DE68925100T2

DE68925100T2 - Stosswellenerzeuger, der mit fokussierten Stosswellen in einem grossen Feld Konkremente zertrümmert

Info

Publication number: DE68925100T2
Application number: DE68925100T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Okazaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-10-26
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2009-10-27
Also published as: JP2602923B2; EP0367117A2; EP0367117A3; DE68925100D1; JPH02121647A; EP0367117B1; US5062412A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen (Stoßwellenerzeugungsgerät) in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist zur Zertrümmerung eines Objekts im Inneren eines biologischen, unter medizinischer Untersuchung befindlichen Objekts, zum Beispiel einer Krebszelle und einer Verdichtung (Stein), durch Anwendung von fokussierter Energie von Schockwellen imstande. Genauer gesagt ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Stoßwellenerzeugung gerichtet, die zur Erzeugung eines breiten Bereichs der Steinzertrümmerung mit Hilfe der fokussierten Schockwellen imstande ist.
Verschiedenartige Typen von Geräten zur Erzeugung von Stoßwellen sind zum Beispiel in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.62-49843 (1987) vorgeschlagen. In Fig. 1 ist in Form einer Schnittansicht ein Ultraschallwellen-Applikator einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen dargestellt.
Ein Durchgangsloch mit einer vorbestimmten Gestalt ist in einem mittleren Abschnitt eines Applikators 1 ausgebildet. Ein vibrierendes Element (zum Beispiel ein piezoelektrisches Wandlerelement) 2 ist sphärisch ausgebildet und es ist ein Unterstutzungsmaterial 3 in gleichförmiger Weise an einer rückseitigen Oberfläche dieses sphärischen, vibrierenden Elements 2 angebracht. Eine Ultraschall-Abbildungssonde 4 ist in einer solchen Weise angeordnet, daß eine sendende/empfangende Wellenfront (Ultraschallanordnung) 4a an der gekrümmten Oberfläche, die identisch mit der Stoßwellen sendenden/Stoßwellen empfangenden Wellenfront des vibrierenden Elements 2 ist, oder rückseitig dieser zuletzt erwähnten Wellenfront angeordnet ist. Weiterhin enthält dieser Ultraschallwellen-Applikator 1 eine Wassertasche 5, die Wasser als ein Koppelmedium für die Ultraschallwellen enthält. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen biologischen Körper, der sich in medizinischer Untersuchung befindet.
Damit eine Zertrümmerung einer Konkretion oder eines Steins im Inneren eines biologischen Körpers unter Einsatz des vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Geräts zur Erzeugung von Schockwellen stattfinden kann, muß der Brennpunkt der erzeugten Stoßwelle auf diese Konkretion ausgerichtet sein, was als "eine Positionierung eines Brennpunkts" bezeichnet wird. Eine solche Positionierung eines Brennpunkts wird in dem Zustand durchgeführt, bei dem während der Anzeige sowohl eines Bilds im B-Modus (tomographischen Bilds) des biologischen Körpers als auch einer Markierung, die den Brennpunkt anzeigt, auf der Anzeigeeinrichtung versucht wird, diese Brennpunktmarkierung dazu zu bringen, daß sie mit der Konkretion übereinstimmt, die auf dem Anzeigeschirm angezeigt wird. Diese herkömmliche Positionierung des Brennpunkts ist zum Beispiel in der US-PS 4,617,931 mit dem Titel "Ultrasonic Pulse Apparatus for Destroying Calculuses", ausgegeben am 21. Oktober 1986 für J. Dory, beschrieben. Es ist anzumerken, daß die Markierung den Brennpunkt anzeigt, der durch die geometrischen Parameter des vibrierenden Elements 2 definiert ist.
Die Fig. 2A bis 2C veranschaulichen die Beziehungen zwischen der Stoßwellenfront und der fokussierten Region bei dem herkömmlichen Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen, das in Fig. 1 dargestellt ist.
In Fig. 2A bezeichnet ein Bezugszeichen 7 eine einzelne, fokussierte Region der Stoßwelle, die von dem vibrierenden Element 2 ausgesandt wird. Dieses vibrierende Element 2 ist in sechs Abschnitte unterteilt, wie es in Fig. 2B dargestellt ist, und es sind die sechs Abschnitte in einer spärischen Form (Kugelform) angeordnet, wie es in Fig. 2A dargestellt ist. Es ist anzumerken, daß lediglich eine fokussierte Region 7 aus sechs Elementabschnitten "a" bis "f" gebildet wird. Fig. 2C zeigt eine Darstellung der fokussierten Region 7, wie sie aus der Richtung der Aussendung der Stoßwelle in Richtung auf ein zu zertrümmerndes Objekt 8 gesehen wird.
Es sei nun angenommen, daß eine Fläche, die einen halben Wert bzw. die Hälfte eines Spitzendrucks anzeigt, der durch eine von einem vibrierenden Element ausgesandte Stoßwelle hervorgerufen wird, als die vorstehend erwähnte fokussierte Region 7 definiert ist. Diese fokussierte Region 7 ist geometrisch durch den Durchmesser des sphärischen Körpers und durch die Apertur des vibrierenden Elements 2 bestimmt. Wie aus Fig. 2C ersichtlich ist, ist die Wirksamkeit der Steinzertrümmerung mit Hilfe der Stoßwelle beträchtlich verringert, da die Größe dieser fokussierten Region 7 sehr klein ist, verglichen mit dem Objekt 8, das in dem Inneren des biologischen Körpers zu zertrümmern ist. Dies erfordert notwendigerweise eine lange Zeitdauer, damit das Objekt 8 vollständig zertrümmert wird.
In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE-A-31 19 295 ein Gerät offenbart, das vibrierende, ringförmige Ultraschallelemente enthält, die konzentrisch angeordnet sind und über Verzögerungselemente in einer solchen Weise mit Impulsen gespeist werden, daß der Brennpunkt entlang der "optischen Achse des Geräts" variiert.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, ein Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen zu schaffen, das zur Verbesserung der Wirksamkeit der Zertrümmerung von Konkretionen bezüglich des Objekts, das in dem biologischen Körper zu zertrümmern ist, geeignet ist.
Dieses Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Da somit eine Mehrzahl von fokussierten Regionen mit Hilfe der Stoßwellen gleichzeitig nahe oder bei dem Stein gebildet werden, kann der Stein rasch zerstört werden.
Zur besseren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Hierbei gilt:
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ultraschallimpuls-Applikators, der in einem herkömmlichen Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen eingesetzt wird;
Fig. 2A bis 2C zeigen Darstellungen zur schematischen Erläuterung der Bildung der einzelnen, fokussierten Region aus den Schockwellen, die durch den Ultraschallimpuls-Applikator hervorgerufen wird, der in Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Geräts 100 zur Erzeugung von Stoßwellen in Übereinstimmung mit einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stoßwellenapplikators, der bei dem ersten Gerät 100 zur Erzeugung von Stoßwellen eingesetzt wird, das in Fig. 3 dargestellt ist;
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Stoßwellenapplikators, die entlang einer Linie A-A geschnitten ist, wobei die Linie A-A in Fig. 4 dargestellt ist;
Fig. 6A bis 6D zeigen Darstellungen zur schematischen Erläuterung, wie durch den Schockwellenapplikator, der in Fig. 4 dargestellt ist, mehrere fokussierte Regionen aus den Schockwellen gebildet werden;
Fig. 7 zeigt schematisch eine geometrische Anordnung eines weiteren Schockwellenapplikators 25;
Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Geräts 200 zur Erzeugung von Stoßwellen in Übereinstimmung mit einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Geräts 300 zur Erzeugung von Stoßwellen, das jedoch keinen Teil der Erfindung darstellt;
Fig. 10 veranschaulicht mehrere fokussierte Regionen, die aufeinanderfolgend durch das zuletzt genannte Gerät 300 zur Erzeugung von Stoßwellen gebildet werden; und
Fig. 11A bis 11C zeigen Darstellungen eines Schockwellenapplikators 80 in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Grundlegende Idee

