabei liegen sich immer zwei Elektrodenspitzen in geringem Abstand gegenüber. Die durch diese Anordnung erzeugbare Stoßwelle besitzt nahezu Kugelgeometrie und kann daher von einem rotationssymmetrischen Reflektor in seinem zweiten Brennpunkt fokussiert werden. Funkenentladungen zwischen derartigen freien Elektrodenspitzen sind nur dann mit reproduzierbarer Funken- bzw. Stoßwellengeometrie realisierbar, wenn der Elektrodenabstand klein ist, so daß eine annähernd punktförmige Quelle entsteht.From DE-PS 23 51 247 and DE-PS 26 35 635 are different Known embodiments for the spark gap. There are always two electrode tips in a small area Distance opposite. The one that can be generated by this arrangement Shock wave has almost spherical geometry and can therefore by a rotationally symmetrical reflector in its second Focus to be focused. Spark discharges between Such free electrode tips are only reproducible Spark or shock wave geometry can be implemented, if the electrode gap is small, so that an approximate point source arises.

Die in der Stoßwelle enthaltene Energie ist aber neben anderen Parametern wesentlich von der Länge des erzeugten Funkens abhängig. Für eine Leistungssteigerung bietet sich deshalb eine Verlängerung des Entladungskanals an. Von Bedeutung ist dabei, daß dann die Geometrie des Entladungskanals kontrolliert werden muß, damit sie zur Fokussierung der entstehenden Stoßwelle auch an die entsprechend geeignete Reflektorgeometrie angepaßt werden kann. Für lineare und ringförmige Stoßwellenquellen sind geeignete Reflektorgeometrien bekannt. Derartige linienförmige Quellgeometrien (linear, kreisförmig etc.) sind realisierbar in Form der bekannten Drahtentladungsquellen, bei denen dünne Drähte in der gewünschten Quellgeometrie angeordnet werden und durch eine Hochstromentladung zum explosionsartigen Verdampfen gebracht werden. Solche Stoßwellenquellen haben unter anderem den Nachteil, daß für jede Entladung ein neuer Draht eingezogen werden muß. Dies führt aber zu Verzögerungen und gerade im Bereich der Nierensteinzertrümmerung zu erheblicher Verlängerung der Behandlung des Patienten.The energy contained in the shock wave is beside other parameters significantly depend on the length of the generated Spark dependent. For an increase in performance offers therefore an extension of the discharge channel. Significant is that then the geometry of the discharge channel must be checked so that it can focus the resulting shock wave to the appropriate one Reflector geometry can be adjusted. For linear and annular shock wave sources are suitable reflector geometries known. Such linear source geometries (linear, circular etc.) can be realized in the form of known wire discharge sources, in which thin wires in the desired source geometry can be arranged and by a high current discharge for explosive evaporation to be brought. Such shock wave sources have among other things the disadvantage that a new wire for each discharge must be drawn in. However, this leads to delays and especially in the area of kidney stone crushing Extension of patient treatment.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Funkenstrecke zu entwickeln, bei der die Elektrodenspitzen in relativ großem Abstand zueinander stehen, um eine hohe Leistung zu erreichen, und bei der die Funkenbildung in einer festgelegten Geometrie erfolgt.The invention has for its object a spark gap to develop with the electrode tips in relative stand apart from each other to achieve high performance reach, and at which the sparking in a fixed Geometry takes place.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Funkenstrecke gemäß dem Hauptanspruch durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention with a spark gap the main claim solved by the features specified in the characterizing part. Particular embodiments of the invention are in the Subclaims specified.

Bei einer Funkenentladung in bekannter Weise wird der Weg des Funkens durch den noch nahezu stromlosen Weg des Leaders bestimmt. Als Leader bezeichnet man hier einen Kanal zwischen den beiden Elektroden, der zunächst bei der Entladung entsteht, und durch den dann der Verlauf des Funkens bestimmt wird. Die Leaderbildung erfolgt zwar dem Feldgradienten zwischen positiver und negativer Elektrode folgend, doch bestimmen lokale Schwankungen des Feldgradienten maßgeblich den aktuellen Verlauf des Leaders. Dabei kann die Richtung des Leaders sowohl von der positiven als auch von der negativen Elektrode ausgehen.In the event of a spark discharge in a known manner, the path becomes of sparking through the still almost currentless path of the leader certainly. A leader is a channel between the two electrodes that were initially on discharge arises, and then determines the course of the spark becomes. Leader formation occurs with the field gradient following between positive and negative electrodes, yes determine local fluctuations of the field gradient significantly the current course of the leader. The direction can of the leader of both the positive and the negative Run out the electrode.

