DE3932967C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Wandler finden Anwendung in der Lithotripsie, Hyperthermie und dergleichen.

Derartige elektroakustische Wandler sind seit längerem bekannt. Beispielsweise wird diesbezüglich verwiesen auf die DE-OS 35 10 341.

Kalottenförmige oder planare Wandler, bei denen eine elektronische (DE- OS 31 19 295) oder akustische Fokussierung der Schallwellen stattfindet, dienen in der Medizin zur Desintegration von in Körperhöhlen befindlichen Konkrementen zur Zerstörung von Gewebe und dergleichen.

Stets wird bei den bekannten Wandlern versucht, die Schallwellen möglichst punkt­ genau auf einen geometrischen oder akustischen Ort, den Fokus, zu bündeln, um hier eine für die jeweilige Indikation notwendige Energiedichte zu erreichen. Für die Applikation von Schallwellen ist der genannte Fokus des Wandlers auf das zu zer­ störende Objekt ausgerichtet.

Elektroakustische Wandler der vorbeschriebenen Art erfüllen ihren Zweck im all­ gemeinen zufriedenstellend im Hinblick auf die erste Applikation der Schallwellen. So wird ein hinreichend großes Konkrement mit hoher Wahrscheinlichkeit bei der ersten Behandlung zerstört werden. Zurück bleiben häufig eine Anzahl kleinerer Fragmente, die ihrerseits zerstört werden müssen. Der hierfür erforderliche Aufwand ist beträchtlich, denn jedes Fragment ist Objekt einer Nachbehandlung.

Bei der extrakorporalen Lithotripsie mit Stoßwellenwandlern sind zum Teil auf­ wendige Ortungseinrichtungen und Verfahren nötig, um die Koordinaten des zu zerstörenden Konkrementes im Raum festzustellen und diese sodann in den Fokus der Stoßwellenquelle zu bringen. In der DE-OS 34 17 985 ist eine Vorrichtung zur berührungsfreien Lithotripsie mit Stoßwellenreflektor, Ortungssystem, Patientenliege und Geräteträger beschrieben, mit der es möglich ist, eine Ortung mit geringem Aufwand durchzuführen, wobei evtl. sogar eine Ortung in Tiefenrichtung des Kon­ krementes entfallen kann, da ein axialer Linienfokus eingesetzt wird. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist also der Fokus des Stoßwellenwandlers in Richtung seiner Symmetrieachse linienförmig ausgebildet.

Vor diesem Hintergrund ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Stoßwellenwandler so weiter zu ent­ wickeln, daß die Trefferwahrscheinlichkeit der Schallwellen, insbesondere für kleinere Fragmente oder Steine erhöht wird; eine schnelle Zerstörung von Haufen kleiner Objekte soll ebenfalls ermöglicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Wandler durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Trefferwahrscheinlichkeit wird also durch eine gezielte Vergrößerung des Fokusgebietes erhöht.

Denktheoretisch wäre selbstverständlich eine Aufweitung des Fokusgebietes einfach durch eine Verringerung der Apertur von bekannten Wandlern möglich. Dies hätte aber die gravierenden Nachteile zur Folge, daß die Energiedichte der Schallwellen an der Eintrittsfläche zum Körper des Patienten erhöht würde, woraus ein Schmerz­ empfinden beim Patienten resultieren würde und daß die Vergrößerung des Fokusge­ bietes in der Abstrahlebene der Wellen auch zu dessen Vergrößerung in der räumli­ chen Tiefe führen würde, so daß in diesem Bereich die Energie nicht auf die ge­ wünschten Zonen verteilt würde.

Demgegenüber gestattet der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler die Bünde­ lung der Energie auf mindestens zwei Punkte, die auf einer vorgewählten, beliebig im Raum gekrümmten Linie liegen. Hierbei werden die Nachteile des denktheoreti­ schen Ansatzes vermieden.

Gemäß einer Ausführungsform fokussiert der Wandler die Energie der Schallwellen auf unendlich viele Punkte, so daß sich eine in sich geschlossene im Raum gekrümmte Linie ergibt. Wenn die im Raum gekrümmte Linie als Kreisring ausgewählt wird, ergibt sich demgemäß bei diesem Ausführungsbeispiel ein ringförmiger Fokusbe­ reich.