Das hauptsächliche Merkmal der vorliegenden Erfindung wird in folgender Weise erreicht. Damit die Fläche einer wirksamen, fokussierten Region der Stoßwellen, die von den vibrierenden Elementen in Richtung auf ein zu zertrümmerndes Objekt ausgesandt werden (das heißt einer Region, die den halben Spitzenwert des Drucks der Schockwellen in einer Richtung rechtwinklig zu der Senderichtung der Schockwelle anzeigt), vergrößert wird, werden die vibrierenden Elemente gemäß den beiden nachstehenden, typischen Verfahren angesteuert.
1) Ein geometrischer Parameter (Form, relative Position usw.) der jeweiligen vibrierenden Elemente, die jede der Gruppen aus vibrierenden Elementen bilden, wird geeignet in einer solchen Weise ausgewählt, daß die Mehrzahl von fokussierten Regionen, die durch die jeweiligen Gruppen aus vibrierenden Elementen gebildet werden, gleichzeitig erzeugt werden;
2) Eine Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen wird dadurch gebildet, daß eine Mehrzahl von vibrierenden Elementengruppen eingesetzt wird, von denen jede jeweils mehrere vibrierende Elemente aufweist. Mehrere fokussierte Regionen, die durch die Stoßwellen definiert werden, die von den jeweiligen vibrierenden Elementen in den entsprechenden Gruppen aus vibrierenden Elementen ausgesandt werden, werden gleichzeitig gebildet. Eine derartige Steuerung der vibrierenden Elemente wird zum Beispiel dadurch bewerkstelligt, daß die jeweiligen vibrierenden Elemente mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit angesteuert werden.
Im folgenden wird auch ein weiteres Verfahren und ein weiteres Gerät beschrieben, das jedoch nicht zu der vorliegenden Erfindung gehört. Bei diesem weiteren Verfahren und Gerät wird die Zeitsteuerung der Ansteuerung der Elemente elektronisch in einer solchen Weise gesteuert, daß eine aus der Mehrzahl von fokussierten Regionen, die durch die jeweiligen Gruppen aus vibrierenden Elementen definiert sind, aufeinanderfolgend gebildet wird. Anders ausgedrückt wird eine relativ kleine, einzelne fokussierte Region, die durch jede der Gruppen aus vibrierenden Elementen definiert ist, über ein großes, zu zerstörendes Objekt abtastend verschoben.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gemäß der vorstehenden Beschreibung ist die Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen aus einer Mehrzahl von Gruppen aus vibrierenden Elementen aufgebaut, wobei durch die Gruppen eine Mehrzahl von Stoßwellen auf eine Mehrzahl von fokussierten Regionen geometrisch fokussiert werden. Demgemäß ist eine zusammengesetzte Größe oder Fläche dieser fokussierten Regionen verhältnismäßig größer als die Größe der einzelnen, fokussierten Region bei dem herkömmlichen Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen, so daß der Wirkungsgrad der Zerstörung des zu zertrümmernden Objekts (zum Beispiel eines Steins) beträchtlich verbessert werden kann. In diesem Fall ist jede der fokussierten Regionen durch die jeweiligen Gruppen aus vibrierenden Elementen geometrisch definiert. Anders ausgedrückt werden die Positionen der Bildung der fokussierten Regionen dadurch bestimmt, daß die geometrischen Parameter (Abmessung, Gestalt) der Gruppen aus vibrierenden Elementen gesteuert werden. Weiterhin kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine solche Erzeugung der Mehrzahl von fokussierten Regionen in elektronischer Weise realisiert werden. Dies bedeutet, daß die Zeitpunkte der Ansteuerung der jeweiligen vibrierenden Elemente durch die Steuereinrichtung zur Antriebszeitsteuerung in einer solchen Weise gesteuert werden, daß die jeweiligen fokussierten Regionen gebildet werden. In ähnlicher Weise kann der Wirkungsgrad der Zertrümmerung, die durch diese elektronische Treibersteuerung der Elemente erzielt wird, verbessert werden, in gleicher Weise wie bei der vorstehend erläuterten geometrischen Elementensteuerung.