Gegenstand der Erfindung ist, die Leadergeometrie dadurch zu kontrollieren, daß geeignete Hilfsfelder überlagert werden, die die Leader auf definierte Linien zwingen.The object of the invention is to increase the leader geometry check that suitable auxiliary fields are overlaid, that force the leaders on defined lines.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to figures. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit zylinderförmiger Hilfselektrode bei Leaderbildung von der positiven Elektrode aus; Figure 1 is a schematic representation of an embodiment with a cylindrical auxiliary electrode with leader formation from the positive electrode.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit zylinderförmiger Hilfselektrode mit Leaderbildung von der negativen Elektrode aus; Figure 2 is a schematic representation of an embodiment with cylindrical auxiliary electrode having Leader formation of the negative electrode.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit mehreren dünnen Hilfselektrodenbügeln; Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment with several thin auxiliary electrodes ironing;

Fig. 4 bis 7 Ausführungsformen nach Fig. 3 in axonometrischer Ansicht. Fig. 4 to 7 embodiments of FIG. 3 in an axonometric view.

In Fig. 1 ist das Schaltbild einer Funkenstrecke schematisch dargestellt. Zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 bildet sich bei Entladung des Speicherkondensators 6 durch Schließen der Kontakte 8 ein Funkenkanal 10. Um den Funkenkanal 10 ist eine zylinderförmige Hilfselektrode 12 angeordnet, die hier perspektivisch dargestellt ist. Die Hilfselektrode 12 ist über einen hochohmigen Widerstand 14 und eine Induktivität 16 mit einer Spannungsquelle 18 verbunden. Durch die Hilfselektrode 12 wird ein statisches elektrisches Hilfsfeld erzeugt, mit dem die Leaderbildung, und damit der Weg des Funkens im Funkenkanal 10, kontrolliert in einer festgelegten Geometrie, erfolgen kann. Außerhalb des gewünschten Funkenkanals 10 entsteht ein geringfügig (ca. 10%) höheres Potential als es an derjenigen Elektrodenspitze herrscht, von der die Leaderbildung bevorzugt ausgeht. Dieses ist in Fig. 1 die positive Elektrodenspitze.In Fig. 1 the circuit diagram of a spark gap is shown schematically. A spark channel 10 is formed between the two electrodes 2 and 4 when the storage capacitor 6 is discharged by closing the contacts 8 . A cylindrical auxiliary electrode 12 is arranged around the spark channel 10 , which is shown here in perspective. The auxiliary electrode 12 is connected to a voltage source 18 via a high-resistance resistor 14 and an inductance 16 . The auxiliary electrode 12 generates a static electrical auxiliary field with which the formation of the leader, and thus the path of the spark in the spark channel 10 , can take place in a controlled, controlled manner. Outside the desired spark channel 10 there is a slightly (approx. 10%) higher potential than that at the electrode tip from which the leader formation is preferred. This is the positive electrode tip in FIG. 1.

Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 1 außer das die Schaltung für eine von der negativen Elektrodenspitze ausgehende Leaderbildung vorgesehen ist. FIG. 2 shows the same arrangement as FIG. 1 except that the circuit is provided for a leader formation starting from the negative electrode tip.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die eine Behinderung der Ausbreitung der Stoßwelle weitestgehend verhindert. Die zylinderförmige Hilfselektrode 12 ist durch drei oder mehr dünne Elektrodenbügel 20 ersetzt, die den Funkenkanal 10 umgeben. Da diese Anordnung vorzugsweise für die Verwendung im Lithotripter vorgesehen ist, wird die gleiche Schaltung wie in Fig. 1 verwendet, da bei Unterwasserfunkenstrecken die Leaderbildung bevorzugt von der positiven Elektrodenspitze ausgeht, so daß die Hilfselektrode 20 das Potential in der Umgebung der positiven Funkenelektrode 4 verstärkt. Fig. 3 shows an arrangement which largely prevents an impediment to the propagation of the shock wave. The cylindrical auxiliary electrode 12 is replaced by three or more thin electrode brackets 20 which surround the spark channel 10 . Since this arrangement is preferably intended for use in the lithotripter, the same circuit as in FIG. 1 is used, since in the case of underwater spark gaps the formation of the leader preferably starts from the positive electrode tip, so that the auxiliary electrode 20 amplifies the potential in the vicinity of the positive spark electrode 4 .

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Funkenstrecke, bei der eine Elektrode 2 verlängert ist und im wesentlichen parallel zur anderen Elektrode 4 geführt wird. Die Elektrode 2 ist dann um 180° umgebogen und in einer Schleife 22 zurückgeführt, so daß die beiden Elektroden 2 und 4 sich axial, aber mit großem Abstand gegenüberliegen. Der sich zwischen den Elektrodenspitzen ausbildende Funkenkanal ist von einer Hilfselektrode 12 nach der Anordnung in Fig. 3 umgeben. Die Hilfselektrode 12 besteht aus drei Elektrodenbügeln 20, die parallel und gleichabständig zum Funkenkanal angeordnet sind. Zu ihrer mechanischen Verstärkung werden die drei Elektrodenbügel 20 von vier eingearbeiteten Ringen 24 gestützt. Die beiden Elektroden 2, 4 und die Hilfselektrodenbügel 20 sind in einem Dämpfer 26 aus Kunststoff gehalten (nach DE-PS 26 35 635). Die Elektroden 2 und 4 umgibt eine isolierende Kunststoffhülse 27. Fig. 4 shows an embodiment of the spark gap, is prolonged in which an electrode 2 and is guided substantially parallel to the other electrode 4. The electrode 2 is then bent through 180 ° and returned in a loop 22 , so that the two electrodes 2 and 4 face each other axially but at a large distance. The spark channel formed between the electrode tips is surrounded by an auxiliary electrode 12 according to the arrangement in FIG. 3. The auxiliary electrode 12 consists of three electrode brackets 20 , which are arranged parallel and equidistant from the spark channel. The three electrode brackets 20 are supported by four incorporated rings 24 for their mechanical reinforcement. The two electrodes 2 , 4 and the auxiliary electrode bracket 20 are held in a damper 26 made of plastic (according to DE-PS 26 35 635). The electrodes 2 and 4 surround an insulating plastic sleeve 27 .