Grundsätzlich kann jeder planare und im wesentlichen kalottenförmige Wandler in der beschriebenen Weise ausgestaltet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wandler als die von ihm erzeugten Schallwellen selbst auf das Konkrement oder Gewebe lenkender Wandler so aufge­ baut sein, daß er aus mehreren Einzelsegmenten mit jeweils einem Fokus besteht, die auf der gedachten, beliebig im Raum gekrümmten Linie liegen. Sind die Einzel­ segmente Segmente einer Kalotte, so werden die Einzelfokusse der Segmente auf einen gedachten Kreisring um die Wandlersymmetrieachse liegen.

Diese Ausführungsform kann dadurch weitergebildet werden, daß die Einzelsegmente in einer Ebene in bezug auf die Symmetrieachse des Wandlers translatorisch verfahr­ bar sind. Wird wieder von dem Beispiel ausgegangen, bei dem die Einzelsegmente Kalottensegmente sind, so wird sich der Durchmesser des Kreisringes, auf dem die Einzelfokusse liegen, vergrößern, wenn alle Einzelsegmente in gleichem Maße auseinander gerückt werden. Entsprechend wird er sich verkleinern, wenn die Einzelsegmente in gleichem Maße näher aneinander gerückt werden, ohne sich hierbei zu überlappen. Aber selbst eine Überlappung der Einzelschallkegel ist denk­ bar.

Eine weitere Verstellmöglichkeit der beliebig im Raum gekrümmten, aber durch die konkrete Bauform des Wandlers vorgegebenen Linie ist bei einer Weiterbildung des aus Einzelsegmenten bestehenden Wandlers gegeben, wenn die Einzelsegmente in bezug auf die Symmetrieachse des Wandlers im Winkel schwenkbar angeordnet sind.

Wenn dabei wieder die Einzelsegmente Kalottensegmente sind, so wird sich der Durchmesser des gedachten Kreisringes, auf dem die Einzelfokusse liegen, ver­ größern, wenn alle Segmente um den selben Winkel von der Wandlerhauptachse fortgeschwenkt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wandler auf seiner Abstrahlfläche mit einer akustischen Linse versehen, die mehrere akustische Fokusse aufweist.

Wenn diese Linse einstückig und rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ihre Dicke vom Rand des Wandlers zu dessen Mitte hin stetig zunimmt, wird der Wandler einen ringförmigen Fokusbereich aufweisen.

Mit allen vorbeschriebenen Ausführungsformen des Wandlers wird ein guter Wir­ kungsquerschnitt erzielt, d. h., daß der Querschnitt des Fokusbereiches, in welchem eine genügend große Energiedichte vorliegt um noch zur Zerstörung des Konkremen­ tes, Gewebes oder dergleichen beizutragen, hinreichend groß ist.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht (a), Schnittansicht (b) eines bekannten Wand­ lers im Vergleich zur Draufsicht (c) und Schnittansicht (d) einer ersten Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines bekannten Kalottenwandlers (a) im Vergleich zu jener der ersten Aus­ führungsform des Wandlers (b),

Fig. 3 eine Draufsicht (a), Schnittansicht (b) eines bekannten Wand­ lers im Vergleich zur Draufsicht (c) und Schnittansicht (d) einer zweiten Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 4 Draufsichten auf eine dritte Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 5 Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform des Wand­ lers,

Fig. 6 Schnittansichten einer anderen Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 7 Schnittansicht eines bekannten Wandlers (a) im Vergleich zu jener einer weiteren Ausführungsform des Wandlers (b), und

Fig. 8 eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform des Wandlers.

Alle gezeigten Ausführungsbeispiele können zur Erzeugung von Stoßwellen beispiels­ weise mosaikartig mit piezokeramischen Elementen bestückt sein. Hierauf wird nachfolgend aber nicht weiter eingegangen.

In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind die Draufsicht (a) und der Querschnitt (b) eines bekannten kalotten­ förmigen, selbstfokussierenden Wandlers (16) den Entsprechungen (c und d) eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wandlers 1 gegenüber gestellt.

Der bekannte Wandler 16 weist einen idealisiert als Punkt dargestellten Fokus 15 auf, auf den die Schallwellen (Stoßwellen) gebündelt werden. Der Fokus 15 wird während der Applikation der Stoßwellen auf das zu zerstörende Objekt ausgerichtet, so daß beide koinzident sind.