Schaltungsanordnung eines ersten Schockwellengenerators

Ein Gerät 100 zur Erzeugung von Stoßwellen, das einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht, wird nachstehend beschrieben. Das Gerät 100 zur Erzeugung von Stoßwellen ist auf der Grundlage der vorstehend erläuterten ersten grundlegenden Idee realisiert.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des ersten Geräts 100 zur Erzeugung von Stoßwellen. Das erste Gerät 100 zur Erzeugung von Stoßwellen weist einen Ultraschallimpuls-Applikator 17, der eine Generatoreinrichtung 15 zur Erzeugung der Stoßwelle enthält, und eine Ultraschall-Bildgabesonde 16 zum Senden/Empfangen der Ultraschallimpulse auf. Dieses Gerät 100 zur Erzeugung von Schockwellen enthält weiterhin einen Pulsgeber 18 für die Zuführung eines Treiberimpulses hoher Spannung an die Generatoreinrichtung 15 zur Erzeugung von Stoßwellen; eine Sender/Empfänger-Schaltung 19 zur Weiterleitung eines Impulses niedriger Spannung an die Ultraschall-Abbildungssonde 16 und auch für den Empfang eines Echosignals, das von der Ultraschall-Abbildungssonde 16 erhalten wird; und einen Signalprozessor 20 auf, der zum Herbeiholen des Ausgangssignals dient, das von der Sender/Empfänger-Schaltung 19 erhalten wird, damit dieses Ausgangssignal hinsichtlich seiner Amplitude selektiert bzw. amplitudendemoduliert wird, um ein Videosignal zu erhalten. Das Gerät 100 zur Erzeugung von Stoßwellen enthält weiterhin eine zentrale Verarbeitungseinheit (im folgenden als "CPU" = Central Processing Unit = Zentraleinheit bezeichnet) für die Steuerung von verschiedenen Arbeitsabläufen der bei diesem Gerät 100 eingesetzten Schaltung; eine Steuereinrichtung 23 für die Steuerung der Zeitpunkte des Aussendens/Empfangens, der Amplituden und der Frequenzen der Impulssignale für die Sender/Empfänger-Schaltung 19, der Signalverarbeitungsschaltung 20 und des Pulsgebers 18 unter der Steuerung durch die Zentraleinheit 22, einen digitalen Abtastwandler 21 für die Durchführung einer Signalverarbeitung bezüglich des Ausgangssignals, das von dem Signalprozessor 20 erhalten wird; eine Anzeigeeinheit 27 für die Anzeige eines Bilds im B-Modus (tomographisches Bild), einer Markierung 26 für den Brennpunkt und so weiter auf der Anzeigeeinheit auf der Grundlage des Signals, das von dem digitalen Signalwandler 21 abgegeben wird; einen mit der Zentraleinheit 22 verbundenen Schalter 22 zur Erzeugung eines Impuls, der zur Festlegung der Zeitsteuerung der Erzeugung des Treiberimpulssignals hoher Spannung dient, das von dem Pulsgeber 18 an die Einrichtung 15 zur Erzeugung von Schockwellen abgegeben wird; und weiterhin eine Positionssteuerung 30 für die Einstellung einer relativen positionsmäßigen Beziehung zwischen der Einrichtung 15 zur Erzeugung von Schockwellen und der Ultraschall-Abbildungssonde 16.

Aufbau des Stoßwellenapplikators

Ein Aufbau des Stoßwellenapplikators 17 wird nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Schockwellenapplikators 17, während in Fig. 5 eine Darstellung eines Querschnitts des Schockwellenapplikators 17 gezeigt ist, die entlang der Linie A-A in Fig. 4 geschnitten ist.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird die Ultraschall-Abbildungssonde 16 entlang eines Pfeils "B" mit Hilfe einer Einheit 36 für die Sondenhalterung und den Sondenantrieb abgenommen bzw. bewegt. Ein Wassersack 33 ist vorgesehen, der aus Gründen der Flexibilität eine Balgeneinheit 33a aufweist. Wasser 40 wird in den Wassersack 33 injiziert, damit die erzeugte Stoßwelle im Inneren des biologischen Körpers 32 mit höherem Wirkungsgrad übertragen wird.