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung nach der Anordnung in Fig. 3, bei der der rohrförmige Außenleiter 28 in ein Joch 30 oder einen Käfig übergeht, an dessen Ende 32 die Elektrodenspitze 2 in einer Hülse 34 mit Kegelspitz 36 befestigt ist. Das Joch 30 oder der Käfig kann aus zwei oder mehr metallischen Bügeln 38 bestehen (nach DE-PS 26 35 635). In einem aus Kunststoff gefertigten Dämpfer 26 sind sechs Bügel 20 einer Hilfselektrode 12 gehaltert. Die sechs Bügel 20 sind an ihrem anderen Ende durch einen Ring 40 miteinander verbunden. Der Ring 40 dient der Stabilisierung der Bügel 20, die parallel und gleichabständig zum Funkenkanal 10 angeordnet sind. Die metallischen Bügel 38 des Jochs oder Käfigs sind mit einer isolierenden Kunststoffhülse 42 ummantelt. FIG. 5 shows a further advantageous embodiment of the invention according to the arrangement in FIG. 3, in which the tubular outer conductor 28 merges into a yoke 30 or a cage, at the end 32 of which the electrode tip 2 is fastened in a sleeve 34 with a conical tip 36 . The yoke 30 or the cage can consist of two or more metallic brackets 38 (according to DE-PS 26 35 635). In a damper 26 made of plastic, six brackets 20 of an auxiliary electrode 12 are held. The six brackets 20 are connected to one another at their other end by a ring 40 . The ring 40 serves to stabilize the brackets 20 , which are arranged parallel and equidistant from the spark channel 10 . The metallic brackets 38 of the yoke or cage are covered with an insulating plastic sleeve 42 .

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform entsprechend Fig. 5. Die sechs Bügel 20 der Hilfselektrode 12 sind hierbei in ihrer Halterung im Dämpfer 26 um 60° im Uhrzeigersinn verdreht. FIG. 6 shows a further embodiment corresponding to FIG. 5. The six brackets 20 of the auxiliary electrode 12 are rotated clockwise in their holder in the damper 26 .

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführung gemäß Fig. 5. Hierbei sind vier Bügel 20 der Hilfselektrode 12 um den Funkenkanal herum angeordnet. Die Bügel 20 sind in der Mitte des Funkenkanals eingeschnürt in Form eines Rotationshyperboloides und werden durch einen Ring 44 stabilisiert. Die Einschnürung bewirkt eine noch höhere Konzentration des Potentialfeldes zwischen den Spitzen der Elektroden. FIG. 7 shows a further embodiment according to FIG. 5. Here, four brackets 20 of the auxiliary electrode 12 are arranged around the spark channel. The brackets 20 are constricted in the middle of the spark channel in the form of a rotational hyperboloid and are stabilized by a ring 44 . The constriction causes an even higher concentration of the potential field between the tips of the electrodes.

Durch Anlegen der Hilfsfelder wird das Potentialfeld zwischen den Funkenelektroden 2 und 4 aus einer sattelförmigen Verteilung in eine rinnenförmige Verteilung geändert. Trotz der immer noch vorhandenen Mikroinhomogenitäten des Feldgradienten kann die Leaderbildung nur innerhalb der Potentialrinne und damit geometrisch kontrolliert erfolgen.By applying the auxiliary fields, the potential field between the spark electrodes 2 and 4 is changed from a saddle-shaped distribution to a trough-shaped distribution. Despite the still existing micro inhomogeneities of the field gradient, the leader formation can only take place within the potential trough and thus geometrically controlled.

Claims

1. Spark gap for the generation of shock waves for the contact-free destruction of concrements in bodies of living beings, in which the feed line and return line are guided with little induction, with main electrodes protruding from a holder, characterized in that to improve the spark channel formation, an auxiliary electrode ( 12 ) around the spark channel ( 10 ) of the main electrodes ( 2, 4 ) is arranged around.

2. Spark gap according to claim 1, characterized in that the auxiliary electrode ( 12 ) has the shape of a cylinder or a rotational hyperboloid.

3. Spark gap according to claim 2, characterized in that the auxiliary electrode ( 12 ) consists of three or more thin electrode brackets ( 20 ).

4. Spark gap according to one of claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary electrode ( 12 ) is at a positive potential.

5. Spark gap according to one of claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary electrode ( 12 ) is at a negative potential.