Der Wandler 1 ist von rotationssymmetrischer Gestalt und weist zentral eine planare Basis 4 auf. Im Bereich der planaren Basis 4 weist der Wandler 1 keine Wandler­ elemente, beispielsweise piezoelektrische Elemente wie an den Abstrahlflächen 2 auf. Der Wandler 1 gibt ein rotationssymmetrisches Schallfeld ab. Auf Grund seiner Formgebung fokussiert er die Energie der Stoßwellen auf unendlich viele Punkte, die auf einer geschlossenen im Raum gekrümmten Linie 3 um seine Symmetrieachse 13 liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die im Raum gekrümmte Linie 3 ein geschlossener Kreisring. Demnach weist der Wandler 1 vorliegend ein geschlossenes, ringförmiges Fokusgebiet auf.

Fig. 2 zeigt nochmals die Wandler 16 und 1 in perspektivischer Ansicht zur Ver­ anschaulichung. In der Darstellung stellen die gekrümmten Linien im Wandlerinneren lediglich den gekrümmten Verlauf der Abstrahlflächen 2 dar, nicht hingegen eine Segmentierung der Wandler.

In Fig. 3 sind die schon beschriebenen Darstellungen des bekannten Wandlers 16 den Entsprechungen einer zweiten Ausführungsform des Wandlers 1 gegenüberge­ stellt.

Der Wandler 1 ist hier in vier Segmente 5, 6, 7, 8 unterteilt. Die Segmente 5, 6, 7, 8 sind kalottenförmig gestaltet, so daß jedes von ihnen einen Einzelfokus 9, 10, 11, 12 aufweist. Die Segmente 5, 6, 7, 8 sind vorliegend so zueinander angeordnet dargestellt, daß die Einzelfokusse 9, 10, 11, 12 auf einer gedachten im Raum ge­ krümmten Linie 3 in Form eines Kreisringes liegen.

Die Einzelsegmente 5, 6, 7, 8 sind in einer Ebene in bezug auf die Symmetrieachse 13 des Wandlers 1 translatorisch verfahrbar, wie dies in der Draufsicht (c) durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Wenn die Einzelsegmente ausgehend von der dargestell­ ten Position jeweils um denselben Streckenabschnitt von der Symmetrieachse 13 fortbewegt werden, so vergrößert sich der Durchmesser des gedachten Kreisringes 3. Entsprechend kleiner wird er bei Bewegung der Einzelsegmente auf die Symmetrie­ achse 13 zu.

Mit diesem Ausführungsbeispiel des Wandlers 1 lassen sich auch andere im Raum gekrümmten Linien 3 als einen Kreisring darstellen, wenn nämlich die Strecken, um welche die Einzelsegmente 5, 6, 7, 8 in bezug auf die Symmetrieachse 13 bewegt werden, nicht gleich sind.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Wandlers 1 dargestellt, welche wie jene gemäß Fig. 3 von nichtrotationssymmetrischer Gestalt ist. Gegenüber jenem weist der Wandler vorliegend in seiner maximal ausgefahrenen Stellung (b) eine kreisförmige Außenkontur auf, während dies beim Wandler gemäß Fig. 3 dann der Fall ist, wenn alle Einzelsegmente 5, 6, 7, 8 weitestmöglich an die Symmetrieachse 13 des Wandlers 1 herangefahren sind. Dann nimmt der Wandler 1 im Prinzip die Stellung (a) des Wandlers 16 ein.

In Fig. 5 (a) sind Kalottensegmente 5, 6 an ihrer Basis in einem gewissen Abstand voneinander entfernt angeordnet. Die Einzelfokusse 9, 10 sind in dieser Stellung koinzident. Ausgehend von dieser Stellung können die Einzelsegmente 5, 6 nun in Richtung der Symmetrieachse 13 verfahren werden. Die Endstellung (b) ist erreicht, wenn sich beide Segmente 5, 6 an der Symmetrieachse 13 berühren. In dieser Stellung (b) überlappen sich die von den Einzelsegmenten 5, 6 ausgehenden Schall­ kegel, so daß die Einzelfokusse 9, 10 sich voneinander entfernen. Zwischen Stellung (a) und Stellung (b) ist selbstverständlich jede beliebige Zwischenstellung möglich.

Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Wandlers. Hier sind die Segmente 5, 6 in bezug auf die Symmetrieachse 13 im Winkel schwenkbar. Ausge­ hend von der Extremposition (a), in der die Einzelfokusse 9, 10 koinzident sind, können die Segmente 5, 6 beispielsweise in die Stellung (b) geschwenkt werden, wodurch sich die Einzelfokusse 9, 10 voneinander entfernen. Selbstverständlich brauchen die einzelnen Winkel, um welche die Einzelsegmente geschwenkt werden, nicht stets gleich groß zu sein. Durch unterschiedliche Verschwenkwinkel lassen sich von einem Kreisring unterschiedliche im Raum gekrümmte Linsen erzeugen, auf denen die Einzelfokusse liegen zu liegen kommen.

In Fig. 7 (b) ist eine weitere Variante des Wandlers dargestellt, der hier aus einem einzigen rotationssymmetrischen Körper besteht. Er geht aus dem kalottenförmigen, bekannten Wandler (a) durch Kippen der Querschnittshälften hervor und besitzt einen Ringfokus.

Fig. 8 zeigt eine weitere interessante Ausführungsform des Wandlers 1. Auf der Abstrahlfläche 2 des Wandlers 1 ist eine akustische Linse 14 aufgebracht, die mehrere Fokusse 17, 18 aufweist. Hierbei wird eine Vergrößerung des Fokusgebietes also nicht durch Verfahren oder Verschwenken von Einzelelementen in bezug auf die Symmetrieachse 13 erzielt, sondern durch ein "akustisches Kippen".

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Linse 14 einstückig und rotationssymme­ trisch ausgebildet. Ihre Dicke nimmt vom Rand des Wandlers 1 zu dessen Mitte hin stetig zu.

Der gezeigte Wandler weist ein Fokusgebiet auf, welches auf einem geschlossenen Kreisring als im Raum gekrümmte Linie liegt. In Abhängigkeit von der Linsendicke in der Wandlermitte und von der Schallgeschwindigkeit in ihrem Material lassen sich unterschiedliche Durchmesser der geschlossenen kreisringförmigen Linie und damit unterschiedliche Durchmesser des ringförmigen Fokusgebietes erzielen.

Claims (8)

1. Elektroakustische Wandler, der eine symmetrische Form aufweist und der von ihm erzeugte Schallwellen auf ein zu zerstören­ des Konkrement oder Gewebe sendet, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (1; 16) die Energie der Schallwellen anteilig auf minde­ stens zwei Punkte fokussiert, welche auf einer gedachten, um seine Symmetrieachse (13) liegenden und von seiner Abstrahlfläche (2) beabstandeten beliebig im Raum gekrümmten Linie (3) angeordnet sind (Fig. 1 bis 8).

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er die Energie der Schallwellen auf unendlich viele Punkte fokussiert, so daß diese eine in sich geschlossene, im Raum gekrümmte Linie (3) bilden (Fig. 1, 2, 8).

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist und seine Rückseite so geformt ist, daß die dort reflektierten Schallwellen nicht konphas im Bereich der im Raum gekrümmten Linie (3) zu­ sammenlaufen können (Fig. 1, 2).

4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er aus mehreren Einzelsegmenten (5, 6, 7, 8) mit jeweils einem Fokus (9, 10, 11, 12) besteht, die auf der gedachten beliebig im Raum gekrümmten Linie (3) liegen (Fig. 3 bis 7).

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsegmente (5, 6, 7, 8) in einer Ebene quer zur Symmetrieachse (13) des Wandlers (1) verfahrbar sind (Fig. 3 bis 5).

6. Elektroakustische Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsegmente (5, 6, 7, 8) des Wandlers (1) schwenkbar angeordnet sind (Fig. 6, 7).

7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2 als kalottenförmiger Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abstrahlfläche (2) des Wandlers (1) eine Linse (14) aufgebracht ist, welche mehr als einen akustischen Fokus aufweist.

8. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (14) einstückig und rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ihre Dicke vom Rand des Wandlers (1) zu dessen Mitte hin stetig zunimmt.