Geometrische Anordnung der vibrierenden Elemente

Es wird nun auf die Fig. 6A bis 6C Bezug genommen, anhand derer die Einrichtung 15 zur Erzeugung der Stoßwellen in Einzelheiten beschrieben wird. Die Fig. 6A bis 6C zeigen in graphischer Darstellung die Beziehungen zwischen der Front der Stoßwelle und den fokussierten Regionen bei dem Gerät 100 zur Erzeugung der Stoßwellen. Wie in den Fig. 6A und 6B dargestellt ist, ist die Einrichtung 15 zur Erzeugung der Stoßwellen in einer solchen Weise aufgebaut, daß eine Mehrzahl von vibrierenden Ultraschallelementen, zum Beispiel 14 Stücke bzw. Einheiten der piezoelektrischen Wandlerelemente, in einer endlosen Form angeordnet sind, und daß die Wellenfront der erzeugten Stoßwellen eine im wesentlichen sphärische bzw. kugelförmige Gestalt besitzt. Die Einrichtung 15 zur Erzeugung der Stoßwellen enthält eine Mehrzahl von Gruppen aus Wandlerelementen, zum Beispiel sieben Gruppen, durch die die geometrisch fokussierten Schockwellen erzeugt werden. Dies bedeutet, daß eine erste vibrierenden Elementgruppe 10a durch ein Paar von vibrierenden Elementen gebildet ist, die in Fig. 6B mit "a" bezeichnet sind; eine zweite Gruppe 10b aus vibrierenden Elementen ist durch ein Paar von vibrierenden Elementen gebildet, die in Fig. 6B mit "b" bezeichnet sind; eine sechste Gruppe 10f aus vibrierenden Elementen ist durch ein Paar von vibrierenden Elementen gebildet, die in Fig. 6B dargestellt und mit "f" bezeichnet sind; und es ist weiterhin eine siebte Gruppe 10g aus vibrierenden Elementen durch ein Paar von vibrierenden Elementen gebildet, die in Fig. 6B mit dem Buchstaben "g" bezeichnet sind. Wie in Fig. 6B dargestellt ist, ist ein Paar von vibrierenden Elementen "a" bis "g", die die jeweiligen Gruppen 10a bis 10g aus vibrierenden Elementen bilden, auf diagonalen Linien angeordnet. Es ist anzumerken, daß aus Gründen der Einfachheit Pfeile für die Bezeichnung der jeweiligen Gruppen 10b bis 10g aus vibrierenden Elementen lediglich zu einem vibrierenden Element hinzugefügt sind, das die jeweiligen Elementgruppen bildet.
Für diese vibrierenden Elemente zur Erzeugung der Stoßwellen kann zum Beispiel ein piezoelektrisches Wandlerelement eingesetzt werden. Eine Treiberimpulsspannung mit hohem Spannungswert von ungefähr 1 bis 3 kV wird an die vibrierenden Elemente angelegt, die mit einer hohen Frequenz von zum Beispiel 500 kHz zum Schwingen gebracht werden. Bei diesen Schwingungsbedingungen wird in der fokussierten Region ein hoher Druck mit ungefähr 1000 bar erzeugt, wodurch ein gewünschter Schockdruck bzw. Stoßwellendruck erhalten werden kann.
Damit eine derartige höhere Treiberimpulsspannung angelegt werden kann, sind die Gruppen 10 aus vibrierenden Elementen mit dem Pulsgeber 18 verbunden, der in Fig. 3 dargestellt ist.
Es ist anzumerken, daß eine relativ niedrigere Treiberimpulsspannung von zum Beispiel 100 V, die niedriger ist als die vorstehend erläuterte Treiberimpulsspannung, an die Abbildungssonde 16 angelegt wird, damit ein tomographisches Bild im B-Modus erhalten wird.
Fig. 6C zeigt die jeweiligen fokussierten Regionen, die gleichzeitig durch die Ansteuerung der Gruppen 10a bis 10g aus vibrierenden Elementen gebildet werden, wobei die Darstellung in der Betrachtungsrichtung in Richtung der Aussendung der Stoßwelle dargestellt ist. Es ist anzumerken, daß, auch wenn die Formen dieser fokussierten Regionen als Kreise gezeigt sind, die aktuellen Formen der fokussierten Regionen elliptisch oder oval sind.
Wie vorstehend erläutert, ist ein Paar aus vibrierenden Elementen "a" und "a", die die erste Gruppe 10a aus vibrierenden Elementen bilden, in einer solchen Weise angeordnet, daß die Stoßwellen, die von diesen vibrierenden Elementen "a" und "a" ausgesendet werden, bei einer ersten, geometrisch definierten Position synthetisiert bzw. zusammengesetzt werden, damit eine erste fokussierte Region 11a gebildet wird. Ein weiteres Paar aus vibrierenden Elementen "b" und "b", das die zweite Gruppe 10b aus vibrierenden Elementen bildet, ist in einer solchen Weise angeordnet, daß die Stoßwellen, die von diesen vibrierenden Elementen "b" und "b" ausgesendet werden, bei einer zweiten, geometrisch definierten Position synthetisiert werden bzw. zusammen wirken, wodurch eine zweite fokussierte Region 11b gebildet wird. In gleichartiger Weise sind die jeweiligen vibrierenden Elemente, die die dritte, vierte, fünfte, sechste und siebte Gruppe 10c, 10d, 10e, 10f und 10g aus vibrierenden Elementen bilden, derart angeordnet, daß sie jeweils die dritte bis siebte fokussierte Region 11c bis 11g an geometrisch definierten Flächen erzeugen. Diese fokussierten Regionen 11a bis 11g werden zu der gleichen Zeit, das heißt gleichzeitig, erzeugt, wie es in Fig. 6C dargestellt ist. Als Folge hiervon ist die zusammengesetzte effektive fokussierte Region, die durch die erste bis siebte fokussierte Region 11a bis 11g definiert ist, ungefähr sieben mal größer als jede dieser fokussierten Regionen 11a bis 11g. Anders ausgedrückt kann der effektive Zerstörungswirkungsgrad bezüglich des zu zertrümmernden Objekts in Übereinstimmung mit der Erfindung verbessert werden, da die resultierende effektive fokussierte Region, die gleichzeitig durch gegenüberliegende Positionierung bzw. Anorndung einer Mehrzahl von fokussierten Regionen 11a bis 11g in Übereinstimmung mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel gebildet wird, erheblich größer als bei dem einzelnen Brennpunkt 7 (siehe Fig. 2C) ist, der bei dem herkömmlichen Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen gebildet wird, ausgelegt werden kann.

Gestaltung der fokussierten Region

Die Größe der jeweiligen fokussierten Regionen, die durch die Schockwellen in geometrischer Hinsicht definiert werden, wird dann auf der Grundlage der nachstehenden, angenäherten Gleichung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 6D gestaltet.
Damit die Zeichnung besser zu verstehen ist, ist in Fig. 6D angenommen, daß ein Körper 10 für die Gruppen aus vibrierenden Elementen, der aus den sieben Gruppen 10a bis 10g vibrierender Elemente gebildet ist, in parabolischer Form angeordnet ist. Eine Apertur dieses Körpers 10 aus den Gruppen vibrierender Elemente ist mit "D" bezeichnet, während die geometrische Brennweite, die durch den Körper 10 der Gruppen vibrierender Elemente definiert ist, mit "F" bezeichnet ist. Weiterhin ist eine Größe einer fokussierten Region (nämlich eine Region, die für den halben Spitzenwert einer Schockwelle repräsentativ ist) in der Richtung der Apertur mit "A" bezeichnet. Es wird daher die nachstehend angegebene, ungefähre Gleichung erhalten:
α = sin&supmin;¹ (1.22 C/D f) (1)
Hierbei bezeichnet "α" einen Winkel bezüglich einer Mittellinie des Körpers 10 der Gruppen aus vibrierenden Elementen, "C" bezeichnet eine akustische Geschwindigkeit, zum Beispiel 1500 m/s; und "f" repräsentiert eine Vibrationsfrequenz der vibrierenden Elemente 10a bis 10g (zum Beispiel 500 kHz).
θ = sin&supmin;¹ (D/2F) (2)
Hierbei bezeichnet "θ" einen Winkel eines halben Sektors, bezogen auf die Mittellinie.
Anhand der vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die nachstehende Definition der fokussierten Region "A" wie folgt:
A = 2F/(cot α + cot θ) (3)

Modifikation der geometrischen Anordnung

Gemäß Fig. 6B ist, wie zuvor erläutert, jede der vorstehend beschriebenen Gruppen 10a bis 10g vibrierender Elemente aus zwei vibrierenden Elementen aufgebaut. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann jede der Gruppen aus vibrierenden Elementen alternativ auch aus mehr als zwei Elementen gebildet sein. In Fig. 7 ist in Form einer vergrößerten Ansicht eine weitere Einrichtung 25 zur Erzeugung von Stoßwellen gezeigt, die in Übereinstimmung mit einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel steht. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, sind die jeweiligen vibrierenden Elementstücke "a" bis "g" voneinander dadurch unterschieden, daß Zusatzzeichen 1 bis 4 hinzugefügt sind. Demgemäß ist eine erste fokussierte Region 11a in geometrischer Hinsicht durch die Gruppe "a1" bis "a4" aus vibrierenden Elementen definiert. In gleichartiger Weise sind die zweite bis siebte fokussierte Region 11b bis 11g in geometrischer Hinsicht jeweils durch die Gruppen "b1" bis "b4" bis hin zu "g1" bis "g4" definiert.

Schaltungsanordnung des zweiten Stoßwellengenerators

Bei dem vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die jeweiligen fokussierten Regionen gleichzeitig dadurch gebildet, daß die entsprechenden Gruppen aus vibrierenden Elementen mit einem vorbestimmten, geometrischen Parameter angeordnet werden. Darüber hinaus kann eine solche Erzeugung einer solchen fokussierten Region durch eine elektronische Einrichtung bewerkstelligt werden. Das heißt, daß ein Gerät 200 zur Erzeugung von Stoßwellen in Übereinstimmung mit der zweiten grundlegenden Idee der Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert wird, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Generierung von fokussierten Regionen in elektronischer Weise erzielt wird.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Schaltbild des zweiten Geräts 200 zur Erzeugung von Stoßwellen ist eine Mehrzahl von Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-n vorgesehen ("n" bezeichnet eine positive ganze Zahl), wobei die Anzahl der Impulsgebergruppen derjenigen der Gruppen vibrierender Elemente entspricht. Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl "n" so gewählt, daß sie 7 entspricht. Jede dieser Pulsgebergruppen 18- 1 bis 18-7 enthält eine Mehrzahl von Pulsgebern, zum Beispiel vier Impulsgeber (nicht in Einzelheiten gezeigt) für die vibrierenden Elemente a1 bis a4 (siehe Fig. 7). Verzögerungsschaltungsgruppen 50-1 bis 50-n ("n" bezeichnet eine positive ganze Zahl, das heißt 7) sind mit den Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-n verbunden. In gleichartiger Weise enthält jede dieser Verzögerungsschaltungsgruppen 50-1 bis 50-2 eine Mehrzahl von Verzögerungsschaltungen, zum Beispiel vier Verzögerungsschaltungen (nicht in Einzelheiten gezeigt). Eine Verzögerungssteuereinheit 51 ist mit diesen Verzögerungsschaltungsgruppen 50-1 bis 50-7 verbunden, derart, daß die Verzögerungszeiten für die Verzögerungsschaltungsgruppen 50-1 bis 50-7 gesteuert werden. Eine Steuereinrichtung 52 zur Steuerung der Erzeugung der Stoßwellen ist vorgesehen, damit die Zeitpunkte der Erzeugung der Schockwellen durch die vibrierenden Elemente gesteuert werden. Eine zentrale Verarbeitungseinheit (im folgenden auch als "CPU" oder Zentraleinheit bezeichnet) 22 wird zur Steuerung sowohl der Verzögerungssteuereinrichtung 51 als auch der Steuereinrichtung 52 zur Steuerung der Erzeugung der Schockwellen eingesetzt.
Es ist anzumerken, daß, auch wenn die Einrichtung zur Erzeugung der Schockwellen nicht in dem Schaltbild gemäß Fig. 8 enthalten ist, beliebige Arten der Einrichtung zur Erzeugung von Schockwellen eingesetzt werden können, falls eine Mehrzahl von vibrierenden Elementen in der Einrichtung eingesetzt werden, nämlich zum Beispiel die Einrichtung 25 zur Erzeugung von Stoßwellen, die in Fig. 7 gezeigt ist.

Erzeugung von Stoßwellen durch den zweiten Generator

In dem Fall, daß die in Fig. 7 dargestellte Einrichtung 25 zur Erzeugung von Stoßwellen als Stoßwellengenerator bei dem zweiten Gerät 200 zur Erzeugung von Stoßwellen eingesetzt wird, wird die erste Pulsgebergruppe 18-1 mit den vibrierenden Elementen "a1" bis "a4" verbunden, die zu der ersten Gruppe vibrierender Elemente gehören. In gleichartiger Weise wird die zweite Impulsgebergruppe 18-2 mit den vibrierenden Elementen "b1" bis "b4" verbunden, und es wird schließlich die siebte Impulsgebergruppe 18-7 mit den vibrierenden Elementen "g1" bis "g4" verbunden.
In Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen zweiten Gerät 200 zur Erzeugung von Stoßwellen werden die Zeitpunkte der Ansteuerung der jeweiligen vibrierenden Elemente, zum Beispiel der Elemente "a1" bis "a4", die die entsprechenden Gruppen aus vibrierenden Elementen bilden, durch die Steuereinrichtung 52 zur Steuerung der Erzeugung von Stoßwellen und durch die Verzögerungssteuereinrichtung 51 in einer solchen Weise angesteuert, daß die Mehrzahl von fokussierten Regionen, die durch die jeweiligen vibrierenden Elemente erzeugt werden, die mit den entsprechenden Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-7 verbunden sind, zur selben Zeit und weiterhin derart erzeugt werden, daß sie einander benachbart sind. Da, genauer gesagt, die Brennweiten bzw. Brennpunktabstände der jeweiligen vibrierenden Elemente gegenseitig unterschiedlich sind und von den Umständen ihrer physikalischen Anordnung abhängen, ist es erforderlich, daß die Zeitpunkte der Ansteuerung dieser vibrierenden Elemente jeweils voneinander verschieden sind. Auf der Grundlage der Verzögerungszeiten der Gruppen 50-1 bis 50-7 aus den Verzögerungsschaltungen, die sowohl durch die Brennweite der jeweiligen vibrierenden Elemente als auch durch die Übertragungsgeschwindigkeiten bzw. Wandergeschwindigkeiten der Stoßwellen (typischerweise 1500 m/s) bestimmt sind, werden folglich diese Zeitpunkte der Ansteuerung der jeweiligen Elemente separat festgelegt (siehe Fig. 6D).
Eine derartige Verzögerungssteuerung wird hauptsächlich durch die Verzögerungssteuereinrichtung 51 bewerkstelligt. Bei dem zweiten, in Fig. 8 gezeigten Gerät 200 zur Erzeugung von Stoßwellen werden die von der Steuereinrichtung 52 zur Steuerung der Stoßwellenerzeugung zugeführten Signale zur Zeitsteuerung der Stoßwellengenerierung gleichzeitig durch die jeweiligen Verzögerungsschaltungsgruppen 50-1 bis 50-7 abgegriffen bzw. empfangen. Folglich werden die Zeitpunkte der Ansteuerung der jeweiligen vibrierenden Elemente unter der Steuerung durch die Verzögerungssteuereinheit dadurch festgelegt, daß an diese vorab festgelegte Verzögerungszeiten angelegt werden. Als Ergebnis hiervon wird die Mehrzahl von fokussierten Regionen aus den Stoßwellen, die durch die jeweiligen Gruppen vibrierender Elemente ausgesendet werden, gleichzeitig erzeugt, wobei sie benachbart zueinander liegen. Diese fokussierten Regionen, die ähnlich sind wie diejenigen, die in Fig. 6C dargestellt sind, können vergrößert werden, verglichen mit dem herkömmlichen Brennpunkt 7. Anders ausgedrückt können die gleichen oder ähnliche Vorteile wie bei dem ersten Gerät 100 zur Erzeugung der Stoßwellen auch bei dem zweiten Gerät 200 zur Erzeugung der Stoßwellen erhalten werden.

Schaltungsanordnung eines dritten Stoßwellengenerators

Unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 wird nun ein Gerät 300 zur Erzeugung von Stoßwellen beschrieben, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform steht, die nicht zu der vorliegenden Erfindung zählt. Es ist anzumerken, daß die gleichen Bezugszeichen, wie sie in Fig. 7 gezeigt sind, zur Verwendung der gleichen oder gleichartiger Schaltungselemente in den nachfolgenden Fig. eingesetzt werden. Es erfolgt daher keine weitere Erläuterung derselben.
Wie in Fig. 9 dargestellt ist, ist die Steuereinrichtung 53 zur Steuerung der Erzeugung der Stoßwellen derart ausgelegt, daß die Signale zur Zeitsteuerung der Erzeugung der Stoßwellen separat an die jeweiligen Verzögerungsschaltungen 50-1 bis 50-7 abgegeben werden. Ein Multiplexer 55 ist zwischen den Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-7 und den Gruppen 10a bis 10g aus vibrierenden Elementen eingefügt. Folglich werden die Treiberimpulse hoher Spannung, die von den jeweiligen Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-7 abgegeben werden, korrekt durch den Multiplexer 55 ausgewählt. Eine von diesen Impulsgebergruppen, zum Beispiel die Gruppe 18-1, wird mit der ersten Gruppe 10a aus vibrierenden Elementen (siehe Fig. 6B) gekoppelt, so daß die erste Gruppe 10a aus vibrierenden Elementen durch den Treiberimpuls hoher Spannung angetrieben werden, so daß durch diese die Schockwelle erzeugt wird. Als Ergebnis wird die erste fokussierte Region 11a durch die erste Gruppe 10a vibrierender Elemente ab einem ersten Zeitpunkt "t1" mit einer vorbestimmten Zeitdauer erzeugt (siehe Fig. 10). Nachfolgend wird der Multiplexer 55 derart betrieben, daß er die nächste Pulsgebergruppe 18-2 mit der zweiten Gruppe 10b vibrierender Elemente koppelt, so daß die zweite fokussierte Region 11b ab einem zweiten Zeitpunkt "t2" mit einer vorbestimmten Zeitdauer gebildet wird. Nachfolgend werden aufeinanderfolgend gebildete fokussierte Regionen 11c bis 11g unter Bezugnahme auf das zu zerstörende Objekt 8 abgetastet bzw. gebildet.
Wie vorstehend erläutert, können die Zeitpunkte der Erzeugung der Schockwellen gemäß dem dritten Gerät 300 zur Erzeugung von Stoßwellen bezüglich der jeweiligen vibrierenden Elemente unter der Steuerung durch die Steuereinrichtung 53 zur Zeitsteuerung der Schockwellengenerierung verschoben werden. Anders ausgedrückt können die Zeitpunkte der Bildung der jeweiligen fokussierten Regionen 11a bis 11g, die in Fig. 6C dargestellt sind, innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer verschoben werden, die die Zeitpunkte "t1" bis "t7" enthält, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, da sich die Zeitpunkte der Erzeugung der Stoßwellen durch die jeweiligen, vibrierenden Elemente voneinander unterscheiden. Als Folge hiervon kann die Mehrzahl von fokussierten Regionen 11a bis 11g zeitlich sequentiell über das zu zerstörende Objekt hinweg verschoben werden. Demzufolge kann die Wirksamkeit der Zertrümmerung von Steinen bei dem dritten Gerät 300 zur Erzeugung von Stoßwellen in ähnlicher Weise wie bei dem ersten und dem zweiten Gerät 100 und 200 zur Erzeugung von Stoßwellen erhöht werden.
Da weiterhin in Übereinstimmung mit dem dritten Gerät 300 zur Erzeugung von Stoßwellen der Multiplexer 55 zwischen den Pulsgebergruppen 18-1 bis 18-7 und den vibrierenden Elementen 10a bis 10g eingefügt ist, kann die gesamte Anzahl der Signalleitungen zu den jeweiligen, vibrierenden Elementen 10a bis 10g erheblich verringert werden, verglichen mit deren Anzahl bei dem zweiten Gerät 200 zur Erzeugung von Stoßwellen. Als Ergebnis hiervon kann eine derartige Verringerung der gesamten Anzahl der Signalleitungen, an die die Treiberimpulse mit hoher Spannung angelegt werden müssen, einen großen Beitrag zu einer tatsächlichen Herstellung des Geräts zur Erzeugung von Stoßwellen in Übereinstimmung mit der Erfindung leisten.

Stoßwellenapplikator mit fokussierender Linse

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern auch modifiziert, ersetzt und geändert werden kann, ohne den technischen Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Als Beispiel kann ein Stoßwellenapplikator 80 des Typs mit fokussierender Linse auf der Grundlage der ersten grundlegenden Idee aufgebaut werden, wie es in Fig. 11A dargestellt ist. Unter nachfolgender Bezugnahme auf die Fig. 11A bis 11C wird dieser Applikator 80 in Einzelheiten beschrieben. Ein wesentliches Merkmal des Stoßwellenapplikators 80 des Typs mit fokussierender Linse besteht darin, Stoßwellen, die von einer flachen Gruppe vibrierender Elemente erzeugt werden, auf eine Mehrzahl von gewünschten, fokussierten Regionen dadurch zu fokussieren, daß eine akustische Linse eingesetzt wird. Wie aus der Schnittansicht gemäß Fig. 11A ersichtlich ist, wird die flache Gruppe 85 aus vibrierenden Elementen für die Zwecke der Zertrümmerung eingesetzt, und es ist eine Abbildungssonde 16 in einen mittleren Abschnitt dieser flachen Gruppe 85 aus vibrierenden Elementen eingefügt. Eine akustische Linse 87 wird vor den flachen Gruppen 85 aus vibrierenden Elementen in der Richtung der Aussendung der Stoßwellen angebracht. Folglich werden die Stoßwellen, die durch die flache Gruppe 87 aus vibrierenden Elementen erzeugt werden, durch diese akustische Linse 87 fokussiert, so daß eine gewünschte fokussierte Region 89 gebildet wird. Diese akustische Linse 87 ist in acht Linsenabschnitte 87a bis 87d unterteilt, wie es in Fig. 11B dargestellt ist. Genauer gesagt ist diese akustische Linse 87 in vier Paare von Linsenabschnitten 87a bis 87d unterteilt. Der Brechnungsindex der jeweiligen Linsenabschnitte 87a bis 87d unterscheidet sich jeweils voneinander, so daß die Schockwellen, die durch die jeweiligen vibrierenden Elemente erzeugt worden sind und durch die akustische Linse 87 hindurchgetreten sind, auf den unterschiedlichen fokussierten Regionen fokussiert werden. Das heißt, daß in Übereinstimmung mit den Wirkungen der akustischen Linse 87 die breite fokussierte Region 89, die in Fig. 11A dargestellt ist, aus vier unterschiedlichen fokussierten Regionen gebildet werden kann. In Fig. 11C ist eine Draufsicht auf diese Gruppe 85 aus vibrierenden Elementen gezeigt. Wie aus dieser Fig. ersichtlich ist, ist diese Gruppe 85 aus vibrierenden Elementen in vier Paare von Abschnitten 85a bis 85d vibrierender Elemente unterteilt, in gleichartiger Weise wie die vier Paare von Linsenabschnitten 87a bis 87d. Weiterhin ist ein Abschnitt 85a bis 85d der vibrierenden Elemente in zwei schmale Abschnitte vibrierender Elemente unterteilt. Als Ergebnis eines solchen schmalen Elementabschnitts kann die Wirksamkeit bezüglich dieser schmalen Elementabschnitte noch weiter verbessert sein.
Der Stoßwellenapplikator 80 des Typs mit fokussierender Linse wird dann zum Beispiel mit einem Stoßwellengenerator (nicht in Einzelheiten gezeigt) gekoppelt, der gleichartig ist wie der erste, in Fig. 3 dargestellte Generator 100 zur Erzeugung von Stoßwellen, und es werden vier Paare von vibrierenden Elementabschnitten 85a bis 85d gleichzeitig angesteuert, wodurch eine gewünschte fokussierte Region 89 gleichzeitig gebildet werden kann. In gleichartiger Weise kann dieser Stoßwellenapplikator 80 des Typs mit fokussierender Linse mit einem anderen Stoßwellengenerator (nicht in Einzelheiten gezeigt) gekoppelt werden, der gleichartig ist wie der vorstehend erläuterte Stoßwellengenerator 300, der in Fig. 9 dargestellt ist, und es werden vier Paare von vibrierenden Elementabschnitten 85a bis 85d aufeinanderfolgend angesteuert, so daß schmale fokussierte Regionen aufeinanderfolgend gebildet werden, um letztendlich eine solche breite fokussierte Region 89 zu bilden.
Wie es in Einzelheiten beschrieben wurde, kann die Wirksamkeit der Zerstörung des zu zertrümmernden Objekts, zum Beispiel eines Steins, in Übereinstimmung mit dem Gerät zur Erzeugung von Stoßwellen gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert werden.

Claims

1. Stoßwellenerzeugungsgerät (200, 300) mit:

einer Mehrzahl von Erzeugungseinrichtungen (18-1 bis 18-7) für die Erzeugung einer Mehrzahl von Spannungsimpulsen;

einer Stoßwellenerzeugungseinrichtung (15, 225), die eine Mehrzahl von Ultraschallschwinger-Elementgruppen (10a bis 10g) aufweist, die mit der Mehrzahl von Impulserzeugungseinrichtungen (18-1 bis 18-7) gekoppelt sind und zum Erzeugen von Stoßwellen sowie zum Fokussieren der Stoßwellen auf eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fokussierungsregionen (11a bis 11g) in Richtung auf ein zu zerstörendes Objekt (8) in dem Inneren eines biologischen Körpers (32) dienen, und

einer Mehrzahl von Verzögerungseinrichtungen (50, 51), die über die Mehrzahl von Impulserzeugungseinrichtungen (18-1 bis 18-7) mit der Mehrzahl von Ultraschallschwinger-Elementgruppen (10a bis 10g) gekoppelt sind und dazu dienen, die Erzeugung einer Mehrzahl von Impulsen mit vorbestimmten Verzögerungszeiten durch die Impulserzeugungseinrichtungen (18-2 bis 18-7) zu bewirken,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse Hochspannungsimpulse sind und daß die Mehrzahl von Fokussierungsregionen (11a bis 11g) gleichzeitig gebildet werden, um die Fläche des wirksamen Bereichs der Stoßwellen zu vergrößern.

2. Stoßwellenerzeugungsgerät nach Anspruch 1, bei dem jede der Ultraschallschwinger-Elementgruppen (10a bis 10g) aus einem Paar von piezoelektrischen Wandlerelementen (a bis g) aufgebaut ist.

3. Stoßwellenerzeugungsgerät nach Anspruch 2, bei dem die piezoelektrischen Wandlerelemente (a bis g) in einer kreisförmigen Form mit einer kugelförmigen Gestalt bei Betrachtung eines Abschnitts derselben angeordnet sind.

4. Stoßwellenerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ultraschallschwinger-Elementgruppen (10a bis 10g) durch sieben Paare von piezoelektrischen Wandlerelementen (a bis g) gebildet sind.

5. Stoßwellenerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede der Ultraschallschwinger-Elementgruppen (10a bis 10g) aus vier piezoelektrischen Wandlerelementen (a1 bis g4) aufgebaut und in einer kreisförmigen Form mit einer sphärischen Gestalt bei Betrachtung eines Abschnitts derselben angeordnet ist.

6. Stoßwellenerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Größe einer Apertur der sphärischen Stoßwellenerzeugungseinrichtung (15, 25) und ein Brennpunktabstand jedes der Schwingelemente derart ausgewählt sind, daß die Mehrzahl von Fokussierungsregionen gebildet wird.

7. Stoßwellenerzeugungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem geschnittene Formen der Ultraschallschwinger-Elementgruppen (85) flach ausgebildet sind, und bei dem eine akustische Linse (87) vor einer Hauptoberfläche der jeweiligen flachen, schwingenden Elementgruppen (85) unter Bezugnahme auf eine Senderichtung der Stoßwellen angeordnet ist, wobei die Brechungsindizes sich jeweils voneinander bei unterschiedlichen Linsenabschnitten (87a bis 87d) unterscheiden.

8. Stoßwellenerzeugungsgerät nach Anspruch 7, bei dem die akustische Linse (87) in vier Paare dieser Linsenabschnitte (87a bis 87d) unterteilt ist, und bei dem die flachen Ultraschallschwinger-Elementgruppen (85) in gleicher Weise in vier Paare von schwingenden Elementabschnitten (85a bis 85d) unterteilt sind, wobei jedes Paar der schwingenden Elementabschnitte weiterhin in zwei Elementabschnitte unterteilt ist.

9. Stoßwellenerzeugungsgerät nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die flachen Ultraschallschwinger-Elementgruppen (85) piezoelektrische Wandlerelemente sind.